Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
elektromagnetische Diffusionsmethoden zum zerstörungsfreien Prüfen
von Objekten wie Rohrleitungen, Röhren, Speichertanks, usw.
in Bezug auf Risse.
Hintergrund der Erfindung
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Rohrstränge und Behälter sind über ihre Nutzungsdauer
einer umweltbedingten Rissbildung unterworfen. Die
umweltbedingte Rissbildung wird hervorgerufen durch eine Reaktion
zwischen der Legierung oder dem Stahl, welcher zur
Herstellung des Rohrstrangs oder des Behälters verwendet wird, und
der örtlichen Umgebung mit dem Rohr oder Behälter unter
einer Spannung. Eine umweltbedingte Rissbildung unterscheidet
sich von einer alterungsbedingten Rissbildung, welche
einzig durch zyklische mechanische Belastung hervorgerufen
wird. Eine umweltbedingte Rissbildung kann bei wesentlich
niedrigeren Pegeln einer Spannung als eine
alterungsbedingte Rissbildung auftreten. Einige Typen einer
umweltbedingte Rissbildung beinhalten eine
Spannungskorrosionsrissbildung, eine Sulfidspannungrissbildung und eine
Wasserstoff induzierte Rissbildung.
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Eine umweltbedingte Rissbildung ist von Interesse, da
sie einen katastrophalen Ausfall einer Ausrüstung
hervorrufen kann, was zu einer Zerstörung der Umgebung, dem Verlust
von Leben und dem Verlust der Herstellung der Ausrüstung
führen kann. Beispielsweise ist eine
Spannungskorrosionsrissbildung verantwortlich für eine Anzahl von
Rohrleitungsausfällen. Somit besteht eine Notwendigkeit
zerstörungsfreie Techniken zu entwickeln, welche Bereiche eines
Rohrs oder eines Behälters erfassen, welche einer
umweltbedingten Rissbildung unterworfen sind. Eine derartige Erfassung
würde vorzunehmende Korrekturmaßnahmen gestatten, um
einen katastrophalen Ausfall der Anlage zu verhindern.
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Es ist schwierig eine umweltbedingte Rissbildung mit
herkömmlichen zerstörungsfreien Techniken zu erfassen.
Einige Techniken wie ein Magnetteilchentesten und
Farbeindringtesten sind zum Erfassen einer umweltbedingten
Rissbildung geeignet, jedoch lediglich mit einem direkten
Zugriff auf die Wand des Rohrstrangs oder Behälters. Jedoch
existieren viele Testsituationen, bei welchen ein direkter
Zugriff auf die Wand nicht möglich ist. Beispielsweise ist
ein direkter Zugriff nicht möglich, wenn eine
Spannungskorrosionsrissbildung auf der äußeren Oberfläche einer
vergrabenen Rohrleitung gesucht wird. Auch ist ein direkter
Zugriff nicht möglich bei einem Suchen nach einer
Sulfidspannungsrissbildung auf der inneren Oberfläche eines
Behälters, welcher noch im Gebrauch ist.
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Einige herkömmliche zerstörungsfreie Testtechniken
erfordern keinen direkten Zugriff auf die gerissene
Oberfläche. Jedoch sind diese Techniken nicht effektiv beim
Erfassen einer umweltbedingten Rissbildung. Beispielsweise sind
Spannungskorrosionsrissbildungen typischerweise kompakt und
mit Korrosionsprodukten gefüllt. Es wird angenommen, dass
dies die Erfassung mit einer herkömmlichen Scherungswellen-
(oder Winkelstrahl-) Ultraschalltesten oder mit einem
röntgenologischen Testen schwierig. Darüber hinaus ist die
Spannungskorrosionsrissbildung in Rohrleitungen
longitudinal ausrichtet. Dies macht die
Spannungskorrosionsrissbildung mit einem Magnetflussableitungstesten unerfassbar,
welches mit Inline-Untersuchungsroheisen (in-line
inspection pigs) implementiert ist, da die Magnetfeldlinien
parallel zu den Rissen verlaufen.
