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Die Erfindung betrifft ein bewegliches Bauteil aus Metall zum Ausgleich bzw. zum Aufnehmen von In-Sich-Bewegungen einer Leitung für Fluide, insbesondere einer fluidführenden Rohrleitung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dieses bewegliche Bauteil ist insbesondere längenveränderlich und/oder angular und/oder axial und/oder lateral beweglich, und es weist eine Messvorrichtung auf, die einen momentanen Wert eines Zustandsparameters für einen momentanen Betriebszustand des beweglichen Bauteils erkennbar macht.
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Leitungen für Fluide, insbesondere fluidführende Rohrleitungen, und insbesondere in einer verfahrenstechnischen Industrieanlage, können meist nicht völlig starr verlegt werden, da sie im Betrieb regelmäßig In-Sich-Bewegungen ausführen. Dies können Längenänderungen aufgrund von Wärmeausdehnungseffekten sein, wenn Fluide mit unterschiedlichen Temperaturen durchgeleitet werden; es kann sich daneben auch um Druckpulse im durchgeleiteten Fluid handeln, oder es treten Vibrationen und sonstige Schwingungen innerhalb der fluidführenden Leitung auf, und dergleichen mehr. Daher ist es notwendig, bewegliche Bauteile der vorliegenden Art zu verwenden, und zwar insbesondere entweder als längenveränderliche und/oder angular bewegliche Aufhängung oder Stütze für die fluidführende Leitung, oder als flexibles Leitungselement zum Einbau in die Leitung für Fluide.
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Flexible Leitungselemente eignen sich insbesondere zum Ausgleichen von Wärmeausdehnungseffekten innerhalb der Rohrleitung sowie auch zum Ausgleich von Montagetoleranzen, von angularen Bewegungen aufgrund von Druckstößen, zur Aufnahme von Schwingungen und dergleichen mehr. Bewegliche Aufhängungen oder Stützen für die fluidführende Leitung sorgen hingegen dafür, dass Axial-, Lateral- oder Angularbewegungen der Leitung in gewissen Grenzen möglich sind, um beispielsweise Wärmeausdehnungseffekte zu kompensieren. Bewegliche Aufhängungen oder Stützen sorgen insbesondere auch dafür, dass Schwingungen, beispielsweise aufgrund von Druckpulsen im durchgeleiteten Fluid, oder Vibrationen nicht zu einer Beschädigung der Befestigungspunkte der fluidführenden Leitung führen. Bewegliche Aufhängungen und bewegliche Stützen bestehen oft aus einer federnden Kolben-Zylinder-Einheit mit Gasfeder und/oder Torsionsfeder, während flexible Leitungselemente meist aus einem Metallrohr gebildet werden, das mindestens einen ringgewellten oder wendelförmig gewellten Abschnitt aufweist.
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Bewegliche Bauteile der vorliegenden Art sind oft sicherheitsrelevant, da in fluidführenden Rohrleitungen, insbesondere in verfahrenstechnischen Industrieanlagen, oft gesundheitsgefährliche oder umweltgefährliche Stoffe transportiert werden, und dies möglicherweise unter hohen bzw. sehr tiefen Temperaturen und hohen Drücken. Es ist daher notwendig, die wichtigsten Betriebszustände der vorliegenden beweglichen Bauteile zu überwachen bzw. regelmäßig zu inspizieren. Hierfür ist es bekannt, am beweglichen Bauteil, beispielsweise an einer angular beweglichen Aufhängung, eine Messvorrichtung für einen momentanen Wert eines Zustandsparameters des momentanen Betriebszustands des beweglichen Bauteils anzubringen. Bei der angular beweglichen Aufhängung ist ein wichtiger Betriebszustand die momentane angulare Auslenkung; bei einer längenveränderlichen beweglichen Aufhängung ist ein wichtiger momentaner Betriebszustand die axiale Verschiebung. Der entsprechende Zustandsparameter ist demnach ein Auslenkungswinkel bzw. eine axiale Verschiebestrecke, und diese beiden Zustandsparameter werden mit zwei gegeneinander beweglichen Skalen, oder einem Zeiger und einer Skala, gemessen und angezeigt. Es ist daher jederzeit von außen ablesbar, welchen Wert der Zustandsparameter „axiale Verschiebung“ bzw. „Auslenkungswinkel“ momentan aufweist.
