-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Schließkraft an einer über ein Übertragungselement mittels Antrieb linear antreibbaren Armatur mit einem Ventilkörper und einem Ventilsitz. Ferner betrifft die Erfindung ein Armaturenmessverfahren zur Qualitätsprüfung der Armatur im laufenden Betrieb.
-
Zur Regelung von Fluidströmen in Leitungssystemen werden in der Industrie Armaturen, insbesondere Absperr- oder Regelarmaturen eingesetzt. Bei den zu regelnden Fluidströmen kann es sich um Gase oder Flüssigkeiten handeln, weiter ist es aber auch möglich, dass die strömenden Fluide Granulate, Schrote, Pulver oder Stäube sowie strömende Kunststoffmassen sind. In vielen Fällen ist die einwandfreie Funktionsfähigkeit der Regel- oder Absperrarmaturen unverzichtbare Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit des zu regelnden Betriebs- oder Prozessablaufs. Dies trifft insbesondere auf Betriebs- und Prozessabläufe der chemischen Industrie zu. So müssen insbesondere sicherheitsrelevante Armaturen in regelmäßigen Abständen auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft werden. Oft ist es jedoch nicht möglich, sicherheitsrelevante Armaturen aus dem betroffenen Leitungssystem zwecks Funktionsüberprüfung auszubauen. Zwar liefern bekannte Prüfverfahren, welche im laufenden Betrieb der Armatur angewandt werden können, wichtige Informationen über den Bewegungsablauf der Armatur, jedoch nichts über den inneren Qualitätszustand. Es ist weiterhin oft notwendig die Prozess- und Betriebsabläufe für den Ausbau der zu überprüfenden Armatur zu unterbrechen, um diese einer ausführlichen Funktionsüberprüfung zu unterziehen.
-
Aus der
DE 44 39 230 C2 ist ein Verfahren zur Zustandsbestimmung von Armaturen bekannt, bei dem eine einem übertragenden Drehmoment proportionale Torsion an der Armatur mittels optischer Triangulation gemessen wird.
-
Ferner ist aus der
DE 102 09 545 A1 ein Verfahren zur Online-Erfassung von Ventildaten bekannt, bei dem Betriebsparameter und/oder Zustandsparameter erfasst werden und auf den technischen Funktionszustand des Ventils geschlossen wird. Dabei wird vorgeschlagen, dass zum Erhalt der Zustandsparameter während des Betriebes kleine Schwingungen oder Auslenkungen um den Arbeitspunkt herum angeregt werden.
-
Ein weiteres Verfahren zur sicherheitstechnischen Überprüfung von Armaturen mit elektrischem Stellantrieb ist in der
DE 42 07 643 A1 offenbart. Bei dem Verfahren wird bei Betätigung der Armatur aus den aufgezeichneten Wirkleistungskurven des Stellantriebes auf das wirkende Drehmoment rückgeschlossen.
-
Die Anmelderin hat den Bedarf für eine technische Zustandsprüfung von drehantreibbaren Armaturen erkannt und ein diesbezügliches Verfahren für drehantreibbare Armaturen gemäß
DE 10 2012 111 883 A1 entwickelt.
-
Zur Durchführung dieses Messverfahrens wird auch eine besondere Torsionsmesskupplung gemäß
DE 20 2010 010 267 U1 verwendet.
-
Ferner gibt es in der Industrie auch viele Anwendungen, bei denen die Armaturen linear angetrieben werden, also sogenannte Hubventile verbaut sind. Mit den vorgenannten Verfahren und Vorrichtungen kann jedoch keine präzise Aussage über den technischen Zustand an Hubventilen, beispielsweise Absperrschieber oder Keilschieber, bei denen eine Spindel als Übertragungselement eine lineare Bewegung auf einen Ventilkörper, beispielsweise einen Keil überträgt, getroffen werden.
