DE102013018114A1

DE102013018114A1 - Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfkörpers

Info

Publication number: DE102013018114A1
Application number: DE102013018114.3A
Authority: DE
Inventors: Otto Alfred Barbian; Frank Niese; Gerhard Hübschen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-05-28
Also published as: FR3013844A1

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines wenigstens elektrisch leitende und ferromagnetische Materialanteile enthaltenden Prüfkörpers, mit einer magnetischen Streuflussmessanordnung, die wenigstens eine Magnetisierungseinheit mit zwei dem Prüfkörper zuwendbaren, voneinander beabstandeten und entgegengesetzt polarisierten Magnetpoloberflächen, zu denen die von der Magnetisierungseinheit erzeugten Magnetfeldlinien orthogonal orientiert sind, sowie wenigstens einen zwischen den Magnetpoloberflächen anordenbaren oder angeordneten Magnetfelddetekor aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest an einer der beiden dem Prüfkörper zuwendbaren Magnetpoloberflächen wenigstens eine HF-Spulenanordnung derart angeordnet ist, dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung von den orthogonal zu der Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien durchsetzt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines wenigstens elektrisch leitende und ferromagnetische Materialanteile enthaltenden Prüfkörpers, mit einer magnetischen Streuflussmessanordnung, die wenigstens eine Magnetisierungseinheit mit zwei dem Prüfkörper zuwendbaren, voneinander beabstandeten und entgegengesetzt polarisierten Magnetpoloberflächen, zu denen die von der Magnetisierungseinheit erzeugten Magnetfeldlinien orthogonal orientiert sind, und wenigstens einen zwischen den Magnetpoloberflächen anordenbaren oder angeordneten Magnetfelddetekor aufweist, sowie mit wenigstens einer HF-Spulenanordnung, die zumindest an einer der beiden dem Prüfkörper zuwendbaren Magnetpoloberflächen derart angeordnet ist, dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung von den orthogonal zu der Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien durchsetzt ist.
Stand der Technik
Die magnetische Streuflusstechnik dient zur zerstörungsfreien Prüfung von elektrisch leitende und ferromagnetische Materialanteile enthaltenden Prüfkörpern, beispielsweise von Stahlrohren, insbesondere von so genannten Gasfernleitungen, im Hinblick auf oberflächennahe Defekte, wie beispielsweise Risse oder Materialungänzen, in Form von Einschlüssen, Poren, Lunker oder anderen Diskontinuitäten innerhalb des Materialgefüges.
Gattungsgemäße Vorrichtungen zur Durchführung derartiger Prüfungen verfügen über eine ein begrenztes Prüfvolumen des Prüfkörpers magnetisierende Magnetisierungseinheit sowie über mindestens eine magnetfeldempfindliche Prüfsonde, vorzugsweise in Form einer Hall-Sonde, zur Erfassung von durch vorhandene Materialdefekte im Prüfkörper verursachten magnetischen Streufeldern.
In einem defektfreien Prüfkörper verteilt sich ein von der Magnetisierungseinheit der Streuflussmessanordnung erzeugter magnetischer Fluss räumlich im Wesentlichen homogen. Risse oder andere Defekte wirken als Bereiche mit einem erhöhten magnetischen Widerstand, so dass Feldanteile in der Nähe eines Defektes um den Defekt herumgeleitet und im oberflächennahen Bereich auch aus dem Prüfkörper heraus gedrängt werden. Die aus dem Prüfkörper heraus gedrängten Feldanteile werden zum Nachweis vorhandener Defekte detektiert. Anhand des Verlaufs sowie der Stärke des detektierbaren Streufeldes können Rückschlüsse auf den Zustand des Prüfkörpers, beispielsweise der Wand einer Gasfernleitung gemacht werden.
Aus der Druckschrift DE 199 29 072 A1 geht hierzu eine Prüfvorrichtung für Rohrleitungen, insbesondere für Gasfernleitungen, hervor, die in Art eines Prüfmolches ausgebildet ist, der an einer Tragstruktur mit veränderbarem Umfang mehrere, am Umfang der Tragstruktur angeordnete Permanentmagnete vorsieht, deren Magnetpolflächen zur Einkopplung eines in Rohrleitungslängsachse orientierten Magnetfeldes an der Rohrleitungsinnenwand zur Anlage gebracht werden, während sich der Prüfmolch längs der Rohrleitung fortbewegt.
Mit Hilfe magnetischer Streuflussmessungen können Gasfernleitungen, die mit entsprechend ausgerüsteten Prüfmolchen untersucht werden, lediglich bezüglich Wanddickenänderungen sowie in Umfangsrichtung verlaufender Risse mit qualitativem Aussagecharakter untersucht werden. Eine quantitative Fehlercharakterisierung ist mit einer derartigen Messmethode nur eingeschränkt bzw. nach einer aufwendigen Kalibrierung möglich.
