| JP02069774 | COPYING WORK MANAGING SYSTEM |
| JP60263162 | COPYING SYSTEM |
| JP01088892 | INSPECTION PERIOD SETTING DEVICE |
DEESKOW, Peter (Plalonenallee 23, Mülheim, 45478, DE)
GOCHT, Dietmar (Zur Kreienhütt 7, Duisburg, 47259, DE)
DEESKOW, Peter (Plalonenallee 23, Mülheim, 45478, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Ermittlung des Kriechverhaltens eines mechanisch belasteten Bauteils unter Betriebsbedingungen, gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassung einer das Kriechen des Bauteils repräsentierenden Größe (Praxiswert) zu mindestens einem Zeitpunkt, Ermittlung einer Referenzgröße (theoretischer Erwartungswert) der das Kriechen repräsentierenden Größe zum jeweiligen Zeitpunkt mittels eines das Kriechen des Bauteils wiedergebenden mathematischen Modells, - Modifikation des mathematischen Modells in Abhängigkeit einer Abweichung der Größe von der Referenzgröße und zukünftige Bestimmung eines zu erwartenden Wertes (zukünftiger theoretischer Erwartungswert) der Größe zu einem vorgebbaren Zeitpunkt mittels des modifizierten mathematischen Modells. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte : - zu zumindest einem Zeitpunkt erfolgende Ermittlung eines theoretischen Erwartungswertes einer das Kriechen repräsentierenden Größe mittels eines diese Größe wiedergebenden mathematischen Modells oder Algorithmus als die Referenzgröße; - Erfassung eines Praxiswertes der das Kriechen repräsentierenden Größe zu dem jeweiligen zumindest einen Zeitpunkt, insbesondere mittels des mathematischen Modells oder Algorithmus, auf Basis konkreter Parametermesswerte als Vergleichsgröße; - bei einer Abweichung zwischen der Referenzgröße und der Vergleichsgröße Durchführung einer die Adaption der Referenzgröße an die Vergleichsgröße bewirkenden Modifikation des mathematischen Modells oder Algorithmus und - Bestimmung zukünftiger theoretischer Erwartungswerte der das Kriechen repräsentierenden Größe als zukünftige Referenzgröße (n) mittels des modifizierten mathematischen Modells oder Algorithmus. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des modifizierten mathematischen Modells oder Algorithmus eine Extrapolation zukünftiger theoretischer Erwartungswerte vorgenommen wird. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der das Kriechen repräsentierenden Größe mittels eines das Kriechen des Bauteils in Abhängigkeit von dessen Werkstoffeigenschaften wiedergebenden mathematischen Modells erfolgt. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzgröße und/oder die Vergleichsgröße und/oder die zukünftige Referenzgröße jeweils in Abhängigkeit von mindestens einer die mechanische Belastung des Bauteils bestimmenden Kenngröße und/oder der Temperatur und/oder des einwirkenden Drucks ermittelt wird/werden . 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell auf einem Kriechgesetz gemäß Norton und/oder Norton-Bailey und/oder Garafalo und/oder Graham-Walles beruht. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur, vorzugsweise online durchgeführten, Bestimmung des aktuellen Zustandes sowie zur Prognose der verbleibenden Nutzungsdauer eines Bauteiles eines Kraftwerks, insbesondere eines oder mehrerer Bauteile eines Dampferzeugers, vorzugsweise während des Betriebs des Dampferzeugers oder Kraftwerks, verwendet wird. 8. Vorrichtung (14) zur Ermittlung des Kriechverhaltens eines mechanisch belasteten Bauteils (12) unter Betriebsbedingungen, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Erfassungseinrichtung (16) zur Erfassung eines Praxiswertes (praktischer Erwartungswert) einer das Kriechen des Bauteils (12) repräsentierenden Größe zu mindestens einem Zeitpunkt und eine signaltechnisch mit der Erfassungseinrichtung (16) verbundene Recheneinrichtung (18) mit einer Speichervorrichtung (20) , in der ein das Kriechen des Bauteils (12) wiedergebendes mathematisches Modell modifizierbar hinterlegt ist, wobei die Recheneinrichtung (18) dafür eingerichtet ist, eine Referenzgröße (theoretischer Erwartungswert) der das Kriechen repräsentierenden Größe mittels des mathematischen Modells zu ermitteln, das Modell in Abhängigkeit einer Abweichung des Praxiswertes der das Kriechen repräsentierenden Größe von der zugeordneten Referenzgröße zu modifizieren und zukünftig einen zu erwartenden Wert (zukünftiger theoretischer Erwartungswert) der das Kriechen repräsentierenden Größe zu einem vorgebbaren Zeitpunkt mittels des modifizierten mathematischen Modells, zu bestimmen. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Ausgabemittel (22) umfasst, das den theoretischen Erwartungswert und/oder den Praxiswert oder praktischen Erwartungswert und/oder den zukünftigen theoretischen Erwartungswert visualisierend anzeigt. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriechen ein Kriechen des mindestens einen Werkstoffs des Bauteils (12) ist. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell auf einem Kriechgesetz gemäß Norton und/oder Norton-Bailey und/oder Garafalo und/oder Graham-Walles beruht. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie den Zustand eines Bauteils eines Dampferzeugers einer Kraftwerksanlage erfasst und/oder anzeigt . |
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Kriechverhaltens eines mechanisch belasteten Bauteils unter Betriebsbedingungen.
