dynamische effekte an aktivieren der temperaturmessstellen
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Webinar 16.04.2020
Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Dr.-Ing. Johann Lenz
Allgemeine Informationen:
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- Diskussion / Fragerunde nach der Präsentation
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Unabhängiges beratendes Ingenieurunternehmen
Gegründet 1978, 60 Mitarbeiter in Rheine und Berlin
Erfahrungen aus weltweit über 18.000 Projekten
Messung • Planung • Berechnung • Beratung • Gutachtenerstellung • Troubleshooting
Das ganze Spektrum der Schall- und Schwingungstechnik.
3Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Gliederung
1. Einleitung
2. Grundlagen
3. Fallbeispiele
3.1 Erhöhte Schallemissionen
3.2 Wiederholtes Versagen einer Temperaturmessstelle
4. Zusammenfassung
4Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
1. Einleitung
Die Temperaturmessung von Medien in Rohrleitungen erfolgt meist im Rohrquerschnitt. Die Sensoren werden in der Regel nicht direkt eingebracht sondern in ein Mantelrohr installiert.
Die Dimensionierung des Mantelrohres erfolgt abhängig von dem Medium, dem Betriebsdruck und der Fließgeschwindigkeit.
Unter Umständen können dynamische Effekte an diesen Messstellen auftreten, die zu einem Versagen des Sensors oder zum Verlust der Rohrleitungsintegrität führen können.
5Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
2. Grundlagen
Position der Messspitze üblicherweise im mittleren Drittel des Rohrleitungsquerschnittes
Aufbau von Temperaturmess-stellen
6Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
DIN 43772Leittechnik - Metall-Schutzrohre und Halsrohre für Maschinenglasthermometer, Zeigerthermometer, Thermoelemente und Widerstandsthermometer –Maße, Werkstoffe, Prüfung, Beiblatt 2: März 2008
ASME PTC 19.3 TW-2010Thermowells, 2010
DIN EN 60751Industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Temperatursensoren, Mai 2009
Normen und Richtlinien
2. Grundlagen
7Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Zylindrisch Konisch Gestuft
Mantelrohrausführungen
2. Grundlagen
8Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Außendruck Staudruck Bodendruck
Statik
Biegeschwingungen
Kinetik
Mechanische Beanspruchung
2. Grundlagen
9Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Frequenz
Sch
win
gan
two
rt
m
k0
k
m
tsinF̂
A
EI
L2
2
i0
L
A,E,I,
875,10 4,6941 7,8552
Struktureigen-frequenzen
2. Grundlagen
10Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Pt100-Fäden mit Keramikresten
Bruch zwischen Anschlussdraht und
Widerstandselement
Bruchfläche des
Schutzrohres
Typische Schadensbilder
bei dynamischer Beanspruchung
2. Grundlagen
11Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Schwingungen der Temperaturmessstellen
AkustischeResonanz
Diskontinuierliche Förderung
Schalen-schwingungen
Regelventile
Querschnitts-sprünge
Kanten
Einbauten
Rohrleitungs-schwingungen
Stutzen-schwingungen
Struktur-schwingungen
Wirbelablösungen Turbulenz
Druckpulsationen
Schwingungsquellen, Mechanismen
2. Grundlagen
12Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
w
f
d
wSrf
d
Versuch
Wirbelablösungen an umströmten Körpern
2. Grundlagen
13Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
d
wSrf
Strömungsgeschwindigkeit
Fre
qu
en
z
ffQuer f2fLängs
Wirbelablösungen sind eine immanente Eigenschaft einer Temperaturmessstelle und werden bei der
Auslegung berücksichtigt.
