DE2732090A1 - Ultraschallpruefeinrichtung - Google Patents

Description

KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

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Ultraschallprüfeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur volumetrisehen Prüfung der Wände von Behältern oder Rohren, insbesondere zur Ultraschall-Prüfung der Schweißnähte und ihrer angrenzenden Wärmeeinflußzonen bei Druckbehältern von Kernreaktcren, mit kombinierten Sende-Empfangs-PrUfköpfen (SE-Prüfköpfen) zum Abfahren der Prüfbahnen.

Derartige Ultraschall-PrUfeinrichtungen sind z.B. aus der Zeitschrift "Materialprüfung¹¹ 17 (1975) Nr. 10, Seiten 347 bis 352, bekannt. Laut RSK-Leitlinien ist für die Empfindlichkeitskalibrierung für wiederkehrende Prüfungen als Registriergrenze für Einkopftechnik die 3 mm 0-Flachbodenbohrung und für Tandemtechnik die 10 mm 0-Flachbodenbohrung zugrunde zu legen. Diese Empfindlichkeit hat für den gesamten, für die Prüfung herangezogenen Teil des Schallbündels zu gelten. Dies fcidf^tat, daß bei der für die wiederkehrenden Prüfungen Ub-Ij.chen Mäander-Fahrweise mit definiertem PrUfspurabstand diese Empfindlichkeitsjustierung an der unempfindlichsten Stelle des verwendeten Schallbündelteils, also bei halben PrUfspurabstand als seitlichem Versatz, vorzunehmen ist. Aufgrund der in prüfko->fnahen Zonen noch relativ engen Schallbündelquerschnitte und den damit verbundenen steilen Energieabfall bei seitlichem Versatz kann dies bei Verwendung der bisher bekannten Prüfköpfe Wl breiterem PrUfspurabstand zu Schwierigkeiten führen. Die üu:,cif*rung auf den Bezu^sreflektor bei halbem PrUfspurabstand rJialich aufgrund de- heben EmpfJndlichkeitsunterschiedes

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zwischen Justierposition und Zentralstrahlposition eine solche Prüfempfindlichkeit für den Zentralstrahl bedingen, daß dieser das GefUgerauschen weitaus höher zur Anzeige bringt, als es aufgrund dieses Justiervorganges der Registriergrenze entspräche. 5

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-PrUfeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, alt der die geschilderten Schwierigkeiten behoben sind, d.h., die auch im halben PrUfspurabstand eine ausreichende Echohöhe des Justierreflektors aufweist mit einem Signal-Rausch-Abstand, der eine einwandfreie Registrierung auch in diesem Bereich gestattet. Insbesondere soll dies bei den Üblichen Mäander-PrUfspuren mit 20 mm Prüfabstand erreichbar sein, d.h., eine Verkleinerung des Prüfspurabstandes soll nicht erforderlich sein. Eine weitere Unteraufgabe besteht darin, den Prüfkopf fUr die UltraschallprUfeinrichtung so auszubilden, daß er sowohl für Einkopf- als auch fUr Tandemtechnik einsetzbar ist und keinen zusätzlichen Prüftakt gegenüber bisher bekannten Taktschemata erfordert. Es soll außerdem ermöglicht sein, den Prüfkopf mit denselben Abmessungen wie die bisher bekannten Prüfköpfe herzustellen.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einer UltraschallprUfeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Abstand der Mittelpunkte zweier einander benachbarter Sende- und Empfangs-Schwlngkristalle kleiner als der PrUfspurabstand gewählt und so bemessen ist, daß mindestens ein weiterer Schwingkristall auf der Gesamtbreite des Prüfkopfes - bei zueinander im wesentlichen gleichen Abständen der Mittelpunkte benachbarter Schwingkristalle - untergebracht werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schwingkristalle untereinander gleich breit sind, weil dies insbesondere die Herstellung und die Austauschbarkeit der Prüfköpfe erleichtert. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Dreischwinger-PrUfkopf mit zwei gleichzeitig beaufschlagten äußeren Sender-Schwingkristallen und einem in der Mitte zwischen letzteren angeordneten Empfangs-Schwingkristall bzw. zwei gleichzeitig beaufschlagten äußeren Empfänger-Schwingkristallen und einem in der Mitte zwischen letzteren angeordne-

