Ermüdungsüberwachung am Beispiel von Kolonne-Fackel-Systemen
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Ermüdungsüberwachung am Beispiel von Kolonne-Fackel-Systemen
• Bauweise + Prüfauftrag
• Wirbelinduzierte
Schwingungen
• Konstruktive Maßnahmen
• Bewertung / Prüfung
• Ermüdungsüberwachung
• Zusammenfassung
ESA Tagung 2021
Dr. Daniel Hofer
Technische Anlagenüberwachung BASF
Quelle: BASF TV-Service
1 30.04.2021
Internal
Kolonne-Fackel-System – Bauweise und Prüfauftrag
Bauweise des Kolonne Fackel-Systems
Kolonne Höhe: 32m Durchmesser: 4,2m
Separator Höhe: 10m Durchmesser: 3,6m
Fackel Fackel Höhe: 48m Durchmesser: 1,2m
Sehr schlankes Bauwerk, Untersuchung der
Querschwingungsempfindlichkeit bei Wind
erforderlich
90m
Separator
Prüfaufgabe
Untersuchung der Querschwingungsempfindlichkeit
Kolonne Kontrolle der Wirksamkeit von
Kompensationsmaßnahmen
Quelle: BASF TV-Service
2 30.04.2021
Internal
Bauweise des Kolonne-Fackel-Systems
Fackel
und
Separator
Kolonne Frequenz f1 = 0,5 Hz f2 = 1,7 Hz
Schwingungs-
dynamisch empfindliche Schwingungsempfindliches System
stabile Fackel mit mit komplexer Dynamik
Kolonne Separator
3 30.04.2021
Internal
Wirbelinduzierte Schwingungen – Schäden
Windenergieanlage Flutlichtmast
Versagen durch häufige Schwingungen
bei schwachem bis mäßigem Wind
Quelle: I. Giosan, Vortex Shedding Induced Loads on Free
Standing Structures
Schäden können auch bei
Schwachwind auftreten
4 30.04.2021
Internal
Wirbelinduzierte Schwingungen – Effekt
• Entstehung von Wirbelablösungen bei Überschreitung einer kritischen
Windgeschwindigkeit vcrit
• Wirbelablösungen hinter zylindrischen oder runden Grundkörpern bewirken
Querschwingungen Ermüdungsbeanspruchung
Querschwingungen,
falls
vWind vWind ≥ vcrit vWind
vWind
Bild:
vWind Vortrag von Prof. A. H. Techet
(MIT) 21. April 2005
5 30.04.2021
Internal
Wirbelinduzierte Schwingungen – Hochwasser
Bildung von Verwirbelungen auf der
strömungsabgewandten Seite eines zylindrischen Körpers
Gefahr der Schwingungsanregung im rechten Winkel zur
Strömungsrichtung bei schlanken Strukturen:
Faustformel: Höhe / Durchmesser > 6 = schlank bei Wind
6 30.04.2021
Internal
Wirbelinduzierte Schwingungen – Konstruktive Maßnahmen –
Elimination
Installation von
Scruton Wendeln an
einem Schornstein
Quelle: Wikipedia
Abspannen von Schornsteinen
Chemiepark Ladenburg
7 30.04.2021
Internal
Schwingungen – Konstruktive Maßnahmen – Erhöhung der
Ermüdungsfestigkeit
Konstruktive Maßnahmen bei schwingungsbeanspruchten
Bahnbrücken gegen sehr häufige zyklische Belastungen mit geringen Amplituden
Anordnung der Schweißnähte außerhalb des Spannungsüberhöhungsbereiches
Anbringung von Anbauteilen mittels Klemmkonstruktionen zur Vermeidung lokaler Spannungsspitzen
8 30.04.2021
Internal
Bewertung der Querschwingungsbeanspruchung
• 1. Eigenschwingung: ~ 0,5 Hz
vcrit ≈ 3,3 m/s (Berechnung nach EC 1)
n1
Schwingungsanzahl EC 1 (20 Jahre):
n1 ≈ 40 Mio. Lastwechsel
• 2. Eigenschwingung: ~ 1,7 Hz
vcrit ≈ 11 m/s (Berechnung nach EC 1)
Schwingungsanzahl EC 1 (20 Jahre):
n2
n2 ≈ 90 Mio. Lastwechsel
Zusätzliche Ermüdungsbeanspruchung durch
die 2. Eigenformen ist zu untersuchen
9 30.04.2021
Internal
Bewertung der Querschwingungsbeanspruchung
Pendeltilger für f1=0,5 Hz
Konus Schwungmassen der Pendeltilger
lokale Spannungsspitze Prüfaufgabe
Kontrolle der Wirksamkeit des Tilgers
u. U. Ermüdungsbewertung kritischer Positionen
10 30.04.2021
InternalBewertung - Kontrolle der Wirksamkeit des Tilgers
log V/V0
Es wird nur ein von zwei relevanten Eigenformen getilgt mit Tilger
Die vorgesehene Tilgermasse von 1 t ist aus Sicht des ohne Tilger
Prüfingenieurs zu gering (Turmmasse ca. 300 t)
Signifikante Abweichung zwischen Prüf- und
Auslegungsberechnung
log f/f0
Eine Ermüdungsbewertung der kritischer Positionen ist
erforderlich
Hersteller Prüfberechnung Prüfberechnung
Vergleich der rechnerisch erforderlichen Tilgermassen zwischen Hersteller- und Prüfberechnung
11 30.04.2021
InternalBewertung - Spannungsschwingbreite
1. Eigenform – wird getilgt 2. Eigenform – kein Tilger
100mm Δσ1 = 40 MPa / 100mm 100mm
Δσ1 Δσ2
Δσ2 = 90 MPa / 100mm
Naht- ∆σ(N=5 Mio.) ∆σ(N=100 Mio.)
