DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Quantifizierung von Gasverlust in lecken Ventilen

Joachim Sell DI ( FH ), Physical Acoustics - D
Kontakt: J. Sell

Eine signifikante Reduzierung von Gas Emissionen ist Beschlusssache der internationalen Klimakonferenz, dies ist heute das erklärte Ziel verantwortlicher Politiker und Technologen .

So wird bei ständig zunehmender Information , Wissenstand über machbare und vorhandene Technologie eine Reduzierung von Gasemissionen angestrebt.

Fig 1: Gas- Abfackelflamme.

Immer dann, wenn man eine weithin sichtbare Abfackelflamme einer Pertro/Chem-Produktionsanlage am nächtlichen Himmel sehen kann werden wertvolle hochwertige Gase abgefackelt .Früher war an der Flammenfarbe, bedingt durch die spezifischen Produktionsgase eines Anlagenteils, eine Ortung der flammenden Ursache abschätzbar.Heute ist dies , bedingt durch das Gasgemisch aus dem Recoverysystem, nicht mehr möglich .

Eine preventative Massnahme zur Ortung und möglichst zur Quantifizierung von versteckten Gasverlusten ist daher das angestrebte Ziel .

Eine Methode zur Erkennung von Leckage in scheinbar geschlossenen Gasventilen ( meist Sicherheitsventile ) ist die Schall- Emission Messung .

Eine akustische Ultraschall Prüfung wurde schon in Vergangenheit eingesetzt, jedoch scheiterte meist der Erfolg zur Leckdedektion in der lauten Umgebung der Produktionsanlage, dort wurde schlechthin nahezu überall eine Leckage diagnostiziert .

Schon Mitte der 80ger Jahre wurde bei BP eine Methode mit akustischer Emissionsmessung entwickelt um die innere Gasleckage in Ventilen zu dedektieren und auch zu quantifizieren .

Nach den theroretischen Kenntnisssen zur Erkennung und Quantifizierung von Gaslecks und den Zusammenhang hochfrequenter Emission bei turbulenten Gasströmungen , wurde von 1992 ein 6 jähriger Feldeinsatz in Europa zur Erfahrungssammlung durchgeführt .

Hunderte von lecken Ventilen verschiedener Dimension und Bauart wurden ausser Betrieb genommen und im Labor untersucht um die Korrelation der physikalischen Leck-Quantifizierung und dem gemessenen akustischen Signalmesswert zu bestätigen .

Grundlagen

Schall wird durch die Molekülbewegung in flüssigen und gasförmigen Medien emittiert .

Die dynamische Schallmechanik von Gasen und Flüssigkeiten wird auch aero-,bzw. hydrodynamischer Schall genannt :

Mechanischer Stressbelastung an den Grenzschichten werden oft in Zonen mit höherer Störmgeschwindigkeit festgestellt ( Kavitation ausgenommen ) besonders bei turbulenten Strömungen .

Strömung mit innerer Reibung , ohne Wirbelbildung bezeichnet man als Laminar :

Turbulenz resultiert durch instabile Strömung mit Wirbelbildung .

Der Beginn von Turbulenz tritt auf wenn eine kritische Geschwindigkeit v erreicht wird :

Dies wird mit der Reynoldszahl beschrieben .

Re = n q r /h

n = Strömungsgeschwindigkeit
q = Dichte des strömenden Mediums
r = Radius ( Rohr )
h = Dynamische Viskosität

Zwischen 1.000 bis 10.000 für die Re Zahl ist eine Leckerkennbarkeit unter idealen Laborbedingungen noch möglich .

Die Volumenrate V/s kann mit der Poiseuillle Formel berechnet werden .

V/s = D p t r E4 / 8h l

Dp = Druckdifferenz zwischen beiden Rohrenden
t = Dauer des Flusses
r = Radius d. Rohres ( glatte Wandung angenommen )
h = dynamische Viskosität
l = Länge des Rohres

Theorie und Praxis

Es sind folgende Faktoren zu berücksichtigen :

  • Die Leckstelle ist nicht zylindrisch ( Rohr ) sondern meist komplex spaltförmig geformt.
  • Häufig sind keine glatten Oberflächen vorhanden z.B. durch Ablagerungen , Spalten , Korrossion , Errossion und Risse .
  • Die Turbulenz ist höher als theoretisch angenommen , das Signal ist hoch .
  • Die Turbulenz ist niedriger als theoretisch angenommen , das Signal ist niedrig

Der Gasverlust kann auch an meheren Leckstellen am Ventilsitz auftreten . Fließt das Gas nicht turbulent durch diese Leckstellen kann kein Schall dedektiert werden .

Fließt jedoch das Gas an allen vorhandenen Leckstellen des Ventilsitzes turbulent können sich die Signale addieren .


Messung an einem Ventil

Messpunkte an einem Ventil

VPAC System

Weiterhin entspricht das gemessene Signal des Schallpegels am Sensorausgang nicht dem des Schallpegels an der Leckquelle. Der Schall muß durch das Sensorgehäuse übertragen werden und unterliegt einer Dämpfung . Die Signaldämpfung variert durch die verschiedenen übergänge in der übertragungsstrecke und ist zusätzlich abhängig von der Ventildimension .

