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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur technischen Zustandsprüfung von drehantreibbaren Armaturen, insbesondere mit einem Drehantrieb, wobei die Armatur ein Übertragungselement und ein Regelelement aufweist, wobei für das Auf- und Zufahren der Armatur ein Drehmoment in das Übertragungselement eingeleitet wird, wobei ein auf das Übertragungselement wirkendes Drehmoment gemessen wird und wobei das gemessene Drehmoment mit einem Referenzwert verglichen wird.
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Zur Regelung von Fluidströmen in Leitungssystemen werden in der Industrie Armaturen, insbesondere Absperr- oder Regelarmaturen eingesetzt. Bei den zu regelnden Fluidströmen kann es sich um Gase oder Flüssigkeiten handeln, weiter ist es aber auch möglich, dass die strömenden Fluide Granulate, Schrote, Pulver oder Stäube sowie strömende Kunststoffmassen sind. In vielen Fällen ist die einwandfreie Funktionsfähigkeit der Regel- oder Absperrarmaturen unverzichtbare Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit des zu regelnden Betriebs- oder Prozessablaufs. Dies trifft insbesondere auf Betriebs- und Prozessabläufe der chemischen Industrie zu. So müssen insbesondere sicherheitsrelevante Armaturen in regelmäßigen Abständen auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft werden. Oft ist es jedoch nicht möglich, sicherheitsrelevante Armaturen aus dem betroffenen Leitungssystem zwecks Funktionsüberprüfung auszubauen. Zwar liefern bekannte Prüfverfahren, welche im laufenden Betrieb der Armatur angewandt werden können, wichtige Informationen über den technischen Zustand der Armatur, jedoch ist es weiterhin oft notwendig die Prozess-und Betriebsabläufe für den Ausbau der zu überprüfenden Armatur zu unterbrechen, um diese einer ausführlichen Funktionsüberprüfung zu unterziehen.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 44 39 230 C2 ist ein Verfahren zur Zustandsbestimmung von Armaturen bekannt, wobei auf nicht rotierenden und ein Drehmoment übertragenden Bauteilen der Armatur eine optische Vorrichtung mit einem Laser angebracht wird, die es erlaubt, die einem übertragenen Drehmoment proportionale Torsion der nicht rotierenden Bauteile mittels optischer Triangulation zu messen. Der während der Betätigung der Armatur aufgenommene zeitliche Verlauf der Torsion wird gemessen und der technische Zustand der Armatur durch Bewertung dieses zeitlichen Verlaufes bestimmt.
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Ein Verfahren zur Online-Erfassung von Ventildaten wird in der
DE 102 09 545 A1 offenbart. Bei dem Verfahren werden Betriebsparameter und/oder Zustandsparameter erfasst und auf den technischen Funktionszustand des Ventils geschlossen. Dabei wird vorgeschlagen, dass zum Erhalt der Zustandsparameter während des Betriebes kleine Schwingungen oder Auslenkungen um den Arbeitspunkt herum angeregt werden.
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Ein weiteres Verfahren zur sicherheitstechnischen Überprüfung von Armaturen mit elektrischem Stellantrieb wird in der
DE 42 07 643 A1 beschrieben. Bei dem Verfahren werden bei Betätigung der Armatur aus den aufgezeichneten Wirkleistungskurven des Stellantriebes die zugehörigen Drehmomentkurven mit einer hinreichenden Genauigkeit bestimmt.
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Die
DE 196 15 176 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung und zum Betrieb von motorgetriebenen Armaturen. Verfahrensgemäß werden in einer Kalibriermessung die analytische Abhängigkeit der Motorwirkleistung von dem erforderlichen Drehmoment für eine Armaturenspindel und in einem statistischen Verfahren ein von einer Kraft an einem Gehäusedeckel abgeleitetes Drehmoment bestimmt. Zudem werden Änderungen der Diagnoseparameter bezüglich des Arbeitsbereichs für die Auf- und Zu-Fahrtrichtung gemessen.
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Aus der
DE 196 43 297 C1 ist ein Verfahren zur Überwachung von Stellgeräten bekannt, wobei durch systematische Variation der Pulslänge für eine Antriebsschalteinheit die Losbrechzeit des Stellgeräts bestimmt wird.
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Bei der aus der
DE 43 29 489 C2 bekannten Vorrichtung zum Prüfen der Funktionsfähigkeit einer von einem Stellantrieb angetriebenen Armatur mit einer Spindel wird eine Prüfkraft auf die Spindel aufgebracht und mittels einer Kraftmesseinrichtung gemessen.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren beruhen dabei auf der Auswertung von Daten, welche bei Betätigung der Armatur genommen werden. Zwar werden somit Informationen über den technischen Zustand der Armatur bei laufenden Betriebsprozessen gewonnen, jedoch besteht weiterhin die Gefahr, dass die für die Verfahren notwendige Betätigung der Armatur die Prozessabläufe nachteilig beeinflusst. Auch ist zu befürchten, dass durch die verfahrensbedingt erhöhte Anzahl von Armaturbetätigungen Abnutzungserscheinungen eintreten, mit der Folge einer verringerten Lebenszeit und einer höheren Fehleranfälligkeit. Weiter können auch aufgrund von strömungstechnischem Abrieb mit begleitender Verschmutzung Abnutzungserscheinungen auftreten.
