DE3131883A1

DE3131883A1 - Innenrohr-messsonde nach dem ultraschall-impulsechoverfahren zur wanddickenmessung an narbigen oberflaechen, vorzugsweise zum nachweis von korrosion in rohren

Info

Publication number: DE3131883A1
Application number: DE19813131883
Authority: DE
Inventors: Norbert Ing.(grad.) 1000 Berlin Bertus; Walter Ing.(grad.) Möhrle; Wolfgang Dipl.-Phys. Wegner; Herrmann Dr.-Ing. Wüstenberg
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 1981-08-12
Filing date: 1981-08-12
Publication date: 1983-03-03

Description

Patentbeschreibung
Erfindung: Innenrohr-Meßsonde nach dem Ultraschall-Impulsechoverfahren zur Wanddickenmessung an narbiger Oberflächen, vorzugsweise zum Nachweis von Korrosion in Rohren In Betracht gezogene Druckschriften: 1. USA-Patent 3 508 436 2. DOS 2 403 635 3. GB-Patent 1 423 811 4. USA-Patent 3 960 oo6 5. USA-Patent 4 o37 465 6. DAS 2 636 1o7 7. DOS 2 658 983 8. DOS 2 732 631 9. DOS 2 827 473 lo. USA-Patent 4 189 944 11. DOS 2 9o2 o17 Wärmeaustauscher-Rohre und ähnliche Komponenten erleiden'im Laufe ihrer Betriebszeit infolge Korrosion Wanddickenveränderungen und müssen deshalb aus sicherheitstechnischen Gründen und im Interesse der Betriebsbereitschaft der Anlagen von Zeit zu Zeit untersucht werden. Diese Untersuchungen können meist nur von der Innenseite der Rohre her erfolgen, da sie zu Bündeln von sehr vielen Rohren zusammengefaßt und auch aus anderen Gründen von außen nicht zugänglich sind. Normalerweise angewandte Wirbelstromverfahren sind zwar schnell, liefern jedoch nur Aussagen über den gesamten volumetrischen Abtrag und erlauben nur wenig zuverlässige Schlüsse auf die wichtige noch vorhandene Restwanddicke. In dieser Hinsicht sind Ultraschallprüfungen von der Innenseite nach dem Impulsechoverfahren erfolgversprechender. Bisher bekannte, nach diesem Prinzip arbeitende Prüfsysteme sind jedoch noch mit unterschiedlichen Mängeln behaftet und lösen die gestellten Aufgaben nur unbefriedigend oder gar nicht.
Um den ganzen Rohrumfang zu erfassen, hat man Konstruktionen angegeben, bei denen mehrere Prüfköpfe auf dem Umfang einer Innensonde, mitunter hintereinander versetzt, angebracht sind /2/, Solche und andere Einheiten /1/ sind auf große Rohrdurchmesser beschränkt und bieten nur eine ungenügende Auf lösung. Es gibt auch Entwicklungsansätze zu ähnlichen wie der in dieser Erfindung vorgestellten Innensonde, bei denen ein Schallbündel über den Rohrumfang geführt wird, die jedoch entweder nichtfokussierende /1; 2; 4; 6/ oder sogar defokussierende Prüfköpfe /3; 8/ verwenden, also nicht die z.B. für Lochfraßkorrosion erforderliche Auflösung bringen, oder aber in Längsrichtung nur schrittweisc vorgeschoben werden /9/ bzw. den Rohrumfang nur mäanderförmig oder ältnlich, also nicht kontinuierlich bzw. nicht vollständig abtasten /2; 4; 6/ oder gar nicht rotieren /8/. In manchen Fällen /7/ angewendete, mittels Wasserturbinen in Rotation versetzte Sonden liefern keinerlei Anhaltspunkte für die jeweilige Winkelposition. Andere Systeme können durch Schrägeinschallung /5; 6/ zwar rißähnliche Fehler - z.B. bei Schweißnähten - entdecken, aber keine Wanddickenmessung durchführen, andere /7/ liefern nur statistische Angaben über die Häufigkeit von Wanddickenbereichen, die aber keine Aussagen über Größe und Tiefe von Schadste-llen erlauben.
