CH698507B1 - Ultraschallphasenarraysondenaufbau. - Google Patents

Abstract

Ein Ultraschallphasenarraysondenaufbau (10) umfasst, in einer beispielhaften Ausführungsform, ein Gehäuse (12) und einen im Inneren des Gehäuses gestützten Phasenarraywandler (14). Das Gehäuse umfasst eine erste Seitenwand (16) und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand (18), und eine erste Endwand (20) und eine gegenüberliegende zweite Endwand (22). Die erste und die zweite Seitenwand und die erste und die zweite Endwand definieren einen Gehäusehohlraum (24), in dem der Phasenarraywandler angeordnet ist. Die erste und die zweite Seitenwand weisen jeweils eine innere Oberfläche (52), (54) auf, die mehrere Vorsprünge (50) umfasst.

Description

  Allgemeiner Stand der Technik

  

[0001]    Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen die Ultraschallprüfung von unterschiedlichen Metallschweissungen, und genauer die Ultraschallprüfung von unterschiedlichen Metallschweissungen mit Phasenarraywandlern.

  

[0002]    Rohrschweissungen in, zum Beispiel, Kernreaktoren, wurden mit Ultraschallwandlern untersucht, die um 45[deg.] und um 60[deg.] gebrochene Längswellen verwenden. Diese Winkel wurden auf Basis der Schweissungskonfigurationen, der Ultraschalltheorie, und der Felderfahrung als der "Standard" eingeführt. Die Rohre werden in vier Richtungen rasterabgetastet, um den Rauminhalt der Schweissung vollständig zu untersuchen, was sehr zeitaufwendig ist. Manchmal erfährt man Probleme bei der Einrichtung des Manipulators, das die Ultraschallwandler zur Schweissung heranbringt und wichtiger, beim Kontakt zwischen den Wandlern und dem untersuchten Prüfling. Wenn kein ununterbrochener Kontakt zwischen dem Wandler und dem Rohr aufrechterhalten wird, werden die gesammelten Abtastdaten fehlerhaft sein, was zu zeitaufwendigen Neuabtastungen oder übersehenen Fehlerfeststellungen führen kann.

  

[0003]    Es wurden Ultraschallphasenarraysonden entwickelt, die die Untersuchungsleistungsfähigkeit von herkömmlichen Ultraschalluntersuchungstechniken durch elektronisches Steuern des Ultraschallstrahls durch einen gegebenen Winkelbereich erhöhen. Ein Hauptproblem, das nach wie vor besteht, ist der Kontakt zwischen dem Ultraschallphasenarraywandler und dem untersuchten Prüfling. In einem Versuch, dieses Problem zu überwinden, wurden komplexe kardanische Mechanismen, die einen abwärts gerichteten Druck auf die Wandler ausüben, verwendet. Doch weitere Probleme, zum Beispiel eine unrichtige Abtastereinrichtung und Unregelmässigkeiten in der Rohroberfläche, können die Prüfgenauigkeit ebenfalls beeinflussen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

  

[0004]    Nach der Erfindung wird ein Ultraschallphasenarraysondenaufbau bereitgestellt, der ein Gehäuse und einen im Inneren des Gehäuses gestützten Phasenarraywandler umfasst. Das Gehäuse umfasst eine erste Seitenwand und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand, und eine erste Endwand und eine gegenüberliegende zweite Endwand. Die erste und die zweite Seitenwand und die erste und die zweite Endwand definieren einen Gehäusehohlraum, in dem der Phasenarraywandler angeordnet ist. Die erste und die zweite Seitenwand weisen jeweils eine innere Oberfläche auf, die mehrere Vorsprünge umfasst.

  

[0005]    Nach einer besonderen Ausführungsform wird ein Ultraschallphasenarraysondenaufbau bereitgestellt, der ein Gehäuse und einen im Inneren des Gehäuses schwenkbar angebrachten Phasenarraywandler umfasst. Der Phasenarraywandler umfasst mehrere Elemente. Das Gehäuse umfasst eine erste Seitenwand und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand, und eine erste Endwand und eine gegenüberliegende zweite Endwand. Die erste und die zweite Seitenwand und die erste und die zweite Endwand definieren einen Gehäusehohlraum, in dem der Phasenarraywandler angeordnet ist. Die erste und die zweite Seitenwand weisen jeweils eine innere Oberfläche auf, die mehrere Vorsprünge umfasst.

