DE19852855C2 - Verfahren zur Erfassung der plastischen Dehnung bei der Innendruckprüfung von Behältern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der plastischen Dehnung bei der Innendruckprüfung von Behältern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Neben der indirekten Prüfung hat sich im verstärkten Maße die direkte Prüfung mittels einer Volumenverdrängung einer definierten Flüssigkeitsmenge infolge der elastisch­ plastischen Dehnung des unter Innendruck stehenden Behälters durchgesetzt. Im englischsprachigen Raum wird diese Methode als "water jacket volumetric expansion test" bezeichnet (siehe hierzu Pamphlet C-1 der Compressed Gas Association, Inc., New York, 6. Ausgabe 1975, Seiten 2-9). Bei diesem Verfahren wird der zu prüfende Behälter in einen mit Flüssigkeit füllbaren und mit einem Deckel verschließbaren Tank eingesetzt. Die Einfüllöffnung des Behälters wird mit einer durch den Tankdeckel abgedichtet geführten Leitung verbunden. Die Leitung ist am anderen Ende mit einer Druckerzeugungseinheit verbunden. Nach dem Einsetzen und Anschließen des Behälters wird der Tank mittels des Deckels verschlossen. Der Tank sowie der Behälter müssen vor der Messung sorgfältig entlüftet werden, da verbleibende Gasreste das Meßergebnis verfälschen würden. Nach der Entlüftung wird der Tank mit einer Flüssigkeit gefüllt und die vollständige Füllung als der in einer Bürette sich einstellende Flüssigkeitsspiegel als Nullpunkt festgelegt, wobei die Bürette über eine Leitung mit dem Tank verbunden und oberhalb des Tankes angeordnet ist. Anschließend wird der Behälter mit einer Flüssigkeit gefüllt und bis zu einem vorgegebenen Prüfdruck unter Innendruck gesetzt. Der Prüfdruck wird über eine vorgeschriebene Zeitspanne, in der Regel 30 Sekunden, gehalten. Infolge der elastisch-plastischen Dehnung des Behälters wird ein Teil der Flüssigkeit im Tank verdrängt, wobei die verdrängte Flüssigkeitsmenge zu einer Erhöhung des Flüssigkeitsspiegels in der Bürette führt. Der am Ende der Haltezeit sich einstellende maximale Flüssigkeitsspiegel wird an der Bürette abgelesen und daraus das verdrängte Volumen ermittelt. Nach dem Druckabbau im Behälter bis auf Normaldruck fließt infolge des Rückganges der elastischen Dehnung des Behälters der größte Teil der zuvor verdrängten Flüssigkeitsmenge wieder in den Tank zurück. Der in der Bürette über den Nullpunkt hinausgehende Flüssigkeitsspiegel infolge der bleibenden plastischen Dehnung des Behälters wird abgelesen. Der abgelesene Wert bzw. dessen Volumen wird zum zuvor verdrängten Gesamtvolumen ins Verhältnis gesetzt und daraus die prozentual verbleibende plastische Dehnung des Behälters errechnet.

Dieses seit Jahren bewährte Meßverfahren versagt bei der Druckprüfung kleiner Behälter im Bereich von 0,5 bis 20 Liter Füllvolumen. Die verbleibende Flüssigkeitshöhe infolge der plastischen Dehnung ist so gering, daß die Bürette auf einen Innendurchmesser von 1 mm verkleinert werden müßte mit einer Länge von mehr als 2 m, um den Differenzwert noch mit entsprechender Genauigkeit ablesen zu können. Die Installation einer solchen Bürette ist problematisch und die Verfälschung des Meßwertes infolge der hohen Kapillarwirkung einer so engen Röhre wäre sehr groß.

