DE2732090C3 - Einrichtung zur volumetrischen Ultraschall-Prüfung der Wände von Behältern und Rohren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hinrichtung zur volumeirischen Ultraschall-Prüfung der Wände von Behältern oder Rohren, insbesondere zur Ultraschall-Prüfung der Schweißnähte und ihrer angrenzenden Wärmeeinflußzonen bei Druckbehältern von Kernreaktoren, mit kombinierten Sende-Empfangs-Prüfköpfen (SE-Prüfköpfen) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Deranige Ultraschall-Prüfeinrichtungen sind z. B. aus der Zeitschrift »Materialprüfung« 17 (1975) Nr. 10, Seiten 347 bis 352, bekannt. Laut RSK-Leillinien ist für die Empfindlichkeitskalibrierung für wiederkehrende Prüfungen als Registriergrenze für Einkopftechnik die 3 mm 0-Flachbodenbohrung und für Tandemtechnik die 10 mm 0-Flachbcdenbohrung zugrunde zu legen. Diese Empfindlichkeit hat für den gesamten, für die Prüfung herangezogenen Teil des Schallbündels zu gelten. Dies bedeutet, daß bei der für die wiederkehrenden Prüfungen üblichen Mäander-Fahrweise mit definiertem Prüfspurabstand diese Empfindlichkeitsjustierung an der unempfindlichsten Stelle des verwendeten Schallbündelteils, also bei halben Prüfspurabstand als seitlichem Versatz, vorzunehmen ist. Aufgrund der in prüfkopfnahen Zonen noch relativ engen Schallbündelquerschnitte und den damit verbundenen steilen Energieabfall bei seitlichem Versatz kann dies bei Verwendung der bisher bekannten Prüfköpfe bei breiterem Prüfspurabstand zu Schwierigkeiten führen. Die justierung auf den Bezugsreflektor bei halben Prüfspurabstand kann nämlich aufgrund des hohen Empfindlichkeilsunterschiedes zwischen Justierposition und Zentralstrahiposition eine solche Prüfempfindlichkeil für den Zentralstrahl bedingen, daß dieser das Gefügerauschen weitaus höher zur Anzeige bringt, als es aufgrund dieses Justiervorganges der Registriergrenze entspräche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Prüfeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die geschilderten Schwierigkeiten behoben sind, d. h., die auch im halben Prüfspurabstand eine ausreichende Echohohe des Justierreflektors aufweist mit einem Signal-Rausch-Abstand, der eine einwandfreie Registrierung auch in diesem Bereich gestattet. Insbesondere soll dies bei den üblichen Mäander-Prüfspuren mit 20 mm Prüfabstand erreichbar sein, d. h., eine Verkleinerung des Prüfspurabstandes soll nicht erforderlich sein. Eine wcilcrc Unteraufgabe besteht darin, den Prüfkopf für die Ultraschallprüfeinrichtung so auszubilden, daß er sowohl für Einkopf- als auch für Tandemtechnik einsetzbar ist und keinen zusätzlichen Prüftakl 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 Ultraschallprüfeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dall der Absland der Mittelpunkte zweier einander benachbarter Sende- und Empfangs-Schwingkristalle kleiner als der Prüfspurabstand gewählt und so beimessen ist, daß mindestens ein weiterer Schwingkristall, der ein Scndc-Schwingkristall ist, wenn der benachbarte Schwingkristall ein Cmpfangsschwing· kristall ist und umgekehrt, auf der Gesamtbreitc des Prüfkopfes — bei zueinander im wesentlichen gleichen Abständen der Mittelpunkte benachbarter Schwingkristallc — untergebracht werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sehwingkristallc untereinander gleich breit sind, weil diese insbesondere die Herstellung und die Austauschbarkeit der Prüfköpfe erleichtert. Eine bevorzugte Ausfühningsform der

Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Dreischwinger-Prüfkopf 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 angeordneten Sender-Schwingkristall.

