DE10304270A1

DE10304270A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Auffinden von Fehlstellen, insbesondere in Form von Materialrissen, in einem rotationssymmetrischen Prüfling aus einem zumindest metallische Materialanteile aufweisenden Werkstoff

Info

Publication number: DE10304270A1
Application number: DE2003104270
Authority: DE
Inventors: Jorj Dipl.-Ing. Nichiforenco; Andrei Dipl.-Ing. Boulavinov; Bernd Dipl.-Ing. Rockstroh; Reinhard Dipl.-Ing. Weiss
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; BASF SE
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; BASF SE
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: DE10304270B4

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Auffinden von Fehlstellen, insbesondere in Form von Materialrissen oder Oberflächendefekten, in einem rotationssymmetrischen Prüfling aus einem zumindest metallische Materialanteile aufweisenden Werkstoff, mit wenigstens zwei elektromagnetischen Ultraschallwandlern (EMUS), die beabstandet voneinander zur elektroakustischen Kopplung mit einer Oberfläche des Prüflings in Kontakt stehen, von denen ein Ultraschallwandler als Sender und der andere Ultraschallwandler als Empfänger dient, sowie mit einer Auswerteeinheit, die zumindest mit dem als Empfänger dienenden Ultraschallwandler verbunden ist. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die elektromagnetischen Ultraschallwandler horizontal polarisierte Transversalwellen (SH-Wellen) zu Erzeugen und/oder Nachzuweisen in der Lage sind, dass die Ultraschallwandler über eine zweiseitige Richtcharakteristik verfügen, und dass die Ultraschallwandler in einer gemeinsamen Querschnittsebene durch den rotationssymmetrischen Prüfling an einer frei zugänglichen Oberfläche des Prüflings angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie auf ein Verfahren zum Auffinden von Fehlstellen, insbesondere in Form von Materialrissen oder Oberflächendefekten, in einem rotationssymmetrischen Prüfling aus einem zumindest metallische Materialanteile aufweisenden Werkstoff, mit wenigstens zwei elektromagnetischen Ultraschallwandlern (EMUS), die beabstandet voneinander zur elektroakkustischen Kopplung mit einer Oberfläche des Prüflings in Kontakt stehen, von denen ein Ultraschallwandler als Sender und der andere Ultraschallwandler als Empfänger dient, sowie mit einer Auswerteeinheit, die zumindest mit dem als Empfänger dienenden Ultraschallwandler verbunden ist.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüftechnik von vorzugsweise aus metallischen Materialien gefertigten Prüflingen, hat sich die Durchschallung der Prüflinge mit Ultraschallwellen sowie deren Detektion und entsprechende Auswertung als besonders geeignet erwiesen. So werden heutzutage bspw. Eisenbahnräder in regelmäßigen Wartungsabständen auf Risse und sonstige Materialdefekte mit Hilfe geeigneter Ultraschallprüftechniken überprüft.
Aus der DE 199 43 215 C2 ist diesbezügliches Ultraschalluntersuchungsverfahren entnehmbar, das auf der Basis der sogenannten V-Durchschallungstechnik arbeitet. Hierbei werden ein Ultraschallsender sowie ein Ultraschallempfänger mit einem gegenseitigen peripheren Abstand längs des Umfangsrandes eines Eisenbahnrades positioniert, wobei die vom Ultraschallsender in das Eisenbahnrad eingekoppelten Ultraschallwellen sowohl an innen liegenden Eisenbahnradrandkonturen als auch an möglicher Weise längs des Schallausbreitungsweges vorhandenen Fehlstellen reflektiert werden. Die reflektierten Signale werden von dem Ultraschallempfänger detektiert und mit einer geeigneten Auswerteeinheit ausgewertet. Als Ultraschallsender sowie -empfänger werden in dem vorstehend genannten Fall piezoelektrische Ultraschallwandler eingesetzt, die jedoch mit einer Reihe von Nachteilen verbunden sind. So bedürfen piezoelektrische Ultraschallwandler zur Einkopplung von Ultraschallwellen in einen Prüfkörper einem Koppelmittel. Weist die Prüfkörperoberfläche, über die die Schallein- bzw. Schallauskopplung erfolgen soll, Unregelmäßigkeiten auf, bspw. eine rauhe Oberflächen, so hat dies einen negativen Einfluss auf die in das Prüfteil einzukoppelnde Schallleistung und damit verbunden letztlich auch auf die Nachweisempfindlichkeit der gesamten Messung.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil der in der vorstehenden Druckschrift beschriebenen V-Durchschallung ist zudem die nur segmentierte Prüfweise des Eisenbahnrades. So lässt sich mit einer einmaligen Durchschallung nicht das Eisenbahnrad in der Gesamtheit erfassen, wodurch gravierende, örtliche Zeitstandrisse oder andere Einzelfehler übersehen werden können.
