DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Einsatz der Schallemissionsprüfung bei der wiederkehrenden Untersuchung an Kühl- und Trockenzylindern in Papiermaschinen - Erfahrungsbericht

Gert Schauritsch, TÜV Österreich, Wien
Kontakt: Ing. Gert Schauritsch

Einleitung:

Das Verfahren der Schallemissionsprüfmethode wird in Österreich seit 1994 erfolgreich bei der wiederkehrenden Überprüfung von Kühl- und Trockenzylindern in Papiermaschinen eingesetzt. Die vom TÜV Österreich entwickelte Applikations-, Mess- und Auswertetechnik erlaubt hierbei eine schnelle und kostengünstige Überprüfung der Zylinder, die im Laufe der Jahre und dem damit verbundenen Erfahrungszuwachs weiterentwickelt und optimiert wurde.
So wurden vom TÜV Österreich seit 1994 bis zum heutigen Tag über 1200 Trockenzylinder verschiedenster Papiermaschinen einer Schallemissionsprüfung unterzogen.
Besonderes Augenmerk bei der Entwicklung der Verfahrenstechnik wurde auf einen, für die Produktion und Instandhaltung, möglichst störungsfreien Einsatz des Messverfahrens gelegt.

Grundlagen der Papiererzeugung:

Die heute in den Papierfabriken eingesetzten Papiermaschinen sind technisch höchst anspruchsvolle Produktionsanlagen, deren Leistungsdaten im Sinne ständiger Qualitäts- und Produktivitätssteigerung immer weiter optimiert werden.
So sind Papiermaschinen mit einer Maschinenlänge von bis zu 200 m und Bahnbreiten von bis zu 10 m durchaus keine Seltenheit mehr, wobei Produktionsgeschwindigkeiten von 1500 bis zu 1700 m/min. schon fast als Standard betrachtet werden können.
Trockenzylinder spielen in diesem Fertigungsprozess dabei eine wesentliche Rolle.

Es handelt sich hierbei um rotierende, mit Dampf betriebene Druckgeräte aus Graubzw. Stahlguss, die in großer Stückzahl (bis zu 100 Stück) in einer Papiermaschine eingebaut sind und den Trocknungsprozess des Papiers während des Durchlaufes durch die Maschine maßgeblich beeinflussen bzw. steuern.

Bild 1 veranschaulicht den grundsätzlichen Aufbau einer modernen Papiermaschine und beschreibt die Arbeitsweise.

Bild 1: Aufbau einer Papiermaschine (Abbildungen mit freundlicher Genehmigung vom Verband deutscher Papierfabriken e.V.;http://www.vdp-online.de/)

In der Stoffzentrale erfolgt die Mischung der Faser- und Hilfsstoffe, die sodann im Stoffauflauf eingespritzt und in der Siebpartie gleichmäßig verteilt wird. Danach ist der strukturelle Aufbau des Papiers praktisch abgeschlossen. Alle weiteren nachgeschalteten Prozesse betreffen einerseits die Papierveredelung und andererseits die Trocknung des Papiers.
In der Pressenpartie erfolgt eine erste Entwässerung des Papiers durch mechanischen Druck. Diesen Bereich verlässt das Papier mit einer Restfeuchte von 50-55 %. Der weitere Feuchtigkeitsentzug bis auf einige wenige Prozent erfolgt durch Kontakttrocknung in der nachgeschalteten Trockenpartie. Hierzu durchläuft die Papierbahn slalomartig die dampfbeheizten Trockenzylinder, über deren Oberfläche das Papier geführt wird und somit das verbliebene Restwasser gleichmäßig aus dem Papier verdampfen kann.

Die Trockenzylinder sind dabei neben der auftretenden Druckbelastung bis zu 8 bar Dampfdruck zusätzlichen Belastungen, auf Grund der hohen Rotations- Geschwindigkeiten der Zylinder, ausgesetzt.

Problemstellung:

Moderne Papiermaschinen werden heute mit einem Auslastungsgrad von 95 % und mehr, bezogen auf ein Kalenderjahr, betrieben. Dies bedeutet, dass Maschinenstillstände selten vorkommen und wenn doch, durch entsprechende Vorausplanung zeitlich optimiert werden. Durchaus üblich ist es, dass im Zuge derartiger Stillstände, neben der normalen Servicetätigkeit an der Maschine, gleichzeitig Umbauarbeiten zur weiteren Qualitäts- bzw. Produktivitätssteigerung der Maschine erfolgen.