Aus der US 3,230,760 ist eine zerstörungsfreie Flüssigkeitsdruckprüfung für Druckbehälter bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Flüssigkeitsentnahme aus einem Flüssigkeits- Vorratsbehälter gewichtsmäßig erfaßt und in Beziehung gesetzt zum IST-Innendruck des zu prüfenden Druckbehälters, dem über ein Ventil-Pumpensystem Flüssigkeit vom Vorratsbehälter zugeführt wird. Das IST-Gewicht und der IST-Innendruck werden einem Aufzeichnungsgerät zugeführt, das einen Graphen aufzeichnet. Die Pumpe wird abgeschaltet, sobald der Graph keine Linearität mehr zeigt. Die durch die Überschreitung des elastischen Bereiches erfolgte plastische Dehnung des Druckbehälters kann durch Messung der zurückfließenden Flüssigkeitsmenge erfaßt werden. Bei der Druckabsenkung wird der Graph ebenfalls aufgezeichnet. Der Versatz der beiden üblicherweise parallel liegenden Graphen ist ein Maß für die bleibende plastische Dehnung des Druckbehälters. Das bekannte Meßverfahren ist ungenau, da die Gewichtsdifferenz abhängig ist von den Unzulänglichkeiten des Prüfsystems (Leckagen, plastische Dehnung der Leitungen).

Aufgabe der Erfindung ist es, das bewährte Verfahren nach dem Volumenverdrängungsprinzip so weiterzubilden, daß mit diesem Verfahren auch kleine Behälter im Bereich von 0,5 bis 20 Liter Füllvolumen mit hoher Genauigkeit bei drastisch reduzierter Taktzeit für einen Prüfzyklus geprüft werden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Nach der Lehre der Erfindung wird statt der Höhendifferenz einer Flüssigkeitssäule eine Gewichtsdifferenz gemessen und unter Berücksichtigung des spezifischen Gewichtes der verwendeten Flüssigkeit daraus eine Volumendifferenz ermittelt. Dazu ist oberhalb des Tankes eine Präzisionswaage angeordnet, auf der ein nach oben hin offener Meßzylinder steht, in den die den Tank mit dem Meßgerät verbindende Leitung mündet. Dieses sogenannte Überlaufrohr bildet physikalisch gesehen aber eine kommunizierende Röhre. Nach Befüllen des Tanks wird die Präzisionswaage austariert und die Meßskala auf Null gestellt. Die Innendruckprüfung wird, wie zuvor ausführlich erläutert, durchgeführt und die verbleibende Flüssigkeitsmenge im Meßzylinder infolge der bleibenden plastischen Dehnung des Behälters ausgewogen. Die von der Gewichtsdifferenz ermittelte Volumendifferenz wird zum gesamten verdrängten Volumen des Behälters ins Verhältnis gesetzt. Dieses Verhältnis ergibt die prozentuale bleibende plastische Dehnung, die mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird.

Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, daß die kleinen Gewichtsdifferenzen auf 1 mg genau gemessen werden können. Das ist für die vorgeschriebene Innendruckprüfung kleiner Behälter im Bereich von 0,5 bis 20 Liter Füllvolumen ausreichend. Eine Verfälschung der Meßwerte infolge der Kapillarwirkung der verwendeten Rohre tritt bei dem vorgeschlagenen Verfahren nicht auf, da sowohl der Querschnitt des Überlaufrohres als auch der des Meßzylinders groß genug gewählt werden kann.

Ein Großteil der Abnahmegesellschaften schreibt wie bei vielen anderen vergleichbaren Prüfverfahren eine Kalibrierung der Prüfanlage vor. Dazu wird erfindungsgemäß vor Prüfung einer Behälterserie ein sogenannter Kalibrierbehälter benutzt. Dieser Kalibrierbehälter zeichnet sich dadurch aus, daß er zuvor bei einem so hohen Prüfdruck abgedrückt wurde, so daß er bei dem für die zu prüfende Behälterserie vorgesehenen Prüfdruck ein rein elastisches Verhalten zeigt. Dies bedeutet, daß bei Abdrücken des Kalibrierbehälters keine verbleibende Gewichtsdifferenz ermittelt werden darf, da der Behälter sich beim Abdrücken rein elastisch verhält. Sollte dennoch eine Differenz festgestellt werden, die überraschenderweise größer ist als die zu erwartenden zulässigen Meßwertabweichungen der Präzisionswaage und des Gesamtsystems, muß die Anlage überprüft werden.

