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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit dem Auffangen und Erfassen
von Wasserstoff. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die
Prüfung von
Eisen und Stahl (und u. U. anderen Werkstoffen) zur Bestimmung,
ob diese gasförmigen
Wasserstoff ausscheiden und dadurch Gefahr laufen können, Problemen
wie Wasserstoffbrüchigkeit
zu unterliegen und auf Vorrichtungen zum Einsatz bei solchen Prüfungen.
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Wasserstoff
wird oft unbeabsichtigt bei hohen Temperaturen in Stahl eingeführt, z.B.
in einer Schmelze oder beim Schweißen in feuchter Umgebung. Die
Löslichkeit
von Wasserstoff in Stahl nimmt mit steigender Temperatur zu, so
dass diese Verfahren in einer Übersättigung
an Wasserstoff resultieren können,
wenn das Metall abkühlt.
Zu einer Wasserstoffübersättigung
von Stahl kann es auch bei Korrosion, beim Verzinken oder bei anderen
Oberflächenbehandlungsverfahren
kommen oder auch, wenn die Stahloberfläche Wasserstoffsulfid ausgesetzt
wird (H2S; Schwefelwasserstoffgas, wie es
oft in Öllagerstätten und
damit in den Leitungen anzutreffen ist, in welchen das Öl und dessen
abgeleitete Produkte geführt
wird/werden). Außerdem
werden oft im industriellen Rahmen chemische Reaktionen in Stahlbehältern und
Rohrleitungen zur Ausführung
gebracht und wenn dabei Wasserstoff sowie hohe Temperaturen und
hohe Drücke
beteiligt sind, wie z.B. bei der Hydrierung von Alkenen, kann es
dadurch zu einer schädlichen
Wasserstoffabsorption durch den Stahl kommen.
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Bei
weichen Stählen
ist ein großer
Teil des Wasserstoffs frei, durch den Stahl zu diffundieren und an
der Stahloberfläche
wieder auszutreten. Die Messung dieses diffundierbaren Wasserstoffs
ist sehr wichtig, da Wasserstoff den Stahl brüchig macht, seine Zugfestigkeit
senkt und letztendlich zur Blasenbildung bzw. zum Bruch des Stahls
führt.
Diese schädlichen
Auswirkungen können
erst viele Tage nach dem Eindringen von Wasserstoff sichtbar werden. Die
Kenntnis von Wasserstoffgegenwart in solchen Werkstoffen ist daher
von hohem Wert, und die Messung eines an der Stahloberfläche austretenden Wasserstoffdurchsatzes
(Mengenstrom pro Flächeneinheit)
gibt Auskunft darüber,
so dass vor allem die Möglichkeit
einer Qualitätskontrolle
in verschiedenen Stadien der Stahlverarbeitung und -Anwendung geschaffen
wird. Ist der Wasserstoffdurchsatz hoch, können geeignete Maßnahmen
ergriffen werden, bevor dieser Wasserstoff zu irgendwelchen Problemen führt, z.B.
zu Rissen in einer Stahlrohrleitung oder einer brüchigen Schweißnaht.
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In
der britischen Patentanmeldung Nr. 2,312,279 (P1448) ist ein Wasserstoffdetektorsystem offenbart
und beansprucht. Das System ist als ein solches definiert, das zur
Erkennung von aus einer Feststoffoberfläche austretendem Wasserstoff
dient, und welches System folgendes aufweist:
Wände, welche
ein offenes Gehäuse
bilden, dessen Öffnung
im Einsatz durch die auf austretenden Wasserstoff abzutastende Oberfläche verschlossen
wird, welches Gehäuse
zum Auffangen von aus der abgetasteten Feststoffoberfläche austretendem
Wasserstoff in einem durch das Gehäuse geleiteten Trägergas dient,
wobei das Gehäuse
Eingangsmittel zum Empfang des Trägergases und Ausgangsmittel
zur Abgabe des resultierenden Gasgemisches aus Trägergas und
ausgetretenem Wasserstoff hat; und
einen mit den Gehäuseausgangsmitteln
verbundenen Wasserstoffdetektor zur Aufnahme des Gemisches aus Trägergas und
ausgetretenem Wasserstoff.
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Im
Betrieb wird das Gehäuse – nachstehend als "Kollektor" bezeichnet – gegen
die Oberfläche
gedrückt,
aus welcher Wasserstoffaustritt vermutet wird, und dann wird Trägergas in
das so gebildete abgeschlossene Volumen gesaugt und unter Mitnahme eventuell
vorhandenen Wasserstoffs in das eigentliche Wasserstoffdetektorgerät abgeführt.
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich ebenfalls mit einem Wasserstoffauffang- und -Detektorsystem,
das genauso ein Trägergas
verwendet, vorzugsweise Umgebungsluft, um so in einem geschlossenen
Gehäuse
aus einer Prüffläche austretenden Wasserstoff
zu sammeln und einem beliebig entfernten Wasserstoffgassensor zuzuführen. Insbesondere aber
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die physische Ausgestaltung
des Kollektors und auf die Art und Weise, wie dieser vorteilhaft
an der Prüfoberfläche befestigt
werden kann, selbst wenn diese Oberfläche eine nicht ebene Form aufweist.