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Aus der
DE 20 2010 010 267 U1 ist eine Torsionsmesskupplung für Drehantriebe zur Stellkraftübertragung bekannt, wobei die Kupplung zwischen Stellmotor und der Armatur angeordnet ist. Dabei können mit dieser Torsionsmesskupplung die je nach Drehrichtung auftretenden Kräfte, wie Reib-, Press- und Strömungskräfte gemessen werden. Ferner sind nach der ersten Bewegung Widerstandskräfte innerhalb der Armatur im Stillstand des Antriebs messbar.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine technische Zustandsprüfung von drehantreibbaren Armaturen, insbesondere mit einem Drehantrieb, der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche zustandsbeschreibende Informationen über die Funktionsfähigkeit der Armatur auch ohne die Notwendigkeit der Betätigung der Armatur erfasst. Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren zur technischen Zustandsprüfung von drehantreibbaren Armaturen mit einem Drehantrieb gelöst, wobei die Armatur ein Übertragungselement und ein Regelelement aufweist, für das Auf- und Zufahren der Armatur ein Drehmoment in das Übertragungselement eingeleitet wird, wobei ein auf das Übertragungselement wirkendes Drehmoment direkt gemessen wird, nach erstmaliger Betätigung der Armatur ein auf das Übertragungselement wirkendes, verbleibendes Drehmoment auch in einer Ruhelage der Armatur verbleibt, und das verbleibende Drehmoment in der Ruhelage der Armatur antriebslos gemessen wird, wobei keine Hilfsenergie für den Betrieb des Drehantriebs aufgewendet wird. Ein Wert des gemessenen, verbleibenden Drehmoment mit einem Referenzwert verglichen wird und dieser Wert sich zeitlich nicht verändert und konstant ist und damit eine funktionsfähige Armatur anzeigt oder bei Toleranzüberschreitungen zu einem Alarm führt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein in einer Ruhelage einer drehantreibbaren Armatur verbleibendes Drehmoment gemessen. Die Armatur, insbesondere eine Regel- oder Absperrarmatur, umfasst dabei mindestens ein Übertragungselement und ein Regelelement. In das Übertragungselement, welches insbesondere als Antriebswelle der Armatur ausgebildet ist, wird vorzugsweise von einem Drehantrieb für das Auf- und Zufahren der Armatur ein Drehmoment eingeleitet. Das Drehmoment kann dabei auch vermittels einer zwischen Antrieb bzw. Drehantrieb und Übertragungselement angeordneten Kupplung, insbesondere einer als Drehmoment- oder Torsionsmesskupplung ausgebildeten Drehmomentmessvorrichtung in das Übertragungselement eingeleitet werden. Das Übertragungselement wirkt wiederum auf das Regelelement ein, welches eine Durchlassmenge eines Fluids regelt. Das Regelelement kann dabei insbesondere als eine Klappe, ein Kückenhahn, ein Schieber, eine Kalotte oder eine Kugel eines Kugelhahns ausgebildet sein. Wesentlich ist bei dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren, dass nach erstmaliger Betätigung der Armatur ein auf das Übertragungselement wirkendes Drehmoment auch in einer Ruhelage der Armatur verbleibt. In dem Prüfverfahren wird dieses verbleibende Drehmoment gemessen. Eine Ruhelage der Armatur liegt vor, wenn sich sämtliche beweglichen Teile der Armatur in Ruhe befinden. Insbesondere bedeutet das, dass ein die Durchlassmenge eines Fluids regelndes Regelelement nicht bewegt wird. Während des Betriebes einer Armatur wechselt die Armatur, insbesondere das Regelelement, aus einem unbewegten Zustand der Ruhelage heraus in einen bewegten Zustand, wobei unter einem bewegten Zustand das Auf- oder Zufahren der Armatur verstanden wird. Zur Beendigung des Auf- oder Zufahrens kann beispielsweise die Leistung des Antriebes und somit das in das Übertragungselement eingeleitete Drehmoment soweit reduziert werden, dass das Drehmoment gerade das für die Aufrechterhaltung der Bewegung notwendige, dem Gleitreibungswiderstand entgegengesetzte, Drehmoment unterschreitet. Wird eine Armatur demnach in eine Ruhelage gefahren, sodass das den Fluidstrom regelnde Regelelement von einem bewegten Zustand in einen unbewegten Zustand übergeht, so bleibt beim damit einhergehenden Übergang des Reibungszustands innerhalb der Armatur von Gleitreibung zu Haftreibung ein dem reduzierten Antriebsdrehmoment entgegenstehendes, auf das Übertragungselement wirkendes und verbleibendes Drehmoment bestehen. Auch ist es möglich das Auf- oder Zufahren der Armatur mittels eines Anschlags innerhalb des Antriebs zu beenden, wobei vermittels des Anschlags der Antrieb gestoppt wird. Auch in diesem Fall bleibt in der Ruhelage ein auf das Übertragungselement wirkendes Drehmoment bestehen. Bei einer funktionsfähigen Armatur, welche insbesondere intakte Stopfbuchsen und Sitzringe aufweist, bleibt dieses verbleibende Drehmoment auch nach Erreichen der Ruhelage bestehen. Eine zeitliche Änderung, insbesondere eine Abnahme, des verbleibenden Drehmoments deutet somit auf eine fehlerhafte Armatur hin. Eine, insbesondere zeitliche, Abnahme des verbleibenden Drehmomentes kann durch verhärtete oder beschädigte Stopfbuchsen oder Sitzringe verursacht werden, was wiederum auf mögliche Undichtigkeiten der Armatur hindeutet. In vorteilhafter Weise wird somit durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Prüfung der Armatur auch in einer Ruhelage ermöglicht, das heißt, ohne dass die Armatur betätigt wird, beziehungsweise ohne dass sich Teile der Armatur, insbesondere ein Regelelement der Armatur, bewegen. Mit weiterem Vorteil kann daher die Anzahl der für eine Prüfung notwendigen Armaturbetätigungen reduziert werden, wodurch wiederum Abnutzungserscheinungen sowie die Wahrscheinlichkeit für eine verfahrensbedingte Fehleranfälligkeit der Armatur verringert werden, und die Prüfintervalle können vorteilhafterweise größer gewählt werden.
