[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Ermüdung von vorzugsweise
thermisch und/oder mechanisch belasteten Bauteilen, wie z.B. solchen in Kernkraftwerken
oder Flugzeugen, mit außen an den überwachten Bauteilen angebrachten Sensoren.
[0002] Die seitherige Ermüdungsanalyse für einzelne Bauteile, wie z.B. für einen Speisewasserstutzen
in einem Kernkraftwerk, erfolgt aufgrund von Lastfallspezifikationen, die neben thermischen
und mechanischen Belastungsdaten Annahmen über die jeweils zu erwartenden Häufigkeiten
mechanischer Belastungsfälle enthalten. Der Nachteil einer solchen Spezifikation liegt
in den theoretischen Annahmen, die oft nicht mit den im Betrieb durch Messung tatsächlich
festgestellten Beanspruchungen übereinstimmen.
[0003] Auf der anderen Seite ist eine genaue Ermüdungsanalyse erwünscht, um möglichst präzise
vorhersagen zu können, wann ein bestimmtes Bauteil seinen maximalen Ausnutzungsgrad
erreicht hat und demgemäß ausgetauscht werden muß.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überwachung der Ermüdung von Bauteilen,
z.B. in einem Kernkraftwerk, zu schaffen, das eine kontinuierliche, auf tatsächlich
anfallende Meßdaten gestützte Betriebsüberwachung ermöglicht.
[0005] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, das einerseits dadurch
gekennzeichnet ist, daß die von Sensoren an den zu überwachenden Bauteilen in einem
bestimmten Zeittakt gemessenen Meßwerte an einen Prozeßrechner gelangen, der eine
erste Recheneinheit enthält, die den gemessenen Verlauf der Meßwerte in einheitliche
mit unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren beaufschlagte Elementarverläufe auflöst,
derart, daß eine Überlagerung dieser mit den Gewichtungsfaktoren gewichteten vorzugsweise
dreieckigen Elementarverläufe eine Annäherung an den tatsächlich gemessenen Verlauf
der jeweiligen Meßwerte ergibt, daß die in mindestens einem ersten Speicher gespeicherten
Werte für die von diesen Elementarverläufen der Meßwerte erzeugten elementaren Spannungsverläufe
von diesen Elementarverläufen der Meßwerte abgerufen werden und in einer zweiten Recheneinheit
durch Überlagerung dieser mit den obengenannten Gewichtungsfaktoren gewichteten elementaren
Spannungsverläufe der tatsächliche Spannungsverlauf angenähert und in einen zweiten
Speicher abgespeichert wird, daß ferner eine dritte Recheneinheit aus diesem abgespeicherten,
angenäherten Spannungsverlauf unter Verwendung von in einem dritten Speicher stehenden,
spannungsabhängigen Ermüdungskurven den sich während eines Auswertungszyklus ergebenden
Teilausnutzungsgrad des Bauteils errechnet und an einen weiteren Speicher abgibt,
in dem der Teilausnutzungsgrad zu dem darin gespeicherten Gesamtausnutzungsgrad hinzuaddiert
wird und einen neuen Wert für den Gesamtausnutzungsgrad bildet.
[0006] Im konkreten Fall bedeutet dies z.B., daß entlang des Umfangs eines Bauteils, beispielsweise
eines Speisewasserstutzens in einem Kernkraftwerk, Temperatursensoren angeordnet sind.
Aufgrund der örtlichen Temperaturverteilung und/oder des zeitlichen Temperaturverlaufs
werden nun die entsprechenden Temperaturverläufe im Inneren dieses Bauteils berechnet
(Temperatur-Rückwärts-Analyse). Auf der Grundlage dieser für das Innere des Bauteils
errechneten Temperaturen lassen sich rechnerisch die Zugspannungsverläufe im Wandmaterial
des Bauteils ermitteln. Dieses an sich sehr komplizierte Verfahren wird dadurch vereinfacht,
daß die Berechnungen nicht für den tatsächlich gemessenen Verlauf der Meßwerte erfolgen,
sondern für "Elementarverläufe", sogenannten Elementartransienten, als deren Überlagerung
- bei Verwendung bestimmter Gewichtungsfaktoren - der tatsächlich gemessene Temperaturverlauf
näherungseise dargestellt werden kann. Infolge der Linearität des für die Berechnung
der Spannungsverläufe aus den Temperaturverläufen geltenden Gleichungssystems läßt
sich auch der tatsächlich auftretende Zugspannungsverlauf als entsprechende, d.h.
mit denselben Gewichtungsfaktoren versehene Überlagerung elementarer Zugspannungsverläufe
darstellen, die den elementaren Temperaturverläufen entsprechen. Der durch diese Überlagerung
ermittelte - angenäherte - Vergleichsspannungsverlauf wird dann mit Hilfe des bekannten
Rainflow- oder Reservoir-Algorithmus abgearbeitet, d.h. in Teilnutzungsgrade umgerechnet.
