EP0554640B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der kavitationsbedingten Erosion in fluiddurchströmten Komponenten - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for determining the cavitation-related erosion rate in components through which fluid flows and according to the preamble of claim 1 and a device for carrying out the method.
- cavitation occurs in the fluid conveyed under certain conditions.
- zones with negative pressure occur due to local overspeeds, which lead to the formation of vapor bubbles when the local pressure falls below the vapor pressure of the fluid being pumped.
- the vapor bubbles are flushed with the flow in zones of higher pressure, where they implode. This creates a very high pressure peak or a very high cavitation intensity locally, which can cause material corrosion or cavitation damage.
- the measurement of the liquid sound requires that a corresponding pressure measuring device has to be introduced into the component through which the fluid flows and has direct contact with the fluid.
- the creation of a corresponding opening in the outer wall of the component through which the fluid flows is extremely problematic, particularly in existing plants, for example in the nuclear field, for safety reasons. For this reason, the known method for determining the erosion rate is unsuitable, for example, for short-term checks on existing systems.
- a further disadvantage of the known method is that the pressure measuring device has to be fixed in terms of flow technology within the component through which the fluid flows, in order to avoid measurement errors due to air bubbles accumulating.
- a further device is known from JP-A-20 10,000, which detects the vibration of the housing of a fluid-flowed component with a vibration sensor, the sensor being arranged on the outside of the housing.
- the vibration signal is integrated over a long period of time and the depth of the erosion damage that occurs is measured with every maintenance work on the component. This creates a relationship between the integrated vibration signal and the depth of erosion damage, so that it can be roughly estimated when the next maintenance work is due.
- This known device has the disadvantage that it is unable to determine a currently occurring cavitation-related erosion rate. but only allowed to calculate a depth of erosion damage over a very long period of time.
- the structure-borne noise or the vibration of the outer wall of the fluid-flowed component is recorded with a structure-borne noise measuring device and is forwarded to a signal processing unit, from the processed signal with the aid of a computer with numerical methods of the liquid noise calculated, the erosion rate determined and transmitted to an output unit.
- the cavitation-related erosion in components through which fluid flows can be derived by detecting the vibration of the pump housing.
- the cavitation-related liquid sound is transferred to the pump housing and is detected by a sensor of a structure-borne sound measuring device, amplified, filtered and digitized in a signal processing unit and transmitted to a computer.
- Other measurement data acquisition devices such as the outlet pressure measuring device, the suction pressure measuring device, the fluid temperature measuring device or the speed measuring device enable the computer to calculate, for example, the flow rate or the relationship between flow rate and erosion rate.
- the determined values can be displayed via the output unit, the output unit activating a warning, for example, when a limit value that can be specified via the input unit is exceeded.
- the advantages of the invention can be seen in the fact that the erosion rate is determined without intervention in the component through which the fluid flows and also temporarily and briefly, e.g. for test or control purposes.
- the imploding vapor bubbles cause pressure waves, which can be measured with a pressure measuring device as liquid sound.
- the pressure waves also set the outer wall of the component through which the fluid flows, for example a pump housing, in vibration, which manifests itself as structure-borne noise and can be measured, for example, by means of an accelerometer which is attached to the outside of the pump housing.
- Both the liquid sound and the structure-borne sound are dependent on the hydrodynamic cavitation intensity and are therefore potential measurement parameters for estimating the erosion caused by cavitation.
- a diagnostic system enables you to determine whether the hydrodynamic cavitation intensity exceeds the cavitation resistance of the material, and to quantify possible damage as a result.
- Empirical studies have shown that there is a correlation between metal loss due to cavitation-related erosion and liquid noise.
- E R f (CNL) where E R corresponds to the erosion rate (in mm / h) and CNL (Cavitation Noise Level) to the cavitation-related liquid sound level.
- the measured acceleration of the outer wall of a component through which fluid flows is a measure of the pressure fluctuations of the fluid within the component.
- acoustic methods such as statistical energy analysis or by determining the transfer function, it is possible to determine the liquid noise NL based on the housing vibration CV (equation 4).
- NL f (CV)
- the acoustic intensity I ac of the liquid sound and thus the corresponding erosion power P ER can thus be determined from the housing vibration CV.
- the erosion performance P ER and thus the erosion rate E R can therefore be calculated from the housing vibration CV.
- FIG. 1 shows a pump 1 which is driven by a motor 2 via a rotating shaft 3.