Zur Verringerung der erforderlichen Prüftaktzeit wird weiterhin vorgeschlagen, das Meßverfahren weitgehend zu automatisieren. Dazu ist eine Ausgangsbuchse der Präzisionswaage und der Druckmeßdose mit einer Eingangsbuchse einer Meßwerterfassungsanlage über Meßkabel verbunden. Weiterhin ist die Meßwerterfassungsanlage mit einer Protokollausgabe verknüpft, so daß die Abhängigkeit Prüfdruck über verdrängtes Volumen unmittelbar aufgezeichnet und als Prüfprotokoll ausgedruckt werden kann. Die Prozedur des Entlüftens und der Befüllung des Druckbehälters sowie des Tankes ist weitgehend automatisiert und wird durch einen Prozeßrechner gesteuert. Um die Leerlaufzeit zwischen Prüfende, Demontage des geprüften Behälters und Montage eines neuen zu prüfenden Behälters besser nutzen zu können, wird außerdem vorgeschlagen, die Prüfanlage mit zwei im Wechsel zu bedienenden Tanks auszurüsten, wobei beide Tanks mit der gleichen Druckerzeugungseinheit verbunden sind. Die Präzisionswaage sowie die Überlaufrohre und Meßzylinder sind ebenfalls doppelt ausgelegt.

Nach einem weiteren kennzeichnenden Merkmal ist an der Innenseite des Tankdeckels ein Kupplungselement angeordnet, auf das ein in den Behälter einschraubbares Gegenstück einsteckbar ist. Dies erleichtert ganz wesentlich die Verbindung des Behälters mit dem Tankdeckel einerseits und mit der durch den Tankdeckel sich erstreckenden Leitung. Auch dieses Merkmal trägt zur Verkürzung der Prüftaktzeit bei.

Bei der Erörterung des Prüfverfahrens ist schon darauf hingewiesen worden, daß die gemessene Gewichtsdifferenz auf eine Volumendifferenz unter Berücksichtigung des spezifischen Gewichtes der verwendeten Flüssigkeit umgerechnet wird. Da das spezifische Gewicht eine temperaturabhängige physikalische Größe der Flüssigkeit ist, muß streng darauf geachtet werden, daß die Temperatur der geförderten Flüssigkeit bei Vielfachprüfungen nicht ansteigt. Dazu wird vorgeschlagen, die Druckerzeugungseinheit mit einem Kühlaggregat zu verbinden, so daß über die Messung der Temperatur der geförderten Flüssigkeit diese auf einer konstanten Temperatur gehalten werden kann.

Weitere Einzelheiten des Verfahrens und der Prüfvorrichtung sind der Zeichnung zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Prüfvorrichtung

Fig. 2 ein Beispiel eines Prüfprotokolls

Fig. 3 ein Teillängsschnitt des Kopfbereiches der Prüfvorrichtung

In Fig. 1 ist in schematischer Form die erfindungsgemäß ausgebildete Prüfvorrichtung dargestellt. Sie besteht aus einem mit Flüssigkeit 2 füllbaren und mit einem Deckel 3 verschließbaren Tank 1. In diesem Tank 1 ist der zu prüfende Behälter 4 einsetzbar. Durch die Einfüllöffnung 5 des Behälters 4 erstreckt sich eine Zuführleitung 6, die abgedichtet durch den Deckel 3 geführt ist. Diese Zuführleitung 6 ist am anderen Ende mit einer Druckerzeugungseinheit verbunden. Diese weist einen Motor M und eine damit verbundene Pumpe 7 auf. Im unteren Bereich des Tanks 1 mündet eine Leitung 8, die über einen Hahn 9 geöffnet und geschlossen werden kann. Oberhalb des Tankes 1 ist eine Präzisionswaage 10 angeordnet, auf der ein nach oben hin offener Meßzylinder 11 steht. In diesem Meßzylinder 11 mündet ein Überlaufrohr 12, das mit seinem anderen Ende durch den Deckel 3 hindurch sich in den Füllraum des Tankes 1 erstreckt. Dieses Überlaufrohr bildet physikalisch gesehen eine sogenannte kommunizierende Röhre. In der Zuführleitung 6 ist eine Druckmeßdose 13 angeordnet, die den von der Pumpe 7 erzeugten Druck mißt. Die Präzisionswaage 10 und die Druckmeßdose 13 sind über Meßkabel 14, 15 mit einer Meßwerterfassungsanlage 16 verbunden, die wiederum mit einer Protokollausgabe 17 verknüpft ist. Da das Prüfverfahren selbst schon ausführlich zuvor erläutert worden ist, erübrigt sich an dieser Stelle eine Wiederholung.