Als weitere, bekannte zerstörungsfreie Prüftechnik ist die Wirbelstromprüfung an elektrisch leitfähigen Prüflingen zu nennen. Der Nachteil von an sich bekannten Wirbelstromprüfungsverfahren ist jedoch die nur relative niedrige Leistung, mit der Wirbelströme innerhalb des zu untersuchenden Prüflings eingekoppelt werden, da zumeist nur kleindimensionierte Wirbelstromsonden eingesetzt werden, um eine möglichst konturgetreue Abtastung der Oberfläche eines zu untersuchenden Prüflings zu gewährleisten.
Schließlich ist auch der Einsatz von sog. elektromagnetischen Ultraschallwandlern (EMUS) bekannt, mit denen insbesondere eine zerstörungsfreie Untersuchung rotationssymmetrischer Prüfkörper möglich ist, wie bspw. Rohre, die aus ferritischen, nichtferritischen, austenitischen Werkstoffen sowie auch nicht Eisen-Metallen (NE-Metalle) bestehen. Insbesondere ist der Einsatz sog. EMUS-Sensoren zur zerstörungsfreien Prüfung von Rohren aus ferromagnetischen oder nichtferromagnetischen Materialien bekannt, die lediglich zur Erzeugung sog. linearpolarisierter Transversalwellen in der Lage sind, d. h. linearpolarisierte Ultraschallwellen, die sich senkrecht zur Einkoppeloberfläche innerhalb des Prüflings ausbreiten und eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung orientierte Schwingungsebene vorsehen. Derartige EMUS-Sensoren sind hinlänglich bekannt und erlauben insbesondere durch bloßen Kontakt mit der Oberfläche des Prüflings eine koppelmittelfreie Einkopplung von Ultraschallwellen im Wege einer elektromagnetischen Schallwandlung innerhalb des zu untersuchenden Prüflings. Zur Fehlerbestimmung wird die Durchschallungstechnik eingesetzt, die vergleichbar mit der vorstehend beschriebenen V-Durchschallung ist. Auch in diesem Fall ist eine ganzheitliche Erfassung des rotationssymmetrischen Prüfkörpers, bspw. des gesamten Rohrumfanges nicht möglich. Vielmehr müssen zur gesamtheitlichen Erfassung, bspw. eines Rohres die EMUS-Sensoren vollständig um den Umfangsrand des zu untersuchenden Rohres bewegt werden. Eine durchaus zeitraubende Massnahme, die zudem in einigen Fällen nicht durchführbar ist, zumal nicht alle Prüflinge an ihrem gesamten Umfangsrand zugänglich sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung von rotationssymmetrischen Prüflingen, insbesondere Rohre, zum Auffinden von Fehlstellen, insbesondere in Form von Materialrissen derart anzugeben, dass zum einen die Erfassung sämtlicher Fehlstellen innerhalb des rotationssymmetrischen Prüflings möglich ist und zugleich der damit verbundene messtechnische Aufwand gering gehalten wird. Insbesondere soll eine Möglichkeit geschaffen werden, den rotationssymmetrischen Prüfling in der Gesamtheit zumindest innerhalb einer Querschnittsebene zu erfassen, um auf diese Weise ein gesamtheitliches Querschnittsbild durch einen Prüfling und die darin möglicherweise enthaltenen Fehlstellen zu erhalten.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Auffinden von Fehlstellen beschreibt. Gegenstand des Anspruches 12 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Auffinden entsprechender Fehlstellen. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Auffinden von Fehlstellen, insbesondere in Form von Materialrissen oder Oberflächendefekten in einem rotationssymmetrischen Prüfling, wie bspw. innerhalb eines Rohres gemäß der Merkmale im Oberbegriff des Anspruches 1, zeichnet sich dadurch aus, dass die elektromagnetischen Ultraschallwandler horizontal polarisierte Transversalwellen, sog. SH-Wellen, zu erzeugen und/oder nachzuweisen in der Lage sind. Derartige Ultraschallwandler vermögen senkrecht über eine Oberfläche des Prüflings Ultraschallwellen innerhalb des Prüflings mit einer Ausbreitungsrichtung zu erzeugen, die parallel zur Einkoppeloberfläche orientiert ist, d. h. die Ultraschallwellen breiten sich im wesentlichen parallel zur Einkoppeloberfläche aus und nicht wie im Falle des vorstehend zitierten Standes der Technik, bei dem zwar ebenso elektromagnetische Ultraschallwandler zum Einsatz kommen, die jedoch Ultraschallwellen in den Prüfkörper einkoppeln, deren Ausbreitungsrichtung senkrecht zur Einkoppeloberfläche orientiert ist.