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Problematisch ist hierbei nun, dass das Ablesen der Messvorrichtungen bei bekannten beweglichen Bauteilen der vorliegenden Art mitunter aufwändig ist, da die Bauteile schwer zugänglich sind, beispielsweise weil sie als Aufhängung in großer Höhe angebracht sind, weil sie als flexibles Leitungselement in einem schwer zugänglichen Abschnitt einer Rohrleitung sitzen, oder weil sie von einer thermischen Isolierung umgeben sind.
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Ferner kann die Inspektion der Messvorrichtungen von beweglichen Bauteilen der vorliegenden Art aufgrund von deren schieren Anzahl, beispielsweise in einer verfahrenstechnischen Industrieanlage, sehr aufwändig sein. Wenn es sich um sicherheitsrelevante Bauteile handelt, kommt als Problematik hinzu, dass Inspektionsintervalle zu lang sein können, oder dass bei turnusmäßigen Inspektionen das ein oder andere bewegliche Bauteil vergessen wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein bewegliches Bauteil der eingangs genannten Art hinsichtlich der Überwachung von Betriebszuständen zu verbessern.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch ein bewegliches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen beweglichen Bauteils sind in den Ansprüchen 2 bis 9 niedergelegt.
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Ein erfindungsgemäßes bewegliches Bauteil aus Metall zum Ausgleichen bzw. Aufnehmen von In-Sich-Bewegungen einer Leitung für Fluide, insbesondere einer fluidführenden Rohrleitung, das insbesondere längenveränderlich und/oder angular und/oder axial und/oder lateral beweglich ist und eine Messvorrichtung für einen momentanen Wert eines Zustandsparameters eines momentanen Betriebszustands des beweglichen Bauteils aufweist, wird erfindungsgemäß also dadurch verbessert, dass die Messvorrichtung im Wesentlichen aus einer digitalen Wiedergabe- und/oder Übertragungseinheit für digital erfasste Messdaten von Zustandsparametern besteht, wobei eine Erfassung der Zustandsparameter und die Generierung von digitalen Messdaten über digitale Sensoren und/oder über analoge Sensoren mit nachgeschaltetem Analog-Digital-Wandler erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird also die Funktionseinheit „Messvorrichtung“ umfassend verstanden; diese kann im Sinne der Erfindung eine Wiedergabeeinheit sein, die direkt ablesbar ist und direkt am Bauteil oder separat, in der Nähe des Bauteils angeordnet ist. Alternativ oder auch zusätzlich kann es sich bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung um eine Übertragungseinheit handeln, welche die digital erfassten Messdaten von Zustandsparametern an eine nicht zum erfindungsgemäßen beweglichen Bauteil gehörende Empfangsstation überträgt, beispielsweise eine zentrale Steuerung einer Industrieanlage, wobei die Übertragungseinheit gegebenenfalls nicht mittels Augenschein ablesbar ist, sondern nur mit technischen Hilfsmitteln, wie eben einer Empfangsstation, welche die digitalen Messdaten oder Ergebnisse einer Auswertung dieser digitalen Messdaten erkennbar macht.
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Die erfindungsgemäße digitale Messvorrichtung hat den Vorteil, dass die an diese gemeldeten digitalen Messwerte fortlaufend gespeichert werden können, so dass man zur Beurteilung der Betriebsverhältnisse am beweglichen Bauteil nicht auf die in den regelmäßigen Inspektionen erhaltenen, stichprobenartigen Werte angewiesen ist. Digitale Messwerte sind im Allgemeinen auch genauer als die mit einfachsten Mitteln gewonnenen analogen Messwerte aus dem Stand der Technik, und neben den bekannten Messvorrichtungen, die lediglich Auslenkungen und Verschiebestrecken anzeigen, kann die erfindungsgemäße digitale Messvorrichtung auch weitere Zustandsparameter von momentanen Betriebszuständen anzeigen (d.h. Wiedergeben und/oder Übertragen), wie beispielsweise die Temperatur des Bauteils, den Druck eines hindurchgeleiteten Fluids, Schwingungsamplituden und deren Frequenzen und dergleichen mehr.
