Halbzeug aus Thermoplasten prüfen: Richtlinie DVS 2201-1

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Die Richtlinie DVS 2201-1 „Prüfen von Halbzeug aus Thermoplasten, Grundlagen – Hinweise“ gibt dem Schweißaufsichtspersonal Hinweise und Anregungen für das Prüfen der Halbzeuge in der Eingangskontrolle sowie für die Beurteilung von Qualität und Gebrauchstauglichkeit der Halbzeuge im Hinblick auf die schweißtechnische Praxis.

Bei diesem Beitrag handelt es sich um einen Auszug. Den vollständigen Beitrag finden Sie im Produkt „Die Schweißaufsicht im Betrieb“.

Werkstoffe und Eigenschaftsmerkmale

Die DVS-Richtlinie 2201-1 erfasst in erster Linie im Apparate- und Rohrleitungsbau eingesetzte Werkstoffe, die wegen ihres molekularen und strukturellen Aufbaus spezifische verarbeitungs- und anwendungstechnische Eigenschaften aufweisen.

Hinweis
Beim Einsatz von Halbzeug aus Thermoplasten (hauptsächlich für tragende Bauteile) gilt es, die spezifischen Werkstoffeigenschaften, vor allem bei gleichzeitiger mechanischer, thermischer und chemischer Beanspruchung, zu berücksichtigen.

Diese Faktoren beeinflussen das Alterungsverhalten

Sämtliche Werkstoffe sind während der praktischen Anwendung verschiedenen Umwelteinflüssen ausgesetzt und Veränderungen unterworfen. Als Alterungsursachen bei Kunststoffen kommen in erster Linie Licht-, Temperatur- und Medieneinwirkungen in Betracht. Die Verträglichkeit bzw. Widerstandsfähigkeit ist unterschiedlich und hängt insbesondere von der jeweiligen Einsatzart und Beanspruchung ab. Diesen Umstand gilt es, im Zuge der Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit zu berücksichtigen.

Hinsichtlich des Einsatzes müssen neben diesen äußeren Einflüssen zudem auch innere Einflüsse und mechanische Beanspruchungen Berücksichtigung finden, die bei gleichbleibender mechanischer Beanspruchung die Lebensdauer verkürzen oder verlängern können.

Halbzeug aus Thermoplasten: mechanische Eigenschaften

Die Ermittlung der Werte für die mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge erfolgte anhand genormter Prüfmethoden an Probekörpern. Es handelt sich um Mindestanforderungen an die Formstoffe, die einen Vergleich der Kunststoffe untereinander ermöglichen.

Vor dem Hintergrund, dass die Einflüsse der Gestaltung und der Verarbeitung unberücksichtigt bleiben, sind sie mit den Eigenschaften der Fertigteile nicht zwingend identisch. Wichtig sind insbesondere auch der Temperatur- und Zeiteinfluss, sodass die angegebenen Werte nicht die Gebrauchstauglichkeit der Fertigteile charakterisieren oder unmittelbar der Berechnung einer Konstruktion zugrunde gelegt werden können.

Halbzeug aus Thermoplasten: thermische Eigenschaften

Bei der thermischen Belastbarkeit gilt es zu berücksichtigen, dass die Eigenschaftswerte der Thermoplaste temperaturabhängig sind. Außer der Änderung der Festigkeit aufgrund der Temperatur muss der Zeiteinfluss beachtet werden. Für die konstruktive Gestaltung spielen die Faktoren der Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit eine wesentliche Rolle.

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Hinweise für die Eingangskontrolle

Für die Kontrolle des Lieferzustands der Halbzeuge

• Rohre,
• Tafeln,
• Profile und
• Formteile

sind die in Kapitel 5 der Richtlinie genannten Normen und Richtlinien heranzuziehen. Es bleibt den Vertragspartnern überlassen, darüber hinausgehende Festlegungen zu treffen. Bei Zweifeln hinsichtlich der Identität und/oder Schweißeignung des Werkstoffs, wird eine Prüfung am Maßstab der Richtlinie DVS 2201-2 „Prüfen von Halbzeug aus Thermoplasten – Schweißeignung – Prüfverfahren – Anforderungen“ empfohlen.