Eine Alternative für eine zerstörungsfreie Untersuchung eines wenigstens elektrisch leitende und ferromagnetische Materialanteile enthaltenen Prüfkörpers, vorzugsweise in Form einer Gasfernleitung, bietet die Ultraschalltechnik und hier insbesondere die koppelmittelfreie Erzeugung und Detektion von sich innerhalb des Prüfkörpers ausbreitenden Ultraschallwellen mittels elektromagnetischer Ultraschallwandler, kurz EMUS-Wandler bzw. EMUS-Prüfköpfen. Diese spezielle Art der Ultraschallerzeugung bzw. des Ultraschallabgriffes erfolgt über die Wechselwirkung von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern und einer statischen oder quasi statischen Magnetisierung an der Prüfobjektoberfläche. Dieses Prinzip der Ultraschallwellenerzeugung bzw. -detektion macht sich der in der Druckschrift DE 35 11 076 A1 offenbarte Molch für elektromagnetische Prüfungen an Rohrleitungswänden aus Stahl neben einer ebenso mitgeführten magnetischen Streufeldmessanordnung zu Nutze. So verfügt der hier beschriebene Molch über mehrere gleich verteilt am Umfang des Prüfmolches angeordnete Magnetisierungseinheiten, die jeweils zwei in axialer Flucht über ein Joch miteinander verbundene Magnetpoloberflächen aufweisen, zwischen denen zur magnetischen Streufelderfassung Magnetsensoren angebracht sind. Mit dieser Messanordnung können quer oder schräg zur Rohrachse verlaufende Risse oder Öffnungen erfasst werden. Längsrisse in der Rohrleitung können hingegen mit der Streufeldmessung kaum entdeckt werden, da sie den achsparallelen Magnetfluss nicht behindern. Zur Erfassung derartiger Längsrisse sieht der bekannte Prüfmolch eine zweite Streuflussmessanordnung vor, die zwei sich zur Längsachse des Molchs diametral gegenüberliegende, gegenpolige Magnetköpfe aufweist, die in Umfangsrichtung des Rohres ein Magnetfeld einkoppeln. Zwischen den Magnetköpfen befinden sich zur magnetischen Streuflusserfassung Magnetfeldsensoren, mit denen Materialrisse oder Oberflächenfehler in Längsrichtung der Rohrleitung erfassbar sind.
Um zusätzliche Wandschwächungen durch Rostfraß messtechnisch erfassen zu können, sieht der bekannte Prüfmolch zusätzlich zu den magnetischen Streufeldmessanordnungen EMUS-Sensoren vor, die in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Hochfrequenz-Spulenanordnung ausgebildet sind, die jeweils an den der Rohrleitungswand zugewandten Magnetpoloberflächen der Magnetisierungseinheiten angeordnet sind, so dass zur Ultraschallwellenerzeugung sowie auch -detektion das stationäre bzw. quasistationäre Magnetfeld der für die Streuflussmessung vorgesehenen Magnetisierungseinheit genutzt wird.
Die vorzugsweise als Luftspulen ausgebildeten Hochfrequenz-Spulenanordnungen werden mit steilflankigen Stromimpulsen beaufschlagt, wodurch innerhalb der Prüfkörperwand Wirbelströme hervorgerufen werden, die in Überlagerung mit dem stationären bzw. quasistationären Magnetfeld Lorentzkräfte erzeugen, deren Wirkung zu sich orthogonal zur Prüfkörperoberfläche ausbreitenden Ultraschallwellen führt, die ausschließlich der Prüfkörperwanddickenmessung dienen.
Um möglichst große Wandanteile der Rohrleitung bezüglich der Wanddicke zu vermessen, werden zumindest die mit den Hochfrequenz-Spulenanordnungen belegten Magnetpoloberflächen während der axialen Fortbewegung des Molches durch die zu untersuchende Rohrleitung einer zusätzlichen Rotation um die Molchlängsachse unterworfen. Dies setzt jedoch einen zusätzlich mechanischen und konstruktiven Aufwand voraus, der zu einem erhöhten Eigengewicht sowie auch damit verbundenen zu Anschaffungsmehrkosten führt. Zudem ist eine lückenlose diesbezügliche Abtastung der Rohrwand selbst im Falle einer Rotation der Magnetpoloberflächen aufgrund einer sich lediglich schraubenlinienförmig ergebenden Bewegungstrajektorie nicht realisierbar.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines wenigstens elektrisch leitende und ferromagnetische Materialanteile enthaltenden Prüfkörpers, vorzugsweise in Form einer Rohrleitung, beispielsweise Gasfernleitung, mit einer magnetischen Streuflussmessanordnung, die wenigstens eine Magnetisierungseinheit mit zwei dem Prüfkörper zuwendbaren, voneinander beabstandeten und entgegengesetzt polarisierten Magnetpoloberflächen, zu denen die von der Magnetisierungseinheit erzeugten Magnetfeldlinien orthogonal orientiert sind, und wenigstens einen zwischen den Magnetpoloberflächen anordenbaren oder angeordneten Magnetfelddetektor aufweist, sowie mit wenigstens einer HF-Spulenanordnung, die zumindest an einer der beiden dem Prüfkörper zuwendbaren Magnetpoloberflächen derart angeordnet ist, dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung von den orthogonal zu der Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien durchsetzt ist, derart weiterzubilden, so dass bei einem signifikant reduzierten konstruktiven und bautechnischen Aufwand gegenüber dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik eine lückenlose, d. h. vollständige messtechnische Erfassung des Prüfkörpers, insbesondere in Form einer Rohrleitung, möglich wird.