Auf diese Art lassen sich die während der Auswertungszyklen ergebenden Teilausnutzungsgrade
zum jeweiligen neuesten Gesamtausnutzungsgrad, einem für die Ermüdung eines Bauteils
charakteristischen Wert, aufaddieren.
[0007] In ähnlicher Weise, wie im vorstehenden Absatz anhand von Temperaturmeßwerten erläutert,
lassen sich auch am Bauteil gemessene mechanische Meßwerte in Teilausnutzungsgrade
umwandeln.
[0008] Parallel dazu kann andererseits vorgesehen sein, daß neben den unmittelbar an dem
zu überwachenden Bauteil abgegriffenen Meßwerten auch Betriebsdaten, die - beispielsweise
von einer Warte oder einem Stellpult aus - das Betriebssystem steuern zu dem das zu
überwachende Bauteil gehört, zur Lastfallidentifizierung herangezogen werden. Derartige
Lastfälle in einem Kernkraftwerk sind beispielsweise "Anfahren", "Schnellabschaltung"
usw. Diesen einzelnen Lastfällen kann man nun bestimmte - empirisch festgestellte
oder auf der Grundlage von Annahmen berechnete oder geschätzte - Vergleichsspannungsverläufe
zuordnen, so daß bei Identifizierung derartiger Lastfälle durch evtl. zusätzliche
Überlagerung mit geeignet gewichteten mechanischen Einheitslastfällen ein Vergleichsspannungsverlauf
entsteht, der mit Hilfe des Rainflow-Algorithmus ebenfalls wieder in einen Teilausnutzungsgrad
umgerechnet werden kann.
[0009] Die Vorteile des Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Die einheitliche Vorgehensweise führt bei allen Bauteilen zu vergleichbaren Ergebnissen
und gibt Hinweise auf kritische Bauteile.
- Die zeitliche Erfassung der einzelnen Betriebsvorgänge und die kontinuierlichen
Temperaturmessungen führen zur genauen Bestimmung der Ausnutzungsgrade.
- Sollte bei der Überwachung eine kritische Tendenz erkannt werden, ist es möglich,
rechtzeitig durch eine neu festzulegende Schonfahrweise die Lebensdauer einzelner,
gefährdeter Komponenten zu erhöhen.
- Anzeigen bei Ultraschall-Prüfungen können gezielt kontinuierlich verfolgt werden.
- Durch die Überwachung des Rißwachstums ist man in der Lage, auch bei der Erreichung
der rechnerischen Ausnutzung von 1,0 die Anlage weiter zu betreiben.
- Durch diese Überwachung ist auch ein gezielter und damit wirtschaftlicher Ablauf
eventuell erforderlicher Reparaturmaßnahmen möglich.
- Die kontinuierliche Betriebsüberwachung führt zur lückenlosen Betriebsdatenerfassung
(Logbuch).
- Das Betriebsüberwachungssystem ermöglicht z.B. für alle Bereiche in Kraftwerken
eine genauere und vor allem auch wirtschaftlichere Durchführung von Spannungs- und
Ermüdungsanalysen.
[0010] Die Erfindung ist nicht nur im beispielhaft beschriebenen Kraftwerksbereich, sondern
auch in anderen Bereichen anwendbar. Genannt sei als weiteres Beispiel die Überprüfung
der Ermüdung von Bauteilen von Flugzeugen etc.
[0011] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildung wird
im folgenden anhand der beigefügten Zeichungen beschrieben.
[0012] Es stellen dar:
Fig. 1 ein Ablaufschema des Verfahrens,
Fig. 2 eine Ermüdungskurve für den Bauteil (materialspezifische Ermüdungskurve),
Fig. 3 die schematische Anordnung mehrerer Temperatursensoren entlang des äußeren
Umfangs eines rohrförmigen Bauteils,
Fig. 4 den zeitlichen Verlauf einer Elementartransiente,
Fig. 5 den örtlichen Verlauf einer Elementartransiente,
Fig. 6 die zeitliche Überlagerung mehrerer gewichteter Elementartransienten,
Fig. 7 eine weitere Darstellung einer Elementartransiente an einem Punkt x der Innenseite
eines Bauteils,
Fig. 8 der sich daraus als "Antwort" ergebende Verlauf der Temperatur in dem dem genannten
Punkt x auf der Innenseite gegenüberliegenden Punkt y an der Außenseite,
Fig. 9 die durch Überlagerung von Antworten gemäß Fig. 8 entstehende Antwort auf überlagerte
Elementartransienten nach Fig. 6,
Fig. 10 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels.