  

[0006]    Nach der Erfindung wird auch ein Verfahren zur Prüfung eines Abschnitts einer Schweissung in einem Metallobjekt unter Verwendung eines Ultraschallphasenarraysondenaufbaus bereitgestellt. Der Sondenaufbau umfasst ein Gehäuse und einen im Inneren des Gehäuses schwenkbar angebrachten Phasenarraywandler. Das Gehäuse umfasst eine erste Seitenwand und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand, und eine erste Endwand und eine gegenüberliegende zweite Endwand. Die erste und die zweite Seitenwand und die erste und die zweite Endwand definieren einen Gehäusehohlraum, in dem der Phasenarraywandler angeordnet ist. Die erste und die zweite Seitenwand weisen jeweils eine innere Oberfläche auf, die mehrere Vorsprünge umfasst.

   Das Verfahren umfasst das Anordnen des Ultraschallphasenarraysondenaufbaus angrenzend an einer äusseren Oberfläche des Abschnitts der Schweissung, der geprüft werden soll, das Zugeben eines Fluids in den Gehäusehohlraum, und das Abtasten der Schweissung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

  

[0007]    
<tb>Fig. 1<sep>ist eine perspektivische Darstellung eines Ultraschallphasenarraysondenaufbaus nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.


  <tb>Fig. 2<sep>ist eine Schnittdarstellung einer Seitenwand des in Fig. 1 gezeigten Ultraschallphasenarraysondenaufbaus.


  <tb>Fig. 3<sep>ist eine Schnittdarstellung einer Endwand des in Fig. 1 gezeigten Ultraschallphasenarraysondenaufbaus.


  <tb>Fig. 4<sep>ist eine Seitendarstellung des in Fig. 1gezeigten Ultraschallphasenarraysondenaufbaus in einem an einem Rohr angebrachten Zustand.


  <tb>Fig. 5<sep>ist eine schematische Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Ultraschallphasenarraywandlers.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

  

[0008]    Nachstehend ist ein Ultraschallphasenarraysondenaufbau, der ein Gehäuse und einen im Inneren des Gehäuses gestützten Phasenarraywandler umfasst, ausführlich beschrieben. Das Gehäuse umfasst gegenüberliegende Seitenwände, die mehrere "Sägezahn"vorsprünge aufweisen, und gegenüberliegende Endwände, die jeweils zumindest einen "Sägezahn" oder dreieckförmigen Vorsprung aufweisen. Das Gehäuse hält den Ultraschallphasenarraywandler in einer stehenden Wassersäule. Das Wasser füllt den Raum zwischen der Unterseite des Wandlers und dem Material, das untersucht wird, und gestattet, dass sich die Ultraschall-Schallwellen ohne Unterbrechung des Kontakts von der Sonde direkt zum Material bewegen.

   Schall tritt in einem vorbestimmten Winkel aus dem Wandler aus und bewegt sich durch das Wasser, bis er mit dem Material in Kontakt tritt, wo eine Geschwindigkeitsveränderung erfahren wird. Die Veränderung in der Geschwindigkeit verursacht, dass sich der Schall bricht, während er das Material durchdringt, was eine Prüfung des Rauminhalts der Schweissung unter Verwendung des vorbestimmten Winkels gestattet. Um die Rauschmenge, die in das System eingebracht wird, auf ein Mindestmass zu verringern, sind die Wände des Gehäuses dazu gestaltet, die oberflächennahen Reflektoren zu absorbieren oder zu zerstreuen, was die Auflösung verbessert. Es können sowohl umfängliche als auch axiale Fehler identifiziert werden. Die umfänglichen Fehler werden festgestellt, wenn sich der Wandler senkrecht zur Längsachse des Rohrs befindet.

   Um axiale Fehler festzustellen, wird der Wandler entlang der Längsachse des Rohrs gedreht.

  

[0009]    Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ultraschallphasenarraysondenaufbaus 10 nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sondenaufbau umfasst ein Gehäuse 12 und einen im Gehäuse 12 schwenkbar angebrachten Ultraschallphasenarraywandler 14. Das Gehäuse 12 ist im Wesentlichen rechteckförmig und umfasst eine erste Seitenwand 16, eine gegenüberliegende zweite Seitenwand 18, eine erste Endwand 20, und eine gegenüberliegende zweite Endwand 22. Die Seitenwände 16 und 18 und die Endwände 20 und 22 definieren einen Hohlraum 24, in dem der Wandler 14 angebracht ist.