Der Erfindungsgegenstand sowie seine Wirkungsweise werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusführungSDeispiels näher erläutert, wobei in schematischer, vereinfachter Darstellung zeigen

Fig. la und Ib im Grund- und Aufriß eine herkömmliche Ultraschall-Prüfanordnung mit einem SE-Prüfkopf und einem Prüfspurabstand der mäanderförmigen Prüfspur von 20mm, wobei in Fig. Ib in einem oberflächennahen Bereich Materialfehler in Form von vertikal orientierten Reflektoren angedeutet sind;

F i g. 2a und 2b in entsprechender Darsteüungsweise eine Prüfkopfanordnung nach der Erfindung. Sowohl in Fig. Ia 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. la und 2a eingetragenen Diagrammen entsprechende Diagramme, wobei auf der Ordinate die Echohöhe des Justierreflektors in dB und auf der Abszissenachse der seitliche Versatz aufgetragen ist. Diese Fig. 3a, 3b. welche die Verhältnisse bei einem Prüfkopf in Longitudinal-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 (F i g. 4a) und für den erfindungsgemäßen Prüfkopf (Fig.4b) zeigen;

Fi g. 5 und 6 im Grund- und Aufriß, z. T. im Schnitt, konstruktive Einzelheiten der Ausbildung eines erfindungsgemäßen Dreischwinger-Prüf kopfes.

Gemäß F ig. la !bist auf die Oberfläche lader Wand 1 eines nicht näher dargestellten Reaktordruckbehälters ein bekannter SE-Prüfkopf PX in Prüfposition aufgesetzt, der längs der mäanderförmigen Prüfbahn 2, die einen Prüfspurabstand 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 51 seinen Ausgang nimmt, an der unteren, eine Grenzfläche bildenden Oberfläche \b reflektiert und z.T. zum Empfänger-Schwingkristall £1 zurückläuft. Durch das Schallbündel 4' ist zum Ausdruck gebracht, daß auch der Kristall El als Sender arbeiten kann und demgemäß der Kristall 51 dann die Empfängerfunktion übernimmt. Durch eme Bewertung der wiederankommenden Empfangssignale, welche ■ mittels eines Schreibers oder einer Os/illografen-Anordnung oder mittels Rechner erfolgt, lassen sich Rückschlüsse auf im Innern der Wand enthaltende Matcrialfehlcr, z. B. einen vertikal orientierten Reflektor 5, ziehen. Es sind drei Rciativlagcn 5', 5", 5'" des Reflektors 5 zu den Prüfköpfen 51, El bzw. der Prüfspur 2 eingezeichnet, wobei die Mittellagc 5' noch die relativ günstigste, die äußeren Lagen 5", 5'" dagegen die ungünstigsten sind. Die Schwingkristalle 51 und E1 sind in sinem nicht näher dargestellten Gehäuse 6 untergebracht, welches innerhalb der Prüfkopfhalterung eines Manipulators (nicht dargestellt), vorzugsweise kardanisch, gelagert ist. Wie die Kurve 5/(Echohöhe eines Justierreflektors), aufgetragen in Abhängigkeit vom seitlichen Versatz ν zeigt, ist 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 Prüfspurabstand von 10 mm mit dem maximalen seitlichen Versatz von 5 mm bedeutet aber einen wesentlich vergrößerten Prüfaufwand, der erfindungsgemäß vermieden ist durch den neuartigen Prüfkopfaufbau, der im folgenden anhand der F i g. 2a, 2b erläutert wird.

Hier ist beim Prüfkopf P2 der Abstand m der Mittelpunkt M zweier einander benachbarter Sende- und Empfangs-Schwingkristalle 5i,. E2 bzw. £2, 522 kleiner ais der Prüfspurabstand a gewählt und so bemessen, daß — im vorliegenden Falle — ein weiterer Schwingkristall 51 bzw. 522 auf der Gesamtbreite b des Prüfkopfes P2, die demjenigen des Prüfkopfes Pl entspxht, untergebracht werden kann, und zwar bei zueinander im wesentlichen gleichen Abständen m der Mittelpunkt M der benachbarten Schwingkristalle 521, E2, 52. Diese Schwingkristalle sind vorzugsweise untereinander gleich breit. Die dargestellte Ausfüh-

• rungsform ist eine bevorzugte, da mit ihr bei noch vertretbarem Durchmesser der Schwingkristalle die gleichen Abmessungen wie bei dem Prüfkopf Pi erreichbar sind. Wie ersichtlich, sind die zwei gleichzeitig beaufschlagbaren äußeren Sender-Schwingkristalle

• 521, 522 vorgesehen und ein in der Mitte zwischen diesen beiden angeordneter Empfangs-Schwingkristall E 2. Die US-Strahlenkegel der Kristalle 52, E 2,52 sind mit 4, 4' und 4' bezeichnet. In Fig.2a ist wiederum qualitativ die Echohöhe 5/ eines Justierreflektors abhängig von dem seitlichen Versatz ν aufgetragen. Ein Vergleich mit Fig. la 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 ist wie der Abstand SR nach F i g. la bei einem seitlichen Versatz von 5 mm. Die Ursache hierfür ist insbesondere in einer wesentlich besseren Empfindlichkeitsverteilung zu sehen, wie ein Vergleich der Fig. Ib, 2b ergibt und nachfolgend noch erläutert wird.