Sichtkontrolle von Halbzeug aus Thermoplasten

Anhand einer Inaugenscheinnahme sind die Halbzeuge

• auf gleichmäßige Einfärbung,
• örtliche Farbveränderungen sowie
• auf Sauberkeit und Oberflächenbeschaffenheit

zu untersuchen. Es hat eine Erfassung der Kennzeichnung des Halbzeugs zu erfolgen.

Maßkontrolle bei Halbzeug aus Thermoplasten

Am Halbzeug ist eine Überprüfung der in den Normen und Richtlinien bzw. den technischen Lieferbedingungen festgelegten Maße durchzuführen.

Warmlagerung von Halbzeug aus Thermoplasten

Die Richtlinie empfiehlt die Warmlagerung. Was die Prüftemperatur und Prüfdauer betrifft, ist sie gemäß der jeweiligen Normen und Richtlinien durchzuführen. Oberfläche (Farbe, Gestalt) und prozentuale Längenänderung des Halbzeugs wird mit den vorliegenden Angaben verglichen.

Hinweis
Flankierend zu diesen einfachen Werkstoffprüfungen können bei Bedarf weitere auf den konkreten Anwendungsfall bezogene Prüfungen notwendig sein.

Gebrauchstauglichkeit prüfen und beurteilen

Die Bauteile, die aus den Halbzeugen hergestellt wurden, müssen den im praktischen Einsatz auftretenden

• mechanischen,
• thermischen und
• chemischen

Belastungen in der festgelegten Gebrauchsdauer mit Sicherheit standhalten. Für die Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit der Bauteile gilt es,

• die Eignung der Werkstoffe,
• die fachgerechte Verarbeitung, insbesondere der Schweißverbindungen, sowie
• die kunststoffgerechte Konstruktion

zu berücksichtigen.

Die aus den in der Folge beschriebenen Prüfungen erzielten Ergebnisse und deren Bewertung gestatten eine Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit der Halbzeuge.

Prüfung des Verhaltens unter mechanischer Beanspruchung

Im Zuge der Prüfung der mechanischen Eigenschaften muss zwischen Kurz- und Langzeitverhalten unterschieden werden.

Kurzzeitversuche dienen ausschließlich der Ermittlung der Anfangsfestigkeiten sowie zur Festlegung der Prüfbedingungen für Zeitstandprüfungen. Für Prüfergebnisse aus diesen Kurzzeitversuchen gilt, dass sie nicht unmittelbar zur Bemessung von tragenden Bauteilen herangezogen werden dürfen. Der konstruktiven Bemessung tragender Bauteile sind die Ergebnisse aus Zeitstandversuchen zugrunde zu legen (siehe Richtlinie DVS 2205-1 „Berechnung von Behältern und Apparaten aus Thermoplasten – Kennwerte“).

Prüfungsgegenstände des Zugversuchs

Im Zugversuch gemäß DIN EN ISO 527 „Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften“ erfolgt die Ermittlung

• der Streckspannung,
• der Zugfestigkeit,
• der Reißfestigkeit sowie
• der zugehörigen Dehnungen.

Der Zugversuch gemäß der Richtlinie DVS 2203-2 „Prüfen von Schweißverbindungen an Tafeln und Rohren aus thermoplastischen Kunststoffen – Zugversuch“ dient der Bestimmung des Kurzzeitschweißfaktors.

Elastizitätsmodul bestimmen

Die Ermittlung des Elastizitätsmoduls erfolgt anhand der Norm DIN EN ISO 527 „Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften“. Entsprechend dem Belastungsfall erfolgt die Bestimmung im Zug-, Druck- oder Biegeversuch.

Schlagzähigkeit bestimmen

Die Ermittlung der Schlag- bzw. Kerbschlagzähigkeit erfolgt

• anhand der DIN EN ISO 179 „Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften im Schlagbiegeversuch“ oder
• gemäß der DIN EN ISO 8256 „Kunststoffe – Bestimmung der Schlagzugzähigkeit im Schlagzugversuch“.

