CH714900B1 - Messung von Restspannung und Restspannungsentlastung durch akustische Vibration. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Restspannungsentlastung, wobei mittels mechanischer Spannungsdetektion Spannungszonen flächendeckend detektiert und das Ausmass der Spannung jeweils bestimmt wird. Die Spannungszone wird nachfolgend mittels entsprechend lokaler akustischer Vibrationen entspannt, worauf die entlasteten Spannungszonen erneut mittels der mechanischen Spannungsdetektion überprüft werden.

Description

Hintergrund und Zusammenfassung

[0001] In der heutigen Industrie gibt es ein langanhaltendes und kostspieliges Problem der mechanischen Restspannung in Metallobjekten und -strukturen. Diese „unsichtbaren“ mechanischen Restspannungen können oft die Ursache für kritische und katastrophale Ermüdungsbrüche sein. Es gibt Methoden zur Erkennung dieser mechanischen Residualspannungen, die die Situationen zu Ort und Ausmaß der mechanischen Restspannungen liefern. Kunden und Anlagenbesitzer nutzen diese Informationen zurzeit ausschließlich für die Sicherheitsbeurteilung oder eventuelle Reparatur- und Wartungsmassnahmen ohne präventiven Gedanken. Die Entfernung von mechanischen Restspannungen ist ebenfalls möglich, nämlich durch die akustische Vibration. Aber diese beiden Methoden werden zurzeit getrennt verwendet. Heute gibt es keine präventive Lösung für das Ermüdungsversagen, das durch die Anwesenheit der unerwünschten mechanischen Restspannung verursacht wird.

[0002] Material-Ermüdungsprobleme werden durch die dynamische und thermische Belastung während der Anwendungs- und Herstellungsprozesse verursacht und sind häufig die Ursache für Risse und Korrosion. Darüber hinaus besteht der allgemeine Bedarf der heutigen Industrie, das Gewicht der Komponenten zu reduzieren, um Kosten zu sparen, oder ihre Belastungsfähigkeit (Gewicht, Druck, Temperatur) zu erhöhen, um eine höhere Leistung zu ermöglichen. Diese neue Anforderung vermehrt auch immer das Auftreten von solchen Ermüdungsfällen aufgrund der unvermeidbaren mechanischen Restspannung, sodass die Erwartung auf eine vollständige, effektive und präventive Technologie durch die Kombination von Stressdetektions- und Stressentfernungsverfahren erhöht wird.

[0003] Die wichtigsten Branchen, in denen katastrophale Ausfälle auftreten, sind Energie, Öl und Gas, Offshore, Luft- und Raumfahrt, Eisenbahn und Zivilstrukturen. Bei Auftreten von Fehlschlägen können dann oft verheerende Todesfälle, lange Stillstands-Zeiten und extreme Gesamtkosten verursacht werden. In der Luft- und Raumfahrtindustrie führte eine teilweise Verzerrung (und ein mögliches Versagen) aufgrund inhärenter Eigenspannungen zu wiederholten Gefahrensituationen, Nacharbeiten und möglicherweise Schrott im Wert von mehreren Millionen Euro in der Entwicklungs- und Fertigungslebenszyklusphase. Bei einer Hochgeschwindigkeitsstrecke wurden viele tödliche Ereignisse auf das Vorhandensein von mechanischen Restspannungen in Rad- und Achsenteilen zurückgeführt. Öl- und Gasrohrleitungen und Konstruktionen sind aufgrund der langanhaltenden Eigenspannungen, die durch die Belastung sowie durch anfängliche Form- und Schweißvorgänge verursacht werden, störungsanfällig. Schweißverbindungen auf Offshore-Bohrinseln sind auch ständigen Belastungen durch raue Seeverhältnisse ausgesetzt. Gleiches gilt für Schiffe wie Floating-Produktion-Storage und Offloading-Schiffe (FPSO), die zusätzlich den Beanspruchungen der zyklischen Belastung, insbesondere in ermüdungsgefährdeten Bereichen, ausgesetzt sind. Wenn Schweißnähte das Ende ihrer bekannten Lebensdauer erreichen, stehen die Kunden vor der Herausforderung, ausfallende Gelenke zu reparieren und zu erhalten. Normale Reparaturen an diesen hochbelasteten Verbindungen sind oft nur vorübergehend und nicht ausreichend für einen Langzeitbetrieb. Die Kosten des Scheiterns in dieser Industrie können in Bezug auf den Verlust von Leben und auch in Bezug auf Produktionsausfälle massiv sein, die häufig im zweistelligen Millionenbereich liegen können.

