DE4338752C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion eines ferromagnetischen Fremdkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Detektion eines ferromagnetischen Fremdkörpers, der sich außerhalb eines von nicht-ferromagnetischen Kompo­ nenten umgebenen nicht-ferromagnetischen Rohres, beispiels­ weise des Wärmetauscherrohres eines Dampferzeugers, befindet.

Bei Wartungsarbeiten oder Reparaturen an den Rohrbündeln im Sekundärkreislauf eines nuklearen Dampferzeugers können unter Umständen Fremdkörper zurückbleiben. Diese können sich inner­ halb des Rohrbündels in den Abstandshaltergittern für das Rohrbündel oder in der Strömungsverteilerplatte verfangen und dort durch andauerndes Flattern Schäden durch Reibkorrosion hervorrufen (loose part fretting).

Die im Innern des Wärmetauscherrohrbündels festsitzenden Fremdkörper können durch eine visuelle Inspektion von außen nicht gefunden werden.

Eine Möglichkeit zum Auffinden und Detektieren solcher Fremd­ körper besteht nun darin, die bei der Prüfung von Wärme­ tauscherrohren in Dampferzeugern bekannten Methoden der zer­ störungsfreien Werkstoffprüfung einzusetzen. Bei diesen be­ kannten Prüfmethoden wird eine Prüfsonde in das Rohr einge­ führt und eine von der Innenseite des Rohres ausgehende zer­ störungsfreie Prüfung, beispielsweise mit Wirbelstrom oder Ultraschall durchgeführt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit diesen bekannten Prüfme­ thoden der Nachweis von Fremdkörpern nur in ganz seltenen Fällen möglich ist. Eine Ursache hierfür ist der in vielen Fällen nur punktuelle und lose Kontakt zwischen dem Fremdkör­ per und der Außenwand des Wärmetauscherrohres.

Aus B. Goor, Inspektion ferritischer Wärmetauscherrohre, Atomwirtschaft, Februar 1989, S. 80-81, ist ein Verfahren und eine Inspektionssonde zur Inspektion ferritischer Wärme­ tauscherrohre bekannt, die einen Permanentmagneten und zwei elektrische Spulen enthält. Diese Inspektionssonde wird in das Wärmetauscherrohr eingeführt und bewirkt dort eine lokale Magnetisierung. Bei der Bewegung dieser Inspektionssonde durch das Wärmetauscherrohr verursachen dann in der Wand be­ findliche Diskontinuitäten lokale Magnetfeldänderungen, die in den Spulen Spännungen induzieren.

Aus der DE-40 27 020 A1 sind außerdem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung des Vorhandenseins von metalli­ schen Bewehrungselementen in der Umgebung von Bohrlöchern in Beton-Bauteilen bekannt, bei denen die statische Änderung des von einem Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes durch eine Sensoreinrichtung erfaßt wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion eines im Innern eines Wär­ metauscherbündels außerhalb eines Wärmetauscherrohres befind­ lichen Fremdkörpers anzugeben, mit dem dieser auch dann er­ faßt werden kann, wenn er sich nur in losem Kontakt mit den Wärmetauscherrohr befindet.

Die genannten Aufgaben werden jeweils gelöst mit den Merkma­ len der Patentansprüche 1 bzw. 4.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß sowohl die Wär­ metauscherrohre als auch die in ihrer Umgebung befindlichen Komponenten, wie beispielsweise die Abstandshaltergitter und die Strömungsverteilerplatten aus einem austenitischen Stahl bestehen. Austenitische Stähle sind jedoch nicht ferromagne­ tisch. Die Fremdkörper bestehen jedoch in der Regel aus fer­ ritischen, d. h. ferromagnetischen Stählen. Diese unter­ schiedlichen magnetischen Eigenschaften zwischen den Kompo­ nenten des Dampferzeugers und den Fremdkörpern werden nun ge­ mäß der Erfindung zu ihrer Detektion benutzt. Anders als bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZfP) mit der Wirbel­ stromprüftechnik oder der Ultraschallprüftechnik wird beim Verfahren gemäß der Erfindung die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde durch das Rohr als wesentlicher Bestandteil der Messung benutzt. Während bei den üblichen ZfP-Verfahren die eigentliche Werkstoffprüfung "quasistationär" erfolgt, d. h. die Prüfgeschwindigkeit der Sonde ist gegenüber der Geschwin­ digkeit der Meßwerterfassung, beispielsweise der Laufzeit des Ultraschalls im Wärmetauscherrohr, vernachlässigbar, ist beim Verfahren gemäß der Erfindung die Bewegung der Sonde inner­ halb des Wärmetauscherrohres wesentliche Voraussetzung für das Entstehen eines Meßsignals.

