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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Prüfsystem für Drucksystem mit einen Druckbehälter sowie ein Festigkeitsprüfverfahren für ein Drucksystem mit einem Druckbehälter.
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Druckbehälter sind in Speicheranlagen zur Spitzenlastabdeckung und zum Ausgleich saisonaler Verbrauchsschwankungen beispielsweise von Erdgas bekannt. Kommerzielle Anlagen umfassen dabei eine große Anzahl von Druckbehältern. Das Fassungsvermögen derartiger Druckbehälter liegt üblicherweise bei mehreren Tausend Litern, beispielsweise bei 5000 Litern pro Druckbehälter. Für derartige Druckbehälter sind regelmäßig in kleineren und größeren Abständen bestimmten Prüfungen zu unterziehen. Bei einer vorgeschriebenen Festigkeitsdruckprüfung wird der Druckbehälters entleert, der Inhalt zwischengespeichert und der Druckbehälter mit Wasser bis auf einen vorgegebenen Druckwert gefüllt, der in definierter Weise den Nenndruck des Druckbehälters übersteigt. Neben dem zeitlichen Aufwand für das Stilllegen der Speicheranlage, dem Zwischenspeichern des Druckbehälterinhalts und möglichen Korrosionsschäden durch das zur Prüfung eingesetzte Wasser sowie Entsorgungsaufwand für etwaiges bei der Druckprüfung kontaminiertes Wasser gibt eine solche Druckfestigkeitsprüfung lediglich den aktuellen Druckfestigkeitszustand wieder. Ein Defekt wird dann festgestellt, wenn der Druckbehälter zerstört wird.
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Ferner kann die Druckfestigkeitsprüfung aufgrund der Drucküberhöhung während der Prüfung selbst Ursache für spätere Festigkeitsprobleme sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Festigkeitsprüfung eines Drucksystems mit wenigstens einem Druckbehälter anzugeben, bei dem die Wartungs- und Instandhaltungskosten gegenüber einer Wasserdruckprüfung reduziert sind.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Prüfsystem zur zerstörungsfreien Festigkeitsprüfung eines Drucksystems mit wenigstens einem Druckbehälter anzugeben
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Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Festigkeitsprüfung eines Drucksystems mit wenigstens einem Druckbehälter vorgeschlagen, bei dem die Schritte durchgeführt werden:
- – Erfassen von Messdaten eines mit zumindest dem Druckbehälter gekoppelten Prüfsystems nach einer vorgegebenen Betriebszeit des Druckbehälters zumindest von vordefinierten charakteristischen Schwachstellen des Druckbehälters;
- – Übermitteln der Messdaten vom Prüfsystem an ein Zustandsdatenensemble mit historischen Zustandsdaten zumindest des Druckbehälters;
- – Vergleichen der Messdaten an den charakteristischen Schwachstellen mit zu Beginn der vorgegebenen Betriebszeit vorhandenen Zustandsdaten zumindest des Druckbehälters;
- – Extrahieren von Zustandsveränderungen an den charakteristischen Schwachstellen aus den Messdaten anhand des Vergleichs;
- – Beurteilen einer Relevanz von extrahierten Zustandsveränderungen;
- – Speichern zumindest der extrahierten Zustandsveränderungen in dem Zustandsdatenensemble des Druckbehälters;
wobei die historischen Zustandsdaten als Basisdaten zumindest herstellungsbasierte Daten des Druckbehälters und/oder des Drucksystems umfassen und die charakteristischen Schwachstellen zumindest aus den Basisdaten abgeleitet sind.
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Dadurch, dass charakteristische Schwachstellen des Drucksystems und insbesondere des Druckbehälters identifiziert werden, ist es möglich, gezielt nach Defekten zu suchen und deren Entwicklung während des Betriebs des Druckbehälters zu überprüfen. Zum Identifizieren der Schwachstellen können vorteilhaft alle verfügbaren Informationen zur Herstellung des Druckbehälters sowie optional auch der damit verbundenen Komponenten herangezogen und in dem Zustandsensemble zusammengeführt werden. Das Zustandsensemble kann insbesondere eine Datenbank sein. Durch eine Schwachstellenanalyse basierend auf herstellungsspezifischen Informationen und Kenntnissen zu typischen Defektbildern bei den angewendeten Herstell- und Verbindungsverfahren kann eine zuverlässige Beschreibung eines Ausgangszustands des Drucksystems, insbesondere des Druckbehälters, gewonnen werden. Expertenwissen, wie die Kenntnis typischer Materialveränderungen und/oder Defektarten bei der Herstellung können ebenso herangezogen werden wie Prüfergebnisse an Bauteilen bei der Herstellung.
