Welche Ursachen führen zum Bruch und zur Funktionsstörung der Thermoelementhülle?

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Dieser Beitrag gibt eine fachliche Einführung in acht Methoden zur Analyse von Bruchversagen von Thermoelementhüllen. Changhui Instruments hat auf der Grundlage von Felduntersuchungen, praktischer Erfahrung sowie relevanten Daten die häufigsten Ursachen für das Brechen von Thermoelementhüllen zusammengefasst – zur Verwendung durch Fachleute im Bereich Messgeräte. Thermoelemente sind gängige Temperaturmesskomponenten in Temperaturmessgeräten und werden in Bereichen wie der industriellen Produktion sowie der wissenschaftlichen Forschung weit verbreitet eingesetzt. Sie messen direkt die Temperatur des Mediums und wandeln den Temperatursignal in ein thermoelektrisches Potential um. Dieses wird anschließend durch elektrische Messgeräte in die Temperatur des zu messenden Mediums umgewandelt, sodass eine Anzeige, Übertragung und Steuerung der Temperatur möglich ist. Da Thermoelemente häufig in Umgebungen mit hohen Temperaturen, hohem Druck, hoher Korrosionsgefahr sowie bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten eingesetzt werden, werden sie in der Regel mit Thermoelementhülsen geschützt, um ein ordnungsgemäßes, sicheres und stabiles Funktionieren zu gewährleisten. Obwohl die Hülle der Thermoelemente ursprünglich dazu dient, deren ordnungsgemäßen Betrieb zu schützen, erfüllt sie in der Praxis oft tatsächlich diese Schutzfunktion. Aus der Analyse der häufigen Fehler bei Thermoelementen geht jedoch hervor, dass das Brechen der Hülle weiterhin die häufigste Form des Versagens ist. Changhui Instruments fasst die Forschungsmethoden zur Untersuchung von Brüchen in den Thermoelementhüllen zusammen, analysiert die allgemeinen Ursachen für solche Brüche und fasst die Präventivmaßnahmen gegen Brüche in den Thermoelementhüllen zusammen. Ursachen für den Bruch der Thermoelementhülle yunrun.com.cn/tech/2904.html 1. Aussehen und Auswahl der Thermoelementhülle Abbildung 1: Schutzrohr für Temperatursensoren THERMOWELL Abbildung 2: Thermoelementhülle Abbildung 1 und 2 zeigen Beispiele für gängige Thermoelementhüllen. Weitere Informationen zur Auswahl sowie zu den technischen Parametern der Thermoelementhüllen finden Sie in „Schutzrohr für Temperatursensoren THERMOWELL“. 2. Methoden zur Analyse von Bruchversagen von Thermoelementhülsen – In diesem Artikel untersucht Changhui Instruments die bei Brüchen auftretenden Probleme bei Thermoelementhülsen. Um die Ursache der Rissbildung zu ermitteln und Gegenmaßnahmen zu finden, werden in der Regel Methoden wie die makroskopische Bruchanalyse, die Analyse der chemischen Zusammensetzung, die Analyse der mechanischen Eigenschaften, die metallurgische Analyse sowie die Rasterelektronenmikroanalyse eingesetzt. Außerdem werden Korrosionsbewertungsanalysen, Modalanalysen sowie numerische Simulationsanalysen bei der Analyse von Rissbildung in Rohren aufgrund von Strukturkorrosion, starken Vibrationen und Fluidstoßungen häufig eingesetzt. ①Makrobruchanalyse: Die Makrobruchanalyse wird in der Regel eingesetzt, um nachdem an der Bruchstelle des Thermoelementgehäuses keine weiteren Maßnahmen ergriffen wurden oder nach einer einfachen Ultraschallreinigung, den Standort des Bruchbereichs sowie den allgemeinen Zustand der umliegenden Bauteile zu bestimmen. Zudem werden die Merkmale der Bruchfläche – wie ihre Form, Größe sowie die Abgrenzung zwischen dem sofortigen Bruchbereich und dem ausgedehnten Bruchbereich – untersucht. Ebenso wird die Farbverteilung auf der Bruchfläche sowie die Glätte und Rauheit der Bruchstelle analysiert. Außerdem wird festgestellt, ob es zu deutlichen plastischen Verformungen gekommen ist, ob es Korrosionsstellen gibt sowie ob es Schweißfehler wie Kantenverschmelzungen vorliegen. Dadurch kann ein erster Überblick über den Zustand des gebrochenen Gehäuses gewonnen werden, was wiederum die Grundlage für weitere Analysen und Untersuchungen bildet. Abbildung 3 zeigt ein Makrofoto der Bruchstelle eines Thermoelementkapsels. Die Oberfläche der Bruchstelle ist glatt und ebenmäßig; zudem sind die typischen muschelartigen Muster einer Ermüdungsbruch zu erkennen. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051714288764.png Abbildung 3: Makroaufnahme der Bruchstelle des Thermoelementgehäuses. ② Analyse der chemischen Zusammensetzung: Von dem gebrochenen Thermoelementgehäuse werden Proben entnommen. Anhand von chemischen Analysen oder Energiespektralanalysen wird die chemische Zusammensetzung des Materials des Gehäuses untersucht. Dabei soll festgestellt werden, ob der Gehalt der verschiedenen Elemente im Material den Vorgaben der entsprechenden Normen entspricht. So stellte Xia Mingliu bei der chemischen Analyse eines gebrochenen Edelstahlgehäuses fest, dass der Gehalt des Elements P den Anforderungen an hochwertiges Stahlmaterial entsprach ； Doch der S-Gehalt ist zu hoch, und ein übermäßiger S-Gehalt schadet erheblich den Eigenschaften dieses hitzebeständigen Stahls. Dadurch kann eine thermische Brüchigkeit entstehen, die Langlebigkeit des Materials bei hohen Temperaturen nimmt ab, was wiederum die Lebensdauer der Hülle beeinträchtigt. ③Analyse der mechanischen Eigenschaften: Die Analyse der mechanischen Eigenschaften von Thermoelementhülsen erfolgt hauptsächlich durch Zugversuche usw., um festzustellen, ob die tatsächlichen mechanischen Eigenschaften des Materials den Anforderungen der geltenden Standards entsprechen. In Literaturveröffentlichungen wurde die Mechanik von Thermoelementhülsen aus dem Material 20Cr25Ni20 untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass die Zugfestigkeit der Hülsen den Anforderungen des Materials entsprach, während die Dehnfähigkeit unter den Anforderungen für Stahl vom Typ 20Cr25Ni20 lag. Nach den Zugversuchen zeigten die Proben eine gewisse Deformierbarkeit. ④Mikrostrukturanalyse: Bei der Mikrostrukturanalyse von gebrochenen Thermoelementhüllen werden in der Regel Proben aus dem Bruchbereich, den Schweißstellen sowie den Verbindungen entnommen. Nach dem Zerkleinern und Polieren werden diese Proben mit einer Lösung aus Oxalsäure behandelt. Anschließend wird die Mikrostruktur unter dem Mikroskop untersucht, um den Typ des Grundmaterials sowie den Zustand der Schweißstellen festzustellen. Ein mikroskopisches Bild des Goldmantels einer bestimmten Thermoelementhülle ist in Abbildung 4 dargestellt. Aus der Analyse geht hervor, dass im Grundmaterial eine große Anzahl an Karbidpartikeln vorhanden ist. Dies deutet darauf hin, dass der Kohlenstoffgehalt des Materials sehr hoch ist. Weitere Analysen zeigten, dass nicht nur die Anzahl der Karbidpartikel groß ist, sondern auch ihre Verteilung in Form von Bändern erfolgt. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Eigenschaften des Stahls und führt zu einer Anisotropie des Materials. Außerdem zeigten die Härteprüfungen, dass das Auftreten großer Mengen an Karbidpartikeln zu einer deutlichen Verhärtung des Materials der Thermoelementhülsen führte. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051711177149.png Abbildung 4: Mikroaufnahmen der Thermoelementhülle unter dem Metallographie-Mikroskop. ⑤ Analyse mit Rasterelektronenmikroskop: Bei der Analyse mit Rasterelektronenmikroskop wird auf der Grundlage der Metallographie-Analyse die mikroskopische Struktur des Bruches weiter untersucht. Je nach Analysezweck werden in der Regel mehrere verschiedene Vergrößerungen verwendet, um die Ursache des Risses, die Ausbreitungsrichtung des Risses, die Größe des betroffenen Bereichs sowie die Eigenschaften des Bruches zu bestimmen. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Beurteilung der Ursachen für den Bruch der Hülle. ⑥Korrosionsbewertungsanalyse: Die Korrosionsbewertungsanalyse ist keine Pflichtaufgabe. Sie wird nur dann durchgeführt, wenn es offensichtliche Korrosionsspuren gibt – möglicherweise aufgrund von Korrosion verursachte Risse in den Rohren. Außerdem können bei Thermoelementhülsen, deren Brüche seit längerer Zeit unbehandelt sind und an deren Rissen deutliche Oxide zu erkennen sind, auch Korrosionsanalysen durchgeführt werden. ⑦Bei der Modalfeststellung werden Brüche der Thermoelementhülsen oft durch starke Vibrationen oder sogar Resonanzen verursacht. Deshalb wird auch häufig die Modalfeststellung eingesetzt. Dabei können sowohl Vor-Ort-Tests als auch Simulationen mittels Finite-Elemente-Methoden durchgeführt werden. Ziel ist es in der Regel, die Eigenfrequenzen der Struktur sowie des Fluids zu bestimmen – insbesondere die niedrigen Eigenfrequenzen, die einen großen Einfluss auf die Vibrationen haben. Es sollte vermieden werden, dass die Eigenfrequenzen der Struktur und des Fluids übereinstimmen oder sich annähern. ⑧Numerische Simulationsanalyse: Die in der Modalanalyse erwähnte Verwendung von Finite-Elemente-Analyse-Softwaren (wie ANSYS usw.) zur Durchführung von Modalanalysen gehört ebenfalls zur Kategorie der numerischen Simulationsanalyse. Doch es ist auch üblich, den Bruch von Thermoelementhülsen mithilfe von Methoden der computergestützten Strömungsmechanik zu untersuchen – also mit der CFD-Methode. In der Literatur wurden beispielsweise große-Wellen-Simulationen verwendet, um den Einfluss des Strömungsfeldes auf die Thermoelementhülsen numerisch zu analysieren. Dadurch konnten die Belastungen der Thermoelementhülsen ermittelt werden. Durch weitere Analyse der Ergebnisse konnten wirksame Maßnahmen zur Verringerung dieser Belastungen gefunden werden. 3. Ursachen für das Brechen der Thermoelementhülle
Es gibt viele verschiedene Ursachen für das Brechen der Thermoelementhülle. In der Praxis können diese Ursachen je nach Situation unterschiedlich sein. Changhui Instruments hat auf der Grundlage von Felduntersuchungen, praktischer Erfahrung sowie relevanten Daten die häufigsten Ursachen für das Brechen zusammengefasst:
① Schweißfehler
Bei der Analyse der Stellen, an denen die Thermoelementhülle bricht, stellte sich heraus, dass die Schweißstellen sowie die umliegenden Bereiche zu den am häufigsten betroffenen Gebieten gehören. Dies hängt meist mit Schweißfehlern zusammen. In der Literatur wird bei der Analyse der Ursachen für den Bruch der Thermoelementhülsen in Leitungen unter Vakuum darauf hingewiesen, dass aufgrund einer mangelhaften Schweißqualität sowie einer ungleichmäßigen Struktur des Wärmebeeinflusstbereichs Defekte wie Verzahnungen an den Schweißstellen entstehen. Dadurch kommt es zu einer Anreicherung von Verunreinigungen im Bereich der Außenwandwurzel. Zudem weist die mikroskopische Struktur Lücken und Hohlräume auf. Unter starken Stoßbelastungen entstehen Risse, die sich schnell ausbreiten und letztendlich zum Bruch der Thermoelementhülsen führen. ②Vibrationen der Hülle: Die Hauptleitung, die die Thermoelementhülle mit dem Rest des Systems verbindet, ist in der Regel mit Flüssigkeit gefüllt. Wenn die Dichte der Flüssigkeit hoch ist und die Strömungsgeschwindigkeit zu groß ist, entstehen in der Nähe der Hülle Wirbel. Wenn diese Wirbel abwechselnd von beiden Seiten der Hülle abgetrennt werden, entstehen dadurch periodisch wechselnde Auftriebskräfte und Widerstände auf der Hülle. Dies wiederum führt zu einer ständigen Veränderung der Druckverteilung im Inneren der Leitung. Der Druck sowie die Richtung der auf die