Das von der Sonde erzeugte Magnetfeld wird beim Vorbeifahren an einem ferritischen Teil geändert. Diese Magnetfeldänderung wird durch eine geeignete Detektoreinrichtung in der Sonde erfaßt und zeigt das Vorhandensein eines ferritischen Fremd­ körpers an.

Das Magnetfeld kann mit einer elektrischen Spulenanordnung mit Eisenkern oder mit einem Permanentmagneten erzeugt wer­ den. Zum Nachweis der Änderung des Magnetfeldes sind eben­ falls elektrische Spulen oder Hall-Sonden geeignet. Dabei kann auch die zum Erzeugen des Magnetfeldes vorgesehene Spule direkt zum Nachweis der Magnetfeldänderung durch die in ihr erzeugte induzierte Spannung verwendet werden.

Zum Erfassen der zeitlichen Änderung des Magnetfeldes ist insbesondere eine in der Sonde angeordnete elektrischen Spule vorgesehen, mit der die in ihr durch die mit der Magnetfeld­ änderung einhergehende zeitliche Änderung des magnetischen Flusses induzierte elektrische Spannung gemessen wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zu­ sätzlich eine Wirbelstromprüfung durchgeführt und die dort gewonnenen Meßergebnisse werden zum Bestimmen der Position des Fremdkörpers mit den aus der Messung der Änderung des Ma­ gnetfeldes erhaltenen Meßergebnissen korreliert. Mit einer solchen Wirbelstromprüfung können nämlich die Abstandshalter­ gitter identifiziert werden, so daß durch Vergleich der Daten ermittelt werden kann, am wievielten Abstandshaltergitter ei­ ne signifikante Änderung des Magnetfeldes erfolgt ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform einer Einrichtung ge­ mäß der Erfindung ist in der Sonde zusätzlich eine Wirbel­ stromprüfeinrichtung vorgesehen, mit der insbesondere bei nu­ klearen Dampferzeugern die Position der Sonde erfaßt werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß der Unteransprüche.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh­ rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren
Fig. 1 eine in das in einem Wärmetauscherrohr eingeführte Sonde gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In
Fig. 2 und 3 ist die mit einer Sonde gemäß der Erfindung in einer Spule gemessene Spannung für unterschiedliche ferri­ tische Ablagerungen in der Nachbarschaft des Rohres jeweils als Funktion der Zeit aufgetragen. In
Fig. 4 ist das aus Messungen mit einer Wirbelstromprüfein­ richtungen abgeleitete Meßsignal ebenfalls gegen die Zeit aufgetragen.

Gemäß Fig. 1 ist in ein Rohr 2, beispielsweise das Rohr 2 eines aus mehreren unmittelbar benachbarten Rohren eines Rohrbündels eines Wärmetauschers, eine Sonde 3 in Arbeitspo­ sition veranschaulicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die benachbarten Rohre nicht dargestellt. Zum Vorwärts­ bewegen der Sonde 3 innerhalb des Rohres 2 ist ein Schub­ schlauch 4 vorgesehen, der an einem ersten federnden Füh­ rungskörper 6a befestigt ist. Im Bereich ihrer Spitze enthält die Sonde 3 einen zweiten federnden Führungskörper 6b, der mit einer Zentrierspitze 8 zum leichteren Einführen der Sonde in das Rohr 2 versehen ist.

