Dynamische Effekte an Aktivieren der Temperaturmessstellen

Webinar 16.04.2020

Dynamische Effekte an Temperaturmessstellen in Gas führenden Rohrleitungen

Dr.-Ing. Johann Lenz

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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


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.


2. Grundlagen

Position der Messspitze üblicherweise im mittleren Drittel des Rohrleitungsquerschnittes

Aufbau von Temperaturmess-stellen


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


Zylindrisch Konisch Gestuft

Mantelrohrausführungen

2. Grundlagen


Außendruck Staudruck Bodendruck

Statik

Biegeschwingungen

Kinetik

Mechanische Beanspruchung

2. Grundlagen


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


Pt100-Fäden mit Keramikresten

Bruch zwischen Anschlussdraht und

Widerstandselement

Bruchfläche des

Schutzrohres

Typische Schadensbilder

bei dynamischer Beanspruchung

2. Grundlagen


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


w

f

d

wSrf

d

Versuch

Wirbelablösungen an umströmten Körpern

2. Grundlagen


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


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)


1p 2p

Dynamischer Drucksensor

Turbulenz hinter einem Regelventil

2. Grundlagen


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



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



Frequenz

Sch

alld

ruck

pe

gel

ca. 115 Hz Wirbelablösung am Schutzrohr

mögliche Ursache?

Sch

alld

ruck

pe

gel

Frequenz

Versuch ohne Schutzrohr



Minderungsmaßnahme:

Austausch des zylindrischen Schutzrohres gegen ein konisches Schutzrohr

Wirksamkeit:

Ein „Brummen“ wird seit dem Austausch nicht mehr wahrgenommen.


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



Anordnung und

Messkonfiguration

x

yDrucksensor, dynamisch

Schwingungssensor

S2x

S2y

Temperaturmessstelle mit Schwingungsmessung S2


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.)



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.)



Ursachenanalyse mit Impulshammer



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?



Messtechnische Ermittlung der Schwingungsbelastung der Tauchhülse im Anlagenbetrieb



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



Minderungsmaßnahme 1

Stärkere Tauchhülsenausführung mit möglichst höherer Eigenfrequenz verwenden


Schutzrohre in kurzerAusführung

Schutzrohre in langerAusführung



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


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


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.


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 [email protected]

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