Fig. 2 zeigt ein typisches Beispiel eines Prüfprotokolls. Auf der Ordinate wird der aufgebrachte Prüfdruck in bar und auf der Abszisse das verdrängte Volumen in ml aufgetragen. Die weiter oben liegende Gerade 20 zeigt den Anstieg des im Tank 1 verdrängten Volumens mit steigendem Prüfdruck. Der vorgegebene Prüfdruck betrug 300 bar, wobei der tatsächliche Prüfdruck bei 304,8 bar lag. Die Haltezeit war 30 Sekunden. Das durch die elastisch-plastische Dehnung des Behälters 4 verdrängte Volumen lag in diesem Beispiel bei 26,51 ml. Nach Ablauf der Haltezeit wurde der Druck abgelassen und die zweite darunter liegende Gerade 21 zeigt den Verlauf des zurückfließenden Volumens in den Tank 1 infolge des Rückganges der elastischen Dehnung des Behälters 4. Nach Erreichen des Normaldruckes ist eine Volumendifferenz 22 von 0,23 ml verblieben. Dabei ist erfindungswesentlich, daß diese Volumendifferenz durch Messung einer Gewichtsdifferenz unter Berücksichtigung des spezifischen Gewichtes der verwendeten Flüssigkeit ermittelt wurde. Setzt man diese Differenz zum verdrängten Volumen ins Verhältnis, so ergibt sich der in diesem Protokoll ausgedruckte Wert von 0,87%. Dieser liegt weit unterhalb des zulässigen Grenzwertes von 5%.

In Fig. 3 ist in einem Teillängsschnitt der Kopfbereich der Prüfvorrichtung dargestellt. An den Mantel des Tankes 1 ist im oberen Endbereich ein Überlaufgefäß 23 angeschlossen, das sicherstellt, daß beim Einsetzen des zu prüfenden Behälters 4 in den mit Flüssigkeit voll gefüllten Tank 1 die verdrängte Flüssigkeit abfließen kann und vor dem Aufsetzen des Deckels 3 sich keine Gasblasen ansammeln können. Zum Aufsetzen des Deckels 3 ist am Ende des Mantels des Tanks 1 ein flanschartiger Ring 24 angeordnet mit einer in einer Nut angeordneten Dichtung 25. Die Auf- und Abbewegung des Deckels 3 ist durch einen Doppelpfeil 26 gekennzeichnet. Auf der Unterseite des Deckels ist ein Anschlußstück 27 befestigt, das mit einer Dreh- Steckkkupplung 28 verbunden ist. In die Öffnung des zu prüfenden Behälters 4 ist ein hier nicht näher dargestelltes Gegenstück einschraubbar, das beim Aufstecken mit der Dreh-Steckkupplung 28 zusammenwirkt. Auf der Oberseite des Deckels 3 ist ein weiteres Anschlußstück 29 befestigt mit einem Einsatz 30 zur Befestigung der Zuführleitung 6, die sich bis in den Füllraum des zu prüfenden Behälters 4 erstreckt. Das obere Anschlußstück 29 weist einen seitlichen Kanal 31 auf, über den der zu prüfende Behälter 4 entlüftet und am Ende der Haltezeit entlastet werden kann.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erfassung der plastischen Dehnung bei der Innendruck-Prüfung von Behältern mit den Arbeitsschritten