[0013] Figur 1 zeigt ein Ablaufschema für das Verfahren zur Überwachung der Ermüdung von
Bauteilen in einem Kernkraftwerk. Grundlage für die Ermüdungsanalyse ist die materialspezifische,
empirisch ermittelte Ermüdungskurve, wie z.B. Fig. 2 zeigt. In ihr ist den einzelnen
Vergleichsspannungsschwingbreiten Δ δ
v die jeweils maximal zulässige Anzahl N der Lastwechsel zugeordnet. Die durch n gleiche
Lastwechselschwankungen bewirkte Materialermüdung wird durch den "Ausnutzungsgrad"
(Usage Factor)

ausgedrückt. Für verschiedene Lastwechselschwankungen Δ δ
vi ergibt sich der gesamte Ausnutzungsfaktor Ug
es als Summe der einzelnen Teilausnutzungsfaktoren U
i gemäß der Formel

Dabei ist n
i jeweils, bezogen auf die zugehörige Vergleichsspannungsänderung Δδ
vi, die Anzahl der tatsächlich aufgetretenen Lastwechsel, und N
i die sich aus der Kurve nach Figur 2 ergebenden maximale Anzahl von Lastwechseln.
[0014] Im einzelnen ergeben sich die Erfordernisse dieser Feststellungen beim Betrieb von
Reaktorsystemen aus dem ASME-Code, Sec. III (Stress Categories). Durch die erfindungsgemäße
Überwachungseinrichtung kann jeweils der Gesamtausnutzungsgrad zu einem bestimmten
Zeitpunkt festgestellt werden.
[0015] Das in Figur 1 symbolisch mit 1 gekennzeichnete Betriebssystem, z.B. ein Kernkraftwerk,
gibt bestimmte Meßwerte ab. Es folgt dann im Kästchen 2 die Meßwerterfassung und die
Gewichtung der Einheitslastfälle:
[0016] Die wichtigsten Meßwerte, aufgrund derer die Spannungsverteilung und daraus dann
der Ausnutzungsgrad berechnet wird, sind die Temperaturen. es ist nämlich im allgemeinen
- z.B. mangels geeigneter langzeitstabiler Dehnmeßstreifen - nicht möglich, die Spannungsverläufe
im Material unmittelbar zu messen und der Bestimmung des Ausnutzungsgrades zugrunde
zu legen. Die Berechnung erfolgt deshalb aufgrund einer Temperatur-Rückwärts-Analyse
(thermalbackward-analysis), die davon ausgeht, daß sich aus den Außentemperaturen,
deren zeitlicher und räumlicher Verlauf durch geeignete Sensoren gemessen werden kann,
die Temperaturverteilung in der gesamten Struktur und daraus wiederum die Spannungsverteilung
berechenbar ist.
[0017] Die Messung der Temperaturen erfolgt dabei, wie schematisch in Fig. 3 dargestellt,
mit geeigneten Sensoren (13), die im Beispiel an einem Rohrstück (14) angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung macht sich eine besonders einfache Errechnung
der Spannungsverteilung zunutze, die im folgenden daher ausführlich dargestellt wird:
[0018] Allgemein gilt die Wärmeleitungsgleichung

Wird a als konstant vorausgesetzt und sind T1 und T
2 Temperaturfelder, also Lösungen der Gleichung (3), die den Randbedingungen R
1 und R
2 genügen, so sind sowohl
T = T
1 + T
2 als (für konstantes r) auch T = r.T
l Lösungen von (3), die den Randbedingungen R = R
1 + R
2 bzw. R = r.R
1 genügen.
[0019] Die Erfindung macht sich dieses Superpositionsprinzip zunutze, indem sie nach einem
Baukastenprinzip komplexe Temperaturverläufe approximativ aus elementaren dreieckigen
Temperaturverläufen, sog. "Elementartransienten", zusammensetzt. Dabei wird versucht,
den außen gemessenen Temperaturverlauf R (Randbedingung) als Superposition von sich
aus geeignet gewichteten Elementartransienten

...

(Fig. 6) der Innenoberfläche ergebenden Oberflächentemperaturen R
i der Innenoberfläche darzustellen, d.h.

Das zur Oberflächentemperatur R gehörige Temperaturfeld T ist dann näherungsweise
durch

gegeben.
[0020] Die Elementartransienten T
i, die hier verwendet werden, sind durch den auf der Innenseite des entsprechenden
Bauteils (z.B. eines Rohrabschnittes (14) nach Fig. 3) auftretenden Temperaturverlauf

definiert, wie er in Fig. 4 und 5 dargestellt ist.
[0021] In diesen Abbildungen 4 bis 6 bezeichnet i den der Meßstelle i gegenüberliegenden
Punkt an der Innenseite,
E(
I) den Temperaturverlauf an der Innenseite und (x, t) die Abhängigkeit von den Koordinaten
Ort und Zeit.
[0022] Fig. 6 zeigt, wie ein gleichmäßig stückweiser linearer Innentemperaturverlauf T(
I) (dargestellt durch eine durchgehende linie), durch Superposition zeitlich gegeneinander
verschobener und unterschiedlich gewichteter Elementartransienten T
1(I), T
2(I), T
3(I), T
4(I) gewonnen werden kann, deren Verläufe an der Innenseite die Form einfacher Dreiecke,
wie in Fig. 4 dargestellt, haben.
