Assessment of the Failure Behavior of Dangerous Goods Containers Made of High Density Polyethylene Using Relevant Material Parameters
To obtain approval as dangerous goods packaging, different experimental tests are required to show the eligibility for the transportation of those goods. The data obtained from the material test performed on the pressed plates is not used to get absolute values for the failure time in an internal pressure test or the medium drop height. The goal is to see if there are changes in the behavior because a different HDPE is being used.
All the jerrycans and pressed plates were specially made of four different materials to gain knowledge about the material properties. The plates and jerrycans were made of resin from the same batch to prevent variations caused by batch differences. The wall thickness is decisive and, therefore packagings were analyzed using computer tomography and the fringe projection technique. The results were compared to the magnetostatic measurement technique.
The deformation under internal pressure was measured by digital image correlation. Deformations in the radial direction and the equivalent strains were determined. These deformations, strains, and their acceleration due to the swelling effect could be reproduced in the finite element analysis by using the temperature in the material model.
The resistance against both internal pressure and absorption depend on the density of the material. Conditioning at elevated temperatures causes post crystallization and reduces internal stresses. Differences in the densities of the materials can be determined by using plates manufactured by compression molding. A higher density leads to a better performance under internal pressure.
A correlation could be proved between the medium failure drop height (50 % of the packagings fail because of a crack) and the tensile impact strength of notched specimens cut out of the jerrycans side walls and the notched impact strength (NIS) of pressed plates. A higher NIS leads to a higher medium failure drop height.
A low resistance against oxidative degradation will reduce the medium failure drop height drastically. However, materials which are highly resistant to oxidative degradation do not have lower medium failure drop heights after conditioning with nitric acid when compared to non-conditioned jerrycans. The resistance against oxidative degradation can be determined with plates manufactured by compression molding and allow conclusions about changes in medium drop heights.

Abkürzungsverzeichnis xiii

Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen xvi

Normenübersicht xx

1 Einleitung 1

1.1 Problemstellung 1

1.2 Zielsetzung 2

1.3 Methodisches Vorgehen 2

      1.3.1 Auswahl eines Hohlkörpers 3

      1.3.2 Werkstoffauswahl 5

      1.3.3 Vorgehen bei der Prüfung und Simulation 6

2 Der Formstoff Polyethylen hoher Dichte – HDPE 9

2.1 Herstellung und Eigenschaften von HDPE 10

      2.1.1 Herstellungsverfahren 10

      2.1.2 Aufbau und Struktur 11

2.2 Verarbeitung von Polyethylen 15

      2.2.1 Extrusionsblasformen 15

      2.2.2 Formpressen 20

2.3 Chemische Beständigkeit 20

      2.3.1 Alterung 21

      2.3.2 Molekularer Abbau durch Oxidation 21

      2.3.3 Spannungsrissbildung 24

      2.3.4 Quellung 27

      2.3.5 Kombinierte Einwirkungen 28

2.4 Mechanische Eigenschaften 28

      2.4.1 Werkstoffverhalten 28

      2.4.2 Ortsabhängigkeit 31

      2.4.3 Richtungsabhängigkeit 31

      2.4.4 Bruchmechanik 31

2.5 Modellierung von HDPE 32

      2.5.1 Linear-elastisches Werkstoffverhalten 33

      2.5.2 Kriechen 33

2.6 Eigenspannungen 34

2.7 Einfluss der Verarbeitung 35

3 Grundlagen der verwendeten Prüfverfahren sowie deren Anpassung 37

3.1 Messverfahren zur Bestimmung der Geometrie 37

      3.1.1 Magnetostatische Messmethode 37

      3.1.2 Computertomographische Vermessung 38

      3.1.3 Streifenprojektion 39

3.2 Verpackungsprüfungen 40

      3.2.1 Regelwerke 40

      3.2.2 Standardflüssigkeiten 42

      3.2.3 Innendruckprüfung 44

      3.2.4 Fallprüfung 48

      3.2.5 Stapeldruckprüfung 54

3.3 Untersuchung von Proben 55

      3.3.1 Probenherstellung 55

      3.3.2 Mechanische Probenuntersuchungen 57

      3.3.3 Weitere Möglichkeiten der Charakterisierung 63

4 Experimentelle Untersuchungen und Diskussion 69

4.1 Ergebnisse und Diskussion der Verpackungsuntersuchungen 69

      4.1.1 Bestimmung der Geometrie 69

      4.1.2 Innendruckprüfung 72

      4.1.3 Bestimmung der mittleren Versagensfallhöhe 83

      4.1.4 Stapeldruckprüfung 92

4.2 Ergebnisse und Diskussion der Probenuntersuchungen 95

      4.2.1 Mechanische Probenuntersuchungen 95

      4.2.2 Weitere Möglichkeiten der Charakterisierung 102

      4.2.3 Einfluss der Verarbeitung auf die Ergebnisse der Probenuntersuchungen 109

5 Numerische Simulationen 111

5.1 Modellierung der Geometrie 111

      5.1.1 Konstante Wanddicke 112

      5.1.2 Gemessene Wanddicke 113

5.2 Lasten, Ersatzlasten und Randbedingungen 114

5.3 Beschreibung von HDPE 114

      5.3.1 Linear-elastische Betrachtung 114

      5.3.2 Implementierung des Kriechens 115

      5.3.3 Implementierung des Kriechens mit „Temperaturabhängigkeit“ 118

5.4 Ergebnisse und Validierung 119

      5.4.1 Vergleich der Berechnung mit dem Stereo-Bildkorrelationsverfahren 120

      5.4.2 Aussagesicherheit der FE-Analyse 125

6 Zusammenhänge zwischen den einzelnen Untersuchungen 127

6.1 Innendruckprüfung und ausschlaggebende Werkstoffkennwerte 127

6.2 Fallprüfung und ausschlaggebende Werkstoffkennwerte 130

6.3 Stapeldruckprüfung und ausschlaggebende Werkstoffkennwerte 134

6.4 Prozessbedingungen und Chargeneinflüsse 134

6.5 Rückschlüsse auf BAM-GGR 003 / DIN EN 15507 135

6.6 Neuronale Netze als alternative Möglichkeit 136

7 Zusammenfassung und Ausblick 137

Abbildungsverzeichnis 141

Tabellenverzeichnis 145

Literaturverzeichnis 147

Eigene Veröffentlichungen 161

Anhang 163

A Experimentelle Untersuchungen 163

A.1 Geometriebestimmung 163

A.2 Verpackungsprüfungen 164

      A.2.1 Innendruckprüfung 164

      A.2.2 Fallprüfung 169

      A.2.3 Stapeldruckprüfung 170

A.3 Untersuchung von Proben 171

      A.3.1 Pressparameter 171

      A.3.2 Mechanische Probenuntersuchungen 171

      A.3.3 Weitere Möglichkeiten der Charakterisierung 177

B Numerische Simulationen 181

B.1 Linear elastisches Werkstoffverhalten 181

B.2 Kriechen mittels Combined Time Hardening 182

Sachwortregister 185

Danksagung 187

中国计量科学院文献馆