Die der Aufgabe zugrunde liegende Lösung ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand der Ansprüche 13 und 14 ist eine lösungsgemäße Verwendung der Vorrichtung sowie ein lösungsgemäßes Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines vorzugsweise als Stahlrohr ausgebildeten Prüfkörpers. Den lösungsgemäßen Gedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Die lösungsgemäße Vorrichtung sieht in Abkehr von der bisherigen Senkrechteinschallung bzw. Detektion von Ultraschallwellen zu Zwecken der Wanddickenmessung des Prüfkörpers, wie es beim vorstehend gewürdigten Stand der Technik gemäß der DE 35 11 076 A1 der Fall ist, eine speziell ausgebildete HF-Spulenanordnung vor, die gleichsam wie im bekannten Fall im Bereich der orthogonal zu der Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien an wenigstens einer Magnetpoloberfläche der Magnetisierungseinheit der Streuflussmessanordnung angeordnet ist und wenigstens drei, vorzugsweise vier parallel zueinander verlaufende, in einer parallel zur Magnetpoloberfläche orientierten Ebene und in äquidistantem Abstand zueinander angeordnete Leitungsabschnitte derart aufweist, dass die HF-Spulenanordnung im Falle der Ultraschallwellenerzeugung mit einem HF-Signalgenerator zur Erzeugung eines Wechselstromes mit einer Frequenz f derart verbunden ist, dass der in zwei benachbarten Leitungsabschnitten fließende Wechselstrom jeweils entgegengesetzt orientiert ist. Im Falle der Ultraschallwellenerfassung ist die HF-Spulenanordnung mit einem Detektor zur Messung eines in die HF-Spulenanordnung induzierten Wechselstromes verbunden.
Die lösungsgemäße Weiterbildung der HF-Spulenanordnung zur Erzeugung sowie zum Nachweis von Ultraschallwellen innerhalb des Prüfkörpers auf Basis des elektromagnetischen Ultraschallwellenverfahrens, kurz EMUS-Verfahren, ermöglicht in synergetischer Kombination mit der magnetischen Streuflussmessanordnung, zu deren messtechnischen Erweiterung die wenigstens eine HF-Spulenanordnung im Bereich des durch die Magnetisierungseinheit erzeugten Magnetfeldes im Bereich der orthogonal jeweils zur Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien angeordnet ist, eine Schrägeinschallung der Ultraschallwellen in den Prüfkörper, bei der das sich innerhalb des Prüfkörpers ausbildende Ultraschallwellenfeld mit einer schräg zu den orthogonal zu der Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien gerichteten Ausbreitungsrichtung ausbreitet.
Da die lösungsgemäß ausgebildete Prüfvorrichtung mit ihren Magnetpoloberflächen möglichst plan und somit parallel zur Oberfläche des Prüfköpers aufgesetzt wird, bspw. an der Innenwandfläche einer zu untersuchenden Fernrohrleitung zur Anlage gebracht wird, dringen die orthogonal zur Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien gleichfalls orthogonal zur Wandoberfläche in den Prüfkörper ein. Werden zudem die wenigstens drei Leitungsabschnitte der HF-Spulenanordnung parallel zur Rohrleitungsachse ausgerichtet angeordnet, so breiten sich die innerhalb der Rohrleitungswand ausbildenden Ultraschallwellen in Form freier, d. h. nicht von der Prüfkörpergeometrie abhängiger, Volumenwellen aus, die eine schräg zu den orthogonal zur Prüfkörperoberfläche orientierten Magnetfeldlinien orientierte, in Umfangsrichtung der Rohrleitungswand geneigte bzw. gerichtete Ausbreitungscharakteristik besitzen.
Die sich innerhalb, vorzugsweise in Umfangsrichtung der Rohrleitungswand als freie Volumenwellen ausbreitenden Ultraschallwellen dienen in erster Linie zur Detektion von sich in axialer Richtung des rohrförmigen Prüfkörpers verlaufenden Rissen, an denen die Ultraschallwellen zum Teil reflektiert werden. Die reflektierten Ultraschallwellen können mit Hilfe einer mit einem geeigneten Detektor verbundenen HF-Spulenanordnung, die mit einem Detektor verbunden ist, nachgewiesen werden. Die mit dem Detektor verbundenen HF-Spulenanordnung kann zugleich auch mit dem HF-Signalgenerator verbunden sein und sowohl als Sende- als auch Empfangsspulenanordnung dienen oder als zur Sendespulenanordnung separate für den Ultraschallwellenempfang dienen HF-Spulenanordnung an der Magnetpoloberfläche angeordnet sein. Die an den Materialungänzen reflektierten Ultraschallwellen erzeugen innerhalb des Prüfkörpers in Gegenwart des orthogonal zu der jeweiligen Magnetpoloberfläche orientierten stationären bzw. quasistationären Magnetfeldes Wirbelströme, die sich induktiv in die HF-Spulenanordnung einkoppeln, die mit Hilfe des mit der HF-Spulenanordnung verbundenen Detektors nachweisbar sind.
Die Ausbreitungsrichtung, mit der sich die Ultraschallwellen räumlich gerichtet innerhalb des Prüfkörpers ausbreiten hängt sowohl von der Schallausbreitungsgeschwindigkeit c der sich innerhalb des Prüfkörpers ausbreitenden Schallwellen, der Frequenz f, mit der die HF-Spulenanordnung mit Wechselstrom beaufschlagt wird, sowie von einem Abstandsmaß λ_S ab, mit dem die geradlinigen Leitungsabschnitte der HF-Spulenanordnung jeweils nebeneinander angeordnet sind.
