Verformungen eines Roheisenmischers überwachen: vier Zustände, ein 3D-Referenzmodell

Zwei Schädigungen mit unterschiedlicher Signatur

Die Stahlstruktur verformt sich unter den Temperaturzyklen. Ausdehnung, Rotation, Torsion: Der Mischer kehrt nie exakt in seine Ausgangsgeometrie zurück. Diese Bewegungen zeigen sich an der Lage der Stirnwände und an der Verformung des Mantels. Zwischen zwei Zuständen liegen die Abweichungen im Zentimeterbereich.

Die Feuerfestauskleidung dagegen verschleißt von innen. Ihre Dicke nimmt ungleichmäßig ab, je nach Kontaktzonen mit dem Roheisen und den erlittenen Temperaturschocks. Hier erreichen die Abweichungen mehrere Dezimeter. Und genau diese Dicke schützt die Struktur.

Jeder Betreiber kennt das Risiko: Eine zu stark verschlissene Auskleidung durchbricht irgendwann den Stahlmantel und führt zu einem Roheisenaustritt. Die Überwachung zielt also auf große Abweichungen, und genau darin liegt ihr Zweck.

Beide Schädigungen hängen zusammen, werden aber nicht gleich gemessen. Die erste liest man außen an der Anlage ab, die zweite innen. Eine sinnvolle Kampagne muss beides abdecken. Das erklärt das gewählte Vorgehen.

Was die Kampagne misst

Ziel ist ein präzises Bild des geometrischen Zustands der Anlage, heiß wie kalt, innen wie außen.

Die Messung stützt sich auf 3D-Laserscanning. Es erfasst schnell dichte Maßdaten, berührungslos und mit Millimetergenauigkeit. Die Punktwolken dienen anschließend drei Zwecken: der Maßkontrolle, dem Vergleich aufeinanderfolgender Zustände und der 3D-Referenzmodellierung.

Die Analyse umfasst vier Gruppen von Phänomenen:

• die Lage der Stirnwände;
• die Verformung des Mantels;
• Ausdehnung, Rotation und Torsion;
• den Verschleiß der Feuerfestauskleidung.

Den Innenraum erfassen, ohne ihn zu betreten

Das Gewölbe des Mischers ist instabil. Ein Personeneinstieg ist ausgeschlossen. Die Innenaufnahme erfolgt daher aus der Distanz: Der Laserscanner wird auf einen Zahnstangenmast montiert und in den Mischer eingebracht. Er liefert das vollständige 3D-Bild des Auskleidungsverschleißes, ohne dass ein Mitarbeiter einsteigt.

Je nach Anlagenkonfiguration sind zwei Zugangswege möglich:

• von unten: Der Scanner wird lotrecht unter der unteren Öffnung positioniert und über den Zahnstangenmast in den Innenraum gefahren. Der Öffnungskanal muss dafür möglichst senkrecht verlaufen;
• von oben: Der vorhandene Laufsteg wird durch einen Bohlenbelag verlängert. Von dort wird ein Laufstegabschnitt in den Mischer abgesenkt, mit gekennzeichnetem Anschlagpunkt für den Auffanggurt.

Ergänzend wird von außen gemessen: 40 bis 50 Scanpositionen im Umfeld des Mischers. Damit werden die Verschiebungen der Stirnwände zwischen heißem und kaltem Zustand quantifiziert.

Zum Einsatz kommt ein 3D-Laserscanner auf Stativ, Laserklasse 1, nicht ATEX-zertifiziert. Die gesamte Aufnahme, innen und außen, ist an einem vollen Arbeitstag vor Ort abgeschlossen.

Ein Einsatz mit klaren Sicherheitsvorgaben

Der Einsatz erfolgt mit ein bis zwei Messtechnikern von IMAG'ING, qualifiziert für Chemierisiko (französische Befähigung Risque Chimique Stufe 1 und 2) und Höhenarbeit. Ein Mitarbeiter des Kunden übernimmt außen rund 3,5 Stunden lang die ständige Sicherungswache für Zugang und Absicherung.

Die Schutzausrüstung entspricht einem Standort mit erhöhtem Risiko: 4-Gas-Messgerät mit Sauerstoffüberwachung im Umfeld, persönlicher Auffanggurt, Y-Verbindungsmittel und Höhensicherungsgerät. IMAG'ING ist MASE-zertifiziert. Das ist Voraussetzung für den Zugang zu dieser Art von Industriestandort.

Vier Zustände im Vergleich statt einer Einzelmessung

Das ist der methodische Kern, der den Wert der Kampagne ausmacht. Die Verformungen des gesamten Mischers werden über den Vergleich von vier Betriebszuständen verfolgt:

• kalt, mit neuer Auskleidung: der Referenzzustand, auf den sich alles andere bezieht;
• heiß: die reale Geometrie im Betrieb, Ausdehnung eingeschlossen;
• kalt, mit verschlissener Auskleidung: die bleibende Verformung nach dem Zyklus;
• kalt, ohne Auskleidung: die nackte Struktur, befreit von allem, was sie verdeckt.

Für sich genommen beschreibt jeder Zustand nur sich selbst. Erst die digitale Überlagerung liefert die nutzbare Information. Sie erlaubt es, Geometrien über die Zeit zu vergleichen und die Entwicklung der Anlage zu belegen, statt sie zu schätzen.

Die Größenordnungen zeigen die Dimension der Aufgabe: einige Zentimeter Bewegung an der Struktur, mehrere Dezimeter Rückgang an der Auskleidung. Diese Abweichungen und ihre Entwicklung von Kampagne zu Kampagne sind die Grundlage der Instandhaltungsentscheidung.

