DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Phasen-Sensitives-Magnetfeld-Analyse-Verfahren (PSMA) zur Detektion von Leckagen in erdverlegten Fernwärmerohren

Rainer Becker, Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren, Saarbrücken;
Frieder Neumann, PROKONING GmbH, Berlin
Kontakt: R. Becker

Kurzfassung

Erdverlegte Fernwärmerohre mit einer Ummantelung aus isolierendem Hartschaum und einem äußeren Kunststoffmantel werden weltweit seit ca. 15 Jahren eingesetzt. In der Ummantelung wird längs zum Leitungssystem ein Draht mitgeführt. Das PSMA-Verfahren arbeitet mit Wechselstrom (30kHz), der in den Draht eingespeist. Über das mit dem Strom verkettete Magnetfeld können vom Erdboden aus Leckagestellen punktgenau detektiert werden.

Schlüsselworte: Wirbelstrom, Fernwärme, Leckage, Rohrleitung, Magnetfeldmessung

Ausgangssituation

Die Rohrleitungen werden regelmäßig überwacht, um Leckagen rechtzeitig aufzuspüren. Bereits kleinste Feuchtestellen können zu Energieverlusten und zur Zerstörung des Rohrleitungssystems führen. Hervorgerufen werden sie durch Schweißnahtfehler oder auch durch mechanische Einwirkungen (z.B. durch Arbeiten im Tiefbau an anderen Leitungssystemen).

Herkömmliche Verfahren zur Leckortung - wie z.B. das Impuls-Reflexionsverfahren - geben die Rohrlänge einer undichten Stelle gemessenen vom Ort der Stromeinspeisung an. Da der genaue Verlauf der Rohre in der Regel unbekannt ist, kann die Lage der Lecks bisher nicht punktgenau bestimmt werden. Kosten- und zeitintensive Grabungsarbeiten über mehrere Meter werden notwendig, um eventuelle Undichtigkeiten zu finden. Dazu kommt, dass Wasser, welches sich in den Muffen der Rohre ansammelt, zu vermeintlichen Fehleranzeigen führt.

Die von Rohrherstellern und Betreibern der Leitungssysteme geforderte möglichst punktgenaue Detektion bereits im Anfangsstadium der Leckbildung ist mit herkömmlichen Messverfahren also nur eingeschränkt möglich.

Prüfaufgabe

Die Tiefenlage der Rohre (bis zu 2 Meter) verhindert jede direkte Detektion eines Lecks mit herkömmlichen zerstörungsfrei arbeitenden Verfahren. Am Fraunhofer Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren wurde deshalb ein Prüfsystem entwickelt, das es erlaubt, Fernwärmerohre von der Erdoberfläche aus zu prüfen, ohne das Erdreich abtragen zu müssen. Dabei macht man sich den bekannten Umstand zunutze, dass beim intakten Rohrsystem das Innere der Rohrummantelung stets trocken bleibt, während eine Leckage mit einer ergiebigen Feuchtigkeitsansammlung im Hartschaum verbunden ist. Diese Feuchtigkeit ist genau zu lokalisieren.

In vielen Fällen sind die Voraussetzungen zum Einsatz feuchtigkeitssensibler Messverfahren in den Rohrleitungsnetzen schon gegeben, sofern werkseitig beiderseits der Rohre Überwachungsdrähte (metallische Leiter) im Hartschaum angeordnet sind. Bei der Verlegung der Rohre werden diese Drähte durch die Muffen der Schweißnähte durchgeschleift und bis zu den Hausanschlüssen weitergeführt, wo sie jederzeit zugänglich sind.


Abb.1: Modell eines Lecks in einer Fernwärmeleitung

Ergebnisse

Das neuentwickelte Verfahren zur phasenselektiven Magnetfeldabtastung (PSMA-Verfahren) basiert auf der Einspeisung von Wechselstrom statt des üblicherweise verwendeten Gleichstroms in die Überwachungsdrähte. Die Wechselstromfrequenz wird bezüglich des Messeffektes und der Störeinflussunterdrückung optimiert.

Beim Anlegen einer Wechselspannung an den Überwachungsdraht stellt sich auch bei einer Leitung ohne Feuchtigkeit ein Wechselstrom in die Leitung ein, der durch die Kapazität der Zweidrahtleitung, genommen über die Gesamtlänge des Leitungssystems, bestimmt wird. Bei der Leitung mit Feuchtigkeit kommen zu dem Übergangswiderstand an der Feuchtestelle zusätzlich induktive Widerstandsanteile hinzu. Der an der Einspeisestelle gemessene Widerstand ist komplex (Impedanz), so dass sich eine entsprechende Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung einstellt.

