DD240949A1 - Verfahren u. anordnung zur ermittlung der wandstaerke zylindrischer hohlkoerper - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung der Wandstaerke zylindrischer Hohlkoerper, insbesondere zur Kontrolle der Abmessung und zur Ermittlung des korrosiven Abtrages der inneren Oberflaeche von Rohrleitungen, z. B. von langzeitbeanspruchten Frischdampfleitungen in Kraftwerken, unter Verwendung geeigneter elastischer Wellen. Dies wird dadurch erreicht, dass erfindungsgemaess in dem zylindrischen Hohlkoerper zirkular umlaufende elastische Wellen in einem Frequenzbereich mit der Wellenlaenge entsprechend der Groessenordnung des Aussenradius des Hohlkoerpers angeregt und die maximale Verstaerkungen der angeregten Wellen sowie die dazugehoerigen Frequenzen und Ordnungszahlen der Resonanz ermittelt werden, daraus mit Hilfe der errechneten Dispersionsrelationen das Radienverhaeltnis aRi R des Hohlkoerpers bestimmt und die Wandstaerke d(1a) D 2 errechnet wird (dabei bedeuten: R1Innenraum, RAussenradius, DDurchmesser). Zur Realisierung ist erfindungsgemaess im interessierenden Messbereich des Hohlkoerpers eine aus Sender und Empfaenger bestehende Baugruppe angeordnet, wobei der Sender mit einem verstimmbaren Generator sowie einem Frequenzmesser und der Empfaenger mit einem Sichtgeraet verbunden ist. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung der Wandstärke zylindrischer Hohlkörper, insbesondere zum Zwecke der Kontrolle der Abmessungen sowie der Ermittlung des korrosiven Abtrages der inneren Oberfläche an Rohrleitungen, z. B. von langzeitbeanspruchten Frischdampfleitungen in Kraftwerken.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Entsprechend dem Anwendungsgebiet der Erfindung wird im weiteren davon ausgegangen, daß infolge der Unzulänglichkeit des Meßobjektes eine Anwendung mechanischer Meßverfahren angeschlossen ist (geschlossene Rohrleitungssysteme). Es ist bekannt, daß in solchen Fällen eine Wandstärkebestimmung mit Ultraschallmethoden möglich ist. Hierbei kann entweder das Impulsechoverfahren (Laufzeitmessung) oder das Resonanzverfahren angewendet werden. Beiden Verfahren ist gemeinsam, daß damit nur eine lokale (punktförmige) Erfassung der Wandstärke möglich ist, während z.B. zur Beurteilung des Betriebszustandes einer Frischdampfleitung in Kraftwerken die in einem Rohrquerschnitt vorhandene mittlere Wandstärke von Interesse ist.

Bei oben genannten Ultraschallverfahren sind zur Lösung dieser Aufgabe mehrfache Messungen über den Umfang erforderlich. Dies setzt z. B. bei Frischdampfleitungen in Kraftwerken eine vollständige Entfernung der Isolierung über den Röhrumfang voraus.

Weiterhin ist die Wandstärkenbestimmung mit Hilfe magnetischer Verfahren bekannt, wobei zwischen dem Tastspulen- und dem Durchlaufspulenverfahren unterschieden wird. Neben der als Nachteil zu nennenden geringeren Genauigkeit dieser Methoden haben die Verfahren unter Verwendung von Tastspulen die gleichen Nachteile wie die o.g. Ultraschallverfahren. Bei Verwendung von Durchlaufspulen wird zwar eine gewünschte mittlere Wandstärke ermittelt, jedoch ist dieses Verfahren wegen der Verwendung der Ringspulenanordnung für geschlossene Rohrleitungssysteme nicht anwendbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Anordnung zur Wandstärkenbestimmung zylindrischer Hohkörper zum Zwecke der Abmessungskontrolle und der Ermittlung des korrosiven Abtrages der inneren Oberfläche an Rohrleitungen, insbesondere langzeitbeanspruchter Frischdampfleitungen in Kraftwerken zu entwickeln.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe geeigneter elastischer Wellen eine Wandstärkenbestimmung zu erreiche. Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß in dem zylindrischen Hohlkörper zirkulär umlaufende elastische Wellen in einem Frequenzbereich mit derWellenlänge entsprechend der Größenordnung des Außenradius des Hohlkörpers angeregt und die maximale Verstärkung der angeregten Wellen sowie die dazugehörigen Frequenzen und Ordnungszahlen der Resonanz