Ferner weisen die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten elektromagnetischen Ultraschallwandler eine zweiseitige Richtcharakteristik auf, d. h. ausgehend von der Koppelstelle des als Sender betriebenen Ultraschallwandlers gehen zwei in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung zueinander verlaufende horizontal polarisierte Transversalwellen aus. Ebenso vermag ein diesbezüglicher als Empfänger betriebener elektromagnetischer Ultraschallwandler aus zwei entgegengesetzt gerichteten Ausbreitungsrichtungen zulaufende Ultraschallwellen entsprechend zu detektieren, d. h. in elektrische Signale umzusetzen.
Im einfachsten Fall gilt es wenigstens einen als Sender dienenden Ultraschallwandler sowie einen als Empfänger dienenden elektromagnetischen Ultraschallwandler in einer gemeinsamen Querschnittsebene durch den zu überprüfenden rotationssymmetrischen Prüfling an einer frei zugänglichen Oberfläche beabstandet voneinander derart anzuordnen, dass die vom Sender ausgehenden mit einer doppelten Richtcharakteristik verlaufenden Ultraschallwellen sich längs des Umfangsrandes innerhalb des ansonsten rotationssymmetrischen Prüflings ausbreiten.
Je nach gegenseitiger Beabstandung zwischen Sender und Empfänger längs des Umfangsrandes des Prüflings treffen die vom Sender mit unterschiedlichem Umlaufsinn ausgehenden Schallwellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten am Ort des Empfängers ein. So werden bei einer festgelegten Messkonfiguration am Empfänger mehrfache periodisch sich wiederholende Umlaufechos von den jeweiligen umlaufenden Schallwellen empfangen. Ist innerhalb des Prüflings eine Fehlstelle, bspw. in Form eines Materialrisses vorhanden, so werden auch die im Umlauf befindlichen Ultraschallwellen zumindest teilweise an der Fehlstelle reflektiert, so dass am Empfänger zusätzlich von der Fehlstelle hervorgerufene Echosignale empfangen werden, die es gilt aus den normalen Umlaufechos, der ansonsten ungestört sich längs des Prüflings ausbreitenden Schallwellen zu selektieren. Dies erfolgt im Wesentlichen mit einer Auswerteeinheit, an die die Messsignale des Empfängers weitergeleitet werden.
Von einer Fehlstelle herrührende Echosignale lassen sich durchaus charakterisieren, da in der Regel das Reflexionsvermögen einer Fehlstelle in verschiedenen Richtungen nicht gleichmäßig ausgebildet ist und sehr stark von der Fehlstellenform sowie deren räumlicher Orientierung abhängt. Zumal die eingesetzten elektromagnetischen Ultraschallwandler sowohl im Falle des Senders als auch im Falle des Empfängers über eine doppelt gerichtete Richtcharakteristik verfügen, wird einerseits die Fehlstelle von zwei Richtungen aus beschallt und andererseits werden die von der Fehlstelle durch Reflexion ausgehenden Teilwellen ebenso unter Maßgabe einer doppelten Richtcharakteristik im Empfänger detektiert. Hierdurch ist grundsätzlich ein vollständiger Fehlerstellennachweis längs des gesamten Umfangsrandes bzw. Umfangsbereiches eines zu untersuchenden rotationssymmetrischen Prüflings möglich.