[0023] Wie aus den Fig. 7 bis 9 ersichtlich, ergibt sich als "Antwort" auf eine Elementartransienten
T
E(
I) in einem Punkt x auf der Innenseite eines Bauteils (Fig.7) der Temperaturverlauf
E
(A) gemäß Fig. 8 im gegenüberliegenden Punkt y an der Außenseite. Entsprechend läßt sich
durch Superposition der "Antworten" T
1(A) - T
4(A) gemäß Fig. 9 eine "Antwort" auf den Temperaturverlauf nach Fig. 6 ermitteln.
[0024] Die erwähnte Temperatur-Rückwärts-Analyse ermittelt aus einem gemessenen Außentemperaturverlauf
den entsprechenden Innentemperaturverlauf nach folgendem Schema: Zunächst wird die
Außentemperatur T
(A)näherungsweise als Superposition von Antworten E
i(A) d.h. von Elementarverläufen bzw. Elementartransienten für die Außenoberfläche am
Ort i dargestellt:

Bildlich dargestellt würde der gemessene Verlauf der Außentemperatur durch eine Vielzahl
sich überlagernder zeitlich gegeneinander verschobener und unterschiedlich gewichteter
dreieckiger Elementartemperaturverläufe ersetzt. Dabei werden die einzelnen Gewichtungen
r
i so bestimmt, daß eine möglichst gute Annäherung an den tatsächlich gemessenen Verlauf
der Außentemperatur erreicht wird.
[0025] Bei dieser Approximation wird der Fehler im quadratischen Mittel minimiert. Mathematisch
ausgedrückt bedeutet dies, daß das Integral
dx
dt Zeit Ort minimiert wird.
[0026] Aufgrund der Linearität der Wärmeleitungsgleichung (3) kann jetzt auf den Temperaturverlauf
an der Innenseite geschlossen werden:

Man vergleiche hierzu auch die Figuren 8 mit 7. Aus diesen geht deutlich hevor, wie
sich ein angenommener Elementarverlauf der Temperatur an der Rohrinnenwand im Punkte
x (Fig. 7) zeitlich verschoben in einen Temperaturverlauf an der Außenwand auswirkt.
[0028] Die Materialwerte E, α und µ werden als konstant vorausgesetzt. Löst man die ersten
drei Gleichungen nach T auf, faßt die Großen u, v, w sowie die δ's und die τ's zu
einem Vektor s zusammen und bezeichnet ferner mit T den Vektor (T, T, T, 0, 0, 0),
so läßt sich Gleichung (8) wie folgt umschreiben:

Dabei ist D ein linearer Differentialoperator. Dieses System ist bekanntlich bei vorgegebenen
Verschiebungen oder vorgegebenen Kräften auf dem Randgebiet unter Berücksichtigung
der Körpergleichgewichtsbedingungen eindeutig lösbar.
[0029] Daraus ergibt sich: Läßt sich das Temperaturfeld T gemäß Gleichung (5) als Superposition
von Elementartransienten T
i darstellen und ist für jedes T
i der daraus resultierende Spannungszustand s
i bekannt, so läßt sich auch die Gleichung (9) durch Superposition lösen, nämlich in
der Form

Das bedeutet, daß die bei der an Hand der Fig. 4 bis 9 erläuterten Temperatur-Rückwärts-Analyse
ermittelten Gewichtungen der einzelnen Elementartransienten sich auch direkt bei der
Überlagerung der einzelnen Spannungsverläufe einsetzen lassen. Die maßgeblichen Gewichtungsfaktoren
für die bei der Temperatur-Rückwärts-Analyse ermittelten einzelnen Temperaturtransienten
werden gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ablaufschema im Block 2 ermittelt.
[0030] Die den Elementartransienen T
i der Temperatur der Innenoberfläche entsprechenden elementaren Vergleichsspannungsverläufe
sind in der bausteinspezifischen Spannungsdatei für Einheitslastfälle, in Fig. 1,
Block 3 gespeichert. Aus dieser Spannungsdatei für Einheitlastfälle werden die für
die jeweilige Temperaturtransiente bausteinspezifisch gespeicherten Vergleichsspannungsverläufe
abgerufen und im Bauteil 2 mit den zugehörigen Gewichtungsfaktoren multipliziert.
Aus den in der Spannungsdatei 3 abgerufenen, und in Block 2 gewichteten elementaren
Spannungsverläufen wird in Block 4 durch Überlagerung der tatsächliche Spannungsverlauf
ermittelt.
[0031] Aus diesem so in Block 4 ermittelten Spannungsverlauf wird im Block 5 mit Hilfe eines
bestimmten Algorithmus der Ausnutzungsgrad berechnet. Dieser Algorithmus ist als "Rainflow"
- oder Reservoir-Algorithmus bekannt. Im wesentlichen basiert er darauf, daß der ermittelte
Spannungsverlauf in eine endliche Anzahl einfachperiodischer Vorgänge zerlegt wird.