klasse [ MPa ] [ MPa ]
90m 63 46 26
Nur sehr geringe
Schwingamplituden sind zulässig
50 37 20
(Schweißkonstruktionen)
32 24 13
Funktionalität des Tilgers ist
zwingend erforderlich
Entscheidung des Projektteams:
Ermüdungsüberwachung
installieren
12 30.04.2021
InternalErmüdungsüberwachung - Ziel
D(z,φ)
System analysiert in Echtzeit, ob
Dkrit Prüfungen erforderlich sind
t
Die Methodik ist konform mit EN 13445
Dkrit: Inspektion erforderlich
Extrapolationen sind möglich
Planungssicherheit
13 30.04.2021
InternalErmüdungsüberwachung – Auswahl der kritischen Stellen
Herausforderung:
Überwachung sämtlicher
kritischer Positionen
Anbauteile
Wanddickensprünge
Konische Übergänge
Rotationssymmetrie
Sehr viele Messstellen
sind erforderlich
14 30.04.2021
InternalErmüdungsüberwachung - Konzept
Input / Messung
Output / Ermittlung des Inspektionsbedarfs
Spannungsverläufe
aus Schwingungsmessung Ermüdungsbewertung
Herstellerberechnung
Tilger Abfahren der Hysterese
a Spannungsberechnung sämtlicher krit. Positionen
Eigen- Eigen-
form 1 form 2 σ(z,φ)
t Bewertung an jeder
kritischen Position
σ1/mm σ2/mm a Turm ε(z,φ)
σ(z,φ)
t
Bestimmung des
Ermüdungsgrades
t
D(z,φ)
Dkrit
z: Höhenkoordinate
ϕ: Umfangswinkel
t
Dkrit: Inspektion erforderlich
15 30.04.2021
InternalErmüdungsüberwachung - Umsetzung
BASF Engineering in Zusammenarbeit mit
BASF Werkstofftechnik
BASF Rotating Equipment
Fa. Framatome
Ingenieurbüro Peter & Partner
Ingenieurbüro Dr. Wang
16 30.04.2021
InternalErmüdungsüberwachung - Ergebnisse
Sturmtief Fabienne am 23.9.2018
Aktive Eigenform
Mode 1
Mode 2
vWind ≥ 11m/s
Schwingungsausschlag [ mm ]
Mode 1
Mode 2
Ermüdungsgrad
D=1,0 entspricht
100% Ermüdung
17
Quelle: Ermüdungsüberwachungssystem der
30.04.2021
Acetylen-Anlage
InternalZusammenfassung
Berechnungs- und Prüfresultat Messung
Eigenfrequenzen liegen bei f1=0,5 Hz und f2=1,7 Hz
√ passt
Schwingungsanregung der 1. Eigenform bei vcrit=3 – 4 m/s
√ passt
Schwingungsanregung der 2. Eigenform bei vcrit=11 m/s
√ passt
Tilger ist zu leicht – 1t statt 2t – kann anschlagen √ Der Tilger schlägt bei Starkwind an.
ist u. U. nicht wirksam Trotzdem kein Aufschaukeln der Schwingungen
2. Eigenform ist kritisch hinsichtlich Ermüdung gemäß EC 1 Es baut sich keine Resonanzschwingung auf
Die Kolonne – Fackel – Systeme können sicher betrieben werden
18 30.04.2021
InternalInternal
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