Helium-Lecksuche an Strahlheizrohren in Wärmebehandlungsöfen

Ein entsprechendes Überwachungssystem ist bereits in Vorbereitung Zur Wärmebehandlung werden metallische Werkstücke in einem Ofen einer speziellen Prozessatmosphäre ausgesetzt und definierten Temperaturänderungen unterworfen So lassen sich Spannungen im Metall abbauen, das kristalline Gefüge oder die chemische Zusammensetzung beeinflussen metallische Werkstücke in einem Ofen einer speziellen Prozessatmosphäre ausgesetzt und definierten Temperaturänderungen unterworfen. So lassen sich Spannungen im Metall abbauen, das kristalline Gefüge oder die chemische Zusammensetzung beeinflussen.

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Das Versuchsobjekt: Rollenherddurchlaufofen mit Strahlrohrbeheizung

Die Beheizung der Wärmebehandlungsöfen erfolgt häufig indirekt über Strahlungswärme aus Strahlheizrohren mit einer geschlossenen Brennkammer. Treten in einem solchen Rohr Undichtigkeiten auf, so können Verbrennungsgase in den Wärmebehandlungsofen eindringen, die Prozessatmosphäre im Ofen verunreinigen und die Qualität der behandelten Werkstücke beeinträchtigt. Defekte Strahlheizrohre können somit hohe Kosten verursachen. Denn wird das gewünschte Wärmebehandlungsergebnis nicht erreicht, so müssen in Extremfällen sogar Öfen außer Betrieb genommen werden um das Leck zu finden.
Je größer der Ofen, desto höher der Aufwand für eine solche Lecksuche. In größeren Wärmebehandlungsöfen werden leicht bis zu 200 und mehr Strahlheizrohre eingesetzt, um den Ofen gleichmäßig zu erhitzen. Unter diesen Bedingungen ist die Detektion einzelner durchgebrannter, gerissener oder abgebrochener Strahlheizrohre mit den gängigen Verfahren äußerst aufwändig.
Eine solche, allerdings personalaufwändige Lecksuchmethode stellt das Abdrücken der Strahlheizrohre dar. Sie birgt jedoch die Gefahr, dass Leckagen unentdeckt bleiben. denn die Strahlheizrohre werden beim Abdrücken nicht betrieben und befinden sich somit in einem anderen Temperaturregime. Weitere Nachteile dieser Verfahrensweisen der Lecksuche bestehen darin, das sie zeit- und kostenintensiv sowie nicht automatisierbar sind. Zudem wird mit der Lecksuche meist erst begonnen, nachdem bereits Probleme in der Produktion aufgetreten sind.
Eine Ofenbegehung ist oftmals aufgrund der Raumgrößen unmöglich, führt aber auch bei begehbaren Anlagen nicht immer zur Aufdeckung eines kleineren oder mittleren Lecks. Die Rohre können meist nicht von allen Seiten betrachtet werden.

Bei Begehungen sind die Rohre nicht von allen Seiten sichtbar

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Defekte Strahlheizrohre: Sie können hohe Folgekosten verursachen

Als sehr gut handhabbare Alternative hat sich die Lecksuche mithilfe von Helium-Lecksuchgeräten erwiesen. Heute gilt diese Methode als die wichtigste in der Lecksuchtechnik.  Moderne Massenspektrometer, die hier eingesetzt werden, sind in der Lage, Konzentrationen von wenigen ppm zu detektieren.
Im Rahmen eines Grundlagenversuches wurde die Tauglichkeit der Helium-Lecksuchtechnik für das Auffinden defekter Strahlheizrohre an zwei für das Glühen von Stahlrohren typischen Rollenherdöfen mit der Herdbreite 1,6 m bzw. 1,2 m, Ofenlänge 27 m bzw. 24 m, Ofenraumvolumen ca. 90 m³ bzw 60 m³, mit Schutzgas aus Carbocat-Katalysator und Stickstoff, C-Pegelregelung mit Anfettungsgas Erdgas, jeweils mit Kühlstrecke, getestet.

Das Messgerät

PhönixL300

Der neue Helium-Leckdetektor PHOENIXL 300: Die Weiterentwicklung auf Basis der erfolgreichen und bekannten ULTRATEST UL 100, UL 200 sowie deren Nachfolger L 200 und L 200+ Lecksucher.

Der neue Helium-Leckdetektor PHOENIXL 300: Die Weiterentwicklung auf Basis der erfolgreichen und bekannten ULTRATEST UL 100, UL 200 sowie deren Nachfolger L 200 und L 200+ Lecksucher.

