DE3424308A1

DE3424308A1 - Vorrichtung zur ortung eines defekten bereichs eines metallrohres

Info

Publication number: DE3424308A1
Application number: DE19843424308
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Yokohama Hojyo; Akio Columbus Ohio Nagamune; Takeo Yamada
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1983-07-04
Filing date: 1984-07-02
Publication date: 1985-01-17
Also published as: GB2143331A; JPH0457961B2; FR2548785A1; JPS6013205A; GB8416773D0

Description

Patentanwälte

. jpopp,8ajda,v. Bülow, Hrabal&Partner ^: ' - Postfach 860624 D-8000 München 86

München, den 28. Juni 1984 M/SUS-16-DE

Nippon Kokan K. K.

1-2, 1-chome, Marunouchi,

Chioda-ku, Tokyo

Japan

Vorrichtung zur Ortung eines defekten Bereichs eines

Metallrohres

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ortung eines defekten Bereichs bzw. Teils eines Metallrohres, insbesondere eine Vorrichtung zur leichten und hochsensitiven Ortung der Lage eines defekten Bereichs bzw. Teils eines Metallrohres, der durch Korrosion oder dgl. hervorgerufen ist.
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Metallrohre, wie z. B. im Boden eingebettete Gasrohre, neigen im Laufe der Zeit zu Defekten, wie z. B. durch Korrosion oder dgl. hervorgerufene Risse oder dgl. Schäden, Wenn ein kleiner Defekt in einem Gasrohr längere Zeit nicht repariert bzw. beseitigt wird, kann es zum Gasaustritt und einem großen Disaster kommen. Um jedoch vorher einen solchen Defekt reparieren bzw. beseitigen zu können, ist es erforderlich, die Lage des Defekts festzustellen.

-ΑΙ Zur Feststellung bzw. Ortung von in einem Metallrohr durch Korrosion oder dgl. verursachten Defekten gibt es zwei Typen herkömmlicher Vorrichtungen. Der erste Typ arbeitet mit einer ültrschall-Sonde; der zweite Typ mit einem Wirbelstromfühler. Gemäß Fig. 1 hat der eine Ultraschall-Sonde aufweisende Vorrichtungstyp einen Ultraschallsender und -empfänger 2, der einen Sender 2a zur Abgabe einer Ultraschallwelle an die Innenseite eines Metallrohres 1 und einen Empfänger 2b zum Empfang der reflektierten Ultraschallwelle umfaßt. Der Ultraschallsender und -empfänger 2 wird innerhalb des Metallrohres angeordnet und darin verfahren. Während seiner Bewegung innerhalb des Metallrohres werden vom Sender 2a Ultraschall-Impulse abgegeben. Der Empfänger 2b empfängt die an der inneren und äußeren Oberfläche la bzw. Ib des Metallrohres 1 reflektierten Wellen. Die Wanddicke des Metallrohres wird aus der Zeitverzögerung zwischen den von der inneren und äußeren Wandoberfläche la bzw. Ib reflektierten Wellen ermittelt. Auf diese ,Weise läßt sich ein durch Korrosion oder dgl. dünner oder fehlerhafter Bereich bzw. Teil des Metallrohres 1 feststellen."

Bei Verwendung eines eine Ultraschallsonde aufweisenden Vorrichtungstyps muß das Metallrohr 1 mit. Wasser 3 gefüllt werden, um eine akustische Brücke zwischen dem Rohr 1 und dem Sender sowie Empfänger 2a bzw. 2b zu erhalten* Das Wasser muß in das Rohr 1 vor Beginn der Fehlerortung eingefüllt und anschließend aus dem Rohr 1 wieder entfernt werden. Wenn die gesamte Wand des Rohres in Umfangsrichtung überprüft werden soll, müssen eine Vielzahl von Sendern 2a und entsprechend zugeordneten Empfängern 2b radial gerichtet angeordnet werden. Eine solche Vorrichtung zeichnet sich durch eine entsprechend große Baugröße aus. Aus diesem Grunde ist es sehrschwierig, nach der beschriebenen Ultraschallmethode korrodierte Stellen in einem Metallrohr 1, wie z. B. Gasrohr, festzustellen, das einen kleinen Durchmesser von z. B. 2,54 bis etwa 5,08 cm aufweist.

In Fig. 2 ist ein einen Wirbelstromfühler aufweisender Vorrichtungstyp schematisch dargestellt. Eine Spule 4 wird innerhalb eines Metallrohres 1 angeordnet. Die Spule 4 wird von einer Wechselstromquelle 5 gespeist.

