• 专利附录
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  • 权利要求
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  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:

    公开号:WO1985002905A1
    申请号:PCT/EP1984/000405
    申请日:1984-12-15
    公开日:1985-07-04
    发明作者:Ludger Speitkamp；Rolf Graf
    申请人:Deutsche Babcock Werke Ag；
    IPC主号:G01K3-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines instationären Temperaturprofils über der Wanddicke eines Bauteils
    [0002] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von Temperaturen über der Wanddicke eines Bauteils, insbesondere einer dickwandigen Platte oder eines dickwandigen Rohres. Ein solches Verfahren dient zur Ermittlung eines instationären Temperaturprofils über der Wanddicke eines Bauteils, insbesondere eines Rohres bei Dampferzeugern.
    [0003] Die Temperatur eines von einem heißen Medium durchströmten dickwandigen Rohres gleicht sich bei Änderung der Mediumtemperatur nicht beliebig schnell der neuen Temperatur an. Vielmehr paßt sich die Temperatur der Innenfaser schneller an die neue Temperatur an als die über dem Querschnitt gemittelte Temperatur.
    [0004] Die Innenfaser ist bei der schnellen Temperaturanpassung jedoch in ihrer Wärmedehnung durch das umgebende Material behindert. Dadurch entstehen starke Spannungen, die zur Materialermüdung führen (low cycle fatique).
    [0005] Gemäß den Überwachungsvorschriften des Technischen Überwachungsvereins für Dampferzeuger muß zur Vermeidung von Unfällen durch platzende Rohrleitungen die Materialermüdung von Rohren aus Meßwerten nachgerechnet werden. Die Nachrechnung erfolgte bislang so, daß die Temperaturen der Innenfaser und der Wandmitte eines Rohres gemessen wurden und daraus mittels folgender Formel
    [0006] -
    [0007] die Wärmespannung berechnet wurde; wobei
    [0008]
    [0009] βL = die differentielle Längenausdehnung,
    [0010] E = der Elastizitätsmodul,
    [0011] Δϑ = die Temperaturdifferenz,
    [0012] und
    [0013] v = die Querkontaktionszahl.
    [0014] Dabei hat sich herausgestellt, daß die so vorgenommene Messung aus folgenden Gründen recht ungenau ist:
    [0015] - Werden elektrisch isolierte Thermoelemente verwendet, so kann die Temperaturdifferenz zwar durch direkte Gegenschaltung ermittelt werden, aber diese Ermittlung ist deshalb ungenau, weil diese Thermoelemente selbst ein Zeitverhalten aufweisen und die geometrische Lage der Thermoelementspitze nur durch Röntgenaufnahmen genau bestimmt werden kann, wobei die Eigenschaften des isolierenden Materials der Thermoelemente meistens unbekannt sind.
    [0016] - Werden nicht isolierte Thermoelemente verwendet, so muß jedes der beiden Thermoelemente zunächst mit einem Meßumformer Potential-frei gemacht werden, bevor die Temperaturdifferenz gebildet werden kann; dabei entsteht ein nichtvernachlässigbarer Fehler durch Phasenverschiebung der Meßumformer. - Die Temperatur der Innenfaser ist in der Praxis nicht ohne weiteres meßbar; stattdessen wird drei bis fünf Millimeter von der Innenfaser entfernt durch eine Bohrung von außen gemessen, so daß sich eine Ungenauigkeit aufgrund der Ortsverschiebung dadurch ergibt, daß die integrale mittlere Wandtemperatur durch eine versetzte Thermohülse in Wandmitte gemessen wird.
    [0017] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit die Temperaturen über der Wanddicke eines Bauteils genau erfaßt werden können.
    [0018] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß nur ein Thermoelement zu verwenden ist, um aus der zeitlichen Folge von Meßwerten dieses Thermoelements an seiner Meßstelle das vollständige Temperaturprofil über der Wanddicke des entsprechenden Bauteils zu bestimmen.
    [0019] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind anhand der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
    [0020] Fig. 1 einen Schnitt durch eine Anordnung eines Thermoelements in einem Bauteil nach der Erfindung
    [0021] und
    [0022] Fig. 2 einen Ausschnitt eines Bauteils mit einer Meßstelle eines Thermoelements nach der Erfindung.