-
Demnach beschreibt die
US 5,140,853 ein dynamisches Lastmesssystem zum Überwachen und Messen der variablen dynamischen Schubkraft, die durch den Antrieb auf die Ventilspindel ausgeübt wird.
-
Eine entsprechende Kraftmessvorrichtung zur Aufnahme in einer Ventilspindel ist in der
US 2015/0082902 A1 beschrieben.
-
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Armaturenmessverfahren für derartig antreibbare Armaturen für Einstellungen und Qualitätsprüfungen daran weiterzubilden.
-
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie einem Armaturenmessverfahren nach Anspruch 2.
-
Durch das Messen der an dem Übertragungselement (Spindel oder Welle) der Armatur wirkenden Schubkraft mit einer Kraftmessvorrichtung wird die wirkende Schubkraft unmittelbar erfasst, womit eine sehr feine Auflösung und eine unmittelbare Zuordnung möglich ist. In weiterer Ausgestaltung misst bevorzugt die gleiche Kraftmessvorrichtung auch beim Auffahren des Hubventils die an der Spindel wirkende Zugkraft. Entsprechend ist auch für den Auffahrvorgang eine unmittelbare Zugkraftmessung möglich.
-
Wenn in einer Schließstellung der Armatur eine vordefinierte Schubkraft in Richtung auf die Schließstellung der Armatur aufgebracht wird und ein Stellweg für den linearen Antrieb begrenzt wird, so dass die vordefinierte Schubkraft wiederholbar in Schließstellung wieder erreicht wird, kann die Armatur über den Antrieb durch Linearbewegung des Übertragungselementes (Spindel oder Welle) bei wiederholter Betätigung in die geometrisch gleiche Schließstellung gebracht und - zumindest bei einem nicht verschleißten Ventil - eine vordefinierte Schubkraft in Richtung der Schließstellung und somit des Ventilkörpers auf den Ventilsitz aufgelastet werden.
-
Um die Schließstellung und eine vordefinierte Schubkraft in Richtung der Schließstellung, also Auflast des Ventilkörpers auf den Ventilsitz, präzise aufbringen zu können, berührt zur Definition der Schließstellung ein über das Übertragungselement verstellbares Ventilelement der Armatur gerade seinen Ventilsitz kraftlos, wobei anschließend die vordefinierte Schubkraft auf das Übertragungselement aufgebracht wird.
-
Um den Ventilkörper in den Ventilsitz mit einer vordefinierbaren Schubkraft hinein zu drücken, wird dann die vordefinierte Schubkraft mittels einer Längenänderung des Übertragungselementes aufgebracht.
-
Alternativ kann die vordefinierte Schubkraft mittels eines einstellbaren Weganschlages für den linearen Antrieb des Übertragungselementes aufgebracht werden.
-
Wenn die Schubkraft beim Zufahren und/oder die Zugkraft beim Auffahren der Armatur laufend aufgezeichnet werden, können die aufgezeichneten Schubkraft- und Zugkraftkurven ständig oder bedarfsweise miteinander verglichen werden. Somit ist es möglich einen Verschleiß an der Armatur anhand von Änderungen der Kraftkurven feststellen zu können.
-
Besonders bevorzugt wird ein Referenzverlauf der Schub- und Zugkraft beim Auf- und Zufahren vor oder bei (Wieder-)Inbetriebnahme der Armatur aufgezeichnet und die Schub- und Zugkraft im laufenden Betrieb der Armatur gemessen, wobei der Verlauf der Schub- und Zugkraft beim Auf- und Zufahren im Betrieb mit dem Referenzverlauf verglichen wird und bei Abweichungen größer eines vorbestimmten Fehlerschwellwertes Fehler gemeldet werden, womit eine automatisierte Fehlerausgabe ermöglicht wird. Dabei können die vorbestimmten Fehlerschwellwerte so festgelegt werden, dass zwar noch ein ausreichend sicherer Ventilbetrieb möglich ist, jedoch bei einer nächsten Produktionsunterbrechung das betreffende Ventil in der Industrieanlage ausgetauscht, aufbereitet oder instandgesetzt wird.
