DE4102576A1 - Verfahren zur bestimmung der dicke und der eigenschaften eines gemeinsam mit einem zirkonium-aussenrohr stranggepressten zirkonium-innenrohrs durch ultraschallpruefung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallprüfungsverfahren zur Bestimmung der Dicke und der Eigenschaften eines von einem Außenteil umgebenen Innenteils, und zwar an verschiedenen Punkten entlang der Länge, über die sich beide Teile er­ strecken, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die hier interessierende Ultraschallprüfung ist altbekannt. Die für die Durchführung des Prüfverfahrens erforderlichen Schallköpfe und Meßwertaufnehmer sind im Handel erhältlich. Zum Abblocken bestimmter unerwünschter Signale sind in Ver­ bindung mit dem Meßwertaufnehmer Zusatzgeräte erhältlich, wobei ein Bandschreiber anschließbar ist, so daß die aufge­ zeichneten Dicken und Eigenschaften visuell verfolgt werden können und das Banddiagramm aufbewahrt werden kann. Deswei­ teren ist es üblich, den Meßwertaufnehmer mit einer Katho­ denstrahlröhre zu verbinden, um die Signale im Zeitpunkt der Aufnahme am Bildschirm sichtbar zu machen. In bestimmten fäl­ len, in denen die Signalstärken verschiedener Signale sehr verschieden sind, also ein sehr schwaches kritisches Signal und andere sehr starke Signale vorliegen, können sich jedoch Störungen durch Fremdsignale soweit ausbreiten und so stark werden, daß eine effektive Messung unmöglich wird.

Dies ist der Grund dafür, das die ansonsten übliche Technik der Ultraschallprüfung bisher nicht zur Anwendung gebracht wurde, wenn es darum, ging, ein Ultraschallsignal von der Grenzfläche zwischen einem Zirkonium-Außenrohr und einem damit gleichzeitig stranggepreßten Zirkonium-Innenrohr aus sehr ähnlichem Material und in gleicher Weise ein Ultra­ schallsignal von der Innenfläche des Innenrohres zu em­ pfangen, um aus beiden Signalen die Dicke und die Eigen­ schaften des Innenrohres zu bestimmen, und zwar aufgrund der Wegzeit der Ultraschallwellen zwischen beiden Signalen, was der üblichen Verfahrensweise entspräche. Das von der Grenz­ fläche zwischen beiden Rohren reflektierte Ultraschallsignal ist hier im Vergleich zu anderen Signalen und auch Störsig­ nalen so schwach, daß es nicht isoliert werden kann, was be­ deutet, daß die Dicke des Innenrohres auf diese Weise nicht bestimmbar ist.

Für die Kernreaktor-Industrie, welche mit solchen gemeinsam stranggepreßten Zirkonium-Rohren zur Befüllung mit Kernbrenn­ stoff zu arbeiten hat, ist es aber wichtig, daß die Dicke des Innenrohres entlang der Rohrlänge etwa gleichmäßig ist, und daß die Messung dieser Dicke möglichst zerstörungsfrei ledig­ lich durch das Abtrennen der Rohre an den ohnehin zur Abtren­ nung vorgesehenen Stellen durchführbar ist. Grundsätzlich wäre hierfür die Anwendung der Ultraschallprüfung geeignet, was aber, wie oben beschrieben, aus praktischen Gesichtspunk­ ten als unmöglich angesehen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe brauchbare Messungen der Dicke und der Eigenschaften eines gemeinsam mit einem Zirkonium-Außenrohr strangggepreßten Zirkonium-Innenrohr er­ zielbar sind.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Das die Grenzfläche zwischen Außenrohr und Innenrohr dar­ stellende, sehr schwache Ultraschallsignal wird nach der Erfindung vor dem "Verlorengehen" unter dominanteren fremd­ signalen dadurch bewahrt, daß diese Fremdsignale auf beiden Seiten eines zwischen den beiden kritischen Signalen verlau­ fenden Zeitgatters und vorzugsweise auch innerhalb dieses Zeitgatters derart abgeblockt werden, daß ein gegenüber dem Rauschhintergrund brauchbares Signal erhalten wird, welches erkennbar und meßbar ist, wobei sich der Schallprüfkopf und das Rohr während der Messung relativ zueinander bewegen. Dies wird durch die Installierung eines Signal-Abblockgatters er­ reicht, welches strategische Bereiche und nicht nur lediglich einen Signalbereich überspannt, wie das bei herkömmlichen und im Handel erhältlichen Abblockgatterausstattungen der Fall ist. Das an sich übliche Zeitgatter wird eingerichtet, um die Zeit zu messen, die die Ultraschallwellen für den Weg von der Grenzfläche beider Rohre zur Innenfläche des Innenrohres be­ nötigen.