Sämtliche gewünschten Informationen über die genaue Lage und Ausdehnung der Schadstelle mit Angabe, ob der Abtrag sich an der Innenwand oder der Außenwand befindet, und gleichzeitiger genauer Messung der Restwanddicke an jeder Stelle sind mit den bekannten Systemen nicht möglich.
Die gleichzeitige Erfüllung dieser Forderungen war das Ziel der hier vorgestellten Erfindung, die es u.a. erlaubt, an jeder beliebigen Stelle augenblicklich einen Querschnitt des Rohres -z.B. auf einem Bildschirm - darzustellen und dabei Restwanddicken bis herab zu weniger als 0,3 mm mit einer Genauigkeit von 10% und besser zu messen. Erreicht wird dieses Ziel durch die Kombination einer neu konzipierten Innenrohr-Meßsonde (Fig. 1) mit einem speziell darauf zugeschnittenen neuartigen Auswertegerät.
Die Sonde besteht dabei aus einem Ultraschall-Prüfkopf 1 genügend hoher Frequenz und großer Bandbreite, also besonders kleiner Impulslänge, der durch einen kleinen Elektromotor 5 in kontinuierliche Rotation versetzt wird. Dem Motorstrom lassen sich Impulse entnehmen, die Informationen für die Winkelstellung des Rotors 2 liefern. Durch die Rotation wird das radial auf die Rohrinnenwand auftreffende Schallbündel kontinuierlich über den ganzen Rohrumfang geführt Diese Strahlführung läßt sich im Prinzip auch durch einen achsial angeordneten Prüfkopf und einen rotierenden Spiegel unter 450 erreichen; durch den das Schallbündel in radiale Richtung umgelenkt wird. Dadurch ergibt sich jedoch ein längerer Schaltweg im Koppelmittel, der durch Temperaturschwankungen und andere Einflüsse Anlaß zu Störungen und Ungenauigkeiten geben kann. Im allgemeinen ist deshalb ein rotierender Prüfkopf günstiger, was jedoch nicht ausschließt, daß für spezielle Anwendungsfälle - z.B. Änderung des Einschallwinkels durch Auswechseln oder Verstellen des Spiegels - auch die Anordnung mit rotierendem Spiegel anwendbar ist. Sie sei also hier nicht ausgeschlossen. Eine vorteilhafte weitere Verkürzung des Schallweges im Koppelmittel läßt sich durch Verwendung einer festen Vorlauf strecke 1a - z.B. aus Quarzglas - erreichen, die sich so dimensionieren läßt, daß das Echo von ihrer Vorderfläche ib bzw. seine Wiederholung außerhalb des interessierenden Meßintervalls liegt. Um die z.B. für Lochfraßkorrosion erforderliche Auflösung zu erzielen, sind grundsätzlich zwar fokussierende Prüfköpfe vorzuziehen. Es zeigt sich jedoch, daß bei den hier vorliegenden Verhältnissen durch die Krümmung der Rohrinnenwand in der Krümmungsebene, also in der Querschnittebene, von selbst eine Fokussierung erfolgt, so daß bei schon fokussiertem Bündel der Fokus dann bereits so dicht hinter der Eintrittsfläche liegt, daß an der Rohr-Rückwand bereits eine starke Divergenz des Schallbündels vorliegt. Deshalb können auch mit einem Schallbündel mit natürlichem Fokus, das also nicht zusätzlich fokussiert ist, gute Ergebnisse erzielt werden.
In einer verbesserten Ausführungsform ist der Prüfkopf deshalb li nienfokussierend, d.h. in der Querschnittsebene nicht fokussierend, sondern nur in Längsrichtung des Rohres fokussierend wirksam, was z.B. durch zylinderförmige Ausbildung der Vorlaufstrecken-Vorderfläche 1b zu erzielen ist.