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Erfindungsgemäß wird das in der Ruhelage der Armatur verbleibende, auf das Übertragungselement wirkende Drehmoment antriebslos gemessen. Das heißt, dass das verbleibende Drehmoment, bzw. die sich daraus ergebende bleibende Verdrehung, in einem Ruhezustand gemessen wird, in dem keine Hilfsenergie für den Betrieb des Drehantriebs aufgewendet wird. Es ist somit möglich, Informationen über ein verbleibendes Drehmoment energiesparend ohne Aufwendung von zusätzlicher Energie, welche für die Messung selbst nicht nötig ist, zu gewinnen. Das Verfahren weist somit eine erhöhte Wirtschaftlichkeit auf.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird mit dem Verfahren der Zustand einer als Absperr- oder Regelarmatur ausgebildeten Armatur geprüft. Besonders bevorzugt wird mit dem Verfahren der Zustand eines Kugelhahns, einer Absperrklappe, eines Kückenhahns, einer Kalotte, eines Absperrschiebers oder eines Ventils beziehungsweise Hubventils geprüft. Die Armatur, beispielsweise der Kugelhahn, kann dabei durch einen Drehantrieb, insbesondere einen elektrischen Stellantrieb oder einen pneumatischen Antrieb wie beispielsweise einen Luftantrieb oder einen Hydraulikantrieb betätigt werden. Zweckmäßigerweise umfasst der pneumatische Antrieb, bzw. der Luftantrieb, eine Federrückstellung. Durch Anwendung des Verfahrens auf aus dem Stand der Technik bekannte Regel- und Absperrarmaturen wird insbesondere eine vereinfachte Umsetzung erreicht, ohne dass umfassende Modifikationen an bereits bestehenden Armaturen vorgenommen werden müssen.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird das auf das Übertragungselement wirkende Drehmoment mit einer Drehmomentmessvorrichtung, insbesondere mit einer Drehmomentmessdose oder mit einer Drehmoment- oder Torsionsmesskupplung gemessen, wobei bevorzugterweise die Drehmomentmessvorrichtung zwischen dem Drehantrieb und dem Regelelement der Armatur, insbesondere der Kugel eines Kugelhahns, angeordnet ist. Insbesondere bevorzugt ist die Drehmomentmessvorrichtung zwischen dem Drehantrieb und dem mit dem Regelelement wirkverbundenem Übertragungselement angeordnet. Die Drehmomentmessvorrichtung, insbesondere die Drehmoment- oder Torsionsmesskupplung kann dabei mit Dehnungs- oder Torsionsmessstreifen ausgestattet sein. Der besondere Vorteil bei der Benutzung einer Drehmoment- oder Torsionsmesskupplung liegt in der Entkopplung von Drehantrieb und Übertragungselement, bzw. von dem mit dem Übertragungselement wirkverbundenen Regelelement der Armatur. Es kann somit ein auf das Übertragungselement wirkendes verbleibendes Drehmoment mittels der Drehmoment- oder Torsionsmesskupplung gemessen werden, ohne dass Hilfsenergie für den Betrieb des Drehantriebes aufgewendet werden muss. Auch wird der Vorteil ermöglicht, dass das Drehmoment einfach, präzise und direkt gemessen werden kann, ohne dass das Drehmoment indirekt aus der Wirkleistung des Drehantriebes abgeschätzt werden muss. Weiter kann in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens durch die Entkopplung von Drehantrieb und Übertragungselement der Armatur und einer dadurch ermöglichten separaten Messung des Drehmoments des Drehantriebes beziehungsweise des auf das Übertragungselement wirkenden verbleibenden Drehmoments, ein problemanzeigendes Ergebnis des Prüfverfahrens direkt dem Drehantrieb oder der Armatur zugeordnet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird ein auf das Übertragungselement der Armatur wirkendes, insbesondere verbleibendes, Drehmoment mit einem Referenzwert verglichen. Vorteilhafterweise wird der Referenzwert des Drehmoments in einer Referenzmessung bestimmt. Die Referenzmessung des Drehmoments wird zweckmäßigerweise vor und/oder nach Einbau der Armatur in ein Leitungssystem aufgenommen. Insbesondere wird die Referenzmessung erstmalig nach Einbau der Armatur in ein Leitungssystem, zweckmäßig unter Betriebs- und Prozessbedingungen, gemessen. In besonders vorteilhafter Weise kann dabei das in einer Ruhelage der Armatur auf das Übertragungselement wirkende verbleibende Drehmoment unter Betriebs- und Prozessbedingungen für eine neue oder nach einer Reparatur neuwertige Armatur bestimmt werden. Diese erste Referenzmessung dient dann den weiteren Prüfmessungen als Vergleichsgrundlage. In den Prüfmessungen gemessene, von den Referenzwerten abweichende Messwerte deuten somit auf eine Funktionsstörung der Armatur hin. Die Referenzwerte stellen gleichermaßen einen sogenannten „Fingerabdruck“ der Armatur dar, welcher den neuen oder neuwertigen Zustand einer Armatur dokumentiert. Somit lassen sich bei Veränderungen zum Neu- oder Reparaturzustand Fehler erkennen.