Ein Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt ein Abblockgatter für innerhalb des Zeitgatters auf­ tretende Fremdsignale dar. Durch Bewertung des Banddiagramms können nämlich vorübergehend auftretende Rauschsignale sehr kurzer Dauer, welche zufällig und als Spitzen auftreten, als irrelevant entlarvt und für die Messung ignoriert werden. Wenn die Anlage entsprechend computerisiert ist, kann dies auch durch Computeranalyse geschehen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nach­ folgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigt

Fig. 1 etwas vergrößert eine Gesamtdar­ stellung eines typischen Banddia­ gramms, welches bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommen worden ist und die Dicken und verschiedenen Eigen­ schaften eines Zirkonium-Innen­ rohres entlang der Länge eines Zirkonium-Außenrohres zeigt,

Fig. 2 schematisch ein Schirmbild einer Kathodenstrahlröhre, welche die vom Ultraschallmeßgerät gewonnen­ nen Signale anzeigt, wobei das Echosignal der Grenzfläche zwi­ schen beiden Rohen als solches und andere Signalbereiche in ähn­ licher Weise identifiziert ist bzw. sind, und

Fig. 3 eine ähnliche schematische Dar­ stellung, welche das Innenrohr- Grenzflächensignal, eine Dis­ tanz/Amplituden/Korrekturkurve, das Zeitgatter, und Abblockgatter darstellt.

Die gegenwärtig denkbar beste Ausführungsform der Erfindung beinhaltet einen an sich bekannten, mit Rädern ausgestatteten Schlitten (nicht dargestellt), um einen kardanisch aufgehängten Ultraschall-Prüfkopf zu tragen und diesen ent­ lang des Rohres derart zu verfahren, daß eine enge geome­ trische Beziehung zwischen Prüfkopf und Grenzfläche zwischen Außen- und Innenrohr aufrecht erhalten werden kann. Da die Rohre der hier interessierenden Art nicht hundertprozentig zylindrisch, sondern an verschiedenen Punkten entlang deren Länge leicht gebogen sind, ist der Schlitten vorzugsweise an entsprechend wichtigen Stellen mit Federn ausgestattet, damit diese eine durch ungleichmäßige Drehung des Rohres verur­ sachte Staucherscheinung absorbieren können.

Ultraschall-Prüfköpfe, Ultraschall-Meßwertaufnehmer und Ab­ blend-Zusatzgeräte usw. sind im Handel erhältlich und dem Fachmann hinlänglich bekannt, so daß eine detailierte Be­ schreibung dieser Teile nicht notwendig ist.

Im vorliegenden Fall wird ein 10-MHz-Ultraschall-Prüfkopf mit einer Brennweite von ca. 150 mm und ein Ultraschall-Rißprüf­ gerät verwendet, welches sich zur Ausführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens als äußerst zufriedenstellend erwie­ sen haben. Das Rißprüfgerät besitzt zunächst ein einziges Ab­ blockgatter und wird mit zwei weiteren Signal-Abblockgattern ausgestattet, um es so zu modifizieren, daß dominante Rausch­ signale mit hoher Frequenz und unerwünschte Signale mit län­ gerer Dauer als die der erwünschten Signale herausgefiltert werden, damit diese keinen störenden Einfluß mehr haben.

Die Geräte zum Abblocken der Signale sind derart konstruiert und arrangiert, daß Ultraschall-Fremdsignale abgeblockt wer­ den, welche überall auf beiden Seiten des sehr schwachen, die Grenzfläche zwischen Außenrohr und Innenrohr darstellenden Signals auftreten. Die Bereiche, in denen solche Signale auf­ treten können, erstrecken sich wenigstens zwischen der Grenz­ fläche und der inneren Zylinderfläche des Rohrerzeugnisses, wobei die innere Fläche ein relativ starkes Signal ergibt, und zwischen der Grenzfläche und der äußeren Zylinderfläche des Rohrerzeugnisses, wobei wiederum die Außenfläche ein re­ lativ starkes Signal ergibt. Die Geräte zum Abblocken der Signale sind auch so arrangiert, daß alle Rauschsignale vom hohlen Inneren des Rohres abgeblockt werden, wie die Katho­ denstrahlröhre des Geräts zeigt.

