DE2151137A1 - Verfahren zur ueberwachung und frueherkennung von gefuegezerstoerungen bei im gesunden zustand gas-bzw.-fluessigkeitsundurchlaessigen materialien - Google Patents

Description

• Verfahren zur Uberwachung und Fraherkenwung Gefügezerstörungen bei im gesunden Zustand gas-bzw. flüssigkeitsundurchlässigen Materialien.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Uberwachung und Yrüherkennung von Gefügezerstörungen bei im gesunden Zustand gas-bzw. flüssigkeitsundurchlässigen, im festen Aggregatzustand befindlichen Materialien, die durch ein flüssiges bzw. gasförmiges Medium beaufschlagt sind.
• Das Problem einer zuverlässigen tiberwachung von Gefügezerstörungen bei einseitig oder beidseitig mit Flüssigkeit oder einem gasföreigen Medium beaufschlagten Materialien, z.B. bei Platten oder Wandungen von ein- oder beidseitig mit Flüssigkeit bzw. Gas beaufschlagten, durch- oder umfiossenen Hohlkörpern - etwa in Gestalt von Rohren oder Behältern - tritt auf vielen Gebieten der Technik in Erscheinung. Dabei ist es augenscheinlich von grosser rfichtigkeitw allfällige, zur Gefügezerstörung an einer bestimmten Stelle der Platte oder Wandung und zum Eindringen des beaufschla-7enden Mediums ins überwachte Material führende Beschädigungen im Prühstadium zu erfassen, d.h. möglichst noch vor dem vollständigen Durchbruch oder, falls derselbe plötzlich eintritt, unmittelbar danach.
• Bisher wurde die Uberwachung visuell vorgenommen, oder man versah die zu überwachenden Rohre oder Gefässe mit einer Doppelwandung und überwachte den Zwischenraum auf Eindringen des beaufschlagenden iSediums Solche Methoden sind Jedoch aufwendig und im Hinblick auf Zuverlässigkeit wenig befriedigend.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Nachteile der erkannten Verfahren vermeidet, in hohem Nasse zuverlässig ist und ausser der Dauerüberwachung des kontrollierten Materials und der frühzeitigen Erkennung eintretender Geftigezerstörungen auch noch eine Ortung des Defektes erlaubt.
• Dies wird dadurch erreicht, dass in das zu überwachende Material ein hermetisch abgedichtetes, galvanisches Überwachungssystem eingebaut ist, welches aus einer Anzahl in einem Stromkreis liegender Leiter in beliebiger Anordnung, jedoch ohne gegenseitigen galvanischen Kontakt, besteht, und dass die Leiter untereinander durch zm nichtbeaufschlagten Zustand isolierende, Jedoch gegenüber dem beaufschlagenden flüssigen bzw. gasförmigen Medium absorptions-bzw adsorptionafähige Materialien verbunden sind, welche im Falle einer durch Gefügezerstörungen des überwachten Materials verursachten Beaufschlagung durch das Eindringen des besagten Mediums stromleitend werden und eine galvanische Brücke bilden, und die dadurch bewirkte Stromleitung zwischen den Leitern als Kriterium für die Erkennung der Gefügezertörungen verwendet wird.
• Die Erfindung wird nun anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
• - algen Fig. 1 ein perspektivisch-schematisches Bild eines in einem überwachten plattenförmigen Körper eingebetteten Überwachungssystems gemäss der Erfindung Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines z.B. für die Einbettung in der Wandung eines zylindrischen Rohres oder Gefässes geeigneten ab- bzw. adsorptionsfähigen, mit Leitern versehenen Überwachungsbandes.