Handelt es sich bei dem zu untersuchenden Prüfling bspw. um ein Rohr, so ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung das Rohr innerhalb einer Rohrquerschnittsebene, die senkrecht zur Rohrlängsachse orientiert ist, mit nur einer einzigen Ultraschallwellenmessung vollständig auf Fehlstellen zu überprüfen.
Auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des damit erfindungsgemäß durchführbaren Verfahrens zur zerstörungsfreien Überprüfung eines rotationssymmetrischen Prüflings, vorzugsweise Rohres auf Fehlstellen sei im Weiteren unter Bezugnahme auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindungsgedanke in weiteren Details erklärt.
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:
1 schematisierte Querschnittsdarstellung durch einen rohrförmigen Prüfling mit zwei Ultraschallwellenwandlern,
2 schematisierte Darstellung einer Rohrvermessung mit drei Ultraschallwellenwandlern mit einer entsprechenden Auswerteeinheit,
3a, b bildliche Darstellung der Signalantwort an den in 2 eingesetzten Empfängern,
4a, b bildliche Darstellung zur Signalauswertung und Fehlerstellenanalyse.
5 Messvorrichtung mit sechs EMUS sowie
6 alternative Messvorrichtung zu 5.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das damit durchführbare Verfahren zur Überprüfung von Fehlstellen innerhalb rotationssymmetrischer Prüflinge eignet sich insbesondere für das Auffinden von Materialrissen oder Materialdefekten innerhalb von Rohren oder an Rohroberflächen, wobei die Fehlstellen zumindest eine Komponente parallel zur Rohrlängsachse aufweisen sollten. Die zu untersuchenden Rohre können aus ferritischen oder austenitischen Werkstoffen sowie auch aus NE-Metallen sein. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für austenitische Schleudergussrohre optimiert, zumal derartige Rohre sehr kostspielig sind, da sie für den Transport bzw. die Leitung von aggressiven Medien unter hohen Temperaturen Drucken eingesetzt werden, so bspw. vorwiegend in der chemischen Industrie. So treten während des Betriebes derartiger Rohrleitungen durchaus Ermüdungsrisse oder Spannungsrisskorrosionen auf, die es gilt vor Eintritt respektive vor einem Totalausfall dieser Schleudergussrohre zu detektieren. Derartige Fehler entstehen zumeist im oberflächennahen Bereich der inneren Rohroberfläche und breiten sich in Richtung der Rohrwände aus.
In 1 ist ein schematisierter Querschnitt eines Rohres R dargestellt, das es gilt von der zugänglichen Rohrwandaußenseite auf mögliche vorhandene Fehlstellen zu überprüfen. Hierzu ist ein als Sender betreibbarer elektromagnetischer Ultraschallwandler S an der zumeist rauhen äußeren Rohroberfläche angebracht und regt im Wege der elektromagnetischen Schallanregung horizontal polarisierte Transversalwellen A, B innerhalb des Rohres 1 an. Der Sender verfügt über eine zweiseitige, doppelte oder bidirektionale Richtcharakteristik, so dass symmetrisch zu einer Sendersymmetrieachse zwei in entgegengesetzten Richtungen horizontal polarisierte Transversalwellen A, B innerhalb der dargestellten Querschnittsebene längs des Rohrwandbereiches umlaufen.
An einer von dem Sender S beabstandeten Stelle längs des Umfangsrandes ist ein als Empfänger arbeitender elektromagnetischer Ultraschallwandler E angebracht, der unabhängig von seiner Position die mehrfach längs des Rohrbereiches umlaufenden Umlaufechos A, B empfängt. Werden die Empfangssignale am Empfänger E im Wege einer Auswerteeinheit aufbereitet und entsprechend an einer Darstellungseinheit sichtbar gemacht, so ergibt sich typischerweise ein zeitliches Signalempfangsspektrum gemäß der Bilddarstellung in 3a. Aus dieser Bilddarstellung gehen in zeitlich periodischen Abständen wiederkehrende Signalpeaks hervor, die den am Empfänger ankommenden Umlaufechos entsprechen, wobei deren Signalamplituden mit zunehmenden Zeitfortschritt aufgrund der im Rohr vorhandenen Schwingungsdämpfung abnehmen.