Durch die Spule 4 wird ein magnetisches Feld H aufgebaut, das im inneren des Metallrohres 1 einen Wirbelstrom erzeugt. Der Wirbelstrom 6 führt zu einem sekundären Magnetfeld H, das dem Magnetfeld H entgegen-

s ρ

gesetzt gerichtet ist. Das Magnetfeld H wirkt also dem Magnetfeld H entgegen, derart, daß die Intensität desselben abnimmt und sich die Impedanz der Spule 4 ändert. Wenn die Impedanz der Spule 4 gemessen wird, kann also eine Änderung des Wirbelstroms 6 ermittelt bzw. errechnet werden. Wenn die Wandstärke des Metallrohres 1 abnimmt aufgrund von Korrosion oder dgl. erhöht sich der elektrische Widerstand des Metallrohres 1 mit der Folge, daß der Wirbelstrom 6 abnimmt. Eine Abnahme des Wirbelstroms 6 wird als Änderung der Impendanz der Spule 4 gemessen. Dadurch kann die Position einer korrodierten oder anderweitig defekten Stelle des Metallrohres 1 festgestellt bzw. geortet werden.

Bei Verwendung des eine Wirbelstromsonde aufweisenden Vorrichtungstyps tritt jedoch das Phänomen auf, daß der Wirbelstrom 6 dazu tendiert, sich an der Oberfläche des Metallrohres 1 gemäß dem sogenannten skin-Effekt von Wechselstrom zu konzentrieren. Die Tiefe eines Wandabschnitts, in der sich der Strom konzentriert, wird als Eindringtiefe bezeichnet. So beträgt die Eindringtiefe

gQ bei Stahl und etwa 50 Hz etwa 1 mm. Aus diesem Grunde weist eine Vorrichtung mit der innerhalb des Metallrohres 1 angeordneten Spule 4 eine geringe Sensitivität bezüglich der Ortung von Fehlern auf, die durch Korrosion an der äußeren Oberfläche eines eine Wanddicke von mehr

_oc als 2 bis 3 mm aufweisenden Rohres entstanden sind. Aus

diesem Grunde ist es mit dieser bekannten Vorrichtung schwierig, die Lage eines durch Korrosion oder dgl. bedingten Defekts festzustellen. Wenn die Frequenz

reduziert würde, erhielte man zwar eine größere Eindringtiefe; der Wirbelstrom würde jedoch abnehmen. Auch dann erhielte man in gleicher Weise wie oben eine Abnahme der Sensitivität.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ortung von defekten Stellen eines Metallrohres zu schaffen, mit der auch an der äußeren Oberfläche des Rohres durch Korrosion oder dgl.

hervorgerufene Defekte leicht und sicher festgestellt werden können, und zwar auch dann, wenn das zu überprüfende Rohr einen kleinen Durchmesser aufweist, wobei sich die Vorrichtung insbesondere auch durch einen kompakten Detektor mit hoher Präzision bezüglich der Ortung von durch Korrosion oder dgl. verursachten Defekten auszeichnen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 beanspruchten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ortung von defekten Stellen eines Metallrohres umfaßt also eine Stromquelle, mittels der das Rohr unter Wechselspannung gesetzt werden kann. Innerhalb des Rohres ist ein Magnetfelddetektor angeordnet. Dieser wird durch einen Antrieb innerhalb desselben bewegt zur Feststellung einer Magnetfeldänderung, die durch eine Störung in der Stromverteilung hervorgerufen wird, bedingt durch einen Defekt im Rohr. Eine I-Jagnetfeldanzsige (z.B.Bildschirm)ist mit dem Magnetfelddetektor zur Darstellung des festgestellten Magnetfeldes gekoppelt. Schließlich ist der Magnetfelddetektor noch mit einem Weganzeiger verbunden zur Peststellung seiner Position innerhalb des Rohres.

Mit einer derartigen Vorrichtung kann die Lage eines durch Korrosion oder dgl. verursachten Defektes an der äußeren Oberfläche des Rohres selbst dann sicher und genau festgestellt werden, wenn das Rohr einen kleinen

Durchmesser besitzt. Es kann ferner ein kompakter Detektor mit hoher Präzision bezüglich der Feststellung der Lage eines durch Korrosion oder dgl. hervorgerufenen Defektes verwendet werden.