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Das
System aus der vorgenannten Patentschrift ist zufrieden stellend
beim Einsatz in Verbindung mit flachen Oberflächen, an welchen die Befestigung
eines Kollektors vorgenommen werden kann. Es besteht jedoch ein
Bedarf für
eine bequeme Befestigung eines Kollektors und seine Ablösung von solchen
Oberflächen,
die nicht eben sind – d.h.
gekrümmte
Oberflächen
wie diejenigen eines Rohres – und
es ist selbstverständlich
wünschenswert,
dass der Kollektor sicher an solchen Oberflächen befestigbar sein soll,
die einen sehr weit gestreuten Krümmungsradius aufweisen. Dies
lässt sich
angesichts der folgenden Erläuterungen
leicht verstehen.
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Aufgrund
der Art und Weise, wie der Wasserstoff eingeleitet wird, kann er
(zum Beispiel) aus einer Stahloberfläche nur an bestimmten kritischen
Stellen oder "heißen Punkten" (sog. "hotspots") austreten. Außerdem kann
er zeitlich unregelmäßig und
in nicht vorhersehbaren Zeiträumen
austreten. In Gasleitungen z.B., in welchen flüchtige Ölbestandteile, Schwefelwasserstoffgas
und Wasser geführt
werden, kann der Eintritt von Wasserstoff auf 'Pfützen' von Wasser am Boden
des Rohrinnenraumes beschränkt
sein. Dieser Wasserstoff wird schließlich an der Außenseite
des Rohres austreten. Dies kann aber erst nach einem Zeitraum von
mehreren Tagen stattfinden (die Verzögerung kann dabei – z.B. in
Abhängigkeit
von der veränderlichen
Zusammensetzung des Gases im Innenraum – in einem Bereich von Tagen
bis zu Jahren variieren). In einem anderen Beispiel kann bei einfachem
oder mehrlagigem Schweißen
nur ab und zu eine Schweißung
einen merklichen Anteil diffundierfähigen Wasserstoffes wegen feuchtem Schweißzusatz
aufweisen. In einem weiteren Beispiel kann Wasserstoff in Stahlguss
durch nur vereinzelte Stahlschmelzen eingeführt worden sein, in welchen
gelöster
Wasserstoff enthalten war, der aus einem bestimmten Rohstoffbestandteil
entstammte. Es ist daher häufig
notwendig, an Stahloberflächen mehrere
Prüfungen
auf der Suche nach möglichen Wasserstoffströmen vorzunehmen
und dies über
einen gegebenen Zeitraum oder eine Reihe von Oberflächen. Diese
Stahloberflächen
können
verschiedene geometrische Gestalten haben, entweder aus nicht vorhersehbaren
Gründen,
wie es z.B. bei einer Stahlplatte der Fall ist, die mit einer Ebenheitstoleranz
von nicht mehr als ein paar Millimeter pro laufendem Längenmeter
ausgewalzt wurde oder aufgrund von vorhersehbaren Faktoren, wie
es z.B. bei Stahlrohren in einer Produktionsstätte der Fall ist, wo die Rohrdurchmesser
im allgemeinen von 10 bis 100 cm voneinander abweichen.
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Selbstverständlich muss
eine Wasserstoffstrommessung reproduzierbar sein, wenn sie aussagefähig und
auch nutzbar sein soll. So kann eine intermittierende Prüfung von
Stoffaustritt aus einer Rohroberfläche über mehrere Monate nur dann Einsicht
in die allmähliche
Zunahme oder Abnahme von Wasserstoffeintritt im Rohrinnenraum gewähren, wenn
diese Messungen vergleichbar sind – in anderen Worten, wenn sie
eine effektive Überwachung des
Wasserstoffstromes über
ausreichend lange Zeiträume
bieten. Auch ist es üblicherweise
wünschenswert
und oft möglich,
für einen
gegebenen Stahl und eine gegebene Wasserstoffeindringgeschwindigkeit
einen kritischen Durchsatz zu bestimmen, bei dem die Möglichkeit
von Versprödung
durch Wasserstoff besteht und bei dem bestimmte Vorkehrungen zur
Behebung getroffen werden sollten.
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Die
vorliegende Erfindung versucht zunächst, mit dem Problem der Formanpassung
fertig zu werden, indem der Kollektor flexibel genug gemacht wird,
sich an die Oberfläche "anzupassen", an die er angelegt
wird; in gewissem Umfange ungeachtet dessen, wie stark oder wie
wenig diese gekrümmt ist.
Das Problem wird dabei durch eine Auffangvorrichtung oder "Kollektor" und durch ein Verfahren
gelöst,
in dem dieser so eingesetzt wird, wie es in den anhängenden
Patentansprü chen
dargelegt ist. Insbesondere schlägt
die Erfindung vor, die Auffangvorrichtung, um sie an geringfügig gekrümmte Oberflächen anpassbar
zu machen, als eine flexible (und vorzugsweise elastisch verformbare)
Platte auszubilden, an deren Auffangseite erhabene Rippen oder Buckel
angeformt sind, die ungefähr
parallel zu einer in etwa ebenen Oberfläche präsentiert werden können oder
ungefähr
tangential zu einer gekrümmten Oberfläche; und
welche Führungskanäle bilden,
entlang welcher aus der unter der Platte liegenden Oberfläche austretender
Wasserstoff abgesaugt und dem Detektorsystem zugeführt werden
kann.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung bietet diese daher eine flexible Platte
für die
Verwendung als Auffangvorrichtung eines Wasserstoffauffang- und Erfassungssystems,
an deren auffangseitiger Fläche Führungskanäle ausgebildet
sind, entlang welcher im Betrieb aus der unter dieser Platte liegenden
Oberfläche
austretender Wasserstoff abgesaugt und dem zugehörigen Detektorsystem zugeführt werden
kann.