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ten Sender-Schwingkristall. ->

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie ihre Wirkungswelse werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher beschrieben, wobei in schematischer, vereinfachter Darstellung zeigen:

Fig. 1a und 1b im Grund- und Aufriß eine herkömmliche Ultraschall-Prüfanordnung mit einem SE-PrUfkopf und einem Prüfspurabstand der mäanderförmigen PrUf-

spur von 20 mm, wobei in Fig. 1b in einem oberflächennahen Bereich Materialfehler in Form von vertikal orientierten Reflektoren angedeutet sind;

Fig. 2a und 2b in entsprechender Darstellungsweise eine Prüfkopfanordnung nach der Erfindung. Sowohl in Fig. 1a als auch in Fig. 2a ist die Echohöhe des Justierreflektors abhängig vom seitlichen Versatz gestrichelt und ferner das Materialrauschen (schraffierter Bereich) eingetragen;

Fig. 3a und 3b nochmals den in Fig. 1a und 2a eingetragenen Diagrammen entsprechende Diagramme, wobei auf der Ordinate die Echohöhe des Justierrefelktors in dB und auf der Abszissenachse der seitliche

Versatz aufgetragen ist. Diese Figuren 3a, 3b,

welche die Verhältnisse bei einem Prüfkopf in Long!tudinal-SE-Technik in der I.Tiefenzone zeigen, sind in Beziehung gesetzt zu den Diagrammen der darunter in Flucht angeordneten Fig. 4a und 4b,welche mit den gleichen, auf den Koordinaten aufgetragenen Größen die Echohöhe des Justierreflektors bei einem Prüfkopf in Tandem-Technik (II.Tiefenzone) für einen bekannten Prüfkopf (Fig. 4a) und für den erfindungsgemäßen PrUfkopf (Fig. 4b) zeigen;

Fig. 5 und 6 im Grund- und Aufriß, z.T. im Schnitt, konstruktive Einzelheiten der Ausbildung eines erfindungsgemäßen Dreischwinger-Prüfkopfes.

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Gemäß Flg. 1a_f 1b 1st auf die Oberfläche 1a der Wand 1 eines nicht näher dargestellten Reaktordruckbehälters ein bekannter SE-PrUfkopf P1 in Prüfposition aufgesetzt, der längs der mäanderförmigen Prüfbahn 2, die einen Prüf spurabstand a ■ 20 mm besitzt, verfahren werden kann. Hierbei wird der Bereich der Schweißnaht 3 und der angrenzenden Wärmeeinflußzonen mit einem Ultraschallbündel 4 durchstrahlt, welches vom Sender-Schwingkristall S1 seinen Ausgang nimmt, an der unteren, eine Grenzfläche bildenden Oberfläch· 1b reflektiert und z.T. zum Empfänger-Schwingkristall E1 zurückläuft. Durch das Schallbündel 4¹ ist zum Ausdruck gebracht, daß auch der Kristall E1 als Sender arbeiten kann und demgemäß der Kristall S1 dann die Empfängerfunktion übernimmt. Durch eine Bewertung der wiederankommenden Empfangssginale, welche mittels eines Schreibers oder einer Oszillographen-Anordnung oder mittels Rechner erfolgt, lassen sich Rückschlüsse auf im Innern der Wand enthaltende Materialfehler, z.B. einen vertikal orientierten Reflektor 5, ziehen. Es sind drei Relativlagen 5¹, 5", 5^tlf des Reflektors 5 zu den Prüfköpfen S1, E1 bzw. der Prüf spur 2 eingezeichnet, wobei die Mittellage 5¹ noch die relativ günstigste, die äußeren Lagen 5", 5'" dagegen die ungünstigsten sind. Die Schwingkristalle S1 und E1 sind in einem nicht näher dargestellten Gehäuse 6 untergebracht, welches Innerhalb der PrUfkopfhalterung eines Manipulators (nicht dargestellt), vorzugsweise kardanisch, gelagert ist.