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Die US-4 636 727 offenbart eine Magnetflussableitungs-
bzw. -lecktechnik zum Bestimmen des Umfangs und der
Position von der Defekten in röhrenförmigen Elementen, welche in
unterirdischen Gas- und Ölwannen verwendet werden. Die US-3
543 144, die US-3 940 689 und die US-4 878 180 offenbaren
Verfahren, welche im allgemeinen denselben gemeinsamen
Zweck besitzen, wobei die Verfahren eine Kombination von
Flussableitungs und Wirbelstromtechniken umfassen. In
diesen zuletzt genannten Dokumenten wird im allgemeinen die
Flussableitungstechnik verwendet, um das Vorhandensein von
Anomalien wie Sprüngen oder Rissen in einem
ferromagnetischen Rohr zu erfassen, und die Wirbelstromtechnik wird
verwendet, um zu entscheiden, ob die Anomalien sich auf den
inneren oder äußeren Oberflächen der Wand befinden.
Kurzfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
zum Erfassen von umweltbedingten Rissen in Rohrsträngen und
Behältern bereitzustellen, ohne dass man auf eine direkten
Zugriff auf die gerissene Oberfläche angewiesen ist.
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Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 definierte
Verfahren gelöst. Zusätzliche Schritte werden in den
abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Die vorliegende Erfindung gestattet das Erfassen einer
umweltbedingten Rissbildung ohne einen direkten Zugriff auf
das im Test befindliche Objekt. Derartige Risse sind
schwierig in Situationen zu erfassen, wo ein direkter
Zugriff durch Installationsumstände des Objekts verneint
wird. Mit der vorliegenden Erfindung kann das
Untersuchungsgerät auf einer Seite eines leitenden Objekts
lokalisiert werden und Risse auf der anderen Seite des Objekts
erfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Testvorrichtung
einer bevorzugten Ausführungsform, welche zur Umsetzung des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht oder eine Draufsicht
auf einen Sensorkopfaufbau.
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Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht der Sende- und
Empfangsspulenanordnung.
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Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer
Empfangsspulenanordnung.
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Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm der Elektronik.
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Fig. 6 zeigt einen Graphen, welcher eine Untersuchung
entlang der Länge eines Rohrs, das Scharen von Rissen
aufweist, durchgeführt unter Verwendung des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung darstellt.
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Fig. 7a-7c zeigen schematische Darstellungen, welche
Wirbelstromstrukturen in Wänden ohne Risse (Fig. 7a), mit
einem einzigen Riss (Fig. 7b) und mit einer Mehrzahl von
Rissen (Fig. 7c) zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die vorliegende Erfindung verwendet im allgemeinen
transiente elektromagnetischen Techniken, um eine
umweltbedingte Rissbildung zu erfassen. Die vorliegende Erfindung
ist insbesondere beim Erfassen einer
Spannungskorrosionsrissbildung nützlich, bei welcher typischerweise Scharen
von Rissen gebildet werden, welche sich longitudinal
entlang einer Rohrleitung erstrecken. Die bevorzugte
Ausführungsform wird im Sinnzusammenhang des Erfassens von Rissen
in oder auf Rohrleitungen beschrieben. Jedoch kann die vorliegende
Erfindung verwendet werden, um Risse an anderen
Stellen wie in Behältern und dergleichen zu erfassen.
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In Fig. 1 ist eine Testvorrichtung 13 zum Durchführen
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die
Testvorrichtung ist innerhalb einer Rohrleitung 11
befindlich und besitzt (nicht dargestellte)
Roheisen-befestigungen (pig attachments) an beiden Enden 15, 17, um ihre
Bewegung durch das Innere der Rohrleitung zu erleichtern.
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Die Testvorrichtung 13 enthält eine Mehrzahl von
Abtastköpfen 27, eine Downhole-Elektronik 33 und einen
Körperteil 35.