Erklärungen zu Bildern:

[0004] Fig. 1: Eine perspektivische Ansicht eines Materials (oder Werkstücks) und einer Vorrichtung zur Detektion der mechanischen Restspannung, die sich über das Material (oder Werkstück) bewegt, zusammen mit Beispielen für das Ausmaß der mechanischen Restspannung in Figur 1A und einer Darstellung der Restspannungszone vor der jeweiligen Behandlung in Figur 1B. Fig. 2: Eine zweite perspektivische Ansicht des Materials (oder Werkstücks) von Fig. 1 nun mit einer akustischen Schwingungsquelle für die mechanische Restspannungsentlastung. Fig. 3: Eine dritte perspektivische Ansicht des Materials (oder Werkstücks) von Fig. 1 nun noch einmal mit der Vorrichtung zur Detektion der mechanischen Restspannung zusammen mit Beispielen für das Ausmaß der mechanischen Restspannung in Fig. 3A und einer Darstellung der Restspannungszone nach der Behandlung in Fig. 3B. Fig. 4: Ein Diagramm, das Integritätsmanagement-Programm zeigt.

Beschreibung der Erfindung

[0005] Die Erfinder schlagen eine innovative Lösung zur Verhinderung von Ermüdungsversagen vor. Die Lösung basiert auf dem Erfassen des Ortes und des Ausmaßes von mechanischen Restspannungen und dem anschließenden Fokussieren des Prozesses zum Entfernen von mechanischen Restspannungen (nämlich Vibrations-Techniken) auf diese vordefinierten Bereiche, auf eine effektive Art und Weise. Nach der Entfernung von mechanischen Restspannungen wird das bearbeitete Objekt nochmals durch das Restspannungsdetektionsverfahren auf die verbleibende mechanische Restspannungen als Bestätigung durchgecheckt. Alle Daten können dann in der Asset Health Management Software gespeichert werden, so dass eine effektive Methode zur Fehlervorhersage und Prävention von Ermüdungsversagen ermöglicht wird.

[0006] Die vorliegende Erfindung dient als ein Verfahren zur Vorhersage und Verhinderung eines Ermüdungsversagens wie z.B. Rissbildung sowohl bei Eisen- als auch bei Nichteisenmetallen. Die Erfindung dient als ein einzigartiges Verfahren zur Verhinderung von Materialdefekten und zur Verlängerung der Lebensdauer, insbesondere in Kombination mit einem „Integritätsmanagement-Softwaresystem“, bei dem Daten gespeichert und zur Planung von Inspektionen, mechanische Restspannungsentfernung und anderen lebensverlängernden Maßnahmen verwendet werden können. Die Methode kombiniert eine „Restspannungs-Erkennungstechnologie“ mit einer „Restspannungs-Entfernungstechnologie“.

[0007] Es gibt drei Verfahren, die zu einer vollständigen Methode beitragen. Zunächst wird ein Restspannungserfassungsprozess, vorzugsweise die „Metal Magnetic Memory Method“, an dem betreffenden Metallobjekt oder der Metallstruktur durchgeführt. Diese Prozedur erfasst präzise sowohl den Ort als auch das Ausmaß der mechanischen Restspannungen, die im Metall vorhanden sind. Mit diesen Informationen wird das zweite Verfahren zur Restspannungsentfernung sehr gezielt und hochwirksam angewendet. Schließlich wird das dritte Verfahren eingesetzt, das vorzugsweise mit der „Metal Magnetic Memory Method“ angewendet wird, um die verbleibenden mechanischen Restspannungen innerhalb des Objekts wieder als Bestätigung des Entfernungseffektes von mechanischer Restspannungen zu erkennen (Abbildung 3). Es ist möglich, diese Methode sowohl für Objekte in trockener Umgebung als auch für Unterwasserobjekte anzuwenden.