Vor und hinter dem Rotor sind zwei Führungs- und Zentrierteile 3;4 angeordnet, die dafür sorgen, daß der Rotor 2 möglichst genau um die Rohrachse rotiert, sowie zwei Dichtungsringe 8; 9,die nicht rotieren, aber an der Rohrwand gleitend anliegen und mit dieser eine Kammer bilden, in die vom hinteren Ende der Sonde her durch das hintere Zentrierteil 4 hindurch das zur Prüfung erforderliche Roppelmittel geleitet wird, das im einfachsten Falle Wasser sein kann. Das vordere Zentrierteil 3 ist zur besseren Einführung in das Rohr vorteilhafterweise konisch ausgebildet. Um eine elektrische Verbindung zwischen dem rotierenden Prüfkopf 1 und dem elektronischen Meßgerät herzustellen, ist eine abgedichtete Kammer 6 zwischen dem Rotor 2 und der Antriebseinheit 5 vorgesehen, die Schleifringe oder einen berührungslosen Impulsübertrager oder andere - z B. kapazitive -Mittel zur Impulsübertragung enthält. Die Antriebseinheit 5 besteht aus einem kleinen Motor und einem Untersetzungsgetriebe und befindet sich vorzugsweise innerhalb des hinteren Zentrierteils 4. Bei besonders engen Rohren kann es jedoch vorteilhaft sein, die Antriebseinheit 5 außerhalb des Rohres unterzubringen und sie mit dem Rotor 2 über eine biegsame Welle zu verbinden. Als Motor wird ein Gleichstrommotor oder ein Synchron- bzw. Schrittmotor verwendet, aus dessen Stromimpulsen unter Berücksichtigung des Untersetzungsverhältnisses des Getriebes sich Informationen für die Winkelposition des Rotors 2 gewinnen lassen. Die am hinteren Ende der Sonde austretenden Röhren 10 11 bzw. Schläuche für das Koppelmittel und die Kabel 12; 13 für den Prüfkopf 1 und den Motor sind in einem Verbindungsschlauch zusammengefaßt, der an der Sonde befestigt ist, das Einführen und Herausziehen der Sonde ermöglicht und außerdem Mittel enthält oder mit solchen verbunden ist, die eine elektrische Anzeige des Vorschubs, d.h. der Tiefenposition, der Sonde ermöglichen.
Ein solches Mittel kann zum Beispiel ein Potentiometer sein.
Das Auswertegerät ist auf die Vorteile der neuen Innen-Meßsonde besonders zugeschnitten und bringt deren Fähigkeiten erst voll zur Wirkung: übliche Wanddicken-Meßgeräte benötigen zu ihrer Funktion im allgemeinen eine Vielzahl von Einzelimpulsen, aus deren Integration sie erst einen Meßwert bilden können. Sie sind für die hier vorliegenden Aufgaben ungeeignet, da bei der bewegten Abtastung schon bei jedem einzelnen Sende impuls ein oder sogar zwei zuverlässige Meßwerte geliefert werden müssen. Das hier vorgestellte Auswertegerät enthält im wesentlichen eine schnelle elektronische Auswerteschaltung, die in der Lage ist, aus den vom Prüfkopf kommenden Signalen bei einem einzigen Sende impuls eine genaue Laufzeit- und damit Schallwegmessung durchzuführen. In einem erprobten Ausführungsbeispiel wird dazu aus einem Impulspaar ein Rechtecksignal und aus diesem - z.B. durch eine Integratorschaltungein dem Impulsabstand, d.h. dem Schallweg, proportionaler Spannungswert gebildet.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprtche 0 Innen-Meßsonde und Auswertegerät zur Ultraschallprüfung nach dem Impulsechoverfahren von zylindrischen Hohlräumen, vorzugsweise von engen, dünnwandigen Rohren, vom Innern her, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen radial auf die Rohrinnenwand auftreffendes Schallbündel über den ganzen Rohrumfang geführt wird,und daß von einer schnellen elektronischen Auswerteschaltung je Sende impuls aus der Laufzeit zwischen diesem und dem Eintrittsecho in das Rohr und/oder aus der Laufzeit zwischen dem Eintritts- und dem Rückwandecho elektrische Größen für den Rohrradius und/oder die Wanddicke des Rohres gewonnen werden, die gemeinsam mit ebenfalls aus elektrischen Signalen der Innen-Meßsonde gewonnenen Informationen über die Prüfkopfposition eine sofortige Darstellung des Rohrquerschnitts und/oder Registrierung der genannten Abmessungen mit hoher Auflösung ermöglichen.
