DD300339A7 - Messverfahren zur kontinuierlichen ermittlung der restnutzungsdauer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Meszverfahren zur kontinuierlichen Ermittlung der Restnutzungsdauer, insbesondere bei thermisch beanspruchten Bauteilen. Die Erfindung betrifft ein Meszverfahren zur Schaedigungsueberwachung, Restnutzungsdauerprognose und restnutzungsdauerorientierter Prozeszbeeinflussung bei insbesondere waermebeaufschlagten strahlungsbeheizten kompletten Systemen, Teilsystemen und Teilen von Apparaten, OEfen, Kesseln und Anlagen in der chemischen Industrie und artverwandten Industriezweigen. Erfindungsgemaesz wurde die Aufgabe geloeste, indem ueber synchrone kontinuierliche Messung und Registrierung der Beanspruchungsparameter, wie Druck, Temperatur, Wanddicke und Festigkeitskennwerte ohne Beruecksichtigung eines Sicherheitsbeiwertes der Schaedigungszustand und die Restnutzungsdauer ermittelt werden. Vorteile sind die Erhoehung der technischen Sicherheit, Havarie- und Unfallverhuetung werden entscheidend verbessert, Ausnutzung von Lebensdauerreserven.{waermebeaufschlagt; strahlungsbeheizt; Apparate; OEfen; Kessel; Anlagen; Schaedigungsueberwachung; Restnutzungsdauer}

Description

festgestellten Befunde sind. In DH-OS 2039334 wird eine Zeitstandsmeßanordnung vorgestellt. Diese Anordnung geht aber von der offensichtlich ungenauen Voraussetzung aus, daß es genügt, eine aktuelle Feststellung der Zeitstandsfestigkeit vorzunehmen/ um daraus eine effektive Lebensdauer gegenüber einem festgelegten Soll-Wert berechnen zu können. Die Berücksichtigung der durch unvermeidbare Verzunderung und gegebenenfalls Erosion ständig abnehmenden Wanddicke wird in dieser Meßanordnung nicht berücksichtigt. Außerdem ignoriert die Angleichung von Zeitstand-Temperaturkennlinien durch Geraden (ohne Streuungl) den Tatbestand über den Reihenfolgeeinfluß von Über- bzw. Unterschreitungon einer vorgegebenen Grenzbeanspruchung auf die Lebensdauer. In DD-PS 259768 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer vorgestellt. Hier gilt als Nachteil das, was über das Problem der Belastungskollektive schon gesagt wurde. Weiterhin geht dieses Verfahren ebenfalls von den zur Zeit gültigen gesetzlichen Vorschriften aus. Über die dabei zu betrachtenden Probleme wurde ebenfalls schon eine Aussage getroffen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Materialkosten und Betriebskosten sowie die Generalreparaturkosten zu senken, indem der Zeitpunkt von Erneuerungen zum sputest erforderlichen Termin erfolgt oder ganz beziehungsweise teilweise vermieden wird. Ziel ist es weiterhin, die technische Sicherheit zu erhöhen und zur Havarie- und Unfallverhütung beizutragen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei insbesondere wärmebeaufschlagten strahlungsbeheizten kompletten Systemen, Teilsystemen und Teilen von Apparaten, Öfen, Kesseln und Anlagen der chemischen Industrie und artverwandter Industriezweige, die wahrscheinliche Restnutzungsdauer