Aus den vorstehenden Parametern ergibt sich der Abstrahlwinkel α, unter dem die Ultraschallwellen bezogen zu den orthogonal zu der Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien innerhalb des Prüfkörpers abgeschallt werden, in folgender Form: α = arcsin(c/(fλ_S)].
Aus der vorstehenden Beziehung geht hervor, dass bei vorgegebener Schallgeschwindigkeit c sowie Frequenz des Wechselstromes der Abstrahlwinkel α umso größer wird, je kleiner das Abstandmaß λ_S ist, das den Abstand definiert, zwischen zwei gleichsinnig von Strom durchflossenen Leitungsabschnitten, zwischen denen sich in einziger Leitungsabschnitt befindet, durch den ein entgegengesetzt gerichteter Strom fließt im Vergleich zu den zwei gleichsinnig von Strom durchflossenen Leitungsabschnitten.
Für eine sichere und schonende Lagerung der wenigstens einen HF-Spulenanordnung an wenigstens einer Magnetpoloberfläche der Magnetisierungseinheit, die beispielsweise zur Untersuchung eines rohrförmigen Prüfkörpers als integrative Komponente an einem Prüfmolch angebracht ist und somit erheblichen mechanischen Belastungen, insbesondere in Form von Erschütterungen, unterworfen ist, ist an der Magnetpoloberfläche wenigstens ein Abstützmittel angebracht, das bei einem kraftbeaufschlagten Anpressen der Magnetisierungseinheit an die Prüfkörperoberfläche einen Kraftpfad zwischen dem Prüfkörper und der Magnetisierungseinheit ausbildet, längs dem die gesamte zwischen der Magnetisierungseinheit und dem Prüfkörper herrschende Anpresskraft wirkt. Vorzugsweise ist das Abstützmittel rahmenartig ausgebildet und umgibt die wenigstens eine, an der Magnetpoloberfläche angebrachte HF-Spulenanordnung.
Für eine möglichst effektive Ultraschallwellenanregung innerhalb des Prüfkörpers im Wege der elektromagnetischen Ultraschallwellenanregung gilt es, die HF-Spulenanordnung möglichst nahe an der Prüfkörperoberfläche anzuordnen bzw. zu führen. Hierzu ist die wenigstens eine HF-Spulenanordnung mit der Magnetpoloberfläche über eine elastische Lagerung derart verbunden, so dass die HF-Spulenanordnung orthogonal zur Magnetpoloberfläche elastisch auslenkbar gelagert ist.
Die elastische Lagerung, die beispielsweise in Form eines Elastomers oder einer Federeinheit ausgebildet sein kann, sorgt dafür, dass bei einem kraftbeaufschlagten Anpressen der Magnetisierungseinheit an den Prüfkörper, der zwischen der wenigstens einen HF-Spulenanordnung und dem Prüfkörper herrschende Anpressdruck ausschließlich durch die Federkraft der elastischen Lagerung bestimmt ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass die HF-Spulenanordnung einem erhöhten Verschleiß während der Vermessung eines Prüfkörpers unterliegt, längs dessen Oberfläche die gesamte Magnetisierungseinheit samt der daran angebrachten HF-Spulenanordnungen gleitend verschoben wird.
Zusätzlich kann die HF-Spulenanordnung mit einer die Spulenanordnung schützenden dielektrischen Vergussmasse umschlossen sein. Zur Ausbildung der HF-Spulenanordnung bieten sich unterschiedliche Ausführungsformen an, so beispielsweise in Form einer Luftspule oder in Form einer um einen Kern gewickelten HF-Spule, wobei der Kern aus einem dielektrischen oder ferritischen Material bestehen kann.
Eine bevorzugte geometrische HF-Spulenanordnung sieht wenigstens einen mäanderförmig verlaufenden elektrischen Leiter mit wenigstens drei, vorzugsweise vier oder mehr parallel zueinander orientierten Leitungsabschnitten vor, die jeweils einen konstanten Abstand zueinander aufweisen und derart mit einem Wechselstrom beaufschlagt sind, so dass jeweils zwei benachbart verlaufende Leitungsabschnitte jeweils mit Wechselstrom entgegen gesetzter Stromrichtung durchflossen werden.
Zur Ausbildung der Magnetisierungseinheit bietet sich eine Permanent- oder Elektromagnetanordnung an, die über einen U-förmig ausgebildeten Permanentmagnet oder magnetisierbaren Kern verfügt, der die entgegen gesetzt polarisierten Magnetpoloberflächen aufweist. Ebenfalls denkbar sind zwei getrennt ausgebildete Permanentmagnetkerne oder entsprechende Elektromagnete, die zwar als Einzelmagnete ausgebildet oder handhabbar sind, jedoch jeweils paarweise derart gegenüber dem Prüfkörper angeordnet sind, dass ihre den Prüfkörper zugewandten Magnetpoloberflächen jeweils entgegen gesetzt magnetisch polarisiert sind. An wenigstens einer der beiden Magnetpoloberflächen, vorzugsweise jedoch an beiden Magnetpoloberflächen, ist jeweils wenigstens eine HF-Spulenanordnung angebracht, die von den orthogonal zur jeweiligen Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien durchsetzt ist. Hierbei bildet die ansonsten zur magnetischen Streuflussmessung dienende Magnetisierungseinheit die magnetische Induktionsquelle für die elektromagnetische Ultraschallwellenwandlung. Ebenso ist es denkbar, anstelle der bloßen HF-Spulenanordnung einen eigenständigen EMUS-Wandler, der sich durch die Kombination einer Magnetanordnung und einer HF-Spulenanordnung auszeichnet, an der Magnetpoloberfläche der Magnetisierungseinheit anzubringen, wobei sich die Magnetfeldlinien der EMUS-Wandler eigenen Magnetanordnung möglichst mit den Magnetfeldlinien der Magnetisierungseinheit konstruktiv überlagern.