R

ermittelt werden, daraus mit Hilfe der errechneten Dispersionsrelationen das Radiusverhältnis α =— des Hohlkörpers

- _D ^{: R}

bestimmt und die Wandstärke d = (1 — α)γ errechnet wird (dabei bedeuten: Ri = Innenradius, R = Außenradius,

D = Durchmesser). Zur Realisierung ist erfindungsgemäß im interessierenden Meßbereich des Hohlkörpers eine aus Sender und Empfänger bestehende Baugruppe angeordnet, wobei der Sender mit einem verstimmbaren Generator sowie einem Frequenzmesser und der Empfänger mit einem Sichtgerät verbunden ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt:

Fig. 1: die Prinzipskizze der Meßanordnung, wobei die Wandstärkenbestimmung an einer im eingebauten Zustand befindlichen Frischdampfleitung erläutert wird.

Fig. 2: das Diagramm für die Dispersationsrelationen des longitudinalen Grundastes derzirkulär umlaufenden Wellen in Rohren Fig. 3: das Diagramm der Abhängigkeit der Radienverhältnisse α vom Quotienten aus Phasengeschwindigkeit c und

Rayleighgeschwindigkeit Cr Fig.4: das Diagramm für die Abhängigkeit der Hilfsgröße gi der Resonanzfrequenzpaaren und den Radienverhältnissen α.

Die Frischdampfleitung 1 (Fig. 1) aus dem Werkstoff 12 Ch 1 MF mit der Isolierung 2, die im Neuzustand einen Außendurchmesser D = 240 mm sowie eine Wandstärke d = 32,0 mm aufwies, ist bereits über eine bestimmte Betriebszeit belastet worden. Es istzu ermitteln um wieviel die Wandstärke durch Korrosionsabtrag geschwächt worden ist. Für die Ermittlung der Wandstärke ist im interessierenden Meßbereich eine geringfügige lokale Entfernung eines Isolierungsteiles 3 erforderlich, damit die Baugruppe 4 auf die Oberfläche der Frischdampfleitung angeordnet werden kann. Die Baugruppe 4 enthält den Sender 5 und den Empfänger 6, die sich innerhalb der Baugruppe 4 in unmittelbarer Nähe in axialer Richtung verschoben befindet. Der Sender 5 ist dabei mit dem verstimmbaren Generator 7 sowie dem Frequenzmesser 8 und dem Empfänger 6 mit dem Sichtgerät 9, z. B. einem Oszillografen, verbunden

Die Wirkungsweise ist folgende:

Die geometrische Bedingung für die Anwendung der erfindungsgemäßen Wandstärkenbestimmung sind gegeben, da die Wellenlänge λ die gleiche Größenordnung wie der Außenradius R der Frieschdampfleitung 1 aufweist. Sender 5 und Empfänger 6 sind im direkten Kontakt mit der Frischdampfleitung gebracht. Der Frequenzbereich f für die Verstimmung des Generators 7 wird zwischen 5 und 40 kHz festgelegt und über den Sender 5 werden in der Frischdampfleitung zirkulär umlaufende elastische Wellen angeregt. Am Sicherheitsgerät 9 wird der Resonanzpeak, d. h. die maximale Verstärkung der angeregten Wellen, ermittelt.

Diese Verstärkung ergibt sich, wenn die Gleichung X = ^-S. (1) erfüllt ist, wobei η die Ordnung der Resonanzfrequenz

bedeutet.