Ein weiterer Einflussfaktor ist das Untergrund - Störgeräusch. Der verwendete Sensor unterdrückt durch seine spezielle Konstruktion die normalen Vibration und Anlagengeräusche.. Ein Störsignal kann jedoch auch durch eine turbulente Störquelle in der Nähe des Ventiles übertragen werden : Aus diesem Grund sind Praxiserfahrung notwendig .

Prüfungsdurchführung

Zur Messung muss die Oberfläche des Ventiles zugänglich sein . Loser Rost und Farbe an der Koppelstelle ist mechanisch zu entfernen. ( Ex- Schutzbedingungen beachten )

Die Koppelstelle muss flach sein um den Sensor möglichst vollflächig ankoppeln zu können . Als temporäres Koppelmittel wird Hochvakuumfett verwendet .

Die Wahl der empfohlenen Messpositionen am Ventilgehäuse ist aus o.s.Fig. ersichtlich .

Das Ventil muss zur Messung geschlossen sein , Der Differenzdruck muss > 1 bar sein .

Die Erkennung einer Gas-Leckage ist u.a vom Differenzdruck abhängig .

Die Dedektierbarkeit einer Gasleckage ist im wesentlichen vom Differenzdruck und der Ventildimension abhängig

Die minimal dedektierbare Gasleckage steigt mit zunehmenden Differenzdruck. So kann in einem kleineren lecken Ventil, bei 1bar Differenzdruck noch 0,8 Liter /min Leckage dedektiert werden .Bei einem Differenzdruck von 100bar kann ein Gasleck von 0,2ltr./min erkannt werden. Wird ein Ventil als leck erkannt, muss an dem An-, und abströmenden Rohrflansch innen und aussen gemessen werden um sicherzustellen, dass das Schallgeräuschquelle auch innerhalb des Ventils liegt . Bei Gehäusetemperaturen > 170°C muss ein Schallwellenleiter eingesetzt werden um nicht den Sensor zu beschädigen . Die Signaldämpfung (dB) des Wellenleiters ist zum Messwert des Gerätes zu addieren .

Leckage Quantifizierung mittels PC

Die Messdaten sind aus dem Speicher des VPAC Gerätes in ein Spreadsheet Exel-Programm zu übertragen .

Fig 3: Automatische Berechnung der Gasverluste , PC- Exel Tabelle

Hierbei die Messfolge als Testpunkt registriert . In die Tabelle wird die Indentifikation des Ventils eingegeben . Weiterhin ist der Differenzdruck (bar), der Durchmesser des Anströmrohres, der Ventiltyp ( Schieber oder Kugelventil ) und die Gasdichte einzugeben . Aus dem gemessenen Schallpegelsignal wird dann per Algorithmus der Gasverlust in ltr/min und Tonnen / Jahr berechnet und automatisch in die Tabelle eingefügt.

Werden alle Ventile im Werk vermessen wird i.allg. eine gute übereinstimmung mit der Messung der Verlustkontrollabteilung des Werkes über den gesamten Gasverlust pro Jahr (Tonnen/Jahr) erreicht.

Test Erfahrung

  • 5-10% aller Ventile weisen innere Leckage auf
  • 1-2 % der lecken Ventile produzieren ca. 70% des gesamten Gasverlustes
  • 100 ml /min Gasverlust können in einzelnen Ventilen auftreten
  • < 1 ltr /min Gasverlust kann mit dem VPAC System dedektiert werden
  • >1000 ltr /min Gasverlust können mit dem VPAC dedektiert werden sofern bei solch extrem großen Lecks noch turbulente Strömung vorliegt .
  • Die Quatifizierungsberechnung ist relativ ungenau. Der Fehler kann Faktor 2 bis 3 betragen.
  • Der gemessene Schallpegel des VPAC ist physikalisch nicht vergleichbar mit einem Durchflußmessgerät .

Nachteile

  • Leckage kann nur bei turbulenter Gas-Strömung durch die Leckstelle dedektiert werden
  • Quantifizierung ungenau ( 50% )
  • Differenzdruck muss > 1bar sein
  • Störgeräusche in unmittelbarer Nähe können die Messung verhindern

Vorteile

  • Reduziert drastisch den Gasverlust und damit die Verlust Kosten ( > min.150k€ per anno )
  • Schnelle zerstörungsfreie Leckdedektion von schadhaften Ventilen
  • Auffindung ( Lokalisieren ) der schadhaften Ventile
  • Praktische Vorort Abschätzung zur Quantifizerung des Verlustes von jedem einzelnen lecken Ventil
  • Kein Produktionsstopp , einfache Anwendung , durch Ex- geschützte Geräteausführung
  • Planbare Instandsetzung für wirklich lecke Ventile
  • Effektive Berichterstattung ( Berichtsformat Spreadsheet via PC mit Exel )
  • Gas-Recoverysystem wird für die eigentliche Aufgabe freigehalten
  • signifikante Reduzierung von Gas Emissionen

Zusammenfassung

Die Quantifizierung von Gasverlust durch lecke Ventile ermöglicht :

  • Signifikante Kostenreduzierung durch Verlustkontrolle
  • Planbare Wartung durch quantitative Information
  • Schnelle, effektive Durchführung und Wartung
  • Effektive Kontrolle der Gaszuführung zum Recoverysystem

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net