Diese hierfür benötigten Geräte zum Abblocken sind im Handel erhältlich. Wiederum haben solche Geräte zunächst nur ein Haupt-Abblockgatter, wobei zwei weitere Abblockgatter ent­ sprechend der Erfindung eingebaut werden, um somit das er­ findungsgemäße Verfahren ausführen zu können. Obwohl es das oben beschriebene Abblocken ermöglicht, das sehr schwache Signal von der Grenzfläche beider Rohre zu orten und ihm zu folgen, treten, wie oben bereits erwähnt, zufällige, momen­ tane, dominante Fremdsignale auf, welche zu ignorieren sind.

Man muß bedenken, daß das Zirkonium-Außenrohr und das Zirko­ nium-Innenrohr fast aus identischen Metallen besteht. Das Außenrohr besteht aus einer als "Zirkaloy 2" bekannten Le­ gierung mit einem Maximalgehalt von ungefähr 1,7% Zinn, 0,2% Eisen, 0,15% Chrom und 0,09% Nickel und das Innenrohr besteht im wesentlichen aus reinem Zirkonium. Deshalb ist bisher keine allgemein verwendbare Methode gefunden worden, solche miteinander stranggepreßten Zirkonium-Rohre zerstö­ rungsfrei auf Gleichförmigkeit ihrer Innenrohrdicke zu prü­ fen; das durch die Grenzfläche beider Rohre hervorgerufene sehr schwache Ultraschallsignal hat die Anwendung von her­ kömmlichen Ultraschallprüfverfahren verhindert.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgenommenes, typisches Banddiagramm, welches die Dicke und die Eigenschaf­ ten des Innenrohres entlang der Länge des damit gemeinsam stranggepreßten Außenrohres sowie des Innenrohres anzeigt, ist in Fig. 1 dargestellt, wobei die Innenrohrdicke durch die entsprechenden Lagen der Kurve 10 in den entsprechenden Diagrammabschnitten dargestellt wird. Zwischen je zwei Teil­ strichen des Diagrammpapiers seien 0,025 mm. Momentane, do­ minante Fremdsignale treten als Spitzen 11 auf und werden beim Lesen des Diagramms ignoriert. Im unteren Teil der Figur ist ein typisches Zweischritt-Standardabtastdiagramm gezeigt, welches zur Kalibrierung geeignet ist.

Fig. 2 zeigt ein typisches Schirmbild einer Kathodenstrahl­ röhre eines Ultraschall-Rißprüfgeräts, wobei das Echosig­ nal 12 der Grenzfläche zwischen beiden Rohren zwischen zwei Signalgruppen deutlich hervorsteht, von denen die eine Sig­ nalgruppe 13 das Echo der Rohraußenseite und die andere Sig­ nalgruppe 14 dasjenige der Rohrinnenseite, d. h. des Innen­ durchmessers repräsentiert.

In Fig. 3 ist eine ähnliche Anzeige dargestellt, und zwar mit Abstands/Amplituden/Korrekturkurven 15, wobei das Signal 12 der Grenzfläche beider Rohre, ein Zeitgatter 16, ein Haupt- Abblockgatter 17, ein zweites Abblockgatter 18 und ein drit­ tes Abblockgatter 19 gezeigt sind.

Das Zeitgatter 16 variiert in seiner Weite entsprechend der verstrichenen Zeit bei Wanderung des Ultraschalls von der Grenzfläche beider Rohre zur Innenfläche des Innenrohres und es steuert den Stift des Bandschreibers. Das aufgenommene Diagramm 10 repräsentiert verläßlich die Ultraschallwelle, welche die Dicke des Innenrohres vermißt, wobei die Dicke des Innenrohres entlang jedes Punktes dessen Länge durch die Lage der Kurve 10 auf dem Banddiagramm angezeigt wird. Die Breite der aufgenommenen Kurve 10 zeigt die Exzentrizität des Quer­ schnitts des Innenrohres an jedem beliebigen Punkt an; je breiter die Kurve ist, desto größer ist die Exzentrizität des Innenrohres.

Das Haupt-Abblockgatter 17, dessen rechte Grenze einstellbar ist, um Raum für das Signal 12 zu schaffen, blockt starke Signale auf der linken Seite in Fig. 3 ab, welche das Grenz­ flächensignal 12 überdecken und nicht unterscheidbare Signale schaffen würden, und das Abblockgatter 19 bewirkt das gleiche auf der rechten Seite des Zeitgatters 16 in Fig. 3. Das Ab­ blockgatter 19, dessen linke Grenze einstellbar ist, um Raum für die Signale 14 zu schaffen, blockt Signale ab, deren Dauer kürzer als eine gegebene Zeit, z. B. 2 oder 3 Milli­ sekunden ist.