• Gemäss Fig.1 ist im Inneren des auf Gefügezerstörungen überwachten Materials in Gestalt einer quaderförmigen Platte 3, die ein- oder beidseitig mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium beaufschlagt ist, ein Überwachungssystem eingebettet, das aus den beiden Überwachungsleitern 1 und 2 sowie dem diese Leiter verbindenden, gegenüber dem beaufschlagenden Medium ab-oder adsorptionofähigen Material 4 besteht.Die Realisierung der Einbettung kann z.B. - wenn es sich, wie in vielen Anwendungsfällen, bei dem überwachten Material um plastische Kunststoffe handelt - mittels doppelschichtiger extrusion .lach Xrt des Sandwichverfahrens ), mittels Wickelverfahren, Pressverschweissung, Eingiessens, Einlaminierung, manuellen Auf-oder Einlegeverfahrens, Einsinterung oder anderer geeigneter Methoden erfolgen.
• Das ab-oder adsorptionsfähige Material 4 ist mit Vorteil eine faserige Struktur auf Baumwoll- oder Zellstoffbasis, die im nichteaufschlagten Zustand als elektrischer Isolator-wirkt.Das gesamte Uberwachungesystem Leiter 1, 2 plus bandförmiges Verbindungsmaterial 4 - ist durch die Einbettung im Material 3 normaLerweise hermetisch abgedichtet, weil das Material 3 im gesunden Zustand flüssigkeits- bzw. gasundurchlässig iat, d.h, das beaufschlagende flüssige bsw. gasförmige Medium vom Uberwachungyntem echeideb.
• Erfolgt nun - etwa durch äussere Einflüsse- eine mit einer Gefügezerstörung verbundene Beschädigung des überwachten Materials 3, an drin,at das beaufschlagende flüssige bzw. gasförmige Medium an der Stelle der Gefügezerstörung in das überwachte Material 3 ein und - falls es sich um eine ernsthaftere Beschädigung handelt -bis zum Überwachungssystem 1, 2, 4 vor. Das die Leiter verbindende Material 4 hat nun die Eigenschaft, das eindringende Medium zu ab-bzw adsorbieren. Ist dieses Medium eine flüssige Lösung mit beträchtlicher lonendissoziation, d.h. hoher hydrolytischer Leitfähigkeit, so wird es durch das Verbindungsmaterial 4 absorbiert, und dieses Material wird somit selbst elektrisch leitend. Es bildet dann eine galvanische Brücke zwischen den normalerweise voneinander isolierten Leitern 1 und 2, so dsss im Stromkreis dieser Leiter, der überdies die Stromquelle 6 umfasst, plötzlich ein beträchtlicher Strom zu fliessen beginnt.
• Ist das eindringende beaufschlagende Medium gasförmig, so kann das Verbindungsmaterial 4 derart vorbehandelt werden, dass es beim Kontakt mit dem Medium ebenfalls eif hydrolytische Leitfähigkeit erhält. Z.B. kann- wenn das beaufschlagende Medium H20 im gasförmigen Aggregatzustand ist - dae Material 4 durch Tränkung mit einer wässerigen NaCL -Lösung und anschliessende Verdampfung des Lösung.-Wassers mit mikroskopisch kleinen NaCL-KriBtallen imprägniert sein, die im Trockenzustand die Isoliereigenschaft des Materials 4 nicht beeinträchtigen. Beim Kontakt mit den eindringenden Wasserdampf reagieren Jedoch die H2O-Moleküle in der Weise mit den NaCL-Kristallen, dass der Wasserdampf durch die Adsorptionswirkung der stark hygroskopischen Salzkristalle kondensiert und eine flüssige NaCL-Lösung erzeugt, welche das Verbindungsmaterial 4 durchtränkt und durch hydrolytische Leitung die galvanische Brücke zwischen den Leitern 1 und 2 bildet, Bine Vorbehandlung des Materials 4 zwecks Herstellung einer guten hydrolytischen Leitfähigkeit ist naturgemäss allgemein auch dann angezeigt, wenn das eindringende z.B. flüssige oder gaßförmige, sich erst durch Kontakt mit dem Material 4 verflüssigende Medium selbst keine oder keine ausreichende hydrolytische Leitfähigkeit aufweist (z.3 destilliertes Wasser bzw. flüssiger Kohlewasserstoff). Wird das Material 4 mit einer sauren, basischen oder neutralen (z.B.NaCL, s.o.> Substanz imprägniert, so hat es im trockenen Zustand keine merkliche elektrische Leitfähigkeit. Beim Kontakt mit dem eindringenden Medium gehen die Kristalle der Imprägniersubstanz jedoch in Lösung, wobei es zur hydrolytischen Dessoziarion und Stromleitung über das mit dieser flüssigen Lösung getränkte Material 4 kommt.
