Sonderdruck aus02 I 2014 Zeitschrift für gasbeheizte Thermoprozesse www.gaswaerme-online.de Vulkan-Verlag Ofeninstandhaltungs- und Verfahrens-Anforderungen laut AMS2750E Thomas Rücker
Ofeninstandhaltungs- und Verfahrens-Anforderungen laut AMS2750E von Thomas Rücker Die Wärmebehandlung von Metall, um die physikalische Beschaffenheit zu verändern, ist einer der ältesten Prozesse der Welt. Sie begann in der Eisenzeit mit der Erkenntnis, Werkzeuge und Waffen durch Erhitzen und Abschrecken verändern zu können. Durch die Überarbeitung der AMS2750 zur Revision E werden verschiedene Lücken der AMS2750 Revision D geschlossen. Die Nadcap-Audits fordern von den Lieferanten der Luft- und Raumfahrtindustrie die Einhaltung der AMS2750E. So sehen sich immer mehr Firmen mit einer Liste von zum Teil schwer umsetzbaren und teuren Maßnahmen für ihre Anlagen konfrontiert. Furnace maintenance and procedure requirements according to AMS2750E The heat treatment of metals in order to change their physical properties is one of the oldest industrial processes. It began during the Iron Age with understanding the benefits of heating and quenching tools and weapons. The reworking of the AMS2750 to Revision E concludes some gaps of AMS2750 Revision D. The Nadcap pyrometry audits to the specification AMS2750E are demanding that heat-treatment suppliers to the aerospace industry provide proof of compliance, leaving many companies facing a list of non-compliances and expensive changes to working practices. Wichtig für ein erfolgreiches Audit ist die Fähigkeit nachzuweisen, dass bestimmte Abläufe für die Instandhaltung und den Betrieb von Ofenanlagen befolgt werden. Die AMS2750E setzt, wie schon die AMS2750D, einen besonderen Schwerpunkt auf folgende Aspekte der Ofennutzung: Management von Thermoelementen (Abschnitt 3.1 der Richtlinie), Instrumentierung und Kalibrierung (Abschnitt 3.2 und 3.3), System Accuracy Test SAT Systemgenauigkeitstest (Abschnitt 3.4), Temperature Uniformity Survey TUS Temperaturgleichförmigkeit (Abschnitt 3.5). Es wird überprüft, ob die Verfahren den Anforderungen entsprechen und innerhalb des richtigen Zeitraums ausgeführt werden. TEMPERATURSENSOREN Die Thermoelemente müssen für den jeweiligen Einsatzbereich (Regelung, Anzeige und Aufzeichnung, SAT- und TUS-Elemente) geeignet sein. Dabei sind folgende Merkmale zu beachten: Die Forderungen gemäß der Tabellen 1 und 2 aus der AMS2750E müssen erfüllt sein. Vor dem Ersteinsatz müssen die Thermoelemente kalibriert sein. Externe Organisationen, welche Kalibrierungen anbieten, müssen eine Akkreditierung nach ISO/IEC 17025 besitzen. Je nach Instrumentierungstyp sollten die Temperatursensoren mit Prüfvorrichtung für die SAT-Messung vorgesehen werden. Das Einbaudatum muss dokumentiert werden und der Austausch der Thermoelemente muss gemäß einem Managementsystem überwacht werden. 2
