Schutzrohre für die Temperaturmessung

Rainer Zeller

Ein zusätzlicher Vorteil bei der Verwendung von Schutzrohren ist die Möglichkeit, das Thermometer für Prüfungen oder Reparaturen herauszunehmen oder durch ein anderes Thermometer zu ersetzen, ohne dass der Produktionsprozess unterbrochen und die Anlage entleert werden muss. Im Inneren eines Schutzrohres und damit am eingesetzten Temperaturfühler herrscht die gleiche Temperatur wie im Prozess selbst, wenn der Schutzrohrtauchschaft ausreichend weit in den Prozess hineinragt. Temperaturänderungen werden dabei allerdings, aufgrund der Wärmekapazität und des Wärmewiderstandes des Schutzrohres, zeitverzögert weitergegeben. Um Schutzrohre an die Applikationen anzupassen, werden die unterschiedlichsten Geometrien bei den Längen, Wandstärken und Flansch- bzw. Gewindegrößen verwendet. Für den Anwender ist es meist von großer Bedeutung, dass eine optimale Wärmeübertragung stattfindet, um eine möglichst kurze Ansprechzeit zu erzielen. Problematisch dabei ist, dass viele konstruktive Maßnahmen, die die mechanische Stabilität verbessern, eine Verschlechterung der messtechnischen Eigenschaften zur Folge haben. Dickwandige Schutzrohre beispielsweise verursachen aufgrund ihrer hohen Wärmekapazität eine längere Ansprechzeit. Schutzrohre mit kurzen Einbaulängen, die für Anwendungen mit hohen Schwingungsbelastungen günstig sind, haben meist einen starken Wärmeabfluss, der sich negativ auf die Genauigkeit des Thermometers auswirkt. Auf jeden Fall ist es wichtig, die zu verwendenden Thermometer und die Schutzrohre optimal aufeinander abzustimmen. Dabei ist es von Vorteil, wenn ein Hersteller wie Wika sowohl Thermometer als auch Schutzrohre im gleichen Haus konstruiert und fertigt.

Aufgrund der unzähligen Einsatzmöglichkeiten gibt es unterschiedliche Arten, wie die Schutzrohre aufgebaut sein können. Ein Unterscheidungskriterium ist die Art und Weise, wie die Schutzrohre mit dem Prozess verbunden werden. Sie können entweder eingeschraubt, eingeschweißt oder mit einem Flansch in der Anlage oder der Maschine befestigt werden (Abb. 1). Ein zweites Unterscheidungskriterium ist der konstruktive Aufbau und die Methode, wie die Schutzrohre hergestellt werden. Man unterscheidet dabei zwischen mehrteiligen und einteiligen Schutzrohren. Standardausführungen von Metall-Schutzrohren und Halsrohren sind in der neuen DIN 43772 beschrieben, die seit März 2000 gültig ist und die alten Normen DIN 16179, DIN 43763 und DIN 43770 ersetzt.

Die mehrteiligen Schutzrohre (Abb. 2) bestehen aus einem Rohrstück, das an der Spitze mit einem Bodenstück verschlossen ist. Am anderen Ende ist das Rohrstück mit einem Gewinde oder Anschlussstück, zur Befestigung des Thermometers verbunden. Je nach Ausführung ist noch ein zusätzliches Anschlussstück als Prozessanschluss erforderlich (z. B. Flansch bei Flanschschutzrohren). Mehrteilige Schutzrohre kommen bei geringen bis mittleren Belastungen, die durch Strömungen, Drücke oder auch Vibrationen entstehen können, zum Einsatz. Dabei kann die Länge von weniger als 100 mm bis hin zu mehreren Metern variieren. Längen von 10 m sind dabei, z.B. in Reaktoren der Chemieindustrie, keine Seltenheit.

Die einteiligen Schutzrohre (Abb. 3) werden aus einem massiven Stangenmaterial hergestellt. Im ersten Arbeitsschritt wird die Bohrung zur Aufnahme des Temperaturfühlers eingebracht. Anschließend wird die äußere Kontur des Schutzrohres und das Anschlussgewinde für das Thermometer hergestellt. Flanschschutzrohre werden noch mit dem Flansch vervollständigt, der mit dem Schutzrohrtauchschaft verschweißt wird. Obwohl der Flansch ein separates Teil ist, spricht man von einteiligen Flanschschutzrohren, da der Schutzrohrtauchschaft, der die größte Belastung aushalten muss, aus einem Stück gefertigt ist. Einteilige Schutzrohre kommen bei Prozessen mit hohen Belastungen zum Einsatz. Die Längen bleiben dabei aus Fertigungsgründen auf ca. 2 m beschränkt. Auch hier gibt es die berühmte Ausnahme von der Regel. Es sind Sonderausführungen möglich, bei denen der Schutzrohrtauchschaft aus mehreren einteiligen gebohrten Abschnitten hergestellt wird, die miteinander verschweißt werden.