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Entsprechend Fig. 1 und 2 enthalten die Abtastköpfe
27 jeweils Sende- und Empfangsantennen 29, 31. Es kann dort
eine Mehrzahl von Abtastköpfen 27 vorgesehen sein, wobei
die Abtastköpfe 27 um den Umfang der Testvorrichtung 13
herum angeordnet und groß genug sind eine Umfangsabdeckung
bzw. Erfassung der Rohrwand von 360º bereitzustellen. Um
einen Kontakt zwischen benachbarten Abtastköpfen zu
verhindern, sind die Abtastköpfe 27 in Längsrichtung entlang dem
Körperteil 35 voneinander versetzt. Somit gibt es ein
vorderes (relativ zu der Richtung der Bewegung der
Vorrichtung) Paar von Abtastköpfen und ein hinteres Paar von
Abtastköpfen. Jedes Paar besitzt zwei diametrisch
gegenüberstehende Abtastköpfe. Das hintere Paar ist um 90º zu dem
vorderen Paar gedreht, um eine vollständige
Umfangsabdeckung bereitzustellen. Jeder Abtastkopf besitzt eine
gekrümmt geformte äußere Oberfläche 39 (siehe Fig. 2), welche
in etwa der Krümmung der inneren Oberfläche des Rohrs 11
entspricht. Jeder Abtastkopf 27 besitzt ein Paar von Rollen
41 darauf für einen Kontakt mit dem Gehäuse 11. Die Rollen
41 schützen die Antennen 29, 31 vor einem Abschleifen an
der Rohrleitungswand 11. Es wird bevorzugt die Antenne so
nahe wie möglich an der Wand zu lokalisieren, um die
Auflösung zu erhöhen. Als Alternative zu den Rollen sind Materialien
für den Gebrauch verfügbar, welche unter einem
Abschleifen gut einsetzbar sind. Jeder Abtastkopf 27 ist auf
dem Körperteil 35 durch ein Paar von Armen 43 angebracht.
Die Arme 43, welche vorgespannt sind, zwingen den
Abtastkopf in einen Rollkontakt mit der inneren Oberfläche des
Rohrs.
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Jeder Abtastkopf 27 (siehe Fig. 2) besitzt eine
Mehrzahl von Antennen, die darauf derart lokalisiert sind, dass
sie zu der Rohrstrangwand benachbart sind. In der Mitte
jedes Abtastkopfs 27 befindet sich eine Sendeantenne 29 und
eine übereinstimmende Empfangsantenne 31A. Sowohl die
Sende- als auch die Empfangsantenne 29, 31A sind wie in
Fig. 3 dargestellt um denselben Kern 51 gewickelt. Der Kern
51, welcher die Form einer Spule besitzt, ist aus einem
nicht magnetischen und einen nicht leitenden Material wie
Plastik gebildet. Die jeweiligen Antennen sind aus
jeweiligen Spulen aus einen Draht gebildet. Es sind ebenfalls eine
Mehrzahl von Empfangsantennen vorgesehen, welche um die
mittlere Sendeantenne 29 lokalisiert sind. Jede
Empfangsantenne 31 ist aus einer Spule aus einem Draht gebildet,
welcher auf einen Kern 51 (siehe Fig. 4) gewickelt ist. Die
Antennen sind in dem Abtastkopf 27 derart ausgerichtet,
dass die Längsachsen der Kerne 51 senkrecht zu dem
benachbarten Abschnitt der Gehäusewände befindlich sind. Darüber
hinaus sind die Empfangsantennen mit ihren Längsachsen
derart ausgerichtet, dass sie parallel zu der benachbarten
Wand befindlich sind. Somit sind an jedem
Empfangsantennenort zwei Empfangsantennen befindlich, wobei eine
senkrecht zu der Wand und die andere parallel zu der Wand
ausgerichtet sind.
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Die Empfangsantennen 31 außer der übereinstimmenden
Antenne 31A sind in verschiedenen räumlichen Ausrichtungen
bezüglich der Sendeantenne 29 plaziert. Somit gibt es
Empfangsantennen 31B, welche seitlich oder quer verlaufend zu
der Sendeantenne 29 lokalisiert sind. Die quer verlaufenden
Antennen 31B sind entlang einer ersten imaginären Linie
lokalisiert, welche sich zwischen der jeweiligen quer
verlaufenden Antenne und der Sendeantenne 29 erstreckt, wobei die
erste imagninäre Linie senkrecht zu der Richtung der
Bewegung der Sendeantenne befindlich ist. Es gibt ebenfalls
Empfangsantennen 31C, welche längsseits zu der Sendeantenne
29 lokalisiert sind. Die längsseits befindlichen Antennen
31C sind entlang einer zweiten imaginären Linie befindlich,
welche sich zwischen der jeweiligen längsseits befindlichen
Antenne und der Sendeantenne 29 erstreckt, wobei die zweite
imaginäre Linie parallel zu der Richtung der Bewegung der
Sendeantenne befindlich ist. Und es gibt Empfangsantennen
31D, welcher sowohl quer verlaufend als auch längsseits
(diagonal) zu der Sendeantenne 29 lokalisiert sind.
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Die Abtastköpfe 27 sind an eine Hülse 67 gekoppelt,
welche an den Körperteil 35 gekoppelt ist.