Kabellose Übertragung der Messwerte Die Kopplung der Thermoelemente und Sensorik mit den Instrumenten (Regelung, Anzeige und Aufzeichnung) wird in der Regel via Verdrahtung realisiert. Die AMS2750E erlaubt zusätzlich die Nutzung der Wireless-Technologie. Die Vorgabe der einmaligen A/D-Wandlung wird dabei eingehalten. Beim Einsatz von Wireless-Übertragung wird in der AMS2750E im Abschnitt 3.2.5.6 darauf verwiesen, dass bei jeder Kalibrierung ein zusätzlicher Check der Wireless- Verbindung zu tätigen und zu dokumentieren ist. Auf das Thema Wireless ist die AMS2750D inhaltlich nicht eingegangen. Weiterhin ist der Einsatz von Messwandlern mit mehrmaliger A/D-Wandlung untersagt. Nutzung (Life) von Non-Expendable Chargen- Thermoelementen (Base-Metal) Die Nutzungsdauer/Einsatzzahl der Chargen-Elemente (Loads) ist in direkter Abhängigkeit zum Temperaturbereich zu ersehen. Der Austausch eines Elements wird dann fällig, wenn eine der beiden Bedingungen eingetroffen ist. Die Nutzungsdauer ist in der AMS2750E generell mit 3 Monaten festgelegt worden. Oberhalb einer Temperatur von 1.260 C darf das Chargenelement nur einmalig genutzt werden. AMS2750D: 1.205 C bis 1.260 C, Tage nicht spezifiziert, 10 Nutzungen. 980 C bis 1.205 C, 30 Tage oder 90 Nutzungen. AMS2750E: 1.205 C bis 1.260 C, 3 Monate oder 10 Nutzungen. 980 C bis 1.205 C, 3 Monate oder 90 Nutzungen. INSTRUMENTIERUNG Die Instrumentierung hat einen großen Anteil an der Leistungsfähigkeit einer Wärmebehandlungsanlage. Dabei sind Bild 1: Messergebnisse der Signaleingangsstabilität einige Hauptmerkmale der Geräte mit von entscheidender Bedeutung: Eingangsstabilität der Analogeingänge durch Eingangskompensation sowie galvanischer Trennung (Bild 1). Regelgenauigkeit mit einem guten Einschwingverhalten sowie der Vermeidung von Über- und Unterschwingen (Bild 2). Langzeitstabilität der Analogeingänge, um Temperaturdrift zu vermeiden. Dies entsteht meist durch Bauteilalterung. Gültigkeitszeitraum der einzelnen Revisionen (AMS2750C, AMS2750D und AMS2750E) Die AMS2750 bezieht sich bei der Unterscheidung der verschiedenen Revisionen auf das Herstellungsdatum/ Anschaffung einer Instrumentierung. Hierbei sind im Abschnitt 3.2.1.1 der Richtlinie folgende Festlegungen getroffen worden: Kauf vor September 2006: AMS2750C AMS2750C ist noch bis Juli 2015 gültig. Ab dann AMS2750E. Kauf nach September 2005: AMS2750D Keine Deadline, bleibt gültig. Kauf nach Juli 2012: AMS2750E Die Erfahrungen in verschiedenen Audits zeigen, dass eine generelle Anwendung der Checklisten zur AMS2750E durch die PRI-Auditoren stattfindet. As found -Bedingung Kalibrierung Bei einer Kalibrierung findet die Feststellung einer reproduzierbaren Abweichung von einem Messgerät (Normalen) zum Eingang eines Instrumentes statt. Dies muss in einem Kalibrierzertifikat dokumentiert werden. Die Feststellung der Abweichung bezeichnet man als As found. Bei größeren Abweichungen ist eine Justage am Eingang des Instrumentes erforderlich. Dabei muss zusätzlich die Dokumentation mit As left erweitert werden. AMS2750D: Nicht ausdrücklich als As found -Ergebnisse gefordert. AMS2750E: Große Gewichtung auf As found -Kalibrierdetails. Kalibrierung von Sekundären Standards und Feldtest-Instrumenten (TUS) Die Kalibrierung von Feldtest-Instrumenten ist im Vergleich zur AMS2750D aufwendiger geworden. AMS2750D: Min. 3 Punkte (Min, 50 %, Max). AMS2750E: Jetzt 6 simulierte Punkte (Min, Max und 4 Punkte über den Messbereich gleichmäßig verteilt). 3