Die berechneten Abhängigkeiten der Phasengeschwindigkeit von Wellenlänge (Dispersionsrelation) für zirkulär umlaufende elastische Wellen werden im genannten Frequenzbereich empfindlich von dem Verhältnis Innenradius Ri zu Außenradius R beeinflußt. Durch Messungen der Resonanzfrequenz f_n sowie einer geeigneten Ermittlung der zugehörigen Ordnung η der Resonanz kann mit Hilfe der errechneten Dispersionsrelationen das Radienverhältnis α = ^r'/r bestimmt werden. Nach Messung des Durchmessers D errechnet sich die Wandstärke d zu

Für diese Verstärkungen werden am Frequenzmesser 8 die Frequenzen f_n angezeigt. In Form einer Meßreihe werden die Frequenzen f_n ermittelt:

f_n Ordnungszahl η

8766 4

12 964 5 ' >

17 536 6

22275 7

27138 8

32056 9

36988 10 Tabelle 1

Bei Kenntnis der in Tabelle 1 angegebenen Resonanzfrequenzen sowie der zugehörigen Ordnung η der Resonanz ist eine direkte Bestimmung des Radienverhältnisses α = ^r'/r aus der berechneten Dispersionsrelation möglich (Fig. 2). Hierzu müssen die Normierungsgrößen Rohrumfang U und Rayleighgeschwindigkeit C_R des Werkstoffes bekannt sein. In diesem Fall genügt eine einzige Frequenzmessung. Daraus ergibt sich, daß die Phasengeschwindigkeit c des longitudiualen Grundastes der hier verwendeten zirkulär umlaufenden elastischen Wellen gerade im Bereich kleiner Ordnungen der Resonanz (und mithin kleiner Frequenzen) empfindlich von α = ^r'/r abhängt (Fig.2). Dies ist in einer umgezeichneten Darstellung (Fig.3) deutlich erkennbar (hier wurde über ^c/cr für einige ausgewählte Ordnungen η dargestellt).

Die in Tabelle 1 aufgeführten Ordnungszahlen η der Resonanz werden in der Regel jedoch nicht direkt gemessen, so daß nachträglich mit Hifle geeigneter Verfahren eine Zuordnung der Resonanzfrequenzen f_n und der Ordnungszahlen η erfolgen muß. Bekannt ist aber, daß die einzelnen f_n lückenlos aufeinanderfolgende Resonanzen sind, d. h. die Ordnungszahlen sind in der Reihenfolge natürlicher Zahlen geordnet. Zur Ermittlung dieser Zuordnung kann mit Vorteil der Umstand ansgenutzt werden, daß die Phasengeschwindigkeit für η = 1 Null ist, d.h. die kleinstmögliche Frequenz minimal die Ordnung η = 2 haben kann

(Fig. 2). Bei Vorliegen mehrerer gemessener Resonanzfrequenzen (Anzahl N) können die Frequenzen zu M=: (^) Paaren

geordnet werden. Fürjedes Paarf„, f_m kann eine Hilfsgröße g= = i = 1,2... M, gebildet werden.

ι C (m) η · fm,

Die Größe g, kann einerseits mittels der gemessenen Frequenz und einer zunächst willkürlichen Zuordnung der Ordnungszahlen

errechnet werden, zum anderen ergibt sich g; = aus den berechneten Dispersionsrelationen (Fig. 3), wobei die

c (Ct, m)

gleiche willkürlich getroffene Zuordnung der Ordnungszahlen zu verwenden ist.

Bei der gesuchten korrekten Zuordnung besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Hilfsgröße gi für jedes Resonanzfrequenzpaar und dem Radienverhältnis α, wie für einige mögliche Kombinationeen n; m dargestellt ist (Fig.4).

Da das Radienverhältnis für ein gegebenes Rohr konstant ist, muß sich mithin aus jeder Hilfsgröße g; das gleiche Radienverhältnis α ergeben.