(Vgl. K. Roik, Vorlesungen über Stahlbau, Verlag Wilhelm Ernst und Sohn, 1978, S.
69). Für jedes dieser Vorgänge ist in einem Speicher FAT ein materialabhängiger Teilausnutzungsfaktor
abgespeichert.
[0032] Aus der für das Bauteil bzw. für das Material geltenden Ermüdungskurve nach Figur
2 ergibt sich dann im Block 5 unter Anwendung des Rainflow-Algorithmus der für den
einzelnen periodischen Elementarzyklus anzusetzende Teilausnutzungsfaktor U
i, der in die Bestimmung des gesamten Ausnutzungsfaktors nach Gleichung (2) eingeht.
In Block 6 fällt das Ergebnis, der aufsummierte zeitliche Verlauf des Gesamtausnutzungsgrades
an, der an Periphergeräte transferiert wird.
[0033] Den bis jetzt beschriebenen Teil der Ermüdungsüberwachung eines bestimmten Bauteils
durch laufende Fortschreiburg des Ausnutzungsgrades kann man zusammenfassend wie folgt
kennzeichnen: Aufgrund der Meßdaten, die die Außentemperaturen erfassen, wird zunächst
auf die inneren Temperaturen zurückgerechnet; der innere Temperaturverlauf wird in
gewichtete "Elementartransienten" zerlegt. Den bei der Aufteilung des Temperaturverlaufs
gewonnenen einzelnen Elementartrasienten werden aus einer Datei vorab gerechnete Spannungstransienten
einzeln zugeordnet und zu einem Spannungsverlauf superponiert. Aus dem superponierten
Spannungsverlauf werden nach der Rainflow-Methode anhand vorgegebener Ermüdungskurven
Teilausnutzungsgrade und daraus der Ausnutzungsgrad errechnet. Rechtzeitig bevor der
Gesamtausnutzungsgrad seine oberste zulässige Grenze, nämlich den Wert 1 erreicht,
kann der Austausch des überwachten Bauteils geplant werden.
[0034] Parallel zu der bis jetzt beschriebenen Ermittlung des Ausnutzungsgrades läuft noch
eine zweite Ermüdungsüberwachung für Bauteile ab, deren Beanspruchung nicht oder nur
unzureichend durch Außentemperaturmessungen festgestellt werden kann. Anhand verschiedener
systemspezifischer Betriebssignale, die im Ausführungsbeispiel eines Kernkraftwerkes
1 im wesentlichen der Warte 7 entnehmbar sind, werden im Block 8 die entsprechenden
Lastfälle identifiziert. Solche typischen Lastfälle sind z.B.: Langsames Anfahren,
Schnellabschaltung usw. Für derartig indentifizierte Lastfälle enthält die im Block
9 dargestellte Spannungsdatei die entsprechenden Vergleichsspannungsverläufe. Das
bedeutet: Aus dem Block 9 werden zu jedem aufgrund bestimmter Betriebssignale oder
Betriebssignalkombinationen identifizierten Lastfall die zugehörigen Spannungen aus
der Spannungsdatei entnommen und im Block 10 zu einem Spannungsverlauf zusammengestellt.
Die Daten, die in der Spannungsdatei im Block 9 gespeichert sind, sind aufgrund theoretischer
Überlegungen und/oder Berechnungen ermittelt oder aber in der Vergangenheit bei speziellen
Lastfällen gemessen worden. Es handelt sich also um von früher - berechnet oder gemessen
- her bekannte Spannungsverläufe für spezielle Lastfälle, aus denen im Block 10 der
Spannungsverlauf zusammengesetzt wird. Vom Block 10 führt der Informationsfluß wieder
in den Block 5, wo aus diesem Vergleichsspannungsverlauf mit Hilfe der Rainflow- bzw.
Reservoir-Algorithmus der zugehörige Teilausnutzungsgrad berechnet wird. Die Berechnung
des Teilausnutzungsgrades im Block 5 auf dem Wege über die Blöcke 7 bis 10, also aufgrund
der Lastfallidentifikation und der für identifizierte Lastfälle aufgrund früherer
Abläufe und/oder Berechnungen ermittelten Spannungsdaten läuft also parallel zu der
Ermittlung des Ausnutzungsgrades über die direkt am zu überwachenden Bauteil gemessenen
Temperatur- und sonstigen mechanischen Daten und ihre Verarbeitung in den Blöcken
2 bis 5.