Die Wechselstromanregung liefert im Gegensatz zur Gleichstromanregung entlang der Überwachungsleitungen große Signal­gradienten bezüglich Stromamplitude und -phase. Wird dabei jedoch nur an der Einspeisestelle der komplexe Gesamtwiderstand der Leitung als integraler Wert gemessen, geht ein großer Teil der entlang der Leitung verfügbaren Information verloren.

Deshalb wird beim PSMA-Verfahren die bei Wechselstromanregung vorliegende umfangreiche Amplituden- und Phaseninformation als Funktion des Ortes entlang der Leitung abgefragt. Als Informationsträger wird das Magnetfeld genutzt, das mit dem Leitungsstrom verkettet ist und den Leiter auf geschlossenen Bahnen umgibt. Zentral über dem Mittelpunkt zwischen den beiden Überwachungsdrähten ist in jedem Abstand über der Leitung die Amplitude und Phase des Magnetfeldes das exakte Abbild der Amplituden- und Phasenverteilung des Stromes auf der darunterliegenden Leitung.

Die zentrale Abtastposition wird gefunden, indem der Prüfer in einer manuellen oder mechanisiert durchgeführten Schwenkbewegung des Sensors quer zum Rohrverlauf das Signalmaximum feststellt. Die Auswertung der Signalveränderungen bezüglich Amplitude und Pase des Magnetfeldes beim Fortschreiten in Richtung des Rohrverlaufs führt zu der Stelle, an der die Feuchtigkeit im Inneren des Rohrmantels vorhanden ist. Solange sich der Operator zwischen der Einspeisestelle und der Feuchtestelle befindet, bleibt das Signalmaximum nahezu konstant. Wird die Feuchtestelle überschritten, bricht das Signalmaximum zusammen und die Phasenrichtung des rein kapazitiven Leitungsstroms wird angezeigt.

Die Abtastung des Magnetfeldes kann wegen der Wechselstromanregung mit einem induktiven Sensor erfolgen, der die hohen Anforderungen an die Signaldynamik erfüllt.

Im letzten Schritt des PSMA-Verfahrens ist die Signalverarbeitung nachgeschaltet. Sie bereitet die aufgenommenen Messsignale derart auf, dass dem Operator die Interpretation der Messsignale in einfacher, sicherer und nachvollziehbarer Weise ermöglicht wird. Dazu wird das komplexe Empfangssignal am Sensor, verstärkt in zwei gleichgerichtete Signalkomponenten (Realteil- und Imaginärteil der Empfangsspannung), umgesetzt, die letztendlich die Amplitude und Phase des Stroms auf der Leitung darstellen.

Diese Vorgehensweise besitzt folgende Vorteile:

Die Verstärkung und Gleichrichtung der Messsignale kann extrem schmalbandig erfolgen. Typisch ist eine Bandbreite von 3 Hz bei einer Anregungsfrequenz von 30 kHz. Damit können eingestreute Störsignale, z.B. von Starkstrom- oder Datenleitungen, wirkungsvoll unterdrückt werden.


Abb. 2: Prinzipielle Messanordnung zur Leckortung

Bestimmte, einstellbare Phasenrichtungen können ausgeblendet (selektiert) werden, um systematische Störsignale, wie z. B. die Messeffekte der kapazitiven Ableitungs- und Restströme hinter der Feuchtestelle, zu unterdrücken.

Die Phasenselektion kann derart vorgenommen werden, dass am Signalausgang nur die reelle Signalkomponente angezeigt wird, die vom Querstrom hervorgerufen wird, der an der Feuchtestelle zwischen den Überwachungsdrähten fließt. Die Feuchtestelle macht sich im Idealfall als abrupter Signalabfall bemerkbar, wenn der Prüfer diese überschreitet und hinter sich läßt.

Bei mehrfachen Feuchtestellen im Verlauf der Rohrleitung ist der Signalabfall beim Überschreiten der einzelnen Stellen weniger deutlich. Hier kann jedoch die zusätzlich auftretende Phasendrehung genutzt werden, um die Anzeige der Feuchtestelle zu bestätigen.

Ein PSMA-Prüfgerät besteht aus den Komponenten:

  • Wechselstromgenerator mit Strombooster
  • Magnetfeldsensor
  • Analog-Elektronik mit Verstärker und phasenselektivem Gleichrichter
  • Digitale Auswerteeinheit

Zur zeit wird die Prüfung noch von zwei Personen durchgeführt. Das PSMA-Verfahren wird jedoch soweit fortentwickelt, dass die Prüfungen zukünftig per Funk/Telemetrie verfolgt werden und es genügt, dass ein einzelner Prüfer die Trasse abläuft.

Projektpartner

Das Projekt wurde zusammen mit dem mittelständischen Unternehmen PROKONING GmbH, Berlin durchgeführt.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net