Die Führungskörper 6a und 6b sind untereinander mit einer starren Führungshülse 10 verbunden, auf die die bei der Prü­ fung vorgesehenen Prüfeinrichtungen aufgeschoben sind. Im Ausführungsbeispiel der Figur sind eine ein Magnetfeld in der Umgebung des Rohres 2 erzeugende Detektoreinheit 12 und eine Wirbelstromprüfeinrichtung 14 vorgesehen, die durch Distanz­ stücke 16 voneinander beabstandet sind, um eine gegenseitige Beeinflussung bei den jeweiligen Messungen zu vermeiden.

Die Detektoreinheit 12 umfaßt einen ringförmigen Permanentma­ gneten 122, der aus einem axial magnetisierten zylindrischen Stabmagneten hergestellt ist, und dessen Feldenergiedichte B ×H_max etwa 80 kJ/m³ beträgt.

Der Permanentmagnet 122 ist von einer elektrischen Spule 124 mit beispielsweise 2200 Wicklungen aus isoliertem Kupferdraht mit einem Durchmesser von etwa 0,06 mm umgeben. Die hohlzy­ lindrische Führungshülse 10 nimmt die in der Figur nicht dar­ gestellten elektrischen Kabel für die Zuführung zur Spule 124 auf.

Die Stirnflächen des Permanentmagneten 122 sind jeweils durch Scheiben 126 aus µ-Metall magnetisch abgeschirmt. In einem Ausführungsbeispiel sind die Scheiben jeweils aus vier dünnen Blechen mit einer Dicke von 0,5 mm aufgebaut. Zum Schutz vor mechanischem Abrieb ist zusätzlich ein Überzug 128 aus einem Kunststoff, beispielsweise Nylon oder Gießharz vorgesehen. Das mit dieser Anordnung im Abstand von 2,5 mm von der Außen­ oberfläche des Wärmetauscherrohres erzeugte Magnetfeld be­ trägt etwa 150 bis 200 A/cm.

In der Figur sind außerdem zwei sich kreuzende Abstandshalter 22 und 24 eines Abstandshaltergitters veranschaulicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur zwei Abstandshalter 22 und 24 dargestellt.

Sowohl das Wärmetauscherrohr 2 als auch die Abstandshalter 22 und 24 bestehen aus austenitischem Stahl und sind somit nicht ferromagnetisch. Auf dem Abstandshalter 22 befindet sich ein ferromagnetischer Fremdkörper 26. Beim Vorbeifahren der De­ tektoreinheit 12 an diesem Fremdkörper 26 wird eine Magnet­ feldänderung erzeugt, die ihrerseits eine Änderung des magne­ tischen Flusses innerhalb der Spule 124 bewirkt. Das dadurch in der Spule 122 induzierte Spannungssignal zeigt das Vorhan­ densein eines solchen Fremdkörpers 26 an.

An den Abstandshaltern 22 und 24 kann sich während des Be­ triebes des Wärmetauschers ein ferritische Bestandteile ent­ haltender Schlamm 28 um das Rohr 2 ablagern. Dieser Schlamm induziert beim Vorbeifahren der Spule 122 ebenfalls ein Span­ nungssignal in der Spule 122. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich das in der Spule 122 von einer das Rohr 2 umgebenden Schlammablagerung induzierte Spannungssignal von einem von einem Fremdkörper erzeugten Spannungssignal unterscheidet. Das von einem unsymmetrisch relativ zur Rohrachse angeordne­ ten Fremdkörper 26 induzierte Spannungssignal hat zu einem Spannungssignal, das von einem das Rohr 2 umgebenden Schlamm 28 induziert wird, einen unterschiedlichen zeitlichen Ver­ lauf, wie dies in Fig. 2 und 3 näher veranschaulicht ist.

