Maschinen- und Anlagendiagnostik

Der ständig steigende Bedarf der Volkswirtschaft an Rohstoffen, Energie, Produkten und Leistungen erfordert immer größere Produktionskapazitäten sowie größere Einzelaggregatleistungen. Die immer komplexere Verflechtung von Maschinen und Anlagen zu Produktionssystemen erhöht den Automatisierungsumfang. Diese Entwicklung erfordert eine hohe Produktionssicherheit, die effektive Auslastung der Arbeitsmittel und eine hohe Nutzungsdauer. Während der Ausfall von Anlagenkomponenten, die die Sicherheit maßgeblich beeinflussen (z. B. Kernreaktordruckbehälter), nicht zugelassen werden darf, ist auch aus ökonomischen Gründen eine Reduzierung von planmäßigen und unplanmäßigen Anlagenstillständen anzustreben. Leistungsfähige Rechentechnik führt zu einer rechnergestützten Betriebsführung, die den Betreiber von Produktionsanlagen bei Entscheidungen zur operativen Betriebsführung unterstützt und bei der Planung langfristiger Maßnahmen berät bzw. Teilprozesse der Planung und Vorbereitung übernimmt.

Maschinen und Anlagen unterliegen bei der Erfüllung ihrer technologischen Funktion unterschiedlichen physikalischen und stofflichen Einwirkungen, sog. Beanspruchungen, die irreversible mikrophysikalische Veränderungen der atomaren bzw. molekularen Werkstoffstruktur, sog. Schädigungen, hervorrufen. Konstrukteure, Projektanten und Hersteller dimensionieren und fertigen Maschinen und Anlagen so, daß die Maschinen- und Anlagenkomponenten den Beanspruchungen standhalten und eine den betrieblichen Belangen angemessene Funktionsdauer gewährleistet werden kann. Diese Eigenschaft wird als Beanspruchbarkeit bezeichnet. Beanspruchungen können sowohl in den von Projektant und Hersteller festgelegten Beanspruchungsgrenzen als auch außerhalb dieser Grenzen auftreten. Die Folge sind zwei in ihrem Charakter unterschiedliche Schädigungsabläufe (Bild 2.1). Während bei Normalbeanspruchung eine Abnutzung als Verschleiß, Korrosion, Ermüdung oder Alterung zu einer kontinuierlichen Schädigung führt, kann bei Überbeanspruchung eine Gewaltnutzung und dadurch eine spontane Schädigung, z. B. als plastische Deformation, Riß oder Bruch, eintreten. Im realen Betriebsablauf können sich Vorgänge der Abnutzung mit Gewaltnutzungsvorgängen überlagern [2.1].

Werkstoffprüfverfahren diagnostizieren den Werkstoffzustand mit einer Vielzahl physikalischer Meßmethoden. Der Werkstoffzustand wird dabei durch Prüfung sowohl des Volumens als auch der Oberfläche von Bauteilen ermittelt. Oberflächenprüfungen können eingeschränkt ebenfalls Aussagen zum Werkstoffzustand im Inneren des Bauteils liefern. Der Abschnitt 3. stellt die wichtigsten Verfahren der volumetrischen Werkstoffprüfung vor, im Abschnitt 4. werden Oberflächenprüfverfahren behandelt, und im Abschnitt 5. werden thermische Diagnoseverfahren erläutert.

Der Oberflächenzustand von Bauteilen und Baugruppen ist für Neuanlagen durch die Qualität der Fertigung und Montage vorgegeben. Beanspruchungen beim Transport der Ausrüstungen und vor allem Betriebsbeanspruchungen verursachen Schädigungen, die sich in Veränderungen der Oberflächenstruktur abbilden können. Solche Veränderungen sind als Farb-, Form- und Lageveränderungen charakterisiert. Sie können als Diagnosemerkmale für Beanspruchungen und Schädigungen genutzt werden (Bild 4.1).

