DE2500560A1

DE2500560A1 - Akustische sonde

Info

Publication number: DE2500560A1
Application number: DE19752500560
Authority: DE
Inventors: Richard Breneman; Dwight L Parry
Original assignee: Exxon Nuclear Co Inc
Current assignee: Framatome ANP Richland Inc
Priority date: 1974-01-09
Filing date: 1975-01-08
Publication date: 1975-07-10
Also published as: FR2257088B1; IT1026946B; US4013905A; FR2257088A1; GB1468056A

Description

DR. KARL TH. HEGEI, - D1PL.-INÜ. KLAUS DICKEL

PATENTANWÄLTE

HAMBURG BO GROSSB BERGSTRASSE 223 8 MÜNCHEN 60 JULIUS-KREIS-STRASSE POSTFACH 500662 TELEFON (O 4O) 39 62 95 TELEFON (O 89) 88 5210

Γ "Ί

Telegramm-Adresse: Doellnerpatent München

Ihr Zeichen: Unser Zeichen: H 2405 8OOO München, den 3. Jan. 1975

Di/D

Exxon· Nuclear Company, Inc. 777 10.6th Avenue, N. E. Bellevue, Washington V. St. A.

Akustische Sonde

Die Erfindung betrifft eine akustische Sonde zur akustischen Untersuchung von Rohrleitungen, und zwar im besonderen solcher, die nicht leicht zugänglich sind. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf eine selbständige Sonde, die es ermöglicht, akustische Untersuchungen sehr viel schneller und auf eine exaktere Weise durchzuführen, als dies bislang möglich war.

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Postscheckkonto: Hamburg 2Θ1220-205 . Bank: Dresdner Bank AG. Hamburg, Kto.-Nr. 3 813

Das akustische Untersuchungsverfahren ist in den letzten Jahren entwickelt worden, und zwar im besonderen zur Untersuchung von Druckgefäßen auf Schwachstellen, die zu mechanischem Versagen führen können. Das Verfahren, wie es auf Druckgefäße angewendet wird, ist in der amerikanischen Patentschrift 3 545 262 sowie in verschiedenen Veröffentlichungen beschrieben.

Verfahren zur Untersuchung eingegrabener Rohrleitungen auf Leckstellen sind in vielen älteren Patenten beschrieben. Im einzelnen sollen die folgenden Schriften erwähnt werden:

US PS 1 881 543, US PS 2 008 934, US PS 3 028 450, US PS 3 055 209, US PS 3 170 152, US PS 3 261 200, US PS 3 289 465, US PS 3 458 656, US PS 3 478 576, US PS 3 508 433, US PS 3 575 040, US PS 3 673 857, US PS 3 691 819. Viele dieser

wenn Verfahren beruhen auf der Abgabe akustischer Energie, eine Flüssigkeit, die sich innerhalb des Rohres befindet, eine Leckstelle in der Wand durchdringt. Diese Verfahren unterscheiden sich insofern von der vorliegenden Erfindung, als sie grundsätzlich auf der Messung von Schall verhältnismäßig niedfrgen Frequenzbereichen - im allgemeinen 2 Hz bis 20 Khz - beruhen, der verursacht wird, wenn die Flüssigkeit eine Leckstelle durchdringt. Akustische Untersuchungen befassen sich in erster Linie mit der Ermittlung von Schwachstellen, die nicht notwendigerweise so stark ausgebildet sind, daß sie Leckstellen darstellen, wobei jedoch solche Schwachstellen zum Versagen des Rohres führen können, wenn dieses im Betrieb einer Belastung ausgesetzt ist. Die Untersuchung durch die akustische

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Abstrahlung beruht nicht notwendigerweise auf dem Schall, der durch das Hindrchtreten einer Flüssigkeit durch eine Leckstelle erzeugt wird, sondern vielmehr auf dem Schall, der durch das Metall selbst erzeugt wird, wenn es einer wachsenden Spannung ausgesetzt wird, wobei es für solche Fehlstellen charakteristisch ist, daß sie mit Unterbrechungen Ausbrüche akustischer Energie bewirken, während die Belastung aufgebracht wird. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Leckstellenuntersuchungen werden Frequenzen gemessen, die im Bereich von 25 Khz bis 1 Mhz liegen.

