DE2448153A1

DE2448153A1 - Wirbelstromsonde

Info

Publication number: DE2448153A1
Application number: DE19742448153
Authority: DE
Inventors: Valentino S Cecco
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1973-10-15
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1975-04-24
Also published as: IT1024582B; FR2247726B1; US3952315A; JPS5067692A; DE2448153C3; FR2247726A1; JPS6132619B2; CA984909A; DE2448153B2; GB1448417A

Description

Wirbelstromsonde

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromsonde zur Untersuchung ferromagnetischer Materialien und insbesondere eine Sonde, die zur wirkungsvollen Prüfung von Rohren und dergleichen verwendet werden kann, die sich in komplizierten Konstruktionen wie Dampfgeneratoren befinden.

Die Wirbelstromprüfung hat sich als sehr wirksames Hilfsmittel bei der Feststellung von Rissen und anderen Fehlern bei verschiedenen Konstruktionen wie Schienen, Stangen, Rohren und sogar bei zusammengesetzten Werkstücken erwiesen. Verschiedene herkömmliche WirbelStromprüfverfahren sind entwickelt worden, wie etwa das Absolut- und das Differentialspulenverfahren mit ihren zugehörigen elektronischen Einrichtungen. Beim Differentialspulenverfahren können die Spulen in der Sonde als Induktionsspulen verwendet werden,wobei eine Änderung der Induktanz gemessen wird,, oder als gekoppelte Spulen mit einer Erregungs- und einer Aufnahmespule. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß magnetische Materialien zufriedenstellend dadurch überprüft werden können, daß der geprüfte Bereich magnetisch gesättigt wird, so daß die auftretenden großen Permeabilitätsänderungen aufgehoben werden. Zahlreiche Systeme sind angegeben worden zur Prüfung von Rohren bei der Herstellung oder unmittelbar vor der Montage in einer komplizierten Konstruktion. Einige Beispiele derartiger Systeme sind beschrieben in den üS-PSen 3 271 664 und 3 526 829. Diese Systeme haben jedoch einen wesentlichen Nachteil, da sie für das sättigende magnetische Feld auf das Äußere des Rohres durch einen großen Permanentmagneten oder Elektromagneten aufgebracht werden. Daher ist eine wirksame Prüfung des Rohres nach dem Einbauen in eine komplizierte Anlage oder nach dem Gebrauch eines Rohres in einer derartigen Anlage nicht möglich. Periodische Überprüfungen während der Betriebszeit sind jedoch notwendig, um kostspielige Störungen während des Betriebes eines Systems, wie eines Dampfgenerators auszuschließen und um'verwertbare Testergebnisse für die Konstruktion und· Wartung derartiger Systeme zu erhalten. Es ist daher wünschenswert, ein Prüfungs-System zur Verfügung zu haben, bei dem die Sonde durch das

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Innere des Rohres mit vorbestimmter Geschwindigkeit zur Feststellung von Fehlern, Rissen oder Verschleiß hindurchgezogen werden kann. Eine derartige Sonde ist in der US-PS 2 964 699 beschrieben. Diese Sonde liefert jedoch nicht ein sättigendes magnetisches Feld.ausreichender Konzentration oder Stärke zur Ermöglichung einer wirksamen Prüfung von magnetischen oder weichmagnetischen Rohren, und zwar aufgrund der Form und der Materialien der in dem Sondengehäuse verwendeten Magnete. Außerdem zeigt die US-PS nicht eine vielseitige Sonde', die Rohre mit unterschiedlicher Dicke überprüfen kann, da das magnetische Feld nicht verändert werden kann.

Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, eine verbesserte Wirbelstromsonde zur überprüfung von Rohren aus magnetischen oder weichmagnetischen Materialien zu schaffen, die es ermöglicht, das magnetische Sättigungsfeld in einem kleinen Bereich des Rohres in der Nähe der Sondenspulen zu konzentrieren. Die erfindungsgemäße Sonde soll ein magnetisches Feld liefern, das ausreichend stark ist, um eine örtliche Sättigung des Rohrmaterialies in der Nähe der Sondenspulen zu gewährleisten.