Bevorzugte konstruktive Details der Erfindung sind in den Unteranspruchen beschrieben.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung XO anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Darstellung von innerhalb eines

Rohres angeordneten herkömmlichen Vor-

!5 richtungen der hier fraglichen Art im

schematischen Querschnitt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erklärung des Prinzips einer Vorrichtung zur

2Q Ortung defekter Stellen eines Metall

rohres gemäß der Erfindung;

Fig. 4-6 das Rohr nach Fig. 3 jeweils im schematischen Querschnitt zur Darstellung der Stromverteilung innerhalb des Rohres;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ortung defekter Stellen eines Metallrohres, das als Gasrohr im ο« Boden eingebettet ist;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines

Magnetfeld-Detektors für die Vorrichtung nach Fig. 7; und

Fig. 9a - 9c eine Darstellung der Meßwerte, die durch

die Vorrichtung nach Fig. 7 erhalten werden.

-tr- ■

Das Prinzip der Erfingung soll anhand der Fig. 3 beschrieben werden. Dort ist mit der Bezugsziffer 11 ein Metallrohr gekennzeichnet, das überprüft werden soll. Eine Stromquelle 12 ist durch Leitungen 13 direkt oder über korrosionsbeständige Anschlüsse 14 mit den beiden Enden des Rohres 11 bzw. mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Stellen des Rohres 11 verbunden, so daß durch die Wand des Rohres 11 längs einer vorbestimmten Richtung Strom fließen kann. Mittels eines Zug-, Druck- oder eines eigenen Antriebs kann ein Magnetfelddetektor innerhalb des Rohres 11 bewegt werden, um ein durch die Rohrwandung fließenden Strom erzeugtes Magnetfeld festzustellen. Eine Magnetfeld-Anzeige 17 ist mit dem Magnetfeld-Detektor 15 durch eine Signalleitung verbunden, wobei das Magnetfeld in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das elektrische Signal wird auf Magnetfeld-Anzeige z.B. Bildschirm 17 als Magnetfeldverteilung dargestellt. Der Magnetfeld-Detektor 15 ist ferner durch einen Draht 19 über ein Drahtlängen-Meßgerät 20 mit einer Drahttrommel 18 verbunden. Das Drahtlängen-Meßgerät 20 zählt auf dem Draht 19 angebrachte Markierungen oder die Anzahl von Umdrehungen der Drahttrommel um die B-awegungsdistanz des Drahtes und damit die Position des Magnetfeld-Detektors 15 festzustellen und anzuzeigen.

Gemäß der oben beschriebenen Anordnung wird der Magnetfeld-Detektor 15 innerhalb des Metallrohres 11. bewegt, während der Strom zwischen den beiden Enden des Rohres oder zwischen vorgegebenen Positionen desselben fließt. Die Position des Magnetfeld-Detektors 15 und die an dieser Stelle festgestellte Magnetfeld-Verteilung werden gemessen und durch das Drahtlängen-Meßgerät 20 sowie am- Magnetfeld-Anzeigegerät 17 angezeigt.

Da der Strom im inneren Wandbereich des Rohres über die Dicke desselben nicht verteilt ist, gilt die folgende Gleichung nach dem Ampöre'sehen Gesetz,die das Linien-

integral über einen geschlossenen Weg der magnetischen Induktion bildet:

§ Hi dl = 0 ... (1)

in der Hi die intensität des magnetischen Feldes bedeutet.

Sofern das Metallrohr 11 keinen Defekt bzw. Fehler aufweist, fließt ein konstanter Strom I durch die Wand des · Metallrohres 11 in gleichmäßiger Verteilung.

Deshalb besitzt das magnetische System eine Punktsymmetrie, woraus sich die Gleichung (2) ableitet:

Hi (r, © ) = a(r) ... (2)

in der "a" der Potentialvektor ist. Wenn das Ampere'sehen Gesetz auf irgendeinen Kreis angewendet wird, dessen Zentrum das gleiche ist wie dasjenige des Metallrohres Hf gilt nach den Gleichungen (1) und (2):

2^/Tra(r) = 0 (Ar)

und damit

a(r) = Hi (r, Θ) = 0 J.. (3)

Im Innern des Rohres 11 wird somit kein magnetisches Feld erzeugt.

Wenn jedoch im Metallrohr eine durch Korrosion oder dgl.

bedingte defekte Stelle 11a vorhanden ist, wird die Verteilung des Stromes "I" ungleichförmig, wie in Fig. 5a dargestellt ist. Diese Bedingung befriedigt nicht Glei_a5 chung (2) und damit auch nicht Gleichung (3).