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Die Testvorrichtung 13 kann mit einem Magnet
ausgestattet sein, um die Geschwindigkeit der Überprüfung der
Rohrleitungswand zu erhöhen. Es wird angenommen, dass das
Magnetfeld den Ferromagnetismus der Rohrwand durch Ausrichten
der magnetischen Raumgebiete bzw. Domänen der Wand entlang
dem Pfad des Magnetfelds verringert. Da der
Ferromagnetismus der Rohrwand sich verringert, erhöhen sich die
Durchdringungs- und Diffusionsgeschwindigkeiten der durch die
Sendeantenne 29 induzierten Wirbelströme. Dies liegt daran,
dass die induzierten Wirbelströme nicht auf die
ausgerichteten magnetischen Domänen der Rohrwand einwirken.
Schnellere Durchdringungszeiten ermöglichen schnellere
Überprüfungsgeschwindigkeiten. Somit kann die Testvorrichtung 13
entlang der Innenseite des Rohrs mit einer höheren
Geschwindigkeit bei einer Überprüfung mit dem Magnetfeld
bewegt werden. Darüber hinaus erhöhen größere
Diffusionsgeschwindigkeiten die Auflösung der Überprüfung durch
Begrenzung der räumlichen Diffusion der induzierten Wirbelströme.
Somit werden die Wirbelströme stärker auf einen schmalen
Konus innerhalb der Rohrwand fokusiert. Wenn das Magnetfeld
groß ist, beispielsweise größer als 2000 Gauß, wurde
beobachtet, dass sich das Material in einer Rohrwand
paramagnetisch verhält. Somit sind bei paramagnetischen Leitern
Wirbelstromdiffusionsgeschwindigkeiten maximal, es ist die
Auflösung des Geräts maximal, und es ist die Fokusierung
der Wirbelströme maximal, wobei Risse in paramagnetischen
Leitern erfasst werden können.
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Das von dem Magnet gebildete stationäre Magnetfeld ist
groß genug, um die Wand mit dem DC-Magnetfeld zu sättigen.
Beispielsweise könnte DC-Magnetfeld 1000 Gauß betragen.
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Entsprechend Fig. 1 sind die Abtastköpfe 27 zwischen
den Polen eines Magnets 53 lokalisiert. Bei der bevorzugten
Ausführungsform ist der Magnet ein Permamentmagnet. Der
Magnet 53 besitzt ein erstes Polstück 55 und ein Polstück 57.
Die Polstücke 55, 57, welche scheibenförmig ausgebildet
sind, erstrecken sich von dem Körperteil 35 radial nach
außen. Die Außenseite des Körperteils stellt eine
physikalische und magnetische Kopplung der Polstücke her. Die
Polstücke und die Außenseite des Körperteils sind aus einem
Material (wie Eisen) gebildet, welches eine hohe
magnetische Permeabilität besitzt, um ein Magnetfeld zu
ermöglichen. Die Polstücke 55, 57 sind derart dimensioniert, dass
sie einen Durchmesser besitzen, welcher etwas kleiner als
der innere Durchmesser des Rohrs 11 ist. Plastikendstücke
61 können in der Lücke zwischen den Polstücken und der
Rohrwand vorgesehen werden, um eine Abnutzung hervorgerufen
durch einen Kontakt zwischen den Polstücken und der
Rohrwand zu verringern. Die magnetische Permeablität der Lücke
wird durch Vermischen von Eisenpulver mit dem Plastik zur
Bildung der Stücke 61 erhöht. Beispielsweise könnte die
Zusammensetzung der Stücke 61 50% oder mehr des Eisenpulvers
enthalten. Alternativ könnten Drahtbürsten in der Lücke
zwischen den Polstücken und der Rohrwand verwendet werden.
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Der Magnet 53 muß nicht ein Permanentmagnet sein. Der
Magnet 53 muß nicht ein Permanentmagnet sein. Es könnte ein
Typ eines temporären Magneten sein. Wenn ein temporärer
Magnet wie ein Elektromagnet verwendet wird, werden geeignete
Verbindungen mit einer Energieversorgung vorgesehen. Die
Verwendung eines Permanentmagneten hebt die Notwendigkeit
einer Energieversorgung auf. Wenn eine Notwendigkeit
besteht, könnte eine Mehrzahl von Magneten verwendet werden,
um stärkere Magnetfelder zu erzielen.