Die erfindungsgemäße Sonde ist gekennzeichnet durch eine zylindrische Spule zur Schaffung eines einfachgerichteten magnetischen Feldes, wenigstens eine symmetrisch auf der Umfangsfläche der Spule angeordnete Nut, wenigstens eine in der Nut auf der Spule angeordnete Prüfwicklung und ein Sondengehäuse aus nicht-leitendem oder mit hohem elektrischem Widerstand behafteten Material, in dem die Spule starr befestigt ist.

Ein Merkmal der Erfindung liegt in einer permanentmagnet!sehen Spule mit einer oder mehreren symmetrisch in Abstand liegenden Prüfwicklungsnuten. Das magnetische Feld soll den Bereich des Rohres in der Nähe der Prüfwicklungen sättigen. Die Spule kann axial, radial oder diametral magnetisiert sein. Die Sonde kann weiterhin magnetische Anker aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität (μ) aufweisen, so daß die Felddichte erhöht wird. Die Spule und/oder die Anker werden starr gehalten

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in einem Sondengehäuse aus nicht-leitendem oder mit hohem elektrischem Widerstand behafteten Material. Das Gehäuse umfaßt Führungen, die einen konstanten Abstand oder Zwischenraum zwischen der Spule und der Innenwand des Rohres aufrechterhalten, während die Sonde durch das Rohr bewegt wird. Die Sonde weist weiterhin ein abgeschirmtes Kabel auf, das in ein Ende des Sondengehäuses eingebettet und mit den Anschlüssen der Spulen verbunden ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können weitere Wicklungen in Nuten auf der Spule angeordnet sein, durch die ein Gleichstrom fließt, durch den das magnetische Feld, das durch den Permanentmagneten gebildet wird, verstärkt wird.

Weiterhin kann die Prüfwicklung oder können die Prüf wicklungen zur Aufnahme eines Gleichstroms zusätzlich zu den Wechselstrom-PrüfSignalen eingerichtet sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Spule aus einem Metall mit hoher magnetischer Permeabilität und hohem elektrischem Widerstand bestehen, wobei sich Prüfwicklungen in inneren Nuten befinden und weitere Wicklungen in äußeren Nuten zur Aufnahme von Gleichstrom-Vorspannungen angeordnet sind,

Ferner kann die Prüfwicklung oder können die Prüfwicklungen in den Spulen zur Aufnahme von Wechselstrom-Prüfsignalen und Gleichstrom-Vorspannungen eingerichtet sein.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungebeispiele der Erfindung ! anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Spule mit einer einzigen Nut}

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine Spule mit zwei Nuten für Prüfwicklungen;

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Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Spule mit einer einzigen Nut für Prüfwicklungen und mit zusätzlichen Nuten für Sättigungswicklungen;

Fig. 4a und 4b zeigen Querschnitt und Stirnansicht einer radial-magnetisierten, permanentmagnet!sehen Spule;

Fig. 5a, 5b und 5c zeigen Querschnitt und Stirnansichten einer zweiten Ausführungsform einer radial-magnetisierten, permanentmagnet!sehen Spule;

Fig. 6 ist ein Querschnitt einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wirbelstromsonde.

Bei Konstruktionen aus ferromagnetischen Materialien hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Material während der Prüfung zu sättigen. Die erfindungsgemäße Wirbelstromsonde erleichtert die Prüfung von ferromagnetischen Rohren durch Sättigung der Rohre ausschließlich innerhalb des Bereiches der Prüfwicklungen. Überprüfungen können daher an Rohren durchgeführt werden, die in Anlagen wie etwa in Dampfgeneratoren eingebaut sind. Die Sonde umfaßt eine Spule, auf die Prüfwicklungen gewickelt sind. Die Spule kann aus permanentmagnetischem Material mit einem Feld ausreichender Feldstärke zur Schaffung der notwendigen magnetischen Sicherung bestehen oder das Feld kann ergänzt werden durch Einleiten eines Gleichstromes durch eine oder mehrere der Spulen. Bei einer dritten Ausführungsform kann die Spule aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität μ bestehen und das Sättigungsfeld gebildet werden durch Einleiten eines Gleichstromes entweder in die Prüfwicklungen oder in zusätzliche Gleichstrom-Vorspannungswicklungen, die auf der Spule angeordnet sind.

