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Meßinrichtung zur Betriebsüberwachung von unter Druck etehenden Behältern
und / oder Rohrleitungen Es ist im Bereich des Dampfkesselbaues bekannt, daß die
Lebensdauer einer Kesselanlage wesentlich von den Zugspannungen, die in den landungen
der unter Druck stehenden Behälter und Rohrleitungen wirksam sind, abhängig ist.
Es ist üblich, die Wandungen dieser Elemente so zu dimensionieren, daß bei Einhaltung
von Nennbetriebsbedingungen der ICesselanlage eine bestimmte zulässige Zugspannung
eingehalten und damit eine bestimmte Lebensdauer bis zum Eintritt von Dauerbrüchen
erwartet werden kann. Die Sicherheit dieser Erwartung ist dabei wegen der hEiufig
geringen Uberdimensionierung der unter Druck stehenden Behälter aber relativ gering
und nur unter Einsatz bedeutender wirtschaftlicher Mittel zu verbessern. In Je dem
Fall tritt nach einer gewissen Betriebsdauer der Kesselanlage die Notwendigkeit
auf, zu prüfen, ob-und zu welchem Zeitpunkt die Kesselanlage zu erneuern ist. Dabei
ist es dem Betreiber der Kesselanlage im allgemeinen bekannt, wie lange die Anlage
zum Zeitpunkt der Uberprüfung im Betrieb gewesen ist. Es l&ßt sich jedoch auch
bei Anwendung einer Betriebsstundenzählvorrichtung, z.B. nach 105 Stunden Betriebsdauer,
nicht ohne weiteres feststellen, ob die Kesselanlage wegen Erreichens der Lebensdauer
des Kesselstahle erneuert werden muß. Dieses ist darauf zurückzuführen, daß die
Anlage im allgemeinen nicht durchweg unter den bei ihrer Konstruktion zugrundegelegten
Nennbedingungen betrieben worden ist.
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Die Erfindung befaßt sich zur Abänderung dieser Verhältnisse mit der
Aufgabe, eine Meßeinrichtung zur- Betriebsüberwachung von unter Druck stehenden,
vorzugsweise aus warmfesten Materialien - insbesondere Stahl - hergestellten Behältern
und/oder Rohrleitungen, deren Lebensdauer eine Funktion der in ihren Wandungen wirksamen
Zugapannungen ist, anzugeben, die es unter Verwendung einer Vorrichtung zur Anzeige
der Betriebsdauer der Behälter bzw. Rohrleitungsanlage im Betrieb der Anlage jederzeit
gestattet,- die zu erwartende restliche Lebensdauer des Behältermaterials anzugeben.
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Diese Aufgabe wird der-Erfindung entsprechend mittels einer I:Ießeinrichtung
zur Betriebsüberwachung von unter Druck stehenden1 vorzugsweise aus warmfesten Materialien
hergestellten Behältern und/oder-Rohrleitungen, deren Lebensdauer eine Funktion
der in ihren wandungen wirksamen Zugepannungen ist, mittels einer Vorrichtung zur
Anzeige der Betriebadauer der Behalter- bzw. Rohrleitungsanlage dadurch gelöst,
daß die Zugspannung in der Behälter- bzw. Rohrleitungswandung und/oder sie beeinflussende
Parameter (z.B. der Behälterdruck, die-Behältertemperatur od. dgl.) mittels Meßumformer
laufend elektrisch abgebildet und ihre elektrischen Ausgangssignale einer die Lebensdauerfunktion
des Behalter- bzw. Rohrleitungsmaterials simulierenden Analogrechenvorrichtung zugeführt
sind, deren elektrisches Auszangssignal seinerseits einer das Zeitintegral bildenden
und anzeigenden Integratinnsvorrichtung zur Anzeige der Betriebsdauer zugeführt
ist.
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Diese Einrichtung berücksichtigt laufend die mit der Belatung -des
Behälter- bzw. Rohrleitungsmaterials sich ändernde Zugspannung; und ermittelt das
tatsächlich aus der Belastung resultierende Lebnnsalter der Behälter bzw. Rohrleitungen,
wobei die Möglichkeit gegeben ist1 den Anzeiger der Integrationsvorrichtung in reine
Zeiteinheit, z.Bf also in Betriebsstunden, oder aber - bezogen auf die theoretiche,
durch die Konstruktion vorgegebene Lebensdauer - in Prozenten der theoretischen
Lebensdauer zu eichen.