  

[0010]    Wandlerschwenkstifte 26 und 28 erstrecken sich durch die Endwand 18 bzw. 20, um den Wandler 14 im Gehäuse schwenkbar anzubringen. Ein Winkeleinstellblock 30 ist mit einem Ende des Wandlers 14 gekoppelt und steht mit einem Winkelauswahlelement 32 in Berührung, das mit dem Gehäuse 12 gekoppelt ist. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das Winkelauswahlelement 32 einen bogenförmigen Abschnitt 34, der mit einem bogenförmig geformten Ende 36 des Winkeleinstellblocks 30 zusammenpasst. Eine Stellschraube 38 im Winkelauswahlelement sperrt den Winkeleinstellblock 30 an seine Stelle, wodurch der gewünschte Winkel des Wandlers 14 festgelegt wird.

  

[0011]    Der Gehäusehohlraum 24 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Flüssigkeit Wasser, und in einer anderen Ausführungsform ist die Flüssigkeit eine Kombination von Flüssigkeiten, die die Übertragung und den Empfang von Ultraschall-Schallstrahlen erleichtern. Im Gehäuse 12 befindet sich ein Fluideinlass 40, um ein Füllen des Gehäusehohlraums 24 mit Fluid zu gestatten. Das Gehäuse 12 umfasst auch zumindest einen Entlüftungsabzug 42 (es sind zwei gezeigt), um jegliche Luft, die während des Füllens des Hohlraums 24 mit einem Fluid im Hohlraum eingeschlossen wurde, zu entfernen.

  

[0012]    Eine erste biegsame Membrandichtung 44 bedeckt den Bereich zwischen dem Wandler 14 und den Seitenwänden 16 und 18, um das Fluid im Inneren des Gehäusehohlraums 24 zu halten. Eine zweite Dichtung 46 dichtet die Unterseite des Gehäuses 12 in Bezug auf das Objekt, das geprüft wird, ab. In einer Ausführungsform ist die Dichtung 46 eine Membrandichtung, die zumindest einen Schlitz oder eine Öffnung aufweist, um dem Fluid zu gestatten, durch den Gehäusehohlraum 24 zu fliessen, während eine Menge des Fluids im Gehäusehohlraum 24 behalten wird, die den Raum des Hohlraums 24 zwischen der Unterseite des Wandlers 14 und dem Objekt, das untersucht wird, füllt.

   In einer alternativen Ausführungsform ist die Dichtung 46 ein elastisches Material, das um die Unterkante des Gehäuses 12 herum angeordnet ist, um eine wasserdichte Dichtung bereitzustellen, so dass die Flüssigkeit nicht aus dem Gehäusehohlraum 24 auslaufen kann. Das Gehäuse 12 umfasst auch zumindest ein Werkzeugmanipulatorbefestigungselement 48, um den Sondenaufbau 10 an einen Werkzeugmanipulator (nicht gezeigt) zu koppeln.

  

[0013]    Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung der Seitenwand 16 des Ultraschallphasenarraysondenaufbaus 10, und Fig. 3ist eine Schnittdarstellung der Endwand 20. Unter ebenfalls erfolgender Bezugnahme auf Fig. 2und 3umfassen die Seitenwände 16 und 18 mehrere Vorsprünge 50, die sich von der inneren Oberfläche 52 bzw. 54 erstrecken. Die Endwände 20 und 22 weisen zumindest einen Vorsprung 56 auf, der sich von der inneren Oberfläche 58 bzw. 60 erstreckt. In der beispielhaften Ausführungsform weisen die Vorsprünge 50 und 56 eine Dreieck- oder "Sägezahn"form auf. In alternativen Ausführungsformen können die Vorsprünge 50 und 56 andere Formen aufweisen, und zum Beispiel halbkreisförmig, elliptisch oder von jeder beliebigen anderen Form sein, die das Rauschen verringert, das durch die Schallwellen erzeugt wird, die von den Wänden des Gehäuses 12 abprallen.

  

[0014]    Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Phasenarraywandlersondenaufbaus 10 in einem an einem Rohr 61 angebrachten Zustand, und Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des Ultraschallphasenarraywandlers 14. Unter ebenfalls erfolgender Bezugnahme auf Fig. 4und 5umfasst der Wandler 14 mehrere Elemente 62, die einen Ultraschallstrahl 64 ausstrahlen. Ein wichtiger Gesichtspunkt der Verwendung des Sondenaufbaus 10 ist die Fähigkeit, den Ultraschallstrahl 64 dynamisch zu synthetisieren und eine "virtuelle Sonde" von jedem beliebigen Winkel innerhalb der gesamten Strahlausbreitung eines einzelnen Elements 62 zu schaffen. Während des Betriebs wird der Strahl 64 geschaffen, indem jedes Element 62 der Reihe nach ausgelöst wird, um eine Wellenfront 66 zu schaffen, die einem gewünschten Winkel 68 folgt.

