DE2617462A1

DE2617462A1 - Ultraschallerzeuger

Info

Publication number: DE2617462A1
Application number: DE19762617462
Authority: DE
Inventors: Dan L Robinson
Original assignee: Exxon Nuclear Co Inc
Current assignee: Framatome ANP Richland Inc
Priority date: 1975-05-14
Filing date: 1976-04-21
Publication date: 1976-11-25
Also published as: BE841813A; FR2311300B3; ES447865A1; SE7605425L; IT1059249B; FR2311300A1; CA1094677A; JPS51138484A; GB1543226A

Description

DR. KARL TH. HEGEL· · DIPL.-ING. KLAUS DICKEL PATENTANWÄLTE

HAMBURG SO OROSSR BERGSTRASSE 223 8 MÜNCHEN (SO JULIUS-KRBIM-STRASSB 33 POSTFACH 500662 TELEFON (0 40) 39 62 95 TELEFON (0 80) 88 52 IO

Te>loj>;riimiii-.\drt>ssc-: Doclliicrputimt München

L J

Ihr Zeichen: Unser Zeichen: 8000 München, den

H 2579 20. April 1976

Exxon Nuclear Company, Inc., 777 106th Avenue N. E. Bellevue, Washington
V. St. A.

Ultraschal1erzeuger

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Die Erfindung betrifft einen Ultraschal!erzeuger zur zerstörungsfreien Materialuntersuchung von unter Druck stehenden Systemen.

Im Zusammenhang mit der Untersuchung von Druckgefäßen und anderen unter Druck stehenden Systemen, sind verschiedene zerstörungsfreie Untersuchungstechniken wie Ultraschall

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Postscheckkonto: Hamburg 291220-205 . Bank: Dresdner Bank AG. Hamburg, Kto.-Nr. 3 813 897

und Radiographie eingesetzt worden. Diese Verfahren erfordern jedoch im allgemeinen aufwendige Untersuchungen und es müssen oftmals Teile des Systems entfernt oder zerlegt werden. Die einwandfreie Beschaffenheit von unter Druck stehenden Systemen, insbesondere solchen, die flüchtige Medien enthalten, besitzt naturgemäß eine große Bedeutung· Ein Versagen irgend eines Teils eines solchen Systems kann zu kostenaufwendigen Betriebsunterbrechungen führen und Gefahren für das Betriebspersonal bedeuten. DemenSprechend ist klar, daß die Ermittlung der einwandfreien strukturellen Beschaffenheit von unter Druck stehenden Systemen äußerst wichtig ist und daß demnach ein Bedürfnis für ein System besteht, mittels welchem die Überprüfung der einwandfreien Beschaffenheit einer Struktur schnell durchgeführt werden kann, wobei im besonderen die Untersuchung keine Zerlegung des Systems erfordert und keine Notwendigkeit für die Unterbrechung des Betriebes besteht.

Im Zusammenhang mit einem solchen Druckuntersuchungssystems soll es möglich sein, die Ultraschallerzeuger in* einwandfreier Weise an dem, speziell zu untersuchenden, Behälter anzubringen. Die Befestigung sollte ermöglichen, daß der auf der Oberfläche anzubringende Ultraschal!erzeuger gefahrlos auf die Oberfläche aufgebracht werden kann, ohne daß zu befürchten ist, daß die Auflageplatte des Ultraschallerzeugers sich von diesem löst, wenn er von dem Druckgefäß abgenommen wird. Darüber hinaus , sollte der Ultraschallerzeuger schadlos von der Fläche abge-

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! nommen werden können, so daß er erneut eingesetzt werden kann.

; Es sind bereits Verschiedene Anstrengungen in dieser Richtung unternommen worden, ohne daß diese bislang zu einem zufriedenstellenden Ergebnis geführt haben. Mit diesem Problem befassen sich beispielsweise die folgenden Amerikanischen Patente

2 888 581, 3 292 910, 3 390 286, 3 427 481, 3 566 163, 3 612 921,

3 703 652, 3 735 159, 3 769 532 und 3 794 866.

Nach der Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, mittels welcher die einwandfreie Beschaffenheit von Druckgefäßen und ähnlichen Systemen, wie beispielsweise Reaktionsbehälter, Wärmetauscher, Hochdruckseperatoren, Druckleitungen und Kernreaktorkühlsysteme., untersucht werden kann. Praktisch ohne eine Unterbrechung des Betriebes werden die Ultraschallerzeuger und die damit in Verbindung stehende Anordnung in die entsprechende Lage gebracht, so daß sie akustische Signale aufnehmen, die von den unter Druck oder Belastung stehenden Systemen eraitiert werden, wobei, wenn sie entsprechend analysiert werden, ein akustisches Energiediagramm entsteht, das sich möglicherweise bilden-

; de Schadstellen aufzeigt und zu einer unmittelbaren Warnung bej| j

im System vorliegenden Defekten führt. Ein Computerplan, der d^n

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geometrischen Abmessungen des zu untersuchenden Systems entspricht, Mann erstellt werden, um somit die Gefährlichkeit und

die genaue Lage einer Schadstelle zu bestimmen.