Auch die Auswahl des Schutzrohrwerkstoffes hat für die Haltbarkeit eines Schutzrohres eine entscheidende Bedeutung. Eine Korrosion oder mechanische Beschädigung unter den gegebenen Prozessbedingungen muss zuverlässig ausgeschlossen werden. Wika bietet daher eine breite Palette von Werkstoffen an, darunter unter anderem Messing, Stahl, Edelstähle aber auch Sonderwerkstoffe wie Titan, Hastelloy, Inconel oder Monell etc. Darüber hinaus können Beschichtungen beispielsweise aus PFA oder E-CTFE, Stellitpanzerungen oder Überzüge aus Tantal realisiert werden. Die Ausführung und der Werkstoff eines Schutzrohres bedürfen im Vorfeld einer sorgfältigen Auswahl, um die Stabilität unter Prozessbedingungen über einen langen Zeitraum zu gewährleisten. Hierbei ist es teilweise notwendig, Schutzrohrberechnungen durchzuführen, in die alle für die Belastung wichtigen Prozessdaten (Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit, Dichte des Mediums) einbezogen werden.

Zusätzlich zu den Möglichkeiten, die diese Berechnungen bieten, gibt es verschiedene Prüfungen, um an den fertigen Schutzrohren deren Belastbarkeit und Qualität zu überprüfen. Dazu gehören neben Farbeindring- und Röntgenprüfungen vor allem die Druckprüfungen. Die verbreitetsten Druckprüfungen sind die Hydrostatiktests, bei denen Schutzrohre mit einem definierten Wasserdruck belastet werden, um deren Festigkeit und Dichtheit unter Druck zu überprüfen. Relativ einfach ist dabei eine Innendruckprüfung zu realisieren. Dazu wird der Innenraum eines Schutzrohres, in dem sich später der Fühler des Thermometers befindet, mit einer Prüfeinrichtung verbunden und mit Wasser gefüllt. Dabei wird, je nach Schutzrohrausführung verschieden, im Wasser ein Druck bis zu 500 bar erzeugt. Die Innendruckprüfung hat den Vorteil, dass das Schutzrohr auf Dehnung beansprucht wird, wodurch sich feinste Undichtigkeiten sehr gut erkennen lassen. Innendruckprüfungen werden normalerweise bei Schutzrohren zum Einschrauben bzw. zum Einschweißen angewandt.

Eine zweite Möglichkeit ist die Außendruckprüfung. Bei diesen Prüfungen werden Schutzrohre in einem geschlossenen Behälter befestigt und dann von außen mit einem Wasserdruck beaufschlagt. Dieses Verfahren wird normalerweise bei Flanschschutzrohren durchgeführt, weil sich nur nach diesem Verfahren auch die Schweißverbindung zwischen dem Schutzrohrtauchschaft und dem Flansch überprüfen lässt. Die Schwierigkeit bei Außendruckprüfungen besteht jedoch darin, dass die Prüfeinrichtung, im Gegensatz zu den Innendruckprüfungen, den kompletten mediumberührten Teil eines Schutzrohres umschließen muss, was bei langen Schutzrohren einen erheblichen Aufwand darstellt. WIKA hat für die Außendruckprüfung Anfang diesen Jahres eine nach der Druckbehälterverordnung vom TÜV geprüfte und zugelassene Prüfanlage in Betrieb genommen (Abb. 4), in der überlange Schutzrohre bis zu 10 m Länge bei Außendrücken bis 400 bar geprüft werden können. Die wichtigsten Materialeigenschaften des Schutzrohrwerkstoffes werden üblicherweise in Prüfbescheinigungen nach EN 10 204 (3.1 B) bestätigt, die auch in Kombination mit Vorlieferantenzeugnissen erhältlich sind.

Halle 7, Stand H46

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