Wenn ein solches Verfahren auf ein eingegrabenes Rohr angewendet wird, entstehen beträchtliche Schwierigkeiten durch das Anbringen der Umsetzer, die verwendet werden, um mit Hilfe einer Computer-Analyse die Fehlstellen des Rohres genau zu lokalisieren. Es ist einzusehen, daß es besonders schwierig ist, die Lage einer Fehlstelle genau zu bestimmen, wenn man berücksichtigt, daß das Rohr oftmals 1 1/2 km oder gar langer sein kann. Da die akustische Energie beim Durchgang durch das Metall gedämpft wird, ist es erforderlich, die Umsetzer verhältnismäßig nah zusammen anzuordnen. Im allgemeinen ist ein Abstand von 60 bis 250 m angebracht. Bei einer eingegrabenen Rohrleitung ist das Anbringen der Umsetzer recht schwierig, da an jeder Kontaktstelle mit dem Rohr eine Ausgrabung durchgeführt, die Rohroberfläche sorgfältig prepariert und die Umsetzer sorgfältig angeordnet werden müssen, um die akustische

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Energie, die durch das Rohr übertragen wird, genau aufzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Nachteile zu beheben und eine Vorrichtung zur akustischen Fehl- bzw. Leckstellenermittlung zu schaffen, die eine schnelle Analyse eingegrabener Rohrleitungen ermöglicht. Dabei sollen gleichzeitig die bislang erforderlichen kapital- und zeitaufwendigen Aktivitäten überflüssig werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine selbständige Sonde zur akustischen Untersuchung eingegrabener Rohrleitungen gelöst, die umfangreiche Grabungsarbeiten, Oberflächenbehandlungen und Anbringen von Umsetzern erübrigt. Bei ihrem Einsatz werden Untersuchungslöcher geringen Durchmessers durch das die Rohrleitung umgebende Medium - normalerweise Erde - gebohrt, und zwar oberhalb des zu untersuchenden Rohres in vorbestimmten Abständen über seine Länge. Die akustischen Sonden nach der Erfindung werden in diesen Löchern installiert und berühren das Rohr mit einer gehärteten Metallspitze, die an einem Ende der Sonde angeordnet ist. Die gehärtete Metallspitze erleichtert die Herstellung eines guten Kontaktes mit dem metallischen Rohr, wozu erforderlich ist, daß Schutzüberzüge, Rost und andere Materialien, die normalerweise entfernt werden müßten, damit die einzelnen Umsetzer angeordnet werdön können, zu durchdringen. Die gehärtete Metallspitze ist in einer solchen Weise an dem

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Körper der Sonde befestigt, daß zwischen der gehärteten Spitze und dem Körper selbst eine akustische Isolation besteht. Die äcustischen Signale, die von der gehärteten Spitze aufgenommen werden, werden durch die Spitze auf einen akustischen Umsetzer übergeleitet, der an der Spitze befestigt ist und sich innerhalb des Sondenkörpers befindet. Der akustische Umsetzer nimmt die akustische Energie von dem Rohr auf, wenn dieses einer wachsenden Belastung ausgesetzt wird, und setzt die akustische Energie in elektrische Spannungen um, die der Amplitude der aufgenommenen akustischen Energie proportional sind. Diese elektrischen Spannungen sind gering und machen eine Vorverstärkung mit Hilfe eines Vorverstärke^rs erforderlich, der innerhalb des Sondenkörpers angeordnet ist, bevor sie den Geräten zur Analyse der aufgenommenen Daten zugeführt werden. Der Vorverstärker befindet sich innerhalb des Sondenkörpers einerseits zum Schutz und andererseits, um die Signalverluste zwischen dem Umsetzer und dem Vorverstärker zu verringern. Der Vorverstärker wird aus Batterien gespeist, die sich ebenfalls innerhalb des Sondenkörpers befinden, so, daß eine vollständig selbständige Sonde entsteht.