Wie die Kurve Si (Echohöhe eines Justierreflektors), aufgetragen in Abhängigkeit vom seitlichen Versatz ν zeigt, 1st im halben Prüfspur-Abstand (10 mm) die Echohöhe unterhalb des Niveaus des Rauschpegels R abgesunken, wogegen bei einem seitlichen Versatz von 5 mm noch der Signal-Rausch-Abstand SR vorhanden ist. Ein dichterer Prüf spurabstand von 10 mm mit dem maximalen seitlichen Versatz von 5 mm bedeutet aber einen wesentlich vergrößerten Prüfauf wand, der erfindungsgemäß vermieden ist durch den neuartigen Prüfkopfaufbau, der im folgenden anhand der Fig. 2a, 2b erläutert wird.

Hler ist beim Prüfkopf P2 der Abstand m der Mittelpunkte M zweier einander benachbarter Sende- und Empfangs-Schwlngkristalle S21, E2 bzw. E2, S22 kleiner als der Prüf spurabstand a gewählt und so bemessen, daß - im vorliegenden Falle - ein weiterer

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?-* - 77^9339 BRD Schwingkristall S21 bzw. S22 auf der Gesamtbreite b des PrUfkopfes P2, die demjenigen des Prüfkopfes P1 entspricht, untergebracht werden kann, und zwar bei zueinander im wesentlichen gleichen Abständen m der Mittelpunkt M der benachbarten Schwingkristalle S21, E2, S22. Diese Schwingkristalle sind vorzugsweise untereinander gleich breit. Die dargestellte Ausführungsform 1st eine bevorzugte, da mit ihr bei noch vertretbarem Durchmesser der' Schwingkristalle die gleichen Abmessungen wie bei dem Prüfkopf P1 erreichbar sind. Wie ersichtlich, sind die zwei gleichzeitig beaufschlagbaren äußeren Sender-Schwingkristalle S21, S22 vorgesehen und ein in der Mitte zwischen diesen beiden angeordneter Empfangs-Schwingkristall E2. Die US-Strahlenkegel der Kristalle S2, E2, S2 sind mit 4, 4* und 4ⁿ bezeichnet. In Fig. 2a ist wiederum qualitativ die Echohöhe Si eines Justierreflektors abhängig von dem seitlichen Versatz ν aufgetragen. Ein Vergleich mit Fig. 1a zeigt, daß beim seitlichen Versatz von a/2, Im vorliegenden Falle 10 mm, ein wesentlich höheres Nutzsignal zu erhalten ist, dessen Signal-Rausch-Abstand SR gegenüber dem Gefügerauschen R etwa so groß 1st wie der Abstand SR nach Fig. 1a bei einem seitlichen Versatz von 5 mm. Die Ursache hierfür ist insbesondere in einer wesentlich besseren Empfindlichkeitsverteilung zu sehen, wie ein Vergleich der Fig. 1b, 2b ergibt und nachfolgend noch erläutert wird. Auch hier läßt sich die Funktion der Sender- und Empfänger-Schwlngkristalle vertauschen, so daß die Reihenfolge auch E21 - S2 - E22 lauten könnte.

Flg. 3a, 3b zeigt noch einmal den Verlauf der Empfindlichkeitsverteilungen nach Fig. 1a, 2a für Longitudinal-SE-Technik der I.Tiefenzone, in Beziehung gesetzt zu entsprechenden Diagrammen nach Fig. 4a, 4b, welch letztere einen Vergleich der Empfindlichkeitsverteilungen zwischen einem herkömmlichen Zweischwinger-Prüfkopf (Fig. 4a) mit einem erfindungsgemäßen Dreischwinger-Prüfkopf (Fig. 4b) in Tandem-Technik für die II.Tiefenzone zeigen. Wie man sieht, überlappen sich beim erfindungsgemäßen Prüfkopf P2 die beiden Empfindlichkeitsverteilungen, die von je einem Sender mit dem einen Empfänger gebildet werden. Der resultierenden Empfindlichkeitsverteilung, die flacher verläuft,

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überlagern sich Empfindlichkeitsschwankungen, hervorgerufen durch Interferenzerscheinungen. Der Prüfkopf P2 läßt sich sowohl für die sogenannte SEL-Technik verwenden, bei der die äußeren Schwinger S21, S22 gleichzeitig als Sender beaufschlagt werden und der mittlere Schwinger E2 als Empfänger dient. Ein solcher Dreischwinger-Prüfkopf P2 oder auch ein (nicht dargestellter) Vier- oder Mehrschwinger-Prüfkopf läßt sich aber auch für Tandem-Technik verwenden, wobei einem Senderprüfkopf SES ein Empfänger-Prüfkopf E oder einem Empfänger-Prüfkopf ESE ein SenderprUfkopf S zugeordnet 1st.