[0035] Sowohl von der Meßwerterfassung im Block 2 als auch von der Lastfallidentifikation
im Block 8 her werden die Betriebsdaten in einem Block 11 erfaßt und in einem Datenspeicher,
einem sogenannten Logbuch, angedeutet durch Block 12 in Fig. 1, abgespeichert. Ergänzend
kann man vorsehen (nicht gezeigt), daß die Ergebnisse der Berechnung der Spannungsverteilung
in Block 4 und der Bildung des Spannungsverlaufs in Block 10 auf der Grundlage der
Lastfallidentifikation in Block 8 laufend abgeglichen werden und der Ermittlung des
Ausnutzungsgrades der jeweils ungünstigste Wert zugrunde gelegt wird, um maximale
Sicherheit zu gewährleisten. Hierdurch wird es möglich, die während bestimmter, der
Lastfallidentifikation entnehmbarer Lastfälle auftretende Überlagerungen von Spannungen
für die überwachten Bausteine zu ermitteln.
[0036] Aus den so ermittelten Daten lassen sich Daten für bausteinbezogene, lebensdauerverlängernde
Betriebsweisen der Anlage gewinnen.
[0037] Fig. 10 zeigt die schaltungsmäßige Realisierung der Erfindung.
[0038] Die für den Anmeldungsgegenstand relevanten Meßwerte stammen bei einem Kernkraftwerk
aus drei verschiedenen Quellen, nämlich den Temperaturfühlern 13, 20, den mechanischen
Sensoren 15, 21 sowie den Sensoren 22, der Warte 7, von der aus das Kernkraftwerk
1 gesteuert wird.
[0039] Die Temperaturfühler 13, 20 liefern die Meßwerte, die für die oben beschriebene Temperatur-Rückwärts-Analyse
benötigt werden. Die mechanischen Sensoren 15, 21 stehen für solche Signalgeber oder
Meßfühler, die Aufschlüsse über mechanische Beanspruchungen gestatten, wie z.B. Meßinstumente
für Innendruck, Strömungsgeschwindigkeit, Füllstandsanzeigen etc. Die von den Sensoren
22 der Warte 7 ausgehenden Bedienungssignale können zur Feststellung des augenblicklichen
Betriebszustandes (Lastfall) des Betriebssystems 1 bzw. Kraftwerkes herangezogen werden.
[0040] Von diesen in Fig. 10 mit 20, 21, 22 bezeichneten drei Einheiten gehen jeweils Leitungen
an den Prozeßrechner 33, und zwar nach evtl. erforderlicher A/D-Wandlung an die Einheit
zur Meßwerterfassung MWE 34. In der Einheit zur Meßwerterfassung MWE 34 werden die
von den Temperatursensoren 13, 20 und den mechanischen Sensoren 15, 21 übermittelten
Meßwerte bzw. die von den Sensoren 22 der Warte 7 abgegebenen Betriebssignale aufbereitet,
geglättet, klassiert, auf Plausibilität untersucht. In beispielsweise bei der Plausibilitätskontrolle
erfaßten unklaren oder kritischen Fällen werden von dort direkt Meldungen an eine
sogenannte Konsole CO 35, die in der Warte 7 stehen kann, ausgegeben.
[0041] Innerhalb der in Fig. 10 dargestellten Prozeßrechnereinheit sind auf der linken Seite
ROM (Read Only Memory) Daten- und Programmspeicher und auf der rechten Seite RAM (Random
Access Memory) Arbeitsspeicher eingezeichnet. Mit der Einheit zur Meßwerterfassung
MWE 34 sind über einen Datenbus 36 ein erster Speicher FIFO 1 37 (First In/First Out)
und ein zweiter Speicher FIFO 11 38 verbunden. Die jeweils zeitlich zuerst eingelesenen
Daten werden auch zeitlich zuerst ausgelesen. Die Speicher 37, 38 sind Pufferspeicher.
Der erste Speicher 37 steht in Wechselverbindung mit der Recheneinheit LCID 39 (Load-Case-Identifikation),
die zur Identifizierung der einzelnen Lastfälle dient.
[0042] Grundlage für die Identifizierung der einzelnen Lastfälle sind die von den Sensoren
22 der Warte 7 eingehenden Betriebssignale. Die Recheneinheit LCID 39 ermittelt aufgrund
der so identifizierten Lastfälle aus der Spannungsdatei für spezifizierte Lastfälle
LCL 9 Vergleichsspannungswerte zu identifizierten Lastfällen, und bauteilabhängige
sowie durch diverse Sensoren bestimmte Gewichtungsfaktoren für diese Vergleichsspannungswerte
und legt diese für die spätere Superposition in einen der Recheneinheit HSP/VSP 40
zugeordneten nicht dargestellen Arbeitsspeicher ab.