Eine bevorzugte Anwendung der lösungsgemäßen Vorrichtung sieht die Überprüfung von elektrisch leitende und ferromagnetische Materialanteile enthaltenden Rohrleitungen, vorzugsweise von Gasfernrohrleitungen, vor, wobei die lösungsgemäße Vorrichtung in einer Vielzahl im Umfang um einen an sich bekannten Prüfmolch angeordnet ist. Die Magnetpoloberflächen der einzelnen Magnetisierungseinheiten grenzen dabei an einer gemeinsamen Zylindermantelfläche eines virtuellen Gradzylinders an, dessen Zylinderachse im Falle eines Mess- bzw. Prüfeinsatzes in einer Rohrleitung der Rohrleitungslängsachse entspricht. Dabei befinden sich jeweils die zwei Magnetpoloberflächen jeweils einer Magnetisierungseinheit in axialer Flucht hintereinander längs der Rohrleitungslängsachse sowie die Magnetpoloberflächen von unterschiedlichen Magnetisierungseinheiten in Umfangsrichtung der Zylindermantelfläche verteilt angeordnet, wobei jeweils die einzelnen Leitungsabschnitte der den Magnetisierungseinheiten zugeordneten HF-Spulenanordnungen parallel zur Rohrleitungslängsachse der zu untersuchenden Rohrleitung orientiert sind.
Mit Hilfe der vorstehend erläuterten Schrägeinschallung von Ultraschallwellen, neben der Durchführung der magnetischen Streuflussuntersuchung, ist es möglich, Materialfehler innerhalb des Prüfkörpers zu detektieren, die eine Längserstreckung besitzen, längs der die Prüfanordnung relativ zu dem zu untersuchenden Prüfkörper bewegt wird. Im Falle der Untersuchung einer Fernrohrleitung mit Hilfe eines Prüfmolches, an dem die lösungsgemäße Vorrichtung angebracht ist, können auf diese Weise Materialrisse oder sonstige Materialungänzen in Längserstreckung der Rohrleitung erfasst werden, während sich die Prüfvorrichtung durch das Rohr in Rohrlängsachse hindurch bewegt, ohne dabei eine zusätzliche Rotation der Prüfvorrichtung um den Rohrlängsachse vornehmen zu müssen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a schematische Anordnung einer lösungsgemäß ausgebildeten Streuflussmessanordnung mit einer zusätzlichen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen im Wege der elektromagnetischen Ultraschallwellenanregung,
1b Darstellung der elastischen Lagerung der HF-Spulenanordnung,
1c Darstellungen von mäanderförmigen elektrischen Leitern und
2 Prinzipdarstellung zur Anregung freier Volumenwellen mit schräger Schalleinkopplung in einen Prüfkörper.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1a zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine lösungsgemäß ausgebildete Vorrichtung, die eine Kombination aus einer Streuflussmessanordnung sowie einer Anordnung zur Erzeugung und zum Nachweis von Ultraschallsignale im Wege der elektromagnetischen Ultraschallwellenanregung und -detektion darstellt. Die Vorrichtung weist hierzu eine Magnetisierungseinheit 1 mit zwei voneinander beabstandeten, entgegen gesetzt polarisierten Magnetpoloberflächen 2, 3 auf, zu denen zumindest jeweils in einem oberflächennahen Bereich die Magnetfeldlinien 4 orthogonal orientiert sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Magnetisierungseinheit 1 zwei einzelne Permanentmagnete 5, 6 auf, die über ein magnetisches Flussleitstück 7 jochartig miteinander verbunden sind.
Anstelle der zwei einzelnen Permanentmagnete 5, 6 kann die Magnetisierungseinheit 1, sofern Gewichtsaspekte keine Rolle spielen, auch in einstückiger Form als Permanentmagnet ausgebildet sein, mit einer gleichen oder ähnlichen körperlichen Ausbildung wie die in 1a dargestellte Magnetisierungseinheit 1. Ebenfalls ist es denkbar, die Magnetisierungseinheit 1 mittels einer Elektromagnetanordnung zu realisieren, die gleichfalls über die beabstandeten voneinander und in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Magnetpoloberflächen 2, 3 verfügt.