In einem Rechnerprogramm wird dementsprechend unter Verwendung der analytisch approxinierten Abhängigkeiten α von ^C/_R aus denen sich die benötigten Hiifsgrößen g, errechnen lassen, die Zuordnung der Ordnungszahlen η zu den Resonanzfrequenzen, beginnend mitderRodnungszahl η = 2fürdie niedrigste Frequenz, solange schrittweise verändert, bis die sich aus der Hilfsgröße gi ergebenden Radienverhältnisse alle gleich sind. Die Zuordnung, für welche dies der Fall ist, ist die korrekte und das zugehörige Radienverhältriis ist das gesuchte Radienverhältnis.

Bei dieser Vorgehensweise werden minimal 3 aufeinanderfolgende Resonanzfrequenzen benötigt (die Kenntnis der Normierungsgröße M und Cr ist zur Bestimmung des Radienverhältnisses nicht erforderlich). Die Verwendung von mehr als 3 Resonanzfrequenzen erhöht die Genauigkeit der Bestimmung der Radienverhältnisse α.

Für die in Tabelle 1 dargestellten Resonanzfrequenzen wurde unter Verwendung der berechneten Dispersionsrelation ein mittleres Radienverhältnis von α = ^H\/n = 0,7397 ermittelt. Bei einem Außendurchmesser D = 240 mm beträgt damit die mittlere

Wandstärke d = (1 —α)·=·= 31,2 mm. Bei einer Ausgangswandstärke von d_D = 32,0mm wurden somit 0,8mm korrosiver

Abtrag ermittelt.

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

1. Das erfindungsgemäße Verfahren und deren Anordnung ist in Verbindung mit der bekannten Umfangsbestimmung von Rohrleitungen mittels zirkulär umlaufenden elastischen Wellen besonders vorteilhaft anwendbar.

2. Durch die Erfindung ist die Ermittlung der Wandstärke auch an Rohrleitungen der Chemieindustrie sowie der pneumatischen und hydraulischen Förderung möglich.

3. Durch Anwendung der Erfindung ist nur eine lokale Entfernung der Isolierung an der Rohrleitung notwendig.

4. Durch die Erfindung ist eine nachträgliche „Nullmessung" der Wandstärke bei bereits montierten und isolierten Rohrleitungen möglich.

Claims (4)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Ermittlung der Wandstärke zylindrischer Hohlkörper, insbesondere zur Kontrolle der Abmessung und zur Ermittlung des korrosiven Abtrages der inneren Oberfläche von Rohrleitungen, z. B. von langzeitbeanspruchten Frischdampfleitungen in Kraftwerken, gekennzeichnet dadurch, daß in dem zylindrischen Hohlkörper zirkulär umlaufende elastische Wellen in einem Frequenzbereich mit der Wellenlänge entsprechend der Größenordnung des Außenradius des Hohlkörpers angeregt und die maximale Verstärkungen der angeregten Wellen sowie die dazugehörigen Frequenzen und Ordnungszahlen der Resonanz ermittelt, daraus mit Hilfe der errechneten Dispersionsrelationen des Radienverhältnis

   a = -^· des Hohkörpers bestimmt und die Wandstärke d = (i-a)-2 errechnet wird (dabei bedeuten:

   Ri = Innenradius, R = Außenradius, D = Durchmesser).
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß im interessierenden Meßbereich des Hohlkörpers eine aus Sender und Empfänger bestehende Baugruppe angeordnet ist, wobei der Sender mit einem verstimmbaren Generator sowie einem Frequenzmesser und der Empfänger mit einem Sichtgerät verbunden ist.
3. 3. Anordnung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß Sender und Empfänger in axialer Richtung verschoben nebeneinander angeordnet sind.
4. 4. Anordnung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Baugruppe nach lokaler Entfernung der Isolation auf der Oberflächen einer Frischdampfleitung angeordnet ist.

   Hierzu 4 Seiten Zeichnungen