[0008] Im Vergleich zu den heutigen einfachen zerstörungsfreien Prüfverfahren und den Standardmethoden zur Entfernung von Restspannungen, gibt es mehrere wichtige Vorteile bei der Anwendung dieses einzigartigen Verfahrens. Durch die Kombination der beiden Methoden (Erkennung und Entfernung) wird den Eigentümern von Metallkonstruktionen eine einzigartige Lösung geboten. Es ist nun möglich, die Rohdaten und Informationen, die mit dieser Methode erzeugt werden, in die meisten der heute üblichen „Asset Integrity Management“ Softwaresysteme zu integrieren. Dies ermöglicht nicht nur eine viel effektivere Vorhersage der zukünftigen Fehlentwicklungen, sondern auch einen präventiven Weg, der das Entfernen der initiierenden mechanischen Eigenspannungen ermöglicht. Der Gesamtnutzen für den Anlageneigentümer ist eine stark reduzierte Schadensgefahr (oft lebensgefährlich), wobei dies oft eine erheblich verlängerte Lebensdauer bedeutet. Der Einsatz dieser Erfindung dient dazu, eine erhöhte Anlagensicherheit und oft enorme Kosteneinsparungen zu ermöglichen.

Claims (8)

1. Verfahren zur zielgerechten mechanischen Entspannung einer mechanischen Restspannung für sowohl ferroelektrisches als auch für nicht-ferroelektrisches Material durch Kombination von Detektionstechnik der mechanischen Restspannung und akustischer Vibrationstechnik, wobei die Detektionstechnik zur Lokalisierung der mechanischen Restspannung und zur Bestimmung des Ausmaßes der mechanischen Restspannung dient, wobei der Prozess der mechanischen Restspannungsentlastung durch lokale akustische Vibration gezielt durchgeführt wird und das Resultat der mechanischen Restspannungsentlastung durch die Detektionstechnik der-mechanischen Restspannung wieder geprüft wird,dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Restspannungsentlastung durch die akustische Vibration erst nach der Lokalisierung der mechanischen Restspannung und der Bestimmung des Ausmaßes der mechanischen Restspannung gezielt durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass das Material zuerst durch ein bewegbares Messgerät zur Detektion der mechanischen Restspannung, vorzugsweise durch die Detektionstechnik „Metal Magnetic Memory“, abgetastet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, dass das Messergebnis der mechanischen Restspannung auf zweidimensionaler Ebene durch Software visualisiert wird, wobei die Größe der mechanischen Restspannungszone und das Ausmaß der mechanischen Restspannung aufgezeichnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,dadurch gekennzeichnet, dass das Resultat einer ersten Aufnahme über eine Ist-Situation der mechanischen Restspannung für eine Risiken-Bewertung in einem Integritätsmanagement-Programm gespeichert und angewandt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, dass das Resultat der Detektion von mechanischer Restspannung für die Planung der akustischen Restspannungsentlastung eingesetzt wird, wobei nicht nur zu bestimmen ist, wo die mechanische Restspannung abgebaut werden muss, sondern auch festzulegen ist, wie stark die akustische Vibration eingesetzt werden muss, sodass die Aktion der mechanischen Restspannungsentlastung gezielt durchgeführt werden kann.

6. Verfahren nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Restspannung nach der akustischen Vibrationsbehandlung visualisiert wird und zusammen mit der Situation vor der Behandlung in einem Integritätsmanagements-Programm aufbewahrt wird, sodass sie für weitere Risiken-Bewertungen des Materials verwendet werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, dass das ganze Verfahren bezüglich der Behandlung der mechanischen Restspannung exakt gemäß der Vorschläge des Integritätsmanagement-Programmes Schritt für Schritt durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, dass die Resultate aus der Detektion der mechanischen Restspannung und die Entspannung der mechanischen Restspannung durch akustische Vibration über das Integritätsmanagement-Programm miteinander verbunden sind und die überarbeitete Information für die Risiken-Bewertung und für die historische Verfolgung eingesetzt werden können.