DE3531975A1

DE3531975A1 - Verfahren und anordnung zur ermittlung der wandstaerke zylindrischer hohlkoerper

Info

Publication number: DE3531975A1
Application number: DE19853531975
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl Ing Mueller; Bernd Dipl Ing Hahn; Eckhard Dipl Phys Specht; Ulrich Dipl Phys Dr Schreppel; Rainer Dipl Phys Dr Rer Close; Ctibor Dipl Ing Seidl
Original assignee: ORGREB INST KRAFTWERKE
Current assignee: ORGREB INST KRAFTWERKE
Priority date: 1984-03-21
Filing date: 1985-09-07
Publication date: 1987-03-19
Also published as: DD240949A1

Description

Titel der Erfindung

Verfahren und Anordnung zur Ermittlung der Wandstärke zylindrischer Hohlkörper

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung der Wandstärke zylindrischer Hohlkörper, insbesondere zum Zwecke der Kontrolle der Abmessungen sowie der Ermittlung des korrosiven Abtrages der inneren Oberfläche an Rohrleitungen, z. B. von langzeitbeanspruchten Frischdampfleitungen in Kraftwerken.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Entsprechend dem Anwendungsgebiet der Erfindung wird im weiteren davon ausgegangen, daß infolge der Unzulänglichkeit des Meßobjektes eine Anwendung mechanischer Meßverfahren angeschlossen ist (geschlossene Rohrleitungssysteme). Es ist bekannt, daß in solchen Fällen eine Wandstärkebestimmung mit Ultraschallmethoden möglich ist. Hierbei kann entweder das Impulsechoverfahren (Laufzeitmessung) oder das Resonanzverfahren angewendet werden.

Beiden Verfahren ist gemeinsam, daß damit nur eine lokale (punktförmige) Erfassung der Wandstärke möglich ist, während z. B. zur Beurteilung des Betriebszustandes einer Frischdampfleitung in Kraftwerken die in einem Rohrquerschnitt vorhandene mittlere Wandstärke von Interesse ist. Bei oben genanntem Ultraschallverfahren sind zur Lösung dieser Aufgabe mehrfache Messungen über den Umfang erforderlich. Dies setzt z. B. bei Frischdampfleitungen in Kraftwerken eine vollständige Entfernung der Isolierung über den Rohrumfang voraus.

Weiterhin ist die Wandstärkenbestimmung mit Hilfe magnetischer Verfahren bekannt, wobei zwischen dem Tastspulen- und dem Durchlaufspulenverfahren unterschieden wird. Neben der als Nachteil zu nennenden geringeren Genauigkeit dieser Methoden haben die Verfahren unter Verwendung von Tastspulen die gleichen Nachteile wie die o. g. Ultraschallverfahren.

Bei Verwendung von Durchlaufspulen wird zwar eine gewünschte mittlere Wandstärke ermittelt, jedoch ist dieses Verfahren wegen der Verwendung der Ringspulenanordnung für geschlossene Rohrleitungssysteme nicht anwendbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Anordnung zur Wandstärkenbestimmung zylindrischer Hohlkörper zum Zwecke der Abmessungskontrolle und der Ermittlung des korrosiven Abtrages der inneren Oberfläche an Rohrleitungen, insbesondere langzeitbeanspruchter Frischdampfleitungen in Kraftwerken zu entwickeln.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe geeigneter elastischer Wellen eine Wandstärkenbestimmung zu erreichen. Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß in dem zylindrischen Hohlkörper zirkular umlaufende elastische Wellen in einem Frequenzbereich mit der Wellenlänge entsprechend der Größenordnung des Außenradius des Hohlkörpers angeregt und die maximale Verstärkung der angeregten Wellen sowie die dazugehörigen Frequenzen und Ordnungszahlen der Resonanz ermittelt werden, daraus mit Hilfe der errechneten Dispersionsrelationen das Radiusverhältnis des Hohlkörpers bestimmt und die Wandstärke errechnet wird (dabei bedeuten: Ri = Innenradius, R = Außenradius, D = Durchmesser). Zur Realisierung ist erfindungsgemäß im interessierenden Meßbereich des Hohlkörpers eine aus Sender und Empfänger bestehende Baugruppe angeordnet, wobei der Sender mit einem verstimmbaren Generator sowie einem Frequenzmesser und der Empfänger mit einem Sichtgerät verbunden ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt:

Fig. 1: die Prinzipskizze der Meßanordnung, wobei die Wandstärkebestimmung an einer im eingebauten Zustand befindlichen Frischdampfleitung erläutert wird,

Fig. 2: das Diagramm für die Dispersionsrelationen des longitudinalen Grundastes der zirkular umlaufenden Wellen in Rohren,

Fig. 3: das Diagramm der Abhängigkeit der Radienverhältnisse α vom Quotienten aus Phasengeschwindigkeit c und Rayleighgeschwindigkeit C _R,

Fig. 4: das Diagramm für die Abhängigkeit der Hilfsgröße gi der Resonanzfrequenzpearen und den Radienverhältnissen α.