Die Sonde der Umsetzer und der Verstärker sind so ausgelegt, daß sie in dem Frequenzbereich von 25 bis 50 Khz arbeiten, was sich als optimaler Bereich für die Untersuchung von eingegrabenen Rohrleitungen herausgestellt hat. Er ist hoch genug,

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um oberhalb der Frequenzen der meisten störenden mechanischen Geräusche zu liegen, aber niedrig genug, um eine große Wegstrecke zu durchlaufen, da die Dämpfung eines akustischen
Signals beim Durchgang durch das metallische Rohr in diesem Frequenzbereich verhältnismäßig gering ist.

Zusätzlich zu den bereits erwähnten Vorteilen besitzt die
Sonde den Vorzug, daß der Umgebung nur ein geringer Schaden zugefügt wird, da keine nennenswerte Ausgrabung durchgeführt werden muß. Damit umgeht man beim Einsatz der erfindungsgemäßen Sonde Beschwerden der Bodenbesitzer, wie dies bei den vorher erforderlichen Ausgrabungen üblich war. Da der Einsatz der Sonde die für die akustische Untersuchung erforderliche Zeit erheblich verringert und die Kosten gesenkt hat, wird damit das akustische Untersuchungsverfahren gegenüber
den herkömmlichen Verfahren konkurrenzfähiger und gestattet die Ausnutzung der Vorteile dieses Untersuchungsverfahrens
auf weiteren Anwendungsgebieten.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt im einzelnen:

Figur 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Sonde und

Figur 2 einen Teilschnitt durch die Sonde gemäß Figur 1 in größerem Maßstab.

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Figur 1 stellt die erfindungsgemäße Sonde 10 bei ihrempraktischen Einsatz dar, wobei der akustische Übergang des eingegrabenen Rohres 12 gemessen wird, Hierbei ist herauszustellen, daß, obwohl die Sonde vornehmlich für den Einsatz von eingegrabenen Rohrleitungen Verwendung finden soll, diese Sonde oder eine andere Ausführungsform auch für andere Anwendungsbereiche bei der Durchführung akustischer Untersuchungen geeignet ist. Es leuchtet ein, daß, da ein eingegrabenes Rohr oftmals 2 Meter unter der Oberfläche liegt, erhebliche Grabungsarbeiten erforderlich sein würden, um die Rohrleitung zugänglich zu machen, zur Durchführung einer Oberflächenvorbereitung und zum Anbringen von akustischen Umsetzern. Die Sonde nach der vorliegenden Erfindung erfordert wenig oder keine Beseitigung von Erde, wobei normalerweise nur ein K dünner Erdkern herausgebohrt wird, der gerade groß genug ist, um die Sonde aufzunehmen, deren Körperdurchmesser in etwa 5 cm beträgt. Wenn die Sonde an einer Stelle öfters eingesetzt werden soll, kann es zweckmäßig sein, zeitweilig ein Kunststoffrohr in das Loch einzuführen, so daß die Sonde herausgezogen werden, an anderen Stellen eingesetzt und zur wiederholten Untersuchung eines bestimmten Punktes wieder eingesetzt werden kann. Die Sonde 10 wird in das Loch 14 in der Erde eingeführt, bis der Kontakt mit dem eingegrabenen Rohr 12 hergestellt ist. Da die gehärtete Metallspitze 16 der Sonde 10 leicht Schutzüberzüge, Rost oder Oberflächen-

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gestein, die die Aufnahme akustischer Signale behindern wurden, durchdringt, ist keine besondere Oberflächenbehandlung oder Reinigung erforderlich. Die Spitze 16 muß einfach fest mit dem Rohr in Kontakt gebracht werden. In manchen Fällen kann es ausreichen, die Sonde durch den abdeckenden Boden zu drücken, wobei man sich des Handgriffes 18 der Sonde bedienen kann, der sich an dem der gehärteten Spitze 16 gegenüberliegenden Ende befindet und über die Bodenoberfläche hinausragt, wenn die Sonde im Einsatz ist.