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Die Armatur kann über einen Prüfweg, insbesondere einen Prüfweg zwischen 0° und 120°, weiter insbesondere zwischen 0° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 0° und 45°, gefahren werden, wobei der Prüfweg in mindestens einer Ruhelage der Armatur anschlagfrei endet und wobei der gefahrene Prüfweg vorzugsweise kürzer als der maximal fahrbare Regelweg der Armatur ist. Insbesondere liegt kein direkt auf das Übertragungselement oder auf das Regelelement wirkender Anschlag innerhalb der Armatur vor. Durch das Durchfahren eines Prüfweges, also das Fahren der Armatur in Zu- oder Aufrichtung, wird neben dem in der Ruhelage der Armatur auf das Übertragungselement wirkenden verbleibenden Drehmoment der Drehmomentverlauf bei Betätigung der Armatur aufgezeichnet. Der aufgezeichnete Drehmomentverlauf wird auch als Prüfkurve der Drehmomentmessung bezeichnet. Durch Vergleich des aufgezeichneten Drehmomentverlaufs mit einem Referenzdrehmomentverlauf, bzw. Referenzkurve der Drehmomentmessung, lassen sich durch Auswertung möglicher Abweichungen vom Neuzustand oder neuwertigen Zustand abweichende Betriebsparameter der Armatur feststellen. Durch die mindestens eine anschlagfreie Beendigung des Prüfweges wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass das verbleibende Drehmoment Aufschluss über die in der Armatur herrschenden Reibungskräfte, insbesondere die Reibungskräfte von Stopfbuchse oder Sitzringen gibt. Bei einem in der Ruhelage der Armatur vorliegenden, direkt auf das Übertragungselement oder auf das Regelelement wirkenden Anschlag innerhalb der Armatur würde statt der Reibungskräfte im Wesentlichen das durch den Anschlag hervorgerufene Widerstandsdrehmoment gemessen, welches keine Information über den Zustand der Stopfbuchse und Sitzringe liefert.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Losreißmoment gemessen wird. Das Losreißmoment, dass heißt, das Drehmoment welches aufzuwenden ist, um die Armatur in Bewegung zu versetzen, wird mit dem Referenzwert des Losreißmoments verglichen. Ist das gemessene Losreißmoment gegenüber dem Referenzlosreißmoment erhöht, so kann diese Abweichung durch Verklebung, Verkrustung, Schwergang, aufgequollene Dichtringe und ähnliche Ursachen bedingt sein. Liegt hingegen das Losreißmoment unter dem Referenzwert des Losreißmoments, so kann diese Abweichung durch zu viel Spiel innerhalb der Armatur, mangelnde Dichtwirkung und damit einhergehender, verringerter Reibung von Stopfbuchse und Dichtringen bedingt sein. Weiter kann es sein, dass eine Abtriebswelle des Drehantriebs gebrochen ist. Steigt bei Betätigung des Drehantriebs das Losreißmoment bis zu einem schließlich konstant bleibenden Maximalwert an, so liegt eine Blockade vor. Die Blockade kann sich dabei in der Armatur befinden, oder ist durch mechanischen Schwergang der Armatur und/oder Produktreste in der Armatur bedingt.
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Weiter ist es vorteilhaft, dass neben dem Losreißmoment ein Auf-Signal und/oder ein Zu-Signal der Armatur gemessen wird. Das Auf-Signal bzw. das Zu-Signal informiert dabei, ob die Armatur sich im geöffneten Zustand oder in einem geschlossenen Zustand befindet. Beispielsweise wird ein Auf-Signal solange angezeigt, bis sich die Armatur aus einem geöffneten Zustand heraus in Bewegung setzt, woraufhin das Auf-Signal erlischt. Entsprechendes gilt für das Zu-Signal. In vorteilhafter Weise hilft die zusätzliche Messung eines Auf-Signals und/oder eines Zu-Signals der Armatur, mögliche Fehlerquellen genauer zu lokalisieren. Liegt beispielsweise ein zu geringes Losreißmoment vor, bei gleichzeitiger Indikation, dass sich die Armatur weiterhin im Auf- oder Zu-Zustand befindet, so kann die Ursache zum Beispiel darin liegen, dass eine Abtriebswelle des Drehantriebs oder eine Antriebswelle der Armatur, bzw. ein als Antriebswelle ausgebildetes Übertragungselement der Armatur, gebrochen ist. Liegt hingegen bei zu geringem Losreißmoment eine Zustandsänderung vom Auf- oder Zu-Zustand der Armatur vor, so ist das zu geringe Losreißmoment nicht durch ein Problem im Antrieb verursacht, sondern möglicherweise durch zu geringe Reibungskräfte innerhalb der Armatur.