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Darüber hinaus ergibt sich durch die erfindungsgemäße digitale Messvorrichtung die Möglichkeit einer Vernetzung des Bauteils mit der elektronischen Datenverarbeitung eines Betriebs bzw. der Steuerung einer Anlage, von der ein Teil die Leitung für Fluide ist, und es ergibt sich die Möglichkeit, die digitalen Messwerte nicht nur laufend auszuwerten, sondern auch zu speichern und aus den gespeicherten Werten Erkenntnisse zu gewinnen, wie beispielsweise über die Restlebensdauer des entsprechenden beweglichen Bauteils.
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Neben der Echtzeitüberwachung und einer laufenden Dokumentation können aus den digitalen Messdaten auch Schadensanalysen erstellt werden, wenn etwa Schäden am überwachten beweglichen Bauteil aufgetreten sein sollten.
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Schließlich können aus den laufenden digitalen Messdaten des überwachten beweglichen Bauteils auch Rückschlüsse auf momentane Betriebszustände der gesamten fluidführenden Leitung oder eines durch ein flexibles Leitungselement geleiteten Fluids gewonnen werden, wie beispielsweise die Temperatur sowie auftretende Druckpulse und Vibrationen.
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Eine Echtzeit-Überwachung von Betriebszuständen des überwachten beweglichen Bauteils ermöglicht weiterhin, bisher notwendige Sicherheitszuschläge bei der Auslegung der beweglichen Bauteile zu reduzieren.
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Die digitalen Sensoren oder die Analog-Digital-Wandler, die zur Generierung der digitalen Messdaten notwendig sind, benötigen in der Regel eine elektrische Energieversorgung. Dies kann neben langlebigen Batterien oder gegebenenfalls Solarzellen auch dadurch erfolgen, dass etwa in der Leitung bzw. Rohrleitung auftretende Temperaturdifferenzen benutzt werden, um über einen thermoelektrischen Generator elektrischen Strom zu erzeugen. Wenn Vibrationsbewegungen vorhanden sind, können diese ebenfalls zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden. Wenn es sich beim beweglichen Bauteil um ein flexibles Leitungselement handelt, durch das ein Fluid strömt, kann auch die Strömungsenergie des Fluids zur Gewinnung von elektrischer Energie für die Versorgung der digitalen Sensoren oder eines Analog-Digital-Wandlers verwendet werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist es möglich, verschiedenste Zustandsparameter von momentanen Betriebszuständen des beweglichen Bauteils zu überwachen. Hierzu zählen neben der Auslenkung bzw. Verschiebungsstrecke auch die Temperatur, Spannungen im Material (beispielsweise mittels Dehnmessstreifen detektiert), Vibrationen, Beschleunigungen sowie, wenn es sich beim beweglichen Bauteil um ein flexibles Leitungselement handelt, der Druck und die Durchflussgeschwindigkeit des durchgeleiteten Fluids sowie gegebenenfalls auch Ablagerungen im Bauteil, wie beispielsweise Kondensat oder Verschlackungen.
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Wenn die erfindungsgemäß erfassten digitalen Messdaten fortlaufend ausgewertet und/oder gespeichert werden, können retrospektiv Rückschlüsse auf die im Betrieb herrschenden Anforderungen an das bewegliche Bauteil gezogen werden, was dazu dienen kann, die Auslegung eines etwaigen Ersatzteils zu optimieren. Beispielsweise kann es sich dann, wenn es sich beim beweglichen Bauteil um einen Kompensator mit einem Ankerelement handelt, durch Auswertung der digital erfassten Messdaten herausstellen, dass an diesem Einbauort die Ankerbelastung minimal ist, so dass bei einem Ersatz dieses flexiblen Leitungselements ein Bauteil ohne Ankerelement eingesetzt werden kann.