• Es bestehen- je nach Bedarfsfall - natürlich auch andere Möglichkeiten; so kann das Material 4 durch Tränkung mit einer an sich elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit (destilliertes Wasser, Kohlewasserstoff ) vorbehandelt werden, die sich von selbst bzw.
• durch Beigabe eines Katalysators in der Welse mit dem eindringenden Medium verbindet, dass eine hydrolytische Lösung mit hoher Leiter fähigkeit entsteht, Infolge der im gesunden Zustand hermetisch abgedichteten Einbettung des Überwachungssystems 1,2,4 innerhalb des überwachten Materials 3 iet eine Einwirkung von Umgebungseinflüssen, z.B.
• der Luftfeuchtigkeit, auf das Material 4 ausgeschlossen; 4 bleibt solange in demselben trockenen bzw. getränkten Zustand, in dem es bei der Einbettung war, bis durch Einwirkung des beaufschlagenden Mediums eine Zustandsänderung erfolgt.
• In Fig. 1 sind zwei Möglichkeiten der Verbindung des Materials 4 mit den Leitern 1 und 2 dargestellt; bei der links gezeigten Variante sind die Leiter auf das bandförmige Material aufgelegt, es erfolgt also lediglich eine einseitige Berührung, während bei der Variante rechts die Leiter 1,2 vom Material 4 allseitig umhüllt sind.
• Die letztere Variante erlaubt eine Anwendung des beschriebenen Überwachungsverfahrens auch bei elektrisch leitendem überwachtem Material 3, z,B, bei metallischen Rohren bzw. Gefässen: im gesunden (unbeschädigten)Zustand des Materials 3 sind die Leiter 1, 2 dabei durch das sie allseitig umhüllende Verbindungsmaterial 4 von dem leitenden Material 3 vollständig isoliert, während bei einer mit einem Eindringen des beaufschlagenden Mediums bis zum Überwachungesystem 1, 2, 4 verbundenen Beschädigung des Materials 3 das Verbindungsmaterial 4 leitend wird und die Stromleitung zwischen 1 und 2 sowohl über das Verbindungsmaterial 4 als auch über das leitende überwachte Material 3 hergestellt wird.
• Der die Leiter 1,2 und die Stromquelle 6 umfassende Stromkreis kann zweckmässigerweise überdies noch eine Alarmeinrichtung 5 enthalten, die bei Stromdurchfluss anspricht.
• Ausserdem erlaubt das vorgeschlagene Überwachungsverfahren auch eine Ortung des eingetretenen Defektes, z,B, bei langgestreckten Rohren oder Gefässen. Dazu genügt in vielen Fällen eine Widerstandsmeseung(Ohneter 7 in Fig.1); der gemessene Widerstandswert ist der Länge der durch die Leiter 1,2 und die elektrolytische Leitung im Material 4 gebildeten Schleife direkt proportional.
• Man kann den Ort des Defektes aber auch durch Detektion des äusseren Nagnetfeldes des in der besagten Schleife fliessenden Stromes ohne 3eingriff in diesen Stromkreis d.h. durch äussere Induktionameesung bestimmen.
• die Quelle 6 kann eine Gleich- oder Wechselstromquelle sein. Im letzteren Fall kann durch die Kapazität der nahe zueinander verlegten Leiter 1,2 schon im unbeschädigten Zusta d des Materials 3 im Gesamtstromkreis ein kapazitiver Blindstrom auftreten. Bei 3ildung einer galvanischen Brücke im Verbindungsmaterial 4 entsteht eine Wirkstromkomponente, die das Kriterium für die eingetretene Gefügezerstörung darstellt.Die Alarmeinrichtung 5 kann in diesem Falle auch phasenempfindlich gemacht werden und auf den Phasenwinkel des resultierenden Stromes ansprechen.