-
Entsprechend kann das Armaturenmessverfahren zur Qualitätsprüfung der Armatur im laufenden Betrieb verwendet werden. Der Zustand des Ventils kann somit während des Betriebes ohne Produktionsunterbrechung und ohne Ausbau- und Montageaufwand ermittelt werden.
-
Vorrichtungsgemäß ist die Kraftmessvorrichtung zur Bestimmung der Zug- oder Schubkraft zwischen dem Antrieb für die Armatur und dem Übertragungselement (Spindel oder Welle) angeordnet. Bevorzug ist dies ein Zug- und Druckaufnehmer.
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben.
-
Darin zeigt:
- 1 ein Hubventil in schematischer Ansicht in Offenstellung,
- 2 das in 1 dargestellte Hubventil in Schließstellung,
- 3 eine Kraftmesskurve als Zeitreihe über einen Messzyklus „auf/zu“ im Neuzustand,
- 4 in einem ersten Verschleißzustand,
- 5 in einem zweiten Verschleißzustand und
- 6 in einem dritten Verschleißzustand.
-
In 1 ist in schematischer, teils geschnittener Ansicht ein Hubventil 3 mit einem schematisch angedeuteten Ventilgehäuse 30 und einem Übertragungselement 2 in Form einer Spindel dargestellt. Am in 1 orientierten oberen Ende des Übertragungselementes 2 ist ein Antrieb 1 zum linearen Bewegen des Übertragungselementes 2 entlang der stichpunktierten Längsachse, nämlich der Spindelachse X. Der Antrieb 1 kann pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch über entsprechende Stellglieder erfolgen. Ferner ist auch eine Auflast mittels Federkraft, beispielsweise für Sicherheitsventile denkbar.
-
Am unteren Ende des Übertragungselementes 2 ist ein Ventilkegel 31 angeordnet, der mit einem Ventilsitz 32 zusammenwirkt. In 1 ist das Hubventil 3 in geöffneter Stellung dargestellt. Entsprechend kann der Fluidstrom F über Ventilkörper 31 und Ventilsitz 32 fließen. In 2 ist das gleiche Ventil in geschlossener Stellung, also vom Ventilantrieb 1 linear entlang der strichpunktierten Spindelachse X nach unten verstellt dargestellt ist. In dieser Stellung sitzt der Ventilkörper 31 auf dem Ventilsitz 32 auf und sperrt den Fluidstrom F im Ventilgehäuse 30 ab.
-
Das als Spindel ausgebildete Übertragungselement 2 führt von außen durch das Ventilgehäuse 30 in den Ventilinnenraum, wobei an diesem Ende der Ventilkörper 31 innerhalb des Ventilgehäuses 30 angeordnet ist. Zur Vermeidung von unerwünschtem Mediumaustritt ist eine Stopfbuchse 23 an dieser Gehäusedurchführung angeordnet. Die Ventilspindel 2 weist ferner eine Vorspanneinrichtung 4 auf, die beispielsweise aus einer Überwurfmutter 41 mit Links- und Rechtsgewinde besteht, in der die Spindel 2 in zwei Abschnitten, einem oberen Abschnitt 21 und einem unterem Abschnitt 22, mit jeweils einem Rechts- und Linksgewinde verbunden ist. Entsprechend kann durch Verdrehen der Überwurfmutter 41 die Gesamtlänge der Ventilspindel 2 verändert werden. Der obere Abschnitt 21 der Spindel 2 weist eine Kraftmessvorrichtung 5 auf, die Zug- und Drucklasten in Richtung der Spindelachse X messen kann. Beispielsweise kann der obere Abschnitt 21 der Spindel 2 hier getrennt und über eine Zug- und Druckmessdose 51 verbunden sein. Um die Messeinrichtung 5 an den lineargetriebenen Armaturen anzubringen, gibt es mannigfaltige Möglichkeiten. So ist es auch möglich, die Zug- und Druckmessdose im Membranteller oder Ventilteller im Antrieb zu installieren.