Im einzelnen werden die imitierten akustischen Signal mittels '

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erapfindlicher akustischer Sensoren oder Ultraschallgeneratoren aufgenommen, die an geeigneten Stellen auf der Oberfläche des zu untersuchenden Systems aufgebracht sind. Diese Signale werden durch Unregelmäßigkeiten in den belastetem Material erzeugt und analysiert. Die aufgenommmenen Emissionen oder Signale werden verstärkt und dann über Leitungen einer räumlich entfernten Einheit zugeführt, innerhalb welcher sie aufbereitet, verarbeitet und analysiert werden. Die Anzahl der eingesetzten Generatoren und deren Anordnung auf der Oberfläche des zu untersuchenden Systems hängen von dessen Art und Aufbau ab.

Bei dem verwendeten elektroakustischen Generator handelt es sich um einen solchen mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser, der wiederverwendbar ist, d. h. er kann zur Ermittlung der akustischen Emissionen auf die zu untersuchende Oberfläche aufgebracht und anschließend wieder gelöst werden* Dieser Generator ist mit einer kombinierten Linsen- und Auflageplatte versehen, die einstückig mit dem Metallgehäuse für den Generator ausgebildet ist. Das Aufnahmeelement umfaßt einen piezoelektrischen Kristall, der im Innern des Gehäuses angeordnet und auf die innere Oberfläche der kombinierten Linsen- und Auflageplatte aufgebracht ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt im einzelnen:

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Figur 1 einen Schnitt durch das Generatorgehäuse, gemäß der Erfindung,

Figur 2 einen Schnitt durch das Generatorgehäuse, gemäß Figur 1, zusammen mit dem Aufnahmekristall und den Kabeiverbindungen und

Figur 3 ein typisches Anwendungsbeispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Generators.

Wie aus Figur 1 deutlich wird, besitzt das Gehäuse 10 einen zylindrischen Gehäuseteil 12, an dessen oberem Ende sich in der Seitenwand eine Öffnung befindet, in welcher ein Kabelzuführungsrohr 14 angeordnet ist. Das Kabelzufür|hungsrohr 14 ist im wesentlichen senkrecht auf die Wand des zylindriscnen Gehäuseteils 12 gerichtet und besitzt eine Durchgangsöffnung 16, innerhalb welcher ein Kabel 18 (siehe Figur 2) zur Übertragung der Signale vorgesehen ist. Das Rohr kann angeschweißt oder auf eine sonstige Weise befestigt sein. Das angrenzende oder obere Ende des Gehäuses ist offen und mit einem umlaufenden Rand 2O versehen, in welchem eine kreisförmige Abschlußplatte 22 eingepaßt ist, die an dieser Stelle beispielsweise durch einen Εροχγ-Harzkleber mit dem Gehäuse verbunden werden kann, wenn der Kristalldetek— tor 24 eingebaut ist, wie noch näher beschrieben werden soll. Am Boden oder dem Befestigungsende des Gehäuses ist eine mit diesem einstückig ausgebildete Auflageplatte 26 und eine Linse 28 vorgesehen. Die Auflageplatte stellt im wesentlichen eine

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Boden- oder Befestigungsfläche des Generators dar, mit welcher er auf der Oberfläche des Druckgefäßes oder des jeweils auf seine einwandfreie Beschaffenheit zu überwachende Materials befestigt wird. An die Auflageplatte schließt sich eine einstückig mit dieser ausgebildete Linse 28 an, die einen kegelstumpf förmi gen Aufbau besitzt. Die Seitenflächen 30 der Linse erstrecken sich in Richtung auf das offene Ende des Gehäuses und sind von der Auflageplatte aus radial nach innen geneigt und zwar vorzugsweise in einem Winkel von etwa 45° in Bezug auf die Achse bzw. die Umfangswand des Gehäuses. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist der Kristalldetektor 24 mit seiner unteren Fläche 32 an der oberen Fläche 34 der Linse mit Hilfe eines geeigneten Epoxy-Harzes verbunden. Durch den sich verjüngenden Aufbau der Linse 28 von der Auflageplatte aus in Richtung des offenen Endes des Gehäuses oder des Kristalls bewirkt eine Konzentration der Energie der aufgenommenen akustischen Signale auf den Kristalldetektor. Der Kristalldetektor enthält normalerweise einen piezo-elektrischen Kristall, der über die elektrischen Anschlüsse 36 mit einem Kabel 18 in Verbindung steht, das sich durch die Durchgangsoffnung 16 in das Innere des Gehäuses erstreckt. Wenn die Verbindungen zwischen dem Kristalldetektor und dem Kabel hergestellt sind, wird die kreisförmige Abschlußplatte 22 innerhalb des umlaufenden Randes 20 am offenen Ende des Gehäuses befestigt. Ein geeignetes Material für das Gehäuse ist Edelstahl.

Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, wird das Kabel innerhalb der

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Zuführung durch ein aufgeschrumpftes Schlauchstück 38 gehalten. Die Figur 3 zeigt eine Anordnung der erfindungsgemäßen Detektoren auf der Oberfläche 40 eines unter Druck stehenden Systems 42, wobei der Druck normalerweise dem Betriebsdruck entspricht, oder auch höher liegt, wobei es sich beispielsweise um ein Druckgefäß handeln kann. Die Detektoren werden an den geeigneten Stellen angebracht, die entsprechend den physikalischen Merkmalen des Aufbaues bestimmt werden. Für die meisten Druckgefäße sind normalerweise 12 bis 16 Detektoren hinreichend, während bei einem weniger komplizierten Aufbau eine geringere Anzahl (4 bis 6) ausreichen dürften. Die Detektoren werden normalerweise über die gesamte Länge und den Umfang der zu untersuchenden Struktur aufgebracht, um die akustischen Emissionen zu ermitteln, die durch das unter Druck stehende Material erzeugt werden. Die Detektoren können auf den zu untersuchenden Flächen durch einen Magnet, ein Epoxy—Harz oder ein Klebeband gehalten werden. Es kann sich dabei um eine temporäre Befestigung nur während der Dauer der Untersuchung handeln, wobei die Detektoren im Anschluß an die Untersuchung abgenommen werden oder aber auch um eine dauerhafte Befestigung, wenn der Aufbau häufig oder fortlaufend untersucht werden soll. Der piezo-elektrische Kristall, der auf der Innenfläche der Linse befestigt ist, nimmt die akustischen Emissionen auf, die die Materialstruktür durchlaufen und über die Befestigungsfläche dem Detektor zugeführt werden. Jeder De-

tektor ist mit einem (herkömmlichen) Verstärker 44 versehen,

der einen geringen Störpegel und eine große Verstärkung besitzt

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und die aufgenommenen Signale verstärkt. Diese verstärkten Sinale werden wiederum über das Kabel 46 einer Einheit 48 zugeführt, wo die Signale aufbereitet, verarbeitet und analysiert werden. Hierbei kann man normalerweise die Menge an akustischer Energie, die pro Belastungseinheit von dem strukturellen Aufbau abgegebem wird, überwachen, während zur Bestimmung der Bedeutung und der genauen Lage der Schadstelle Computerteilsysteme eingesetzt werden. Dies kann geschehen, indem man eine Acetatschicht aufbringt, die eine maßstabsgetreue Widergabe der Systembestandteile trägt und diese über eine Computeranzeige analysiert um somit die genaue Lage der Schadstelle, wie beispielsweise Unregelmäßigkeiten im Aufbau, anzuzeigen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

''Ί.'* Ultraschallgenerator zur zerstörungsfreien Materialuntersuchung von unter Druck stehenden Systemen, gekennzeichnet durch einen Kristalldetektor (24) zur Ermittlung der Schallemissionen, ein Gehäuse (10) für die Aufnahme des Detektors (24), das an einem Ende eine mit dem Gehäuse (10) einstückig ausgebildete Auflageplatte (26) trägt und am gegenüberliegenden Ende offen ist, wobei sich an die Auflageplatte (26) eine Linse (28) anschließt, die eine zur Hauptachse geneigte Seitenfläche (30) besitzt und in einer flachen Linsenoberfläche (34) in einem Abstand von der Auflageplatte (26) endet, während der Kristalldetektor (24) auf der Linsenoberfläche (34) befestigt ist.
2. Ultraschallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (30) der Linse (28) um 45° zur Hauptachse des Gehäuses (10) geneigt sind.
3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am offenen Ende des Gehäuses (10) ein umlaufender Rand (20) vorgesehen ist, in welchen eine kreisförmige Abschlußplatte t22) zum Einschluß des Detektors (24) in dem Gehäuse (10) angeordnet ist.
4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er an

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verschiedenen Stellen der Oberfläche (40) eines unter Druck stehenden Systems (42) angeordnet ist.
5. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (28) sowie die Auflageplatte (26) einstückig mit dem Gehäuse (10) ausgebildet sind.
6. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) die Form eines Hohlzylinders besitzt.
7# Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des offenen Endes des Gehäuses (10) ein Kabelzuführungsrohr (14) angeordnet ist.
8. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristalldetektor (24) zur Übertragung der akustischen Signale fest mit der kegelstumpfförmigen Linse (28) verbunden ist, während sich das Gehäuse (10) auf verschiedenen Stellen der Oberfläche (40) des unter Druck stehenden Systems (42) befindet.
9. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kristalldetektor (24) ein Verstärker (44) angeschlossen ist, mittels welchem die aufgenommenen Signale verstärkt werden.

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10. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageplatte (26) mittels eines Epoxy-Harzes auf der Oberfläche (40) des unter Druck stehenden Systems (42) befestigt ist.

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