Unter Kriechverhalten wird der Verlauf des Kriechens, d.h. der zeitabhängigen plastischen Verformung, eines Bauteils oder Werkstücks verstanden. Bei höheren
Anwendungstemperaturen und Drücken sind zeitabhängige plastische Verformungen von Bauteilen bei allen Spannungen möglich, d.h. der Verformungsbeitrag stellt sich zeit- und spannungsabhängig ein. Diese zeitabhängige plastische Verformung wird als Kriechen oder Kriechdehnung bezeichnet. Im Gegensatz hierzu gibt es auch die nachfolgend nicht betrachtete plastische Verformung bei tiefen
Anwendungstemperaturen, bei welcher sich nur oberhalb einer Mindestspannung spontan und zeitunabhängig ein
Verformungsbeitrag einstellt.
Infolge der Wirkung von mechanischen Belastungen wie Innendruck, äußere Kräfte und Momente, sowie hohen Materialtemperaturen und großen Temperaturgradienten kann ein Bauteil eine Schädigung erfahren, welche zum Versagen führt. Die Kenntnis dieser Schädigung oder des sich aktuell ergebenden Verformungszustandes ist zum Beispiel bei Bauteilen von Kraftwerksanlagen von hoher Bedeutung für einen reibungslosen Betrieb des gesamten Kraftwerks. Beim Einsatz der Bauteile im Hochtemperaturbereich {T ^ 500 °C) ergeben sich im Betrieb sicherheitsrelevante geometrische Veränderungen dieses Bauteils. Diese können, wenn die zeitabhängigen Festigkeitskennwerte des Bauteile-Werkstoffs bekannt sind, zeitlich zumindest grob vorhergesagt werden.
Für einen reibungslosen Betrieb sind im Sinne einer zustandsorientierten Instandhaltung Kenntnisse über den Schädigungsgrad der Komponenten im Kraftwerk von höchster Bedeutung. Die Beanspruchung im Hochtemperaturbereich führt bei Rohren und Formstücken zu einer sicherheitsrelevanten zeitabhängigen plastischen Verformung, dem Kriechen, welches zum Bauteilausfall führen kann. Spätestens bei Erreichen einer bleibenden Dehnung (Verhältnis der veränderten Ist- Geometrie zur Ursprungs-Geometrie} von maximal 2 % ist das Bauteil auszutauschen. Dies gilt auch für Bauteile mit Anwendungstemperaturen oberhalb von 560 °C, bei denen für den verwendeten Werkstoff die Festigkeitskennwerte für lange Betriebszeiten teilweise nur in extrapolierter Form vorliegen. Das trifft beispielsweise auch für den im modernen Kraftwerksbau mit Dampfparametern bis 625 °C / 300 bar eingesetzten warmfesten Stahl P92 (XlOCrWMoVNb9-2 ) zu. Für diese Stähle werden meist schon aufgrund fehlender Langzeiterfahrung bei der behördlichen Genehmigung der Dampfkesselanlage die Bauteile definiert, bei denen in gesetzlich vorgeschriebenen wiederkehrenden Abständen die das Kriechen beschreibenden Dehnungen zu vermessen sind.
Bei einem Bauteil, das als Rohr oder als Formstück ausgebildet ist, sind die gemessenen Veränderungen zum Beispiel Aufweitungen des Durchmessers des Bauteils oder der Bauteilgeometrie. Bei Erreichen einer bleibenden Dehnung (Verhältnis der veränderten Ist-Geometrie zur Ursprungs- Geometrie) von maximal 2% ist das Bauteil dann spätestens auszutauschen. Dies gilt auch für Bauteile aus Werkstoffen mit Anwendungstemperaturen oberhalb von 560 °C, bei denen teilweise noch keine Langzeiterfahrungen der zeitabhängigen Festigkeitskennwerte vorliegen. Hierzu werden meist schon im Planungsstadium Bauteile einer Anlage, wie zum Beispiel einer Dampfkesselanlage eines Kraftwerks auf Basis theoretischer oder hypothetischer Werte oder Parameterwerte, festgelegt, bei denen in gesetzlich vorgeschriebenen wiederkehrenden Zeitabständen die Dehnungen (Kriechdehnungen, Kriechen) zu vermessen sind.
Um den Zeitpunkt des Bauteilversagens zu prognostizieren, werden bei Einsatz beispielsweise der zuvor genannten Stähle die Kriechdehnmessungen mit dem berechneten Verlauf der Dehnungen verglichen. Auf diese Weise kann der Einfluss der sich beim Betrieb ständig ändernden Belastung auf das Bauteil (Druck, Temperatur, etc.) berücksichtigt werden. Hierfür wird das Werkstoffgesetz (z.B. modifizierter Ansatz nach Graham- Wales) benutzt. Dieses Werkstoffgesetz beschreibt die zeitliche Änderung der Dehnung (Verformungsgeschwindigkeit) unter Berücksichtigung der Belastungen. Auch bei Stählen ohne Langzeiterfahrung liegt dieses Werkstoffgesetz in differentieller Form, abgeleitet aus im Labor untersuchter Werkstoffproben, vor.
Der technisch nutzbare Zeitbereich eines Werkstoffes unter Belastung ist durch eine zeitlich konstant bleibende Verformungsgeschwindigkeit {Kriechverlauf: Sekundärbereich oder Bereich II) gekennzeichnet. Diese konstante Verformungsgeschwindigkeit ist messtechnisch schwer zu ermitteln, da in bestimmten Zeitabschnitten eine sehr genaue Messung des Umfanges erfolgen muss und ein geringer Fehler (<0,05 mm) in der Umfangsmessung einen großen Fehler bei der nachzuweisenden Konstanz der Verformungsgeschwindigkeit verursacht .