Die Frischdampfleitung 1 (Fig. 1) aus dem Werkstoff 12 Ch 1 MF mit der Isolierung 2, die im Neuzustand einen Außendurchmesser D = 240 mm sowie eine Wandstärke d = 32,0 mm aufwies, ist bereits über eine bestimmte Betriebszeit belastet worden. Es ist zu ermitteln, um wieviel die Wandstärke durch Korrosionsabtrag geschwächt worden ist.

Für die Ermittlung der Wandstärke ist im interessierenden Meßbereich eine geringfügige lokale Entfernung eines Isolierungsteiles 3 erforderlich, damit die Baugruppe 4 auf die Oberfläche der Frischdampfleitung angeordnet werden kann. Die Baugruppe 4 enthält den Sender 5 und den Empfänger 6, die sich innerhalb der Baugruppe 4 in unmittelbarer Nähe in axialer Richtung verschoben befindet. Der Sender 5 ist dabei mit dem verstimmbaren Generator 7 sowie dem Frequenzmesser 8 und der Empfänger 6 mit dem Sichtgerät 9, z. B. einem Oszillografen, verbunden.

Die Wirkungsweise ist folgende:

Die geometrische Bedingung für die Anwendung der erfindungsgemäßen Wandstärkenbestimmung sind gegeben, da die Wellenlänge λ die gleiche Größenordnung wie der Außenradius R der Frischdampfleitung 1 aufweist. Sender 5 und Empfänger 6 sind im direkten Kontakt mit der Frischdampfleitung gebracht. Der Frequenzbereich f für die Verstimmung des Generators 7 wird zwischen 5 und 40 kHz festgelegt und über den Sender 5 werden in der Frischdampfleitung zirkular umlaufende elastische Wellen angeregt. Am Sichtgerät 9 wird der Resonanzpeak, d. h. die maximale Verstärkung der angeregten Wellen, ermittelt.

Diese Verstärkung ergibt sich, wenn die Gleichung erfüllt ist, wobei n die Ordnung der Resonanzfrequenz bedeutet.

Die berechneten Abhängigkeiten der Phasengeschwindigkeit von der Wellenlänge (Dispersionsrelation) für zirkular umlaufende elastische Wellen werden im genannten Frequenzbereich empfindlich von dem Verhältnis Innenradius Ri zu Außenradius R beeinflußt. Durch Messungen der Resonanzfrequenz f _n sowie einer geeigneten Ermittlung der zugehörigen Ordnung n der Resonanz kann mit Hilfe der errechneten Dispersionsrelationen das Radienverhältnis α = Ri/R bestimmt werden. Nach Messung des Durchmessers D errechnet sich die Wandstärke d zu

Für diese Verstärkung werden am Frequenzmesser 8 die Frequenzen f _n angezeigt. In Form einer Meßreihe werden die Frequenzen f _n ermittelt:

f _nOrdnungszahl n

876641296451753662227572713883205693698810

Tabelle 1

Bei Kenntnis der in Tabelle 1 angegebenen Resonanzfrequenzen sowie der zugehörigen Ordnung n der Resonanz ist eine direkte Bestimmung des Radienverhältnisses α = Ri/R aus der berechneten Dispersionsrelation möglich (Fig. 2). Hierzu müssen die Normierungsgrößen Rohrumfang U und Rayleighgeschwindigkeit C _R des Werkstoffes bekannt sein. In diesem Fall genügt eine einzige Frequenzmessung. Daraus ergibt sich, daß die Phasengeschwindigkeit c des longitudinalen Grundastes der hier verwendeten zirkular umlaufenden elastischen Wellen gerade im Bereich kleiner Ordnungen der Resonanz (und mithin kleiner Frequenzen) empfindlich von α = Ri/R abhängt (Fig. 2). Dies ist in einer ungezeichneten Darstellung (Fig. 3) deutlich erkennbar (hier wurde über C/C _R für einige ausgewählte Ordnungen n dargestellt).

Die in Tabelle 1 aufgeführten Ordnungszahlen n der Resonanz werden in der Regel jedoch nicht direkt gemessen, so daß nachträglich mit Hilfe geeigneter Verfahren eine Zuordnung der Resonanzfrequenzen f _n und der Ordnungszahlen n erfolgen muß. Bekannt ist aber, daß die einzelnen f _n lückenlos aufeinanderfolgende Resonanzen sind, d. h. die Ordnungszahlen sind in der Reihenfolge natürlicher Zahlen geordnet. Zur Ermittlung dieser Zuordnung kann mit Vorteil der Umstand ausgenutzt werden, daß die Phasengeschwindigkeit für n = Null ist, d. h. die kleinstmögliche Frequenz minimal die Ordnung n = 2 haben kann (Fig. 2). Bei Vorliegen mehrerer gemessener Resonanzfrequenzen (Anzahl N) können die Frequenzen zu M = (N/2) Paaren geordnet werden. Für jedes Paar f _n; f _m kann eine Hilfsgröße i = 1, 2, ... M, gebildet werden.