2 Innen-Meßsonde für Ultraschallprüfungen nach dem Impulsechoverfahren von zylindrischen Hohlräumen, insbesondere von Rohren, vom Innern her, wobei ein im wesentlichen radial auf die Rohrinnenwand auftreffendes Schallbündel über den Rohrumfang geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Ultraschall-Prüfkopf 1, einem das Schallbündel auf die Innenwand des Rohres richtenden Rotor 2, ein oder zwei Führungs- und Zentrierteilen 3; 4, einer Antriebseinheit 5, einer abgedichteten Kammer 6, einem Anschluß- und Vorschubteil 7 und Mitteln zur Positionsanzeige nach Winkel und Vorschub besteht.
3. Innen-Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Prüfkopf in axialer Richtung fest in der Sonde angeordnet ist und auf einen rotierenden, ebenen oder gewölbten Spiegel von z.B. 450 Neigung stahlt, der das Schallbündel auf die Rohrwand umlenkt und durch seine Rotation um die Sondenachse über den Rohrumfang führt.
4. Innen-Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Prüfkopf 1 quer zur Rohrachse angeordnet ist und selbst um diese rotiert.
5. Innen-Meßsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine abgedichtete Kammer 6 mit Schleifringen zur Impulsübertragung zwischen Rotor 2 und Antriebseinheit 5 angeordnet ist.
6. Innen-Meßsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer anstelle der Schleifringe ein berührungsloser Impulsübertrager zwischen Rotor und Antriebseinheit vorgesehen ist.
7. Innen-Meßsonde nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Prüfkopf 1 außer durch seine natürliche Fokussierung nicht besonders fokussierend ausgebilet ist.
8. Innen-Meßsonde nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Prüfkopf 1 linienfokussierend ausgebildet ist.
9. Innen-Meßsonde nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Prüfkopf 1 punktfokussierend ausgebildet ist.
10. Innen-Meßsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Prüfkopf 1 eine feste Vorlaufstrecke la besitzt, die bis dicht an die zu prüfende Rohrwand reicht.
11. Innen-Meßsonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufstrecke la nicht fokussierend ausgebildet ist.
12. Inen-Meßsonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite ib der Vorlaufstrecke la linienfokussierend ausgebildet ist.
13. Innen-Meßsonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite 1b der Vorlaufstrecke 1a punktfokussierend ausgebildet ist.
14. Innen-Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Zentrierteil 3g 4 mit Federbacken 3a, 4a vor und hinter dem Rotor 2 vorgesehen ist.
15. Innen-Meßsonde nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Zentrierteil 3 mit einem Einführungskonus 3b versehen ist.
16. Innen-Meßsonde nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierteile 3r 4 außen Dichtungsringe 8, 9 tragen, die zusammen mit der zu prüfenden Rohrwand eine Koppelmittelkammer bilden.
17. Innen-Meßsonde nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Röhren 10; 11 bzw. Schläuche durch das hintere Zentrierteil 4 geführt sind und in die genannte Koppelmittelkammer münden, durch die Zufluß und Abfluß des Koppelmittels erfolgen.
18. Innen-Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit 5 aus einem Motor und einem Untersetzungsgetriebe besteht.
19. Innen-Meßsonde nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit 5 sich im hinteren Zentrierteil 4 befindet.
20. Innen-Meßsonde nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rotor 2 und Antriebseinheit 5 eine biegsame Welle angeordnet ist.
