(19)
(11) EP 0 122 578 A2

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
24.10.1984  Patentblatt  1984/43

(21) Anmeldenummer: 84103962.1

(22) Anmeldetag:  09.04.1984
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)3G06F 15/20
(84) Benannte Vertragsstaaten:
BE DE FR IT SE

(30) Priorität: 19.04.1983 DE 3314181

(71) Anmelder: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
80333 München (DE)

(72) Erfinder:
  • Braschel, Reinhold, Dr. Dipl.-Ing.
    D-7000 Stuttgart 40 (DE)
  • Miksch, Manfred, Dipl.-Ing.
    D-8520 Erlangen (DE)
  • Schiffer, Rolf, Dipl.-Ing.
    D-8523 Hagenau (DE)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Verfahren zur Überwachung der Ermüdung von Bauteilen z.B. in Kernkraftwerken


    (57) Die Überwachung der Ermüdung von Bauteilen, z.B. in Kernkraftwerken erfolgt dadurch, daß die von Sensoren (13) an den Bauteilen (14) gemessenen Meßwerte an einen Prozeßrechner (33) gelangen, der aus den Meßwerten und anhand einer Datei (LCL) spezifizierter Lastfälle Gewichtungsfaktoren (ri) zur Beaufschlagung der mechanischen Einheitslastfälle oder/und direkt lastfallspezifische Vergleichsspannungen ermittelt. Ferner werden nach Maßgabe der von einem Meßdatenerfassungsteil (MWE) im Arbeitsspeicher (FIFO 11) abgelegten Meßdaten unter Benutzung zweier Einheitslastfall-Bibliotheken (TLL, MLL) Vergleichsspannungswerte berechnet. Eine weitere Recheneinheit (RFL) errechnet aus dem Vergleichsspannungsverlauf unter Verwendung der in einem Festspeicher (FAT) stehenden Ermüdungskurven den sich während eines Auswertungszyklus ergebenden Teilausnutzungsgrad des Bauteils.




    Beschreibung


    [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 δv 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 δvi ergibt sich der gesamte Ausnutzungsfaktor Uges als Summe der einzelnen Teilausnutzungsfaktoren Ui gemäß der Formel

    Dabei ist ni jeweils, bezogen auf die zugehörige Vergleichsspannungsänderung Δδvi, die Anzahl der tatsächlich aufgetretenen Lastwechsel, und Ni 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 T2 Temperaturfelder, also Lösungen der Gleichung (3), die den Randbedingungen R1 und R2 genügen, so sind sowohl T = T1 + T2 als (für konstantes r) auch T = r.Tl Lösungen von (3), die den Randbedingungen R = R1 + R2 bzw. R = r.R1 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 Ri der Innenoberfläche darzustellen, d.h.

    Das zur Oberflächentemperatur R gehörige Temperaturfeld T ist dann näherungsweise durch

    gegeben.

    [0020] Die Elementartransienten Ti, 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 T1(I), T2(I), T3(I), T4(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 TE(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" T1(A) - T4(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 Ei(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 ri 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

    dxdt 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.

    [0027] Aus der durch den Innentemperaturverlauf eindeutig bestimmten Temperaturverteilung läßt sich nun der zugehörige Spannungszustand nach dem verallgemeinerten Hooke'schen Gesetz wie folgt bestimmen:















    [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 Ti darstellen und ist für jedes Ti der daraus resultierende Spannungszustand si 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 Ti 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 Ui, 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.


    Ansprüche

    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


     




    Zeichnung