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Es ist möglich, bereits geringe Abweichungen der Schwachstellen von einem gewünschten Sollzustand zu erkennen. Über deren zeitlichen Entwicklung kann eine Aussage getroffen werden, ob eine solche Schwachstelle kritisch ist, und es kann festgestellt werden, ob eine Verwendung des Druckbehälters mit einer solchen Schwachstelle vorgegebenen Sicherheitsanforderungen entspricht. Ebenso kann auch frühzeitig erkannt werden, dass eine Abweichung von einem Sollzustand vorliegt. Verstärkt sich diese bei Betrieb des Druckbehälters jedoch nicht oder nur in tolerierbaren Grenzen, kann der Druckbehälter weiterverwendet werden, oder es kann eine Instandsetzung zu einem geeigneten Termin geplant werden. Dies erlaubt vorteilhaft das Erkennen eines kommenden Schadens, bevor dieser zur Behälterzerstörung führt und mit geringerem Aufwand behoben werden kann.
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Im Gegensatz dazu erlaubt die Wasserdruckprüfung ein Erkennen eines Defekts nur dann, wenn der Druckbehälter bei der Prüfung an dieser Schwachstelle zerstört wird und ausgetauscht oder instand gesetzt werden muss, sofern eine Instandsetzung möglich ist.
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Nach einer günstigen Ausführung können die herstellungsbasierten Daten wenigstens eine oder mehrere der folgenden Größen des Druckbehälters und/oder des Drucksystems umfassen: Material, Art eines Verbindungsverfahrens zum Verbinden von Einzelteilen, eingesetzte Prüfverfahren bei der Herstellung, Ergebnisse von eingesetzten Prüfverfahren bei der Herstellung, Auslegungsdaten, Festigkeitsberechnungen. Aus Daten, Diagrammen, Abbildungen und dergleichen kann ein Ausgangszustand des Druckbehälters und/oder des Drucksystems genau dokumentiert und beurteilt werden. So treten bei unterschiedlichen Schweißverfahren wie Schutzgasschweißen oder UP-Schweißen (Unterpulverschweißen) typische Defekte auf, die berücksichtigt werden können.
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Nach einer günstigen Ausführung können als charakteristische Schwachstellen Bereiche des Druckbehälters und/oder des Drucksystems identifiziert werden, welche hohe elastische Spannungen und/oder zulässige Defekte aufweisen, insbesondere Schweißnähte und/oder Ecken, Krümmungen und dergleichen.
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Nach einer günstigen Ausführung kann das Prüfsystem ein Ultraschall-Prüfsystem aufweisen, insbesondere ein Gruppenstrahlersystem und/oder ein System mit elektromagnetisch induziertem Ultraschall. Sensoren können permanent installiert sein. Mit elektromagnetisch induziertem Ultraschall (EMUS) kann vorteilhaft auch an nicht zugänglichen Stellen, etwa ein Erdeintritt von Rohrleitungen, eine Überprüfung vorgenommen werden.
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Nach einer günstigen Ausführung kann ein Zustand einer optisch inspizierbaren Referenzstelle im Drucksystem mit einem zerstörungsfrei gemessenen Zustand des Druckbehälters verglichen werden. Wird beispielsweise bei einer Innenprüfung an einem Bauteil durch visuelle Erfassung Korrosion festgestellt, kann aus diesem Befund auf ein ähnliches Problem in nichtzugänglichen Bereichen geschlossen werden, insbesondere dann, wenn die Bauteil und Bereiche sich hinsichtlich ihrer Schwachstellen ähnlich sind.
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Nach einer günstigen Ausführung kann das Erfassen der Messdaten automatisiert durchgeführt werden. Dies vereinfacht das Prüfverfahren zusätzlich.
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Nach einer günstigen Ausführung kann das Erfassen der Messdaten in zeitlichen Abständen durchgeführt werden, welche abhängig von einem aktuellen Zustand des Druckspeichers und/oder des Drucksystems sind. Das Prüfverfahren kann hinsichtlich Kosten und Gewährleistung von Sicherheitsanforderungen optimiert werden.