• Das mit der Iiöglichkeit einer Fehlerortung verbundene, vorgeschlagene Überwachungsverfahren erlaubt auch eine relativ bequeme Behebung des eingetretenen Defektes.Sie ist in dem Sinne denkbar, dass der defekte Teil des aus dem Material 3 gebildeten Körpers entfernt und ein gesundes Stück eingesetzt wird, das auf die gleiche Weiße überwacht werden kann und dessen Leiteranschlüsse galvanisch mit den freigelegten Leitern des restliohen(gesunden) Grundmaterials 3 verbunden und wieder hermetisch abgeschlossen und isoliert werden.
• Der aus dem zu überwachenden Material 3 gebildete Körper kann zweckmässig einen bausteinartigen Aufbau aufweisen. Jeder Baustein enthält dabei in sich selbst ein Überwachungssystem der beschriebenen Art, und die einzelnen Bausteine können zu einem übergeordneten, geschlossenen System derselben Art verbunden werden.
• Die Fig.2 zeigt ein besonders bei Rohren oder langgestreckten zylindrischen Hohikörpern mit Vorteil anwendbares Überwachungssystem der beschriebenen Art. Das durch die vermaschten Fasern 1 gebildete, ab- bzw. adsorptionsfähige Verbindungsmaterial hat die Gestalt eines Bandes, das im Inneren eines z.B. zu überwachenden Rohres spiralförmig mit einer Überlappungszone 2 hermetisch abgedich.
• tet verlegt ist.Es ist somit über die Gesamtfläche des zu überwachenden Materials eingebettet, so dass der Effekt einer an beliebiger Stelle auftretenden Gefügezerstörung (d,h. also nicht nur zwischen. den Überwachungsleitern 3, sondern auch ausserhalb dieeer Leiter) mittels Kapillarwirkung die Bildung der galvanischen Brücke bewirkt und das Überwachungssystem beeinflusst.
• wn den Figuren 1 und 2 ist die Anzahl der Überwachungsleiter auf 2 beschränkt. Naturgemäss kann diese Zahl auch erhöht werden, indem dem einen und/oder dem anderen Leiter noch ein oder mehrere elektrisch dazu parallele Hilfsleiter zugeordnet werden, so dass bei Ausfall eines Leiters die Überwachung durch den bzw. die dazu parallelen Leiter sichergestellt ist.
• Eine interessante Anwendungsmöglichkeit des beschriebenen Verfahrens bietet sich auf. dem Gebiet der Isolationsfehlererkennung und -ortung bei im Erdreich verlegten Kabeln oder Freiluftkabeln, und zwar namentlich bei der Überwachung der Isolationen auf durch AusBeeinwirkung verursachte Beschädigungen. Dabei wird das ab-bzw, adsorptionsfähige Material durch eine zusätzliche, das Kabel umhüllende Isolierschicht mit eingebettetem Leiter-Überwachungssystem gebildet, so dass bereits bei geringer Tiefenwirkung einer äusseren Verletzung (die z.B, die eigentliche Iaolationsschicht noch gar nicht erreicht hat!) eine Früherkennung bzw. Ortung ermöglicht wird. Bei verlegten Kabeln erfolgt die Beeinflussung des Überwachungssystems durch die eindringende Feuchtigkeit des Erdreichs bei Luftkabeln durch die atmosphärische Luftfeuchtigkeit.
• Weitere Anwendungsmöglichkeiten bieten sich dem Fachmann auf zahlreichen technischen Gebieten.
• So ist es z.B. möglich, in das zu überwachende Material zwei oder mehrere tiefenmässig gestaffelte Überwachungssytemo der beschriebenen Art einzubauen, so dass Je nach Richtung einer auftretenden Gefügezerstörung von der einen bzw. anderen Seite her ein Dberwachungssystem zuerst anspricht und somit bei geringer Tiefe der Gefügezerstörung noch vor dem Bruch eine Frühwarnung abgibt, während bei grösserer Tiefe der Gefügezerstörung zwei oder mehrere Überwachungssysteme ansprechen, was ein Kriterium für ernsthaftere Beschädigungen bis zum Bruch ergibt.

