Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Bei petrochemischen Anlagen entstehen die Kohlenwasserstoffemissionen in die
Atmosphäre vorwiegend durch Undichtigkeiten an Ventilen, die in großer Zahl
vorhanden sind.
Die existierenden Dichtheitsprüfmethoden bei der Bauartprüfung, den
qualitätssichernden Prüfungen in der Ventilfertigung und bei der Feldüberwachung
eingebauter Ventile sind ungenügend aufeinander abgestimmt und teilweise für die
Anwendung bei Ventilen nicht genügend qualifiziert.
Das durchgeführte europäische Projekt mit Kooperationspartnern aus der Ventil-
und Messgeräteindustrie unter der Federführung der "British Hydromechanics
Research Group (BHR)" soll Voraussetzungen dafür schaffen, diese Mängel zu
beseitigen.
Dieser Vortrag beschreibt die Ergebnisse des ersten Projektarbeitspakets, das
sich mit der Qualifizierung von Messmethoden beschäftigt.
Es ist allgemein anerkannt, dass die Industrie die Emissionen aus ihren Anlagen reduzieren muss. Neben den bekannten und kontrollierbaren Emissionen gibt es ungewollte Emissionen von Chemikalien aus Lecks in Anlagen ("fugitive emissions").Insbesondere spielen dabei sogenannte flüchtige organische Verbindungen ("volatile organic compounds", VOC) eine wichtige Rolle. Diese treten an vielen Stellen auf, bei stationären Industrieanlagen insbesondere an Pumpen, Flanschen und Ventilen. Dabei haben Analysen ergeben, dass die größte Quelle von Lecks bei den eingebauten Ventilen, und hierbei insbesondere an der Schaftabdichtung zu finden ist.
Die Benutzer der Ventile äußern dazu immer wieder den Wunsch, zunächst für einen bestimmten Ventiltyp eine Zuverlässigkeitsaussage, für den Betrieb dann aber auch Regeln und Methoden für eine Qualitätssicherungsstrategie zu erhalten. Aufgrund dieser beiden Forderungen gibt es Normungsvorhaben zur Definition einer Bauartprüfung und einer Qualitätsprüfung mit Festlegung von Messmethoden in Fertigung und Betrieb (ISO/WD15848 -1 bis -3).
2.1 Projektdefinition
Die Europäische Kommission hat im Rahmen des "Standards, Measurement and Testing
(SMT) Programms im Oktober 1997 ein Gemeinschaftsprojekt (SMT 4-CT97-2158)
gestartet, in dem mit einem Budget von 500.000 Euro unabhängige F&E
Gesellschaften (BHR und CETIM),ein petrochemischer Endkunde (ELF Antar), ein
Ventilhersteller (NELES Automation), ein Dichtungshersteller (CHESTERTON und
zwei Hersteller von Lecksuchausrüstung (INFICON, ALCATEL) mitarbeiten.
Unterstützt werden die Teilnehmer von den Dachorganisationen der Europäischen
Dichtungsindustrie (ESA) und der Ventil Industrie (AFIR).
2.2 Definitionen und Sichtweisen von Leckagen
Bei der Erstellung von Normen ergeben sich eine Reihe von Fragen sowohl zur
Messung als auch zur Spezifikation von Leckagen bzw. Dichtigkeit. Insbesondere
das Prüfgas und die Messmethode sind nicht einheitlich:
Die Endkunden möchten im petrochemischen Betrieb die Konzentration austretender Kohlenwasserstoffe in ppm messen, wobei die Schnüffelmethode nach der amerikanischen Norm EPA21 sich etabliert hat. Die TA-Luft spezifiziert zwar auch die Emission von Kohlenwasserstoffen, legt aber maximale Emissionsströme (Massen- oder Volumenströme) fest, die nicht einfach mit den ppm-Werten korrelieren.
Ventilhersteller bevorzugen bei Bauart- und Qualitätsprüfungen das Prüfgas Helium, wobei der ISO-Normentwurf eine Heliumleckrate festlegt, der Benutzer vor Ort aber lieber die Heliumkonzentration in ppm schnüffelt. Diese Situation zeigt Fig.1:
Abb 1: Leckagen in den Sichtweisen der verschiedenen Beteiligten.