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Das erfindungsgemäße bewegliche Bauteil kann eine längenveränderliche und/oder angular bewegliche Aufhängung oder Stütze für die fluidführende Leitung sein. Alternativ kann das erfindungsgemäße bewegliche Bauteil ein flexibles Leitungselement zum Einbau in die Leitung für Fluide sein, wobei das flexible Leitungselement ein Metallrohr mit mindestens einem ringgewellten oder wendelförmig gewellten Abschnitt und/oder mit mindestens einem schraubengangförmig gewickelten Abschnitt und/oder mit mindestens einem aus einzelnen gegeneinander beweglichen Segmenten gebildeten Abschnitt sowie beidseits mit Anschlussstücken und/oder Flanschen zum Einbau in die fluidführende Leitung aufweist. Insbesondere kann das flexible Leitungselement ein Kompensator zum Einbau in eine fluidführende Rohrleitung sein.
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Die Wiedergabe- und/oder Übertragungseinheit, die die Messvorrichtung des erfindungsgemäßen beweglichen Bauteils bildet, ist vorzugsweise als Sender zum drahtlosen Übertragen von Messdaten ausgebildet, der am beweglichen Bauteil oder in der Nähe des beweglichen Bauteils angeordnet ist.
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Insbesondere kann eine solche Wiedergabe- und/oder Übertragungseinheit zweiteilig ausgebildet sein und außer dem Sender zum drahtlosen Übertragen von Messdaten auch ein vom beweglichen Bauteil beabstandetes, drahtlos mit dem Sender kommunizierendes Gerät zum Verarbeiten und/oder Darstellen von digitalen Messdaten, umfassen. Ein solcher Sender ermöglicht, die digitalen Messdaten nicht nur in die unmittelbare Umgebung des beweglichen Bauteils, sondern auch an beispielsweise eine zentrale Steuerung einer Industrieanlage zu senden. Das vorzugsweise vorhandene drahtlos mit dem Sender kommunizierende Gerät zum Verarbeiten und/oder Anzeigen von digitalen Messdaten kann ein handelsübliches mobiles Endgerät wie ein Tablet-Computer oder ein Smartphone sein, so dass auch mit der Erfindung ein herkömmlicher Inspektionsrundgang durchgeführt werden kann, bei dem momentane und/oder seit der letzten Inspektion gespeicherte Messdaten über Zustandsparameter abgefragt werden.
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Wenn der Sender zum drahtlosen Übertragen von Messdaten in der Nähe des beweglichen Bauteils angeordnet ist, kann dieser über eine Signalleitung oder drahtlos mit den digitalen Sensoren am beweglichen Bauteil kommunizieren. Beides spart Bauraum in der unmittelbaren Umgebung des beweglichen Bauteils und beides ist auch dann leicht zu realisieren, wenn das bewegliche Bauteil von einer Isolierung umgeben ist.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die die erfindungsgemäße Messvorrichtung bildende Wiedergabe- und/oder Übertragungseinheit als Sender und als Empfänger zum drahtlosen Übertragen von digitalen Daten ausgebildet ist. Sie ist in diesem Fall am beweglichen Bauteil angeordnet und dient neben dem Übertragen von Messdaten auch zum Empfangen von Steuerungsdaten, während das bewegliche Bauteil mit Aktoren versehen ist, die die Steuerungsdaten in Bewegungen umsetzen. Hierdurch können Federvorspannungen, Winkellagen, Dämpfungen und dergleichen mehr aktiv verändert werden, und zwar vorzugsweise mittels Fernzugriff, beispielsweise aus der zentralen Steuerung einer Industrieanlage heraus.
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Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemäß ausgebildetes bewegliches Bauteil wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 ein als flexibles Leitungselement ausgebildetes, erfindungsgemäßes bewegliches Bauteil;
- 2 ein als bewegliche Aufhängung ausgebildetes, erfindungsgemäßes bewegliches Bauteil;
- 3 ein als bewegliche Stütze ausgebildetes, erfindungsgemäßes bewegliches Bauteil.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein als flexibles Leitungselement 1, genauer als Angularkompensator ausgebildetes bewegliches Bauteil.