   Der Winkel 68 wird durch das Winkelauswahlelement 32 und den Winkeleinstellblock 30 festgelegt. Diese "virtuelle Sonde" kann durch Auslösen von Gruppen von Elementen in einer grossen Anordnung auch eine Schweissung 70 in einem Rohr 61 "überstreichen". Diese Wirkung kann verwendet werden, um den Ultraschallstrahl 64 durch Auswählen der Auslösereihenfolge der Sonden und der Impulsverzögerungen dynamisch zu fokussieren oder "elektrisch zu steuern". Dies kann auf einer "Impuls-für-Impuls"-Basis verändert werden, um einen Brennpunkt wirksam durch die Schweissung 70 "überstreichen" zu lassen. Die StrahlSteuerung und die dynamische Fokussierung können kombiniert werden, um zu ermöglichen, dass der sich ergebende Strahl 64 sowohl fokussiert als auch mit vorbestimmten Winkelzuwachsen versehen ist.

   Ultraschallphasenarraywandler 14 sind von Krautkramer Ultrasonic Systems Group of Agfa NDT, Inc., Lewistown, Pennsylvania, im Handel erhältlich.

  

[0015]    Unter Bezugnahme auf Figur 6 sind die Grundparameter des Wandlers 14 als Frequenz, Öffnung A, Elementgrösse X, Elementbreite Y, Schrittweite P, und Anzahl der Elemente 62 definiert. Eine geeignete Frequenz für die Materialart und die Dicke der Schweissung 70 im Rohr 61, das sich in einem Kernreaktor befindet, ist 1,0 bis 5,0 MHz. Für Rohre und Rohrschweissungen, die aus anderen Materialien hergestellt sind, können jedoch andere Wandlerfrequenzen verwendet werden.

  

[0016]    Die Elementschrittweite P wird bestimmt, indem die akustische Öffnung A, die benötigt wird, um den Strahl 64 am benötigten Schallweg zu fokussieren, berechnet wird und dieser Wert durch die gesamte Anzahl der Elemente 62 und das Ausmass der Steuerung, die benötigt wird, um die gewünschten Winkel zu schaffen, geteilt wird. Die Grösse X der Elemente 62 ist als die grösstmögliche Schrittweite festgelegt. Die Breite Y der Elemente 62 wird bestimmt, indem der wirksame Durchmesser für ein Nahfeld von fünfzehn Zentimetern berechnet wird, um das kleinste Strahlprofil in der y-Ebene zu ergeben. Bei der Bestimmung der Grundparameterwerte des Wandlers 14 müssen auch die physischen Beschränkungen der Abtastoberfläche in Betracht gezogen werden.

  

[0017]    Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 5umfasst ein Rauminhalt 72 des Strahls 64, der untersucht wird, die Schweissung 70 und das Rohr 61, welche sich von der äusseren Oberfläche 74 zur inneren Oberfläche 76 erstrecken. So wie der Wandler 14 wie oben besprochen in mehreren Winkeln 68 ausgerichtet werden kann, kann der Strahl 64 in mehreren Winkeln ausgerichtet oder gesteuert werden. In einer Ausführungsform kann der Strahl 64 in einem geradlinigen Weg in der Ausrichtung der Schweissung 70 entlang eines im Wesentlichen axialen Wegs über die Schweissung 70 gesteuert werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Strahl 64 in einem geradlinigen Weg senkrecht zur Ausrichtung der Schweissung 70 in vorbestimmten Zuwächsen entlang eines im Wesentlichen axialen Wegs über die Schweissung 70 gesteuert werden.

   In noch einer anderen Ausführungsform kann der Strahl 70 entlang eines im Wesentlichen kreisförmigen Wegs über die Schweissung 7 0 gesteuert werden.

  

[0018]    Obwohl die Erfindung in Form von verschiedenen bestimmten Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung innerhalb des Geists und Umfangs der Ansprüche mit Abwandlungen ausgeführt werden kann.

Teilliste

  