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Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird ein Start-Signal und/oder ein Stopp-Signal, insbesondere ein Start-Signal und/oder ein Stopp-Signal einer Steuerungsvorrichtung, vorzugsweise eines Magnetventils gemessen. Das Start-Signal und/oder Stopp-Signal gibt dabei den Beginn beziehungsweise das Ende des Durchfahrens des Prüfweges an. Mittels eines Start-Signals der Steuerungsvorrichtung beziehungsweise eines den Drehantrieb steuernden Magnetventils wird der Drehantrieb gestartet. Entsprechend beendet ein Stopp-Signal einer Steuerungsvorrichtung beziehungsweise eines Magnetventils den Betrieb des Drehantriebs. In vorteilhafter Weise kann durch Messung der seit dem Start-Signal verstrichenen Zeit der zeitlich ansteigende Verlauf des Losreißmoments gemessen werden. Wird das Start-Signal zum Fahren der Armatur gegeben und keine Änderung des Drehmoments erfolgt, so kann die Ursache dafür ein defektes Magnetventil, fehlende Steuerluft eines Luftantriebs, oder eine gebrochene Antriebswelle der Armatur oder eine gebrochene Abtriebswelle des Antriebes sein. Erreicht das Losreißmoment später als das Referenzlosreißmoment den für den Bewegungsbeginn der Armatur erforderlichen Wert, so liegt eine mögliche Ursache darin, dass der Antrieb ein Problem hat das Drehmoment aufzubauen. Es können undichte Dichtringe im Antrieb vorliegen, oder ein zu geringer Druck der Steuerluft. Durch Messung des Anstiegs des Losreißmoments liefert das Prüfverfahren mit Vorteil bereits eine Überwachung der Armatur, bevor sich die Armatur aus ihrer Ruhelage bewegt hat.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Prüfverfahrens wird der Drehmomentverlauf gemessen nachdem sich die Armatur aus ihrer Ruhelage zu bewegen begonnen hat. Der Drehmomentverlauf kann dabei insbesondere als zeitabhängiger und/oder als prüfwegabhängiger Drehmomentverlauf gemessen werden. Nach Beginn der Bewegung der Armatur fällt das gemessene Drehmoment rasch vom Wert des Losreißmoments ab und das gemessene Drehmoment wird im Wesentlichen durch die Gleitreibungskräfte zwischen Antriebswelle, bzw. zwischen als Antriebswelle ausgebildetem Übertragungselement der Armatur und Stopfbuchsen beziehungsweise Sitzringen sowie weiteren sich in der Armatur und im Antrieb befindlichen Reibungsquellen und dem Prozessdruck bestimmt. Wird ein gegenüber der Referenzmessung verringerter Drehmomentverlauf gemessen, so kann die Ursache in zu viel Spiel, Wellenproblemen, abgenutzten oder beschädigten Dichtringen, verhärteten Dichtringen oder einer nicht ausreichenden Antriebskraft liegen. Wird ein erhöhter Drehmomentverlauf im Verhältnis zur Referenzmessung gemessen, so können diese durch Veränderungen an den Sitzringen, Produktresten, insbesondere Produktresten zwischen Kugel und Gehäuse eines Kugelhahns, gequollenen Sitzringen, verbogenen Wellen, beschädigten Sitzringen oder mechanischen Schwergang verursacht werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Prüfverfahrens, wird ein Prüfzeugnis für Armaturen angefertigt. Dabei wird insbesondere das Prüfverfahren mit einer Druckprobe und einer Leckratenmessung kombiniert, welche für die Erstellung eines Prüfzeugnisses für Armaturen aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren sind. Insbesondere ist die Drehmomentmessung, bevorzugt mit einer Torsionsmesskupplung, des Prüfverfahrens eine zusätzliche, die Druckprobe und die Leckratenmessung ergänzende Prüfmethode.
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Tritt bei einer Prüfung der Leckrate einer reparierten oder neuen Armatur eine erhöhte Undichtigkeit auf, so ist Nachbesserung angezeigt. Um die erforderlichen Dichtigkeitsverhältnisse zu erreichen, wird die Reibungskraft in der Armatur erhöht. Diese Erhöhung hat direkten Einfluss auf die Prüfkurve der Drehmomentmessung. Erst wenn die Dichtigkeitsvorgaben erreicht sind gibt die Prüfkurve den qualitativen Zustand der Armatur wieder. Die den qualitativen Zustand der Armatur wiedergebende Prüfkurve wird als Referenzkurve in das Prüfzeugnis der Armatur aufgenommen. Ist nach der Nachbesserung die erforderliche Dichtigkeit erreicht und liegen die Drehmomentwerte der den qualitativen Zustand der Armatur wiedergebenden Prüfkurve über den Herstellerdaten, insbesondere ausserhalb des Toleranzbereichs, so kann der Betreiber der Armatur innerhalb seines Ermessensspielraums entscheiden, ob diese Armatur mit den gemessenen Werten zum Einsatz kommen soll, da Antriebe für die Armatur normalerweise über Stellkräfte verfügen, welche an die Drehmomentwerte der Herstellerdaten für die Armatur angepasst sind. Bei der hier dargestellten Erstellung eines Prüfzeugnisses für Armaturen wird deutlich, in welcher Qualitätsabhängigkeit die Dichtigkeit zu den Reibungskräften in der Armatur und der Antriebskraft steht.
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Das bei der Erstellung des Prüfzeugnisses angewandte Prüfverfahren für drehantreibbare Armaturen, insbesondere mit Drehantrieb, kann auch während des Betriebs der Armatur für die Qualitätssicherung angewandt werden, insbesondere sofern eine Drehmomentmessvorrichtung, beispielsweise Drehmoment- oder Torsionsmesskupplung, fest eingebaut ist. Das Prüfverfahren mit einer Drehmomentmessvorrichtung kann entweder im Onlinebetrieb, zur stetigen Auswertung, oder nur gelegentlich angewendet werden, um den Veränderungsgrad der Armatur und des Antriebs während des Betriebs festzustellen. Der Betreiber der Armatur ist dadurch in der Lage, vorbeugende Instandhaltungsprüftermine für den Betrieb mit einzuplanen. Eine im Urzustand, beispielsweise im neuwertigen Zustand, mit dem Prüfverfahren ermittelte, den qualitativen Zustand der Armatur wiedergebende Prüfkurve wird als Referenzkurve in das Prüfzeugnis aufgenommen und durch das Zeugnis bestätigt. Der Urzustand kann in elektronischer, in tabellarischer oder jeglicher anderer Form in der die Werte, insbesondere die Werte der Referenzkurve, und die wichtigen Prüfparameter enthalten sind, dokumentiert werden. Die mit dem Prüfverfahren während des Betriebs der Armatur im Onlinebetrieb oder gelegentlich ermittelte Prüfkurve wird zur Qualitätssicherung mit der im Prüfzeugnis dokumentierten Referenzkurve verglichen. Der Vergleich kann durch Rechnerprogramme in Leitsystemen mit Alarmierung bei Toleranzüberschreitungen, oder durch für die Überwachung eigens erstellte Auswertesysteme, welche beispielsweise auf einem Laptop installiert sind, durchgeführt werden.