21. Innen-Meßsonde nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Gleichstrom-, ein Synchron- oder ein Schrittmotor ist, aus dessen Stromaufnahme sich Impulse für die Gewinnung der Anzeige der Winkelposition des Rotors entnehmen lassen.
22. Innen-Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an ihrem hinteren Ende ein Verbindungsschlauch vorgesehen ist, der die Kabel 12; 13 und Schläuche 10; 11 enthält, das Einführen und Herausziehen der Innen-Meßsonde ermöglicht und Mittel enthält, die eine elektrische Anzeige der Tiefenposition der Innen-Meßsonde bewirken.
23. Auswertegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine schnelle elektronische Schaltung bei jedem einzelnen Sendeimpuls die Laufzeit zwischen zwei bestimmten Impulsen gemessen und daraus - z.B. mit Hilfe von Integratoren - ein dem zu messenden Schallweg proportionaler Spannungswert gebildet wird, der analog oder digital ausgegeben und bei Bedarf durch ein Mikrocomputersystem weiterverarbeitet werden kann.
24. Auswertegerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Impuls der Sendeimpuls oder das Vorlaufstreckenecho und der zweite Impuls das Eintrittsecho in das Rohr ist, so daß aus ihrem zeitlichen Abstand ein Meßwert für den Innenradius gewonnen werden kann, und daß eine elektronische Korrektur der Nullpunktverschiebung infolge des Mittenversatzes des Prüfkopfes oder eine Kompensation des Vorlaufstrecken-Schallweges erfolgt.
25. Auswertegerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Impuls das Eintrittsecho und der zweite Impuls das Rückwandecho ist, so daß aus ihrem Abstand ein Meßwert für die Wanddicke gewonnen werden kann.
26. Auswertegerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Meßwerten für den Innenradius und die Wanddicke ein Meßwert für den Außenradius gebildet wird.
27. Auswertegerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem ersten der genannten beiden Impulse eine zeitlich exponentiell oder ähnlich abnehmende Schwelle der Ansprechbarkeit für das zweite Echo zur Ausschaltung von Störechos und Ausschwingern des ersten Echos wirksam wird.
28. Auswertegerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Störunterdrückung vorgesehen ist, durch die mittels Vergleich zweier aufeinander folgender Meßwerte bei z.B. durch Echoausfall vorgetäuschtem zu großem oder durch Störimpulse verursachtem zu kleinem Meßwert bei Überschreiten einer einstellbaren, vorgegebenen Abweichung der verfälschte zweite Wert nicht berücksichtigt wird.
29. Auswertegerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Grobanzeige des jeweiligen Meßwertes durch eine Kette entsprechend vorgespannter Leuchtdioden erfolgt.
30. Auswertegerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Stromimpulsen des Antriebsmotors unter Berücksichtigung der Getriebeuntersetzung Informationen über die Winkelstellung des Prüfkopfes gewonnen werden.
31. Auswertegerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Darstellung des Rohrquerschnitts durch Aufzeichnung der analogen Meßwerte für den Innenradius und den Außenradius, zugeordnet zur Winkelstellung, vorzugsweise in Polarkoordinaten auf einem Speicheroszillographen, vorgenommen wird.
32. Auswertegerät nach Anspruch 23, dadurch gekm seichnett daß eine Aufzeichnung der Meßwerte für die Wanddicke, den Innenradius oder den Außenradius in digitalisierter Form, z.B. durch verschiedene Zeichen für verschiedene klassifizierte Bereiche, vorzugsweise auf einem Drucker in Form des abgewickelt dargestellten Rohres erfolgt, wobei z,B. die Längsrichtung des Rohres in Papierlaufrichtung und der Rohrumfang quer dazu dargestellt werden kann.
33. Auswertegerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß es ein digitales Anzeigegerät für den jeweiligen Meßwert und/oder eine Oszillographenröhre zur.Darstellung des Rohrquerschnitts enthält.