3.6.2 Probleme mit Überwachungssystemen und Sonden

"Bild 3.6.2-1" (Lit. 3.6-5): Sensoren sowie elektrische Kabel und Stecker sind direkt oder indirekt für einen hohen Prozentsatz von Problemen verantwortlich. Nicht selten stehen diese in direktem oder indirektem Zusammenhang mit der Wartung. Im Folgenden werden die Probleme der Hauptkomponenten, Sensor, Stecker und Leitungen eines Sensorsystems behandelt. Natürlich wirken eine Fülle potenziell schädigender Betriebseinflüsse auf die Komponenten ein. Dies sollen einige Beispiele deutlich machen.

(„A“) Anschluss, Stecker, Verbindungen: Kabelverbindungen für Energieversorgung und Messwertübertragung können sehr unterschiedlich sein. Entsprechend auch die Empfindlichkeit gegenüber Betriebseinflüssen. Grundsätzlich sollte ein Stecker vor der Verwendung auf Probleme wie beschädigte Kontakte, Korrosion, Verschmutzung und ungenügende Sicherheit überprüft werden.

• Außen angebrachte Stecker können durch Schwitzwasser, insbesondere in Meeresatmosphäre, verstärkt korrosionsbeansprucht sein. Als eine Folge wirkt die Oxidation der Stifte elektrisch isolierend.
• Verunreinigungen mit Medien wie Öl, Kraftstoff, Hydraulikflüssigkeit, Waschmittel.
• Hohe Vibrationsbelastung kann zu Kabelbrüchen und/oder bei Berührung mit anderen Oberflächen zu Verschleiß führen
• Beschädigung bei unsachgemäßer Behandlung, beispielsweise bei gewaltsamem Zusammenstecken.
• Verschleiß der Kontakte durch Schwingungen/Mikrobewegungen (Fretting) und häufigen Gebrauch.

(„K“) Kabel / Leitungen: Kabel und Leitungen sind dem Verwendungszweck angepasst. Der Typ kann deshalb sehr unterschiedlich sein. Gewöhnlich wird das signal- oder energieübertragende Element von einer schützenden und stabilisierenden Hülle umschlossen. Diese kann aus metallischen Rohren oder Geweben bestehen. Elektrische und optische Leiter werden eher Kunststoffe/Elastomere als Hüllen haben. Je nach Art der Hülle gibt es spezifische, schädigende Betriebseinflüsse.
Mechanische Betätigungs- (Actuator-) und Rückmeldekabel, wie sie an älteren Maschinentypen häufig zur Anwendung kamen:

• Verschleiß in Führungen und den kraftübertragenden Wendeln.
• Bruch als Folge von Gewalteinwirkung oder Schwingermüdung.
• Blockieren bei ungenügender Schmierung, Korrosion, Vereisung oder Verschmutzung.

Elektrische Übertragungskabel für Leistung und/oder Impulse/Messwerte:

• Kurzschluss, Störungen als Folgen von Reibverschleiß der Isolation an Berührungsstellen mit anderen Komponenten.
• Kabelbruch durch Schwingermüdung oder bei elektrischer Überlastung (z.B. Kurzschluss).
• Versagen der Abschirmung gegen elektrische und/oder magnetische Felder

Optische Übertragungskabel („Glasfaserkabel“):

• Bruch durch mechanische Überlastung.
• Bruch durch feuchtigkeitsbedingte Spannungsrisskorrosion. Besonders gefährlich ist eine zu enge Krümmung oder Knickbeanspruchung am Eintritt in den Stecker.
• Probleme an lichtübertragenden Kontaktflächen.

(„S“) Sensoren, Sonden, Messgeräte:

Schädigende Betriebsbeanspruchungen sind meist „sensorspezifisch“, d.h. ihre Wirkung steht im Zusammenhang mit Art und Prinzip des Sensors.