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Ebenso kann mit einer Tabelle der Werte der Referenzkurve eine Handauswertung der mit dem Prüfverfahren aufgenommenen Prüfwerte, bzw. Werte der Prüfkurve, vorgenommen werden. Die Art und Weise der Auswertung der gemessenen Werte, kann mit allen geeigneten Methoden durchgeführt werden, und unterliegt keiner weiteren Beschränkung.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Armatur mit einem Kugelhahn, einer Drehmomentmesskupplung und einem Luftantrieb,
- 2 eine schematische Darstellung einer für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Armatur,
- 3 eine mit dem Verfahren gewonnene Drehmomentverlaufskurve, und
- 4 eine weitere mit dem Verfahren gewonnene Drehm omentverlaufskurve.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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In den 1 und 2 ist in perspektivischer und in schematischer Darstellung eine für die Anwendung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens geeignete Armaturanordnung 100 gezeigt. Ein in einem Leitungssystem angeordneter Kugelhahn 10 ist über eine Drehmomentmesskupplung 11 mit einem Luftantrieb 12 wirkverbunden. Im erfindungsgemäßen Prüfverfahren sendet eine Steuerungs- und Auswertevorrichtung 13 ein Start-Signal an ein Magnetventil 14, worauf der Luftantrieb 12 gestartet wird. Der Luftantrieb 12 erzeugt ein Drehmoment, welches über die Drehmomentmesskupplung 11 und ein (hier nicht dargestelltes) Übertragungselement an den Kugelhahn 10 übertragen wird. Die Drehmomentmesskupplung 11 misst das vom Luftantrieb 12 auf den Kugelhahn 10 übertragene Drehmoment. Zur Messung dienen, hier nicht dargestellte, Dehnungsmessstreifen, welche bei einer tordierten Drehmomentmesskupplung 11 einen Ausgangsstrom, beziehungsweise eine Ausgangsspannung, an eine Verstärkervorrichtung 15 liefern. Die Verstärkervorrichtung 15 gibt ein verstärktes Signal der Drehmomentmessung an die Steuerungs- und Auswertevorrichtung 13 ab. Zusätzlich zu den Signalen der Drehmomentmesskupplung 11 und des Magnetventils 14 erhält die Steuerungs- und Auswertevorrichtung 13 Messwerte des Prozessdruckes von einem ersten Druckmessgerät 16 und einem zweiten Druckmessgerät 17 welche zwecks Messung des Prozessdrucks im Leitungssystem in Strömungsrichtung vor, beziehungsweise hinter dem Kugelhahn angeordnet sind.
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3 zeigt eine mit dem Prüfverfahren aufgenommene Drehmomentkurve. Die Drehmomentkurve ist beispielsweise mit der Armaturanordnung 100 der 1 und 2 erhältlich. Die horizontale Achse des Diagramms stellt dabei die Zeit dar, während auf der vertikalen Achse das auf das Übertragungselement wirkende gemessene Drehmoment aufgetragen ist. Anstatt des Drehmoments kann jedoch beispielsweise auch das verstärkte Ausgangssignal der Verstärkervorrichtung 15 der Drehmomentmesskupplung 11 aufgetragen sein, welches in einen Drehmomentwert überführbar ist. Zur Berechnung des Wertes des Drehmoments aus dem verstärkten Ausgangssignal der Verstärkervorrichtung 15 der Drehmomentmesskupplung 11 kann insbesondere eine analytische Rechnung oder eine empirisch gewonnene Beziehung genutzt werden. Die obere Kurve stellt den Drehmomentverlauf dar, welcher bei Anwendung des Prüfverfahrens gemessen wird, während die untere Linie den Schaltungszustand des Magnetventils 14 anzeigt. Dabei bedeutet ein Pulsschlag der unteren Linie nach oben den eingeschalteten Zustand des Magnetventils 14 sowie ein Pulsschlag zurück nach unten den ausgeschalteten Zustand des Magnetventils 14. Die Stellung des Magnetventils 14 wird parallel zum Verlauf des Drehmoments dargestellt.
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Der Verlauf der Drehmomentkurve zwischen den Punkten A bis E stellt eine Referenzmessung dar, welche nach Einbau der Armaturanordnung 100 bei der ersten Inbetriebnahme aufgenommen wird. Dabei stellt Punkt A den Anfangszustand bei gelöstem Luftantrieb 12 direkt nach Einbau der Armaturanordnung 100 dar. Da zu diesem Zeitpunkt kein Drehmoment an dem Übertragungselement anliegt, stimmt der Drehmomentverlauf bei Punkt A mit der Null-Linie überein. Der Kugelhahn 10 der Armaturanordnung 100 befindet sich im geschlossenem Zustand, jedoch kann sich der Kugelhahn bei Punkt A grundsätzlich auch im geöffneten Zustand befinden. Nach Schließen des Luftantriebs 12 und Einschalten des Magnetventils 14 startet der Luftantrieb 12 und das Drehmoment, welches an der Armaturanordnung 100, und damit an dem Übertragungselement anliegt, steigt von der Null-Linie zu einem Maximalwert am Punkt B an. Das am Punkt B gemessene Drehmoment stellt das maximale Losreißmoment für eine neue beziehungsweise neuwertige Kugelhahnarmatur dar, welches überwunden werden muss, um den Kugelhahn 10 vom geschlossenen Zustand aufzufahren. Verantwortlich für das gemessene Losreißmoment sind alle Kräfte, welche innerhalb der Armatur wirken, zum Beispiel Reibungskräfte der Stopfbuchse, Kräfte der Sitzringe sowie der Differenzdruck des Prozessmediums und weitere Kräfte. Bei Erreichen des maximalen Losreißmoments löst sich die Kugel des Kugelhahns 10 und die Armatur beginnt mit dem Auffahren. Der dabei entstehende Übergang von Haftzur Gleitreibung wird sichtbar in dem rasch abfallenden Drehmomentverlauf.