Die Bestimmung der Zähigkeit von Schweißverbindungen erfolgt mithilfe der Richtlinie DVS 2203-3 „Prüfen von Schweißverbindungen an Tafeln und Rohren aus thermoplastischen Kunststoffen; Schlagzugversuch“. Die Zähigkeitseigenschaften sind ein wesentlicher Faktor, weil sie Hinweise auf die Widerstandsfähigkeit der Werkstoffe gegen stoßartige Belastungen geben.

Zeitstand-Innendruckversuch

Existieren für Werkstoffe keine Zeitstand-Kennlinien, werden diese am Maßstab der DIN EN ISO 1167 „Rohre, Formstücke und Bauteilkombinationen aus thermoplastischen Kunststoffen für den Transport von Flüssigkeiten – Bestimmung der Widerstandsfähigkeit gegen inneren Überdruck“ geprüft. Die Auswertung erfolgt anhand DIN EN ISO 9080 „Kunststoff-Rohrleitungs- und Schutzrohrsysteme – Bestimmung des Zeitstand-Innendruckverhaltens von thermoplastischen Rohrwerkstoffen durch Extrapolation“.

Den Zeitstand-Kennlinien können für entsprechende

• Werkstoffe,
• Temperaturen und
• Einsatzzeiten

die Kennwerte für die Dimensionierung entnommen werden. Die Ermittlung dieser Zeitstand-Kennlinien erfolgte im mehrachsigen Spannungszustand, wie er üblicherweise an Bauteilen auftritt.

Zeitstand-Zugversuch

Die Durchführung des Zeitstand-Zugversuchs erfolgt anhand der Vorgaben der DIN EN ISO 899 „Kunststoffe – Bestimmung des Kriechverhaltens“. Im Zuge der Auswertung von Zeitstand-Zugversuchen gilt es zu berücksichtigen, dass diese unter einachsiger Belastung durchgeführt werden und längere Standzeiten als bei mehrachsiger Belastung zur Folge haben. Dieser Umstand muss bei der Dimensionierung beachtet werden.

Die Bestimmung des Langzeitschweißfaktors erfolgt gemäß der Richtlinie DVS 2203-4 „Prüfen von Schweißverbindungen an Tafeln und Rohren aus thermoplastischen Kunststoffen – Zeitstand-Zugversuch“. Nach den bisherigen Erkenntnissen besitzt dieser im einachsigen Zeitstand-Versuch ermittelte Faktor auch für den mehrachsigen Spannungszustand Gültigkeit.

Kriechmodul bestimmen

Die Bestimmung des Kriechmoduls erfolgt im Rahmen des Zeitstand-Zugversuchs bzw. im Zeitstand-Biegeversuch gemäß DIN EN ISO 899 „Kunststoffe – Bestimmung des Kriechverhaltens“. Bei der Dimensionierung ist der Kriechmodul in Abhängigkeit von

• Spannung,
• Temperatur und
• Zeit

zu berücksichtigen.

Widerstand gegen langsames Risswachstum bestimmen

Um das Verhalten unter mechanischer Belastung abzuschätzen, können Spannungsrissprüfungen im FNCT (Full-Notch-Creep-Test) bzw. 2NCT (Two-Notch-Creep-Test) nach den Beiblättern 2 und 4 der Richtline DVS 2203-4 „Prüfen von Schweißverbindungen an Tafeln und Rohren aus thermoplastischen Kunststoffen – Zeitstand-Zugversuch“ vorgenommen werden. Eine Beschreibung dieser beiden Prüfungen findet sich in Anhang A der DIN EN 12814-3 „Prüfen von Schweißverbindungen aus thermoplastischen Kunststoffen – Teil 3: Zeitstand-Zugversuch“.

Autor: Lic.jur./Wiss.Dok. Ernst Schneider
Ernst Schneider ist Experte für technisches Recht und Normung. Er berät technologieorientierte Unternehmen und ist Mitglied im Ausschuss Normenpraxis des DIN e.V.

Den kompletten Beitrag finden Sie in „Die Schweißaufsicht im Betrieb“.