-
Ferner ist für den Antrieb 1 zur Linearbewegung des Übertragungselementes 2 in Richtung der Spindelachse X ein Weganschlag 11 vorgesehen, sodass ein fest definierter Abstand L zwischen Ventilsitz 32 und diesem Weganschlag 11 vorgegeben ist.
-
Nachfolgend wird das Armaturenmessverfahren sowie die anfänglichen Grundeinstellungen zur Durchführung des Verfahrens unter Bezugnahme auf das in den 1 und 2 dargestellte Hubventil 3 beschrieben.
-
Zunächst wird zur genauen Definition der Schließstellung der Antrieb 1 auf den Weganschlag 11 gefahren, wobei der Ventilkörper 31 gerade seinen zugeordneten Ventilsitz 32 kraftlos berühren soll. Aus dieser Grundstellung wird dann mittels der Vorspanneinrichtung 4 durch Drehen der Überwurfmutter 41 eine vordefinierte Schubkraft, beispielsweise 900 N, auf das als Spindel ausgebildete Übertragungselement 2 aufgelastet. Die wirkende Schubkraft ist über die Kraftmessvorrichtung 5 messbar.
-
Da zudem beim Bewegen der Spindel 2 durch den Antrieb 1 beim Zu- und/oder Auffahren eine Last während der Bewegung über die Kraftmessvorrichtung 5 ablesbar ist, kann diese Kraft der Reibung in der Stopfbuchse 23 zugeordnet werden. Mit der Spannvorrichtung 4 wird dann der Ventilkegel 31 gegen den Sitz 32 gedrückt. Im Beispiel in 3 auf ca. 680 N. Dann folgt die Auffahrbewegung. Die neutrale Phase wird erreicht, wo die Kraftrichtung von Druck auf Zug wechselt. Nun wird die Reibungskraft der Stopfbuchse mit der Zugbewegung mit ca. 230 N gemessen. Es folgt der Schließvorgang mit der neutralen Phase, wo der Wechsel von Zug- auf Druckmessung übergeht. Die Reibung der Stopfbuchse wird nun mit der Druckmessung gemessen, die ebenfalls ca. 230 N beträgt. Danach erfolgt das Schließen des Ventils mit der Vorspannung von 680 N.
-
Die Reibungskraft an der Stopfbuchse 23 kann somit genau gemessen werden, wenn sich die Armatur in Aufstellung bewegt und die Vorspannung aufgehoben ist. Erst wenn die Vorspannung im Schließvorgang wirksam wird, werden sich beide gemeinsam im Messergebnis finden. Entsprechend ist die vordefinierte Schubkraft, die auf das Übertragungselement 2 aufgelastet wird, so zu wählen, dass die in der Kraftmessvorrichtung 5 gemessene Auflast abzüglich der Reibungskraft (z. B. 230 N), die von der Stopfbuchse 23 aufgenommen wird, dem gewünschten Pressdruck (z. B. 680 N) des Ventilkörpers 31 auf dem Ventilsitz 32 entspricht. Sobald diese Einstellung vorgenommen ist, kann dann bei dem neuwertigen oder überholten Hubventil 3 ein Referenzverlauf der Schub- und Zugkraft beim Auf- und Zufahren der Armatur aufgezeichnet werden. Dieser Referenzverlauf entspricht der Kraftmesskurve gemäß 3.
-
Nunmehr wird im weiteren Betrieb jeweils der Kraftverlauf beim Auf- und Zufahren der Armatur als „Betriebskurve“ aufgezeichnet. Dabei wird jeweils die Betriebskurve mit dem Referenzverlauf verglichen und somit etwaiger Verschleiß erkennbar gemacht. Solange keine oder nur geringe Abweichungen zur Referenzkurve bestehen, ist mit der Betriebskurve der Gutzustand der Armatur nachgewiesen.