[0043] Die von der Meßwerterfassung MWE 34 aufbereiteten Temperatur- und Spannungsmeßwerte
gelangen direkt in den zweiten Speicher FIFO 11 38 und von dort an die Spannungsdatei
für Einheitslastfälle 3, die die Speicher TLL (Thermal Load Library) 41 für thermische
Lastfälle und den Speicher MLL 42 (Mechanical Load Library) für mechanische Lastfälle
beinhaltet. Im Speicher TLL 41 sind diejenigen Vergleichsspannungsverläufe gespeichert,
die den einzelnen thermischen Elementartransienten zugeordnet sind. In dem Speicher
MLL 42 sind diejenigen Vergleichsspannungsverläufe gespeichert, die den mechanischen
Elementartrasienten zugeordnet sind. Unter Benutzung der von der Recheneinheit LCID
39 abgelegten Daten und der für mechanische und thermische Einheitslastfälle in den
Speichern MLL bzw. TLL stehenden Spannungswerte ermittelt dann die Recheneinheit VSP
40 (für die Haupt- und Vergleichsspannungen) den resultierenden Spannungsverlauf durch
Überlagerung und speichert ihn in dem Speicher STACK HSP VSP 43 ab. Dieser ist in
zwei Speichereinheiten 44 und 45 für die Hauptspannungen (HSP) und die ermittelten
Vergleichsspannungen (VSP) unterteilt.
[0044] Der in der Speichereinheit 44 des Arbeitsspeichers STACK HSP VSP 43 gespeicherte
resultierende Vergleichsspannungsverlauf wird in der dritten Recheneinheit RFL (Rainflow)
46 mit Hilfe der im Speicher FAT (Fatigue) 47 abgespeicherten materialbahängigen Ermüdungskurven
(vgl. Fig. 2) mit dem oben erwähnten Rainflow- oder Reservoir-Algorithmus abgearbeitet.
Die dabei anfallenden Teilausnutzungsgrade werden zu dem im Speicher RAM USE 1 48
bereits gespeicherten Ausnutzungsgrad aufaddiert.
[0045] Darüber hinaus kann, ausgehend von einer anderweitig, etwa durch Ultraschallprüfung,
gemessenen Rißtiefe an der Innenwand, oder ausgehend von einer etwa aus Erfahrungswerten
angenommenen oder postulierten Rißtiefe unter Zugrundelegung der in der Recheneinheit
HSP/VSP 40 während des Betriebes des Betriebssystems anfallenden Hauptspannungen,
d.h. der in den drei Koordinatenachsen anfallenden Spannungen, das Rißwachstum ausgerechnet
werden. Hierzu werden diese in der Recheneinheit HSP/VSP anfallenden Hauptspannungen
in der Speichereinheit STACK HSP 44 des Speichers STACK HSP/VSP 43 abgespeichert und
von dort von einer zweiten Recheneinheit RFL II abgerufen und unter Zugrundelegung
der im Speicher RWK 50 abgespeicherten, spannungsabhängigen Rißwachstumskurven abgearbeitet.
Das Rechenergebnis, der Rißzuwachs je Belastungseinheit wird den bisher im Speicher
RAM USE 11 51 gespeicherten Rißlängen hinzuaddiert.
[0046] Der Prozeßrechner 30 steht mit der Konsole CO 35 in Verbindung, die die üblichen
Peripheriegeräte (Drucker, Schreiber etc.) aufweist und in der Ausnutzungsgrad sowie
die aufgelaufenen Rißlängen ablesbar sind. Die meist in der Warte 7 stehende Konsole
35 erlaubt es, rechtzeitig den Ersatz in vohersehbaren Zeiträumen ausgenutzter Bauteile
zu planen. Sie ermöglicht es auch, das Betriebssystem so zu fahren, wie das für die
am gefährdesten, bzw. am meisten abgenützten Bauteile am schonensten ist.
1. Verfahren zur Überwachung der Ermüdung von vorzugsweise thermisch und/oder mechanisch
belasteten Bauteilen, wie z.B. solchen in Kernkraftwerken oder Flugzeugen mit außen
an den zu überwachenden Bauteilen angebrachten Sensoren,
dadurch gekennzeichnet, daß die von den Sensoren (13, 15, 20, 21, 22) an den zu überwachenden
Bauteilen (14) in einem bestimmten Zeittakt gemessenen Meßwerte an einen Prozeßrechner
(33) gelangen, der eine erste Recheneinheit (LCID) (39) enthält, die aus den Meßwerten
und anhand einer Spannungsdatei (LCL) (9) spezifizierter Einheitlastfälle Gewichtungsfaktoren
zur Beaufschlagung der mechanischen Einheitslastfälle oder/und direkt lastfallspezifische
Vergleichsspannungen ermittelt und in einem Arbeitsspeicher ablegt, daß ferner eine
zweite Recheneinheit (HSP VSP)(40) nach Maßgabe der durch die erste Recheneinheit
(LCID) (39) bestimmten Vergleichsspannungen und/oder auf Grund der von einem Meßdatenerfassungsteil
(MWE) (34) im Arbeitsspeicher (FIFO 11) (38) abgelegten Meßdaten nach Auflösung derselben
in entsprechend gewichteten Einheitswerten diesen unter Benutzung zweier Einheitslastfall-Bibliotheken
(TLL, MLL) (3, 41, 42) Vergleichsspannungswerte zuordnet und gewichtet und im Zeittakt
