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Ermüdungsüberwachung

 

Gesundheit von Anlagenkomponenten lässt sich online überwachen

Um die Verfügbarkeit chemischer Anlagen zu erhöhen, empfiehlt es sich, die Ermüdung von Komponenten zu überwachen. Dies erfolgt heute meist durch ein Monitoring der Temperaturverläufe des Fluids in den Rohrleitungen. Effektiver und schneller geht es mit einem automatisierten Online-Überwachungssystem, für das Messsensoren an der Rohraußenseite angebracht werden. Basis des Verfahrens ist eine Software von optiMEAS.

Es ist kein leider kein Einzelfall: Chemische Anlagen stehen still, weil das Material einzelner Komponenten – Rohre, Ventile, Dichtungen und Lagerungen – im Laufe der Zeit durch thermische Belastungen ermüdet ist, in deren Folge Schädigungen auftreten. Somit kommt es mitunter nicht nur zum Ausfall einzelner Komponenten, sondern gleich der gesamten Anlage. Um dies zu verhindern, setzen viele Unternehmen heute auf ein Structural Health Monitoring, also gewissermaßen eine Überwachung des Gesundheitszustands des Materials. Damit will man kontinuierlich Anhaltspunkte über die Funktionsfähigkeit von Komponenten erhalten, um Schädigungen wie beispielsweise Risse oder Verformungen frühzeitig zu erkennen und um frühzeitig Gegenmaßnahmen einleiten zu können.

Um thermischen Belastungen von Rohren und Ventilen auf die Spur zu kommen, werden heute üblicherweise wärmetechnische Belastungsangaben mit Temperaturverläufen für das Fluid und den Wärmeübergangskoeffizienten erstellt. Diese Angaben werden aus ingenieurmäßiger Betrachtung und durch das Auswerten von Messdaten aus Temperaturmessstellen innerhalb der Rohrleitungen gewonnen. Diese Art der Ermittelung von thermohydraulischen Zuständen im Bereich ermüdungsrelevanter Komponenten erweist sich allerdings in der Praxis als sehr zeitaufwändig, weil gleichzeitig der systemtechnische Anlagenzustand analysiert werden muss. Denn schließlich müssen dabei alle Aspekte möglicher Belastungen berücksichtigt werden.

Lebensdauer von Komponenten und Anlagen im Blick

Ein wesentlich effektiverer Weg besteht darin, anhand von Temperaturmessungen mittels dezentral an den Außenwänden angebrachter Sensoren online Ermüdungsgrade angrenzender Komponenten zu ermitteln. Es geht dabei um die Frage: Welche Betriebsprozesse sind belastend für ermüdungsrelevante Komponenten – und wann kann es zu Schädigungen kommen? Die so gewonnenen Daten sind nicht nur Grundlage für die reale Berechnung der Materialermüdung, sondern dienen auch dem optimiertem Anlagenbetrieb. Letztlich lassen sich damit die Auslegungstransienten, die auf Belastungsannahmen beruhen, validieren oder verbessern. Darüber hinaus stellen die gewonnenen Daten die einzige realistische Basis zur Bestimmung der Lebensdauer einzelner Anlagenelemente dar. Erforderlich ist dafür eine schnelle Datenauswertung, für die Hard- und Software-unabhängige Softwarewerkzeuge von OptiMEAS sorgen.

Ein Beispiel für eine solche Komplettlösung in der Messtechnik hat das Unternehmen gemeinsam mit dem Kernkraftwerkshersteller AREVA realisiert: Das Ermüdungsüberwachungssystems FAMOS (Kurzform für: Fatigue Monitoring System), das auf der OptiMEAS-Software OCEAN – Kurzform für: Optimized Core Environment for Automation and Networking – basiert, ist derzeit beispielweise im Kernkraftwerk Borssele des niederländischen Energieversorgers EPZ im Einsatz, um an ermüdungsrelevanten Stellen thermische Betriebsbelastungen lokal zu messen. Insgesamt wurden mehrere hundert dezentrale Messstellen angebracht. Letztlich leistet das System für den Betreiber einen wesentlichen Beitrag zum Lebensdauer- und Alterungsmanagement des Kernkraftwerks.

Insgesamt stellt das System dem Anlagenbetreiber drei verschiedene Nachweise zur Verfügung:

 

  • Schnellauswertung (Simplified Fatigue Estimation): Hierbei handelt es sich um eine einfache Abschätzung des Ermüdungsgrads einer Komponente (Ja/Nein) – anhand von gemessenen Temperaturzyklen und analytischen Gleichungen. Wird eine Ermüdungsrelevanz festgestellt, schließt sich der nächste Schritt an:
  • Automatisierter Ermüdungsnachweis (Fast Fatigue Evaluation): Das Verfahren von AREVA nutzt Temperatur-Einheitstransienten, für die einmalig die Spannungsantwort mit einem Finite-Element-Modell berechnet wurde. Für jede real auftretende Transiente werden die Einheitstransienten skaliert. Anschließend werden die resultierenden Spannungen durch eine Abfrage in der Datenbank der hinterlegten Bauteilspannungsantworten bestimmt. Dadurch ist es möglich, die Beanspruchungen ohne explizite Kenntnis der konvektiven Randbedingungen zu bestimmen. Durch Umsetzung des Verfahrens in eine effiziente Software bleibt der Aufwand nach der Implementierung überschaubar.
  • Detaillierter Ermüdungsnachweis (Detailed Fatigue Calculation): Er basiert auf wärmetechnischen Belastungsangaben. Die in diesem Rahmen erstellten Transienten basieren auf den realen Belastungen der überwachten Komponenten. Für den Nachweis kommen im Projekt Finite-Elemente-Analysen mit teilweise elasto-plastischem Materialverhalten zum Einsatz