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Die
Erfindung liefert auch eine Auffangplatte, welche dazu verwendet
werden kann, das Gehäuse zu
bilden, das Gegenstand der vorgenannten Patentschrift ist, welche
daher Eingabemittel zum Empfangen eines Trägergases und Ausgabemittel
zur Abgabe des resultierenden Gemisches aus Trägergas und ausgetretenem Wasserstoff
aufweist und welche im Betrieb mit einem Wasserstoffdetektor zum
Empfang des Gemisches aus Trägergas
und ausgetretenem, von diesem aufgefangenem Wasserstoff und zur Messung
desselben verbunden ist.
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Die
Auffangplatte in dieser Erfindung ist eine flexible Platte. Der
Werkstoff der Platte kann jeder beliebige Werkstoff sein, der flexibel
genug ist – und
insbesondere elastisch (statt plastisch) biegeverformbar ist, so
dass er seine eigene Ausgangsform wieder einnimmt, ohne dass dazu
irgendwelche Eingriffe nötig
sind – um
der Platte zu erlauben, sich biegeelastisch der Form der Oberfläche anzugleichen,
an welcher die Platte eingesetzt wird, der aber dem eingefangenen
Wasserstoff nicht erlaubt, durch den Werkstoff zu diffundieren (und
so verloren zu gehen, bevor er gemessen werden kann). Der Plattenkörper (in Unterscheidung
von den die Kanäle
bildenden Erhebungen) ist vorzugsweise insbesondere aus Metall, ei nem
metallisierten Kunststoff oder einem Metall-Kunststoff-Laminat. "Nackte" Elastomere, von welchen
einige sehr stark elastisch verformbar sind, sind getestet worden,
haben sich aber im allgemeinen als zu durchlässig für Wasserstoff erwiesen, so dass
sie die nutzbare Wasserstoffauffangfläche deutlich reduzieren und
damit den Mindestschwellenwert für
die Durchsatzerkennung anheben. Selbst wenn ein Kunststoff gefunden
würde,
bei dem die Permeabilität
in dieser Hinsicht angemessen tief liegt, könnte es zu deutlicher Wasserstoffentgasung
in einem zweiten Test kommen, nachdem Wasserstoff im ersten Test
in den Kunststoff eingedrungen ist (was zum Beispiel unmittelbar
nach einem Test an einer Oberflächenzone
mit einem hohen Austrittsdurchsatz auftreten kann), so dass bei
einem darauf folgenden Test an einer anderen Stelle mit Null Austrittsdurchsatz
genug Wasserstoff aus dem Kunststoff in den Gasstrom abgezogen werden
kann, unrichtigerweise einen Wasserstoffaustritt an eben dieser
Stelle anzuzeigen. Daher ist der bevorzugte Werkstoff Metall; die
Abmessungen – insbesondere
die Stärke – der Platte
sind dabei derart, dass diese die gewünschte Biegsamkeit aufweist.
Edelstahl ist ein gutes Metall für
diesen Zweck, da er besonders fest und dennoch ausreichend flexibel
ist, so dass er für
diesen Einsatz besonders geeignet ist.
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Das
Gas wird in den Kanälen
gesammelt und entlang gespült,
die in der Auffangfläche
der Platte eingeformt sind und diese Fläche oder Seite weist Buckel
auf, die im Endeffekt Wände
darstellen, die die Kanäle
bilden. Eine wirksame Spülung
des Gases aus dem begrenzten Raum zwischen der Prüfoberfläche, der
Plattenfläche
und den Erhebungen heraus erfordert einen begrenzten Kontakt der
Platte mit der Prüfoberfläche, so
dass die Nutenwände/Erhebungen
unweigerlich unter deutlichem Anpressdruck stehen, wenn die Platte
gegen die Prüfoberfläche gedrückt wird.
Kunststoffe und Kunststofflaminate sind anfälliger für Beschädigungen durch den rauen Kontakt
mit der Prüfoberfläche als
Metall, im typischen Falle dann, wenn die Auffangvorrichtung versehentlich
vom Bediener über
die Oberfläche
geschleift wird. In bestimmten Anwendungsfällen allerdings ist eine zähe, biegsame
und elastisch verformbare Nutenwand aus einem verformbaren Kunststoff
vorzuziehen, weil sie eine gute Abdichtung zwischen der Platte/der
Stahlkontaktfläche
gewährleistet
und dadurch die Wiederholbarkeit der Messung verbessert.
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Besonders
vorgezogen wird jedoch, dass die Platte vollständig aus Edelstahlblech besteht,
in welches die Sammelnuten eingeformt sind. Vorzugsweise ist der
Stahl nicht gehärtet,
so dass er seine Schmiegsamkeitseigenschaften beibehält. Ein
sehr vorteilhafter Weg, die erforderlichen Nuten einzuformen, ist
chemisches Ätzen,
bei dem dann die Wandbereiche stehen bleiben; dies ergibt eine praktische und
kostengünstige
Platte mit ausreichender Festigkeit, viele Prüfungen selbst an rauen Oberflächen zu überstehen
(wie sie häufig
bei der Prüfung
von stählernen
Pipeline-Rohren zur Leitung von aus saurem Öl gewonnenem Gas anzutreffen
sind).