Ist innerhalb der in 1 dargestellten Querschnittsebene des Rohrs eine Fehlstelle F vorhanden, so wird diese beidseitig ebenfalls von den umlaufenden Ultraschallwellen A und B beschallt. Teile dieser Wellen werden an der Fehlstelle F reflektiert und bilden für sich zueinander gegenläufig reflektierte Echosignale A*, B* ausgehend von der Fehlstelle F. Diese breiten sich ebenso wie die Umlaufsignale A, B in beide Umfangsrichtungen des Rohres innerhalb der in 1 dargestellten Querschnittsfläche aus.
Werden nun zusätzlich zu den von dem Empfänger E detektierten Umlaufechos bezüglich der Schallwellen A und B, die in 3a als sichtbare Echosignale dargestellt sind, weitere Echosignale detektiert, so sind diese weiteren Echosignale auf die Fehlstelle F zurückzuführen.
Jedoch sind die mit der in 1 dargestellten Prüfvorrichtung detektierten, auf eine Fehlstelle zurückführbare Echosignale nur in jenen Fällen von den übrigen Umlaufechosignale eindeutig zu trennen, sofern die Umlaufechos bezüglich der Schallwellen A, B und die Echosignale, ausgehend von der Fehlstelle A*, B* zeitlich nicht überlappend am Empfänger E eintreffen. Somit stellen die durch die Schallwellen A und B am Empfänger E erzeugten Umlaufechos vielmehr unerwünschte Störsignale dar, die ein eindeutiges Auffinden und Bewerten der auf eine Fehlstelle F zurückzuführenden Echosignale erschweren.
Bei Verwendung nur eines einzigen Senders und eines einzigen Empfängers gemäß der in 1 dargestellten Vorrichtung ist es daher erforderlich für einen eindeutigen Fehlernachweis den Sender und den Empfänger vorzugsweise unter Beibehaltung ihres äquidistanten Abstandes solange in Umfangsrichtung des Rohres zu verdrehen, bis alle Echosignale zeitlich jeweils zwischen den durch den Empfänger E detektierten Umlaufechos zu liegen kommen.
In 2 ist die schematisierte Darstellung einer erweiterten Prüfvorrichtung dargestellt, die über zwei als Empfänger dienende elektromagnetische Ultraschallwandler 2 und 3 verfügt, die längs des Umfangsrandes des Rohres R in einer senkrecht zur Rohrachse orientierten Querschnittsfläche angebracht sind. Mittig zwischen den Empfängern 2 und 3 ist ein als Sender arbeitender elektromagnetischer Ultraschallwandler 1 vorgesehen. Alle im Einsatz befindlichen Ultraschallwandler weisen, wie auch im vorstehenden Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 1, eine zweiseitige Richtcharakteristik auf.
Der äquidistant zu beiden Empfängern 2 und 3 angeordnete Sender 1 ist mit einem Signalgenerator 4 verbunden, durch den der Sender 1 nach einem vorgegebenen Sendemuster, meist im Pulsbetrieb, horizontal polarisierte Transversalwellen A, B gemäß der Darstellung in 2 in das Rohr R abstrahlt.
Die Empfänger 2 und 3 sind zur Signalauswertung der von ihnen detektierten Ultraschallwellen mit einer Auswerteeinheit verbunden, die sich aus folgenden Komponenten zusammensetzt. Die an den Empfänger 2 und 3 anliegenden Messsignale werden zunächst über entsprechende Vorverstärker 5 und 6 verstärkt. Die von dem Empfänger 3 herrührenden, verstärkten Signale gelangen an einen Invertiere 7, der die vorverstärkten Messsignale invertiert und diese gemeinsam mit den vom Empfänger 2 herrührenden, vorverstärkten Messsignale in einem Addiere 8 summiert. Das aus dem Addierer 8 stammende Summensignal gelangt über einen weiteren Verstärker 9 zu einer Darstellungseinheit 10, an der die verstärkten Summensignale zur visuellen Darstellung gebracht werden. Zur Synchronisation der Signaldarstellung auf der Darstellungseinheit 10 ist diese über eine entsprechende Steuereinheit 11 mit dem Generator 4 verbunden.