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Darüber hinaus kann eine Mehrzahl von Magneten
vorgesehen werden, wobei jeder Magnet in einer einzigen
Ausrichtung angeordnet wird, um stationäre Magnetfelder mit einer
Mehrzahl von gerichteten Komponenten bereitzustellen. Die
Verwendung von Magnetfeldern in einer Mehrzahl von
Richtungen sättigt vollständiger das Objekt, das überprüft wird.
Es wird bevorzugt stationäre Magnetfelder mit zwei
orthogonalen Komponenten bereitzustellen. Beispielsweise erzeugt
der in Fig. 1 dargestellte Magnet 53 ein Magnetfeld,
welches in Längsrichtung entlang der Länge des Rohrs
ausgerichtet ist. Ein zweiter Magnet könnte derart vorgesehen
werden, dass er ein Magnetfeld erzeugt, welches entlang dem
Umfang um das Rohr ausgerichtet ist. Ein derartiger Magnet
würde zwei Pole besitzen, die um 180º voneinander um den
Umfang der Testvorrichtung 13 getrennt sind. Somit würden
die Pole eine Positionierungsanordnung ähnlich wie die zwei
in Fig. 1 dargestellten Abtastköpfe 27 besitzen.
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In Fig. 5 sind die Sende- und Empfangsantennen, welche
in einem Abtastkopf enthalten sind, angeschlossen an die
Elektronik 33 dargestellt. Die Elektronik 33 ist in dem
Körperteil 35 lokalisiert. Die Sendeantenne 29 in jedem
Sensorkopf 27 ist an einen Sender 71 angeschlossen. Der
Sender 71 erzeugt einen Puls mit abrupten Abfallzeiten in
der Größenordnung von 1-100 Mikrosekunden. Typischerweise
besitzt der Puls Amplituden von ein bis zwei Ampere. Die
Pulse des Sendepulszugs ändern ihre Polarität, um die DC-
Vorspannung in dem Instrumentarium aufzuheben. Somit ist
der erste Puls positiv, der zweite Puls negativ, der dritte
Puls positiv, der vierte Puls negativ, usw. Die Dauer von
jedem Puls ist hinreichend lang, um die Pulsgröße zu
stabilisieren, so dass keine in der Gehäusewand induzierten
Ströme vor dem Auftreten der abrupten Abfallzeit des Pulses
vorhanden sind.
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Die jeweiligen Empfangsantennen 31 jedes Abtastkopfs 27
sind mit einem Empfänger 73 verbunden. Der Empfänger 73 ist
ein Vielkanalinstrument mit einem Kanal für jede
Empfangsantenne. Der Empfänger 73 ist ein Breitbandgerät mit einem
breiten dynamischen Bereich (in der Größenordnung von 5
oder 6). Ein Analog/Digital-wandler 75 digitalisiert die
Daten von jeder Empfangsantenne. Die digitalisierten Daten
werden bezüglich einer Zurückweisung eines 60-Hz-Rauschens
gefiltert und einem Speicher 77 zur Speicherung gesendet,
bis die Mess- bzw. Logvorrichtung 13 wiedererlangt und auf
den Speicher zugegriffen werden kann.
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Die Elektronik 33 kann so viele Sender und Empfänger
wie nötig enthalten. Bei der bevorzugten Ausführungsform
gibt es vier Sendeantennen 29, eine für jeden Abtastkopf
27. Ein Sender kann alle vier Sendeantennen erregen;
entweder gleichzeitig oder sequentiell, oder es kann eine
Mehrzahl von Sendern verwendet werden. Ebenfalls kann eine
Mehrzahl von Empfängern verwendet werden, um eine geeignete
Anzahl von Empfangskanälen bereitzustellen. Eine geeignete
Anzahl von A/D-Wandlern 75 wird ebenfalls bereitgestellt.
Ein Computer 79 ist an den Sender 71 und den Empfänger 73
angeschlossen. Der Computer 79 koordiniert den Datenerwerb
durch die Abtastköpfe durch Steuern des Senders 71 und des
Empfängers 73.
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Das Verfahren des Überwachens der Wand des Rohrs 11
wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1-5
beschrieben. Die Testvorrichtung 13 mit darauf angepassten
Rohreisenbefestigungen (pig attachments) ist innerhalb der
Rohrleitung 11 lokalisiert. Der Magnet 53 erzeugt ein
Magnetfeld in der Rohrwand. Das Magnetfeld wird in dem ersten
Polstück 55 über der Lücke zwischen dem ersten Polstück und
der Wand, in der Wand 19, über der Lücke zwischen dem
zweiten Polstück, in dem zweiten Polstück 57 und in dem Kern
erzeugt, welcher die Aussenseite des Körperteils 35 bildet.