- the pump delivers a fluid from the suction line 5b to the pressure line 5a.
- a structure-borne noise measuring device 7 detects the vibrations of the outer wall of the pump 1, wherein the structure-borne noise measuring device 7 can be firmly connected to the outer wall or, for example, senses the vibrations of the outer wall without contact.
- the structure-borne noise measuring device 7 can rest on the outer wall or, for example, be inserted more or less deeply into the outer wall through a bore.
- the signal conditioning unit 10 processes the vibration signal CV by, for example, amplifying, filtering and digitizing it.
- the output unit 13 can further display, for example, the accumulated erosion, or when a predefinable threshold is exceeded, for Example of the erosion rate E R , trigger a signal such as an alarm.
- FIG. 3 shows the same measuring devices as in FIG. 2.
- the speed of the motor 2 can be controlled via an adjusting device 14, which in turn is controlled by the output unit 13 of the computer 11.
- This closed control loop makes it possible, for example, to determine the flow rate of pump 1 as a function of the erosion rate.
- a closed control loop of this type allows, for example, the operating point of the pump to be changed by adjusting the motor speed or, for example, by adjusting the position of a valve, so that the pump operates in an area with a lower risk of cavitation.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der kavitationsbedingten Erosionsrate in fluiddurchströmten Komponenten gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
- Bei Pumpen und anderen fluiddurchströmten Komponenten tritt im geförderten Fluid unter gewissen Bedingungen eine Kavitation auf. So treten zum Beispiel an den Eintrittskanten der Laufradschaufeln einer Kreiselpumpe infolge örtlicher Übergeschwindigkeiten Zonen mit Unterdruck auf, die zur Dampfblasenbildung führen, wenn der örtliche Druck unter den Dampfdruck des geförderten Fluides fällt. Die Dampfblasen werden mit der Strömung in Zonen höheren Druckes gespült, wo sie implodieren. Dabei entsteht örtlich eine sehr hohe Druckspitze beziehungsweise eine sehr hohe Kavitationsintensität, die Materialanfressungen beziehungsweise Kavitationsschäden verursachen können.
- Es ist bekannt, die hydrodynamische Kavitationsintensität beziehungsweise die kavitationsbedingte Erosionsrate in fluiddurchströmten Komponenten wie Pumpen, Turbinen, Regel- oder Absperrarmaturen durch die Messung des Flüssigkeitsschalles kontinuierlich abzuschätzen. Ein empirisch ermittelter Zusammenhang zwischen Flüssigkeitsschall und Erosionsrate erlaubt das potentielle Risiko von Kavitationsschäden quantitativ zu beurteilen.
- Ein entsprechendes Verfahren mit Vorrichtung zur Bestimmung der Erosionsrate ist zum Beispiel aus "Guidelines for Prevention of Cavitation in Centrifugal Feedpumps, EPRI GS-6398, Project 1884-10, Final Report, Electric Power Research Institute, Palo Alto, California, 1989" Seite 2-24 sowie Seite B-9 bekannt.
- Die Messung des Flüssigkeitsschalles bedingt, dass eine entsprechende Druckmessvorrichtung in die fluiddurchströmte Komponente eingebracht werden muss und mit dem Fluid direkten Kontakt hat. Das Anbringen einer entsprechenden Öffnung in der Aussenwand der fluiddurchströmten Komponente ist besonders bei bestehenden Anlagen, zum Beispiel im Nuklearbereich, aus sicherheitstechnischen Gründen äusserst problematisch. Aus diesem Grund ist das bekannte Verfahren zur Bestimmung der Erosionsrate zum Beispiel für kurzfristige Kontrollen an bestehenden Anlagen ungeeignet. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens liegt darin, dass die Druckmessvorrichtung strömungstechnisch präzis innerhalb der fluiddurchströmten Komponente befestigt werden muss, um Messfehler auf Grund von sich anlagernden Luftblasen zu vermeiden.