Figuren 5 und 6 zeigen konstruktive Einzelheiten. In dem hier ebenfalls als Ganzes mit 6 bezeichneten Gehäuse sind (siehe Fig. 5) die einzelnen Kristalle bzw. Schwinger für Sender S2 und Empfänger E2 mit zueinander gleichen Abstand m1 angeordnet, wobei die durch die Abstände al gebildeten Spalte zur akustischen Trennung mit Kork 7 ausgefüllt sind. An der Unterseite befinden sich Kufen 8 zum Entlanggleiten auf der Prüfbahn (Fig. 6), und der nicht von den Kristallen S21, E2, S22 eingenommene Raum 1st auf der der Prüfungsfläche abgewandten Kristallseite mit Dämpfungsmasse 9 z.T. ausgefüllt unter Freilassung eines Raumes 10 für Kabelanschlüsse und Anpassung. Auf der der Prüffläche zugewandten Kristallseite befindet sich ein Kunststoffkeil 11 mit einer unter einem Winkel OC zur Horizontalen geneigten Tragfläche 11a, an welcher die Kristalle S2, E2 befestigt sind. Durch diesen Winkel OCist der Einschallwinkel bestimmt. Auf der Oberseite des Prüfkopfes P2 ist in dem Gehäuse 6 eine Identifikationsplatte 12 eingelassen. Außer der SEL-Technik besteht eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Drei- bzw. Mehrschwinger-Prüfkopf es in der Ultraschallprüfung in SE-Technik (Sende-Eepfangs-Technik) mit Transversalwellen. Darüber hinaus besteht eine Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung darin, daß man den Drei- und MehrschwingerprUfkopf nach einem Zeitmultiplex-Verfahren arbeiten läßt, wie es im folgenden anhand der Figuren 7, 7a und 8, 9 erläutert wird.

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5 -T - 77? 9 33 9 BRD Flg. 7a zeigt schematisch einen Vierschwinger-Prüfkopf mit den hintereinander angeordneten Schwingern S21, E21, S22, £22, wobei auch hier wiederum die Funktion der Sender-Schwingkristalle S21, S22 mit der Funktion der Empfänger-Schwingkristalle E21, E22 vertauscht werden kann. In Fig. 7 1st auf der Abszisse die Zeit t qualitativ aufgetragen und auf der Ordinate die Impulshöhe I. In Fig. 7 sind untereinander die Momentaufnahmen des Zeitmultiplexbetriebs schematisch dargestellt und mit z1 bis z4 (vier Momentaufnahmen) bezeichnet. In der Zeltspanne z1 wird durch den Senderschwinger S22 der Sendeimpuls 11 ausgesendet und nach eine Durchlaufzeit von u erscheint Innerhalb des Erwartungsbereiches e das Elnzel-EchoslgnaJ el in den Empfängerkristallen E21 und E22, welch letztere In diesem Falle elektronisch auf Empfangsbereitschaft geschaltet wurden. D.h. der Sendeimpuls 11 ist in das zu untersuchende Material übergetreten und nach Reflexion an den Grenzflächen nach der Laufzeit u auf die Empfängerkristalle E21 und E22 aufgetroffen. Die unterhalb z1 gezeichnete zweite Momentaufnahme z2 zeigt den Sendeimpuls 12 und den nach der Laufzeit u am

Bildschirm eines Oszillografen erscheinenden Echoimpuls e2,

wobei in diesem Falle der Sender-Schwingkristall S22 elektronisch gesperrt und stattdessen der Sender-Schwingkristall S21 beaufschlagt wurde.

Die Momentaufnahme z3 wiederum zeigt entsprechende Verhältnisse wie die Momentaufnahme z1, allerdings zeitlich um die Zeitspanne t3 verschoben, die Momentaufnahme z4 zeigt wiederum einen Sendeimpuls 14, wobei elektronisch der gleiche Schaltzustand wie bei der Momentaufnahme z2 vorliegt (aus Platzgründen wurde hler die Darstellung unterbrochen).