Geht man zunächst von der Überlegung aus, dass der Sender 1 durch den Generator 4 durch einen kurzzeitigen Anregungsimpuls angeregt wird, so entstehen innerhalb des Rohres R zwei sich in Gegenrichtung gleichphasig längs des Rohrquerschnittes ausbreitende Ultraschallwellen A, B, die den Rohrkreis mehrfach umlaufen bis sie durch die vorherrschende Materialdämpfung zum Erliegen kommen. Die Empfänger 2 und 3 empfangen die durch die Schallwellen A und B erzeugten mehrfachen Umlaufechosignale, die in den 3a und 3b dargestellt sind.
In den 3a und 3b sind tatsächliche Messergebnisse dargestellt, die bei einer Messung an einem austenitischen Rohr mit 127 mm Durchmesser und 15 mm Wanddicke registriert worden sind. Die Sendeimpulsfrequenz des Generator 4 beträgt hierbei 100 kHz, die kurzzeitig zur Schwingungsanregung des Senders generiert worden ist. 3a zeigt das von dem Empfänger 2 aufgenommene Messsignal, 3b zeigt das von dem Empfänger 3 gewonnene Messsignal. Die in den 3a und 3b dargestellten Messsignale stellen eine zeitlich periodisch sich wiederkehrende Folge der Umlaufechos dar, deren Amplitude im Wege der Dämpfung stetig abnimmt.
Sind keine Fehlstellen innerhalb des Rohres vorhanden, so zeigt sich nach vorstehend beschriebener Auswertung der in den 3a und 3b gezeigten Messsignale, dass sich nach entsprechender Vorverstärkung, Invertierung des Signals vom Empfänger 2 und Addition der Signale die Umlaufechos gegenseitig aufheben. Dies ist in 4a gezeigt, die die visuelle Darstellung des Summensignals zeigt, nämlich eine gegenseitige vollständige Auslöschung beider Wellenzüge, zumal sie phasengleich und nach identischen Laufzeiten an den Empfänger 2 und 3 ankommen und daher durch die vorstehend beschriebene Differenzierung sich gegenseitig auslöschen.
Ist hingegen eine Fehlstelle im Rohr vorhanden, die unterschiedlich weit von den Empfänger 2 und 3 entfernt liegt, wie es in der schematischen Darstellung gemäß 2 gezeigt ist, werden die auf die Fehlstelle zurückzuführenden Echosignale im Unterschied zu den normalen Umlaufechos nicht kompensiert. Dieser Fall ist in 4b dargestellt, in der das Summensignal gezeigt ist, das auf einen Fehler zurückzuführen ist, der künstlich in das Rohr eingearbeitet worden ist, in Form eines 5 mm tiefen und 40 mm langen Sägeschnittes. Die in 4b dargestellten Echosignale sind daher ausschließlich das Ergebnis der mehrfachen Reflexion der umlaufenden Ultraschallwellen an der Fehlstelle F.
Jedoch kann auch mit der in 2 dargestellten Messvorrichtung eine Fallkonstellation auftreten, bei der Messsignale, die auf ein Reflexionsereignis an einer Fehlstelle zurückzuführen sind, im Wege der gegenseitigen Kompensation durch die Signalauswertung unberücksichtigt bleiben, nämlich in jenem Fall, wenn die Fehlstelle gleich weit von den Empfängern 2 und 3 entfernt ist.
Um selbst diese Fallkonstellation messtechnisch auszuschließen, ist es erforderlich, die drei in 2 dargestellten elektromagnetischen Ultraschallwandler 1, 2, 3 längs des Umfangsrandes des Rohres zu verfahren.