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Als nächstes wird die Testvorrichtung 13 innerhalb des
Rohrs bewegt. Mit der innerhalb des Rohrs befindlichen
Testvorrichtung kontaktieren die Rollen 41 der Abtastköpfe
27 die Innenseitenoberfläche der Rohrwand, und die
Polstücke 55, 57 des Magnets 53 befinden sich nahe der
Rohrwand. Die Abtastköpfe 27 werden in einen rollenden
Kontakt mit der Rohrwand durch die Arme 43 derart gezwungen,
dass eine Lücke zwischen den Sende- und Empfangsantennen
und der Rohrwand vorhanden ist. Die Sende- und
Empfangsantennen auf dem Senderkopf werden in einem relativ
konstanten Abstand zu der Rohrwand gehalten.
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Wenn die Testvorrichtung 30 entlang der Innenseite des
Rohrs bewegt wird, wird die Sendeantenne 29 auf jedem
Abtastkopf 27 durch den Sender 71 erregt. Jede Sendeantenne
29 wird eine hinreichende Zeitdauer erregt, um den Strom in
der Antenne zu stabilisieren, wodurch sichergestellt wird,
dass keine Ströme in der Wand 11 induziert werden. Danach
wird jede Sendeantenne 29 von dem Sender abrupt aberregt,
so dass der Strom in der Sendeantenne schnell auf eine
Größe von null abfällt. Diese abrupte Aberregung der
Sendeantenne induziert einen Strom in dem Abschnitt der Wand 11,
welcher der jeweiligen Sendeantenne benachbart ist.
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Die induzierten Wirbelströme diffundieren in die
Rohrwand. Das Vorhandensein von Rissen 21 (siehe Fig. 1) in der
Rohrwand unterbricht die Diffusion der Wirbelströme und
beeinflusst den Abfall. Diese Unterbrechung wird von dem
Abfall aus erfasst. In Fig. 1 sind die Risse 21 entlang dem
Rohr längsseits ausgerichtet und auf der äußeren Oberfläche
des Rohrs lokalisiert. Die in der Mehrzahl vorkommenden
Risse 21 bilden eine Schar von Spannungskorrisionsrissen.
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Sobald wie die jeweilige Sendeantenne aberregt ist,
wird der Empfänger (Fig. 5), welcher der benachbarten
Empfangsantenne 31 zugeordnet ist, eingeschaltet. Die
jeweiligen Empfangsantennen 31 empfangen das Vorhandensein und den
Abfall des induzierten Stroms in der Gehäusewand und
erzeugen ein jeweils empfangenes Signal, welches den induzierten
Strom darstellt. Die empfangenen Signale werden von dem
Empfänger 73 empfangen, wo sie verstärkt und gefiltert und
danach von dem A/D-Wandler 75 digitalisiert werden. Die
empfangenen Signale werden danach in dem Speicher 77
gespeichert. Nachdem die Testvorrichtung 13 aus dem Rohr
entfernt worden ist, wird auf den Speicher 77 zugegriffen, und
es werden die empfangenen Signale wiedergewonnen und
verarbeitet. Alternativ könnte der Computer 79 die empfangenen
Signale verarbeiten, um eine Messung einer Wanddicke wie in
den US-Patenten Nr. 4,843,319, 4,843,320 und 4,839,593
beschrieben erlangen.
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Eine Verarbeitung der empfangenen Signale wird in den
US-Patenten Nr. 4,843,319 und 5,233,297 geschrieben. Die
Daten von einem empfangenen Signal, welches von einer
Empfangsantenne 31 erlangt wird, werden durch Aufnahme des
Absolutwerts und einer darauffolgenden logarithmischen
Ableitung normiert. Die Wanddicke (entweder in quantitativen
oder in qualitativen Ausdrücken) an einem bestimmten Ort
wird danach entweder durch Anwenden einer empirisch
abgeleiteten Beziehung oder durch einen Vergleich der
Ableitungen mit Bezugsableitungen erlangt. Für übereinstimmende
oder weite Gebiete der empirischen Beziehung gilt:
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th = (d(ln V)/d(ln t) + 2,17 ln t - b)/c
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wobei th die Wanddicke, V die Spannung wie durch die
jeweilige Empfangsantenne gemessen und t die Zeit sind. Die
Beziehung wird von einem linearen Interpolationsalgorithmus
abgeleitet, und somit sind b und c
Interpolationskonstanten. Die Beziehung ist anwendbar auf dazwischen liegende
bis späte Zeiten eines empfangenen Signals nach dem
Auftreten einer Bruchgrenze. Die Faktoren b und c sind empirisch
abgeleitet und abhängig von dem Durchmesser (im Falle von
Rohren), der Wanddicke, der Metallurgie und der Temperatur.