Erfindungsgemäß kann das sättigende magnetische Feld, das zur überprüfung eines magnetischen oder weichmagnetischen Rohrmaterials erforderlich ist, erzeugt werden durch einen Permanentmagneten, einen Gleichstrom-Elektromagneten oder eine Kombination aus beiden Magneten. Wie aus Fig. 1 bis 5 hervor-

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geht,'wird dieses sättigende Feld gebildet durch "eine zylindrische Spule 1, die eine oder mehrere Efuten 2 aufweist, in denen eine oder mehrere Prüfwicklungen 3 liegen.

In Fällen, in denen Permanentmagnete bevorzugt werden, bestehen die Spulen 1 aus permanentmagnetischem Material wie Alnico 5> Alnico 8, Bariumferrit, PtCo oder Legierungen aus Seltenen Erden und Kobalt wie PrCo₁-. Außerdem können magnetische Anker 4- aus einem Material mit hoher Permeabilität (p) in enger Berührung an den Enden der Spule angebracht sein, wie es in Figg 1, 2 und 4a gezeigt ist, damit für das magnetische Feld eine Bahn mit geringem magnetischem Widerstand gebildet wird. _ ..._..

Wenn Elektromagnete bevorzugt werden, bestehen die Spulen aus Materialien wie Flußstahl, Ferrit oder irgendeinem Metall mit hoher Permeabilität und hohem elektrischem Widerstand·

Die Spulen können verschiedene Formen haben. Spulen gemäß Fig. Λ und 2 mit permanentmagnetischen oder elektromagnetischen Spulen können eine oder mehrere Nuten 2 aufweisen, in denen sich Prüfwicklungen' 3 befinden. Diese Prüfwicklungen können entweder nur Wechselstromsignale führen, oder sie können auch von Gleichstromkomponenten durchströmt werden. Auf diese Weise kann' die Spule ein .permanentmagnetisches, ein elektromagnetisches oder ein aus beiden kombiniertes Sättigungsfeld bilden.

Fig. 3 zeigt eine Spule 1, die Wicklungen 5 für Sättigungsgleichstrom neben einer Prüfwicklung 3 aufweist.

Diese Anordnung kann entweder als eine rein elektromagnetische Prüfsonde oder als eine kombinierte Prüfsonde verwendet werden, wenn die Spule ein Permanentmagnet ist. . ·

Im allgemeinen ist bei permanentmagnetischen oder kombinierten Prüfsonden die Spule, axial magnetisiert. Dagegen kann die Spule bei permanentmagnetischen Prüfsonden ebenfalls radial

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diametral magnetisiert sein. Fig. 4a zeigt eine Ausführungsform einer Spule, die radial magnetisiert ist. Die Spule besteht aus permanentmagnetischem Material, wie es oben beschrieben wurde, und weist eine oder mehrere Nuten 2 auf, in denen sich Prüfwicklungen 3 befinden. Außerdem ist eine zylindrische Bohrung 6 entlang der Achse der Spule erforderlich. Die Spule kann derart magnetisiert sein, daß sich der Südpol an dem ümfangsrand befindet, wie es in Fig. 4b gezeigt ist, jedoch kann sich auch der Nordpol am ümfangsrand befinden. Vorzugsweise werden magnetische Anker mit dieser Spule zusammen verwendet, die eine Rückkehrbahn für das magnetische Feld mit geringem magnetischem Widerstand ermöglichen.

Fig. 5a veranschaulicht eine zweite, radial magnetisierte Spule. Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Spule eine erste Scheibe 7 mit einer Bohrung 8 in der Mitte, die derart magnetisiert ist, daß der Nordpol am ümfangsrand liegt (Fig. 5b). Ferner ist eine zweite Scheibe 9 mit einer Bohrung 10 in der Mitte vorgesehen, die derart magnetisiert ist, daß der Südpol am ümfangsrand liegt (Fig. 5c). Die beiden Scheiben 7 und sind durch einen magnetischen Anker 4¹ miteinander verbunden, dessen Radius kleiner als derjenige der Scheiben ist, so daß eine Nut für die Prüfspulen 3 gebildet wird. Weitere Scheibenmagneten, die durch magnetische Anker in Abstand gehalten werden, können gewünschtenfalls mit der obigen Spule verbunden sein, wobei nebeneinanderliegende Scheiben eine entgegengesetzte Polarität aufweisen.