Man erhält die Bedingung Mi /Omit einer ungleichförmigen Verteilung gemäß Fig. 5c. Auf diese Weise ist es ver-

ständlich, daß innerhalb des Metallrohres 11 ein magnetisches Feld erzeugt wird. Wenn das magnetische Feld durch den Magnetfeld-Detektor 15 in radialer Richtung des Metallrohres 11 festgestellt wird, kann die defekte Stelle 11a als durch Korrosion oder dgl. verursachter dünner Wandabschitt, der sich an der inneren oder äußeren Oberfläche des Metallrohres 11 befindet, identifiziert werden.

Ferner wird die Stromverteilung in axialer Richtung des Metallrohres 11 an der durch Korrosion oder dgl.verursachten defektenstelle 11a gestört, wie Fig. 6 erkennen läßt. Ein magnetisches Feld, das durch den Strom erzeugt wird, der durch die Wand des Metallrohres 11 in Längsrichtung desselben fließt, wird gemessen, um die defekte. Stelle 11a festzustellen bzw. zu orten.

unter Bezugnahme auf Fig. 7 wird eine Vorrichtung zur Feststellung bzw. Ortung einer defekten Stelle in einem , eingebetteten Gasrohr beschrieben. Eine Stromquelle 12 ist an zwei Punkten des Gasrohres 11 angeschlossen, das einen Durchmesser von etwa 5,08 cm und eine Länge von etwa 200 m besitzt. Die Stromquelle 12 wird dazu mit den korrosionsbeständigen Anschlüssen 14 durch eine Leitung 13 verbunden. Etwa auf halber Länge der Leitung 13 ist ein Schalter 21 angeordnet. Bei dieser Anordnung soll ein Strom von etwa 20 bis etwa 40 A von der Stromquelle 12 zum Gasrohr 11 fließen. In einem zylindrischen Kunststoffgehäuse 15a sind drei Sensoren 15X, 15Y und 15Z

3Q jeweils in vorbestimmter Richtung orientiert angeordnet zum Zwecke der Messung der Magnetfeldkomponenten in X-, Y- und Z-Richtung, wobei die X- und Y-Richtungen radial und die Z-Richtung axial bezüglich des Rohres 11 - orientiert sind (siehe Fig. 8). Am äußeren Umfang des Gehäuses 15a sind an den beiden Enden jeweils Zentrierwülste 15b angeordnet.

Wenn der Magnetdetektor 15, d. h. die Sensoren 15X, 15Y und 15Z, durch eine Druckkraft zu einer vorbestimmten Position bewegt wird , läßt sich der Detektor durch den Draht 19 wieder zurückziehen. Die Länge des Drahtes 19, die sich in das Innere des Metallrohres 11 hineinerstreckt, wird durch das Drahtlängen-Meßgerät 20 entsprechend den gezählten Markierungen auf dem Draht 19 oder der Anzahl von Umdrehungen der Drahttrommel 18 festgestellt. Daraus ergibt sich die Position des Magnetfeld-Detektors 15. Das elektrische Signal, das dem durch den Magnetfeld-Detektor 15 festgestellten Magnetfeld entspricht, wird durch die Signalleitung 16 an das Magnetfeld-Anzeigegerät (z. B. Bildschirm) übermittelt, unter Anzeige einer Magnetfeldänderung. Es sei darauf hingewiesen, daß der Einfluß des Erdmagnetismus und des Restmagnetismus an der Rohrverbindung festgestellt und durch Ein- und Ausschalten des Stromes mittels des Schalters 21 eliminiert wird.

Fig. 9 zeigt einen Fall mit einer defekten Stelle 11a, die am Metallrohr 11 durch Korrosion oder dgl. verursacht ist. Wenn von der Stromquelle 12 zum Metallrohr ein Gleichstrom von etwa 20 A fließt, läat.sieb die Intensität des Magnetfeldes am Magnetfeld-Anzeigegerät (z. B. BiIdschirm) 17 ablesen,wobei d,as Magnetfeld in X-Richtüng an der defekten Stelle lla,das ein Volumen von etwa 300 mm³ (Fig. 9a) besitzt und durch Korrosion od. dgl. verursacht, ist, auf dem Magnetfeld-Anzeigegerät 17 dargestellt wird entsprechend Fig. 9b, während das Magnetfeld in Z-Richtung (Rohrlängsrichtung) entsprechend Fig. 9c angezeigt wird. Auf diese Weise kann eine defekte , Stelle 11a an der äußeren Oberfläche des Metallrohres die durch Korrosion oder dgl. verursacht sein kann, mit ausreichender Genauigkeit festgestellt werden.

Der Magnetfeld-Detektor 15 besitzt eine geringe Größe.