Querkräfte
Längskräfte
Wirbelablösungen – Resultierende Kräfte
2. Grundlagen
Eigenfrequenzlage
14Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
z
y x S04_v_x
S04_v_y
S04_t_RMS: S04_v_x S04_t_RMS: S04_v_y
0
5
10
15
20mm/s
S04_t: c_m
0
2
4
6
8
10m/s
S04_t: f_Wirbel S04_t: f_Wirbel_2x
0
50
100
150
200
250
300Hz
10:20 10:30 10:40 10:50 11:00 11:10 11:20 11:30
3.2.20
h:m
Längsschwingung und Querschwingung
2. Grundlagen
Messung
Unterstützende Berechnung
- Resonanzeffekt
- Einrasteffekt
- Längsschwingung (DRAG)
- Querschwingung (Lift)
15Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
1p 2p
Dynamischer Drucksensor
Turbulenz hinter einem Regelventil
2. Grundlagen
16Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
3.1 Fallbeispiel: Erhöhte Schallemissionen
Mess- und Regelstation für Erdgas
Temperaturmessstelle ca. 2 m hinter dem Regelventil
Überprüfung der Anlage im Rahmen der Inbetriebnahme auf unzulässige Schwingungszustände
17Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
3.1 Fallbeispiel: Erhöhte Schallemissionen
Messergebnisse (Ausschnitt)
Keine auffällig erhöhten Schwingungen im untersuchten Volumenstrombereich
Auffälliges, betriebspunktabgängiges „Brummen“ in Verbindung mit abrupter Änderung im Schwingungsniveau am Regelventil
0
1
2
3
0
1.000
2.000
3.000
QB in
m³/
h
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
t in s
v i
n m
m/s
4
Betriebsvolumenstrom
Schwingungen am Ausgangs-flansch des Regelventils 115 Hz
Strukturschwingungen in mm/s
20
40
60
80
100
120
140
t in
s
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 f in Hz
0
1
2
3
4
Schalldruck in Pa
20
40
60
80
100
120
140
t in
s
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 f in Hz
0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
18Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
3.1 Fallbeispiel: Erhöhte Schallemissionen
Frequenz
Sch
alld
ruck
pe
gel
ca. 115 Hz Wirbelablösung am Schutzrohr
mögliche Ursache?
Sch
alld
ruck
pe
gel
Frequenz
Versuch ohne Schutzrohr
19Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
3.1 Fallbeispiel: Erhöhte Schallemissionen
Minderungsmaßnahme:
Austausch des zylindrischen Schutzrohres gegen ein konisches Schutzrohr
Wirksamkeit:
Ein „Brummen“ wird seit dem Austausch nicht mehr wahrgenommen.
20Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
3.2 Fallbeispiel: Versagen einer Temperaturmessstelle
Gasdruck Mess- und Regelstation für Erdgas mit mehreren parallelen DN 400 Messschienen
Max. Volumenstrom: 300.000 Nm³/h (pro Schiene), Betriebsdruck: ca. 55 bar / 45 bar
Temperaturmessstellen der Regelschiene mit Pt100 Elementen in Schutzrohren direkt stromab nach Druckregler
Wiederkehrende Ausfälle der Sensoren nach nur kurzer Betriebszeit
Tausch des Messeinsatzes brachte keine Verbesserung
21Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
3.2 Fallbeispiel: Versagen einer Temperaturmessstelle
Anordnung und
Messkonfiguration
x
yDrucksensor, dynamisch
Schwingungssensor
S2x
S2y
Temperaturmessstelle mit Schwingungsmessung S2
22Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Erste Messergebnisse
Ungewöhnliche hohe Pulsationspegel hinter dem Regelventil
Keine auffällig erhöhten Rohrleitungsschwingungen im untersuchten Volumenstrombereich
Schwinggeschwindigkeiten am Sensor (S2y) eher gering: v = 6 mm/s (eff.)
