Bauteile überwachen

Condition Monitoring - TÜV Süd Industrie Service hat das regelwerkskonforme Berechnungsprogramm TSE entwickelt, das Bauteilzustände schnell und realitätsnah erfasst und für alle wechselbelasteten Bauteile branchenübergreifend eingesetzt werden kann.

11. September 2019
Bauteile überwachen
Die Erschöpfung an Bauteilen überwachen erhöht die Anlagenverfügbarkeit und spart Betriebs- sowie Instandhaltungskosten. (Quelle: TÜV Süd)

Produktionsanlagen müssen flexibler betrieben werden. Die Folge: Medienführende metallische Komponenten werden stärker durch Druck und Temperatur belastet. Gegenüber der reinen Zeitstanderschöpfung rückt der Schädigungsmechanismus der Materialermüdung in den Vordergrund. Tückisch dabei ist, dass die Folgen der Ermüdung sich an den Bauteileninnenoberflächen zeigen, hier aber mit zerstörungsfreien Prüfungen (ZfP) nur schwer zu finden sind. Schadensereignisse sind deshalb häufiger, obwohl man davon ausging, mit ZfP gut vorgesorgt zu haben. Dabei hätte man in vielen Fällen die Schäden durch eine angepasste Lebensdauerberechnung verhindern können.

Thermische Kraftwerke

Welche Auswirkungen veränderte Fahrweisen auf Anlagenbauteile haben, zeigt die aktuelle Situation bei thermischen Kraftwerken. Die mit fossilen Brennstoffen befeuerten Stromerzeuger müssen zur Sicherstellung der Netzstabilität erhebliche Einspeiseschwankungen ausgleichen. Ursache dafür ist der volatile Stromverlauf aus erneuerbaren Energien, weil diese nicht immer in gleichmäßiger Höhe abgerufen werden können. Ursprünglich für eine Grundlastfahrweise konzipiert, verschiebt sich der Betrieb stärker in Richtung von Mittel- und Spitzenlasten. Häufiger muss aber auch ein Mindestlastbetrieb gefahren werden.

Die Flexibilität im Leistungsangebot hat zur Folge, dass die Betriebstransienten häufiger und in ihrer Ausprägung schärfer werden. Damit wächst die thermische Belastung vieler Kraftwerksbauteile – aber auch die Tendenz zur Materialermüdung. Betroffen sind medienführende Dampferzeuger- und Rohrleitungsbauteile, wie zum Beispiel Abscheider, Sammler, Y-Formstücke, Kreuzventile, Dampfsiebe und T-Stücke. Die Schäden können immens sein und lange Stillstandzeiten sowie hohe Kosten nach sich ziehen.

Flexibilität steigern

Mit dieser Entwicklung erhält die Überwachung der Bauteilermüdung ein ganz neues Gewicht. Die realitätsnahe Kenntnis des Zustands ist eine wesentliche Voraussetzung, um das Potenzial der Anlage für eine weitere Flexibilisierung des Betriebs ausweisen zu können. Zudem ist die kontinuierliche rechnerische Verfolgung der Bauteillebensdauer gemäß Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) vorgeschrieben – eine Pflicht, die der Anlagenbetreiber gegenüber der beauftragten zugelassenen Überwachungsstelle (ZÜS) zu erfüllen hat. Und die Überwachung hilft dabei, das Potenzial der Bauteile tatsächlich auszuschöpfen.

Berechnungsprogramm

Zur realitätsnahen Ermittlung des Erschöpfungszustands maschinentechnischer Bauteile hat TÜV Süd Industrie Service das Berechnungsprogramm TSE (Temperatur-Spannung-Erschöpfung) entwickelt. Mit der Software werden die Belastungsdaten aus dem gesamten zurückliegenden Betrieb ausgewertet. Auf Basis der Belastungsgeschichte (Druck- und Temperaturverläufe) berechnet TSE die Gesamterschöpfung des Bauteils als Summe aus der Zeitstanderschöpfung (Kriecherschöpfung) und der Wechselerschöpfung (Ermüdungsschädigung). TSE kann auch auf der Außenseite gemessene Temperaturen auswerten. Damit entfällt der Aufwand für Innentemperaturmessungen.

Die Auswertung stützt sich auf die regelwerkskonforme Vorgehensweise nach TRD 301/303 und DIN EN 12952–3. Der Nachweis, dass die Bauteilerschöpfung unterhalb der Schwellenwerte nach DIN EN beziehungsweise TRD liegt, ist auch mit einer Offline-Überwachung zu erbringen – eine Online-Überwachung ist nicht zwingend erforderlich. Die Auswertezeitpunkte der Offline-Lebensdauerberechnung sollten sich an den zuletzt ermittelten Erschöpfungsgraden und Fahrweisen orientieren. Empfehlenswert ist ein jährlicher Offline-Auswertezyklus, um neue Belastungsphänomene ausreichend früh bewerten zu können (Bild 2).

Berechnungsvarianten

Die Berechnungen können wahlweise konservativ mit der Annahme quasistationärer Bedingungen oder mit dem Ansatz der realen instationären Verhältnisse vorgenommen werden. Auf Basis des an der Innen- oder der Außenseite des Bauteils gemessenen Temperaturverlaufs wird dabei – auch für sehr lange Zeiträume – die zeitliche Entwicklung der Temperaturverteilung in der Wand ermittelt. Daraus kann die zeitliche Entwicklung der Bauteilspannung berechnet werden. Der grundlegende Ansatz bei TSE ist die große Realitätsnähe und die Vermeidung von zusätzlichen Sicherheiten, die physikalisch nicht begründet und von den Regelwerken nicht gefordert sind.

Ein Beispiel: Bei der Spannungsberechnung nach DIN EN 12952 verwendet TSE statt der Wandmittentemperatur die integrale mittlere Wandtemperatur (gemittelte Wandtemperatur). Grund dafür ist, dass bei einem realen schnellen Temperaturübergang – bedingt durch den nicht linearen Temperaturverlauf während des Temperaturausgleichs – ein signifikanter Unterschied zur Wandmittentemperatur besteht (Bild 3). Dieser Unterschied führt dazu, dass bei Verwendung der Wandmittentemperatur ein überhöhtes Delta T (ΔT) berechnet wird, was letztendlich eine konservative Spannung und einen konservativen Erschöpfungsgrad liefert. Vergleichsberechnungen mit TSE zeigen, dass durch die Verwendung der Wandmittentemperatur gegenüber der mittleren Wandtemperatur in Kombination mit der realitätsnäheren instationären Berechnungsvariante in bestimmten Fällen bis zu 50 Prozent höhere Erschöpfungsgrade ermittelt werden.

Erschienen in Ausgabe: 02/2019
Seite: 18 bis 19