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Zusätzlich wird die Interpretation des sekundären Kriechbereiches durch Lastschwankungen des Kraftwerkes mit Auswirkung auf die Belastungsparameter des Bauteils und somit auf den Kriechvorgang erheblich erschwert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Beschreibung und Ermittlung des Kriechverhaltens eines mechanisch belasteten Bauteils unter Betriebsbedingungen bereitzustellen, das/die eine rasche und zuverlässige Beurteilung des Bauteil-Zustands ermöglicht.
Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 und bei einer Vorrichtung der eingangs näher bezeichneten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Die Schwierigkeiten bei der messtechnischen Ermittlung der Verformungsgeschwindigkeit werden vermieden, indem das Werkstoffgesetz durch entsprechende mathematische Operationen aufbereitet in einem mathematischen Modell oder Algorithmus beschrieben werden und das Kriechverhalten kontinuierlich ermittelt wird. Hierzu wird die zu Grunde liegende Kriechgleichung entsprechend integriert, um den Funktionsverlauf unter Berücksichtigung der
Betriebsbelastungen aus Druck- und Temperaturverläufen zu erhalten. Aufgrund der Komplexität der Werkstoffgleichungen ist für die Lösung die Anwendung geeigneter numerischer Methoden notwendig und möglich. Aufgrund variabler Betriebsbelastungen ist die Berechnung möglichst online durchzuführen. Auf diese Weise ist die Ermittlung der nur bedingt nachweisbaren konstanten Verformungsgeschwindigkeit zur Beurteilung nicht erforderlich.
Dem Anlagenbetreiber wird mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren die Gegenüberstellung der in größeren Zeitabständen manuell gemessenen Aufweitung mit den Erwartungswerten des Bauteilverhaltens ermöglicht. Signifikante Abweichungen werden angezeigt. Bei einer Extrapolation unter der Annahme der Vergleichbarkeit der zukünftigen Betriebsbelastungen mit den bisherigen Belastungen wird der Zeitpunkt des Bauteilversagens abschätzbar. Die daraus resultierenden Prüfumfänge und Prüffristen im Rahmen der wiederkehrenden Prüfungen lassen sich somit präziser planen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf: (a) Erfassung einer das Kriechen des Bauteils repräsentierenden Größe (Praxiswert oder praktischer Erfahrungswert) zu mindestens einem Zeitpunkt, (b) Ermittlung einer Referenzgröße (theoretischer Erwartungswert) der das Kriechen repräsentierenden Größe zum jeweiligen Zeitpunkt mittels eines das Kriechen des Bauteils wiedergebenden mathematischen Modells, (c) Modifikation des mathematischen Modells in Abhängigkeit einer Abweichung der Größe von der Referenzgröße und (d) zukünftige Bestimmung eines zu erwartenden Wertes (zukünftiger theoretischer Erwartungswert) der Größe zu einem vorgebbaren Zeitpunkt mittels des modifizierten Modells. Die die Verformung bzw. das Kriechen repräsentierende Größe ist zum Beispiel die Dehnung oder Kriechdehnung des Bauteils und die entsprechende oder jeweilige Referenzgröße und/oder Vergleichsgröße ist ein mittels des mathematischen Modells ermittelter Wert der Dehnung oder Kriechdehnung, d.h. dieser Größe, wobei innerhalb dieser Anmeldung die Begriffe Kriechdehnung und Dehnung als Synonyme verwendet werden.
Die resultierende Beschreibung des Kriechens kann insbesondere zu einer Beurteilung bzw. Bewertung des Voranschreitens des Kriechens genutzt werden und zur Prognose für die weitere Standzeit und Standfestigkeit des Bauteils dienen. Die Beurteilung des Kriechens ist insbesondere Basis für eine Beurteilung eines möglichen Bauteilversagens des Bauteils aufgrund des Kriechens, insbesondere ein Bauteilversagen in Bezug auf die Funktion des Bauteils im Betrieb. Mit Vorteil ist vorgesehen, dass ein zeitlicher Verlauf der Referenzgröße mittels des ggf- modifizierten Modells in die Zukunft extrapoliert wird.
In einer für die Praxis besonders relevanten Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin durch die folgenden Schritte aus:
- zu zumindest einem Zeitpunkt erfolgende Ermittlung eines theoretischen Erwartungswertes einer das Kriechen repräsentierenden Größe mittels eines diese Größe wiedergebenden mathematischen Modells oder Algorithmus als die Referenzgröße;
- Erfassung eines praktischen Erwartungswertes der das Kriechen repräsentierenden Größe zu dem jeweiligen zumindest einen Zeitpunkt mittels des mathematischen Modells oder Algorithmus auf Basis konkreter Parametermesswerte als Vergleichsgröße;
- bei einer Abweichung zwischen der Referenzgröße und der Vergleichsgröße Durchführung einer die Adaption der Referenzgröße an die Vergleichsgröße bewirkenden Modifikation des mathematischen Modells oder Algorithmus und
- Bestimmung zukünftiger theoretischer Erwartungswerte der das Kriechen repräsentierenden Größe als zukünftige Referenzgröße (n) mittels des modifizierten mathematischen Modells oder Algorithmus.