 

Die Datendrehscheibe ist offen für viele Systeme

Ein solches Structural Health Monitoring ist auch in Anlagen der chemischen Industrie realisierbar. Die Größe der Anlage spielt dabei keine Rolle, denn auch mehrere Tausend Messstellen lassen sich in das Echtzeit-System einbinden. Denn die Software OCEAN erlaubt den Aufbau von verteilten Systemstrukturen. Ein Datenerfassungskern fungiert dabei als Datendrehscheibe. Er verfügt über Konnektoren zu anderen Systemen, wie etwa Messsystemen verschiedener Hersteller. Durch die offene Architektur kann OptiMEAS Messysteme unterschiedlicher Hersteller in die Komplettlösung einbinden. Die Software deckt damit neben der Datenverarbeitung auch die komplette Messtechnik ab. Konsequenterweise werden dabei auch verschiedene Feldbussysteme wie Profibus, CANOpen, CANbus, EtherCAT oder Profinet unterstützt. Auch eine Anbindung an vorhandene Prozessleitsysteme ist möglich, beispielsweise über den Universellen-Protokoll-Konverter (UPC) oder Netzwerkschnittstellen.

Daneben umfasst die Software zur Lösung von Mess-, Steuer- und regelungstechnischen Aufgaben eine Datenbank und sowie die Datenerfassung und -analyse. Um die Kosten für die Anwender im Griff zu haben, führt die Software nicht nur plattformunabhängig bewährte Technologien zusammen, sondern greift auch auf Standards zurück. OptiMEAS nutzt dafür das Opensource-Anwendungsframework QT sowie die Programmiersprachen C und C++. Deren Vorteil sind schnelle, schlanke Objekte. Funktionen und Applikationen werden gekapselt. Damit wird der Datenstrom optimiert: Trotz der Vielzahl an Daten, die die Sensoren laufend an die Software übermitteln, handelt es sich um eine schlanke, geschwindigkeitsoptimierte Lösung. Dazu trägt auch bei, dass sich immer nur eine einzige Instanz der Daten, also keine Kopie, im Speicher befindet.

Reports lassen Trends erkennen

Basis des modular aufgebauten Systems sind natürlich Sensorik und Messsysteme. Darauf setzt die Steuerungs- und Messtechnik auf. Eine Ebene darüber sind programmierbare Logik, Regelung (PID; Fuzzy, Neuronale Netze) und Signalanalyse (Filter, FFT, Klassifizierung) angesiedelt. Darauf aufbauend stellt OCEAN Funktionalitäten für Prüfablauf, Überwachung und Datenmanagement zur Verfügung. Diese Daten werden für das Reporting herangezogen: Die Historie der Messdaten lässt sich damit erkennen. Betreiber können somit dokumentieren, wie sich der aktuelle Zustand von ermüdungsrelevanten Komponenten im Laufe der Zeit entwickelt hat. Auch lassen sich damit Trends über einen längeren Zeitraum beobachten.

Die Einführung eines solch integrierten Systems erfolgt in der Regel nach einem bestimmten Vorgehen: An dessen Beginn steht die Untersuchung des Systems nach ermüdungsrelevanten Stellen der druckführenden Umgebung wie etwa der Rohrleitungen. Systemingenieure spezifizieren dabei die auftretenden Temperaturtransienten der verschiedenen Systeme und definieren lokal die damit einher gehenden thermohydraulischen Phänomene. Aufgabe von Berechnern ist es während dieser Phase, mit Hilfe der Eingangsdaten mit geeigneten Spannungs- und Ermüdungsanalysen die geforderten Nachweise der Komponenten zu erbringen.

Alle Daten, was wo wie und warum zu messen ist, werden in einem Handbuch festgehalten, das in der Folge auch während des Anlagenbetriebs als Basisdokument dient. Danach erfolgt die Auslegung des Überwachungssystems – entweder als Standalone-System oder eingebunden in die Prozessleittechnik. Wichtig ist bei bestehenden Anlagen die Überprüfung der Einbauverhältnisse vor Ort. Denn es muss hinreichend Einbauraum für die Messstellen vorhanden sein – ebenso wie Platz für die Kabelverlegung von den Messstellen zum Messtechnikschrank. Bei Neubau-Anlagen ist eine Vor-Ort-Begehung nicht erforderlich. Ein dreidimensionales Simulationsprogramm gibt in dem Fall Aufschluss über die Systemeinplanung.

 

Aktualisiert (Mittwoch, den 15. August 2012 um 14:04 Uhr)