Dieser Umstand, die eingeschränkte Zugänglichkeit zu den Zylindern auf Grund der Maschinenkonstruktion und des üblicher Weise vorhandenen Trockensiebes sowie die Notwendigkeit eine Aussage über 100 % der Wandungsteile des Zylinders, der Böden und der Wellenzapfen zu erhalten, stellt hohe Anforderungen an das eingesetzte Prüfverfahren.

Das vom TÜV Österreich eingesetzte Verfahren der Schallemissionsprüfung stellt hierfür eine aussagekräftige, praxisorientierte und wirtschaftlich vertretbare Lösung zur wiederkehrenden Überprüfung derartiger Zylinder dar.

Grundlagen der Schallemissionsprüfung:

Das Verfahren basiert auf Erkenntnissen der modernen Werkstoffforschung und dient zur Feststellung und Lokalisierung von Fehlern in Werkstoffen. Die Schallemissionsprüfung basiert auf der Erkenntnis, dass viele Werkstoffe unter Belastung Schallimpulse emittieren, deren Frequenzspektrum von wenigen Hertz bis zu einigen Megahertz reichen.

Die Ursachen für diese, zum größten Teil im Ultraschallbereich liegenden, Schallemissionen sind verschiedener Natur, wobei bei metallischen Werkstoffen vor allem aus der Struktur stammende Versetzungsbewegungen und Zwillingsbildung bei plastischer Verformung, Rissbildung, Rissfortpflanzung und Rissuferreibung zu erwähnen sind. Darüber hinaus erzeugen auch störende Einflüsse, wie das Abplatzen von Zunder, Reibungsvorgänge an Bauteilen, wetterbedingte Geräusche, wie z.B. Regentropfen etc., sowie Manipulationstätigkeiten an der Behälterstruktur Schallemissionssignale, die es für eine optimale Prüfdurchführung zu vermeiden gilt.

Aktive Fehlstellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie für die Integrität der zu prüfenden Struktur eine potentielle Gefahr darstellen. Ihr Nachweis ist mit Schallemission möglich, da sie sich während der Prüfung unter irreversibler Umwandlung von Energie dynamisch verhalten. Die von der Quelle im Regelfall impulsartig abgegebene Schallwelle breitet sich in der Struktur aus und kann so von den örtlich fixierten Sensoren detektiert werden. Im Gegensatz dazu kann eine während der Prüfung inaktive Fehlstelle nicht nachgewiesen werden. Sie stellt jedoch für die Integrität des Bauteils keine unmittelbare Gefahr dar.

Die messtechnische Erfassung dieser Schallwellen erfolgt durch, an der Behälterwand fixierte, hochsensitive piezoelektrische Wandler (Sensoren), die eintreffende Schallwellen in analoge Spannungssignale transformieren. Das resultierende analoge Spannungssignal wird in der Messelektronik digitalisiert und kann somit edv-unterstützt weiterverarbeitet werden. Besondere Beachtung schenkt man den transienten Einzelimpulsen ("Burstsignale"), deren Signaleigenschaften (Amplitude, Energieinhalt, Anstiegzeit, Signaldauer, etc.) gemessen und in Datensätzen zusammengefasst werden, die sodann statistisch ausgewertet werden können.

Die Anbringung mehrerer Schallsensoren auf einer Struktur erlaubt es, aus den Laufzeitdifferenzen des Schalls bis zum Erreichen der verschiedenen Sensoren den Entstehungsort zu berechnen. Im Zusammenhang mit den Signalparametern der Datensätze der Einzelereignisse (Amplitude, Energieinhalt, etc.) bilden diese Quellorte die Grundlage für die Beurteilung des Druckgerätes im Hinblick auf lokale Fehlstellen im Wandungsmaterial.

Eine weitere Messgröße, die zur Bewertung der Druckgeräte in Hinblick auf Undichtheiten herangezogen wird, ist der Effektivwert des Hintergrundrauschens. Dieser steigt im Falle einer auftretenden Leckage mit steigender Belastung des Behälters stark an. Aus diesem Grund muss bei der Anwendung der Prüfmethode die technische Dichtheit aller Dichtungselemente (z.B. Mannlochdeckel, Anschluss der Druckaufbringung, etc.) angestrebt werden. Sollte eine Leckage auftreten, hat dies die Unterbrechung der Messung und die Behebung der Leckage zur Folge.