Sein Durchmesser beträgt etwa 10 mm und seine Länge etwa 40 mm. Dieser Magnetfeld-Detektor 15 kann in Metallrohre

mit einem Durchmesser von etwa 2,54 cm ohne weiteres eingesetzt werden. Die Magnetfeld-Sensoren 15X, 15Y und 15z sind jeweils als Kompaktsensoren, z. B. als Hall-Sensoren oder Halbleitersensoren,ausgebildet. Die Stromquelle 12 kann Gleich- oder Wechselstrom erzeugen, um einen Defekt an der äußeren Oberfläche des Metallrohres von einem Defekt an der inneren Oberfläche desselben zu unterscheiden. Wenn ein Wechselstrom durch die Wand des Metallrohres 11 fließt, konzentriert sich der Strom an der äußeren Oberfläche des Metallrohres entsprechend dem eingangs erwähnten skin-Effekt, wodurch eine geringe Sensitivität bezüglich der Feststellung eines Defektes an der inneren Oberfläche erhalten wird. Aus diesem Grunde kann durch einen Vergleich von Messungen mit Wechsel- und Gleichstrom ein Defekt an der äußeren Oberfläche von einem Defekt an der inneren Oberfläche des zu überprüfenden Rohres unterschieden werden. Die beschriebene Vorrichtung kann auch zur Überprüfung anderer Rohre eingesetzt werden, z. B. von Rohren innerhalb eines .

Gebäudes oder eines Boilers. Insofern ist die Vorrichtung nicht beschränkt.

Erfindungsgemäß wird also der Magnetfeld-Detektor in das Metallrohr eingesetzt, durch das ein Strom fließt, und eine Änderung des Magnetfeldes festgestellt, die durch Störung in der Stromverteilung verursacht ist , um auf diese Weise durch Korrosion oder dgl. verurachte Defekte festzustellen. Das Rohr muß zur überprüfung nicht mehr mit Wasser gefüllt werden. Der Magnetfeld-Detektor kann

QQ .ein kompaktes Halbleiter-Element umfassen, so daß er in Rohre mit kleinstem Durchmesser eingeführt werden kann, um defekte Stellen festzustellen. Die eingangs beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Wirbelstromvorrichtungen werden durch die beschriebene und beanspruchte

gc Vorrichtung vermieden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gewährleistet .eine hohe Meßgenauigkeit.

1 Sämtliche in den Unterlagen offenbarte Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

AS

- Leerseite

Claims

Vorrichtung zur Ortung eines defekten Bereichs eines ■ Metallrohres Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Ortung defekter Stellen bzw. Bereiche eines Metallrohres, gekennzeichnet durch:

eine Energie- bzw. Stromquelle (12) zur Versorgung des Metallrohres (11) mit Strom;

einen in das Metallrohr (11) einsetzbaren Magnetfeld-3Q detektor (15) derart, daß dieser durch einen Antrieb

(19) bewegbar ist unter Messung eines Magnetfelds, das durch eine durch einen Defekt im Metallrohr (11) bedingte Störung der Stromverteilung verursacht ist;

g₅ ein Magnetfeld-Anzeigegerät (17), das mit dem Magnetfeld-Detektor (15) zum Zwecke der Anzeige des festgestellten und Magnetfeldes bzw. der festgestellten Magnetfeldänderung gekoppelt ist; und

eine Wegmesseinrichtung (20), die zum Zwecke der Feststellung der Position des durch den Antrieb (19) bewegbaren Magnetfeld-Detektors (15) innerhalb des Rohres (11) mit dem Magnetfeld-Detektor (15) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (12) über korrosionsbeständige Anschlüsse (14) mit den beiden Enden des Metallrohres

(11) oder mit vorbestimmten, voneinander beabstandeten Stellen des Metallrohres (11) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (12) zur Versorgung des Metallrohres (11) mit Gleich- und Wechselstrom ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeld-Detektor (15) derart ausgebildet ist, daß Magnetfeld-Komponenten zumindest in einer radialen und in Axial-Richtung des Metallrohres (11) meßbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (19) folgende Elemente umfaßt:

ein Druckorgan, mittels dem der Magnetfeld-Detektor in einer Richtung innerhalb des Rohres drückbar bwz. bewegbar ist; und

einen Draht (19), dessen eines Ende mit dem Magnetfeld-Detektor (15) zum Zurückziehen desselben in Richtung entgegengesetzt zu der erstgenannten Bewegungsrichtung verbunden ist.

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegmeß-Einrichtung ein Drahtlängen-Meßgerät (20) umfaßt.