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Die
erfindungsgemäße Auffangplatte
kann natürlich
von beliebiger Größe sein,
die für
den vorgesehenen Zweck geeignet ist. Zur Befestigung an einer Oberfläche mit
einer Krümmung,
die derjenigen einer Zylinderfläche
von 30 cm (ca. 1 Fuß)
Durchmesser und darüber
entspricht – wie
bei einem Pipeline-Rohr – ist
eine Platte mit einem Durchmesser von 15 cm (ca. 6 Zoll) im Allgemeinen
befriedigend. Eine solche Platte enthält vorteilhaft Sammelkanäle, die
durch Wände
von 0,5 mm (0.02 Zoll) Breite und 0,2 mm (0.01 Zoll) Höhe gebildet
werden. Der Plattenkörper
ist vorzugsweise 0,2 mm (0.01 Zoll) stark (eine deutlich stärkere Platte
wäre zu
schwer in Anlage an die Prüfoberfläche zu biegen,
wohingegen eine deutlich dünnere
Platte aller Wahrscheinlichkeit nach nicht robust genug ist, den
rauen Bedingungen standzuhalten, die in der Regel beim Einsatz der
Auffangvorrichtung herrschen).
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Die
Geometrie der Führungskanalstruktur kann
eine beliebig geeignete Geometrie sein. Vorzugsweise jedoch liegt
der Punkt in der Platte, dem der aufgefangene Wasserstoff zugeführt wird,
um von dort weitergeleitet zu werden, im Zentrum der Platte, und
darum sind die Kanäle
am besten radial oder – was
hier bevorzugt wird – in
einer einzigen Spirale angeordnet, die im Zentrum der Platte ausläuft. Der
Spalt zwischen benachbarten Nuten beträgt vorzugsweise etwa 1 cm (0.4
Zoll).
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Die
eigentlichen Gasausgabemittel sind vorzugsweise eine Kapillarleitung,
die weg zu einem entfernt gelegenen Detektor und einer Pumpe führt. Für eine Platte
mit 15 cm (6 Zoll) Durchmesser ist der Anschluss zwischen Gasaustrittskapillarlei tung
und Platte vorzugsweise minimal, so dass die Biegsamkeit der Auffangplatte
nicht beeinträchtigt
wird.
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Im
Gebrauch wird die Platte gegen die Prüfoberfläche gehalten – natürlich muss
sie dabei fest und sicher gehalten werden, und zwar über einen ausreichend
langen Zeitraum, um genügend
Wasserstoff für
die Testzwecke zu sammeln. Um dies zu unterstützen, wird die Auffangplatte
vorzugsweise insbesondere zunächst
von einer Trägerplatte
getragen, wobei die Halterungen derart sind, dass sie das erforderliche
elastische Nachgeben der Auffangplatte erlauben, wenn die Kombination
in Betriebskontakt mit einer gekrümmten Prüffläche gebracht wird. Die Trägerplatte
ist daher vorzugsweise ein relativ starres Teil, an welchem die
Auffangplatte über
flexible/biegsame/schwenkbare/schwimmend gelagerte Befestigungsmittel
befestigt ist, die um den Umfang der beiden Platten herum verteilt
sind (so dass das Zentrum der Auffangplatte frei bleibt). Die Befestigungsmittel können Gummiblocks
oder Federn sein oder auch eine Kombination der beiden. Eine bevorzugte
Befestigung ist eine Kombination aus einem Trägerstab, der lose (in einer übergroßen Buchse)
an der Trägerplatte
angebracht ist, wobei der Trägerstab
an seinem freien Ende ein Ende einer Feder trägt, deren anderes Ende an der
Auffangplatte angebracht ist. Mehrere solcher Einheiten, die gleichmäßig um die Umfangsränder der
beiden Platten verteilt sind, bewirken, dass die Auffangplatte so
an der Trägerplatte gelagert
ist, dass sie sich ausreichend frei nach innen wie auch nach außen biegen
kann und sich auch vor und zurück
bewegen kann, wenn sie gegen eine gekrümmte Prüfoberfläche gehalten wird.
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Wie
oben bereits erwähnt,
muss die Auffangplatte im Betrieb über einen längeren Zeitraum fest und sicher
gegen die Prüfoberfläche gehalten
werden. Die Trägerplatte
kann natürlich
mit einem Griff oder einer anderen Vorrichtung versehen werden, mittels
welcher sie ergriffen und gehalten werden kann, um so die Benutzung
zu erleichtern, und es kann auch ein langer Griff wünschenswert
sein, damit die Auffangplatte auch gegen eine weiter entfernt liegende,
schwer erreichbare Oberfläche
gehalten werden kann oder gegen eine Oberfläche, die z.B. zu heiß ist, einen
Bediener in die Nähe
dieser Oberfläche
zu lassen. Da die Auffangplatte aber für eine Stunde oder ähnlich lange
Zeiträume
in Position gehalten werden muss, ist es besser, sie nicht von Hand zu
halten, sondern stattdessen auf irgendeine Weise in ihrer Position
fest einzuspannen. Und wenngleich es auch andere Wege gibt, das
gewünschte
Ziel zu erreichen, wird in der vorliegenden Erfindung das Festspannen
vorzugsweise magnetisch bewerkstelligt. In den allermeisten Fällen sind
die Oberflächen – die Stahloberflächen – aus welchen
Wasserstoff austritt, magnetisch (amagnetische Stähle sind
austenitisch und effektiv wasserstoffundurchlässig), daher sind in aller
Regel magnetische Befestigungsmittel für die Auffangplatte in vielen
Fällen
einsatztauglich, wo die Erfassung und Messung von Wasserstoffaustritt
von Interesse ist.