Bei dem Verfahren der akustischen Untersuchung wird normalerweise das unterirdische Rohr 12 mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit unter Druck gesetzt, so daß Fehl- oder Leckstellen, die in dem Rohr vorhanden sind, bei ansteigender Belastung des Rohres in charakteristischer Weise ein Geräusch erzeugen. Wiederholtes Unterdrucksetzen des Rohres und oberirdische Belastungen durch ein schweres Fahrzeug haben sich ebenfalls als erforlgreiche Hilfsmittel für die Beanspruchung des Rohres erwiesen. Es hat sich bei herkömmlichen Untersuchungen gezeigt, daß die Geräuschabgabe, die durch die Anwesenheit von Fehlstellen in dem Metall erzeugt wird, in unterbrochenen Ausbrüchen akustischer Energie erfolgt, die im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Hintergrundgeräusch, das normalerweise aufgenommen wird, ermittelt werden kann. Diese aufeinanderfolgenden Ausbrüche akustischer Energie haufen sich an und werden intensiver, wenn sich das Rohr dem Berstpunkt nähert. Somit

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gestattet die Methode sowohl die Lokalisierung und Ermittlung von Fehlstellen, wie auch die Bestimmung des Gefährlichkeitsgrades dieser Fehlstellen, d. h. gewisse kleinere Fehlstellen können ermittelt werden, die nicht ernetzunehmen sind und keine Gefahr für den Bruch des Rohres bedeuten.

Wenn die Sonde 10 gegen das Rohr 12 angedrückt ist und sich das Rohr unter einer steigenden Belastung befindet, werden die Signale, die v.on der gehärteten Spitze aufgenommen werden, nit Hilfe eines akustischen Umsetzers in elektrische Spannungen umgesetzt, der sich innerhalb des- (nicht dargestellten) vertikalen Körpers des Rohres befindet und mit der gehärteten Spitze in Verbindung steht. Die Spitze selbst ist akustisch von dem übrigen Teil der Sonde isoliert, um die Zuführung äußerlicher mechanischer Geräusche zu vermeiden. Die Signale, die durch den akustischen Umsetzer erzeugt werden, besitzen ein sehr geringes Niveau in der Größenordnung von 10 bis 100 Mikrovolt. Dementsprechend ist es erforderlich, sie für die Überleitung zu den außen angeordneten Analysengeräten zu verstärken. Nach der Erfindung ist ein Vorverstärker 20 innerhalb des/vertikalen Sondenteils 22 unmittelbar oberhalb des nicht dargestellten akustischen Umsetzers angeordnet, um jegliche Signalverluste oder Zuführung äußerer Geräusche zu vermeiden. Der Vorverstärker 20 wird von einer Batteriepackung 24 innerhalb der Sonde gewpeist, obwohl auch wahlweise eine äußere

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Energiequelle vorgesehen sein könnte. Das durch den Vorverstärker 20 erzeugte Signal verläßt die Sonde über den Anschluß 26 und wird den in der Nähe aufgestellten Analysengeräten zugeführt.

Hieraus wird deutlich, daß die Sonde wesentliche Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Verfahren besitzt, bei welchem zunächst Grabungsarbeiten durchgeführt, das Rohr gereinigt und die akustischen Umsetzer angebracht werden mußten. Die Sonde ist einfach einzusetzen und ergibt dem herkömmlichen Verfahren gegenüber schnellere und sichere Ergebnisse.