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Nach einer günstigen Ausführung kann das Erfassen der Messdaten in zeitlichen Abständen durchgeführt werden, welche abhängig von einem zeitlichen Verlauf der Zustandsveränderung einer oder mehrerer Schwachstellen des Druckspeichers und/oder des Drucksystems sind. Das Prüfverfahren kann bedarfsangepasst ausgeführt und hinsichtlich Kosten und Gewährleistung von Sicherheitsanforderungen optimiert werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Prüfsystem zur zerstörungsfreien Festigkeitsprüfung eines Drucksystems mit wenigstens einem Druckbehälter mit Hilfe des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens vorgeschlagen, wobei vorgesehen sind:
- – eine Datenquelle mit einem Zustandsdatenensemble enthaltend zumindest behälterindividuellen Daten, die zumindest mögliche, aus der Herstellung bekannte und/oder abgeleitete Schwachstellen ausweist;
- – ein Datenspeicher;
- – ein Ultraschall-Messanordnung für ausgewählte Bereiche des Druckbehälters und/oder des Drucksystems;
- – eine Daten-Verbindung zwischen Ultraschall-Messanordnung und Datenspeicher zum Einspeisen von durch die Ultraschall-Messanordnung erfassten Daten in den Datenspeicher;
- – eine Auswerteeinheit zur Auswertung von erfassten Daten.
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Vorteilhaft können charakteristische Schwachstellen des Drucksystems und insbesondere des Druckbehälters identifiziert werden, und gezielt nach Defekten gesucht und deren Entwicklung während des Betriebs des Druckbehälters überprüft werden. Durch die Datenverbindung zwischen Ultraschall-Messanordnung und Datenspeicher können Ergebnisse des Prüfverfahrens können unmittelbar in den Datenspeicher eingegeben werden. Vorteilhaft weist der Datenspeicher eine Datenbank auf, in der aktuelle und frühere Messergebnisse abrufbar sind und Prüfsequenzen reproduzierbar sind. Basierend auf einer Schwachstellenanalyse kann ein Prüfstellen- bzw. Prüfbereichsplan erstellt werden und alle Bereiche mit hohen Spannungen sowie Bereiche mit zulässigen Auffälligkeiten registriert und dokumentiert werden.
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Nach einer günstigen Ausführung kann die Messanordnung am Druckbehälter und/oder Drucksystem permanent so angeordnet sein, dass zumindest die Schwachstellen von der Messanordnung erfassbar sind. Das zeitliche Verhalten von Bereichen mit hohen Spannungen sowie Bereichen mit zulässigen Auffälligkeiten kann gezielt geprüft und dokumentiert werden.
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Nach einer günstigen Ausführung kann wenigstens eine Referenzstelle zur Erfassung von Zustandsdaten vorgesehen sein, welche so ausgewählt ist, dass sie wenigstens eine aus der Herstellung bekannten und/oder abgeleiteten Schwachstellen aufweist und einer optischen Inspektion zugänglich ist. Damit kann das Ergebnis des Prüfverfahrens gesichert werden.
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Nach einer günstigen Ausführung kann die Ultraschall-Messanordnung eine Gruppenstrahleranordnung und/oder eine EMUS-Anordnung umfassen. Die Gruppenstrahleranordnung bietet den Vorteil, dass dreidimensionale Darstellungen des geprüften Gebiets möglich sind, die eine hohe Aussagekraft hinsichtlich des aktuellen Zustands des Prüfkörpers erlauben. Die EMUS-Anordnung erlaubt eine Prüfung von unzugänglichen Stellen, etwa den Erdeintritt von Rohrleitungen.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
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1 in schematischer Schnittdarstellung ein Drucksystem mit einem Druckbehälter nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 einen Ausschnitt aus einem Druckbehälter mit einem Sensoren eines Prüfsystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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3 einen Blockdiagramm eines Prüfverfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung ein Drucksystem 100 mit einem Druckbehälter 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mit dem Drucksystem 100 ist ein Prüfsystem 200 zur zerstörungsfreien Festigkeitsprüfung des Drucksystems 100 gekoppelt. Ein üblicher Betriebsdruck eines mit Flüssigkeit, beispielsweise Glykol, gefüllten Druckbehälters 10 liegt bei etwa 3,5 bar bei einem Fassungsvermögen zwischen 5000 Litern und 7000 Litern, z.B. 6380 Litern, ausgelegt für eine Umgebungstemperatur von –20°C bis 50°C. Der übliche Betriebsdruck eines mit Erdgas gefüllten Druckbehälters 10 (hier Methan CH4) liegt bei 110 bar. Ein solcher Druckbehälter wird im Stand der Technik standardmäßig mit seinem 1,46-fachen Betriebsdruck von 161 bar mit Wasser einer Festigkeitsprüfung unterzogen. Genannter Druckbehälter verfügt über ein Volumen von 4300 Litern und kann bei einer Umgebungstemperatur von –20°C bis 70°C betrieben werden.