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Magnetisches
Aufspannen kann dadurch bewerkstelligt werden, dass mehrere Magnete
an der Rückseite
der Auffangplatte angebracht und um den Umfangsbereich herum verteilt
werden; durch den Einsatz angemessen starker Magnete ist das von
jedem derselben erzeugte Magnetfeld leicht in der Lage, durch die
Platte hindurch und (im Betrieb) bis in die darunter liegende Prüffläche zu reichen,
so dass die Platte unbegrenzt lange auf der Prüfoberfläche festgespannt wird.
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Die
Magnete sind vorteilhaft so in der Auffangvorrichtung bzw. dem "Kollektor" fixiert, dass sie an
der Trägerplatte
befestigt sind – vorzugsweise derart,
dass sie eine begrenzte Vertikal- und Kippbewegung durchführen können. Wie
oben erwähnt,
besteht die bevorzugte Befestigung für die Auffangplatte an der
Trägerplatte
aus einer Kombination aus einem lose an der Trägerplatte befestigten Trägerstab, der
an seinem freien Ende eine Feder trägt, an welcher die Auffangplatte
angebracht ist. Trägt
die Feder an ihrem freien Ende einen Magneten, dann bewirkt eine
Vielzahl solcher resultierender Kombinationen, die gleichförmig um
den Umfang der beiden Platten verteilt sind, dass die Auffangplatte
so an der Trägerplatte
gelagert ist, dass sie wunschgemäß frei elastisch
biegbar ist, wenn sie gegen eine gekrümmte Prüfungsfläche gehalten wird, aber dennoch
mit den Magneten an dieser Oberfläche festgespannt wird. Werden
die Magnete ausreichend stark von der Prüfoberfläche angezogen, dann biegen
sie die Auffangplatte in Richtung auf diese Oberfläche (und
mit zunehmender Biegung der Platte und damit abnehmendem Abstand
zwischen jedem Magneten und der Prüfoberfläche wächst die Anziehungskraft zwischen jedem
Magneten und der Oberfläche,
wo durch eine weitere Verformung der Platte unterstützt wird,
bis die Platte fest am Stahl fixiert ist). Die Montage mittels Feder/Buchse
ermöglicht
den Magneten die erforderliche Taumelfreiheit, um ihre größtmögliche Annäherung an
die Platte zu gewährleisten.
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In
der Praxis werden die meisten zu prüfenden Metalloberflächen mit
einer Farbschicht von einem oder zwei Millimetern Stärke überzogen
sein und um eine gewisse Gleichförmigkeit
der Magnetkräfte
zu erzielen, ist es daher vorzuziehen, sehr starke Magnete zu verwenden,
welche so positioniert sind, dass sie nicht in "direkten" Kontakt mit der Oberfläche kommen
(bei einem starken Magneten in einem bestimmten Abstand von der
Oberfläche ändern sich
die Anziehungskräfte
weniger mit diesem Abstand als bei einem schwächeren Magneten in einem geringeren
Abstand, in dem die gleichen Anziehungskräfte erzielt werden). Vorzugsweise
ist daher jeder Magnet einzeln in einer kleinen Halterung montiert,
so dass sein aktives Ende etwas zurückversetzt ist und nie effektiv
in Berührung
mit der Rückseite
der Auffangplatte kommen kann (die Halterung selbst liegt an der
Rückseite
der Platte an und sollte deshalb vorzugsweise aus einem leicht gleitenden
Material sein, z. B. aus PTFE [Polytetrafluorethylen], so dass sie
leichter seitlich über
die rückseitige
Fläche der
Platte gleiten kann, was ja bei der Biegung der Platte notwendig
ist). Auf diese Weise können
starke Magnete eingesetzt werden, um eine ausreichende Biegeverformung
der Platte auch um stark gekrümmte
Oberflächen
zu ermöglichen,
aber die Platte selbst und ihre Magnete können jederzeit relativ leicht
vom Stahl befreit werden, nachdem die Prüfung abgeschlossen ist.
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Eigentlich
ist es nur erforderlich, dass zwei Magnete am Umfang und an den äußersten
Enden einer Auffangplatte liegen, um eine Formanpassung der Platte
an eine Stahloberfläche
zu gewährleisten. Bei
der Anbringung an einem Stahlteil mit Zylindersymmetrie wie z.B.
einem Rohr jedoch werden zwei Magnete ganz klar nicht ausreichen,
einen vollständigen
Platten-Oberflächen-Kontakt
herzustellen, wenn die Auffangplatte so ausgerichtet ist, dass die
Magnete in der Ebene des Zylinderquerschnittes liegen. Da es aber
in der Regel vorzuziehen ist, vollen Platten-Oberflächen-Kontakt
herzustellen, ganz unabhängig
davon, wie die Auffang platte ausgerichtet ist (weil der Bediener
vielleicht nicht die Bedeutung einer solchen genauen Ausrichtung
richtig einschätzt, z.B.
weil er oben auf einer Leiter steht oder beim Anbringen der Auffangvorrichtung
am Basisstück
einer Rohrleitung in unmittelbarer Bodennähe, so dass die Anbringung
teilweise nicht einsehbar ist), ist es besser, mehr Magnete zu haben.