    [0023] Gemäß der Fig. 1 ist ein Thermoelement 10 in der Nähe der Innenfaser eines Bauteils 12 angeordnet. Das Thermoelement ist in einer Halterung 14 eingebracht. Mit einer solchen Anordnung eines Thermoelements in der Nähe der Innenfaser eines Bauteils läßt sich das vollständige Temperaturprofil über der Wanddicke des Bauteils nach dem folgenden Verfahren genau erfassen. Dabei ist die rechnerische Ermittlung unter Einsatz von Mikroprozessoren und der elektronischen Datenverarbeitung in üblicher Weise durchzuführen.
    [0024] Die dem Verfahren zur Bestimmung des vollständigen Temperaturprofils über der Wanddicke eines Bauteils aus der zeitlichen Folge von Temperaturmeßwerten eines Thermoelements an seiner Meßstelle in der Nähe der Innenfaser des Bauteils zugrunde liegende Bilanzgleichung wird wie folgt gefunden.
    [0025] Die das dreidimensionale Temperaturprofil hervorrufenden Wärmetransportvorgänge lassen sich grundsätzlich durch die folgende Fouriersche Differentialgleichung beschreiben:
    [0026]
    [0027] wobei
    [0028]
    [0029] λ = die Wärmeleitzahl des Bauteils,
    [0030] Cp = die spezifische Wärmekapazität des Bauteils, ρ = die Dichte des Bauteilwerkstoffs,
    [0031] ϑ(τ,x,y,z) = die Temperatur
    [0032] τ = die Zeit
    [0033] x,y,z = die Raumkoordinaten.
    [0034] Da die Richtung des Wärmeflusses maßgeblich mit einer Koordinatenrichtung übereinstimmt, interessiert hier nur das eindimensionale Temperaturprofil, das durch die folgende Bilanzgleichung beschrieben wird:
    [0035] i v
    [0036] wobei gemäß Fig. 2 folgende Randbedingungen gelten:
    [0037] ϑ(τ,x) =f(t) für x = rme (3)
    [0038]
    [0039] Weiterhin gilt (für den instationären Fall) die Anfangsbedingung
    [0040] ϑ(τ,x) =g(τ) für τ = 0 (5), um eine eindeutige Lösung der Differentialgleichung zur Bestimmung des Temperaturprofils zwischen der Meßstelle
    [0041] (x = rme) und der Außenfaser (x = ra) zu erhalten,
    [0042] Zur Bestimmung des vollständigen Temperaturprofils, d. h. von der Innenfaser (x = ri) bis zur Außenfaser, ist eine dritte Randbedingung zu erfüllen, nämlich
    [0043] A(t,x) =h (τ) für x = ri (6)
    [0044] die den zeitlichen Temperaturverlauf fluidseitig an der Innenfaser beschreibt.
    [0045] Um die Randbedingung an der Innenfaser zu erhalten, wird eine analytische Lösung für die Differentialgleichung (2) betrachtet die gegeben ist durch
    [0046]
    [0047] mit
    [0048] Für jedes n stellt dieser Reihe eine Lösung dar. Im vorliegenden Fall erweist sich die Genauigkeit der Lösung für n = 2 als hinreichend. Daher kann die Reihe nach n = 2 abgebrochen werden. Dann wird erhalten
    [0049]
    [0050] Für drei gegebene Stützstellen xi+1, xi, xi-1 reduziert sich das Problem der Bestimmung der Koeffizienten auf ein Gleichungssystem aus drei Gleichungen mit drei Unbekannten, das eindeutig lösbar ist. Durch analoge Betrachtung in Zeitrichtung läßt sich der Koeffizient a2 eliminieren, so daß eine freie Unbekannte im Gleichungssystem durch die gesuchte Randtemperatur an der Innenfaser belegt werden kann.