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Die Armatur wird zwischen den Punkten B und C um einen vorbestimmten Prüfweg aufgefahren. Der Prüfweg kann dabei zwischen 0° und 120°, insbesondere zwischen 0° und 90°, weiter insbesondere zwischen 0° und 45°, betragen. Schließlich wird am Punkt C der Luftantrieb 12 gestoppt. Die Ruhelage der Armatur im Punkt C ist dabei anschlagfrei, das heißt, dass die Kugel des Kugelhahns 10 keine Endposition erreicht hat, sondern stattdessen sogar noch weiter auffahrbar wäre.
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Nach Einfahren in die Ruhelage am Punkt C wird weiterhin ein verbleibendes auf das Übertragungselement wirkendes Drehmoment gemessen, welches ein Qualitätsmerkmal für die Armatur darstellt. Ein zeitlich konstantes Drehmoment in der Ruhelage C deutet dabei auf ausreichende Reibungskräfte der Stopfbuchsen und Sitzringe hin, womit eine dichte Armatur gewährleistet wird. Durch Ausschalten des Magnetventils 14 vom Punkt C ausgehend wird der Luftantrieb 12 entlüftet und die Armatur wird aus der Ruhelage C bedingt durch die rückstellende Federkraft im Luftantrieb 12 wieder zugefahren. Der Richtungswechsel ist dabei an der Drehmomentkurve am Übergang vom Punkt C zum Punkt D über die Null-Linie hinaus sichtbar.
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Punkt D zeigt das maximale Losreißmoment in der Gegenrichtung. Ist dieses erreicht, so setzt sich die Armatur in Zu-Richtung in Bewegung und das gemessene Drehmoment nimmt rasch ab. Da beim Zufahren der Armatur der Differenzdruck gemessen zwischen dem ersten Druckmesser 16 und dem zweiten Druckmesser 17 nicht auf das Regelelement der Armatur, hier des Kugelhahns 10, wirkt, sind die beim Zufahren gemessenen Drehmomente kleiner als jene beim Auffahren. Wiederum erreicht die Armatur am Punkt E eine anschlagfreie Ruhelage, welche durch ein konstant verbleibendes Drehmoment angezeigt wird.
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Es ist dabei zu bemerken, dass die Stellung der Armatur am Punkt E der Stellung der Armatur am Punkt A entspricht, mit dem Unterschied, dass am Punkt A der Antrieb gelöst ist. Die daher bestehen bleibende Verdrehung resultiert in der Abweichung der Drehmomentkurve am Punkt E von der Null-Linie. Nach Aufnahme der Drehmomentreferenzmesskurve wird im laufenden Betrieb der Armatur das verbleibende auf das Übertragungselement wirkende Drehmoment, bzw. die daraus resultierende bleibende Verdrehung gemessen, sowie periodisch der Prüfweg mit der Armatur neu verfahren. Um die Null-Linie des Drehmomentverlaufs der Armaturanordnung im Prüfverfahren zu testen, wird der Luftantrieb von der Armatur gelöst.
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Zwischen den Punkten E und I ist dabei der Verlauf des mit dem Prüfverfahren gemessenen Drehmomentes bei einer voll funktionsfähigen Armatur dargestellt. Es findet zwischen den Punkten E und F ein Drehmomentwechsel statt, der bis zum Losreißmoment am Punkt F ansteigt. Sobald das maximale Losreißmoment erreicht ist, beginnt sich die Armatur aus dem geschlossenen Zustand, beginnend beim Punkt F, in Auf-Richtung zu bewegen, bis diese nach Durchfahren des Prüfweges ihre anschlagfreie Ruhelage am Punkt G erreicht, welche wiederum durch ein verbleibendes, von der Null-Linie abweichendes Drehmoment angezeigt wird. Ein weiterer Richtungswechsel über die Null-Linie führt zum Losreißmoment H in der Gegenrichtung. Nachdem die Armatur die Bewegung aufgenommen hat, fährt diese wieder in den geschlossenen Zustand am Punkt I, welcher wiederum durch ein verbleibendes und konstantes Drehmoment angezeigt wird.
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Zwischen den Punkten J und M wird in beispielhafter Weise der Verlauf der mit dem Prüfverfahren gemessenen Drehmomentkurve gezeigt, welcher bei über das erwartete Maß hinaus erhöhten Reibungskräften, wie beispielsweise durch aufgequollene Dichtungsringe und Stopfbuchsen verursacht, beobachtet wird.
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Beim Richtungswechsel über die Null-Linie zum Punkt J steigt das gemessene Losreißmoment über das erwartete Maß hinaus an. Auch nach dem Beginn der Bewegung der Armatur fällt das gemessene Drehmoment nicht auf die im Normalfall erwarteten Werte ab. Ebenso ist das in der anschlagfreien Ruhelage K gemessene verbleibende Drehmoment gegenüber dem Normalfall deutlich überhöht, wie am Punkt K gezeigt.