Um die Herstellung einer vollkommen ausreichenden Prüfoberflächenbefestigung
unabhängig
von der Ausrichtung der Platte zu ermöglichen, ist eine Mindestanzahl
von sechs Magneten wünschenswert,
wobei die Magnete in einem Ring um den Umfang der Auffangplatte
in gleichförmigem
Abstand voneinander angebracht sind (d.h. allgemein an den Eckpunkten
eines Sechsecks). Die Magnete können
vorzugsweise scheibenförmig
sein, wobei sowohl ihre Zylinder-Symmetrieachse als auch ihre Nord-Südpol-Achse senkrecht zur Plattenoberfläche ausgerichtet
ist. Ebenso ist es vorzuziehen, dass die Nord-Süd-Pole aller Magnete parallel
liegen; dadurch wird eine gegenseitige Abstoßung der Magnete erreicht,
was deren symmetrische und gleichförmige Verformung fördert (dies
ist z.B. einer gegensinnigen Ausrichtung der Pole zweier beliebiger
benachbarter Magnete vorzuziehen, die zur Folge hätte, dass
die Magnete eine unvorhersehbare Verformung und eine Tendenz zur
gegenseitigen Anziehung zeigen würden).
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Eine
flache Auffangplatte von z.B. 15 cm (6 Zoll) Durchmesser, die sich
einer Röhre
mit 30 cm (12 Zoll) Durchmesser anpassen soll, erfordert eine Bewegungsstrecke
von ca. 6 mm (0.25 Zoll) am Außenumfang.
Bei einer typischen Stärke
von 0,5 mm (0.02 Zoll) der Platte (einschließlich der Kanalwände) und
einer Nennstärke
von 2,5 mm (0.1 Zoll) der Farbschicht auf der Rohrleitung würde sich
ergeben, dass ein Magnet die Plattenverformung aus einem Maximalabstand
von etwa 9 mm (0.35 Zoll) ermöglicht. Dies
lässt sich
mit hochleistungsfähigen
Magneten mit kleinen Abmessungen leicht erzielen, z.B. mit einer
Stärke
von 7 mm (0.27 Zoll) und 14 mm (0.55 Zoll) Durchmesser aus nickelbeschichtetem
Neodym-Bor, deren Pole wie oben beschrieben koaxial mit ihrer Symmetrieachse
verlaufen.
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Wie
oben erwähnt,
ist jeder Magnet vorzugsweise in einer kleinen Halterung befestigt – einem Rahmen
oder einer Tasse – und
wird dort mittels Verklebung, mit einem Federring oder durch Presspassung
gehalten und in der Tasse leicht zu rückversetzt (hinter einer Lippe)
angeordnet, so dass die Fixierung der Platte auch auf einer unbeschichteten
Stahloberfläche
nicht so stark ist, dass das Ablösen
schwierig wird. Im Falle von Scheibenmagneten wie oben erwähnt ist
ein Rückversatz
von 1 mm (0.04 Zoll) in der Tasse ausreichend, eine ausgezeichnete
Fixierung der oben beschriebenen Platte an 30 cm-Durchmesser-Stahlrohren
zu gewährleisten.
Die Lippe bzw. der Rand der Tasse, die/der an der Platte anliegt,
ist vorzugsweise abgerundet (und wie oben erwähnt aus einem Werkstoff hergestellt,
der leichtgängig
auf der Platte verschiebbar ist), so dass Winkelbewegungen der Tasse,
die bei der Fixierung der Platte an einer gekrümmten Prüfoberfläche zwangsläufig auftreten, erleichtert
werden. Zusätzlich
dazu ist es wünschenswert,
dass der Werkstoff für
die Tasse nicht magnetisch, fest und leicht bearbeitbar ist; PTFE
ist für
diesen Zweck gut geeignet.
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Die
Erfindung erlaubt magnetische Bewegungen, damit sich die Platte
in ihrer Form an jede beliebige vertretbare Prüffläche anpassen kann, egal, wie
groß deren
Krümmung
ist. Die Mittel, die diese Bewegungsfreiheit erlauben, können wie
oben angedeutet, jeder beliebigen Art sein – eine Kombination aus flexiblen
Armen, Kugelgelenkverbindungen, Federn, Hebel oder Schlitzführungen.
Wenn z.B. ein Magnethalter wie im Falle der oben beschriebenen Tassen
verwendet wird, ist die Außenseite
der Tasse vorzugsweise mit einem Gewinde versehen, so dass sie eine
Feder aufnehmen kann (um eine Kippbewegung zu ermöglichen),
indem einfach die Feder auf die Tasse "geschraubt" wird. Am anderen Ende der Feder kann
ein ähnlich
bearbeitetes Endstück
zur Aufnahme der Feder an einem Arm befestigt sein – dem Stab – welcher
durch einen ausgebüchsten
Schlitz in der Rückwand
der Auffangplatte greift, so dass diese vertikal frei beweglich
ist. Ein nicht dehnbares Seil zwischen den beiden Halterteilen verhindert
dabei ein Überdehnen
der Feder beim Ablösen
von der Stahloberfläche.
