DE3000084A1

DE3000084A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen des spaltraums zwischen einem rohr und einer rohrhalterung in waermetauschern

Info

Publication number: DE3000084A1
Application number: DE19803000084
Authority: DE
Inventors: Gary J Dau; Louis J Martel
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1979-01-12
Filing date: 1980-01-03
Publication date: 1980-07-24
Also published as: FR2446478B1; US4235110A; FR2446478A1; JPS5934242B2; JPS5599502A; DE3000084C2; BE881109A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des freien Spaltraums zwischen einem Rohr und einer Rohrhalterung in einem Wärmetauscher und insbesondere bei Dampferzeugern, wie sie in Kernkraftwerken verwendet werden.

Bei einem Großteil von in Kernkraftanlagen verwendeten Dampferzeugern ergeben sich Korrosionsprobleme in dem Spalt zwischen einem Wärmetauscherrohr und einer Rohrhalterungsplatte. Der Aufbau von Korrosionsprodukten hat viele schädliche Nebeneffekte, zu denen eine Schwächung des Rohres oder eine Verengung auf einen kleineren Durchmesser gehören, was zu Rissen und zum Entstehen von Leckagen führt. Um eine frühzeitige Warnung hinsichtlich der beginnenden Schwächung und dergleichen zu erhalten, möchte man den freien Raum zwischen dem Rohraußendurchmesser und der Rohrhalteplatte messen. Versuche, dafür Ultraschall- und Wirbelstromtechniken einzusetzen, haben sich als nicht zufriedenstellend erwiesen.

Es ist außerdem möglich, durch chemische Reinigung Korrosionsprodukte zu entfernen oder umzuwandeln. Deswegen benötigt man ein Verfahren zum Feststellen, wann eine chemische Reinigung erforderlich ist. Danach muß auch die Wirkung dieser chemischen Reinigung meßbar sein.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Spaltfreiraums zwischen einem Rohr und einer Rohrhalterung in einem Wärmetauscher für Kernkraftanlagen ^u schaffen, das zerstörungsfrei arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß ausgehend von einem Verfahren zum Messen des freien Spaltraums zwischen einem Rohr und der Rohrhalterung in Wärmetauschern dadurch ge-

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löst, daß das Rohr in der Nähe der Rohrhalterung in Schwingung versetzt wird und daß die Beschleunigung in dem Rohrhaltebereich überwacht bzw. gemessen wird. Aus der gemessenen Beschleunigung wird dann der freie Spielraum bestimmt.

Die zur Durchführung dieses Verfahrens verwendete Vorrichtung besteht aus einer länglichen Baueinheit, die in das Rohr eingeführt wird. Die Baueinheit hat Einrichtungen, um das Rohr in eine Vibrationsbewegung bzw. Schwingbewegung in unmittelbarer Nähe der Rohrhalterung zu versetzen,, sowie Einrichtungen, um die Beschleunigung der Vibrationsbewegung zu fühlen bzw. festzustellen. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, um die gemessene Beschleunigung zur Bestimmung des Spielraums prozeßmäßig zu verarbeiten.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des freien Spaltraums zwischen Rohren und Rohrhalterungen in einem Wärmetauscher, wobei das Rohr in Schwingung versetzt wird, bis es gegen die Rohrhalterungsplatte anstößt und durch Akzelerometer bzw. Beschleunigungsmesser, die an dem Rohr angebracht sind, der Abstand des Rohres bestimmt wird, um den es sich bewegt hat.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen!

im Längsschnitt einen Dampferzeuger,

in einer Einzelheit von Fig. 1 durch ein© Rohrhalteplatte hindurchgehende Rohre,

perspektivisch vereinfacht sin durch eins Rohrhaltarung hindurchgehend©§ Rohr zur Erläuterung des erfindungsgemäßtn Meßverfahrens,

ein Wellendiagramm zur Erläuterung der

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	Fig.	1
30	Fig.	2
	Fig.	3
35
	Fig.	4

Erfindung,

Fig. 5 im Längsschnitt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 6 ein Blockschaltbild, wie es erfindungsgemäß verwendet wird,

Fig. 7A bis 7F Oszillographbilder zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 8 in einem Diagramm die Abhängigkeit des gemessenen freien Raums vom tatsächlichen freien Raum,

Fig. 9A und 9B Spektralanalysediagramme und

Fig. 10 eine Lissajous¹sehe Figur.

Fig. T zeigt einen Sattdampferzeuger, wie er in einer Kernkraftanlage verwendet wird, mit U-förmig gebogenen Rohren Das Kühlmittel des Reaktorprimärkreislaufs wird als erhitztes Fluid aus dem Kernreaktor am Einlaß 10 zugeführt und am Auslaß 11 abgeführt. Es sind drei Paare von U-förmig gebogenen Rohren 12 gezeigt, die von horizontalen Platten 13 gehalten werden. Aus einem Kondensator tritt Speisewasser in den Dampferzeuger am Eintritt 14 ein,- wird durch das in den Rohren 12 umlaufende Kühlmittel erhitzt und tritt als Dampf, der einer Turbine zugeführt wird, am Austritt 16 aus.