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Die anliegenden Zeichnungen erläutern eine Einrichtung nach der Erfindung
an einem bevorzugten Anwendungsfall als Ausführungsbeispiel.
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Es handelt sich um eine Meßeinrichtung zur laufenden Uberwachung der
Lebensdauer einer Dampferzeugungsanlage in Form eines Zwangdurchlaufkessels, dessen
unter Druck stehende das Arbeitsmittel führende Rohrleitungen aus einem bestimmten
Kesselstahl hergestellt sind.
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Fig. 1 zeigt ein Diagramm der Lebensdauerfunktion des serwendeten
Kesselstahls.
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Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die gleiciie Funktion in abweichender Darstellung.
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Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau einer Einrichtung zur Uberprüfung
der Lebensdauer dieses Kesselstahls nach der Erfindung.
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In Fig. 1 ist die bei einer bestimmten warmfesten Stahisorte zulässige
Zugspannung # z als Funktion der zulässigen Beanspruchungszeit t und der Temperaturdargestellt.
Die Zeit t bildet dabei im logarithmischen Meßstab die Abszisse, die Spannung #z
gleichfalls im logarithmischen flaßstab die Ordinate, während die Linien konstanter
Temperatur ¢ eine Sch@ von Geraden bilden, die z.B. durch die #z - Werte bei 104
und 105 Stunden festgelegt sind.
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Ein solches Diagramm erlaubt es, zu jeder Temperatur # und zu jeder
gewünschten Beanspruchungszeit t ("Lebensdauer") die zulässige Zugspannung #z abzugreifen
und daraus nach bekannten technischen Regeln Bauteile aus dem gewählten Stahl zu
bemessen.
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Ist ein Bauteil dieser Art bemessen, hergestellt und in Betrieb genommen,
so müßte er mindestens während der gewählten "Lebensdauer" betrieb'sfähig verbleiben.
Es tritt aber häufig der Fall ein, daß sowohl die Temperatur wie die Zugspannung
während des Betriebes von den Bemessungswerten abweichen. Dieses hat zur Folge,
daß bei Erhöhung der Temperatur und der Zugspannung die bei der Bemessung vorausgesetzte
Lebensdauer vorzeitig abläuft und bei Unterschreitung der Nennbetriebsbedingung
entsprechend überschritten wird.
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Betrachtet man im Diagramm der Fig. 1 die zulässige Zugspannung #z,
# und t als Veränderliche, so gibt das Diagramm die Lebensdauerfunktion t = f (#z
,#) wider, worin t die bei der Beanspruchung #z und bei der Betriebstemperatur #
zu erwartende theoretische Lebensdauer bezeichnet, und es ist bei variabler Zugspannung
# z und bei variabler Temperatur # das Lebensalter A der beanspruchten Stahlsorte
durch Ci)
zum Zeitpunkt T, wobei T die Betriebsdauer der Kesselanlage bezeichnet, gegeben.
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Es ist demzufolge durch laufende Messung der tatsächlich in den Wandungen
der Rohrleitungen bez. Behälter wirksamen Zugspannungen und der Betriebstemperatur
möglich, das wahre Lebensalter der Kesselanlage durch Simulation der Lebensdauerfunktion
und zeitliche Integration dieser Funktion zu bestiinm.n. Die in den Rohrleitungen
der Kesselanlage wirksamen Zugepannungen können mittels -geeigneter Meßvorrichtungen,
z.B. durch passende Dehnungsmeßstreifen, in elektrische Ströme abgebildet werden.
Dabei kann es erforderlich sein, daß sowohl die Zugspannung als auch die Temperatur
an mehreren Stellen der Kesselanlage gemessen und einer Einrichtung nach der Erfindung
zugeführt werden.
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An thermisch hoch beanspruchten Kesselanlagen ist es nicht immer möglich,
die wirksamen Zugspannungen in ,den Rohrleitungen des Kesselsystems selbst zu messen.
Als geeignete Ersatz größe ist dann z.B. der Kesseldruck verwendbar.
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Die Fig. 2 und 3 geben die gleiche Funktion wie -die Fig. 1 wieder
Die Darstellung ist jedoch derart geändert, daß in einfac.h-logarithmischer Darstellung
init der Zeit als Abszisse im gleichen logarithmischen Maßstab wie in Fig, 1 in
der Darstellung nach Fig. 2 die Temperatur # auf der Ordinate in linearem Maßstab
mit Linien konstanter Spannung # als Parameter und in Fig. 3 die Spannung # in linearem
Maßstab als Ordinate mit Linien konstanter Temperatur 2 als Parameter aufgetragen
ist.
