EP0554640B1

EP0554640B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der kavitationsbedingten Erosion in fluiddurchströmten Komponenten

Info

Publication number: EP0554640B1
Application number: EP92810090A
Authority: EP
Inventors: Johann Friedrich Gülich
Original assignee: Sulzer Pumpen AG
Current assignee: Sulzer Pumpen AG
Priority date: 1992-02-07
Filing date: 1992-02-07
Publication date: 1996-12-04
Anticipated expiration: 2012-02-07
Also published as: US5332356A; DE59207622D1; EP0554640A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der kavitationsbedingten Erosionsrate in fluiddurchströmten Komponenten gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei Pumpen und anderen fluiddurchströmten Komponenten tritt im geförderten Fluid unter gewissen Bedingungen eine Kavitation auf. So treten zum Beispiel an den Eintrittskanten der Laufradschaufeln einer Kreiselpumpe infolge örtlicher Übergeschwindigkeiten Zonen mit Unterdruck auf, die zur Dampfblasenbildung führen, wenn der örtliche Druck unter den Dampfdruck des geförderten Fluides fällt. Die Dampfblasen werden mit der Strömung in Zonen höheren Druckes gespült, wo sie implodieren. Dabei entsteht örtlich eine sehr hohe Druckspitze beziehungsweise eine sehr hohe Kavitationsintensität, die Materialanfressungen beziehungsweise Kavitationsschäden verursachen können.
Es ist bekannt, die hydrodynamische Kavitationsintensität beziehungsweise die kavitationsbedingte Erosionsrate in fluiddurchströmten Komponenten wie Pumpen, Turbinen, Regel- oder Absperrarmaturen durch die Messung des Flüssigkeitsschalles kontinuierlich abzuschätzen. Ein empirisch ermittelter Zusammenhang zwischen Flüssigkeitsschall und Erosionsrate erlaubt das potentielle Risiko von Kavitationsschäden quantitativ zu beurteilen.
Ein entsprechendes Verfahren mit Vorrichtung zur Bestimmung der Erosionsrate ist zum Beispiel aus "Guidelines for Prevention of Cavitation in Centrifugal Feedpumps, EPRI GS-6398, Project 1884-10, Final Report, Electric Power Research Institute, Palo Alto, California, 1989" Seite 2-24 sowie Seite B-9 bekannt.
Die Messung des Flüssigkeitsschalles bedingt, dass eine entsprechende Druckmessvorrichtung in die fluiddurchströmte Komponente eingebracht werden muss und mit dem Fluid direkten Kontakt hat. Das Anbringen einer entsprechenden Öffnung in der Aussenwand der fluiddurchströmten Komponente ist besonders bei bestehenden Anlagen, zum Beispiel im Nuklearbereich, aus sicherheitstechnischen Gründen äusserst problematisch. Aus diesem Grund ist das bekannte Verfahren zur Bestimmung der Erosionsrate zum Beispiel für kurzfristige Kontrollen an bestehenden Anlagen ungeeignet. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens liegt darin, dass die Druckmessvorrichtung strömungstechnisch präzis innerhalb der fluiddurchströmten Komponente befestigt werden muss, um Messfehler auf Grund von sich anlagernden Luftblasen zu vermeiden.