Die durch dasUnterdrucksetzen des Rohres erzeugte akustische Energie besitzt normalerweise ein weites Frequenzband. Die Sonde,der Umsetzer und der Verstärker sind jedoch so ausgelegt, daß sie in einem Frequenzbereich von 25 bis 50 khz arbeiten.. Es hat sich gezeigt, daß dieser Frequenzbereich für die Untersuchung eingegrabener Rohrleitungen besonders geeignet ist. Der Frequenzbereich ist hoch genug, um den
größten Teil der störenden mechanischen Geräusche zu umgehen, jedoch niedrig genug, um einen großen Abstand zwischen den Sonden zu ermöglichen, da die Dämpfung akustischer Energie, die sich in einem Metallrohr fortpflanzt, in dem Bereich von 25 bis 50 Khz verhältnismäßig geringdst.

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Die Figur 2 zeigt die Einzelteile der erfindungsgemäßen Sonde. Die Hauptteile bestehen aus dem rohrförmigen Körper 22, der lang genug ist, um das zu untersuchende Rohr zu erreichen, und einem rohrförmigen Handgriff 18, der normalerweise an einem Ende des Sondenteiles 22 befestigt ist, wobei es sich um das Ende handelt, das aus dem Boden herausragt, wenn sich die Sonde im Einsatz befindet. Der das Signal aufnehmende Teil der Sonde besteht aus einer gehärteten Spitze 16, die sich selbst wiederum aus 2 Teilen zusammensetzt, nämlich einer konusförmigen gehärteten Spitze 16a, die mit dem eingegrabenen Rohr in Kontakt kommt, und einem im wesentlichen zylindrischen Schafteil 16b, der sich in den Sondenteil 22" hinein erstreckt und mit diesem über einen nachgiebigen Stift 28 ,in Verbindung Z steht, der den Sondenteil 22 und den Schaftteil 16b der gehärteten Spitze 16 durchgreift. Der nachgiebige Stift 28 befestigt nicht nur die Spitze an dem Körper, sondern sorgt gleichzeitig für eine akustische Isolation des Punktes 16 und des Körpers 22, um die Zuführung mechanischer Geräusche zu vermindern. Eine weitere akustische Isolation wird durch O-Ringe 30 geschaffen, die sich in einem Abstand voneinander auf dem schaftförmigen Teil u. aw# der Schulter zwischen dem konischen Punkt 16a und dem Ende des Sondenteils 22 befinden. Eine Aussparung 32 ist am Ende des schaftförmigen Teils gegenüber der gehärteten Spitze vorgesehen, innerhalb welcher ein akustischer Umsetzer 34 befestigt ist. Es hat sich gezeigt, daß piezoelektrische Umsetzer mit einer Resonanzfrequenz von 25 bis 50 Khz für diesen Zweck

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besonders geeignet sind. Es liegt jedoch auch im Bereich der Erfindung, Umsetzer mit einer Resonanzfrequenz von 100 Khz bis 1 Mhz einzusetzen. Nach der Erfindung kann man auch andere Umsetzer einschließlich der magnetostriktiven und kapazitiven Typen ebenso wie die piezoelektrischen Typen einsetzen. Die Signale, die über die gehärtete Spitze 16a von dem Rohr 12 aufgenommen werden, während dieses einer wachsenden Belastung ausgesetzt ist, besitzen ein sehr niedriges Ni/eau. Der Umsetzer 34 erzeugt eine sehr geringe elektrische Spannung, die den aufgenommenen Signalen entspricht. Der Vorverstärker 20, der die elektrischen Spannungen zur Weiterleitung an die in der Nähe befindlichen Analysengeräte umsetzt und verstärkt, befindet sich direkt oberhalb des akustischen Umsetzers 34, innerhalb des Sondenkörpers 22. Es handelt sich um eine speziell transistorisierte Verstärkereinheit, die ein Eingangssignal von 10 bis 100 Mikrovolt aufnimmt und eine Ausgangsspannung im Bereich von 0,01 bis 0,1 Volt erzeugt. Der Vorverstärker wird durch eine Batteriepackung 24, die zweckmäßigerweise in dem Handgriff der Sonde des leichten Zugangs wegen angeordnet ist, gespeist. Ein Schalter 36 zum Ein— und Ausschalten des Vorverstärkers befindet sich ebenso in handlicher Weise an dem Handgriff der Sonde (s. Figur 1). Der Ausgang des Vorverstärkers 20 wird durch die Leitungen 38 und den Anschluß aus der Sonde heraus dem in der Nähe befindlichen Analysengerät zugeführt.