Fig. 2 zeigt einen Teil einer Halteplatte 12 mit Löchern 13', durch welche die Rohre 12 hindurchgehen. An diesen Stellen ergibt sich, wie vorstehend erwähnt, eine Korrosion. Fig. 3 zeigt ebenso wie Fig. 2 die Halteplatte 13 mit einem Rohr 12. In dem Rohr 12 ist ein Vibrator 17 zusammen mit Beschleunigungsmessern 18 angeordnet. Der Beschleunigungs-

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messer hat eine Drehachse 17', die senkrecht zur Rohrachse ist; diese Achse kann jedoch auch alternativ parallel zur Rohrachse sein. Der Vibrator 17 hat eine Exzentermasse 17a und bildet so eine Exzentermassenschüttelvorrichtung, die das Rohr 12 in Vibrationen, versetzt, wenn eine Betätigung entweder durch einen zugeordneten Elektromotor oder eine Luftturbine erfolgt. Die Beschleunigungsmesser 18 sind in dem Rohr gewöhnlich mit einem Winkel von 90° zueinander angeordnet .

Fig. 4 zeigt die Arbeitsweise nach der Erfindung, wenn das Rohr in Schwingung versetzt ist. Die Signalamplitude A des Beschleunigungsmessers nimmt zu, bis ein Anstoßen an der Halteplatte 13 eintritt. An dieser Stelle kann durch Be-Stimmung der Frequenz und durch Verwendung der Signalamplitude des Beschleunigungsmessers ein Freispalt nach folgender Gleichung bestimmt werden, wenn f die Anstoßfrequenz ist:

Freispalt = A/(2ft-f )²

Die Vorrichtung zum Halten des Vibrators 17 und der Beschleunigungsmesser 18 ist in Fig. 5 gezeigt. Sie besteht aus einer Baueinheit 21 in Form eines länglichen gescho3förmigen Mantels, dessen Durchmesser kleiner als der des Rohres 12 ist und an seinem Ende 22 aus einem Hartkautschuk oder Silikon besteht. An diesem Ende befinden sich die Beschleunigungsmesser 18. Zusätzlich ist dort eine Wirbelstromeinheit 23 vorgesehen, welche die große Metallmasse der Halteplatte 13 (Fig. 3) fühlt, um festzustellen, wann sich die Beschleunigungsmesser 18 und der Vibrator 17 in unmittelbarer Nähe der Rohrhalteplatte befinden. Die gesamte Baueinheit 21 wird in das Rohr so weit eingeführt, bis sie sich in unmittelbarer Nähe der Rohrhalteplatte befindet. Anstelle des Wirbelstromsensors 23 können auch andere einfache Meßmethoden, die für diesen Zweck geeignet sind, verwendet werden.

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Der gezeigte. Vibrator 17 hat einen Motor 24 und eine Exzentermasse 17a. Weiterhin sind Meßleitungen 26 für das Übermitteln der erzeugten Signale vorgesehen. Zusätzlich ist zum Halten der Baueinheit 21 im Rohr an der richtigen Stelle ein Paar von Reibpolstern 27a, 27b vorgesehen, die gegen die RohrInnenwände mittels pneumatischer Zylinder 28 drückbar sind.

Fig. 6 zeigt den Beschleunigungsmesse 18a für die X-Richtung und den Beschleunigungsmesser 18b für die Y-Richtung sowie die zugehörigen elektronischen Bauelemente, um die Ausgangssignale aus den Beschleunigungsmessern zu analysieren. Dazu gehören ein Paar von Tiefpaß-Filtern 31a, 31b, die die Komponenten hoher Frequenz herausfiltern, wie sie durch das Anstoßen des Rohres an der Rohrhalterung erzeugt werden. Das heißt in anderen Worten, daß die niederfrequenten Komponenten die interessierenden Informationen enthalten. Die Ausgangssignale aus den Filtern können entweder einer Kathodenstrahlröhre 32, wobei insbesondere die X- und Y-Eingangssignale eine Lissajous¹sehe Figur oder Lissajoussches Muster bilden, und/oder zusätzlich einer Spektralanalyseeinheit 33 zugeführt werden. Typische Ausgangssignale für Lissajous'sehe Figuren für eine Kathodenstrahlröhre sind in den Figuren 7A bis 7F gezeigt, wobei die Spielräume und Frequenzen und der Relativmaßstab der Kathodenstrahlröhre angegeben sind. Diese Figuren werden durch mehrmaliges Wiederholen· und somit über Oszillographspeicherung erzeugt.