Die Prüfwicklungen 3 und die elektromagnetischen Spulen 5 (Fig. 3) können aus Kupferdraht bestehen, der im allgemeinen als Magnetdraht bezeichnet wird. Wenn jedoch Flußstahldraht mit niedrigem Kohlenstoffgehalt für alle Wicklungen oder für die inneren Wicklungen jeder Spule verwendet wird, kann das magnetische Feld verstärkt werden, da sie eine Bahn geringeren magnetischen Widerstandes ermöglichen als Kupferdraht.

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Zur Herstellung einer Wirbelstromsonde wird die Spule starr in einem Sondengehäuse angebracht, das aus irgendeinem nichtleitenden oder mit hohem elektrischem Widerstand behafteten Material besteht, das das magnetische Feld nicht stört. Das Gehäuse schützt die Spule und die Wicklungen, während sie sich durch ein Rohr bewegen. Diese Anordnung umfaßt im allgemeinen Führungen oder Finger, die einen konstanten, vorbestimmten Abstand zwischen der Spule und der Innenwand des Rohres beim Bewegen der Sonde durch das Rohr sicherstellen. Fig. 6 veranschaulicht, ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Sondenkonstruktion .

Der Einfachheit halber ist die Spule 1 der Fig. 1 in diesem Beispiel einer Sonde dargestellt. Die.Spule 1 ist starr in einem Sondengehäuse angeordnet, das einen vorderen Gehäuseteil

11 und einen hinteren Gehäuseteil 12 umfaßt. Diese bestehen aus irgendeinem nicht-leitenden oder mit hohem elektrischem Widerstand behafteten Material wie nicht-magnetischem nichtrostendem Stahl oder einer Zirkonlegierung (Zircalloy 2). Das vordere Gehäuseteil 11 umgibt die Spule, jedoch muß dies nicht der Fall sein. Das Gehäuse muß eine ausreichende Festigkeit aufweisen, daß es nicht verformt wird oder bricht, während die Sonde durch das Rohr 13 gezogen oder geschoben wird. Kappenförmige Führungen 14 sind an dem vorderen und hinteren Gehäuseteil 11, 12 angebracht, die die Sonde innerhalb des Rohres 13 zentrieren und einen vorbestimmten, konstanten Abstand 15 zwischen dem Umfang der Spule und der Innenwand des Rohres aufrechterhalten. In den meisten Fällen führt ein Abstand von etwa 0,5 mm zu einer zufriedenstellenden Betriebsweise der Sonde. Der Abstand sollte jedoch so klein wie in der Praxis möglich sein. Das hintere Gehäuseteil 12 weist eine öffnung 16 in seiner Achse auf, in die ein abgeschirmtes Kabel 17 eingefügt ist, das mit den Wicklungsanschlüssen 18 verbunden ist, die aus der Spule 1 austreten und in das hintere Gehäuseteil

12 durch eine oder mehrere öffnungen 19 eintreten. Schließlich ist ein Zughaken 20 gezeigt, der in das vordere Gehäuseteil 11 eingebettet oder eingeschraubt ist und durch den die Sonde durch

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das Rohr 13 mit Hilfe eines Drahtes 21 hindurchgezogen werden kann. Im Betrieb sollte das einfachgerichtete magnetische Feld so groß wie möglich sein. Beispielsweise erfordert ein Monel-400-Rohr eine magnetische Feldstärke von 100 bis 500 Oersted. Bei Ausführungsformen mit Elektromagneten zur Bildung des gesamten, einfachgerichteten Feldes oder eines Teiles dieses Feldes kann der Gleichstrom durch getrennte Wicklungen oder durch die Prüfwicklungen geleitet werden. In jedem Falle sollte das Wechselstromsignal etwa 10% bis 20% des Gleichstroms betragen. Wenn das Wechselstromsignal zu stark ist, verbleibt das Rohr nicht zu jedem Zeitpunkt gesättigt, während bei einem zu schwachen Wechselstromsignal das Rauschverhältnis beeinträchtigt wird.