Mit diesem Verfahren lässt sich der sich aufgrund des fortgeschrittenen Kriechens eines Bauteils, insbesondere einer Kraftwerksanlage, ergebende Bauteilzustand hinsichtlich seiner noch zu erwartenden weiteren Lebensdauer und weiteren Standzeit zu einem beliebigen Zeitpunkt ermitteln und es lässt sich der zeitliche Verlauf des Kriechens oder der Kriechdehnung visualisiert darstellen. Hierbei sind mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens dann zwei weitere Maßnahmen verbunden, nämlich zum einen lässt sich nun ein Vergleich mit der der ursprünglichen Auslegung dieses Bauteils zugrundegelegten Referenzgröße anstellen, aus der sich dann die sich aus dem aktuellen oder dem bisherigen Betrieb des Bauteils ergebenden Abweichungen von dieser theoretischen Referenzgröße ableiten lassen. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren dann die Adaption und die damit verbundene Modifikation des der Ermittlung zumindest der Referenzgröße der das Kriechen repräsentierenden Größe zugrundeliegenden mathematischen Modells derart, dass nun die zu einem Zeitpunkt festgestellte Referenzgröße, die den theoretischen Erwartungswert der Größe „Kriechen" darstellt, an die den aktuellen, praktischen Erfahrungswert oder Praxiswert der Größe „Kriechen" darstellende Vergleichsgröße angepasst wird und mit dem derart modifizierten mathematischen Modell zukünftig eine (zukünftige theoretische} Referenzgröße ermittelt oder eine Extrapolation in die Zukunft vorgenommen wird. Damit wird eine Prognosemöglichkeit für die weitere Standzeit und Lebensdauer des Bauteils geschaffen, die nun nicht mehr allein auf einer ursprünglichen theoretischen oder hypothetischen Annahme beruht, sondern der die zwischenzeitlichen
Betriebsbedingungen berücksichtigende konkrete Messwerte von Parametern oder der das Kriechen repräsentierenden Größe zugrundeliegen.
In allgemeiner Form lässt sich das Verfahren auch durch die Abfolge folgender Verfahrensschritte beschreiben:
1. Berechnung eines theoretischen Erwartungswertes oder einer Vielzahl zeitlich aufeinander folgender theoretischer Erwartungswerte, der/die als Referenzgröße (n) die zeitabhängige (und temperaturunabhängige) plastische Verformung, das Kriechen oder die Kriechdehnung, eines Werkstücks oder Bauteils beschreibt/beschreiben mittels eines die Werkstoffgesetzmäßigkeit des Kriechens ausdrückenden Algorithmus oder mathematischen Modells auf Basis theoretischer und/oder hypothetischer Größen und/oder Werte. Aus diesem ersten Verfahrensschritt ergibt sich beispielsweise eine Kurve 26 gemäß Fig. 2 des Ausführungsbeispieles . . Berechnung oder Ermittlung oder Erfassung mindestens eines Praxiswertes oder praktischen Erwartungswertes als Vergleichsgröße zu einem bestimmten Zeitpunkt (t) , insbesondere mittels des Algorithmus, auf Basis eines konkret ermittelten Messwertes oder mehrerer ermittelter Messwerte. Es werden also insbesondere aufgrund des auch dem ersten Verfahrensschritt zugrunde liegenden, als Algorithmus ausgedrückten mathematischen Modells praktische Erwartungswerte als Vergleichsgrößen auf Basis konkreter Messwerte zu einem jeweiligen bestimmten Zeitpunkt ermittelt. Im Ausführungsbeispiel sind das zu den einzelnen bestimmten, diskreten Zeitpunkten die auf Messwerten beruhenden praktischen Erwartungswerte 2Q lr 28 2 und 283, die zu einem jeweils zugeordneten Zeitpunkt ti, t 2 oder t 3 ermittelt werden. Beispielsweise werden, wie im Ausführungsbeispiel erläutert, konkret die
Parametermesswerte für Druck und/oder Temperatur sowie ggf. weitere mechanische Beanspruchungen repräsentierende Messwerte ermittelt und dazu genutzt, dadurch mit Hilfe des im Ausführungsbeispiel angegebenen Algorithmus die zu diesem jeweiligen Zeitpunkt gegebene zeitabhängige plastische Verformung (Kriechdehnung) zu berechnen. In einem dritten und vierten Verfahrensschritt wird zunächst auf Basis der als praktischer Erwartungswert ermittelten Vergleichsgröße, insbesondere des zeitlich zuletzt ermittelten praktischen Erwartungswertes (28 3 gemäß Ausführungsbeispiel) , bei dessen/deren Abweichung von der zeitlich zugeordneten, als theoretischer Erwartungswert ermittelten Referenzgröße eine Modifikation des mathematischen Modells durch Angleichung der Referenzgröße „theoretischer Erwartungswert" an die festgestellte Größe „praktischer Erwartungswert" vorgenommen und erfolgt dann mit dem modifizierten mathematischen Modell eine Extrapolation des oder der praktischen Erwartungswerte ( s ) als zukünftige neue theoretische Erwartungswerte oder werden zukünftige Referenzwerte mit dem modifizierten mathematischen Modell ermittelt. In diesen Schritten wird also die Fortschreibung des durch den Algorithmus ausgedrückten mathematischen Modells in die Zukunft vorgenommen, was im Ausführungsbeispiel durch die Fortführung der Linie der theoretischen Erwartungswerte als modifizierte und extrapolierte Referenzkurve 30 neuer theoretischer Erwartungswerte als „neue" Referenzgröße (n) dargestellt ist . In einem weiteren Verfahrensschritt lässt sich jeweils eine Beurteilung des Werkstückes oder Bauteils anhand des zum jeweiligen Zeitpunkt ermittelten praktischen Erwartungswertes vornehmen sowie eine in die Zukunft gerichtete Prognose anhand der modifizierten extrapolierten Referenzkurve aus zukünftigen theoretischen Referenzgrößen oder zukünftigen theoretischen
Erwartungswerten und damit eine Abschätzung hinsichtlich des Zeitpunktes eines möglichen Versagens des Bauteiles oder Werkstückes erstellen. Hierbei ist es alternativ oder ergänzend auch möglich, anhand des Kurvenverlaufes der ursprünglich berechneten theoretischen Erwartungswerte einen Vergleich zu dem demgegenüber modifizierten und extrapolierten Kurvenverlauf auf Basis praktischer Erwartungswerte vorzunehmen und dies zum einen dazu zu nutzen, den die zugrundeliegende Werkstoffgesetzmäßigkeit des Kriechens ausdrückenden Algorithmus anzupassen und/oder aufgrund dieses Vergleiches zwischen dem der Auslegung des Werkstückes oder Bauteiles zugrundegelegten Verlauf der theoretischen Erwartungswerte mit dem real sich einstellenden Verlauf der praktischen Erwartungswerte oder Praxiswerte eine Prognose für den Zeitpunkt des Versagens des Bauteils oder Werkstückes abzuleiten, so dass jederzeit der Abstand zwischen der theoretischen Auslegung und dem real erreichten Belastungszustand sichtbar ist. Dies kann beispielsweise in der Leitwarte eines Kraftwerks durch Visualisierung der Kurven 26 und 30 dem Betriebspersonal angezeigt werden, so dass jederzeit der noch vorhandene Abstand zur theoretisch berechneten Belastungsgrenze (ursprünglicher theoretischer
Erwartungswert) erkennbar ist.