An den Magnetpoloberflächen 2, 3 sind zusätzlich einzelne HF-Spulenanordnungen 7 angebracht, die mit einem HF-Signalgenerator S sowie einem Signaldetektor E verbunden sind oder verbunden werden können. Die einzelnen HF-Spulenanordnungen 7, auf die im Weiteren noch detailliert eingegangen wird, sind zu ihrem Schutz vor mechanischen Einflüssen von einem rahmenartig ausgebildeten Abstützmittel 8 umgeben, das sich unmittelbar an der Magnetpoloberfläche 2, 3 abstützt. So gilt es, während der zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfkörpers 10, die an den Magnetpoloberflächen 2, 3 angebrachten HF-Spulenanordnungen 7 möglichst raumnah an die Oberfläche eines Prüfkörpers 10 anzuordnen, ohne dabei die HF-Spulenanordnungen 7 mechanisch zu belasten. Bei einem kraftbeaufschlagten Flächenkontakt, der in 1b dargestellt ist, bildet das rahmenartig ausgebildete Abstützmittel 8 einen Kraftpfad zwischen dem Prüfkörper 10 und der Magnetisierungseinheit 1, längs dem die gesamte zwischen der Magnetisierungseinheit 1 und dem Prüfkörper 10 herrschende Anpresskraft F wirkt. Die einzelnen HF-Spulenanordnungen 7 sind jeweils über ein elastisches Element 9, vorzugsweise in Form einer Spiralfeder oder einem Elastomerkörper, mit der Magnetpoloberfläche 2, 3 verbunden. Durch das elastische Element 9 werden die HF-Spulenanordnungen 7 in schonender Weise gegen die Oberfläche des Prüfkörpers 10 gedrückt, um sicherzustellen, dass eine möglichst oberflächennahe Anordnung zwischen HF-Spulenanordnung 7 und der Oberfläche des Prüfkörpers 10 geschaffen wird.
1c zeigt Ausbildungsformen zur Realisierung jeder einzelnen, auf der Magnetpoloberfläche 2, 3 angebrachten HF-Spulenanordnung 7. In 1c linke Darstellung ist ein mäanderförmig ausgebildeter elektrischer Leiter 11 dargestellt, der über eine Vielzahl parallel zueinander orientierte, in einer gemeinsamen Ebene mit jeweils äquidistanten Abständen a angeordnete Leitungsabschnitte 11a, 11b vorsieht. Im Falle der Verbindung des elektrischen Leiters 11 mit einem HF-Signalgenerator S, der die Leitungsanordnung mit einem Wechselstrom der Frequenz f beaufschlagt, werden jeweils unmittelbar benachbarte Leitungsabschnitte 11a, 11b mit jeweils entgegengesetzt orientiertem Stromfluss durchsetzt.
In 1c rechte Darstellung ist eine HF-Spulenanordnung illustriert, die aus segmentierten, jeweils mäanderförmig ausgebildeten Einzelspulen 11' zusammengesetzt ist. Bei entsprechender Beschaltung der segmentierten Einzelspulen 11' mit einem HF-Signalgenerator S ist die gleiche Wirkung zu erzielen, wie mit einer einzigen HF-Spulenanordnung gemäß linke Darstellung in 1c.
2 veranschaulicht den Wirkmechanismus der elektromagnetischen Ultraschallwellenwandlung zur Anregung von Ultraschallwellen mit einer schräg zur Prüfkörperoberfläche in einen Prüfkörper orientierter Ausbreitungsrichtung.
Hierzu ist eine HF-Spulenanordnung 7 auf der Magnetpoloberfläche 2, 3 einer Magnetisierungseinheit 1 einer Streuflussmessanordnung angebracht. Dargestellt ist ein Magnet 5 der Magnetisierungseinheit 1 mit einer einem Prüfkörper 10 zugewandt orientierten Magnetpoloberfläche 2. Durch die räumliche Nähe der Magnetpoloberfläche 2 zum Prüfkörper 10 wird der Prüfkörper zumindest im oberflächennahen Bereich von orthogonal zur Magnetpoloberfläche 2 orientierten Magnetfeldlinien 4 durchsetzt. Zusätzlich ist zwischen der Magnetpoloberfläche 2 und der Oberfläche des Prüfkörpers 10 die HF-Spulenanordnung 7 in Form eines mäanderförmig ausgebildeten elektrischen Leiters vorgesehen, der im dargestellten Beispiel vier parallel zueinander orientierte Leitungsabschnitte 11a, 11b umfasst, die auf einem nicht weiter dargestellten dielektrischen oder ferromagnetischen Spulenkern aufgebracht sind. Die HF-Spulenanordnung 7 wird im Falle der Ultraschallwellenerzeugung mit einem HF-Signalgenerator verbunden, der Wechselstrom der Frequenz f längs der einzelnen Leitungsabschnitte 11a, 11b einprägt, wobei die jeweils unmittelbar benachbarten Leitungsabschnitte 11a, 11b mit entgegen gesetzt orientierter Stromflussrichtung durchflossen werden.