[0019]    
<tb>Ultraschallphasenarraysondenaufbau <sep>10


  <tb>Gehäuse<sep>12


  <tb>Ultraschallphasenarraywandler<sep>14


  <tb>erste Seitenwand<sep>16


  <tb>zweite Seitenwand<sep>18


  <tb>erste Endwand<sep>20


  <tb>zweite Endwand<sep>22


  <tb>Gehäusehohlraum<sep>24


  <tb>Schwenkstifte<sep>26 und 28


  <tb>Winkeleinstellblock<sep>30


  <tb>Winkelauswahlelement<sep>32


  <tb>bogenförmiger Abschnitt<sep>34


  <tb>bogenförmig geformtes Ende<sep>36


  <tb>Stellschraube<sep>38


  <tb>Fluideinlass <sep>40


  <tb>Entlüftungsabzug<sep>42


  <tb>erste biegsame Membrandichtung<sep>44


  <tb>zweite Dichtung<sep>46


  <tb>Werkzeugmanipulatorbefestigungselement <sep>48


  <tb>Vorsprünge<sep>50


  <tb>innere Oberflächen der Seitenwände<sep>52 und 54


  <tb>Vorsprung<sep>56


  <tb>innere Oberflächen der Endwände<sep>58 und 60


  <tb>Rohr<sep>61


  <tb>Elemente<sep>62


  <tb>Ultraschallstrahl<sep>64


  <tb>Wellenfront<sep>66


  <tb>Winkel<sep>68


  <tb>Schweissung<sep>70


  <tb>Rauminhalt<sep>72


  <tb>äussere Oberfläche<sep>74


  <tb>innere Oberfläche<sep>76

Claims (11)

1. Ultraschallphasenarraysondenaufbau (10), umfassend ein Gehäuse (12); und einen Phasenarraywandler (14), der im Inneren des Gehäuses gestützt wird; wobei das Gehäuse Folgendes umfasst:

eine erste Seitenwand (16) und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand (18); und

eine erste Endwand (20) und eine gegenüberliegende zweite Endwand (22), wobei die erste und die zweite Seitenwand und die erste und die zweite Endwand einen Gehäusehohlraum (24) definieren, in dem der Phasenarraywandler angeordnet ist;

wobei die erste und die zweite Seitenwand jeweils eine innere Oberfläche (52), (54) aufweisen, die mehrere Vorsprünge (50) umfasst.

2. Ultraschallphasenarraysondenaufbau (10) nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Endwand (20), (22) jeweils eine innere Oberfläche (58), (60) aufweisen, die zumindest einen Vorsprung (56) umfasst.

3. Ultraschallphasenarraysondenaufbau (10) nach Anspruch 1, wobei die Vorsprünge (50) der ersten und der zweiten Seitenwand winkelige Vorsprünge umfassen.

4. Ultraschallphasenarraysondenaufbau (10) nach Anspruch 3, wobei die mehreren winkeligen Vorsprünge (50) mehrere sägezahnförmige Vorsprünge umfassen.

5. Ultraschallphasenarraysondenaufbau (10) nach Anspruch 2, wobei der zumindest eine Vorsprung (56) der ersten und der zweiten Endwand (20), (22) einen winkelig geformten Vorsprung umfasst.

6. Ultraschallphasenarraysondenaufbau (10) nach Anspruch 5, wobei der zumindest eine winkelig geformte Vorsprung (56) ein dreieckig geformter Vorsprung ist.

7. Ultraschallphasenarraysondenaufbau (10) nach Anspruch 1, wobei der Phasenarraywandler im Gehäuse schwenkbar angebracht ist.

8. Ultraschallphasenarraysondenaufbau nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (12) ferner einen Fluideinlass (40) umfasst.

9. Ultraschallphasenarraysondenaufbau (10) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (12) ferner zumindest einen Abzug umfasst.

10. Ultraschallphasenarraysondenaufbau (10) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (12) ferner eine erste biegsame Membrandichtung (44) zum Abdichten einer Oberseite des Gehäusehohlraums (24) und eine zweite biegsame Membrandichtung (46) zum Abdichten einer Unterseite des Gehäusehohlraums umfasst.

11. Verfahren zum Prüfen eines Abschnitts einer Schweissung in einem Metallobjekt unter Verwendung eines Ultraschallphasenarraysondenaufbaus (10), wobei der Sondenaufbau (10) ein Gehäuse (12) und einen im Inneren des Gehäuses (12) schwenkbar angebrachten Phasenarraywandler (14) umfasst, und das Gehäuse (12) eine erste Seitenwand (16) und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand (18) umfasst, und eine erste Endwand<->(20) und eine gegenüberliegende zweite Endwand (22), wobei die erste und die zweite Seitenwand (16, 18) und die erste und die zweite Endwand (20, 22) einen Gehäusehohlraum (24) definieren, in dem der Phasenarraywandler (14) angeordnet ist, und die erste und die zweite Seitenwand (16, 18) jeweils eine innere Oberfläche (52, 54) aufweisen, die mehrere Vorsprünge (50) umfasst, umfassend die Schritte:

Anordnen des Ultraschallphasenarraysondenaufbaus (10) angrenzend an eine äussere Oberfläche des Abschnitts der Schweissung, der geprüft werden soll;

Zugeben eines Fluids in den Gehäusehohlraum (24), und Abtasten der Schweissung.