Thema des Monats November 2008


Bild: Pipelines – Adern für die Rohstoffe der Wirtschaft.
Quelle: Siemens

Kommunizierende Halbzeuge

In industriellen Anwendungen sind die eingesetzten Materialien generell einem komplexen Anforderungsprofil ausgesetzt. Gerade Rohre und Drähte werden aber zudem oft unter kritischen Umweltbedingungen und in sehr beanspruchenden Umgebungen eingesetzt – mechanische Einwirkungen, korrosive Einflüsse, Erosion oder gar Tierfraß und Vandalismus sind hier nur einige anschauliche Beispiele, die das zusätzliche Belastungskollektiv aufzeigen.

Daher müssen diese Bauteile neben ihrer eigentlichen Funktion – für die sie ausgelegt und dimensioniert sind – ergänzend hohe sicherheitstechnische Anforderungen erfüllen beziehungsweise entsprechende Reserven bieten, um zuverlässig funktionieren zu können. Dies lässt sich aber häufig nur abschätzen …

In diesem Kontext liefern aktuelle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wichtige Neuerungen, die Rohre und Drähte und daraus aufgebaute Funktionseinheiten mit einem Eigenschaftsprofil ausrüsten, um auf diese wenig kalkulierbaren Anforderungen entsprechend reagieren zu können – sicher, schnell und verlässlich.

Es zeichnet sich in der Tat ein Trend hin zu auf multifunktionalen Sensoren basierenden Systemen ab, mit denen es möglich wird, ein Materialversagen oder eine Bauteilstörung sofort zu detektieren und an die zuständigen Überwachungseinheiten zu melden. Eine Entwicklung, die die gewachsenen Ansprüche an neue Technologien hinsichtlich Materialeffizienz, Ressourcenschonung, Umweltschutz und Nachhaltigkeit auf hohem Niveau unterstützt!

Pipelines überwachen

Ingenieure von Siemens Corporate Technology arbeiten gegenwärtig an der Entwicklung einer neuen Generation von kommunizierenden Sensoren, die in die unterschiedlichsten Systeme integriert werden können. Mit ihnen wird es zukünftig möglich sein, kilometerlange Pipelinesysteme automatisch zu überwachen und zu kontrollieren.

Als typische Einsatzgebiete stellen sich die Forscher etwa die russische Öl- und Gasförderung in Sibirien vor. Die Tundra mit ihren zahllosen Förderstätten und nahezu endlosen Pipeline-Kilometern ist genau ein solches Gebiet, das die unterschiedlichsten Materialien anfällig für Störungen macht. Mangelnde Infrastruktur, lange Wege, wechselnde klimatische Bedingungen und vieles andere mehr setzen hier den Werkstoffen und Komponenten mal heftig und ein anderes mal eher schleichend zu.

Natürlich werden die Förder- und Transportsysteme bereits jetzt schon überwacht – allerdings mit verkabelten Sensoren, die nicht weniger störungsanfällig sind. Die neue Technologie setzt daher auf drahtlose und autark betriebene Funksensoren, die nicht nur Defekte, sondern auch durch Gewalt verübte Schäden erkennen sollen.

Spontane Druckabfälle in Leitungen werden mit ihnen genauso erkannt wie untypische Klopf- oder Grabgeräusche in der näheren Umgebung. Zudem soll eine intelligente Software den Zustand und die Funktionsfähigkeit von eingebundenen Pumpen und Kompressoren aufgrund deren Schwingungs- und Umgebungsdaten - wie zum Beispiel Temperatur und Ölstand - kontrollieren und so bereits Auffälligkeiten melden, bevor ein massiver Defekt entstanden ist.

Wasserstoffversprödung melden


Bild: Prototyp eines Sensors, der zuverlässig Wasserstoff-Versprödung in Stählen meldet. Quelle: NIST.

Wasserstoff entwickelt sich zunehmend zu einem Energieträger der Zukunft, die Vorteile liegen auf der Hand – er verbrennt ohne klimaschädigenden Kohlendioxid-Emissionen, ist energiereich und liegt in unbegrenzter Menge vor. Neben diesen Vorteilen hat Wasserstoff aber auch technologisch nicht zu unterschätzende Nachteile. Die spektakulären Bilder von der Explosion des Luftschiffs Hindenburg hat man vor Augen und jeder Ingenieur kennt die Nachteile, die die Wasserstoffversprödung im Anlagen- und Reaktorbau mit sich bringt.

Amerikanische Wissenschaftler am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben zusammen mit Kollegen von der Colorado School of Mines in Golden, den Prototyp eines neuartigen Sensors entwickelt, der sehr schnell kleinste Ansammlungen von Wasserstoff in Pipeline-Stählen detektieren und nachweisen kann. Somit wird es künftig möglich, frühzeitig kleinste Wasserstoff-anreicherungen in Stählen nachzuweisen, die unter Umständen ein Materialversagen durch Wasserstoffversprödung auslösen können.

Der transportable, nur etwa 25 cm2 große Wasserstoffsensor arbeitet dabei vollkommen zerstörungsfrei und berührungslos. Die Funktion der Methode basiert auf Änderungen der Impedanz eines Werkstoffes in Abhängigkeit seines Wasserstoffgehaltes. In Labor- und Feldversuchen überzeugte die Neuentwicklung durch seine außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit – der Sensor ist in der Lage einen Wasserstoffgehalt von deutlich unter 1 part per million (ppm) sicher zu detektieren.

Nach Angaben der Wissenschaftler sind konventionelle Nachweismethoden bisher nicht in der Lage dermaßen exakt und empfindlich zu arbeiten. Der neue Sensor wirkt zudem als präventives Monitoringsystem, das Substanzen detektieren kann, die Materialfehler, Risse und andere Defekten auslösen können, diese aber meldet bevor Schäden entstanden sind.

Dr.-Ing. Christoph Konetschny
Material- & Nanoexperte
www.materialsgate.de


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