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Wie den Darstellungen entnehmbar ist, erhält man schwach gekrümmte
Linien, die mit der Umgebung der bei der Konstruktion der Kesselanlage zugrundegelegten
Lebensdauer - z.B. bei 105 Stunden - sehr gut durch' eine' Tangente approximiert
werden können. Die Tangente liegt dabei überall etwas links von der Kurve, liefert
also immer und stets eine etwas kleinere Lebensdauer als die Kurve selbst, erhöht
somit etwas die Sicherheit der Rechnung.
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Sind #0 die Temperatur, #0 die Spannung, t0 die Lebensdauer im vorgesehenen
Betriebspunkt, sind #und die tatsächlichen Werte, so iat die wirklich erreichbare
Lebensdauer (2) tW = t0.e α(#0-#) + ß (#0 - #) wobei α und ß proportional
zur Steigung der Tangente in Fig. 2 und Fig. 3 sind. Ist dt die Zeitdauer, während
der die Temperatur # und die Spannung # bestanden haben, so ist der Beitrag zur
prschöpfung E des Materials d E = dt/tW
und die totale Erschöpfung
E ist gegeben durch das Integral (-3)
e α (#-#0) + ß (#-#0) dt Erreicht E den Wert 1, so ist (wie oben) die Lebensdauer
des Materials beendet.
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Zur selbsttätigen Ermittlung des angegebenen Integrals (3) wird -
wie der Fig. 4 entnehmbar ist - die Temperatur # an einer Meßstelle 1 der Kesselanlage
mittels eines Meßumformers 2 gemessen und die resultierende Größe α (#-#0)
gebildet. Ein entsprechender Gleichstrom ist einer Meßleitung 3 zugeführt.
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Der Druck des Arbeitsmediums in der Kesselanlage ist an einer Meßstelle
4 gemessen. Ein elektrischer Meßumformer 5 bildet die Größe ß (#-#0), wobei # proportional
zum Kesseldruck p gesetzt ist.
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Ein entsprechender elektrischer Gleichstrom ist der Meßleitung Ó zugeführt.
Mit 7 ist ein elektrischer Analogrechner-be'zeichnet, der zwei Potentiometer. ;
und 9 sowie einen Operationsverstärker 10 hohen Verstärkungsgrades enthält. Der
Ausgangsgleichstrom des Verstärkers 10 ist einer Leitung 11 zugeführt, in die ein
Gleichstrommeßmotor 12 (Gleichstromzähler) eingeschaltet ist. J4it 13 ist eine Halbleiterdiode
bezeichnet, die als Gegenkopplungsdiode dienend vom Ausangsgleichstrom der Leitung
11 durchflossen ist. Der Spannungsabfall an der Halbleiterdiode 13 ist dem natürlichen
Logarithmüs des durch sie hindurchfließenden Gleichstroms proportional und der Meß
spannung, die sich aus der Summe der an den Potentiometern 3 und 9-abfallenden Spannungen
zusammensetzt, entgegengeschaltet. Eine entsprechende Differenzspannung ist dem
Eingang des Verstärkers 10 als Steuerspannung zugeführt.
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Infolge der gewahlten Schaltung ist der Gleichstrom der Ausgangsleitung
11 mit einer Exponentialfunktion variabel, die dem Integranden des Integrals (3)
entspricht. Ihr Zeitintegral ist mittels des Meßmotors 12 gebildet. Der Motor steuert
mit seiner Welle 14 über ein Untersetzungsgetriebe 15 ein Zählwerk 16, das die Betriebsdauer
der Kesselanlage in Prozenten der theoretischen Lebensdauer anzeigt.
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Die Erfindung ist nicht an das erläuterte Ausführungsbeispiel gebunden.
Sie ist insbesondere auch nicht in ihrer Anwendbarkeit auf die Betriebsüberwachung
von unter Druck stehenden Dampferzeugern beschränkt. So kann insbesondere die Lebensdauer
von unter Druck stehenden Behältern an Kernreaktoren überwacht werden, wobei die
Möglichkeit bestehen kann, daß neben Parametern wie Druck und Temperatur noch andere,
z.B. der das jeweilige Material beeinflussende Neutronenfluß, gemessen und elektrisch
abgebildet werden müssen.
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. 6 Patentansprüche 4 Zeichnungablätter