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2.3 Projektstruktur
Unter Berücksichtigung der dargestellten Situation haben sich die folgenden
übergeordneten Projektziele ergeben:
| Paket 1: | Messmethoden |
| Paket 2: | Beziehungen der verschiedenen Messmethoden und Prüfgasen |
| Paket 3: | Besonderheiten und Folgen für diese Beziehungen bei erhöhten Temperaturen |
Als Messmöglichkeiten wurden zwei Standardmethoden, lokales Schnüffeln und integrale Vakuummethode sowie eine neue Methode, ein integrales Spülgasverfahren, untersucht. Diese drei Methoden zeigen schematisch die Fig.2a-c:
Abb 2a: Lokale Schnüffelmethode.
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Abb 2b: Integrale Vakuummethode.
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Abb 2c: Integrale Spülgasmethode.
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Als nicht brauchbar wurden bereits in einer Voruntersuchung die Methoden "Konzentrationsanstieg in der Hülle", "Druckabfall" und "Blasenansammlung" verworfen. Die folgende Tabelle zeigt die Bewertung aller Methoden in der Übersicht:
Potentiell brauchbare Methoden:
| Schnüffeln | | Vakuummethode
| Spülen
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Nicht weiterverfolgte Methoden:
| Konzentrationsanstieg in der Hülle | | Druckabfall im geprüften Ventil
| Blasenansammlung
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4.1 Einflußgrößen Schnüffelmethode
Zur Bewertung der Schnüffelmethode wurden eine Reihe von Einflussgrößen
untersucht, die in der folgenden Tabelle zusammengestellt sind:
| Einflussgröße | eingestellte Werte (Parameter) |
| Prüfgas | Überwiegend Helium, (plus etwas Methan in "Packungsart" Prüfreihe) |
| Leckratenbereich | 10-5 bis 10-1 atm.cm3.s-1 |
| Ventilarten | Schiebe- und Drehbetätigung [1] |
| Ventilgrößen | 2", 3", 4", 6" nominal Rohrdurchmesser [1] |
| Packungsart | PTFE und Graphit (4 bis7 Ringe), geflochten und V-Ring, einige mit Endringens |
| Detektorarten | Helium Massenspektrometer für Leckmessung nach der "Vakuum
Methode" Heliumschnüffler: 3 Modelle in Testreihe "Detektortyp", ein weiterer an anderer Stelle in anderer Testreihe Methanschnüffler: 1 |
| Windgeschwindigkeit | 0, 0.5, 1.0 and 1.5 m.s-1 |
| Bediener | 3 in Testreihe "Bediener" , 2 weitere an anderer Stelle in anderer Testreihe |
Die folgenden Diagramme zeigen die Messergebnisse bei Variation der genannten Einflussgrößen:
Abb 3: Einfluss der Windgeschwindigkeit, Detektor A.
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Abb 4: Einfluss der Detektorart.
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Abb 5: Einfluss der Ventilart: Helium, Detektor D.
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Abb 6: Einfluss der Packungsart: Helium, Detektor B.
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Abb 7: Einfluss Schaftdurchmesser: Helium, Detektor D.
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4.3.1 Interpretation der Ergebnisse
Das wichtigste Ergebnis der Messungen ist die Aussage: es gibt keine universelle
ppm-Leckraten Korrelation. Da immer nur ein Teil der Leckage vom Schnüffler
aufgenommen wird, muss grundsätzlich ein Empfindlichkeitsfaktor h eingeführt
werden. Es gilt dann
wobei
ist. Bei Schnüfflern, die die Konzentration des Prüfgases messen, kommt noch die Abhängigkeit vom Schlauchdurchfluss hinzu. Es gilt dann:
wobei
Der Empfindlichkeitsfaktor h ist abhängig von
Infolge der obigen Erkenntnisse kann man die Streuung von Schnüfflermessungen deutlich reduzieren, wenn man die Haupteinflussgrößen für die Streuung möglichst ausschaltet. Dies bedeutet:
Abb 8: Genauigkeit und Streuung von Schnüffelmessungen mit über alle Messungen gemittelter Schnüfflerempfindlichkeit h.
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Als weitere Verbesserungspotentiale bieten sich an:
Die beiden Diagramme in Fig.9a und b zeigen die Auswirkungen auf die Streuung, wenn die Windgeschwindigkeit "Null" (d.h. unterhalb eines Grenzwertes) ist und man nur einen bestimmten Detektor verwendet.
Abb 9a: Streuung der Schnüfflermesswerte: alle Daten.