Jedoch sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform (siehe 5) der erfindungsgemäßen Messvorrichtung die Beseitigung des vorstehend aufgezeigten Problems vor, indem sechs längs des Umfangsrandes des Rohres R in einer Querschnittsebene mit äquidistantem Abstand zueinander angeordnete elektromagnetische Ultraschallwandler vorgesehen sind, von denen drei als Sender, siehe S1, S2, S3 sowie drei als Empfänger, siehe E1, E2, E3 dienen. Die sechs elektromagnetischen Ultraschallwandler sind über einen entsprechenden Halterahmen H miteinander in äquidistanten Abständen verbunden, und zudem über entsprechende Leitrollen L, die an dem Halterahmen H angelenkt sind, längs zum Rohr R verfahrbar. Auf diese Weise ist es möglich, das Rohr längs der gesamten Länge auf Fehlstellen hin zu überprüfen.
Die Prüfung eines jeweiligen Rohrquerschnittes wird vorzugsweise in drei Prüftakten unterteilt, wobei pro Prüftakt drei Ultraschallwandler beteiligt sind. Dies betrifft im Einzelnen in einem ersten Prüftakt die Ultraschallwandler S1, E1, E2, in einem zweiten Prüftakt S2, E2, E3 und in einem dritten Prüftakt S3, E1, E3.
Die einzelnen Prüftakte werden unmittelbar zeitlich hintereinander durchgeführt, wobei jeder einzelne Prüftakt in jener Weise durchgeführt wird, der unter Bezugnahme auf 2 vorstehend beschrieben ist.
Während der Prüfung bewegt sich die gesamte Anordnung längs zum Rohr R, wodurch die 100%ige Prüfung des Rohrvolumens gewährleistet wird. Aufgrund der Mehrfachanordnung von Sender- und Empfängerpaaren können alle innerhalb des Rohres auftretenden Fehlstellen zuverlässig nachgewiesen werden.
Eine weitere Modifizierung im Sinne einer Vereinfachung sieht das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße ausgebildete Messvorrichtung vor. Hierbei sind lediglich drei elektromagnetische Ultraschallwandler (EMUS) an der Rohraußenwand in äquidistanten Abständen zueinander angeordnet. Die elektromagnetischen Ultraschallwandler EMUS werden abwechselnd im Sende- und im Empfangsbetrieb betrieben, so dass mit der in Figur 6 dargestellten Anordnung exakt das gleiche Prüftaktschema durchgeführt werden kann, das vorstehend zu 5 erläutert ist. Auch die in 6 dargestellten elektromagnetischen Ultraschallwandler (S1, E3) sowie (S3, E2) sowie (S2, E1) sind über einen Halterahmen H verbunden, der längs des Rohrs R über Leitrollen L bewegbar ist. Auch mit dieser Anordnung lässt sich das gesamte Rohrvolumen vollständig überprüfen.

1: Sender
2, 3: Empfänger
4: Generator
5, 6: Vorverstärker
7: Invertierer
8: Addierer
9: Nachverstärker
10: Darstellungseinheit
11: Steuereinheit

Claims

Vorrichtung zum Auffinden von Fehlstellen, insbesondere in Form von Materialrissen oder Oberflächendefekten, in einem rotationssymmetrischen Prüfling aus einem zumindest metallische Materialanteile aufweisenden Werkstoff, mit wenigstens zwei elektromagnetischen Ultraschallwandlern (EMUS), die beabstandet voneinander zur elektroakustischen Kopplung mit einer Oberfläche des Prüflings in Kontakt stehen, von denen ein Ultraschallwandler als Sender und der andere Ultraschallwandler als Empfänger dient, sowie mit einer Auswerteeinheit, die zumindest mit dem als Empfänger dienenden Ultraschallwandler verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Ultraschallwandler horizontal polaristierte Transversalwellen (SH-Wellen) zu Erzeugen und/oder Nachzuweisen in der Lage sind, dass die Ultraschallwandler über eine zweiseitige Richtcharakteristik verfügen, und dass die Ultraschallwandler in einer gemeinsamen Querschnittsebene durch den rotationssymmetrischen Prüfling an einer frei zugänglichen Oberfläche des Prüflings angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Prüflings einer Zylindermanteloberfläche entspricht, auf der die wenigstens zwei elektromagnetischen Ultraschallwandler angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Querschnittsebene senkrecht zur Rotationsachse des Prüflings orientiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiseitige Richtcharakteristik der Ultraschallwandler symmetrisch zu einer Wandlersymmetrieachse ausgerichtet ist, d.h. der Sender erzeugt innerhalb des Prüflings zwei mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung sich