Aus der JP-A-20 10 000 ist eine weitere Vorrichtung bekannt, welche mit einem Vibrationssensor die Schwingung des Gehäuses einer fluiddurchströmten Komponente erfasst, wobei der Sensor auf der Aussenseite des Gehäuses angeordnet ist. Dabei wird das Vibrationssignal über eine lange Zeitdauer aufintegriert und bei jeder Unterhaltsarbeit an der Komponente die Tiefe der aufgetretenen Erosionsschäden gemessen. Daraus wird ein Zusammenhang zwischen aufintegrietem Vibrationssignal und der Tiefe von Erosionsschäden gebildet, sodass ungefähr abgeschätzt werden kann, wann die nächste Unterhaltsarbeit fällig ist. Diese bekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass sie nicht in der Lage ist eine momentan auftretene, kavitationsbedingte Erosionsrate zu bestimmen, sondern nur eine Tiefe von Erosionsschäden über eine sehr lange Zeitperiode zu berechnen erlaubt. Weitere Nachteile sind darin zu sehen, dass das Gehäuse immer wieder geöffnet werden muss um die Tiefe der Erosionsschäden zu messen, dass die gemessenen Werte nicht auf andere Gehäuseformen übertragbar sind, und dass beim Auftreten einer Vibration immer davon ausgegangen wird, dass eine Erosion erfolgt, welche in Wirklichkeit erst oberhalb einer bestimmten Intensität auftritt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die kavitationsbedingte Erosionsrate mit einem Messfühler zu bestimmen, welcher ausserhalb der fluiddurchströmten Komponente angeordnet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäss den Merkmalen von Anspruch 1. Dabei wird mit einer Körperschall-Messvorrichtung der Körperschall beziehungsweise die Vibration der Aussenwand der fluiddurchströmten Komponente erfasst und einer Signalaufbereitungseinheit weitergeleitet, aus dem aufbereiteten Signal mit Hilfe eines Rechner mit numerischen Methoden der Flüssigkeitsschall berechnet, daraus die Erosionsrate bestimmt und einer Ausgabeeinheit übermittelt.
Die kavitationsbedingte Erosion in fluiddurchströmten Komponenten wie zum Beispiel einer Pumpe lässt sich durch die Erfassung der Vibration des Pumpengehäuses herleiten. Der kavitationsbedingte Flüssigkeitsschall überträgt sich auf das Pumpengehäuse und wird mittels eines Sensores einer Körperschall-Messvorrichtung erfasst, in einer Signalaufbereitungseinheit verstärkt, gefiltert und digitalisiert und einem Rechner übermittelt. Weitere Messdatenerfassungsvorrichtungen wie die Auslassdruck-Messvorrichtung, die Saugdruck-Messvorrichtung, die Fluidtemperatur-Messvorrichtung oder die Drehzahl-Messvorrichtung ermöglichen dem Rechner zum Beispiel die Berechnung des Förderstromes oder des Zusammenhanges zwischen Förderstrom und Erosionsrate. Die ermittelten Werte sind über die Ausgabeeinheit anzeigbar, wobei zum Beispiel beim Überschreiten eines über die Eingabeeinheit vorgebbaren Grenzwertes die Ausgabeeinheit zum Beispiel eine Warnung aktiviert.
Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass die Bestimmung der Erosionsrate ohne Eingriff in die fluiddurchströmte Komponente und zudem auch temporär und kurzfristig, z.B. zu Testzwecken oder Kontrollzwecken, durchführbar ist.
Die implodierenden Dampfblasen verursachen Druckwellen, welche mit einer Druckmessvorrichtung als Flüssigkeitsschall messbar sind. Die Druckwellen versetzen dabei auch die Aussenwand der fluiddurchströmten Komponente, z.B. ein Pumpengehäuse, in Schwingung, was sich als Körperschall äussert und zum Beispiel mittels eines Beschleunigungsmessers, der an der Aussenseite des Pumpengehäuses befestigt ist, messbar ist. Sowohl der Flüssigkeitsschall als auch der Körperschall sind abhängig von der hydrodynamischen Kavitationsintensität, und sind daher potentielle Messgrössen zum Abschätzen der durch Kavitation verursachten Erosion.
Kavitationsschäden treten nur dann auf, wenn die vier folgenden Bedingungen erfüllt sind:

a) Dampfblasen entstehen in der fliessenden Flüssigkeit
b) die Dampfblasen gelangen in Zonen, in denen der lokale Druck den Dampfdruck übersteigt
c) die Dampfblasen implodieren nahe einer festen Oberfläche
d) die hydrodynamische Kavitationsintensität übersteigt den Kavitationswiderstand des Materials

Sobald implodierende Dampfblasen auftreten, können Druckwellen im Frequenzbereich von typischerweise über 10 kHz gemessen werden. Es ist daher eindeutig feststellbar ob die Bedingungen a) und b) erfüllt sind. Es ist bis heute jedoch keine Möglichkeit bekannt, mittels der Messung von Schallwellen festzustellen, ob Dampfblasen in der Nähe der Oberfläche implodieren und somit potentiell schädlich sind, oder ob die Dampfblasen innerhalb der Flüssigkeit implodieren, wo sie nicht schädlich sind. Die Unfähigkeit festzustellen, ob die Bedingung c) erfüllt ist, ist die gravierendste Einschränkung, wenn mittels der Messung von Schallwellen eine Kavitationsdiagnose durchgeführt wird.
Trotzdem ermöglicht ein Diagnosesystems einen Hinweis zu ermitteln, ob die hydrodynamische Kavitationsintensität den Kavitationswiderstand des Materials übersteigt, und dadurch mögliche Schäden zu quantifizieren.
Empirische Untersuchungen haben ergeben, dass eine Korrelation zwischen dem Metallverlust auf Grund kavitationsbedingter Erosion und dem Flüssigkeitsschall besteht.
Der bekannte Zusammenhang lautet: $E_{R} = f(CNL)$
wobei E_R der Erosionsrate (in mm/h) und CNL (Cavitation Noise Level) dem kavitationsbedingten Flüssigkeitsschallpegel entspricht.
Dagegen konnte zwischen der Gehäusevibration CV (Casing Vibrations) und der Erosionsrate E_R keine Korrelation festgestellt werden.
Die Gleichung $P_{ER} {= U}_{R} {· E}_{R}$
beschreibt den Zusammenhang der spezifischen Erosionsleistung P_ER als Produkt der maximalen lokalen Erosionsrate ER mit der werkstoffabhängigen Materialkonstante U_R. Empirische Untersuchungen ergaben eine Korrelation zwischen der spezifischen Erosionsleistung P_ER sowie der akustischen Flüssigkeitsschallintensität I_ac (Gleichung 3). $P_{ER} {= C}_{N} {· F}_{cor} {/F}_{Mat} {· (I}_{ac} {/I}_{R})^{x}$
mit den empirischen Konstanten C_N und x.

F_cor:: Korrosionsfaktor
F_Mat:: Faktor für metallurgische Struktur
I_ac :: akustische Intensität
I_R:: Referenzgrösse

Die gemessene Beschleunigung der Aussenwand einer fluiddurchströmten Komponente, wie z.B. eines Pumpengehäuses, ist ein Mass für die Druckschwankungen des Fluids innerhalb der Komponente. Mit akustischen Methoden wie z.B. der statistischen Energieanalyse oder durch Bestimmen der Transferfunktion ist eine Ermittlung des Flüssigkeitsschalles NL auf Grund der Gehäusevibration CV möglich (Gleichung 4). $NL = f(CV)$
Aus der Gehäusevibration CV lässt sich somit die akustische Intensität I_ac des Flüssigkeitsschalles bestimmen und daraus die entsprechende Erosionsleistung P_ER. Die Erosionsleistung P_ER und damit die Erosionsrate E_R lässt sich daher aus der Gehäusevibration CV berechnen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsund Anwendungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1: eine schematische Anordnung einer Vorrichtung zur Bestimmung der kavitationsbedingten Erosion in einer Pumpe;
Fig. 2: eine schematische Anordnung einer Vorrichtung zur Bestimmung der kavitationsbedingten Erosion sowie der Durchflussmenge;
Fig. 3: eine schematische Anordnung einer Vorrichtung zur Beeinflussung der kavitationsbedingten Erosion einer Pumpe.

Figur 1 zeigt eine Pumpe 1, die durch einen Motor 2 über eine drehende Welle 3 angetrieben ist. Die Pumpe fördert ein Fluid von der Saugleitung 5b zur Druckleitung 5a. Eine Körperschallmessvorrichtung 7 erfasst die Vibrationen der Aussenwand der Pumpe 1, wobei die Körperschallmessvorrichtung 7 fest mit der Aussenwand verbunden sein kann oder zum Beispiel die Vibrationen der Aussenwand berührungslos abtastet. Die Körperschallmessvorrichtung 7 kann auf der Aussenwand aufliegen oder z.B. durch eine Bohrung mehr oder weniger tief in die Aussenwand eingelassen sein. Die Signalaufbereitungseinheit 10 verarbeitet das Vibrationssignal CV, indem es zum Beispiel verstärkt, gefiltert und digitalisiert wird. Der Rechner 11, dem Werte durch die Eingabeeinheit 12 vorgebbar sind, und der die berechneten Werte auf der Ausgabeeinheit 13 ausgibt, berechnet aus dem aufbereiteten Vibrationssignal den Flüssigkeitsschall NL und unter Verwendung der empirischen Korrelation gemäss Gleichung 3 die Erosionsleistung P_ER sowie unter Verwendung von Gleichung 2 die Erosionsrate E_R. Die Ausgabeeinheit 13 kann weiter z.B. die kumulierte Erosion anzeigen, oder beim Überschreiten einer vorgebbaren Schwelle, zum Beispiel für die Erosionsrate E_R, ein Signal wie zum Beispiel ein Alarm auslösen.
Figur 2 weist gegenüber Figur 1 zusätzliche Messvorrichtungen auf, so eine Auslassdruck-Messvorrichtung 6, eine Saugdruck-Messvorrichtung 8, eine Fluidtemperatur-Messvorrichtung 9 sowie eine Drehzahlmessvorrichtung 4. Die gegenüber Figur 1 zusätzlichen Messvorrichtungen erlauben dem Rechner 11 die Berechnung des aktuellen Förderstromes der Pumpe, die Berechnung des Arbeitspunktes der Pumpe, sowie die Konversion des Förderdruckes auf einen Referenzdruck mit einer Referenzgeschwindigkeit der Welle 3. Die Auswertung der von der Signalaufbereitungsvorrichtung 10 bereitgestellten Daten erlauben dem Rechner 11 zum Beispiel die folgenden Grössen zu berechnen:

spezifische Haltedruckenergie (NPSH, net positiv suction head) der Pumpe 1
Förderstrom
Flüssigkeitsschall
aktuelle Erosionsrate
Lasthistogramm
Histogrammes mit Last und Erosionsrate
kumulierte Erosion

Figur 3 zeigt die gleichen Messvorrichtungen wie Fig. 2. Die Drehzahl des Motors 2 ist über eine Stelleinrichtung 14 steuerbar, welche ihrerseits durch die Ausgabeeinheit 13 des Rechners 11 gesteuert wird. Dieser geschlossene Regelkreis erlaubt zum Beispiel, den Förderstrom der Pumpe 1 abhängig von der Erosionsrate zu bestimmen.
Ein geschlossener Regelkreis dieser Art erlaubt es zum Beispiel den Arbeitspunkt der Pumpe durch Verstellen der Motorendrehzahl oder zum Beispiel durch Verstellen der Stellung eines Ventils so zu verändern, dass die Pumpe in einem Bereich mit geringerer Kavitationsgefährdung arbeitet.
Die beschriebenen Ausführungs- und Anwendungsbeispiele lassen sich natürlich auch dann realisieren, wenn der Flüssigkeitsschall NL direkt über eine Druckmessvorrichtung zur Verfügung steht.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der kavitationsbedingten Erosionsrate in fluiddurchströmten Komponenten wie zum Beispiel Pumpen (1) oder Armaturen,
indem mit einem Messensor (7b), der sich ausserhalb der fluiddurchströmten Komponente (1) befindet, die Vibration oder der Körperschall der Aussenwandung an mindestens einer Stelle gemessen wird,

indem ein Flüssigkeitsschall aus dem Messignal berechnet wird,

und indem die aktuelle Erosionsrate aus dem Flüssigkeitsschall berechnet wird, unter Verwendung einer empirisch bestimmte Relation zwischen dem Flüssigkeitsschall und der Erosionsrate.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der aus der Akustik bekannten Methode der statistischen Energieanalyse aus dem Vibrations- oder Körperschallsignal der Flüssigkeitsschall ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Transferfunktion aus dem Vibrationsoder Körperschallsiganal der Flüssigkeitsschall ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechung der Erosionsrate eine werkstoffabhängige Materialkonstante U_R, F_Mat berücksichtigt wird.
Vorrichtung zum Bestimmen der kavitationsbedingten Erosionsrate in fluiddurchströmten Komponenten mit einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung (7a) mit Messensor (7b) den Körperschall beziehungsweise die Vibration ausserhalb des Fluids erfasst und einer Signalaufbereitungseinheit (10) weiterleitet, und dass ein Rechner (11) mit numerischen Methoden aus dem aufbereiteten Signal eine den Flüssigkeitsschall repräsentierende Grösse berechnet, daraus die aktuelle Erosionsrate bestimmt und einer Ausgabeeinheit (13) übermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7b) der Messvorrichtung (7a) innerhalb oder an der Aussenwand an die fluiddurchströmte Komponente (1) angekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7b) der Messvorrichtung (7a) die Vibration oder den Körperschall der Aussenwand der fluiddurchströmten Komponente (1) berührungslos misst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Signale einer Auslassdruck-Messvorrichtung (6), einer Saugdruck-Messvorrichtung (8) sowie einer Fluidtemparatur-Messvorrichtung (9) von der Signalaufbereitungseinheit (10) erfasst, verstärkt und digitalisiert werden, derart, dass mit Hilfe des Rechners (11) der Förderstrom bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl-Messvorrichtung (4) die Drehzahl der Welle (3) über die Signalaufbereitungseinheit (10) an den Rechner (11) leitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Erosionsrate einen dem Rechner (11) vorgebbaren Schwellenwert übersteigt, die Ausgabeeinheit (13) darauf aufmerksam macht.