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Bei Drehrichtungswechsel über die Null-Linie hinaus zum Punkt L steigt wiederum das Losreißmoment deutlich über das erwartete Losreißmoment hinaus an und auch nach Beginn der Bewegung der Armatur beziehungsweise bei Erreichen der Ruhelage am Punkt M ist das verbleibende Drehmoment gegenüber dem für eine funktionstüchtige Armatur erwarteten Drehmoment deutlich erhöht. Zwar kann an dem Drehmomentverlauf abgelesen werden, dass die Armatur noch funktioniert, jedoch besteht aufgrund der erhöhten gemessenen Drehmomentwerte eine erhöhte Gefahr eines zukünftigen Versagens der Armatur. Zu diesem Zweck werden maximale Losreißmomente α,β festgelegt, sodass zweckmäßigerweise bei Überschreiten des gemessenen Losreißmomentes an den Punkten J und L ein Alarm ausgelöst wird, sodass die entsprechende Armatur unter verstärkte Beobachtung zu stellen ist und eventuell auszutauschen ist. Die Auswertung der Drehmomentkurve kann dabei durch Sichtprüfung der aufgezeichneten Drehmomentkurve ausgeführt werden, oder aber die Auswertung, wie auch das Auslösen des Alarms, wird durch die Steuerungs- und Auswertevorrichtung 13 ausgeführt.
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Der Verlauf der gemessenen Drehmomentmesskurve zwischen den Punkten N und P zeigt den Verlauf für zu gering ausfallende Reibungswerte, welche beispielsweise auf verhärtete Stopfbuchsen und Dichtringe hindeuten. Auch in diesem Fall kann ein Alarm ausgelöst werden, wenn Mindestwerte γ, δ des Losreißmoments nicht erreicht werden. Der Fall eines Blockierens der Armatur ist in den Punkten Q und R dargestellt. Nach Richtungswechsel erreicht das gemessene Losreißmoment einen Maximalwert bei Q oder R, ohne dass sich die Armatur bewegt. Eine solche Blockade kann beispielsweise durch mechanischen Schwergang oder Produktreste in der Armatur verursacht werden.
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Wird schließlich wie unter Punkt S und T kein Drehmoment beim Auf- bzw. ZuFahren gemessen, so kann die Ursache darin liegen, dass der Luftantrieb 12 kein Drehmoment aufbaut, oder dass eine Antriebswelle der Armatur gebrochen ist, wenn ein gleichzeitig gemessenes Auf- oder Zu-Signal der Armatur anzeigt dass sich die Armatur nicht bewegt hat. Deutet das Auf- oder Zu-Signal hingegen an, dass sich die Armatur bewegt hat, so liegt keine nennenswerte Reibung in der Armatur vor, und undichte oder defekte Stopfbuchsen und Sitzringe sind zu befürchten.
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In der 4 werden weitere Beispiele von mit dem Prüfverfahren gemessenen Drehmomentkurven gezeigt. Wie in 3 stellt die horizontale Achse die Zeit dar, während auf der vertikalen Achse das gemessene Drehmoment aufgetragen ist. Unter Punkt X ist das in einer Ruhelage verbleibende, zeitlich konstante Drehmoment dargestellt. Ein sich zeitlich nicht verändernder, konstanter Wert des verbleibenden Drehmoments, ohne Temperatur- und Dehnungseinflüsse, welches ohne Aufwendung von Hilfsenergie für den Luftantrieb 12 gemessen wird, zeigt dabei eine funktionsfähige Armatur an, wobei insbesondere die Reibungskräfte der Stopfbuchsen und Sitzringe konstant sind. Es liegen somit keine verhärteten oder abgenutzten Stopfbuchsen oder Sitzringe vor.
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Unter Punkt Y ist hingegen der zeitliche Verlauf des verbleibenden Drehmoments dargestellt, der bei abgenutzten oder verhärteten Stopfbuchsen oder Sitzringen gemessen wird. Bei zu geringer Reibung von Stopfbuchsen oder Sitzringen nimmt das verbleibende Drehmoment kontinuierlich ab, bis ein Wert erreicht wird, der der reduzierten Reibung entspricht. In einem solchen Fall besteht die Gefahr, dass die Armatur undicht wird. In einem extremen Fall verschwindet das verbleibende Drehmoment fast vollständig, und die Funktionsfähigkeit der Armatur ist stark eingeschränkt. Schließlich wird unter Punkt Z gezeigt, wie bei einem Drehrichtungswechsel das gemessene Losreißmoment im Vergleich mit dem Verlauf der Referenzkurve zwischen den Punkten E und F der 3 nur sehr langsam über die Null-Line hinaus ansteigt, wobei die Geschwindigkeit des Anstiegs aus dem gemessenen Drehmoment und der Zeit welche seit dem Start-Signal für das Magnetventil 14 vergangen ist, bestimmt wird. Ein im Vergleich zum neuwertigen Zustand verlangsamter Anstieg des Losreißmoments kann an einer mangelnden Antriebsenergie des Antriebs beziehungsweise einem zu geringen Druck der Steuerluft liegen. Bei der Messung des Anstiegs des Losreißmoments hat sich die Armatur noch nicht bewegt, so dass das Prüfverfahren bereits ein Prüfergebnis liefert, bevor die Armatur tatsächlich auf- bzw. zufährt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Armaturanordnung
- 10
- Kugelhahn
- 11
- Drehmomentmesskupplung
- 12
- Luftantrieb
- 13
- Steuerungs- und Auswertevorrichtung
- 14
- Magnetventil
- 15
- Verstärkervorrichtung
- 16
- Erstes Druckmessgerät
- 17
- Zweites Druckmessgerät