Im Rahmen der Versuche wurde ein PhönixL300 mit einer Messgenauigkeit der Leckrate von unter 5 x 10 -12 mbar l/s im Schnüffelmodus eingesetzt. Dies entspricht in etwa einer Auflösung von weniger als 5 ppt.
Der PHOENIXL 300 ist als mobiler Helium-Lecksucher für den Einsatz in Serienproduktion und Service gleichermaßen geeignet. Er zeichnet sich durch schnelle Betriebsbereitschaft und extrem kurze Ansprechzeit aus.
Das ölfreie Gaseinlass-System erlaubt den Einsatz bei der Prüfung optischer Systeme, in Analysensystemen oder in der Halbleiter-Industrie. Für die Lecksuche an großvolumigen Behältern ist der PHOENIXL 300 Modul mit zusätzlichem Vorvakuumsystem geeignet. In Kombination mit einem Teilstrom-Pumpsatz kann auch der PHOENIXL 300 für diese Anwendung ausgestattet werden und bietet die Leckratenmessung ab 1 000 mbar. Der Betrieb als Schnüffel-Lecksucher ist mit dem entsprechenden Zubehör möglich. Die Applikationsberatung des Herstellers konfiguriert den PHOENIXL 300 auf Anfrage auch bedarfsgerecht nach Kundenspezifikation.

Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Tel.: 0221 347 0
Mail: info.vacuum@oerlikon.com
www.oerlikon.com

Die Impfung der Ofenatmosphäre zur Simulation eines Lecks wurde mit einer Impfdosis von nur 200 ml Helium durch vorhandene seitliche Atmosphärenmessstellen/Gaseinlässe ober- und unterhalb des Rollganges auf den Strahlrohrebenen innerhalb von 5 s durchgeführt. Dies entsprach einem Volumenstrom von 2,4 l/min. Die Impfpositionen waren über
nahezu die gesamte Ofenlänge verteilt. Unter der Annahme einer unmittelbaren, vollständigen Verteilung der Impfmenge im Ofenraum wäre mit dieser Heliummenge ein Anstieg der Konzentration um 2-3 ppm zu erwarten gewesen.
Im Ofen war mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 0,1-0,2 m/s zu rechnen, weswegen, je nach Entfernung der Impfstelle von der Analysennnahme, ein Anstieg des Messsignales nach 1 bis maximal 5 Minuten erwartet wurde.
Der auf Heliumspuren zu untersuchende Gasstrom wurde im Bereich des Ofenhalses zwischen den Einlauftüchern und dem Ofen mittels einer Messgaspumpe auf Rollgangsebene abgezogen. Der Schnüffelsensor des Helium-Lecksuchgerätes war vollständig diesem Gasstrom ausgesetzt. Messgerätbedingt werden die Messwerte in mbar l/s angegeben. An Luft zeigte das Messgerät einen Wert von etwa 4,9 x 10-6 mbar l/s was so etwa dem Heliumgehalt der Luft von 5,1 ppm entspricht. Die im Ofengas gefundenen Werte waren durchweg um eine Zehnerpotenz höher, was auf einen gewissen Anteil von Helium im zur Endogaserzeugung und Anfettung benutzten Erdgas schließen lässt.
Allerdings stellten sich die Spitzenwerte der Messungen nicht wie erwartet in Abhängigkeit von der Entfernung vom Impfpunkt zur Gasentnahme ein. Allenfalls die Höhe der Peaks ließ ansatzweise einen Schluss über die Entfernung zwischen Leck und Messpunkt zu.

Beim Test wird jedes Rohr einzeln mit Helium beaufschlagt

Versuchsergebnis: Heliumanstieg an Ofen B nach Impfung mit 0,2 l Helium für verschiedene Impfpositionen, gemessen auf der linken Rollgangsseite. Die Entfernungsangabe bezieht sich jeweils auf die Distanz zwischen Impfposition und Analysenahme. ,Oben‘ und ,unten‘ kennzeichnen die Impfpositionen hinsichtlich ihrer Lage zur Rollgangsebene.

Versuchsergebnis: Heliumanstieg an Ofen B nach Impfung mit 0,2 l Helium für verschiedene Impfpositionen, gemessen auf der linken Rollgangsseite. Die Entfernungsangabe bezieht sich jeweils auf die Distanz zwischen Impfposition und Analysenahme. ,Oben‘ und ,unten‘ kennzeichnen die Impfpositionen hinsichtlich ihrer Lage zur Rollgangsebene.