als gebrauchswertbestimmende Eigenschaft indirekt kontinuierlich und möglichst exakt zu ermitteln, um Aussagen über die Erhöhung der tatsächlich nutzbaren Beanspruchungszeit sowie der aktuell vorhandenen Lebensdauer und Zuverlässigkeit solcher Systeme praktisch nutzbar zu machen, wobei dies unabhängig von der Prozeßführung und des Handlungsspielraumes des Bedienungspersonals erfolgt, bereits vorhandene Schädigungen der Ausrüstungen berücksichtigt werden sollen, und daß kein Bezug auf vorgeschriebene Sicherheitsbeiwerte oder Zuschläge erfolgt. Es gehört weiter zur Aufgabe, weitere subjektive Faktoren, wie Inspektionsbefunde, über Belastungskollektive vorgegebene Mindestwanddicken ohne Berücksichtigung der vorhandenen Festigkeit und vorab festgelegte Lebensdauer-Soll-Werte als alleinige Bewertungskriterien auszuschalten. Letztlich gehört es zur Aufgabe, unvermeidbare Verzunderungen und gegebenenfalls Erosionen in ihrem Einfluß auf die Wanddicke und Streuungen von Zeitstand-Temperaturkennlinien sowie der geometrischen Abmessungen auf die Lebensdauer zu berücksichtigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an und/oder in den mit Meßfühlern ausgerüsteten Bauteilen die aktuelle Beanspruchung in Form signifikanter Beanspruchungsparameter sowie der Zeit kontinuierlich synchron gemessen wird und einschließlich ihrer Streuung unter Einbeziehung beliebiger Beanspruchungsfälle unabhängig von Maximalgrenzen registriert und aufbereitet wird, daß die aktuelle Beanspruchbarkeit, welche durch Werkstoffverlust und Festigkeitsabnahme beeinflußt wird, mit bekannten Verfahren gemessen und aufbereitet bzw. nach einem Festigkeitsabnahmemodell berechnet wird. Es gehört weiter zur Lösung, daß anschließend durch den Vergleich der momentanen Beanspruchung, wobei der Streuungseinfluß auf die Beanspruchbarkeit und auf die Beanspruchung über je ein Fehlerfortpflanzungsmodell ermittelt werden, über ein Integrationsmodell ein Versagensrisiko festgestellt wird, und daß daraus die bereits akkumulierte Schädigung und die danach zu erwartende Restnutzungsdauer nach einem Lebensdauermodell festgestellt werden, wobei die weiter zu erwartende Schädigung mittels Zufallsgenerator oder durch Vorgabe zukünftiger Beanspruchungsfälle simuliert werden kann. Die Zusammenhänge wurden durch umfangreiche Versuche gefunden. Als überraschender Erfolg konnte festgestellt werden, daß auf den seit ca. 100 Jahren üblichen Sicherheitsbeiwert in der Wanddickenformel verzichtet werden kannl Weitere Vorteile sind, daß die technische Sicherheit erhöht wird und die Havarie- und Unfallverhütung entscheidend verbessert werden. Es können weiterhin beliebige Beanspruchungsfälle, sowohl zeitlich begrenzte Überbeanspruchungen, soweit sie nicht zu unzulässigen plastischen Verformungen geführt haben, als auch die häufig unterhalb der Auslegungsbeanspruchung auftretenden „Unterbelastungen" exakt als Schädigungsanteile ermittelt und in Relation zum Schädigungsaufnahmevermögen bewertet werden.