- Aus der JP-A-20 10 000 ist eine weitere Vorrichtung bekannt, welche mit einem Vibrationssensor die Schwingung des Gehäuses einer fluiddurchströmten Komponente erfasst, wobei der Sensor auf der Aussenseite des Gehäuses angeordnet ist. Dabei wird das Vibrationssignal über eine lange Zeitdauer aufintegriert und bei jeder Unterhaltsarbeit an der Komponente die Tiefe der aufgetretenen Erosionsschäden gemessen. Daraus wird ein Zusammenhang zwischen aufintegrietem Vibrationssignal und der Tiefe von Erosionsschäden gebildet, sodass ungefähr abgeschätzt werden kann, wann die nächste Unterhaltsarbeit fällig ist. Diese bekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass sie nicht in der Lage ist eine momentan auftretene, kavitationsbedingte Erosionsrate zu bestimmen, sondern nur eine Tiefe von Erosionsschäden über eine sehr lange Zeitperiode zu berechnen erlaubt. Weitere Nachteile sind darin zu sehen, dass das Gehäuse immer wieder geöffnet werden muss um die Tiefe der Erosionsschäden zu messen, dass die gemessenen Werte nicht auf andere Gehäuseformen übertragbar sind, und dass beim Auftreten einer Vibration immer davon ausgegangen wird, dass eine Erosion erfolgt, welche in Wirklichkeit erst oberhalb einer bestimmten Intensität auftritt.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die kavitationsbedingte Erosionsrate mit einem Messfühler zu bestimmen, welcher ausserhalb der fluiddurchströmten Komponente angeordnet ist.
- Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäss den Merkmalen von Anspruch 1. Dabei wird mit einer Körperschall-Messvorrichtung der Körperschall beziehungsweise die Vibration der Aussenwand der fluiddurchströmten Komponente erfasst und einer Signalaufbereitungseinheit weitergeleitet, aus dem aufbereiteten Signal mit Hilfe eines Rechner mit numerischen Methoden der Flüssigkeitsschall berechnet, daraus die Erosionsrate bestimmt und einer Ausgabeeinheit übermittelt.
- Die kavitationsbedingte Erosion in fluiddurchströmten Komponenten wie zum Beispiel einer Pumpe lässt sich durch die Erfassung der Vibration des Pumpengehäuses herleiten. Der kavitationsbedingte Flüssigkeitsschall überträgt sich auf das Pumpengehäuse und wird mittels eines Sensores einer Körperschall-Messvorrichtung erfasst, in einer Signalaufbereitungseinheit verstärkt, gefiltert und digitalisiert und einem Rechner übermittelt. Weitere Messdatenerfassungsvorrichtungen wie die Auslassdruck-Messvorrichtung, die Saugdruck-Messvorrichtung, die Fluidtemperatur-Messvorrichtung oder die Drehzahl-Messvorrichtung ermöglichen dem Rechner zum Beispiel die Berechnung des Förderstromes oder des Zusammenhanges zwischen Förderstrom und Erosionsrate. Die ermittelten Werte sind über die Ausgabeeinheit anzeigbar, wobei zum Beispiel beim Überschreiten eines über die Eingabeeinheit vorgebbaren Grenzwertes die Ausgabeeinheit zum Beispiel eine Warnung aktiviert.
- Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass die Bestimmung der Erosionsrate ohne Eingriff in die fluiddurchströmte Komponente und zudem auch temporär und kurzfristig, z.B. zu Testzwecken oder Kontrollzwecken, durchführbar ist.
- Die implodierenden Dampfblasen verursachen Druckwellen, welche mit einer Druckmessvorrichtung als Flüssigkeitsschall messbar sind. Die Druckwellen versetzen dabei auch die Aussenwand der fluiddurchströmten Komponente, z.B. ein Pumpengehäuse, in Schwingung, was sich als Körperschall äussert und zum Beispiel mittels eines Beschleunigungsmessers, der an der Aussenseite des Pumpengehäuses befestigt ist, messbar ist. Sowohl der Flüssigkeitsschall als auch der Körperschall sind abhängig von der hydrodynamischen Kavitationsintensität, und sind daher potentielle Messgrössen zum Abschätzen der durch Kavitation verursachten Erosion.
- Kavitationsschäden treten nur dann auf, wenn die vier folgenden Bedingungen erfüllt sind:
- a) Dampfblasen entstehen in der fliessenden Flüssigkeit
- b) die Dampfblasen gelangen in Zonen, in denen der lokale Druck den Dampfdruck übersteigt
- c) die Dampfblasen implodieren nahe einer festen Oberfläche
- d) die hydrodynamische Kavitationsintensität übersteigt den Kavitationswiderstand des Materials
- Sobald implodierende Dampfblasen auftreten, können Druckwellen im Frequenzbereich von typischerweise über 10 kHz gemessen werden. Es ist daher eindeutig feststellbar ob die Bedingungen a) und b) erfüllt sind. Es ist bis heute jedoch keine Möglichkeit bekannt, mittels der Messung von Schallwellen festzustellen, ob Dampfblasen in der Nähe der Oberfläche implodieren und somit potentiell schädlich sind, oder ob die Dampfblasen innerhalb der Flüssigkeit implodieren, wo sie nicht schädlich sind. Die Unfähigkeit festzustellen, ob die Bedingung c) erfüllt ist, ist die gravierendste Einschränkung, wenn mittels der Messung von Schallwellen eine Kavitationsdiagnose durchgeführt wird.