Jeder einzelne Leitungsabschnitt 11a, 11b ruft innerhalb des ferromagnetischen und elektrische Materialanteile enthaltenden Prüfkörpers 10 entgegen gesetzt orientierte Wirbelströme hervor, die in Überlagerung mit den orthogonal zur Magnetpoloberfläche 2 und somit auch orthogonal zur Oberfläche des Prüfkörpers 10 orientierten Magnetfeldlinien 4 treten und lokal auf das Materialgefüge des Prüfkörpers 10 wirkende Lorentz-Kräfte hervorrufen, die aufgrund der jeweils paarweise unterschiedlichen Stromflussrichtung am Ort der zu den jeweiligen Leitungsabschnitten 11a, 11b innerhalb des Prüfkörpers 10 zugeordneten Wirbelströmen entgegen gesetzt orientiert sind. Auf diese Weise entstehen innerhalb des Prüfkörpers 10 jeweils am Ort der induzierten Wirbelströme Ultraschallelementarwellen 12, deren Phasenlage sich zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Entstehungsorten um 180° unterscheiden (siehe hierzu Elementarwellen 12 mit gestrichelten Linien, die jeweils 180°-Wellenfronten repräsentieren und mit durchgezogenen Linien, die jeweils 0°-Wellenfronten repräsentieren). Durch die konstruktive Überlagerung der sich jeweils um 180° in ihrer Phase voneinander unterscheidenden Elementarwellen 12 ergeben sich relativ zu den orthogonal zur Magnetpoloberfläche 2 sowie der Oberfläche des Prüfkörpers 10 orientierten Magnetlinien 4 schräg verlaufende, sich innerhalb des Prüfkörpers 10 frei fortbewegende Volumenwellen 13. Die Abstrahlrichtung 14 der freien Volumenwellen 13 ist durch den Winkel α definiert, den die Abstrahlrichtung 14 mit den orthogonal zur Magnetpoloberfläche 2 orientierten Magnetfeldlinien 4 einschließt. Hierbei gilt für den Abstrahlwinkel α folgende Beziehung: α = arcsin[c/(fλ_S)]
In obiger Beziehung bedeutet c die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Prüfkörpers 10, f die Wechselstromfrequenz, mit der die HF-Spulenanordnung mit Wechselstrom beaufschlagt wird, und λ_S der geometrische Abstand jeweils zweier mit gleicher Stromrichtung durchsetzter Leitungsabschnitte 11a, die jeweils einen einzigen weiteren Leitungsabschnitt 11b beidseitig begrenzen. λ_S wird auch als Mäanderperiode bezeichnet. Die Wellenlänge λ, mit der von jedem Entstehungsort innerhalb des Prüfkörpers 10 Ultraschallelementarwellen erzeugt werden und ausgehen wird einzig und allein durch die Schallgeschwindigkeit c sowie die Frequenz f festgelegt, d. h. c = f·λ.
Durch die Kombination der vorgeschlagenen Streuflussmessmethode mit der Erzeugung von schräg zur Oberfläche des Prüfkörpers orientierten Ultraschallwellen im Wege einer elektromagnetischen Ultraschallwellenanregung wird die Zuverlässigkeit der Prüfaussage bei der Untersuchung von Gasfernrohrleitungen erheblich verbessert, zumal unterschiedliche Fehlerarten, wie insbesondere axiale Risse und Korrosionsdefekte mit einem einzigen „Molchlauf” sicher nachgewiesen werden können ohne dabei den Molch und die darauf angeordneten Prüfvorrichtungen eine Rotation zu unterwerfen.
Bezugszeichenliste

1: Magnetisierungseinheit
2, 3: Magnetpoloberfläche
4: Magnetfeldlinien
5, 6: Permanentmagnet
7: magnetisches Flussleitstück
8: Rahmenartiges Abstützmittel
9: Elastische Lagerung
10: Prüfkörper
11: Mäanderförmiger elektrischer Leiter
11a, 11b: Leitungsabschnitte
12: Elementarwelle
13: Ultraschallwellen
14: Ausbreitungsrichtung
S: HF-Signalgenerator
E: Empfänger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19929072 A1 [0005]
DE 3511076 A1 [0007, 0013]

Claims

Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines wenigstens elektrisch leitende und ferromagnetische Materialanteile enthaltenden Prüfkörpers, mit einer magnetischen Streuflussmessanordnung, die wenigstens eine Magnetisierungseinheit mit zwei dem Prüfkörper zuwendbaren, voneinander beabstandeten und entgegengesetzt polarisierten Magnetpoloberflächen, zu denen die von der Magnetisierungseinheit erzeugten Magnetfeldlinien orthogonal orientiert sind, und wenigstens einen zwischen den Magnetpoloberflächen anordenbaren oder angeordneten Magnetfelddetekor aufweist, sowie mit wenigstens einer HF-Spulenanordnung, die zumindest an einer der beiden dem Prüfkörper zuwendbaren Magnetpoloberflächen derart angeordnet ist, dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung von den orthogonal zu der Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien durchsetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Spulenanordnung wenigstens drei parallel zueinander verlaufende, in einer parallel zu der Magnetpoloberfläche orientierten Ebene und äquidistant zueinander angeordnete Leitungsabschnitte aufweist, dass die HF-Spulenanordnung mit einem HF-Signalgenerator zur Erzeugung eines Wechselstromes mit einer Frequenz f derart verbunden ist, dass der in zwei benachbarten Leitungsabschnitten fließende Wechselstrom jeweils entgegengesetzt orientiert ist und/oder dass die HF-Spulenanordnung mit einem Detektor zur Erfassung eines in die HF-Spulenanordnung induzierten Wechselstromes mit einer Frequenz f derart verbunden ist, dass der in zwei benachbarten Leitungsabschnitten induzierte Wechselstrom jeweils entgegengesetzt orientiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Spulenanordnung wenigstens eine HF-Spule in Form eines wenigstens drei Leitungsabschnitte enthaltenden, mäanderförmig ausgebildeten, elektrischen Leiter aufweist, der jeweils zwei Leiterenden vorsieht, die mit dem HF-Signalgenerator und/oder dem Detektor verbindbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen zwei Leitungsabschnitten, zwischen denen ein einziger Leitungsabschnitt angeordnet ist, einer Spurwellenlänge λ_S entspricht, mit der Ultraschallwellen in Form von sich frei, d. h. unabhängig von der Prüfkörpergeometrie, ausbreitenden Ultraschallwellen innerhalb des Prüfkörpers erzeugbar oder nachweisbar sind, die eine Ausbreitungsrichtung besitzen, die mit den orthogonal zu der Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien einen Winkel α einschließen, für den gilt: α = arcsin[c/(fλ_S)] mit c:= Schallgeschwindigkeit im Prüfkörper f:= Wechselstromfrequenz λ_S:= Spurwellenlänge.