Große ökonomische Vorteile ergeben sich weiterhin daraus, daß die in der Regel für ständige Maximalbeanspruchung über die gesamte Lebensdauer ausgelegten Systeme infolge der technologisch erforderlichen Fahrweise unterhalb dieser Maximalbeanspruchung entstehenden höheren Lebensdauerreserven voll ausgenutzt werden können, ohne ein vorgegebenes Versagensrisiko zu überschreiten. Durch die Verwendung eines vorgebbaren Versagensrisikos anstelle des bisher angewandten Sicherheitsbeiwertes ergeben sich zusätzlich Nutzungsreserven, die in der Nichtübereinstimmung der resultierenden Streuungen von Beanspruchbarkeit und Beanspruchung mit dem nach Erfahrungswerten festgelegten Sicherheitsbeiwert beruhen.

AusfOhrungsbelsplel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Dabei zeigt die Figur den Ablauf der Ermittlungen der Restnutzungsdauer durch die Eingabe von Meßdaten.

An einem wärmebeaufschlagten strahlungsbeheizten System 1, beispielsweise einem Rohrsystem, werden kontinuierlich die Rohraußenwandtemperatur T, 1 und der Rohrinnendruck pi 1 hinsichtlich Mittelwert und Streuung sowie die Beanspruchungszeit 14 gemessen. Aus diesen Parametern werden in den Rechenbausteinen 2; 3, welche analog in herkömmlicher Schaltung aufgebaut sir.d, diese Parameter einschließlich ihrer Streuung unter Einbeziehung beliebiger

Beanspruchungsfälle unabhängig von Maximalgrenzen registriert und aufbereitet. Periodisch wird die Wanddicke s 1 gemessen, deren Abnahme im Extrapolationsbaustein 6 extrapoliert und im Rechenbaustein 7 die momentan vorhandene Festigkeit beröcnnet. In den Rechenbausteinen 8; 5, welche jeweils die Kesselformel enthalten, wird der Streuungseinfluß der Parameter auf die Beanspruchbarkeit und auf die Beanspruchung über je ein Fehlerfortpflanzungsmodell ermittelt. Im Integrationsbaustein 9 wird durch Differenzbildung der zeitsynchronisierten Werte für die Beanspruchung und die Beanspruchbarkeit das momentane Versagensrisiko ermittelt. Aus dem Ergebnis werden mittels des im Modellbaustein 10 nachgebildeten Lebensdauermodells die bisher eingetretene Schädigung und die Restnutzungsdauer ermittelt. Dabei kann die weiter zu erwartende Schädigung mittels Zufallsgenerator 4 für die Beanspruchungszeit oder durch Vorgabe zukünftiger Beanspruchungsfälle, erforderlichenfalls auch über Zufallsgenerator 4, simuliert werden. Die bisher eingetretene Schädigung und die noch zu erwartende Restnutzungsdauer werden mittels Anzeigebaustein 11 angezeigt bzw. über die Schnittstelle 12 zur Prozeßsteuerung benutzt.

Claims (1)

1. Meßverfahren zur kontinuierlichen Ermittlung der Restnutzungsdauer, insbesondere bei thermisch beanspruchten Bauteilen, unter Berücksichtigung bekannter Beanspruchungsparameter und Festigkeitskennwerte, gekennzeichnet dadurch, daß an und/oder in den mit Meßfühlern (1) ausgerüsteten Bauteilen die aktuelle Beanspruchung in Form signifikanter Beanspruchungsparameter sowie der Zeit (4) kontinuierlich synchron gemessen wird und einschließlich ihrer Streuung unter Einbeziehung beliebiger Beanspruchungsfälle unabhängig von Maximalgrenzen registriert und aufbereitet wird (2; 3), daß die aktuelle Beanspruchbarkeit, welche durch Werkstoffverlust und Festigkeitsabnahme beeinflußt wird, mit bekannten Verfahren gemessen und aufbereitet (6) beziehungsweise nach einem Festigkeitsabnahmemodell (7) berechnet wird, daß anschließend durch den Vergleich der momentanen Beanspruchbarkeit mit der Beanspruchung, wobei der Streuungseinfluß auf die Beanspruchbarkeit und auf die Beanspruchung über je ein Fehlerfortpflanzungsmodell (8; 5) ermittelt werden, über ein Integrationsmodell (9) ein Versagensrisiko festgestellt wird, und daß daraus die bereits akkumulierte Schädigung und die danach zu erwartende Restnutzungsdauer nach einem Lebensdauermodell (10) festgestellt werden, wobei die weiter zu erwartende Schädigung mittels Zufallsgenerator (4) oder durch Vorgabe zukünftiger Beanspruchungsfälle simuliert werden kann.

   Hierzu eine 'te Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren zur Schädigungsüberwachung, Restnutzungsdauerprognose und restnutzungsdauerorientierter Prozeßbeeinflussung bei insbesondere wärmebeaufschlagten strahlungsbeheizten kompletten Systemen, Teilsystemen und Teilen von Apparaten, Öfen, Kesseln und Anlagen in der chemischen Industrie und artverwandten Industriezweigen.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   Zur Lebensdauersicharung von thermisch und mechanisch hochbeanspruchten Ausrüstungen werden insbesondere verfahrenstechnische Lösungen gewählt, welche eine Verbesserung der Prozeßführung anstreben. Hauptbestandteil dieser Verfahren ist die Beeinflussung des Handlungsspielraumes des Bedienungspersonals zur Vermeidung von Überlastungen durch ständigen Vergleich der aktuellen Beanspruchung mit zulässigen Werten. Die Grenzwerte werden in der Regel unter Annahme extremer Belastungskollektiva unter Verwendung quasistationörer Temperaturfelder und experimentell ermittelter zulässiger Spannungsausschläge berechnet, oder es werden durch Benutzung von Prozeßrechnern im Echtzeitbetrieb Spannungsfreibeträge oder Freibeträge für zeitliche Änderungen von Prozeßparametern angezeigt oder direkt zur Prozeßsteuerung genutzt. Dabei werden jedoch stark vereinfachende lineare Algorithmen für die Prozeßbeschreibung verwendet. (DE-OS 3301895)