Hülle wirkenden Flüssigkeitskräfte ändern sich ebenfalls ständig – was letztendlich zu Vibrationen der Leitung führt. Resonanz tritt auf, wenn die Schwingungsfrequenz der Flüssigkeit der Eigenfrequenz des Gehäuses nahekommt oder sogar gleich ist. Sobald eine starke Resonanz entsteht, entstehen im Inneren der Hülle periodische Wechselspannungen. Hüllen, die über einen längeren Zeitraum großen Wechselspannungen ausgesetzt sind, können an den Stellen mit den höchsten Spannungen durch Ermüdung brechen. ③Abnutzung durch Korrosion: Die Hülsen der Thermoelemente befinden sich oft in extremen Bedingungen wie hoher Temperatur, hohem Druck und hoher Feuchtigkeit sowie in stark korrosiven Medien. Dadurch kommt es häufig dazu, dass die Hülsen aufgrund von Korrosion beschädigt oder zerstört werden. Manche Arten der Korrosion können mit bloßem Auge erkennbar sein, während andere nur durch metallurgische Analysen festgestellt werden können – beispielsweise die interkristalline Korrosion. An Stellen, an denen interkristalline Korrosion auftritt, entstehen oft auch Quellen für Risse durch Ermüdung. ④Fehlerhafte Auswahl des Materials für die Hülle: Die Hülle einer Thermoelemente muss eine hohe Materialfestigkeit sowie Widerstandsfähigkeit gegen extreme Umweltbedingungen aufweisen. Die häufigsten Ursachen für das Bersten der Hülle aufgrund einer fehlerhaften Materialwahl sind drei: Erstens entspricht das Material überhaupt nicht den geltenden Standards ； Zweitens stimmen die tatsächlich verwendeten Materialien nicht mit den im Design ausgewählten Materialien überein (das ist ein Problem, das bei der Analyse der chemischen Zusammensetzung häufig auftritt – und auch ein wichtiger Grund dafür, warum eine solche Analyse durchgeführt wird) ； Drittens wird bei der Auswahl des Materials vor allem auf die Steifigkeit geachtet; es werden keine Berücksichtigungen hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen und Drücke sowie der Korrosionsbeständigkeit vorgenommen, oder die langfristigen Auswirkungen dieser Faktoren werden nicht berücksichtigt. ⑤Falsche Montageposition der Thermoelemente: Wenn die Bruchstelle des Gehäuses des Thermoelements in der Nähe von Biegungen, Lochplatten, Verbindungsstücken oder Ventilen befindet, dann ist es sehr wahrscheinlich, dass dies auf eine falsche Montageposition der Thermoelemente zurückzuführen ist. Denn an diesen Stellen konzentrieren sich die Schwingungskräfte und Energiequellen besonders stark. Deshalb sollte die Montageposition der Thermoelemente, sofern es nicht für die Temperaturmessung und -steuerung notwendig ist, möglichst weit von diesen Bereichen entfernt sein. ⑥Fehlerhafte Befestigung der Thermoelemente: Wenn die Hülle des Thermoelements senkrecht an der Rohrleitung angebracht wird, kann deren Belastungszustand als ein Modell einer schwebenden Balkenkonstruktion beschrieben werden. Die Bruchstelle tritt in der Regel an der Verbindungstelle zwischen der Hülle und der Hauptrohrleitung auf – dieses Gebiet entspricht dem Ansatzpunkt des schwebenden Balkens. Hier liegt die größte Belastung, und es entsteht auch eine hohe Spannungskonzentration. Deshalb können Thermoelemente, bei denen eine schräge Anordnung ausreicht, in einem bestimmten Winkel schräg angebracht werden. Zudem hat auch die Länge, über die die Hülle des Thermoelements in die Hauptrohrleitung hineinreicht, einen Einfluss auf ihre Bruchgefahr. Diese Länge sollte daher sorgfältig gewählt werden. Dieser Artikel beschreibt hauptsächlich die Methoden zur Analyse von Bruchversagen von Thermoelementhülsen sowie die häufigsten Ursachen für deren Bruch. Wir laden Sie ein, weiterhin den Artikel „Welche Maßnahmen können dazu beitragen, Brüche von Thermoelementhülsen zu verhindern?“ zu verfolgen. Autoren: Yuan Wei, Yang Zhirong