Die Größe g _i kann einerseits mittels der gemessenen Frequenz und einer zunächst willkürlichen Zuordnung der Ordnungszahlen errechnet werden, zum anderen ergibt sich aus den berechneten Dispersionsrelationen (Fig. 3), wobei die gleiche willkürlich getroffene Zuordnung der Ordnungszahlen zu verwenden ist.

Bei der gesuchten korrekten Zuordnung besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Hilfsgröße g _i für jedes Resonanzfrequenzpaar und dem Radienverhältnis α, wie für einige mögliche Kombinationen n; m dargestellt ist (Fig. 4).

Da das Radienverhältnis für ein gegebenes Rohr konstant ist, muß sich mithin aus jeder Hilfsgröße g _i das gleiche Radienverhältnis α ergeben.

In einem Rechenprogramm wird dementsprechend unter Verwendung der analytisch approxinierten Abhängigkeiten α von C/C _R, aus denen sich die benötigten Hilfsgrößen g _i errechnen lassen, die Zuordnung der Ordnungszahlen n zu den Resonanzfrequenzen, beginnend mit der Ordnungszahl n = 2 für die niedrigste Frequenz, solange schrittweise verändert, bis die sich aus der Hilfsgröße g _i ergebenden Radienverhältnisse alle gleich sind. Die Zuordnung, für welche dies der Fall ist, ist die korrekte, und das zugehörige Radienverhältnis ist das gesuchte Radienverhältnis. Bei dieser Vorgehensweise werden minimal 3 aufeinanderfolgende Resonanzfrequenzen benötigt (die Kenntnis der Normierungsgröße M und C _R ist zur Bestimmung des Radienverhältnisses nicht erforderlich). Die Verwendung von mehr als 3 Resonanzfrequenzen erhöht die Genauigkeit der Bestimmung der Radienverhältnisse. Für die in Tabelle 1 dargestellten Resonanzfrequenzen wurde unter Verwendung der berechneten Dispersionsrelation ein mittleres Radienverhältnis von α = Ri/R = 0,7397 ermittelte. Bei einem Außendurchmesser D = 240 mm beträgt damit die mittlere Wandstärke

Bei einer Ausgangswandstärke von d _D = 32,0 mm wurden somit 0,8 mm korrosiver Abtrag ermittelt.

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

1. Das erfindungsgemäße Verfahren und deren Anordnung ist in Verbindung mit der bekannten Umfangsbestimmung von Rohrleitungen mittels zirkular umlaufenden elastischen Wellen besonders vorteilhaft anwendbar.

2. Durch die Erfindung ist die Ermittlung der Wandstärke auch an Rohrleitungen der Chemieindustrie sowie der pneumatischen und hydraulischen Förderung möglich.

3. Durch Anwendung der Erfindung ist nur eine lokale Entfernung der Isolierung an der Rohrleitung notwendig.

4. Durch die Erfindung ist eine nachträgliche "Nullmessung" der Wandstärke bei bereits montierten und isolierten Rohrleitungen möglich.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Frischdampfleitung
2 Isolierung
3 Isolierungsteil
4 Baugruppe
5 Sender
6 Empfänger
7 Generator
8 Frequenzmesser
9 Sichtgerät

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Wandstärke zylindrischer Hohlkörper, insbesondere zur Kontrolle der Abmessung und zur Ermittlung des korrosiven Abtrages der inneren Oberfläche von Rohrleitungen, z. B. von langzeitbeanspruchten Frischdampfleitungen in Kraftwerken, gekennzeichnet dadurch, daß in dem zylindrischen Hohlkörper zirkular umlaufende elastische Wellen in einem Frequenzbereich mit der Wellenlänge entsprechend der Größenordnung des Außenradius des Hohlkörpers angeregt und die maximale Verstärkungen der angeregten Wellen sowie die dazugehörigen Frequenzen und Ordnungszahlen der Resonanz ermittelt, daraus mit Hilfe der errechneten Dispersionsrelationen das Radienverhältnis des Hohlkörpers bestimmt und die Wandstärke errechnet wird (dabei bedeuten: R ₁ = Innenradius, R = Außenradius, D = Durchmesser).

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß im interessierenden Meßbereich des Hohlkörpers eine aus Sender und Empfänger bestehende Baugruppe angeordnet ist, wobei der Sender mit einem verstimmbaren Generator sowie einem Frequenzmesser und der Empfänger mit einem Sichtgerät verbunden ist.

3. Anordnung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß Sender und Empfänger in axialer Richtung verschoben nebeneinander angeordnet sind.

4. Anordnung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Baugruppe nach lokaler Entfernung der Isolation auf der Oberfläche einer Frischdampfleitung angeordnet ist.