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An den Druckbehälter 10 sind Rohre 12, 14 angeschlossen, wobei das erste Rohr 12 unterhalb des Druckbehälters 10 im Erdreich verläuft. Für eine optische Inspektion ist das Rohr 12 unzugänglich und kann beispielsweise mit einem an sich bekannten EMUS-Verfahren getestet werden, bei dem auf elektromagnetische Weise Ultraschall in einem metallischen Körper erzeugt werden kann. Andere Bereiche können vorzugsweise mit einer Gruppenstrahlertechnik (Phased-Array Technik) geprüft werden. Diese Technik erlaubt hohe Prüfgeschwindigkeiten mit hoher Prüfdichte und kann insbesondere zur automatisierten Prüfung eingesetzt werden. Ein Array-Prüfkopf besteht dabei typischerweise aus einer größeren Anzahl von einzelnen Schwinger-Elementen, deren Schallfeld durch zeitlich versetzte Anregung der einzelnen Elemente gezielt in gewünschte Richtungen geschwenkt und fokussiert werden und durch eine geeignete Bildaufbereitung eine dreidimensionale Darstellung des untersuchten Bereichs erzeugt werden kann.
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Entsprechende Sender und Empfänger des Prüfsystems 200 können insbesondere im Bereich von Schwachstellen 20 angeordnet sein. Zu solchen Schwachstellen 20 können Schweißnähte 22, 24, 26, Ecken 28 und dergleichen sein. Genannte Messtechnik wird zweckmäßigerweise nur für den Zeitraum der wiederholenden Prüfung am Druckbehälter montiert
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Das Drucksystem 100 kann wenigstens eine Referenzstelle 40 zur Erfassung von Zustandsdaten aufweisen, welche so ausgewählt ist, dass sie wenigstens eine aus der Herstellung bekannten und/oder abgeleiteten Schwachstellen 20 des Druckbehälters 10 aufweist und einer optischen Inspektion zugänglich ist. Wird bei einem Wartungsintervall durch optische Inspektion dort Korrosion beobachtet, kann daraus auf den Zustand der entsprechenden Schwachstelle 20 im Druckbehälter 10 geschlossen werden
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Das Prüfsystem 200 greift auf herstellungsbasierte Daten des Drucksystems 100 und/oder des Druckbehälters 10 zurück. Dabei können alle möglichen Daten in einer Datenbank zusammengefasst sein, insbesondere eine oder mehrere der folgenden Größen des Drucksystems 100 und/oder des Druckbehälters 10 umfassen: Material, Art eines Verbindungsverfahrens zum Verbinden von Teilen, eingesetzte Prüfverfahren bei der Herstellung des, Ergebnisse von eingesetzten Prüfverfahren bei der Herstellung, Auslegungsdaten, Festigkeitsberechnungen. Insbesondere kann anhand von Fertigungsunterlagen, wie Zeichnungen, Festigkeitsberechnungen, Schweißpläne, Abnahmeprotokolle, Dokumentationen von durchgeführten zerstörungsfreien Prüfungen etc., eine Schwachstellenanalyse durchgeführt werden. Basierend auf dieser Schwachstellenanalyse kann ein Prüfstellen- bzw. Prüfbereichsplan erarbeitet werden. Als charakteristische Schwachstellen 20 werden insbesondere Bereiche des Druckbehälters 10 identifiziert, welche hohe elastische Spannungen und/oder zulässige Defekte aufweisen.
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Das Prüfsystem 200 zur zerstörungsfreien Festigkeitsprüfung eines Druckbehälters 10 eines Drucksystems ist in 2 in einer schematischen Darstellung näher erläutert. Das Prüfsystem 200 umfasst eine Datenquelle 206 mit einem Zustandsdatenensemble enthaltend behälterindividuellen Daten, die zumindest mögliche, aus der Herstellung bekannte und/oder abgeleitete Schwachstellen 20 ausweist, einen Datenspeicher 204 sowie eine Ultraschall-Messanordnung 202 und eine Daten-Verbindung 210 zwischen Ultraschall-Messanordnung 202 und Datenspeicher 204 zum Einspeisen von durch die Ultraschall-Messanordnung 202 erfassten Daten in den Datenspeicher 204. Ferner ist eine Auswerteeinheit 206 zur Auswertung von erfassten Daten vorgesehen. Beispielsweise können diese graphisch dargestellt werden, mit früher erfassten Zustandsdaten verglichen werden etc. So kann beispielsweise eine Schwachstelle 20 in Form eines Spannungsrisses 30 über die Zeit erfasst und dessen Entwicklung beobachtet werden. Der zeitliche Verlauf des Spannungsrisses 30 kann dann ausgegeben werden.