3.2 Fallbeispiel: Versagen einer Temperaturmessstelle
23Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Weitere Messergebnisse
Schwingungen am Sensor S2y
0
2
4
6 mm/s eff
Normvolumenstrom
0
100000
200000
300000 m³/h
1h 2h 3h 4h 5h 6h
Versuchsdauer
Schwingungen am Sensor S2y
0
600
1200
1800
2400
3000
3600
t in s
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
f in kHz
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 mm/s
300 Hz - Anteil ist dominant und erreicht 1 mm/s (eff.)
3.2 Fallbeispiel: Versagen einer Temperaturmessstelle
24Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Ursachenanalyse mit Impulshammer
3.2 Fallbeispiel: Versagen einer Temperaturmessstelle
25Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Ermittelte Betriebschwingungsform passt zu dem Schadensbild
Pt100-Fäden mit Keramikresten
Bruch zwischen Anschlussdraht und
Widerstandselement
Wie hoch ist die Schwingbelastung am Kopf der Tauchhülse im Normalbetrieb?
3.2 Fallbeispiel: Versagen einer Temperaturmessstelle
26Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Messtechnische Ermittlung der Schwingungsbelastung der Tauchhülse im Anlagenbetrieb
3.2 Fallbeispiel: Versagen einer Temperaturmessstelle
27Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Schwingungsrichtwerte - Beurteilung
DIN EN 60751, Industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Temperatursensoren, Mai 2009
6.6.4 Schwingprüfung
Bei dieser Prüfung sollte das Thermometer möglichst in der gleichen Art und Weise montiert werden, in der es auch im späteren Betrieb eingebaut wird. Das Thermometer muss im Frequenzbereich von 10 Hz bis 500 Hz mit einer Beschleunigung von 20 m/s² bis 30 m/s² gerüttelt werden. [...]
Standardausführung:60 m/s²
DIN EN 60751:30 m/s²
Sonderausführung:vibrationsfest, 200 m/s²
Sonderausführung:hochvibrationsfest, 500 m/s²
hier:932 m/s²
3.2 Fallbeispiel: Versagen einer Temperaturmessstelle
28Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
Minderungsmaßnahme 1
Stärkere Tauchhülsenausführung mit möglichst höherer Eigenfrequenz verwenden
3.2 Fallbeispiel: Versagen einer Temperaturmessstelle
Schutzrohre in kurzerAusführung
Schutzrohre in langerAusführung
29Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
3.2 Fallbeispiel: Versagen einer Temperaturmessstelle
Messtechnischer Vergleich der Schwingungen und Biegespannungen im Betrieb
AuslenkungBiegespannung
Normvolumenstrom
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0mm
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400 N/mm²
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000Nm^3/h
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
s
Lange AusführungAuslenkung Biegespannung
Normvolumenstrom
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100µm
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50 N/mm²
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000Nm^3/h
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
s
Kurze Ausführung
30Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
In Strömungsrichtung
0
0,0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Abstand vom Regelventil in m
max
. Sch
win
gge
sch
win
dig
keit
in
mm
/s (
eff
.)
Quer zur Strömung
DIN EN 60751
Hochvibrationsfest
3.2 Fallbeispiel: Versagen einer Temperaturmessstelle
Minderungsmaßnahme 2:
Abstand vom Regelventil
erhöhen
Durch 500 mm mehr Abstand zum Regelventil und ein kürzeres modifiziertes Schutzrohr wurde eine Reduktion auf 15 % der ursprünglichen Schwingbeanspruchung erreicht.
31Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen
4. Zusammenfassung
Schwingungsphänomene an Tauchhülsen treten in der praktischen Anwendung immer wieder auf.
Typische Anregungsmechanismen sind periodische Wirbelablösungen und hochturbulente Strömungen z. B. hinter Regelventilen.
Mit Hilfe von speziellen Schwingungsaufnehmern können die tatsächlichen, dynamisch bedingten Auslenkungen und Belastungen von Schutzrohren im Betriebsfall ermittelt werden.
Auf der Grundlage von Betriebsschwingungsmessungen können abgestimmte Minderungsmaßnahmen auch für schwierige Anwendungsfälle identifiziert werden.
Das ganze Spektrum der Schall- und Schwingungstechnik
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Kontakt:
Dr.-Ing. Johann LenzTel. +49 5971 9710.47j.lenz@koetter-consulting.com
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