-
Demgegenüber ist beispielhaft bei einem späteren Messverlauf eine deutliche Abweichung der gestrichelt dargestellten Betriebskurve vom Referenzverlauf gemäß 4 beim Schließvorgang aufgetreten, nämlich von ca. 680 N auf 830 N. Hier hat sich eine Ablagerung auf dem Ventilsitz gebildet. Die Ablagerung beträgt etwa 0,1 mm, woraus sich beim Zufahren des Ventils auf den Anschlag 11 der höhere Auflastdruck ergibt. Veränderungen an der Reibungskraft der Stopfbuchse sind nicht aufgetreten. Entsprechend wird bei einer automatisierten Auswertung der Messkurven eine Fehlermeldung ausgegeben.
-
Ebenso ist die in 5 gestrichelt dargestellte Betriebskurve als fehlerhaft zu qualifizieren, da ein zu geringer Pressdruck in Schließstellung, nämlich ca. 490 N gegenüber der Basis von 680 N angezeigt wird. Hier hat ein Abtrag von ca. 0,1 mm an der Sitzgarnitur stattgefunden, woraus sich beim Zufahren des Ventils auf den Anschlag 11 der verminderte Auflastdruck ergibt. Eine Undichtigkeit ist die Folge. Auch hier würde ein automatisches System eine Fehlermeldung abgeben.
-
In 6 wurde die Stopfbuchse zu fest nachgezogen. Die höhere Reibungskraft der Stopfbuchse vermindert auch die Vorspannung auf die Sitzgarnitur. In diesem Bild hat die Sitzgarnitur des Hubventils 3 keinen Fehler. Die Addition der Kräfte ergibt wieder die Vorspannung im Neuzustand. Bei der Auswertung ist dies zu berücksichtigen. Die Vorspannung kann nun wieder angepasst werden. Eine Verkleinerung der Reibungskraft an der Stopfbuchse hat die gegenteilige Auswirkung. Die Messung der Reibungskraft von der Stopfbuchse ist wichtig. Hat sie sich verändert, so hat sie Einfluss auf die Vorspannung an der Sitzgarnitur. Die Sitzgarnitur muss keine Störung aufweisen nur weil sich die Reibungskraft der Stopfbuchse geändert hat.
-
Damit ist erkennbar, dass mit dem Armaturenmessverfahren eine Qualitätskontrolle an linear betätigten Armaturen während des Betriebes durchgeführt werden kann.
-
Im einfachsten Fall wird lediglich die definierte Vorspannung in Schließstellung, also bei auf dem Ventilsitz 32 aufsitzendem Ventilkörper 31 jeweils als wiederholte Messgröße mit der ursprünglich eingestellten Vorspannung verglichen. Bilden sich Ablagerungen zwischen Ventilsitz 32 und Ventilkörper 31 so würde dies die Vorspannung erhöhen, da der Verstellweg minimal kleiner wird und somit ein höherer Aufpressdruck auf dem Ventilsitz 32 gemessen an der Spindel 2 entsteht. Sollte Abrieb oder Auswaschungen am Ventilsitz 32 bzw. Ventilkörper 31 entstehen, würde dies zu einer minimalen Verlängerung des Stellweges führen, sodass die Vorspannung geringer wird. Somit kann bereits allein der an der Spindel 2 mittels Kraftmessvorrichtung 5 gemessene Auflastdruck in Schließstellung eine Aussage über die Qualität der Armatur, nämlich insbesondere den Verschließ am Ventilkörper 31 bzw. Ventilsitz 32 liefern. Entsprechend sind bereits beim Vergleich dieser Messwerte Veränderungen wie Abrieb, Kavitationsschäden, Auswaschungen, Materialabtrag erkennbar.