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Die Ultraschall-Messanordnung 204 umfasst vorzugsweise eine Gruppenstrahleranordnung und/oder eine EMUS-Anordnung.
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Das erfindungsgemäße Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Festigkeitsprüfung eines Drucksystems 100 mit wenigstens einem Druckbehälter 10 ist in 3 erläutert. In Schritt S10 erfasst das Prüfsystem 200 (2) beispielhaft Ultraschall-Messdaten eines Druckbehälters 10 (1) nach einer vorgegebenen Betriebszeit tx+1 des Druckbehälters 10. Dabei werden zumindest Messdaten an vordefinierten charakteristischen Schwachstellen 20 (1) des Druckbehälters 10 erfasst.
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Die Messdaten werden in Schritt S20 vom Prüfsystem 200 an ein Zustandsdatenensemble mit historischen Zustandsdaten des Druckbehälters 10 übermittelt. Das Zustandsdatenensemble ist insbesondere eine Datenbank, in der möglichst viele, üblicherweise verfügbare herstellungsbezogene Basisdaten des Druckbehälters 10 und optional auch des gesamten Drucksystems abgelegt sind. Die Basisdaten umfassen Angaben und/oder Darstellungen zu Material, Art eines Verbindungsverfahrens zum Verbinden von Teilen, eingesetzte Prüfverfahren bei der Herstellung des, Ergebnisse von eingesetzten Prüfverfahren bei der Herstellung, Auslegungsdaten, Festigkeitsberechnungen des Druckbehälters 10 und/oder des Drucksystems 100 (1). Insbesondere kann anhand von Fertigungsunterlagen, wie Zeichnungen, Festigkeitsberechnungen, Schweißpläne, Abnahmeprotokolle, Dokumentationen von durchgeführten zerstörungsfreien Prüfungen etc., eine Schwachstellenanalyse durchgeführt werden. Basierend auf dieser Schwachstellenanalyse kann ein Prüfstellen- bzw. Prüfbereichsplan erarbeitet werden. Als charakteristische Schwachstellen 20 werden insbesondere Bereiche des Druckbehälters 10 identifiziert, welche hohe elastische Spannungen und/oder zulässige Defekte aufweisen. Zusätzlich sind im Datenensemble zu den Basisdaten alle Messdaten und gegebenenfalls Analysen von bereits erfolgten Messungen des Prüfsystems 200 am Drucksystem 100 und/oder Druckbehälter 10 (1) enthalten.
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Dabei werden die aktuellen Messdaten und etwaige Analysen und Aktionen der Datenbank hinzugefügt. Die Ultraschalldaten und die Ergebnisdarstellung werden in der gleichen Datenbank abgelegt. Somit können alle Daten direkt der geprüften Komponente zugeordnet werden. Durch eine Verlinkung mit Auswerte- und Darstellungsprogrammen für die Basisdaten können die Prüfungen jederzeit reproduziert werden. Durch diese Art der Dokumentation werden alle Anzeigen, auch die Messdaten im zulässigen Toleranzbereich, archiviert. Bei späteren Prüfungen kann untersucht werden, ob sich die Zustandsdaten aufgrund des Betriebs des Drucksystems bzw. Druckbehälters verändert hat und ob eine unzulässige Werkstoffschädigung in einem absehbaren Zeitraum erwartet werden muss.
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In Schritt S30 werden die Messdaten an den charakteristischen Schwachstellen mit vorhandenen Zustandsdaten des Druckbehälters 10 mit den gemessenen Zustandsdaten zur Betriebszeit tx des Druckbehälters 10 verglichen, beobachtete Zustandsveränderungen an den charakteristischen Schwachstellen 20 aus den Messdaten anhand des Vergleichs extrahiert und deren Relevanz beurteilt.
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Liegen keine oder tolerierbare Zustandsveränderungen vor („n“ im Flussdiagramm), beginnt das Prüfverfahren in Schritt S10 nach einem vorgegebenen Zeitintervall erneut.
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Liegen Zustandsveränderungen vor, die neu sind oder außerhalb der Toleranzgrenze liegen, erfolgt in Schritt S40 eine Analyse der Zustandsveränderung hinsichtlich notwendiger Maßnahmen wie Instandhaltung, maximale Nutzungsdauer des Systems oder dergleichen.
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Die zerstörungsfreie Prüfung kann auch segmentweise durchgeführt werden, wobei jeweils nur Teilbereiche des Drucksystems 100 und/oder des Druckbehälters 10 (1) geprüft werden. Innerhalb einer festgelegten Prüffrist für eine vorgeschriebene Festigkeitsprüfung kann jedoch der gesamte Prüfumfang erledigt werden.