■ Auch hier läßt sich die Funktion der Sender- und Empfänger-Schwingkristalle vertauschen, so daß die Reihenfolge auch E21-52-E22 lauten könnte.

Fig 3a, 3b zeigt noch einmal den Verlauf der Empfindlichkeitsverteilungen nach Fig. la, 2a für

■ Longitudinal-SE-Technik der I. Tiefzone, 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»Priifkopf (Fig.4b) in Tandem-Technik für die 11. Tiefzone zeigen. Wie man sieht, überlappci 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, überlagern sich Empfindlichkeitsschwankungen, hervorgerufen durch Interferen/erscheinrngen. Der Prüfkopf P2 läßt sich sowohl für die

sogenannte SEL-Technik verwenden, bei der die äußeren Schwinger 521, 522 gleichzeitig als Sender beaufschlagt werden und der mittlere Schwinger £2 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 Empfäiiger-Prüfkopf £ oder einem Empfänger-Prüfkopf £5£ein Senderprüfkopf 5zugeornet ist.

F i g. 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 52 und Empfänger £2 mit zueinander gleichen Abstand m 1 angeordnet, wobei die durch die Abstände m 1 gebildeten Spalte zur akustischen Trennung mit Kork 7 ausgefüllt sind. An der Unterseite befinden sich "Kufen 6 zum Eniianggiciten auf der Prüfbahn (Fig. 6), und der nicht von den Kristallen 521, £2, 522 eingenommene Raum ist 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 ix zur Horizontalen geneigten Tragfläche 11 a. an welcher die Kristalle 52, £2 befestigt sind. Durch diesen Winkel λ ist 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-Prüfkopfes in der Ultraschallprüfung in SE-Technik (Sende-Empfangs-Technik) mit Transversalwellcn. Darüber hinaus besteht eine Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung darin, daß man den Drei- und Mehrschwingerprüfkopf nach einem Zeitmultiplex-Verfahren arbeiten läßt, wie es im folgenden anhand der F i g. 7. 7a und 8.9 erläutert wird.

Fig. 7a zeigt schematisch einen Vierschwinger-Prüfknpf mit den hintereinander angeordneten Scrminprrn 521, £21. 522. £22, wobei auch hier wiederum" die Funktion der Sender-Schwingkristalle 521. 522 mit der Funktion der Empfänger-Schwingkristalle E21. £22 vertauscht werden kann. In Fig. 7 ist auf der Abszisse die Zeit t qualitativ aufgetragen und auf der Ordinate die Impulshöhe /. In Fig. 7 sind untereinander die Momentaufnahmen des Zeitmultiplexbetriebs schematisch dargestellt und mit ζ 1 bis z4(vier Momentaufnahmen) bezeichnet. In der Zeitspanne z\ wird durch den Senderschwinger 522 der Sendeimpuls /1 ausgesendet und nach eine Durchlaufzeit von u erscheint innerhalb des Erwartungsbereiches edas Einzel-Echosignal c I in den Empfängerkristallen £21 und £22, welch letztere in diesem Falle elektronisch auf Empfangsbereitschaft geschaltet wurden. D. h. der Sendeimpuls / 1 ist in das zu untersuchende Material ühergetreten und nach Reflexion an den Grenzflächen nach der Laufzeit u auf die Empfängerkristalle £21 und £22 aufgetroffen. Die unterhalb ζ I gezeichnete zweite Momentaufnahme / 2 zeigt den Sendeimpuls /2 und den nach der Laufzeit ι am Bildschirm eines Oszillografen erscheinender Echoimpuls e2. wobei in diesem Falle der Sender Schwingkristall S22 elektronisch gesperre und siaiiuev sen der Sender-Schwingkristall 521 beaufschlagl wurde.

Die Momentaufnahme ?. 3 wiederum zeigt entsprechende Verhältnisse wie die Momentaufnahme /1 allerdings zeitlich um die Zeitspanne I3 verschoben, die Momentaufnahme /4 zeigt wiederum einen Sendeim puls /4, wobei elektronisch der gleiche Schaltzustanc wie bei der Momentaufnahme z2 vorliegt (au? Platzgi Cnden wurde hier die Darstellung unterbrochen).