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Schließlich kann
die Auffangplatte noch mit einem umlaufenden Rand knapp außerhalb
ihres Umfangsrandes versehen sein, um im Betrieb das Eindringen
von Wasser zwischen der Platte und dem Stahl zu verhindern, bzw.
einen begrenzten Schutz des Plattenrandes zu gewähren.
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Im
Betrieb fängt
die erfindungsgemäße Auffangplatte
den gasförmigen
Wasserstoff auf, der aus der Prüfoberfläche austritt.
Der Wasserstoffdurchsatz aus der Oberfläche (J: die Flussmenge pro
Flächeneinheit)
wird in Bezug zur gemessenen Konzentration (C) an im Trägergas mitgerissenem
Wasserstoff gesetzt, sowie mit dem Trägergasdurchsatz (F) und der
effektiven Fläche
(Aeff), über
welche die Wasserstoffmessung erfolgt, und zwar in folgender Gleichung: J = ( F × C )/Aeff (i)
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Es
ist nun empfehlenswert, die optimalen Bedingungen für eine aussagefähige Messung
zu untersuchen.
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Ein
signifikanter Durchsatz von austretendem Wasserstoff, J, ist in
der Regel sehr klein. Besonders im Zusammenhang mit Rohrkorrosion
durch "saures" Gas sind die Rohrwände in der
Regel ca. 1 cm (0.4 Zoll) stark, und es ist davon auszugehen, dass
ein signifikanter Durchsatz in der Größenordnung von wenigen tausend
Millionstel Kubikzentimeter Wasserstoff pro Quadratzentimeter der
Oberfläche
je Sekunde liegt (pl/cm2/s). Angesichts
der Gleichung (i) ist es daher vorzuziehen, die in dem Gasstrom
eingefangene Wasserstoffkonzentration C schon so niedrig wie möglich zu
messen. Diese Empfindlichkeitsgrenze ist – durch die Konzentration von Wasserstoff
in der Luft (0,5 ppm auf Meereshöhe) und
die gegenwärtigen
technischen Grenzen – auf etwa
0,1 ppm beschränkt.
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Des
Weiteren ist es vorzuziehen, den Trägergasdurchsatz F weitestgehend
zu minimieren: im wesentlichen gilt, je niedriger der Trägergasstrom über die
Prüfoberfläche ist,
desto größer ist
die Wasserstoffanreicherung, wenn ein gegebener Wasserstoffstrom
im Trägergas
mitgeführt
wird. Wenn der Gasstrom aber zu niedrig liegt, besteht die Gefahr, dass
der Wasserstoff im Trägergasstrom
zurück
diffundiert – d.h.
dass er sich entgegen der herrschenden Gasströmung bewegt, so dass die effektive
Fläche
Aeff für
diese besondere Auffangvorrichtung reduziert wird. Ein sehr niedriger
Strom verzögert
auch deutlich die Fortbewegung des Wasserstoffs bis zum Detektor,
besonders, wenn die Strecke zwischen Auffangvorrichtung und Detektor
einen Meter übersteigt
(was erwünscht
sein kann, wenn Stahlflächen getestet
werden sollen, deren unmittelbare Umgebungslufttemperatur diejenige übersteigt,
die von einem gegebenen Detektor vertragen werden kann). Ein typischer
angemessener Durchsatz für
eine Auffangvorrichtung mit 15 cm (6 Zoll) Durchmesser beträgt 0,5 cm3/s.
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Schließlich ist
es noch wünschenswert,
die Fläche
Aeff zu maximieren. Bei einem Durchsatz
von 0,5 cm3/s werden etwa 70% des aus einer
glatten, ebenen, in einem Kreis mit 15 cm (6 Zoll) Durchmesser eingeschriebenen
Stahloberfläche
austretenden Wasserstoffes von einer Auffangvorrichtung mit ähnlichen
Abmessungen eingefangen, so dass Aeff in
diesem Falle etwa 100 cm2 beträgt. Beim
Ansaugen von Umgebungsluft in einen Detektor mit einem Auflösungsvermögen von
0,2 ppm Wasserstoff ist daher der noch auflösbare Mindestdurchsatz gemäß Gleichung
(i) folgender: 0,5 × 0,2 × 10–6/100
pl/cm2/s = 1 pl/cm2/s
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In
der oben stehenden Beschreibung hat die Auffangvorrichtung Abmessungen,
die für
den Handbetrieb geeignet sind, in vielen Fällen kann die Geometrie der
Prüfoberfläche aber
die maximale Größe der Auffangvorrichtung
begrenzen. Andererseits sind bei einer bestimmten Anwendung, nämlich derjenigen
der Prüfung
der Einleitung von Wasserstoff unter hohem Druck in Reformergefäße in der
petrochemischen Produktion, wegen der hohen Drücke die Stahlwände sehr
dick – im
allgemeinen 5 cm (2 Zoll) im Vergleich zu 1 cm (0,4 Zoll) bei Pipeline-Rohren – so dass
ein Wasserstoffaustritt von weniger als 1 pl/cm2/s
schon signifikant sein kann und eine größere Auffangvorrichtung (von
z.B. 30 cm (12 Zoll) Durchmesser) erfordern kann.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen,
jedoch nur zum Zweck der Erläuterung,
näher beschrieben
werden; dabei zeigt:
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1:
eine allgemeine Ansicht der Prüfung einer
Oberfläche