Optische Sensoren: Hierzu gehören Pyrometer, Rauch- und Flammenmelder in Feuerwarnanlagen und zur Funktionsüberwachung von Brennkammern. Allgemeines Problem ist eine Verschmutzung oder erosionsbedingte Mattierung von Linsen und Fenstern, die das eintretende Licht unzulässig beeinflussen. Weiter ist eine Beschädigung oder Veränderung lichtempfindlicher Zellen (Fotozellen) möglich.

Elektrische und magnetische Sensoren haben als gemeinsames Problem gegebenenfalls ein Versagen von Spulen durch mechanische Überlastung (Schwingungen, Wärmedehnungen) und Temperatur bzw. Schädigung / Alterung der Isolation.

Sensoren für Strömungsgeschwindigkeit und Durchflussmessung: Hier ist das Verstopfen von Messöffnungen problematisch. Es kann sich beispielsweise um Verunreinigungen (z.B. Insekten) oder Vereisung handeln.

Druckmesssonden: Dazu gehören besonders die zur Messung des Umgebungsdrucks am Einlass. Sie können vereisen, durch Fremdkörper verstopfen oder mechanisch beschädigt werden.

Systeme mit elektrischen Wicklungen (Spulen): Hierzu zählen Schwingungsaufnehmer und Drehzahlmesser für Wellen. Diese Sonden können je nach Einsatzort extremen Vibrationen und Temperaturen ausgesetzt sein. Dabei ist mit Schädigungen der Isolierung (z.B. Alterung von Kunstharzen) zu rechnen. Folgen sind Kurzschlüsse und mechanisches Versagen. Die Wicklungsdrähte können oxidieren oder korrodieren, was den Querschnitt schwächt und/oder versagen lässt. So kommt es zu einer unzulässigen schleichenden Veränderung oder dem Ausfall des Signals.
Schwingverschleiß (Fretting) aneinander reibender Drähte kann zu Querschnittsschwächung und Bruch führen.

(„B“) Befestigungen von Leitungen dienen unterschiedlichen Zwecken. Sie schützen vor Kontakt mit anderen Oberflächen und Verschleißbeschädigung. Eine weitere Aufgabe ist die Vermeidung von Schwingungen und statischer mechanischer Überlastung, wie sie bei Wärmedehnungen auftreten kann. Verwendet werden geeignet „gefütterte“ Schellen oder Klammern. Wichtig ist, dass die vorgesehene Ausführung an der richtigen Stelle angebracht wird. Geschieht dies nicht, besteht die Gefahr einer Beschädigung der Leitung durch höhere Betriebsbeanspruchungen und/oder die Befestigung selbst. Gelöste, versehentlich zurückgelassene Befestigungen können ebenfalls Reibverschleiß erzeugen und/oder an anderer Stelle als Fremdkörper wirken

"Bild 3.6.2-2" (Lit 3.6-5): Thermoelemente werden in Gasturbinen nicht nur zur Messung von Heißgastemperaturen verwendet. Weitere Anwendungsbeispiele sind

• Öl- und Kraftstofftemperaturen
• Ansauglufttemperatur
• Temperatur in den Verdichtern.

Es gibt mehrere Bauweisen, um die Zuverlässigkeit über lange Betriebszeiten zu gewährleisten. Üblicherweise wird im Heißteilbereich die Metallkombination Nickel („Alumel“) / Chrom Nickel („Chromel“) verwendet. Deren Anwendungstemperatur liegt in der Industrie bei maximal 1200°C.

Thermoelemente können von Betriebseinflüssen mehrfach geschädigt werden:

Ein geschädigtes Thermoelement lässt immer einen Abfall der Thermospannung erwarten. Dies bedeutet, dass eine zu niedrige Temperatur angezeigt wird. Für die Gasturbinen kann das bedeuten, dass die Temperatur vom Regler, höher angewählt wird und so LangzeitÜberhitzungsschäden auftreten können. In den meisten Fällen ist die Fügestelle (engl. hot junction) sichtbar verändert. 15°C erhöhte Bauteiltemperatur kann die Kriechlebensdauer halbieren!