Warum berührungslos hier kein Detail ist

Die klassische Messung stößt hier auf drei Hindernisse zugleich. Die Temperatur verbietet jede Annäherung im Betrieb. Die Zugänglichkeit ist schlecht, zwischen den umgebenden Strukturen und dem geschlossenen Innenraum. Und die Größe des Bauteils macht jede Punktmessung sinnlos: Die Torsion eines Mantels lässt sich nicht mit dem Maßband erfassen.

3D-Laserscanning umgeht alle drei. Es braucht keinen Kontakt, also keine aufzuklebenden Zielmarken und keinen dafür zu schaffenden Zugang. Es liefert dichte Daten statt weniger Punkte und erlaubt so eine Formanalyse, nicht nur eine Maßprüfung. Und es verkürzt die Zeit vor Ort, was zählt, wenn das Zeitfenster ein technischer Stillstand ist.

Von der Punktwolke zum nutzbaren Referenzmodell

Eine Rohpunktwolke lässt sich nicht vergleichen. Sie wird registriert, gefiltert, koloriert und georeferenziert. Dieser letzte Schritt bestimmt die gesamte weitere Überwachung.

Darauf aufbauend erfüllen zwei Ergebnisse zwei unterschiedliche Anforderungen:

• Das Netzmodell gibt die reale Oberfläche wieder, Abweichungen eingeschlossen. Es dient der Verschleißkontrolle der Auskleidung, weil es nichts glättet.
• Das 3D-Modell liefert ein sauberes Referenzmodell für die Planung: Aufstellung, Neukonstruktion von Bauteilen, Vorbereitung von Eingriffen.

Die bei jeder Kampagne erstellte digitale Basis wird bei der nächsten wieder aufgenommen. So lässt sich die Entwicklung des Mischers über mehrere Betriebszyklen verfolgen.

Maßkontrolle und zerstörungsfreie Prüfung: Was die 3D-Messung leistet, und was nicht

Die Grenze sei klar benannt, denn beide Verfahren treffen oft im selben Stillstand aufeinander. 3D-Laserscanning beschreibt eine Geometrie: Form, Lage, scheinbare Dicke, Abweichung von einem früheren Zustand. Über den Zustand des Werkstoffs sagt es nichts. Ein innerer Riss oder eine Gefügeveränderung sind Sache der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP).

Beide ergänzen sich also, statt sich zu ersetzen. An einer Anlage wie dieser zeigt die 3D-Messung, wo die Struktur arbeitet und wo die Auskleidung zurückgeht. Oft ist sie es, die die Bereiche benennt, auf die sich die ZfP anschließend konzentrieren soll, statt alles zu prüfen.

Was der Betreiber gewinnt

Drei Dinge, keines davon bloß dokumentarisch.

Erstens ein verlässliches 3D-Referenzmodell, das den Zustand der Anlage belegt: ein datierter, belastbarer Zustand statt einer Einschätzung.

Zweitens die Möglichkeit, Instandhaltungsmaßnahmen vorauszuplanen. Wer den tatsächlichen Verschleiß der Auskleidung kennt, entscheidet über den Austausch auf Basis einer Messung, nicht eines theoretischen Kalenders. Oder, schlimmer, eines Zwischenfalls.

Drittens sicherere technische Entscheidungen. Wenn zwischen Verlängerung der Kampagne und Stillstand für die Neuzustellung abzuwägen ist, wiegt eine gemessene Abweichung mehr als die erfahrenste Schätzung.

Eine Überwachung, die seit 2014 läuft

Eine Kampagne liefert einen Zustand. Zwei Kampagnen liefern einen Trend. Der Trend erlaubt die Prognose, und deshalb entfaltet diese Art der Prüfung ihren Wert erst in der mehrjährigen Überwachung.

An diesem Standort werden zwei Mischer überwacht. Jeder wird alle zwei Jahre geprüft, im jährlichen Wechsel. IMAG'ING ist dort also seit 2014 etwa einmal pro Jahr im Einsatz. Das ergibt mehr als zehn Jahre Maßhistorie an denselben Anlagen.

Die Aufnahmen müssen dafür untereinander vergleichbar bleiben. Mit demselben Georeferenzierungsrahmen von Kampagne zu Kampagne überlagern sich die Punktwolken direkt. Ohne ihn beginnt jede Kampagne bei null, und die Historie ist wertlos. Das ist auch, was den ersten Einsatz amortisiert: Er bildet die Referenz, aus der alle folgenden abgeleitet werden.

Die Methode hängt nicht von der Anlage ab

Was an diesem Mischer geschieht, hängt nicht von seiner Art ab, sondern von drei zusammentreffenden Bedingungen: eine Anlage, deren Geometrie sich unter thermischer oder mechanischer Belastung verändert, eine Schädigung dort, wo die Sichtprüfung nicht hinkommt, und ein kurzes Zeitfenster, das der Betrieb vorgibt.

Sobald diese drei Bedingungen erfüllt sind, ist das Vorgehen übertragbar. Der erste Schritt ist dann die Festlegung, welche Zustände verglichen werden sollen. Diese Wahl bestimmt den Wert der Kampagne mehr als die Messtechnik.

Sprechen wir über Ihre Anlage

Beschreiben Sie uns die betroffene Anlage, ihre wichtigste Randbedingung und Ihre Stillstandsfenster. Wir sagen Ihnen, welche Zustände zu erfassen sind, in welcher Reihenfolge, und was der Vergleich belegen kann.