Ferner hat sich gezeigt, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Spule so groß wie möglich sein soll, und daß das Mindestverhältnis L/D 0,5 beträgt. Wenn jedoch die Spule zu lang ist, muß eine große Länge der Rohrwand gesättigt werden. Bei Rohren mit großem Durchmesser und bei Rohren mit engen Ü-Biegungen liegt das Verhältnis L/D in der Nähe des Minimalwertes.

Wechselstromsonden der vorliegenden Erfindung haben verbesserte Testergebnisse gegenüber den bekannten Wechselstromsonden geliefert, und Merkmale der Rohre wie Spalten, Löcher, dünne Stellen oder Prallflächen waren leicht zu identifizieren, da die Sonde ein hohes Rauschverhältnis lieferte.

Eine weitere Anwendung des beschriebenen Systems, bei dem das sättigende Feld durch einen Magneten innerhalb der Sonde gebildet wird, liegt darin, die Sonde zum Prüfen von Rohren mit großen Durchmessern von der Innen- oder Außenseite oder von flachen Oberflächen durch Eliminieren des vorderen Gehäuseteils 11 (Fig. 6) und des Magnet-Ankers 4 am vorderen Ende der Spule zu verwenden. Die Sonde kann sodann als Oberflächensonde eingesetzt werden, wobei das vordere Ende der Spule 1 die Oberfläche des zu testenden Materials berührt.

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Claims

Patentansprüche

' 1.1Wirbelstromsonde, gekennzeichnet durch ^a) eine zylindrische Spule (1) zur Bildung eines einfachgerichteten magnetischen Feldes,

b) wenigstens eine symmetrisch im Umfang der Oberfläche der Spule (1) angeordnete Nut (2),

c) wenigstens eine Prüfwicklung (3) auf der Spule (1) innerhalb der Nut (2) und

d) ein Sondengehäuse (11, 12) aus nicht-leitendem oder mit hohem elektrischem Widerstand behafteten Material, in dem die Spule (1) starr befestigt ist.
2. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) ein Permanentmagnet aus permanentmagnetischem Material ist.
3. Wirbelstromsonde nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) ein axialmagnetisierter Permanentmagnet ist.
4. Wirbelstromsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zylindrische, magnetische Anker (4) aus einem Material mit hoher Permeabilität (μ) an jedem Ende der Spule (1) vorgesehen sind.
5. Wirbelstromsonde nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfwicklung (3) zur Aufnahme eines Wirbelstromsignals und einer Gleichstrom-Vorspannung eingerichtet ist.
6. Wirbelstromsonde nach Anspruch 3, dadurch

g e k e η η ζ e ic h η e t, daß zwei weitere Nuten symmetrisch auf der Umfangsoberfläche an den äußeren Enden

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der Spule (1) vorgesehen sind, und daß eine Gleichstrom-Sättigungs-Wicklung (5) auf der Spule (1) in jeder der Nuten vorgesehen ist.
7. Wirbelstromspnde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) aus einem Material mit hoher Permeabilität (μ) besteht, und daß die Prüfwicklung zur Aufnahme einer Gleichstrom-Vorspannung eingerichtet ist.
8. Wirbelstromsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule eine axiale, zylindrische Bohrung (6) aufweist und radial magnetisiert ist.
9. Wirbelstromsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) zwei zylindrische Scheiben (7, 9) mit dem Radius (r) mit axialen Bohrungen (8, 10) aufweist, die durch radialmagnetisierte Permanentmagnete mit entgegengesetzter Polarität gebildet werden, und daß ein zylindrischer Anker (4¹) aus einem Material mit hoher Permeabilität ^)mit einem Radius kleiner r symmetrisch zwischen den beiden Scheiben (7» 9) angeordnet ist.
10. Wirbelstromsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Spule größer als oder etwa gleich 0,5 ist.
11. Wirbelstromsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) ein diametral magnetisierter Permanentmagnet ist.

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