In der schematisch Darstellung der Fig. 9 ist in dei dritten horizontalen Kolonne, die mit ZV4 bezeichnei ist, das in Fig. 7 dargestellte Zeitmultiplexverfahren nochmals gezeigt, wobei die jeweils beaufschlagter Schwinger angekreuzt sind. Andere Möglichkeiten dei Beaufschlagung sind in den darüber befindlicher horizontalen Kolonnen ZV2 und ZV3 gezeigt, die füi sich selbst sprechen.

In Fig. 8 ist nach dem Darstellungsverfahren dei Fig. 9 in der unteren horizontalen Kolonne ZV5 die Arbeitsweise des in den Fig. 2a, 2b dargestellter Dreischwinger-Prüfkopfes nochmals für den Fall erläu tert. daß alle drei Schwinger gleichzeitig beaufschlag werden. In der Kolonne darüber, die mit ZVi bezeichnet ist. ist ein Zeitmultiplex-Verfahren für einer Dreischwinger-Prüfkopf gezeigt, bei dem abwechselnc der eine oder der andere Sender-Schwinger beauf schlagt werden.

llui/u 4 Hliiti Zdchnuimen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur volumetrischen Ultraschall-Prüfung der Wände von Behältern oder Rohren, insbesondere zur Ultraschall-Prüfung der Schweißnähte und ihrer angrenzenden Wärmeeinflußzonen bei Druckbehältern von Kernreaktoren, mit kombinierten Sende-Empfangs-Prüfköpfen (SE-Prüfköpfen), die einen Sende- und einen Empfangs-Schwingkristall aufweisen und die die Behälter oder Rohre mäanderförmig mit einem definierten Prüfspurabstand abfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (m) der Mittelpunkt (M) zweier einander benachbarter Sende- und Empfangs-Schwingkristalle (521, E2 bzw. 522, E2) kleiner als der Prüfspurabstand (abgewählt und so bemessen ist, daß mindestens ein weiterer Schwingkristall (522, S2t), der ein Sende-Schwingkristall ist, wenn der benachbarte Schwingkristall ein Empfangs-Schwingkristall ist und umgekehrt, auf der Gesamtbreite (b)des Prüfkopfes (P2) — bei zueinander im wesentlichen gleichen Abständen (m) der Mittelpunkte (M) benachbarter Schwingkristalle (S2\, E2 bzw. 522, E2) — untergebracht werden kann.

2. Einrichtung nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkristalle (S2\, E2. 522) untereinander gleich breit sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Dreischwinger-Prüfkopf mit zwei gleichzeitig beaufschlagten äußeren Sender-Schwingkriitallen (521,522) und einem in der Mitte zwischen letzteren ange- rdneten Empfänger-Schwingkristall (E 2) bzw. zwei gleichzeitig beaufschlagten äußeren Empfät -sr-Schwingkristallen und einem in der Mitte zwischen letzteren angeordneten Sender-Schwingkristall.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1—3, gekennzeichnet durch die Verwendung des Dreibzw. Mehrschwinger-Prüfkopfes (P2) zur Ultraschallprüfung in SEL-Technik (Sende-Empfangs-Prüfkopf-Technik mit Longitudinalwellen).

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bi» 3, gekennzeichnet durch die Verwendung des Dreibzw. Mehrschwingerprüfkopfes zur Ultraschallprüfung in SET-Technik (Sende-Empfangs-Prüfkopf-Technik mit Transversalwellen).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 — 3, gekennzeichnet durch die Verwendung des Dreibzw. Mehrschwingerprüfkopfes (P2) als Sender- oder Empfänger-Schwingkopf zur Ultraschallprüfung in Tandemtechnik, wobei einem Senderprüfkopf (SES) ein Empfänger-Prüfkopf (E) oder einem Empfänger-Prüfkopf (ESE) ein Sender-Prüfkopf (S) zugeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch I oder 2 oder einem der Ansprüche 4-6, gekennzeichnet durch einen Drei- oder Mehrschwingerprüfkopf mit wählbarer Beaufschlagung der Schwinger in Sende- oder Empr'angsfunktion, wobei abwechselnd und zeitlich nacheinander das eine oder das andere Sender-Emp= fänger-Schwingerpaar oder die eine oder andere Sender-Kmpfänger-Schwingcrgruppc bcaufschlagbar ist.