Fig. 8 zeigt eine Auftragung der Ergebnisse aus den Figuren 7A bis 7F, wobei die Quadrate Datenpunkte für den eingeklemmten Zustand bilden. Das heißt, daß diese Datenpunkte für ein Versuchsrohr ermittelt wurden, das an seinen beiden Enden eingeklemmt war und das man gegen eine zentrale Halteplatte schwingen ließ. Die horizontale Achse des Diagramms von Fig. 8 zeigt den tatsächlichen Freiraum zwischen dem Rohr und der Rohrhalteplatte, während auf der vertikalen

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Achse der gemessene freie Spielraum aufgetragen ist. Die 45°-Linie 34 würde die optimale Beziehung zwischen dem tatsächlichen und dem gemessenen freien Spielraum sein. Die Kurven von Fig. 7A bis 7F sind auf experimenteller Basis zusammen mit den dreieckförmigen Punkten aufgetragen, wobei an den angrenzenden Halterungen ein Spiel von 0,25 mm vorgesehen war. Die Kreise zeigen den Zustand, an dem die Halterungen frei waren. Die erhaltene gestrichelte Linie 36 zeigt die Genauigkeit des Verfahrens dadurch, daß eine konstante Korrektur angewendet werden kann. Die Datenpunkte von Fig. 8 werden dadurch erhalten, daß die Figuren 7A bis 7F auf Polarkoordinatenbasis vermessen und die maximalen Punkte herausgenommen werden.

Fig. 9A und 9B zeigen eine Alternative zu den Lissajous'sehen Mustern, nämlich eine Spektralanalyseauftragung aus Fig. 7C. Diese wird mit dem Spektralanalysator 33 von Fig. 6 erreicht. Die richtigen Datenpunkte für die vertikalen und horizontalen Frequenzgänge geben Datenpunkte, die denen von Fig. 8 ähnlich sind.

In Fig. 10 ist ein weiteres experimentelles Lissajous'sches Muster dargestellt, welches den Frequenzgang eines Rohres zeigt, das auf die mittlere Halteplatte auftrifft bei einer Erregung von 120 Hz und einer Kraft von 2N. Es sind die hochfrequenten Komponenten, die sich durch das Anstoßen-eines Rohres in der Rohrhalterung ergeben, deutlich gezeigt und werden durch geeignete Filter 31a und 31b in Fig. 6 herausgefiltert. Es zeigt sich, daß die Lissajous'sehen Figuren zwangsweise durch zeitlich sich ändernde festgestellte Beschleunigungssignale gebildet werden, die eine Phasendifferenz zwischen sich aufgrund ihrer orthogonalen Verschiebung haben.

Besonders günstig sind Beschleunigungsmesser mit einem flachen Frequenzgang von 2 bis 50 000 Hz und einer Empfindlichkeit von 100 mv pro g (Bolt, Beranek und Newman, Modell 501).

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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des freien Spaltes zwischen einem Rohr und einer Rohrhalterung ist für alle Arten von Wärmetauschern einschließlich für Kondensatoren und Transformatorenkühler sowie für Dampferzeuger geeignet.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Messen des freien Spaltraums zwischen einem Rohr und einer Rohrhalterung in Wärmetauschern und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr in der Nähe der Rohrhalterung in Schwingungen versetzt wird, daß die Beschleunigung des Rohres in dem Rohrhaltebereich überwacht wird und daß aus der ermittelten Beschleunigung der Freiraum bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Freiraums dadurch erfolgt, daß zweimal sich ändernde überwachte Beschleunigungssignale verarbeitet werden, die eine Phasendifferenz haben und ein Lissajous¹sches Muster bilden.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Freiraums durch Spektralanalyse der überwachten Beschleunigung erfolgt.

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4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche;, -g' esk-:©--n^n zre-: i. cüh net durch eine längliche Baueinheit (21), die in das ■·'"·■'·■" Rohr (Ί2)''einführbär¹- ist iiiiQ iünr'ictttun^ea ψΖΑ·^ iOä) zum " Versetzen de^!s-'tlohres ^;:(1*2) il.^ eine» Schwingbewegung-in der "5 Nähe der Röhrhäiterung (13-J und WinriAhfetegen ^18^? trägt, "um die" Be^c^hiWuhigung'^er^ScM/ingbe^egü^^^ sowie durch Einrichtungen (31a, 31b, 33) zum Verarbeiten der gemessenen Beschleunigung, um den freien Spielraum ■■*" zu bestimmen. ^ ^: ■ ^; "· ' -■■■'■· ^-'- ."." ;.v ; ι..-.-- '^χ.&· r.:~-:iz.z x-r-a -' ' ^α" "-'ί-^Ό·:--.:;-:-;:^-??^-,-;-:-: Λ.:. ->=-- .-.:.-- ■■...^■-zr.^y/zzil 0.- . ·"■ 5. Vorrichtung nach Ä«sprücii^: "4,- "■ <f e^ fc-e^-rii n. :z--e .a'.cti ^;: h e t^: 'dürdh einen- WirbelstroimaertaOr J23:Vv-^der:^von der

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