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Die Sonde besitzt einen einfachen Aufbau und bildet obendrein ein außerordentlich zweckmäßiges Werkzeug, das mit dem eingegrabenen Rohr in. Kontakt gebracht werden kann, zur Messung
der akustischen Ausstrahlungen, die durch eine steigende Belastung des Rohres erzeirj: werden, wodurch man die Anwesenheit von Fehl- oder Leckstellen ermitteln kann.

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Claims

Patentansprüche

1. Akustische Sonde zur Ermittlung akustischer Eigenschaften eines unter Belastung stehenden Körpers, gekennzeichnet durch

a) einen langen rohrförmigen Körper (22),

b) eine gehärtete metallische Spitze (16) an einem Ende des Körpers (22) zur Aufnahme der akustischen Signale von dem zu untersuchenden Körper (12), wenn sich die Spitze (16) in Kontakt mit dem Körper (12) befindet,

c) einen akustischen Umsetzer (34) innerhalb des Sondenkörpers (22), der akustisch an die Spitze (16) zur Aufnahme akustischer Signale angeschlossen ist und mittels welchem die akustischen Signale in elektrische Spannungen

- umsetzbar sind, die der Amplitude der akustischen Signale proportional sind und

d) eine akustische Isolierung (28, 30) zwischen der Spitze (16) und dem akustischen Umsetzer (34) von dem rohrförmigen Körper (22).

2. Sonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Vorverstärker (20) innerhalb des Sondenkörpers (22), der elek-

. trisch an den akustischen Umsetzer (34) zur Verstärkung der erzeugten Spannungen angeschlossen ist, sowie eine

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■Energiequelle (24) für den Vorverstärker (20).

3. Sonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen rohrförmigen Handgriff (18)y an dein der Spitze (16) gegenüberliegenden Ende des Sondenkörpers (22), der senkrecht zum Sondenkörper (22) befestigt ist.

4. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harte metallische Spitze (16) konisch ausgebildet ist.

5. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harte metallische Spitze (16) einen zylindrischen Schaftteil (16b) besitzt, der sich in den rohrförmigen Sondenkörper (22) hinein erstreckt und eine Querbohrung aufweist, durch welchen ein nachgiebiger Isolierstift (28) hindurchgreift, der eine Isolation und eine Befestigung für die Spitze (16) und den rohrförmigen Sondenteil (22) bildet.

6. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Isolation durch Dichtungsringe (30) gebildet wird, die zwischen dem Schaftteil (16b) der Spitze (16) und den rohrförmigen Sondenteil (22) angeordnet sind.

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7. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle für den Vorverstärker (20)· durch Batterien (24) gebildet wird, die innerhalb der Sonde angeordnet sind.

8. Sonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Rohruntersuchungssonde handelt.

9. Sonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Umsetzer (34) unmittelbar im Anschluß an die Metallspitze (16) angeordnet ist.

10. Sonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Isolation aus einem nachgiebigen Stift (28) besteht, mittels welchem die Spitze (16) an dem rohrförmigen Sondenteil (22) befestigt ist.

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