• - Einsetzen des zu prüfenden Behälters in einen mit Flüssigkeit füllbaren und verschließbaren Tank,
• - Verbindung der Einfüllöffnung des Behälters mit einer durch den Tank abgedichtet geführten Leitung, die am anderen Ende mit einer Druckerzeugungseinheit verbunden ist,
• - Verschließen des Tanks,
• - Entlüftung von Tank und Behälter,
• - Füllung des Tanks mit einer Flüssigkeit, wobei bei vollständiger Füllung der ich einstellende Flüssigkeitsspiegel als Nullpunkt in einem über eine Leitung mit dem Tank verbundenen und oberhalb des Tanks angeordneten Meßgerät festgelegt wird,
• - Füllung des Behälters mit einer Flüssigkeit und Druckaufgabe bis zu einem vorgeschriebenen Prüfdruck
• - Halten des Prüfdruckes über eine vorgeschriebene Zeitspanne, wobei
• - ein Teil der Flüssigkeit im Tank infolge der elastisch-plastischen Dehnung des Behälters verdrängt wird, und die verdrängte Flüssigkeitsmenge zu einer Erhöhung des Flüssigkeitsspiegels im Meßgerät führt,
• - Ablesen des maximal sich einstellenden Flüssigkeitsspiegels am Ende der Haltezeit (Gesamtmenge des verdrängten Volumens)
• - Druckabbau im Behälter bis auf Normaldruck, wobei durch den Rückgang der elastischen Dehnung des Behälters der größte Teil der zuvor verdrängten Flüssigkeit in den Tank zurückfließt,
• - die im Meßgerät über den Nullpunkt hinausgehende verbleibende Flüssigkeitssäule infolge der plastischen Dehnung des Behältern wird abgelesen,
• - der abgelesene Wert wird zum zuvor verdrängten Volumen ins Verhältnis gesetzt und daraus die prozentuale bleibende plastische Dehnung des Behälters errechnet,

dadurch gekennzeichnet, daß statt der Höhendifferenz einer Flüssigkeitssäule eine Gewichtsdifferenz gemessen wird und unter Berücksichtigung des spezifischen Gewichtes der verwendeten Flüssigkeit daraus die Volumendifferenz ermittelt wird, wobei vor Beginn der Prüfung der Behälterserie ein Kalibrierbehälter geprüft wird, der zuvor bei einem so hohen Prüfdruck abgedrückt wurde, daß er bei dem für die zu prüfende Behälterserie vorgeschriebenen Prüfdruck ein rein elastisches Verhalten zeigt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem mit einer Flüssigkeit füllbaren und mit einem Deckel verschließbaren Tank, einer Druckerzeugungseinheit, die über eine durch den Tankdeckel abgedichtet sich erstreckende Zuführleitung mit dem im Tank eingesetzten zu prüfenden Behälter verbindbar ist, einer in der Zuführleitung angeordneten Druckmeßdose und einer in den Tankraum hineinragenden Leitung, die mit einem oberhalb des Tanks angeordneten Meßgerät verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Meßgerät als Präzisionswaage (10) mit einer Ablesegenauigkeit von 1 mg ausgebildet ist und die vom Tank (1) zum Meßgerät führende Leitung (12) in einem auf der Präzisionswaage (10) stehenden, oben offenen Meßzylinder (11) mündet,
wobei die vom Tank (1) zur Präzisionswaage (10) führende Leitung (12) als metallisches Überlaufrohr ausgebildet ist und physikalisch gesehen eine kommunizierende Röhre bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangsbuchse der Präzisionswaage (10) und der Druckmeßdose (13) mit einer Eingangsbuchse einer Meßwerterfassungsanlage (16) über Meßkabel (14, 15) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassungsanlage (16) mit einer Protokollausgabe (17) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Tankdeckels (3) ein Kupplungselement (28) angeordnet ist, auf das ein in den Behälter (4) einschraubbares Gegenstück einsteckbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfanlage zwei im Wechsel zu betreibende Tanks (1) aufweist, die an eine Druckerzeugungseinheit angeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerzeugungseinheit mit einem die zu fördernde Flüssigkeit auf konstante Temperatur haltenden Kühlaggregat verbunden ist.