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der wenigstens einen Magnetpoloberfläche ein Abstützmittel angebracht ist, das bei einem kraftbeaufschlagten Anpressen der Magnetisierungseinheit auf den Prüfkörper einen Kraftpfad zwischen dem Prüfkörper und der Magnetisierungseinheit ausbildet, längs dem die gesamte zwischen der Magnetisierungseinheit und dem Prüfkörper herrschende Anpresskraft wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützmittel die wenigstens eine HF-Spulenanordnung zumindest teilweise rahmenartig umgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung wenigstens orthogonal zur Magnetpoloberfläche elastisch auslenkbar an der Magnetpoloberfläche gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Lagerung derart gewählt und ausgebildet ist, dass bei einem kraftbeaufschlagten Anpressen der Magnetisierungseinheit an den Prüfkörper, ein zwischen der wenigstens einen HF-Spulenanordnung und dem Prüfkörper auftretender Anpressdruck ausschließlich durch die elastische Lagerung bestimmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Lagerung in Form eines Elastomers oder einer Federeinheit ausgebildet ist, das bzw. die zwischen der Magnetpoloberfläche und der wenigstens einen HF-Spulenanordnung gefügt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung wenigstens eine als Luftspule ausgebildete HF-Spule und/oder wenigstens eine um einen Kern gewickelte HF-Spule umfasst, und dass der Kern aus einem dielektrischen oder ferritischem Material besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungseinheit in Form einer Permanent- oder Elektromagnetanordnung ausgebildet ist, mit einem U-förmig ausgebildeten Permanent-Magnet- oder magnetisierbaren Kern, der die entgegengesetzt polarisierten Magnetpoloberflächen aufweist, oder mit zwei getrennt ausgebildeten Permanentmagnetkernen oder Elektromagneten, denen jeweils eine der beiden entgegengesetzt polarisierten Magnetpoloberflächen zugeordnet sind, an denen jeweils wenigstens eine HF-Spulenanordnung angebracht ist, die von den orthogonal zur jeweiligen Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien durchsetzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung gemeinsam mit der Magnetisierungseinheit wenigstens einen EMUS-Wandler bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine HF-Spulenanordnung Teil eines EMUS-Wandlers ist, und dass der EMUS-Wandler eine Magnetanordnung besitzt, die derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die durch die Magnetanordnung erzeugten Magnetfeldlinien mit den orthogonal zur jeweiligen Magnetpoloberfläche der Magnetisierungseinheit orientierten Magnetfeldlinien überlagern.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Streuflussmessanordnung Teil eines Prüfmolches ist, der zur Inspektion von elektrisch leitende und ferromagnetische Materialanteile enthaltenden Rohrleitungen ausgebildet ist, wobei eine Vielzahl von Magnetisierungseinheiten derart um eine Raumachse verteilt angeordnet ist, dass die Magnetpoloberflächen der einzelnen Magnetisierungseinheiten an einer gemeinsamen Zylindermantelfläche, eines virtuellen Geradzylinders, dessen Zylinderachse die Raumachse ist, derart angrenzen, dass jeweils die zwei Magnetpoloberflächen jeweils einer Magnetisierungseinheit axial beabstandet zueinander sowie die Magnetpoloberflächen von unterschiedlichen Magnetisierungseinheiten in Umfangsrichtung der Zylindermantelfläche verteilt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte der zu den Magnetisierungseinheiten zugeordneten HF-Spulenanordnungen parallel zur Raumachse orientiert sind.
Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines wenigstens elektrisch leitende und ferromagnetische Materialanteile enthaltenden Prüfkörpers, mit einer magnetischen Streuflussmessung, bei der ein den Prüfkörper zumindest abschnittsweise durchdringendes Magnetfeld, durch Vorsehen einer Magnetisierungseinheit mit zwei dem Prüfkörper zuwendbaren, voneinander beabstandeten und entgegengesetzt polarisierten Magnetpoloberflächen, zu denen die von der Magnetisierungseinheit erzeugten Magnetfeldlinien orthogonal orientiert sind, erzeugt und längs einer dem Prüfkörper zuordenbaren Oberfläche eine Magnetfeldmessung durchgeführt wird, sowie mit einem den Prüfkörper mit Ultraschallwellen untersuchenden EMUS-Verfahren, bei dem zur Ultraschallwellenerzeugung und/oder -detektion das orthogonal zu den Magnetpoloberflächen orientierte Magnetfeld der Streuflussmessung in Überlagerung mit innerhalb des Prüfkörpers erzeugbarer Wirbelströme gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen in Form von sich frei, d. h. unabhängig von der Prüfkörpergeometrie, ausbreitenden Ultraschallwellen innerhalb des Prüfkörpers erzeugbar oder nachweisbar sind, die eine Ausbreitungsrichtung besitzen, die schräg zu den orthogonal zu der Magnetpoloberfläche orientierten Magnetfeldlinien orientiert ist.