in einem zweiten Speicher (STACK VSP) (43, 45) ablegt, daß weiter eine dritte Recheneinheit
(RFL) (46) den Speicher (STACK VSP) steuert und aus dem Vergleichsspannungsverlauf
unter Verwendung von in einem Speicher (FAT) stehenden Ermüdungskurven den sich während
eines Auswertungszyklus ergebenden Teilausnutzungsgrad des Bauteils errechnet, und
dieser Wert dem in einem weiteren Arbeitsspeicher (RAM USE I) (48) stehenden bisherigen
Ausnutzungsgrad hinzuaddiert wird, woraus sich der aktuelle Gesamtnutzungsgrad (Uges) ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Sensoren (13, 20) Temperaturfühler sind, die auf
der Außenseite des zu überwachenden und im Bereich der Temperaturfühler isolierten
Bauteils (14) angeordnet sind und daß die in einem ersten Speicher (TLL) (41) gespeicherten
elementaren Spannungsverläufe solche sind, die thermischen Einheitsverläufen entsprechen.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Sensoren (15, 21) mechanische Sensoren sind und daß
die in einem ersten Speicher (MLL) (42) gespeicherten elementaren Spannungsverläufe
solche sind, die mechanischen Einheitslastfällen entsprechen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet , daß ferner die genannte erste Recheneinheit (LCID) (39) aus
den Betriebssignalen, die von einer Warte (7) an das Betriebssystem (1), dessen Bestandteil
das zu überwachende Bauteil ist, abgegeben werden, den jeweils bestimmten Lastfall
des Betriebssystems identifiziert, daß ferner der genannten ersten Recheneinheit ein
vierter Speicher (LCL) (9) zugeordnet ist, in dem der diesem identifizierte Lastfall
zuordenbare Spannungsverlauf bauteilspezifisch gespeichert ist und daß die den identifizierten
Lastfällen bauteilspezifisch zuordenbaren Spannungsverläufe über einen Pufferspeicher
an die zweite Recheneinheit (HSP VSP) (40) gelangen und daß diese daraus durch Überlagerung
den tatsächlichen Vergleichsspannungsverlauf annähert, der in dem genannten zweiten
Speicher (STACK HSP VSP) (43) abgespeichert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die während bestimmter, durch die Warte (22) ermittelter
Lastfälle den durch die Meßdaten der Sensoren (13, 15, 20, 21) bauteilspezifisch ermittelten
und über die Recheneinheit (HSP VSP) (40) errechneten überlagerten Spannungsverteilungen
ermittelt und zusammen mit dem Lastfall gespeichert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet , daß die bauteilspezifisch für bestimmte Lastfälle errechneten
überlagerten Spannungsverteilungen über die Recheneinheit (RFL 1)(46) in bauteilspezifische
Teilnutzungsgrade umgerechnet und im Rahmen einer Betriebsdatenerfassung (11) dokumentiert
werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet , daß die in der Betriebsdatenerfassung (11) dokumentierten
für bestimmte Lastfälle bauteilspezifisch ermittelten überlagerten Spannungsverteilungen
als solche und in ihrer Häufigkeit in einer separaten Datei für spezifizierte Lastfälle
eingespeichert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet , daß die in der Recheneinheit (HSP VSP) (40) anfallenden gewichteten
Hauptspannungen in einem Speicher (STACK HSP VSP) (43, 44) abgespeichert und von der
Recheneinheit (RFL 11) (49) unter Verwendung von in einem Speicher (RWK) (50) abgespeicherten
spannungsabhängigen Rißwachstumskurven in sich während eines Auswertezyklus ergebenen
Rißwachstumswerten umgerechnet werden und diese Rißwachstumswerte den in einem Speicher
(RAM USE 11) (51) abgespeicherten Rißlängen hinzuaddiert werden.
Bezugszeichenliste
Betriebssystem 1
Block 2
Block, Spannungsdatei, Einheitslastfälle 3
Block 4
Block 5
Block 6
Warte 7
Block Lastfallintifikation 8
Block Spannungsdatei sepz. Lastfälle 9
Block 10
Block Betriebsdatenerfassung 11
Block, Logbuch 12
Temperatur-Sensor 13, 20
Rohrstück 14
Mechanischer Sensor 15, 20
Warten-Sensor 22
Prozeßrechner 33
Einheit-Meßwerterfassung MWE 34
Konsole CO 35
Datenbus 36
Erster Speicher FIFO 1 37
Zweiter Speicher FIFO 11 38
Recheneinheit LCID 39
Recheneinheit HSP/VSP 40
Speicher TLL 41
Speicher MLL 42
Speicher STACK HSP/VSP 43
Speichereinheit HSP 44
Speichereinheit VSP 45
Recheineinheit RFL 1 46
Speicher FAT 47
Speicher RAM USE 1 48
Recheneinheit RFL 11 49
Speicher RWK 50
Speicher RAM USE 11 51