Erfahrungsgemäß sind die häufigsten Probleme an der Fügestelle des Sensors und an den anschließenden Verbindungen zu den Leitungsdrähten zu finden
Bereits bei visueller Prüfung, gegebenenfalls unter dem Binokular, lassen sich Schädigungen erkennen. Typisch sind Rissbildung mit Verfärbungen (z.B. grün) und Pustelbildung (Anschwellungen). In einigen Fällen kann das Metall deutlich aberodiert sein. Dies ist gewöhnlich im Zusammenhang mit Korrosion/ Oxidation zu sehen. Eine Reparatur ist in diesen Fällen nicht möglich.
Ein Schadensmechanismus ist die Diffusion von Verunreinigungen im Heißgas und/oder eine Reaktion (z.B. Heißgaskorrosion) mit den Elementdrähten. Beispielsweise kann verstärkte Oxidation Legierungsbestandteile bevorzugen und so die Drahtzusammensetzung verändern. Auch eine Diffusion von Verunreinigungen (Fe, Si) aus der isolierenden Keramik in die Drähte und im Bereich der Verbindung (Schweißung) zwischen den Elementwerkstoffen ist möglich.

Bruch der Drähte kann auf eine Querschnittsschwächung (Heißgaskorrosion/Sulfidation, Oxidation, Erosion), Überlastung durch Fremdkörpereinwirkung und/oder Versprödung beruhen. Diffundieren Elemente wie Aluminium (Anstreifschichten im Verdichter) oder Silizium (Staub) ein, kann das derartig versprödend wirken, dass Risse entstehen. Auch ein Fremdkörper kann den Bruch eines Drahts auslösen.

Verschlechterter Isolator: An einem älteren Typ wurden dünne Metallbrücken im Isolator (Mg-Oxid?) zwischen den Thermodrähte beobachtet. Solche Thermoelemente zeigten Abweichungen welche eine Temperaturmessung unzulässige beeinflussten. Möglicherweise bildeten sie sich bei einer fälschlicherweise deutlich zu hohen Kalibrierungstemperatur bei der Überholung. Leider ist die Ursache dieses Phänomens nicht befriedigend geklärt.

Nach langen Stillstandzeiten (Wochen) kann die Isolation Schwitzwasser / Luftfeuchtigkeit reversibel aufnehmen. Dann wird durch Kriechstrom die Spannung abgesenkt und die Gastemperatur scheinbar niedriger. Das kann zu Überhitzung in der Startphase führen.In einem solchen Fall schreibt der ORM gewöhnich vor dem Start ein „Ausheilen“ der Thermoelemente vor. Dies erfolgt gewöhnlich in einem geeigneten Luftofen bei Betriebstemperatur.

Kurzschluss im Thermoelement oder dessen Drähten. Am Bruch im Thermoelement entsteht ebenfalls ein Thermoelement, das nun ein Signal entsprechend der hier herrschenden Temperatur erzeugt. Ursachen für Kurzschlüsse im Element selber sind gewöhnlich

• ein zerbrochener keramischer Isolator
• Metall im Schutzrohr und
• eine gerissene Verbindungsstelle

In den Drähten handelt es sich meist um eine ungeschützte, eingeklemmte Stelle
Hat sich der poröse Isolator mit Feuchtigkeit vollgesogen, kann sich die Isolationswirkung deutlich verschlechtern.

Schädigung des Schutzrohrs: Ermöglicht Undichtigkeit den Zutritt von Heißgas oder Metallschmelzen (z.B. Abrieb eines heftigen Anstreifvorgangs) zum Elementinneren, ist mit Pustelbildung und ungewöhnlichen Verfärbungen zu rechnen.