In Fig. 2 und 3 ist der zeitliche Verlauf der in der Spule induzierten Spannung U beim Vorbeifahren an einer Schlammab­ lagerung bzw. beim Vorbeifahren an einem massiven Fremdkörper gegen die Zeit t aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß die zeitlichen Verläufe nahezu spiegelsymmetrisch zueinander sind, so daß aus dem Kurvenverlauf geschlossen werden kann, ob es sich um eine normale Ablagerung oder um einen massiven Fremdkörper handelt.

In Fig. 4 sind die von der Wirbelstromprüfeinheit 14 erhal­ tenen und von üblichen Auswerteeinrichtungen weiterverarbei­ teten Meßsignale ebenfalls gegen die Zeit aufgetragen. Diese Meßsignale zeigen einen signifikanten Kurvenverlauf beim Vor­ beifahren an den Abstandshaltern und können dazu verwendet werden, die mit dem Magnetfelddetektor 12 erhaltenen Befunde mit einem Ort in Längsachse des Wärmetauscherrohres 2 durch einfaches Abzählen der bereits überfahrenen Abstandshalter 22, 24 (Fig. 1) zu korrelieren. In der Figur ist dies durch Signale W_n, die zum n-ten Abstandshalter gehören veranschau­ licht.

Die zeitliche Verschiebung Δt zwischen dem Wirbelstromsignal Wn und dem von der Detektoreinheit erhaltenen Spannungssignal ist abhängig von der Geschwindigkeit v der Sonde, die etwa 200mm/sec bis 1000mm/sec beträgt, und dem Abstand d zwischen der Detektoreinheit 12 und der Wirbelstromprüfeinheit 14 und beträgt Δt≈ d/v.

Claims (6)

1. Verfahren zur Detektion eines ferromagnetischen Fremdkör­ pers (26), der sich außerhalb eines von nicht-ferromagneti­ sahen Komponenten (22, 24) umgebenen nicht-ferromagnetischen Rohres (2) befindet, bei dem durch das Rohr eine Sonde (3) bewegt wird, in der ein Permanentmagnet (122) angeordnet ist, der in ihrer Umgebung ein Magnetfeld erzeugt, dessen zeitli­ che Änderung beim Bewegen der Sonde (3) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch einen rotationssymmetrisch um eine Längs­ achse (30) der Sonde (3) angeordneten hohlzylindrischen Per­ manentmagneten (122) erzeugt wird, der an seinen Stirnseiten jeweils mit einer magnetischen Abschirmung (126) versehen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen der zeitlichen Änderung des Magnetfeldes die in einer in der Sonde (3) angeordneten elektrischen Spule (124) induzierte Spannung gemessen wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Wirbelstromprüfung durchgeführt wird und die dort gewonnenen Meßergebnisse zum Bestimmen der Position des Fremdkörpers (26) mit den aus der Messung der Änderung des Magnetfeldes erhaltenen Meßergebnissen korreliert werden.

4. Einrichtung zur Detektion eines ferromagnetischen Fremd­ körpers (26), der sich außerhalb eines von nicht-ferromagne­ tischen Komponenten (22, 24) umgebenen nicht-ferromagneti­ schen Rohres (2) befindet, mit einer durch das Rohr bewegba­ ren Sonde (3), in der ein Permanentmagnet (122) zum Erzeugen eines Magnetfeldes sowie Mittel (124) zum Erfassen der zeit­ lichen Änderung dieses Magnetfeldes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein rotationssymmetrisch um die Längsachse (30) der Sonde (3) an­ geordneter hohlzylindrischer Permanentmagnet (122) vorgesehen ist, an dessen Stirnseiten jeweils eine magnetische Abschir­ mung (126) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (122) von einer elektrischen Spule (124) um­ geben ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde zum Bestimmen der Position des Fremdkörpers (26) eine Wirbelstromprüfeinrichtung (14) enthält.