ausbreitende SH-Wellen und der Empfänger empfängt aus zwei entgegengesetzt gerichteten Raumrichtungen SH-Wellen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler derart am Prüfling angebracht sind, dass die Richtcharakteristik jeweils in Umfangsrichtung orientiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei als Empfänger dienende Ultraschallwandler voneinander beabstandet längs des Umfangsrandes einer Querschnittsfläche durch den Prüfling angeordnet sind, dass ein als Sender dienender Ultraschallwandler mittig zwischen beiden Empfängern längs des Umfangsrandes angeordnet ist, und dass die Empfänger zur Signalauswertung mit der Auswerteeinheit verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine alternierende Abfolge von als Empfänger und Sender dienende Ultraschallwandler äquidistant längs des Umfangsrandes einer Querschnittsfläche durch den Prüfling angeordnet sind, und dass die Empfänger zur Signalauswertung mit der Auswerteeinheit verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine als Sender und der wenigstens eine als Empfänger dienende Ultraschallwandler mit einem Distanzstück verbunden sind und längs des Umfangsrandes einer Querschnittsfläche durch den Prüfling bewegbar gelagert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfling rohrförmig ausgebildet ist und über eine Rohraußen- und Rohrinnenseite verfügt, und dass die wenigstens zwei Ultraschallwandler entweder gemeinsam auf der Rohraußen- oder Rohrinnenseite angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfling aus einem ferritischen, austenitischen Werkstoff oder aus einem Nicht-Eisen-Metall (NE-Metall) besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler nach Bauart eines der Ausführungsbeispiele gemäß der DE 42 23 470 C2 , 5 und 7 oder der DE 36 37 366 A1 , 2 bis 5 ausgebildet ist.
Verfahren zum Auffinden von Fehlstellen, insbesondere in Form von Materialrissen, in einem rotationssymmetrischen Prüfling, der aus einem zumindest metallische Materialanteile aufweisenden Werkstoff besteht, bei dem mit wenigstens einem als Sender dienenden elektromagnetischen Ultraschallwandler (EMUS) Ultraschallwellen in den Prüfling eingekoppelt und mit wenigstens einem zweiten als Empfänger dienenden elektromagnetischen Ultraschallwandler, der vom Sender beabstandet am Prüfling angeordnet wird, Ultraschallwellen empfangen und detektiert werden, die mit einer mit dem Empfänger verbundenen Auswerteeinheit ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch den wenigstens einen Sender horizontal polaristierte Transversalwellen (SH-Wellen) in zwei entgegengesetzt gerichtete Ausbreitungsrichtungen in den Prüfling derart eingekoppelt werden, dass sich die SH-Wellen in Umfangsrichtung gegenläufig innerhalb des rotationssymmetrischen Prüflings ausbreiten, dass die sich in Umfangsrichtung innerhalb des Prüflings ausbreitenden SH-Wellen vom Empfänger empfangen und mit der Auswerteeinheit zur Fehleruntersuchung ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Teile der sich innerhalb des Prüflings in Umfangsrichtung gegenläufig ausbreitenden SH-Wellen beidseitig an vorhandenen Materialdiskontinuitäten reflektiert werden und somit Echosignale bedingt durch Fehlstellen bilden, dass sich die übrigen Teile der SH-Wellen ungehindert im Prüfling ausbreiten und somit normale Umlaufechos darstellen, und dass der Sender und der Empfänger derart am Prüfling positioniert werden, dass sich die Fehlstellen bedingten Echosignale nicht mit den Umlaufechos am Ort des Empfängers überlagern.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittig zwischen zwei Empfängern ein Sender längs des Umfangsrandes einer Querschnittsfläche durch den Prüfling angeordnet wird, dass die von dem einen Empfänger detektierten SH-Wellen vorverstärkt und invertiert werden und mit den vorverstärkten detektieren SH-Wellen durch den anderen Empfänger aufsummiert und nach einer entsprechenden Nachverstärkung die aufsummierten Signale zur Darstellung gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die aufsummierten Signale durch Synchronisation mit einem Generatorsignal, das zur Ansteuerung des Senders dient, zur Darstellung gebracht werden und/oder zur weiteren Auswertung herangezogen werden.