Das eigentliche Ergebnis der Versuche bestand aber darin, dass in beiden Öfen bei jeder versuchsweise vorgenommenen Heliumimpfung ein eindeutiger Ausschlag am Messgerät zugeordnet werden konnte. Ausgehend von diesen Ergenissen lassen sich einige Regeln für solche Tests formulieren. Der wesentliche Punkt des Helium-Lecksuchverfahrens besteht darin, das Helium zu einem definierten Zeitpunkt lediglich einem einzigen, ganz bestimmten Strahlheizrohr zuzuführen und anschließend auf einen signifikanten Ausschlag am Heliumdetektor zu warten. Bleibt dieser Ausschlag innerhalb eines gewissen Zeitraumes aus, kann davon ausgegangen werden, dass das geprüfte Strahlheizrohr intakt ist. Erst nach einem solchen Gutbefund wird das nächste Strahlheizrohr geprüft.
Abhängig vom Ofentyp ist zu entscheiden, an welcher Position die Gasentnahme zu erfolgen hat. Die manuelle Überprüfung sämtlicher Brenner eines Wärmebehandlungsofens ist mit dieser Methode zwar denkbar, wäre allerdings auch kostenintensiv und wenig sinnvoll. Zielführend ist hingegen die Implementierung eines Systems, das die Überprüfung in regelmäßigen Zeitabständen während des laufenden Ofenbetriebes vollautomatisch durchführt.
Eine dazugehörige Steuerungs- und Auswerteeinheit, die auch in die Ofenbrennersteuerung integriert sein kann, ordnet jedem gemessenen Heliumwert exakt ein defektes Strahlheizrohr zu. Das undichte Rohr wird dann entweder außer Betrieb genommen oder das System löst einen Alarm aus. Um Schäden vorzubeugen, kann die Steuereinheit auch bestimmte Prüfzyklen ausführen, etwa bei besonders gefährdeten Brennergruppen.
Eine Beeinträchtigung des Glühergebnisses durch das Helium kann übrigens ausgeschlossen werden. Helium verhält sich bei allen in Frage kommenden Prozessen völlig inert. Der Heliumverbrauch eines solchen vollautomatisch arbeitenden Screeningsystems wird beeinflusst durch unterschiedliche Faktoren wie Häufigkeit der Prüfung, Strahlheizrohranzahl, Ofengröße , Strömungsverhältnisse, Frischgmenge und  den Helium-Anteil in Erdgas.
So liegt beispielsweise der Verbrauch für einen Rollenherdofen, wie er bei den Versuchen untersucht wurde, bei einem wöchentlich einmal durchgeführten kompletten Screening mit Impfdosen von 20,8 l Helium je Prüfung und 50 Betriebswochen pro Jahr bei  73 m³/a. Dies entspricht dem Inhalt von acht handelsüblichen Heliumgasflaschen.
Es ist leicht nachzuvollziehen, dass ein kleineres Ofenvolumen, eine verringerte Frischgaszufuhr sowie ein größeres Leck den Effekt verstärken werden, ein größeres Ofenvolumen, erhöhte Frischgaszufuhr sowie ein kleineres Leck ihn abschwächen. Nicht immer lassen sich die negativen Effekte durch erhöhte Fettungsgaszugabe kompensieren. Auch reagieren hohe C-Pegel stärker auf Leckagen in Strahlheizrohren. In den Tests wurde eine homogene Verteilung des Abgases im Ofenraum angenommen. In realen Anlagen, insbesondere Durchlaufofenanlagen, kann der lokal auftretende Effekt einer Leckage noch erheblich stärker ausfallen. Dies hängt von den Strömungsverhältnissen, der Verteilung und  Vermischung der Gase im Ofenraum ab.

Die Testanlage lässt sich auch an bestehenden Anlagen nachrüsten

Das Helium-Lecksuchverfahren stellt somit eine neue, effektive und kostensparende Lösung dar, Leckagen in Strahlheizrohren von Wärmebehandlungsöfen schnell und sicher zu detektieren. Das Verfahren lässt sich bei Neuanlagen ebenso einsetzen wie in vorhandenen Anlagen nachrüsten. Die laufenden Betriebskosten sind minimal im Verhältnis zu den Betriebskosten einer Wärmebehandlungsanlage.
Des Weiteren liefert das inzwischen zum Patent angemeldete Verfahren von Linde  die Möglichkeit, die Schutz- und Fettungsgasmengen zu minimieren und leistet somit einen aktiven Beitrag zur CO2-Minimierung an Wärmebehandlungsanlagen. Das System soll dann, optional zusammen mit der kompletten Ofensteuerung, in die von Linde vermarkteten Systeme CARBOFLEX® und HYDROFLEX® implementiert werden.

Gerd Waning

Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas
Tel.:  0521 3034127
Mail: Gerd.Waning@de.linde-gas.com
www.linde-gas.de