- Trotzdem ermöglicht ein Diagnosesystems einen Hinweis zu ermitteln, ob die hydrodynamische Kavitationsintensität den Kavitationswiderstand des Materials übersteigt, und dadurch mögliche Schäden zu quantifizieren.
- Empirische Untersuchungen haben ergeben, dass eine Korrelation zwischen dem Metallverlust auf Grund kavitationsbedingter Erosion und dem Flüssigkeitsschall besteht.
-
- Dagegen konnte zwischen der Gehäusevibration CV (Casing Vibrations) und der Erosionsrate ER keine Korrelation festgestellt werden.
- Die Gleichung
- Fcor:
- Korrosionsfaktor
- FMat:
- Faktor für metallurgische Struktur
- Iac :
- akustische Intensität
- IR:
- Referenzgrösse
- Die gemessene Beschleunigung der Aussenwand einer fluiddurchströmten Komponente, wie z.B. eines Pumpengehäuses, ist ein Mass für die Druckschwankungen des Fluids innerhalb der Komponente. Mit akustischen Methoden wie z.B. der statistischen Energieanalyse oder durch Bestimmen der Transferfunktion ist eine Ermittlung des Flüssigkeitsschalles NL auf Grund der Gehäusevibration CV möglich (Gleichung 4).
- Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsund Anwendungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Anordnung einer Vorrichtung zur Bestimmung der kavitationsbedingten Erosion in einer Pumpe;
- Fig. 2
- eine schematische Anordnung einer Vorrichtung zur Bestimmung der kavitationsbedingten Erosion sowie der Durchflussmenge;
- Fig. 3
- eine schematische Anordnung einer Vorrichtung zur Beeinflussung der kavitationsbedingten Erosion einer Pumpe.
- Figur 1 zeigt eine Pumpe 1, die durch einen Motor 2 über eine drehende Welle 3 angetrieben ist. Die Pumpe fördert ein Fluid von der Saugleitung 5b zur Druckleitung 5a. Eine Körperschallmessvorrichtung 7 erfasst die Vibrationen der Aussenwand der Pumpe 1, wobei die Körperschallmessvorrichtung 7 fest mit der Aussenwand verbunden sein kann oder zum Beispiel die Vibrationen der Aussenwand berührungslos abtastet. Die Körperschallmessvorrichtung 7 kann auf der Aussenwand aufliegen oder z.B. durch eine Bohrung mehr oder weniger tief in die Aussenwand eingelassen sein. Die Signalaufbereitungseinheit 10 verarbeitet das Vibrationssignal CV, indem es zum Beispiel verstärkt, gefiltert und digitalisiert wird. Der Rechner 11, dem Werte durch die Eingabeeinheit 12 vorgebbar sind, und der die berechneten Werte auf der Ausgabeeinheit 13 ausgibt, berechnet aus dem aufbereiteten Vibrationssignal den Flüssigkeitsschall NL und unter Verwendung der empirischen Korrelation gemäss Gleichung 3 die Erosionsleistung PER sowie unter Verwendung von Gleichung 2 die Erosionsrate ER. Die Ausgabeeinheit 13 kann weiter z.B. die kumulierte Erosion anzeigen, oder beim Überschreiten einer vorgebbaren Schwelle, zum Beispiel für die Erosionsrate ER, ein Signal wie zum Beispiel ein Alarm auslösen.