-
Wird die gesamte Schub- und Zuglastaufzeichnung ausgewertet, wie zu den 3 bis 9 beschrieben, können darüber hinaus auch andere Beeinträchtigungen der Armatur, beispielsweise Verhärtung der Stopfbuchse, nachlassende Antriebskräfte, Blockaden oder nicht vollständig schließende Ventile im laufenden Betrieb ohne Demontage des zu überwachenden Hubventils durch die Auswertung der gemessenen Kraftkurven ermittelt werden. Damit ist es auch möglich, die an den Stopfbuchsen wirkenden Reibungskräfte zu bestimmen und beispielsweise die Ursache für Schwergang, Versagen und bei zu niedrigen Reibungskräften die Ursache für Undichtigkeiten zu ermitteln.
-
Bevorzugt werden die Kraftkurven, nämlich die ständig gemessenen Betriebskurven mit dem Referenzverlauf in einem automatisierten Verfahren derart verglichen, dass mit einer entsprechenden Auswertesoftware Fehler ermittelt und Wartungsbedarfe angezeigt werden können. Die Software wird bevorzugt über Rückmelder der Armaturenposition bei Regelventilen gesteuert. Dabei kann die Auswertung über das Leitsystem des Betreibers der Industrieanlage erfolgen.
-
Selbstverständlich ist es alternativ auch möglich eine Handauswertung über Datenlogger und/oder Handmessinstrumente durchzuführen. Stets ist hier jedoch die Kraftmessung an dem Übertragungselement (Spindel 2) zu bestimmten Betriebszuständen des Hubventils oder über bestimmte Zeiträume, beispielsweise beim Auf- und Zufahren Voraussetzung für die Qualitätskontrolle.
-
Ebenso ist es möglich, mit der hier beschriebenen Armaturenmessmethode auch linear bewegte Sicherheitsventile zu überwachen. Dabei wird die Ventilspindel bei Sicherheitsventilen mittels Federkraft auf den Ventilsitz der Sicherheitsarmatur gedrückt. Zwischen den vorgeschriebenen Prüfzyklen ist jedoch keine Kontrolle vorhanden, ob die Armatur zwischenzeitlich betätigt wurde oder die Federspannung, die für den Anpressdruck verantwortlich ist, noch den gestellten Aufgaben genügt. Auch hier können mit dem erfindungsgemäßen Armaturenmessverfahren durch die Messung der auf der Spindel 2 lastenden Kraft etwaige Betätigungen und auch Veränderungen, die bei etwaigen Betätigungen entstehen, sicher bemerkt werden.
-
Ebenso ist es möglich, mit der hier beschriebenen Armaturenmessmethode auch linear bewegte handbetätigte Armaturen mit Gewindespindel zu überwachen. Als Anschlag dient die Gewindespindel, die z. B. mittels Kontermuttern den Weg begrenzt und so gleichzeitig als Anschlag dient. Die Messeinrichtung ist im Gehäuse der Spindelmutter untergebracht. Zug- und Druckmessungen arbeiten hier nach der beschriebenen Messmethode. Gleiches gilt für elektrisch betriebende Armaturen mit Gewindespindel.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Antrieb
- 11
- Weganschlag
- 2
- Übertragungselement, Spindel
- 21
- oberer Abschnitt
- 22
- unterer Abschnitt
- 23
- Stopfbuchse
- 3
- Hubventil
- 30
- Ventilgehäuse
- 31
- Ventilkörper, Ventilkegel, Ventilelement
- 32
- Ventilsitz
- 4
- Vorspanneinrichtung
- 41
- Überwurfmutter
- 5
- Kraftmessvorrichtung
- 51
- Zug-/Druckmessdose oder -aufnehmer
- F
- Fluidstrom
- L
- Abstand Anschlag-Ventilsitz
- X
- Spindelachse