(auf austretenden Wasserstoff) im Einklang mit der vorliegenden
Erfindung;
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2A–C: verschiedene
Ansichten – in
perspektivischer Draufsicht, seitlichem Aufriss und ebener Draufsicht – einer
Auffangvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3:
eine Seitenansicht im Aufriss der Vorrichtung der 2B beim
Einsatz an einem Pipeline-Rohr; und
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4:
in einer Seitenansicht (wie 2B) einen
Teil einer anderen Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1 zeigt
einen Schnitt durch ein Pipeline-Rohr (11), an welchem
magnetisch eine Auffangvorrichtung (12) gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgespannt worden ist. Atmosphärenluft wird an den Umfangsrändern der
Auffangplatte unter und in diese Auffangplatte gesaugt und strömt dann
durch diese hindurch bzw. an ihr entlang, bis sie über ein
Röhrchen
(13) mit engem Durchmesser wieder austritt und dabei jeglichen
ausgetretenen Wasserstoff mit sich führt. Das Luft-Wasserstoff-Gemisch
wird nun von einer Pumpe (14) weiterbefördert und dann an einen Wasserstoffdetektor
(15) abgegeben und schließlich wieder in die Atmosphäre abgeführt. Der Ausgang
des Detektors wird einer geeigneten Mess- und Aufzeichnungsvorrichtung
(16) zugeführt
und die gesammelten Daten werden für den anschließenden Gebrauch
fertiggemacht.
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Eine
Ausführungsform
der Auffangvorrichtung der Erfindung ist in den 2A,
B und C dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einer Auffangplatte (21),
welche an einer Trägerplatte
(22) angebracht ist, die selbst einen Tragegriff (23)
trägt.
Für die
Auffangplatte (21) sind (an der Trägerplatte 22) sechs Einzelhalterungen
(wie bei 24) vorgesehen; jede davon besteht im Wesentlichen
aus einer Feder (25) mit einer Halterung (26, 27)
an jedem Ende (welche mit einem Gewinde versehen ist, so dass die
Feder auf sie "aufgeschraubt" werden kann). Die
(darstellungsgemäß) obere
Halterung (26) wird ihrerseits von einem Stab (28)
getragen, der lose durch eine ausgebüchste Öffnung (29) in der
Trägerplatte
(22) ragt; die (darstellungsgemäß) untere Halterung (27)
trägt darin
zurückversetzt
einen starken Magneten (in den 2 nicht
dargestellt: siehe hierzu 4). Die Kombination
aus Stab (28) und Feder (25) ermöglicht der
unteren Halterung (27) und damit dem in ihr gelagerten
Magneten, sich in gewissen Grenzen auf und ab sowie von Seite zu
Seite zu bewegen, wie es erforderlich ist, wenn die Vorrichtung
benutzt wird und sich die Auffangplatte (21) in Anlage
an eine Prüfoberfläche biegt.
Eine inelastische Abspannlitze bzw. ein Seil (200) verhindert,
dass die Auffangplatte zu weit von der Trägerplatte (22) weggezogen
wird, so dass die Federn 25 nicht überdehnt werden.
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Wie
sehr schematisch in der Draufsicht in 2C dargestellt
ist (in der der Handgriff nicht dargestellt ist), ist die (darstellungsgemäß) untere
Seite der Auffangplatte (21) mit einer Spiralnut versehen, so
dass Kanäle
wie bei (201) gebildet werden – drei Kanäle sind hier dargestellt und
zur Verdeutlichung schraffiert –,
die durch niedrige Wände
begrenzt sind und entlang welcher Luft und ausgetretener Wasserstoff
von den Randbereichen aus zum Zentrum hin abgesaugt werden kann
und dann durch eine am Röhrchen
(13) angeschlossene Öffnung
(202) hindurch und aus der Auffangplatte (21)
abgeleitet und dem Detektor (15) zugeführt werden kann.
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3 zeigt
die erfindungsgemäße Auffangvorrichtung
bei der Verwendung – wie
im Falle der 1 – an einem Pipeline-Rohr (11;
hier nur teilweise dargestellt). Es ist deutlich erkennbar, wie
die Festspannmagnete (siehe 4) die Biegung
der Auffangplatte (21) in Anlage an die Rohrleitung (11) bewirken,
wobei die Kombination aus Trägerstab
und Feder (28/25) den Magneten erlaubt, sich in
ihren Halterungen (27) auf und ab und von einer Seite auf die
andere zu bewegen, so dass eine bessere Formanpassung gewährleistet
wird.
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Eine
etwas abgeänderte
Version der Auffangvorrichtung der Erfindung ist in 4 dargestellt. Diese
Version hat eine andere Art von Tragegriff (423); deutlich
erkennbar ist der zurückversetzte
Magnet (401) in der unteren Halterung (27), der
Stab (28) in seiner Öffnung
in der Trägerplatte
(22), die auf die mit Gewinde versehenen unteren und oberen Halterungen
(26, 27) "aufgeschraubte" Feder (25) und
die Abspannlitze (200) zwischen diesen beiden Halterungen.