Die Erfindung zeichnet sich daher in Ausgestaltung auch dadurch aus, dass mittels des modifizierten mathematischen Modells oder Algorithmus eine Extrapolation zukünftiger theoretischer Erwartungswerte vorgenommen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Ermittlung der das Kriechen repräsentierenden Größe mittels eines das Kriechen des Bauteils in Abhängigkeit von dessen Werkstoffeigenschaften wiedergebenden mathematischen Modells erfolgt. Die Werkstoffeigenschaften werden insbesondere durch
Werkstoffkonstanten bestimmt.
Wenn die im Rahmen einer wiederkehrenden Erfassung der das Kriechen repräsentierenden Größe am Bauteil festgestellten aktuellen Betriebswerte oder Praxiswerte deutlich größer oder kleiner als die jeweils zugeordneten, ermittelten Referenzgrößen sind, so sind die angenommenen Werkstoffeigenschaften unter Umständen zu modifizieren. Das vorgestellte Verfahren ist somit auch als Kontrolle des Modells für Werkstoffe, zu denen noch keine ausreichenden Langzeiterfahrungen unter Betriebsbedingungen vorliegen, geeignet .
Die Verformung des Bauteils unter Betriebsbedingungen ist üblicherweise eine Verformung des Bauteils im oder während des Betrieb (s) des Bauteils. Die Erfassung der das Kriechen des Bauteils repräsentierenden Größe erfolgt am Einsatzort des Bauteils, also insbesondere an einem in oder an einer Anlage eingebauten Bauteil dieser Anlage.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Referenzgröße und/oder die Vergleichsgröße und/oder die zukünftige Referenzgröße jeweils in Abhängigkeit von mindestens einer die mechanische Belastung des Bauteils bestimmenden Kenngröße und/oder der Temperatur T und/oder des einwirkenden Drucks p ermittelt wird. Neben dem Druck p ist die die mechanische Belastung bestimmenden Kenngröße insbesondere eine Spannung σ und/oder eine Kraft F und/oder ein Drehmoment .
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Modell ein mathematisches Modell ist. Das mathematische Modell ist insbesondere ein numerisches Modell.
Das Kriechen ist ein Kriechen des mindestens einen Werkstoffs des Bauteils. Die Beschreibung des Kriechens des Bauteils ist dementsprechend eine Beschreibung eines Kriechens des Bauteils. Eine Beurteilung des Kriechens des Bauteils ist dann insbesondere eine Beurteilung von Kriechschädigungen des Bauteils. Der Werkstoff oder zumindest ein Werkstoff des Bauteils ist bevorzugt ein Metall. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass das mathematische Modell auf einem Kriechgesetz gemäß Norton und/oder Norton- Bailey und/oder Garafalo und/oder Graham-Walles beruht. Mathematisch kann das viskoplastische Materialverhalten mit Hilfe von Kriechgleichungen abgebildet werden. Prinzipiell wird zwischen Kriechgesetzen unterschieden, die entweder empirisch (phänomenologisch) oder aus den zugrundeliegenden werkstoffmechanischen Mechanismen abgeleitet sind. Die zuvor genannten Kriechgesetze sind phänomenologische Kriechgesetze.