Wie erwähnt ist ein Vorteil der Schallemissionsprüfung gegenüber anderen zerstörungsfreien Prüfverfahren, dass es sich hierbei um ein integrales Prüfverfahren handelt, deren Aussage sich auf 100 % der Druckgerätewandung bezieht.

Bei entsprechender Geräteausrüstung ist damit während des aufgebrachten Belastungsregimes eine umfassende Überprüfung der gesamten Druckgerätestruktur gegeben, wobei die Struktur des Bauteiles gefährdende Inhomogenitäten (d.h. schon subkritischer Rissfortschritt kann einwandfrei festgestellt werden) mit ausreichender Vorwarnzeit detektiert werden können.
Ein Nachweis von Fehlstellen ist jedoch auf jene beschränkt, die sich unter Belastung (mechanisch, chemisch, etc.) aktiv verhalten. Beispiele für aktive Fehlstellen sind:

  • Risswachstum
  • durch ein Leck ausströmendes Medium
  • fortschreitende Korrosion

Applikationstechnik:

Bei der vom TÜV Österreich entwickelten Applikationstechnik werden in Abhängigkeit der Zylinderlänge mehrere Schallsensoren entlang der Zylindererzeugenden linear am Prüfling appliziert. Treten nun während der Messung akustisch aktive Quellen auf, so können durch Korrelation der Ankunftszeitunterschiede zwischen den Sensoren (?t-Messung der, von diesen Quellen ausgehenden, Schallwellen) Bereiche der Druckgerätewandung mit akustischer Aktivität von solchen, die sich akustisch neutral verhalten, getrennt werden (siehe Bild 2).

Bild 2: Bereichszuordnung durch Dt-Messung von Schallwellen. Bild 3: Überkopf montierte Applikationsstange mit 3 Sensoren

Bei entsprechender Anzahl und Anordnung der Sensoren wird somit die gesamte Struktur des Trockenzylinders überwacht und beurteilt. Auch eine Bewertung der beiden Bodenbereiche sowie der Wellenstummel ist möglich. Gleichzeitig ergeben die Resultate der Bereichszuordnung Hinweise auf die örtliche Lage möglicher Fehlstellen, die sodann mit herkömmlichen zf-Prüfverfahren gezielt nachuntersucht werden können.

Die Applikation der Sensoren erfolgt mittels Magnethalterungen im Normalfall ohne weitere Vorbehandlung der Applikationsflächen. Als Kopplungsmittel zur akustischen Ankopplung der Sensoren an den Prüflingen dient Fett. Die Applikation erfolgt führerund/ oder triebseitig. Bei größeren Zylinderlängen sind entsprechende Montagehilfen zur Applikation der Sensoren in Maschinenmitte erforderlich. Sämtliche Montagebehelfe sind mit Magnethalterungen ausgestattet. Die Sensoren können somit auch Überkopf montiert werden (siehe Bild 3).
Nach erfolgter Prüfung werden etwaig vorhandene Fettreste des Koppelmittels von der Zylinderoberfläche entfernt, sodass eine Verschmutzung des Trockensiebs beim Anfahren der Maschine weitgehend verhindert werden kann.

Druckaufbringung:

Zur Bewertung eines Trockenzylinders mittels Schallemission ist es erforderlich, dass der Druck im Prüfling während der Messung ausgehend vom drucklosen Zustand kontinuierlich bis zum Erreichen des Prüfdruckes (in der Regel 1,1facher höchst zulässiger Betriebsdruck) gesteigert wird. Die Drucksteigerung erfolgt mittels Pressluft in der Regel über die hausinterne Pressluftanlage des Betreibers.

Auf Grund der konstruktiven Ausführung der Dichtungselemente ist üblicherweise eine leckagefreie Druckbeaufschlagung der Zylinder mit montierten Dampfköpfen unter Prüfbedingungen (bei Stillstand der Zylinder) nicht möglich. Vor Durchführung der Prüfung ist daher in der Regel die Demontage der Dampfköpfe und die Montage geeigneter Druckprobenadapter, die den dichten Anschluss der Druckerhöhungseinrichtung gewährleisten, erforderlich. Üblicherweise werden 2 Trockenzylinder gleichzeitig druckbeaufschlagt und überprüft.
Die Drucksteigerungsrate während der Messung wird kleiner als 0,2 bar/min gehalten und wird durch das Prüfpersonal überwacht.