   Das Verfahren nach DD-PS 252658 verwendet zur Vergleichsspannungsermittlung ein dynamisches mathematisches Modell sowie ein Modell zur Parameterschätzung und zeigt zulässige Änderungsgeschwindigkeiten an, bzw. beeinflußt automatisch den Prozeß. Die genannten Verfahren geben keine Informationen über die bereits erfolgte Schädigung der Ausrüstungen oder deren Restnutzungsdauer und lassen auch keine schädigungsabhängige Prozeßbeeinflussung zu und ermöglichen somit auch nicht die Festlegung zustandsabhängiger Erneuerungszeitpunkte. In der Regel verwenden Verfahren zur Lebensdauerberechnung zyklisch beanspruchter Bauteile Schadensakkumulationshypothesen der Bruchmechanik und übertragen die dort verwendeten Nachweisrechnungen zur Ermüdungsfestigkeit formal auf die Kriechfestigkeit thermisch beanspruchter Bauteile, indem unter Beibehaltung eines vorgeschriebenen Sicherheitsbeiwertes (zum Beispiel s_B = 1,5 für beheizte Rohre) und Zugrundelegung maximaler Beanspruchungsparameter und einer vorgegebenen Nutzungszeit eine zulässige Schädigung in Betriebsstunden berechnet wird, auf die die Teilschädigungen zu beziehen sind. Beispiele hierfür sind die Werkstoff- und Bauvorschriften und der Richtlinienkatalog Festigkeit (DD) sowie die AD-Merkblätter (DE). Streuungen der geometrischen Abmessungen des Bauteiles, der Festigkeit des Werkstoffes und der Beanspruchungsparameter werden nicht bewertet, sondern hur durch den Sicherheitsbeiwert berücksichtigt. Die Abnahme der Wanddicke infolge von beispielsweise Verzunderung an der strahlungsbeheizten Oberfläche eines Rohrsystems geht durch einen Zuschlag in die Berechnung sin. Als Berechnungsfeetigkeit wird diejenige Festigkeit aus Werkstoffkennwerttabellen entnommen oder nach LARSON-MILLER berechnet, die bei dem vorgesehenen Nutzungszeitende bei Betrieb mit Maximalbeanspruchung über die gesamte Nutzungszeit erreicht sein wird und durch den Sicherheitsbeiwert dividiert. Als Zuverlässigkeitsnachweis nach den einschlägigen bekannten Standards oder Normen der Zuverlässigkeit kann solch ein thermischer Ermüdungsnachweis jedoch nicht gelten, weil damit der Zuverlässigkeitsverlust als Funktion der Benutzungszeit oder eine gammapiozentuale Überlebenswahrscheinlichkeit zu beliebigen Zeitpunkten im Nutzungszeitraum nicht darstellbar ist. Eine Messung und Registrierung beispielsweise der Außenwandtemperatur und des Innendruckes strahlungsbeheizter Rohre in Industrieöfen und Dampferzeugern wird teilweise technisch realisiert, die Ergebnisse zu Belastungskollektiven zusammengestellt und als determinierte Größen in die Schädigungsberechnung unter Anwendung herkömmlicher Modellgleichungen übernommen. Der Nachteil ist, daß wesentliches, wenn nicht alleiniges Entscheidungskriterium für eine erforderliche Erneuerung solcher Systeme das Erreichen einer vorgegebenen Mindestwanddicke ohne Berücksichtigung der vorhandenen Festigkeit oder die bei Inspektionen