In weiterer Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass das Verfahren zur, vorzugsweise online durchgeführten, Bestimmung des aktuellen Zustandes sowie zur Prognose der verbleibenden Nutzungsdauer eines Bauteiles eines Kraftwerks, insbesondere eines oder mehrerer Bauteile (s) eines Dampferzeugers, vorzugsweise während des Betriebs des Dampferzeugers oder Kraftwerks, verwendet wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Ermittlung des Kriechverhaltens eines mechanisch belasteten Bauteils unter Betriebsbedingungen, insbesondere eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Es ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Praxiswertes {praktischer Erwartungswert} einer das Kriechen des Bauteils repräsentierenden Größe zu mindestens einem Zeitpunkt und eine signaltechnisch mit der Erfassungseinrichtung verbundene Recheneinrichtung mit einer Speichervorrichtung aufweist, wobei in der Speichervorrichtung ein das Kriechen des Bauteils wiedergebendes mathematisches Modell modifizierbar hinterlegt ist, wobei die Recheneinrichtung dafür eingerichtet ist, eine Referenzgröße (theoretischer Erwartungswert) der das Kriechen repräsentierenden Größe mittels des mathematischen Modells zu ermitteln, das Modell in Abhängigkeit einer Abweichung des Praxiswertes der das Kriechen repräsentierenden Größe von der zugeordneten Referenzgröße zu modifizieren und zukünftig einen zu erwartenden Wert (zukünftiger theoretischer Erwartungswert) der das Kriechen repräsentierenden Größe zu einem vorgebbaren Zeitpunkt mittels des modifizierten mathematischen Modells zu bestimmen .
In Ausgestaltung ist dabei weiterhin vorgesehen, dass die Vorrichtung ein Ausgabemittel umfasst, das den theoretischen Erwartungswert und/oder den Praxiswert oder praktischen Erwartungswert und/oder den zukünftigen theoretischen Erwartungswert visualisierend anzeigt.
Insbesondere ist auch vorgesehen, dass das Kriechen ein Kriechen des mindestens einen Werkstoffs des Bauteils ist.
Mit Vorteil ist bei der Vorrichtung weiterhin vorgesehen, dass das mathematische Modell auf einem Kriechgesetz gemäß Norton und/oder Norton-Bailey und/oder Garafalo und/oder Graham-Walles beruht.
Schließlich zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Vorrichtung den Zustand eines Bauteils eines Dampferzeugers einer Kraftwerksanlage erfasst und/oder anzeigt.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigt die Figur 1 eine schematische Darstellung einer
Vorrichtung zur Beurteilung des Kriechens eines mechanisch belasteten Bauteils unter
Betriebsbedingungen gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung und die
Figur 2 ein Diagramm mit mittels eines mathematischen
Modells ermittelter Kriechkurven.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage 10 mit einem als Rohr(ansatz) ausgebildeten Bauteil 12 eines Dampferzeugers eines Kraftwerks und einer Vorrichtung 14 zur Beschreibung und Ermittlung des Kriechens und Kriechverhaltens des durch den Betrieb der Anlage 10 mechanisch belasteten Bauteils 12. Die Vorrichtung 14 weist eine Erfassungseinrichtung 16 und eine Recheneinrichtung 18 auf, die signaltechnisch miteinander verbunden sind. Die Erfassungseinrichtung 16 ist eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer das Kriechen des Bauteils 12 repräsentierenden Größe oder eines Parametermesswertes, beispielsweise die Änderung/Dehnung des Rohrdurchmessers Ad, auf Basis welcher sich ein Praxiswert der das Kriechen repräsentierenden Größe ermitteln und erfassen lässt. Die Recheneinrichtung 18 weist eine Speichervorrichtung 20 auf, in der ein das Kriechen des Bauteils 12 wiedergebendes mathematisches Modell modifizierbar hinterlegt ist, mit welchem auf Basis aktuell und/oder konkret ermittelter Messwerte Referenzgrößen und/oder Vergleichsgrößen sowie eine Extrapolationskurve der das Kriechen repräsentierenden Größe ermittelt und ausgegeben werden können. Die Recheneinrichtung 18 ist dafür eingerichtet, einen theoretischen Erwartungswert als Referenzgröße der das Kriechen repräsentierenden Größe mittels des mathematischen Modells zu ermitteln, das Modell bei einer festgestellten Abweichung des als Vergleichsgröße zugrunde gelegten Praxiswertes der das Kriechen repräsentierenden Größe von der Referenzgröße von der festgestellten Abweichung in Abhängigkeit von der festgestellten Abweichung zu modifizieren und/oder die Größe veränderbar zu extrapolieren und einen zu erwartenden, zukünftigen theoretischen Erwartungswert der das Kriechen repräsentierenden Größe zu einem vorgebbaren Zeitpunkt mittels des (ggf. modifizierten) Modells als zukünftige Referenzgröße zu bestimmen. Die Recheneinrichtung 18 weist weiterhin ein als Bildschirm ausgebildetes Ausgabemittel 22 auf, das zum Beispiel eine graphische Darstellung des mittels des (ggf- modifizierten) Modells extrapolierten zeitlichen Verlaufs der Referenzgröße (Kurve 26) und/oder der Vergleichsgröße {Kurve 24) und/oder der zukünftigen Referenzgröße (Kurve 30 in Fig. 2) oder die zu erwartende Zeit bis zu einem Bauteilversagen des Bauteils 12 anzeigt.
Das Kriechen ist im Beispiel der Fig. 1 ein Kriechen des Werkstoffs des Bauteils 12. Die zugehörige Größe ist eine zeitabhängige Kriechdehnung ε αΓ (t) des Bauteils 12, die Referenzgröße ist eine Referenzkriechdehnung ε αΕ . Das mathematische Modell 22 ist zum Beispiel ein auf dem Kriechgesetz nach Graham-Walles beruhendes mathematisches Modell.
Im Allgemeinen lässt sich die Kriechdehnung e C i- n Abhängigkeit der Faktoren Spannung σ, Zeit t und Temperatur T ausdrücke : c r = f(o,T,t) In der Regel ergibt sich die Kriechdehnung dabei aus dem Produkt der einzelnen Faktoren:
£ cr = fj (a)-f 2 (T)-f 3 (t)
In den folgenden Gleichungen sind häufig eingesetzte phänomenologische Kriechgesetze dargestellt:
«? cr =Ασ"ί (Norton) , s cr =Ασ"ί"' (Norton-Bailey) und (Graham-Walles)
Die Formelzeichen A, m und n sind dabei Werkstoffkonstante .
Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm einer an dem Bauteil 12 mittels konkreter Messwerte 28i, 28 2 , 283 (Praxiswert) erfassten Kriechkurve 24, die den beispielsweise mittels oben stehender Gleichung oder einer anderen Gleichung berechneten oder gemessenen und insofern erfassten zeitlichen Verlauf des jeweiligen Praxiswertes und damit der praktischen Erwartungswerte der Größe s cr als der das Kriechen repräsentierenden Größe auf Basis konkreter Messwerte wiedergibt, und einer mittels des das Kriechen des Bauteils in Abhängigkeit von dessen Werkstoffeigenschaften wiedergebenden mathematischen Modells ermittelten Referenz- Kriechkurve 26, die den Verlauf der theoretischen Erwartungswerte als Referenzgrößen ε ΟΓ auf Basis theoretischer Größen oder Messwerte wiedergibt. Die Recheneinrichtung 18 modifiziert nun das Modell in Abhängigkeit von den festgestellten Abweichungen der zu einem jeweiligen Zeitpunkt ti, t 2 , t 3 als Vergleichsgröße erfassten Größen oder Messwerte 28i, 28 2 , 28 3 von den jeweils zugehörigen Referenzgrößen 28 2 28 3 1 durch Adaption von Referenzgröße (n) und Vergleichsgröße (n) . Anschließend, d.h. zukünftig, bestimmt die Recheneinrichtung 18 die gemäß dem ggf. modifizierten Modell zu erwartenden zukünftigen theoretischen Erwartungswerte der Größe zu jedem beliebigen Zeitpunkt als zukünftige theoretische Referenzgröße (n) . Dies kann auf Basis des oder der praktischen Erwartungswerte oder Praxiswerte 28i, 28 2 , 28 3 durch Extrapolation geschehen, so dass eine mittels des mathematischen Modells ermittelte extrapolierte Kurve an „neuen" theoretischen Erwartungswerten der Referenz-Größe als Referenz-Kriechkurve 30 entsteht. Im Diagramm der Fig. 2 sind die erfasste Kriechkurve 24 inklusive der einzelnen auf konkreten Messwerten beruhenden Praxiswerte oder praktischen Erwartungswerte 28i, 28 2 , 8 3 der Größe, die (ursprüngliche) Referenz-Kriechkurve 26 der Größe mit den zugeordneten Größenwerten für ε x cr von 28 2 28 3 1 und die modifizierte, aus den ermittelten Messwerten 28i, 28 2 , 28 3 , insbesondere dem zuletzt ermittelten Messwert 28 3 , extrapolierte Referenz-Kriechkurve 30 der Kriechdehnung £ cr als zukünftige Referenzgröße ε über der Zeit t aufgetragen dargestellt. Aus dem Verlauf der Kurven 24 und 30 und ggf. dem Vergleich des Verlaufes dieser Kurven 24 und 30 mit dem Verlauf der Kurve 26, welche den der Auslegung des Bauteils 12 zugrunde gelegten Verlauf der einen Zustand des Bauteils wiedergebenden Größe Kriechdehnung z cr beschreibt, lässt sich der aktuelle Zustand des Bauteiles 12 ableiten (Kurve 24) und eine Prognose hinsichtlich des Versagenszeitpunktes des Bauteils 12 (Kurve 30) ableiten. Insbesondere wird die Abweichung des aktuellen konkreten Zustandes von dem der Auslegung des Bauteiles 12 zugrunde gelegten theoretischen Zustandes zum jeweils gleichen Zeitpunkt ersichtlich.
Die Begriffe „Kriechdehnung" und „Kriechen" werden in dieser Anmeldung gleichbedeutend verwendet.
Es ergibt sich folgende Funktion der Vorrichtung 14: Unter Berücksichtigung des Werkstoffes und der aktuell zu erfassenden Betriebsbelastungen (Druck p, Temperatur T, etc.) wird online ein Dehnungsverlauf des Bauteils 12 über der Zeit t in Form von Praxiswerten oder praktischen Erwartungswerten als jeweilige Vergleichsgröße erfasst {Kurve 24). Die Temperatur ist insbesondere eine Temperatur T ^ 500 °C. Zu Ermittlung der theoretischen Erwartungswerte als Referenzgröße wird ein Werkstoffgesetz (z.B. ein modifizierter Ansatz nach Graham-Walles) benutzt. Dieses Werkstoffgesetz liegt in differentieller Form vor. Unter Einschluss der online erfassten Betriebsbedingungen (mechanische Lasten, Temperatur und deren Änderung) und eines geeigneten Integrationsverfahrens wird die
Differentialgleichung des Werkstoffgesetzes gelöst, d.h. der Funktionsverlauf wird ermittelt. Die numerische Berechnung der zeitnahen Bauteildehnung unter Berücksichtigung der sich ständig wechselnden Betriebsbelastungen wird auf der online an die Anlagentechnik angekoppelte Recheneinrichtung 18 durchgeführt. Die ermittelten theoretischen Erwartungswerte als Referenzgrößen (Kurve 26} können mit den bei den durchgeführten Messungen als Praxiswerte oder praktische Erfahrungswerte erfassten Vergleichsgrößen (Kurve 24) diskontinuierlich oder kontinuierlich verglichen werden.