In der schematisch Darstellung der Flg. 9 ist in der dritten horizontalen Kolonne, die mit ZV4 bezeichnet ist, das in Fig. 7 dargestellte Zeitmultiplexverfahren nochmals gezeigt, wobei die jeweils beaufschlagten Schwinger angekreuzt sind. Andere Möglichkeiten der Beaufschlagung sind in den darüber befindlichen horizontalen Kolonnen ZV2 und ZV3 gezeigt, die für eich selbst sprechen.

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In Fig. 8 1st nach dem Darstellungsverfahren der Flg. 9 in

der unteren horizontalen Kolonne ZV5 die Arbeitsweise des in den Figuren 2a, 2b dargestellten Dreischwinger-Prüfkopfes nochmals für den Fall erläutert, daß alle drei Schwinger gleichzeitig beaufschlagt werden. In der Kolonne darüber, die mit ZV1 bezeichnet ist, ist ein Zeitmultiplex-Verfahren für einen Dreischwinger-Prüfkopf gezeigt, bei dem abwechselnd der eine oder der andere Sender-Schwinger beaufschlagt werden.

7 Patentansprüche
9 Figuren

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Leerseite

Claims (7)

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   Patentansprüche

   1J Einrichtung zur volumetrlsehen Prüfung der Wände von Behältern oder Rohren, insbesondere zur Ultraschall-Prüfung der Schweißnähte und ihrer angrenzenden Wärmeeinflußzonen hei Druckbehältern von Kernreaktoren, mit kombinierten Sende-Empfangs-Prüfköpfen (SE-PrUfköpfen) zum Abfahren der Prüfbahnen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (m) der Mittelpunkte (M) zweier einander benachbarter Sende- und Empfangs-Schwingkrlstalle (S21, E2 bzw. S22, E2) kleiner als der Prüfspurabstand (a) gewählt und so bemessen ist, daß mindestens ein weiterer Schwingkristall (S22, S21) auf der Gesamtbreite (b) des Prüfkopfes (P2) - bei zueinander im wesentlichen gleichen Abständen (m) der Mittelpunkte (M) benachbarter Schwingkristalle (S21, E2 bzw. S22, E2) untergebracht werden kann.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkristalle (S21, E2, S22) untereinander gleich breit sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet, durch einen Dreischwinger-PrUfkopf mit zwei gleichzeitig beaufschlagten äußeren Sender-Schwingkristallen (S21, S22) und einem in der Mitte zwischen letzteren angeordneten Empfänger-Schwingkristall (E2) bzw. zwei gleichzeitig beaufschlagten äußeren Empfänger-Schwingkristallen und einem in der Mitte zwischen letzteren angeordneten Sender-Schwingkristall·
4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch die Verwendung des Drei- bzw. Mehrschwinger-Prüfkopfes (P2) zur Ultraschallprüfung in SEL-Technik (Sende-Empfangs-Prüfkopf-Technik mit Longitudinalwellen).
5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch die Verwendung des Drei- bzw. Mehrschwingerprüfkopfes zur Ultraschallprüfung in SE-Technik (Sende-Empfangs-Technik) mit Transversalwellen.

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   ORIGINAL INSPECTED

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6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3» gekennzeichnet durch die Verwendung des Drei- bzw. MehrschwingerprUfkopfes (P2) als Sender- oder Empfänger-Schwingkopf zur Ultraschallprüfung in Tandentechnik, wobei einem Senderprüfkopf (SES) ein Empfänger-Prüfkopf (E) oder einem Empfänger-Prüfkopf (ESE) ein Sender-Prüfkopf (S) zugeordnet ist.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder einem der Ansprüche 4-6, gekennzeichnet durch einen Drei- oder MehrschwingerprUfkopf mit wählbarer Beaufschlagung der Schwinger in Sende- oder Empfangsfunktion, wobei abwechselnd und zeitlich nacheinander das eine oder das andere Sender-Empfänger-Schwingerpaar oder die eine oder andere Sender-Empfänger-Schwingergruppe beaufschlagbar ist.

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