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Dieser Angularkompensator besteht im Wesentlichen aus einem gewellten Metallrohr 2, das an seinen Enden jeweils ein glattzylindrisches Anschlussstück 3 zum Einbau in eine (nicht dargestellte) starre Rohrleitung aufweist, sowie einem an den beiden Anschlussstücken 3 befestigten Anker 4 mit zwei Ankergelenken 5, um Angularbewegungen zu ermöglichen.
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An einem der Ankergelenke 5 ist ein digitaler Sensor 6 mit einer lediglich symbolisch zu verstehenden, analogen Skala 7 angebracht. Dieser Sensor 6 detektiert die Winkellage des Ankergelenks 5 und meldet diese über eine Signalleitung 8 an eine Wiedergabe- und Übertragungseinheit 9, die als digitale Anzeige symbolisiert ist, und die gleichzeitig als Sender 10 zum drahtlosen Übertragen von Messdaten an ein Intranet (nicht dargestellt) eines Anlagenbetreibers fungiert.
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Die Signalleitung 8 kann hierbei ebenfalls durch eine Funkstrecke ersetzt werden, so dass beispielsweise das flexible Leitungselement 1 mit einer Isolierung versehen werden kann, die dann nicht durchbrochen werden müsste. Die Wiedergabe- und Übertragungseinheit 9 ist zwar in der Nähe des flexiblen Leitungselements 1 angeordnet, jedoch nicht unmittelbar an diesem angebracht. Es liegt auf der Hand, dass dies außerdem den für das flexible Leitungselement 1 benötigten Bauraum vorteilhaft verringert, und dass die Wiedergabe- und Übertragungseinheit 9 mit ihrem Sender 10 etwaigen hohen Temperaturen, die das flexible Leitungselement 1 vom durchgeleiteten Fluid aufnimmt, vorteilhafterweise nicht ausgesetzt ist.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßes bewegliches Bauteil dargestellt, das als längenveränderliche Aufhängung 11 ausgebildet ist. Diese besteht im Wesentlichen aus einer Basis 12 mit einem Federgehäuse 13 für eine (hier nicht sichtbare) Schraubenfeder, einem Umlenkgehäuse 14, das eine (hier ebenfalls nicht sichtbare), um eine Drehachse 15 bewegliche Gelenkanordnung enthält, sowie einem Spannschloss 16, an das die fluidführende Leitung angehängt wird. Die im Umlenkgehäuse 14 befindliche Gelenkanordnung verbindet das Spannschloss 16 mit der im Federgehäuse 13 sitzenden Schraubenfeder, so dass das Spannschloss 16 im Ergebnis federnd an der Basis 12 befestigt ist und dementsprechend axial beweglich ist.
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Im Umlenkgehäuse 14 sitzt außerdem eine Lastjustierung 17, um die Vorspannung der Schraubenfeder einzustellen. An der Gelenkanordnung sitzt ein digitaler Sensor 6 mit einer wiederum symbolisch zu verstehenden, analogen Skala 7. Der Sensor 6 detektiert die Stellung bzw. Bewegung der Gelenkanordnung und somit die axiale Lage des Spannschlosses 16 und meldet die ermittelten Werte an die Wiedergabe- und Übertragungseinheit 9.
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In 3 ist ein erfindungsgemäßes bewegliches Bauteil dargestellt, das als Stütze 18 für eine fluidführende Rohrleitung ausgebildet ist. Die (nicht dargestellte) fluidführende Rohrleitung wird hierbei von einer Tragplatte 19 abgestützt, wobei diese Tragplatte 19 wiederum axial beweglich ist. Dies wird über eine (ebenfalls nicht sichtbare) Gelenkanordnung innerhalb des Umlenkgehäuses 14 bewerkstelligt, die die Tragplatte 19 mit einer (nicht sichtbaren) Schraubenfeder im Federgehäuse 13 gelenkig verbindet. Die Mechanik ist grundsätzlich die gleiche wie im Ausführungsbeispiel aus 2, so dass auch hier eine Lastjustierung 17 vorhanden ist und der Sensor 6 mit der symbolischen Skala 7 ebenfalls an der Gelenkanordnung angebracht ist. Auch hier werden die vom Sensor 6 detektierten Signale an die Wiedergabe- und Übertragungseinheit 9 weitergegeben.