Mit der praktischen Anwendung des Kriechgesetzes ist es möglich, Bauteile 12 mit den entsprechenden Werkstoffen online in Hinblick auf ihre Schädigung zu beurteilen. Hierzu werden z.B. an einer (Kraf werks- ) Anlage 10 die zu dem entsprechenden Bauteil 12 gehörenden, online gemessenen Parameter Druck p, ggf- mechanische Belastungen o, F und Temperatur T verwendet, um in der beschriebenen Weise mittels der Recheneinrichtung 18 die extrapolierte Kriechdehnung gemäß Kurve 30 und die aktuelle Kriechdehnung gemäß Kurve 24 zu ermitteln und diese sowie die theoretische Referenz- Kriechkurve 26 dem (Kraftwerks-) Personal zeitnah über das Ausgabemittel 22 anzuzeigen.
Das Ausmaß der Kriechdehnung ist ein Maß für den augenblicklichen Schädigungszustandes des überwachten Bauteiles 12. Die messtechnische Prüfung des Umfanges oder Durchmessers eines Bauteiles, beispielsweise bei Rohren, Sammlern, Zylinderform- oder Kugelformstücken usw. und der Vergleich des mit der Recheneinrichtung 18 (dem Rechner) online aufgrund der festgestellten Aufweitung des Durchmessers oder des Umfanges ermittelten Kriechens mit theoretischen und/oder extrapolierten Referenzgrößen erlaubt eine frühzeitige Beurteilung des zukünftigen
Bauteilverhaltens und der vorliegenden oder zu erwartenden Schädigung.
Das Verfahren ist hilfreich bei der Beurteilung von Bauteilen 12, bei denen die durch Normen abgedeckten Prüfungen (z.B. TRD 508; DIN EN 12952, VGB-Richtlinien) nicht mehr ausreichend sind, nämlich bei Bauteilen 12 mit oder aus neuen Werkstoffen und mit hohen Temperatureinsatzgrenzen zu denen noch geringe festigkeitsrelevante Erfahrungswerte vorliegen. Diese Werkstoffe werden trotzdem bei der neuen Generation der Kraftwerke mit Dampftemperaturen deutlich höher als 580°C weltweit eingesetzt. Weiterhin wird die Prüfung der Gültigkeit der im Labor ermittelten Werkstoffkoeffizienten für das Kriechgesetz anhand des realen Bauteilverhaltens möglich. Dieses Wissen ist wegen der großen Streuung der Festigkeitskennwerte des Werkstoffes der jeweiligen Bauteile 12 infolge Toleranzen bei der Erschmelzung und Zusammensetzung der einzelnen Chargen für die Qualitätssicherung im Kraftwerk von Bedeutung.
Bei einer zustandsorientierten Instandhaltung wird bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter
Berücksichtigung des Werkstoffgesetzes und der aktuell erfassten Betriebsbelastung (Druck, Temperatur, mechanische Lasten, Temperaturänderungen) online ein zeitabhängiger Dehnungsverlauf für das jeweilige Bauteil berechnet.
Mit einem an die Kraftwerksleittechnik angekoppelten Rechner wird mit einem geeigneten mathematischen
Integrationsverfahren das in differentieller Form vorliegende Werkstoffgesetz gelöst, d.h. der Funktionsverlauf unter Einfluss von Druck und Temperatur ermittelt (Kurve 26) . Die numerische Berechnung der zeitabhängigen Kriechdehnung des Bauteils wird mit diskontinuierlichen Messungen zu den Zeitpunkten ti, t 2 , t3, etc. (beispielsweise alle 20.000 Stunden) verglichen.
Wird die Kriechdehnung mit Dehnmessstreifen kontinuierlich erfasst, ist eine Gegenüberstellung mit der rechnerisch ermittelten Kriechdehnung ebenfalls möglich.
Falls im Rahmen der wiederkehrenden Prüfungen die Messergebnisse der Dehnungen (28i, 28 2 , 28 3 ) am Bauteil deutlich größer oder kleiner als die mit aktuellen Betriebswerten ermittelten rechnerischen Dehnungen (28^, 28 Λ 2 ί 28 3) sind, so sind die angenommenen
Werkstoffeigenschaften unter Umständen zu modifizieren. Das vorgestellte Verfahren ist somit auch geeignet, die Zahlengrößen des Werkstoffgesetzes unter Betriebsbedingungen für Werkstoffe mit noch nicht ausreichenden Langzeiterfahrungen gegebenenfalls zu verifizieren.
Die Kriechdehnung ist mit den im Kraftwerk üblichen Messmethoden messbar. Zum Beispiel wäre nach ca. 25.000 Betriebsstunden (ti) eine Aufweitung von ca. 0,4 % (e' C r = 28i , J zu erwarten. Bei einem Bauteilaußendurchmesser von 500 mm beträgt die Dehnungszunahme in ümfangsrichtung
500*n*0, 4 = 6,3mm
100
Das üblicherweise verwendete Bandmaß mit Noniusskala ist also geeignet, die Dehnungszunähme eindeutig zu ermitteln. Auf aufwändige Messeinrichtungen mit der oben beschriebenen Genauigkeit von <0,05 mm kann verzichtet werden. Liegt der tatsächlich gemessene Wert (e C r) signifikant über dem theoretischen Wert ( ^), so ist das Bauteilverhalten zukünftig kritisch zu verfolgen - beispielsweise durch Verkürzen der Prüfintervalle und/oder Erweitern des Prüfumfanges . Im Ümkehrschluss sind allerdings auch erheblich verlängerte Prüfintervalle ableitbar.
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