- Figur 2 weist gegenüber Figur 1 zusätzliche Messvorrichtungen auf, so eine Auslassdruck-Messvorrichtung 6, eine Saugdruck-Messvorrichtung 8, eine Fluidtemperatur-Messvorrichtung 9 sowie eine Drehzahlmessvorrichtung 4. Die gegenüber Figur 1 zusätzlichen Messvorrichtungen erlauben dem Rechner 11 die Berechnung des aktuellen Förderstromes der Pumpe, die Berechnung des Arbeitspunktes der Pumpe, sowie die Konversion des Förderdruckes auf einen Referenzdruck mit einer Referenzgeschwindigkeit der Welle 3. Die Auswertung der von der Signalaufbereitungsvorrichtung 10 bereitgestellten Daten erlauben dem Rechner 11 zum Beispiel die folgenden Grössen zu berechnen:
- spezifische Haltedruckenergie (NPSH, net positiv suction head) der Pumpe 1
- Förderstrom
- Flüssigkeitsschall
- aktuelle Erosionsrate
- Lasthistogramm
- Histogrammes mit Last und Erosionsrate
- kumulierte Erosion
- Figur 3 zeigt die gleichen Messvorrichtungen wie Fig. 2. Die Drehzahl des Motors 2 ist über eine Stelleinrichtung 14 steuerbar, welche ihrerseits durch die Ausgabeeinheit 13 des Rechners 11 gesteuert wird. Dieser geschlossene Regelkreis erlaubt zum Beispiel, den Förderstrom der Pumpe 1 abhängig von der Erosionsrate zu bestimmen.
Ein geschlossener Regelkreis dieser Art erlaubt es zum Beispiel den Arbeitspunkt der Pumpe durch Verstellen der Motorendrehzahl oder zum Beispiel durch Verstellen der Stellung eines Ventils so zu verändern, dass die Pumpe in einem Bereich mit geringerer Kavitationsgefährdung arbeitet. - Die beschriebenen Ausführungs- und Anwendungsbeispiele lassen sich natürlich auch dann realisieren, wenn der Flüssigkeitsschall NL direkt über eine Druckmessvorrichtung zur Verfügung steht.
Claims (10)
- Verfahren zum Bestimmen der kavitationsbedingten Erosionsrate in fluiddurchströmten Komponenten wie zum Beispiel Pumpen (1) oder Armaturen,indem mit einem Messensor (7b), der sich ausserhalb der fluiddurchströmten Komponente (1) befindet, die Vibration oder der Körperschall der Aussenwandung an mindestens einer Stelle gemessen wird,indem ein Flüssigkeitsschall aus dem Messignal berechnet wird,und indem die aktuelle Erosionsrate aus dem Flüssigkeitsschall berechnet wird, unter Verwendung einer empirisch bestimmte Relation zwischen dem Flüssigkeitsschall und der Erosionsrate.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der aus der Akustik bekannten Methode der statistischen Energieanalyse aus dem Vibrations- oder Körperschallsignal der Flüssigkeitsschall ermittelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Transferfunktion aus dem Vibrationsoder Körperschallsiganal der Flüssigkeitsschall ermittelt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechung der Erosionsrate eine werkstoffabhängige Materialkonstante UR, FMat berücksichtigt wird.
- Vorrichtung zum Bestimmen der kavitationsbedingten Erosionsrate in fluiddurchströmten Komponenten mit einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung (7a) mit Messensor (7b) den Körperschall beziehungsweise die Vibration ausserhalb des Fluids erfasst und einer Signalaufbereitungseinheit (10) weiterleitet, und dass ein Rechner (11) mit numerischen Methoden aus dem aufbereiteten Signal eine den Flüssigkeitsschall repräsentierende Grösse berechnet, daraus die aktuelle Erosionsrate bestimmt und einer Ausgabeeinheit (13) übermittelt.
- Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7b) der Messvorrichtung (7a) innerhalb oder an der Aussenwand an die fluiddurchströmte Komponente (1) angekoppelt ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7b) der Messvorrichtung (7a) die Vibration oder den Körperschall der Aussenwand der fluiddurchströmten Komponente (1) berührungslos misst.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Signale einer Auslassdruck-Messvorrichtung (6), einer Saugdruck-Messvorrichtung (8) sowie einer Fluidtemparatur-Messvorrichtung (9) von der Signalaufbereitungseinheit (10) erfasst, verstärkt und digitalisiert werden, derart, dass mit Hilfe des Rechners (11) der Förderstrom bestimmbar ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl-Messvorrichtung (4) die Drehzahl der Welle (3) über die Signalaufbereitungseinheit (10) an den Rechner (11) leitet.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Erosionsrate einen dem Rechner (11) vorgebbaren Schwellenwert übersteigt, die Ausgabeeinheit (13) darauf aufmerksam macht.
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