Claims (11)

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1. erfahren zur Überwachung und Früherkennung von Gefügezerstörungen bei im gesunden Zustand gas- bzw. flüssigkeitsundurchlässigen, im festen Aggregatzustand befindlichen Materialien, die durch ein gasförmiges bzw. flüssiges Medium beaufschlagt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in das zu überwachende Material ein hermetisch abgedichtetes, galvanisches Übereaehungasystem eingebaut ist, welches aus einer Anzahl in einem stromkreis liegender Leiter in beliebiger Anordnung, jedoch ohne gegenseitigen galvanischen Kontakt, besteht, und dass die Leiter untereinander durch im nichtbeaufschlagten Zustand isolierende, Jedoch gegenüber dem beaufschlagenden flüssigen bzw. gasförmigen Medium absorptions bzw.

adsorptionsfähige Materialien verbunden sind, welche im Falle einer durch Gefügezerstörungen des überwachten Materials verursachten Beaufschlagung durch das Eindringen des besagten Mediums stromleitend werden und eine galvanische Brücke bilden, und die dadurch bewirkte Stromleitung zwischen den Leitern als Kriterium für die Erkennung der Gefügezerstörung verwendet wird.

2.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Messung des ohmschen diderstandes in dem durch die galvanische Brücke geschlossenen Stromkreis eine Ortung des durch die Gefügezerstörung entstandenen Materialdefektes vorgenommen wird.

3.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ortung des durch die Gefúgezerstörung entstandenen Materialdefektes mittels äusserer Messung des induktiven Einflusses der im durch die galvanische Bricke geschlossenen Stromkreis fliessenden Ströme vorgenommen wird.

4.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte ab-bzw. adsorptionsfähige Material einer Vorbehandlung durch Imprägnierung mit oubstansen unterzogen wird, welche sich bei Eindringen des flüssigen bsw. gasförmigeh.ediwns in der Weise mit diesem Medium verbinden, dass eine stromleitende hydrolytische Lösung entsteht, die das die Leiter verbindende Material durchtränkt und die besagte galvanische Brücke bildet.

5.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ab-bzw. adsorptionsfähige Material einer Vorbehandlung durch Tränkung mit einer an sich nicht leitenden Fliissigkeit unterzogen wird, welche sich von selbst bzw. durch Beigabe eines Katalysators in der Weise mit dem eindringenden Medium verbindet, dass eine hydrolytische Lösung entsteht, die das die Leiter verbindende Material durchtränkt und die besagte galvanische Brücke bildet.

6.Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erkennung und Ortung des Materialdefektes die Behebung desselben in der Weise vorgenommen wird, dass der defekte Teil entfernt und ein gesundes Stück eingesetzt wird, welches das gleiche Überwachungssystem in aJestalt von eingebauten Leitern enthält und dessen Leiteranschlüsse galvanisch mit den freigelegten Leitern des restlichen Grundmaterials verbunden und wieder hermetisch abgedichtet und isoliert werden.

7,Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte ab-bzw. adsorptionsfähige Material über die ganze Fläche des zu überwachenden Materials eingebettet ist, so dass der Effekt von an beliebiger Stelle auftretenden Gefügezerstörungen mittels Kapillarwirkung das Uberwachungssystem beeinflusst.

8.Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass das die Leiter verbindende ab-bzw. adsorptionsfahige Material die Leiter allseitig umhüllt, so dass auch eine tiberwachung von aus elektrisch leitendem Material bestehenden körpern ermöglicht wird.

9.Verfahren nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, dass in das zu überwachende Material zwei oder mehrere tiefenmässig gestatfelte tiberwachungssysteme eingebaut sind, so dass je nach Richtung einer auftretenden r-efUgezerstörung von der einen bzw. der anderen Seite her ein berwachungssystem zuerst anspricht und somit bei geringer Tiefe der erefiigezerstörung noch vor dem Bruch eine Frühwarnung abgibt, während bei grösserer Tiefe der Gefgezerstörung zwei oder mehrere Uberwachungssysteme ansprechen, was ein Kriterium für ernsthaftere Beschädigungen bis zum mruch ergibt.

lo.Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen bausteinartigen Aufbau des aus dem zu überwachenden Material bestehenden Körpers in der Weise, dass jeder Baustein in sich selbst ein i)berwachungssystem der besagten Art enthält und die einzelnen Bausteine zu einem übergeordneten, geschlossenen System verbunden werden können.

11.Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 sowie den Ansprüchen 2 - 7 auf Überwachung von durch Ausseneinwirkung verursachten Beschädigungen von Kabelisolationen, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte ab-bzw. adsorptionsfähige Material durch eine zusätzliche, das Kabel umhüllende Isolierschicht mit eingebettetem Leiter- iberwachungssystem gebildet wird, so dass bereits bei geringer riefenwirkung einer äusseren Verletzung eine lrRherkennung bzw. Ortung ermöglicht wird.

L e e r s e i t e