Aus sicherheits- als auch messtechnischen Gründen (Störeinfluss) sind während der Messung die angrenzenden Bereiche der zu prüfenden Trockenzylinder (üblicherweise der Bereich der Trockengruppe) gegen Zutritt von nicht mit der Druckprobe betrauten Personals zu sichern.

Messergebnisse:

Im folgenden Beispiel soll an Hand der Ergebnisse einer realen Überprüfung in der Praxis die effiziente Arbeitsweise des Prüfverfahrens dokumentiert werden.

Im Zuge der Überprüfung wurden im führerseitigen Bodenbereich akustische Aktivitäten festgestellt. Die Aktivitäten waren schon ab 1,0 bar Überdruck feststellbar und erreichten in der Folge eine Intensität, die eine Weiterführung der Druckprüfung aus sicherheitstechnischen Überlegungen ab 3,4 bar als nicht mehr vertretbar erscheinen lies (Bild 6). Die Überprüfung wurde daher abgebrochen und der Zylinder druckentlastet. Nach Abbau des Strahlungsbleches wurden am Boden im Übergang zur Bodenverschraubung örtlich Anlauffarben festgestellt, die auf Dampferosion hinwiesen. Da eine Nachprüfung der gegenständlichen Bereiche im eingebauten Zustand des Zylinders auf Grund der eingeschränkten Zugänglichkeit nicht möglich war, wurde mittelfristig die Außerbetriebsetzung des Zylinders veranlasst.


Bild 4:
Schaden im führerseitigen Boden eines Trockenzylinders

Bild 5:
ASTM E 446, Cat. A und Cat.B (Größe Level 3, Häufigkeit Level 4-5)

Bild 6:
Auswertung der Schallemissionsprüfung

Nach Ausbau und Zerlegung des Zylinders wurden die fraglichen Bereiche des Zylinderbodens zerstörungsfreien und zerstörenden Prüfungen unterzogen, die das Vorhandensein großflächiger Sand- und Schlackeneinschlüsse im Flanschbereich des Zylinderbodens ergaben (Bild 5). Eine Beurteilung dieser Einschlüsse in Anlehnung an ASTM E 446, "Reference for Steel Castings" ergab einen negativen Befund.

Zusammenfassung:

Die angewandte Verfahrentechnik liefert wesentliche Vorteile im Hinblick auf einen störungsfreien und sicheren Betrieb von Papiermaschinen. Insbesondere sind aus Sicht der Verfahrenstechnik hervorzuheben:

  • Die Schallemissionsprüfung ermöglicht eine ganzheitliche Bewertung des Zylinderzustandes.
  • Die Schallemissionsprüfung ermöglicht die Erkennung von Fehlstellen auch in Bereichen, die von herkömmlichen zf-Prüfverfahren im eingebauten Zustand der Zylinder nicht erfasst werden können.
  • Eine örtliche Zuordnung von aktiven Quellen durch Anwendung entsprechender Korrelationsverfahren erlaubt eine praktikable Bereichseingrenzung nachzuprüfender Stellen mit herkömmlicher zfP.
  • Die Schallemissionsprüfung erlaubt eine schnelle Zustandsfeststellung durch Online Auswertung vor Ort und ermöglicht somit eine unmittelbare Einleitung weiterer Maßnahmen.
  • Die wiederkehrende Anwendung der Schallemissionsprüfung erlaubt eine frühe Erkennung von Zustandsveränderung in Betrieb befindlicher Trockenzylinder ("Finger-Print").

Aus der Sicht des Betreibers der Papiermaschine sind als Vorteile zu nennen:

  • Applikation des Messverfahrens ohne wesentliche Rüstarbeiten möglich.
  • Geringe Behinderung für sonstige Montage- und Revisionsarbeiten.
  • Vertretbare Prüfzeiten und damit planbare Revisionsabläufe.
  • Einhaltung gesetzlicher Regelungen und Vorschriften.
  • Aus ökonomischer Sicht insgesamt ein günstiges Prüfverfahren.

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