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Abb 9b: Streuung der Schnüfflermesswerte: Daten nur Detektor A, Windgeschwindigkeit Null. |
Bei der Spülgasmethode (siehe auch Fig 2b) wird der zu prüfende Bereich (Ventilschaft) mit einer festen Hülle umgeben, in welche das Prüfgas durch ein eventuell vorhandenes Leck ausströmen kann. Diese Hülle wird mit prüfgasfreiem Gas durchgespült und die durch austretendes Prüfgas entstehende Prüfgaskonzentration gemessen.
Man kann zwei Grundvarianten unterscheiden, die sich durch die treibende Kraft und die Reinheit des Spülgases unterscheiden. Die beiden Varianten sind in Fig. 10a und 10b dargestellt.
Abb 10a: "Durchblasen" mit reinem Spülgas.
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Abb 10b: "Durchsaugen" mit Umgebungsluft als Spülgas.
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| Einflussgröße | eingestellte Werte (Parameter) |
| Ventilart | 4" Klasse 300 Durchgangsventil |
| Prüfgas | Helium |
| Spülgas | Stickstoff |
| gemessene Leckrate | nur Schaft/Stopfbuchsenleckrate |
| Leckratenbereich | 10-4 bis 10-2 atm.cm3.s-1 |
| Spülgasdurchsatz ("Durchblas" -Methode) | 10 bis70 ml.min-1 (0.17 bis1.17 atm.cm3.s-1) |
| Schnüfflergasdurchsatz | 40 ml.min-1 (0.67 atm.cm3.s-1) |
Neben den in der Tabelle aufgeführten Einflussgrößen wurden noch weitere Variationen bei dieser Messmethode untersucht:
Wenn man eine theoretische Betrachtung zu den Grenzen derSpülgasmethode durchführt, kommt man zu den im Diagramm Fig. 11 dargestellten Verlaufen der "Empfindlichkeit".
Abb 11: Theoretische Grenzen der Spülgasmethode: dabei sindQl Leckrate Qf Spülgasdurchsatz Qp Schnüfflerdurchsatz. |
Man kann das Ergebnis kurz zusammenfassen:
Die angezeigte Leckrate ist immer QA= C . Qf, wobei C ein Empfindlichkeitsfaktor ist, der beschreibt, wie sich die angezeigte von der tatsächlichen Leckrate unterscheidet.Es gibt vorhersagbare Abweichungen, wenn Qf < Qp und wenn Ql nicht sehr klein gegen Qp ist. Diese Abweichungen konnten auch experimentell bestätigt werden, siehe Fig. 12a und 12b.
Abb 12a: Verhalten bei niedrigen Leckraten.
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Abb 12b: Verhalten bei großen Leckraten.
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| Methode | Genauigkeit | Bemerkung | Bewertung |
| "Durchblas"- Methode mit Spülgas aus Gasflasche | Knickt ab, wenn Spülgasstrom unter Schnüffelsondenstrom sinkt. Gut für größere Spülgasdurchsätze | Genauigkeit höher bei Konzentrationsmessung in der Spülgasleitung statt im Spülgasauslass. Abdichtung zwischen Umhüllung und Leckaustritt beeinträchtigt die Genauigkeit nicht merklich, solange Spülgasstrom nicht in der Nähe oder unter dem Schnüffelsondenstrom liegt. | brauchbar |
| "Durchsaugen" von Luft als Spülgas | Besser bei kleinen Leckraten, aber nicht so genau wie "Durchblas"-Methode | Luft aus der Nähe des Leckaustritts (trotz Verseuchung mit Leckgas) beeinträchtigte die Genauigkeit nicht merklich | zu klären |
| "Durchsaugen" von Spülgas aus Flasche | nicht praktikabel | unbrauchbar |
Bei der Spülgasmethode gibt es noch eine Reihe von Punkten, die genauer untersucht werden müssen:
Aber auch bei den bisher ermittelten Ergebnissen ist die Menge an Daten noch klein, so dass weitere Messungen sinnvoll erscheinen, um die Ergebnisse abzusichern.
Die Umrechnung von Leckraten und die Besonderheiten bei erhöhten Temperaturen werden in den beiden weiteren Arbeitspaketen untersucht.
Alle diese Ergebnisse fließen in die ISO Normung ein (ISO TC153/WG10, Leitung: Yves Birembaut, CETIM).
| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
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