"Bild 3.6.2-3" (Lit 3.6-5): Pyrometer haben gegenüber Thermoelementen den großen Vorteil, dass sie direkt berührungslos die Temperatur rotierender Bauteile wie Turbinenschaufeln messen können. Damit wird es auch möglich, Übertemperaturen, die nicht auf einem Anstieg der Gastemperaturen beruhen, festzustellen. Dies ist beispielsweise bei Verstopfung der Kühlluftführungen in Heißteilen der Fall. Pyrometer haben jedoch auch Schwächen, die einen erhöhten Wartungsaufwand bedeuten können. Hierzu gehören:

(„1“) Verschmutzung der Frontlinse (engl. lens fouling) gaukelt dem Regler ein niedrigeres Temperaturniveau vor. Das kann die Heißteillebensdauer stark beeinflussen. 15°C Erhöhung der Materialtemperatur führen bei den üblichen Betriebstemperaturen der Heißteile zu einer Lebensdauerhalbierung. Außer der optischen Durchgängigkeit der Linse wird die Kalibrierung des Pyrometers verändert. Das verkürzt das erforderliche Wartungsintervall. Eine saubere Eintrittslinse des Pyrometers ist also eine wichtige Wartungsaufgabe. Dafür dürfen Wartungsintervalle auf keinen Fall überschritten werden.
Die Ursachen der Linsenverschmutzung sind Partikel im Gasstrom, die aus der Brennkammer stammen und in das Sichtrohr gelangen. Um diesen Effekt zu minimieren, werden Pyrometer mit Reinigungsluft (engl. purge air) aus dem Hochdruckverdichter beaufschlagt. Sie wirkt als Sperrluft für das Heißgas und tritt aus dem Sichtrohr in den Gasstrom aus. Diese Luft kann jedoch, ganz im Gegensatz zum vorgesehenen Effekt, ihrerseits die Linsenverschmutzung begünstigen. Das ist der Fall, wenn Partikel ausreichend hoher kinetischer Energie (Geschwindigkeit, Größe) den Strom der Reinigungsluft durchbrechen und durch den Wirbel vor der Linse auf diese treffen.

(„2“) Bruch von Glasfasern im Lichtleiter (Rahmen unten). Wird das Licht zur Fotozelle mit einem Glasfaserbündel übertragen, besteht die Gefahr der Spannungsrisskorrosion in den Fasern. Es wurde beobachtet, dass sich offenbar mit der Zeit in den Stillstandsperioden Schwitzwasser im Bereich des Faserbündels sammeln kann. Weisen die Glasfasern ein bestimmtes kritisches Zugspannungsniveau auf, können die Glasfasern unter Feuchtigkeit bei verzögertem Risswachstum brechen. Gefährliche Spannungen können beispielsweise an der Fassung des Glasfaserbündels hinter der Linse und/oder vor der Fotozelle entstehen. Auch ein zu enger Biegeradius des Glasfaserbündels kann bei Schwitzwasser und/oder feuchter Luft über längere Zeit Faserbrüche auslösen. Das führt zu einem langsamen Abdriften der Messwerte zu einer scheinbar niedrigeren Temperatur. Damit wird der kostspielige Austausch des Systems notwendig.

(„3“) Das Problem der Veränderung des Emissionsverhaltens des zu überwachenden Bereichs am Bauteil ist nicht auf das Pyrometer selbst zurückzuführen. Trotzdem kann Oxidation, Verunreinigung, Erosion oder Fremdkörpereinwirkung das Strahlungsspektrum verändern und die Messwerte können abdriften. Auch eine Verfälschung durch glühende Rußpartikel ist nicht ausgeschlossen.

„4“) Trübung der Linse durch Erosion wurde bisher nicht berichtet, ist aber eine wahrscheinliche Schädigung. Sie gewinnt an Aktualität mit der Verwendung von harten Partikeln im Verdichter (Panzerung von Schaufelspitzen) und keramischen Wärmedämmschichten in Brennkammer und Turbine. Diese Partikel können durchaus genügend kinetische Energie haben, um gegen den Reinigungsluftstrom auf die Linse zu gelangen. Selbst eine sehr harte Saphirlinse könnte von der erosiven Wirkung beeinträchtigt werden.