    [0051] Damit ist auch eine Randbedingung an der Innenfaser gegeben, so daß sich das vollständige Temperaturprofil mit dem bekannten impliziten Differenzenverfahren nach Crank-Nicolson hinreichend genau bestimmen läßt. Mit dem auf diese Weise bestimmten Temperaturprofil läßt sich durch hinlänglich bekannte Quadrantenverfahren die integrale mittlere Wandtemperatur bestimmen.
    [0052] Eine weitere Charakterisierung des angegebenen Verfahrens ist dadurch gegeben, daß die spezifischen Werkstoffkennwerte in jedem Diskretisierungspunkt temperaturabhängig bestimmt werden (siehe Tabellen im FDBR-Handbuch (Fachverband Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbau) , "Festigkeitsberechnung", Vulkan Verlag,Essen, Ausgabe 1976, unter 3. Werkstoff-Eigenschaften). Die Genauigkeit des zu bestimmenden Temperaturprofils nach dem angegebenen Verfahren läßt sich noch dadurch erhöhen, indem weitere Einflußgrößen durch die Funktion eines bestimmten Faktors berücksichtigt werden.
    [0053] Das angegebene Verfahren kann vorteilhafterweise bei der EDV- gestützten rechnerischen Ermittlung des Gesamterschöpfungsgrades von druck- und temperaturbeanspruchten Bauteilen angewendet werden, wobei das Temperaturprofil über der Wanddicke einen wichtigen Verlauf darstellt. Die maßgebende Temperaturdifferenz Δϑ ist dabei aus der integralen mittleren Wand¬
    [0054] temperatur ϑm und der an der Innenfaser des Bauteils
    [0055] vorliegenden Temperatur ϑi zu bilden, also
    [0056] Δϑm = ϑm - ϑi
    [0057] wobei V = Volumen des Bauteils.
    [0058] Bei der Ermittlung des Gesamterschöpfungsgrades erfolgt in definierten Zeitabständen für solche Bauteile die Erfassung der Meßwerte Druck, Temperatur und Temperaturprofil. Entsprechend der Änderungsgeschwindigkeit einer Leitmeßstelle wird der Abfragezyklus gesteuert. Diese für die Ermittlung der statischen und dynamischen Beanspruchung der Bauteile erforderlichen Meßwerte werden auf Plausibilität geprüft und entweder die Zeitstands- und Dehnungswechselbeanspruchung ermittelt oder bei nicht vorhandener Plausibilität Ersatzfunktionen zur Ermittlung aktiviert. Mit dem System der Erschöpfungs-Nachrechnung läßt sich der Erschöpfungsgrad infolge Zeitstandsschädigung ebenso wie der Erschöpfungsgrad, verursacht durch Dehnungswechselbeanspruchung, zu jedem Zeitpunkt ermitteln und anzeigen.
    权利要求:
    Claims

    P a t e n t a n s p r ü c h e
    Verfahren zur Erfassung von Temperaturen über der Wanddicke eines Bauteils, insbesondere einer dickwandigen Platte oder eines dickwandigen Rohres, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das durch Wärmetransportvorgänge hervorgerufene vollständige Temperaturprofil aus der zeitlichen Folge der Temperaturmeßwerte eines Thermoelements an nur einer Meßstelle in der Nähe der Innenfaser des Bauteils aufgrund folgender Bilanzgleichung bestimmt wird:
    wobei
    λ = Wärmeleitzahl des Bauteils,
    cp = spezifische Wärmekapazität des Bauteils,
    ρ = Dichte des Werkstoffs des Bauteils,
    ϑ(τ,x) = die Temperatur
    τ = die Zeit
    x = die Wegkoordinate und folgende Bedingungen gelten:
    ϑ(τ,x) = g ( τ ) für τ = 0 (5),
    ϑ(τ,x) = f ( τ ) für x = rme (3),
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c hn e t , daß die Reihe (7) für n = 2 mit
    für die Bestimmung des Temperaturprofils hinreichend genau wird.
    3. Vorrichtung zur Erfassung von Temperaturen über der Wanddicke eines Bauteils für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein einziges Thermoelement (10) in der Nähe der Innenfaser eines Bauteils (12) angeordnet ist.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Thermoelement (10) in einer Halterung (14) eingebracht ist.
    类似技术:
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    同族专利:
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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