Elektronische Datenaufzeichnung, Systeme Ein wichtiger Bestandteil in der Prozessdatenerfassung ist der Datenschutz und die Nachvollziehbarkeit der Prozesse (Chargen). Die aufgezeichneten Daten sind wertvolles Gut. Dies gerät dann in den Vordergrund, wenn man in den Genuss kommt, den Prozessverlauf nachweisen zu müssen. Den höchstmöglichen Datenschutz bieten unabhängige Schreibersysteme gegenüber einer anfälligen Systemumgebung. Die Nachweispflicht über Jahre verpflichtet jeden über das Wie und Wo einer Datenerfassung nachzudenken. Die Datenauswertesoftware muss in der Lage sein, Daten über mehrere Jahre lesen zu können. Bei der Prozessdatenerfassung ist die Fälschungssicherheit der Daten ein wichtiges Merkmal, um die Konformität zur AMS2750 zu wahren (Bild 3). AMS2750D: Nicht endgültig spezifiziert, writeonce -Terminologie à einmal schreiben und dann nur lesen (Fälschungssicherheit). AMS2750E: Prozessdaten dürfen nicht ohne eine Erkennung modifiziert werden. Nachweis, dass die Datenaufzeichnungen geprüft werden können. Bei beiden Revisionen gilt: Auswertewerkzeuge müssen vorhanden sein. Erstellung von Kopien der Quelldaten muss möglich sein (Backup). Schutz, Sicherung und Rückverfolgung. Passwortschutz. WÄRMEBEHANDLUNGSANLAGEN Die Verfügbarkeit einer Wärmebehandlungsanlage steht und fällt mit den Möglichkeiten durch die Instandhaltung/ Ofenbedienung. Die Instandhaltung/Ofenbedienung muss in der Lage sein, Störungen schnell zu beseitigen. Stillstandzeiten bzw. der Ausfall einer Ofenanlage ist heute, bedingt durch die große Auslastung, problematischer als je zuvor. Die Regelgüte eines Systems/Reglers erweitert die Möglichkeiten, bestmögliche Ergebnisse und Nachweise für die wärmebehandelten Produkte zu erzielen. In der heutigen Zeit der wachsenden Anforderungen (AMS2750E) für die Ofenregelung in Bezug auf Einschwingverhalten und Stabilität in der Haltephase kann man sich das Leben durch die richtige Wahl der Regelung erleichtern. Die Invensys Eurotherm Regler/Regelungssysteme verfügen über eine vielfach eingesetzte Regelgüte mit einem hohen Grad an Kommunikationsfähigkeit mit anderen Systemen. Die Langzeitstabilität und galvanische Trennung an den Signaleingängen sowie deren Auflösung garantiert die Erfüllung der gesetzten Erwartungen und Normen. Bild 2: Regelungsverhalten Bild 3: Die Nachweispflicht erfordert eine lückenlose elektronische Datenaufzeichnung 2-2014 Sonderdruck gaswärme international 4
THERMAL TEMPERATURE UNIFORMITY SURVEYS (TUS) Die TUS-Durchführung ist die kostenintensivste Maßnahme (Bild 4). Neben den Kosten für die Prüfung fallen, durch die Ausfallzeit von zum Teil einem Tag, zusätzliche Kosten durch Produktionsverlust an. Der TUS-Test muss einmal zyklisch gemäß der Ofenklasse bei jeder Ofenanlage durchgeführt werden. Die Ergebnisse zeigen die momentane Leistungsfähigkeit der Anlage bzw. bestätigen diese mit jedem weiteren zyklischen Test. Die Leistungsfähigkeit einer Ofenanlage kann durch mehrere Faktoren beeinflusst werden. Dies führt meistens zur Verschlechterung der Temperaturgleichmäßigkeit. Bild 4: Beispiel eines TUS-Schreibers Update Prozessdatenerfassung Ofen-Instrumentierung AMS2750D: Regelsensor wird original mit einem Aufzeichnungsinstrument erfasst. AMS2750E: Zusatz: oder ein 2. Sensor ist im gleichen Schutzrohr wie der Regelsensor (Doppelelement) mit nicht mehr als 0.38 (ca. 1 cm) Abstand installiert. Der 2. Sensor dient zur Aufzeichnung der Regeltemperatur. Abschrecksystem (Quench) installiert vor September 2005 AMS2750D: Existierende Installationen benötigen keine Datenaufzeichnung. AMS2750E: Installierte Systeme vor September 2005 benötigen bis Juli 2015 keine Datenaufzeichnung. Wenn nach September 2005 installiert wurde, ist eine Datenaufzeichnung erforderlich. Multi-Zonen-Vakuumöfen (Instrumentierung A & C) AMS2750D: Jede Regelzone (separate Regelsensoren) benötigt Hoch-, Tief- und Chargen-Sensoren. AMS2750E: Zonen mit Volumen 6,371 m 3 (225 ft 3 ) oder weniger können als eine Arbeitszone betrachtet werden à Hoch-, Tief- und Chargen-Sensorik (1 x). Ab Volumen 6,371 m 3 (225 ft 3 ) wird die Anzahl der Arbeitszonen über die Division vom Gesamtvolumen durch 6,371 m 3 (225 ft 3 ) bestimmt. Ofen-Modifikationen (Initial TUS!) AMS2750D: Einschließlich Änderungen High-Low/ Off-On und Anpassung der Ofenabstimmungs- Konstanten. AMS2750E: Zusätzlich: Änderung Reglermodell oder -typ. SPS-Programm bzgl. Ofenregelung geändert. Zusätzlich zu Abstimmungskonstanten Parameter und Widerstände. TUS-Report AMS2750D: Zeit- und Temperatur-Profildaten zeigen TUS-Sensoren und Regel- oder Monitorsensoren für alle getesteten Zonen. AMS2750E: Neu formuliert: Zeit- und Temperatur- Profildaten von allen Aufzeichnungssensoren gemäß Ofen-Instrumentationstyp für alle getesteten Zonen. Zusatz: Korrekturfaktoren für TUS-Sensoren an allen Arbeitspunkten und festgestellt (as found) und danach (as left) TUS-Offsets (wenn bei Produktion genutzt). Kalibrierung, Instrumentierung AMS2750D: Regelung, Anzeige oder Aufzeichnungsinstrumente, Digital Instrument +/- 1,1 C. AMS2750E: Regelung, Anzeige oder Aufzeichnungsinstrumente, Digital Instrument +/- 1,1 C oder 0.2 %, welches größer ist. FAZIT Die AMS2750E ist die detaillierte AMS2750D mit einigen Änderungen. Die Basisinhalte der AMS2750D wurden mittels Pyrometry-Reference Guide der Heat Treating Task- Group ergänzt und überarbeitet. Die AMS2750E ist somit die verbesserte AMS2750D und definiert für die Wärmebehandlung Verfahrens- und Instandhaltungs-Anforderungen innerhalb vorgegebener Fristen und deren Nachweispflicht. Ein Scheitern bei der Einhaltung der Vorgaben kann zu weitreichenden Sanktionen, von Nachrüstprogrammen bis hin zu Rückrufaktionen führen. Die erfolgreiche Umsetzung eines Nadcap-Audits bedeutet für den Wärmebehandler 5
kurzfristig zusätzliche Kosten, aber auf lange Sicht gesehen wären die Kosten bei einem Misserfolg um Einiges höher. Das TUS- und SAT-Verfahren beruht auf den Ofenklassen und Instrumentierungs-Typen, somit wird die Wahl der einzusetzenden Geräte für den Wärmebehandler eine wichtige und strategische Entscheidung. Eine stärkere Investition in Geräte führt zwar neben Kosten auch zu einem höheren Konfigurationsaufwand, aber reduziert auf lange Sicht die Kosten für TUS und SAT. Die richtige Wahl von Reglern und Schreibern kann den Wärmebehandler die Regelung, Aufzeichnung und Rückverfolgbarkeit bringen, die er benötigt um die Nadcap Prüfung zu bestehen. AUTOR Thomas Rücker Invensys Systems GmbH >Eurotherm< Limburg Tel.: 06431 / 298-233 thomas.ruecker@invensys.com 6