Die linke und rechte Grenze des Zeitgatters 16 sind jeweils frei und fließen, so daß das linke Ende der Kurve 10 eine Minimaldicke des Innenrohres und das rechte Ende eine Maxi­ maldicke anzeigt, wobei somit die Charakterisierung durch Minimal- und Maximaldicke des Erzeugnisses für potentielle Kunden erhältlich ist. Der Abstand zwischen dem Signal 12 und der Signalgruppe 14 entspricht dem Maß der Dicke des Innen­ rohres. Das Abblockgatter 18 muß enger als das Zeitgatter 16 gehalten werden, wobei es andererseits so groß wie möglich sein soll. Seine linke Grenze ist mit dem Signal 12 verbunden und seine rechte Grenze wird gut innerhalb des Zeitgatters 16 gehalten, und zwar durch manuelles Einstellen des Geräts auf­ grund visueller Beobachtung der sich verändernden Breite des Zeitgatters 16, was auf dem Bildschirm der Kathodenstrahl­ röhre als ein erleuchtetes Rechteck zu erkennen ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung der Wandstärke und der geometrischen Eigenschaften eines Zirkonium-Innenrohres, welches von einem damit gemeinsam stranggepreßten Zirkonium-Außenrohr umgeben ist, und zwar entland deren gemeinsamer Länge, gekennzeich­ net, durch die Verfahrensschritte:
kontinuierliches Aufbringen von Ultraschall auf die Außen­ fläche des sich drehenden Außenrohres bei gleichzeitigem Bewegen in Längsrichtung derart, daß Echosignale (12, 14) erzeugt werden, welche der Grenzfläche zwischen Außenrohr und Innenrohr bzw. innerer Oberfläche des Innenrohres entspre­ chen; Auffangen eines relativ schwachen Ultraschall-Echos von der Grenzfläche zwischen beiden Rohren und eines stärkeren Ultraschall-Echos von der Innenoberfläche des Innenrohres, wodurch dazwischen eine variable Zeitzone (16) gebildet wird, welche der Dicke und den geometrischen Eigenschaften des In­ nenrohrs an sukzessiven Punkten entlang der Bewegungsstrecke der Ultraschall-Aufbringung entspricht, wobei Fremdsignale jenseits beider Seiten der und innerhalb der Zeitzone (16) durch entsprechende Abblockgatter (17, 18, 19) abgeblockt werden,
Verblocken derjenigen Seite des Abblockgatters (18), die innerhalb der Zeitzone und benachbart zum aufgefangenen Zwi­ schenflächen-Echosignal (12) liegt, mit dem Zwischenflächen- Echosignal (12); Einstellen beider Seiten dieses Abblockgat­ ters (18) von Zeit zu Zeit derart, daß das Abblockgatter (18) einen maximalen Bereich der Zeitzone (16) überstreicht, aber enger als die Zeitzone (16) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgefangenen Ultraschallechos (12, 13, 14) von der Grenz­ fläche und von der Innenoberfläche des Innenrohrs, sowie der Außenoberfläche des Außenrohrs auf dem Schirm einer Kathoden­ strahlröhre dargestellt werden.

3. Vefahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstands/Amplituden/Korrekturkurve (15), die Zeitzone (16) und die Abblockgatter (17, 18, 19) auf dem Bildschirm darge­ stellt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf einem Bandschreiber eine Kurve (10) aufgezeichnet wird, welche die Innenrohrstärke und die geo­ metrischen Eigenschaften darstellt, wobei der Schreibstift des Bandschreibers durch die Ultraschallsignale der Zeit­ zone (16) gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß alle momentanen dominanten Rauschsigna­ le (11), welche durch die Abblockgatter nicht abgeblockt werden, als irrelevant ignoriert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Außenrohr aus einer Zirkoniumlegierung und das Innenrohr im wesentlichen aus reinem Zirkonium be­ steht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich verändernde Breiten der Zeitzone (16) auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre dargestellt werden und daß das Abblocken von Fremdsignalen (11) innerhalb der Zeitzone (16) von Zeit zu Zeit derart eingestellt wird, daß das entsprechende Abblockgatter (18) in jedem Fall enger als die Breite der Zeitzone (16) ist.