Physikalische oder chemische Prozesse in Maschinen und Anlagen sind mit Energieumwandlungen verbunden. Bei stationärem Betrieb und konstanten Umgebungsbedingungen stellt sich ein thermisches Gleichgewicht im technologischen Prozeß zwischen dem technischen Objekt und der Umgebung ein. Schädigungsprozesse können den Energiehaushalt eines Systems beeinflussen und somit Temperaturveränderungen bezogen auf einen Punkt, einen Abstand, eine Fläche oder einen Raum hervorrufen. Schädigungen können die Materialdicke und die Wärmeübertragungseigenschaften verändern. Es können lokale Veränderungen des Wärmestroms verursacht, aber auch neue Wärmequellen freigesetzt werden. Die „Thermodynamik des Defekts“ [5.1] wird von einer Vielzahl physikalischer Erscheinungsformen der Schädigung geprägt; Tafel 5.1 zeigt eine Auswahl mit Beispielen. Temperaturänderungen von Bauteiloberflächen oder deren Wärmestrahlung können als Diagnosemerkmal verwendet werden. Betriebs- und Umgebungsbedingungen wirken als Einflußgrößen und sind bei der Diagnose zu beachten (vgl. Abschn. 5.2.3.).

Diagnosesignale x(t) sind zeitabhängige Größen mit einem Konstantanteil und einem dynamischen Anteil (Rauschen), vgl. Abschn. 2.2.5. Informationen über Schädigungsprozesse sind in diesen Signalen enthalten, aber für den Menschen nicht in jedem Falle aus dem Zeitverlauf ohne weitere Aufbereitung erkennbar und nutzbar.

Werkstoffbeanspruchungen durch äußere Kräfte (z. B. mechanische Belastungen) oder innere Kräfte (z. B. Wärmespannungen) rufen mechanische Reaktionen im Werkstoffgefüge hervor. Alle mechanischen Vorgänge sind mit Verlusten, wie Reibung und Dämpfung, verbunden. Die Verlustenergie äußert sich vorwiegend als Wärme- und Schallenergie. Je nach der Struktur des Werkstoffs und der eingeleiteten Veränderung sind Frequenz und Intensität des abgestrahlten Körperschalls unterschiedlich. Diesen nachweisbaren Körperschall, der durch die Freisetzung von Energie entsteht, nennt man Schallemission (SE) oder akustische Emission (AE). Die Untersuchung dieser Vorgänge wird als Schallemissionsanalyse (SEA) bezeichnet [7.1] [7.2] [7.3].

Beim Betrieb von Maschinen und Anlagen kommt es zu Wechselwirkungen zwischen Medien und Konstruktionswerkstoffen. Schädigungsprozesse (Verschleiß, Korrosion, Ermüdung und Alterung), Rückstände der Fertigung und Montage sowie Verunreinigungen aus der Umgebung führen zu einer Anreicherung mit Partikeln bzw. zur Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Betriebsmedien und -absonderungen in geschlossenen und offenen Prozeßkreisläufen (Tafel 9.1). Diese Vorgänge haben Einfluß auf den Betriebsprozeß oder die Umwelt, können aber gleichzeitig fur die Schadensfrüherkennung genutzt werden. Nachweisverfahren nutzen die Bestimmung von Partikelparametern bzw. von Konzentrationsänderungen (Tafel 9.2). Nachteil dieser Verfahren ist, daß die Analyseergebnisse immer nur einen scheinbaren Mittelwert der Abnutzung ausweisen und von Art, Ort und Qualität der Probeentnahme abhängen. Die Tendenz von Abnutzungsvorgängen kann verfolgt werden, und eine Restfunktionsdauerprognose ist eingeschränkt möglich.

Diagnoseergebnisse sind die Grundlage für eine zuverlässige Betriebsführung und eine zustandsbezogene Instandhaltung (vgl. Abschn. 2.). Moderne Verfahren und rechnergestützte Geräte der Prüftechnik und Anlagendiagnostik (vgl. Abschnitte 3. bis 9.) ermöglichen vielfältige Organisationsformen der Nutzung von Diagnoseergebnissen.