Alternativ können die Daten mit Bezugsableitungen
verglichen werden, welche erlangt werden von Wänden einer
bekannten Dicke, Metallurgie und Geometrie und erlangt werden mit
ähnlichen Antennengeometrien. Eine Interpolation kann
benötigt werden, um die Wanddicke zu bestimmen.
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Die Wanddickenmessungen können dann bezüglich ihres
Orts auf der Wand aufgezeichnet werden. Beispielsweise ist
in Fig. 6 eine Wanddickenaufzeichnung entlang der Länge
eines Abschnitts eines 2-Zoll-Rohres dargestellt. Die Daten
wurden unter Verwendung von Sende- und Empfangsantennen
erlangt, welche sich innerhalb des Rohrs bewegen und 150
Messungen entlang der Länge des Rohres durchführen. Die
Antennen waren in einer side-pitch-catch-Anordnung strukturiert,
wobei die Empfangsantenne 31B peripherisch und auf die
Seite (relativ zu der Bewegungsrichtung) der Sendeantenne
29 zu ausgerichtet war. Die Antennen waren um einen Zoll
getrennt. Fünf unterschiedliche Anomalien in der Wanddicke
sind in Fig. 6 dargestellt. Die Anomalien wurden auf der
äußeren Oberfläche der Wand maschinell gefertigt. Die
Sensoren bewegten sich entlang der äußeren Oberfläche der
Wand. Von links nach rechts in Fig. 6 wurden drei
Rissscharen maschinell auf eine Tiefe von 20% in die Wand
eingearbeitet, es wurde eine Rissschar maschinell auf eine Tiefe
von 30% in die Wand eingearbeitet, und es wurde ein
einziger Riss auf eine Tiefe von 20% in die Wand maschinell
eingearbeitet. Jede Schar der in den drei parallelen Schlitzen
enthaltenen Risse war in Längsrichtung ausgerichtet und um
0,32 cm
(1/8 Zoll) getrennt. Der einzige Riss war um 45º
ausgerichtet. Die Breite jedes Risses betrug 0,2 mm (0,008
Zoll).
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Es wurden alle Rissscharen erfasst. Die normale
Wanddicke des Rohrs betrug 0,48 cm (0,19 Zoll). Die Rissscharen
mit 20%igen Tiefen wurden erfasst, wobei die verbleibende
Wanddicke etwa 0,43 cm (0,17 Zoll) betrug. Die Rissschar mit
einer Tiefe von etwa 30% wurde mit einer kleineren
verbleibenden Wanddicke erfasst. Zwei einzelne Risse verblieben
unerfasst, wobei eine in Längsrichtung und die andere in
Umfangsrichtung ausgerichtet war.
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Es wird angenommen, dass das Vorhandensein von Rissen
die Diffusion von Wirbelströmen in die Wand unterbricht.
Wenn bezüglich Fig. 7a bis 7c die Wirbelströme nicht auf
irgendwelche Risse treffen, werden die Wirbelströme 91 in
der Rohrwand in einer etwas kreisförmigen Struktur (siehe
Fig. 7a) induziert, und es wird eine normale Wanddicke
gemessen. Wenn ein einziger grader Riss auftrifft (siehe Fig.
7b), spalten sich die kreisförmigen Wirbelströme in zwei
Schleifen 93 auf, um ein konstantes magnetisches Moment
beizubehalten. Der Strom jeder Schleife verläuft quer zu
den Seiten des Risses in entgegengesetzten Richtungen. Das
Magnetfeldnetz der zwei Wirbelstromschleifen ist dasselbe,
als wenn der Riss nicht vorhanden wäre, wobei die Erfassung
des einzelnen Risses schwierig ist. Die Wirbelströme fallen
mit einer Rate ab, welche nahezu identisch zu dem Abfall
der Wirbelströme ohne Riss ist.
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Wenn eine Mehrzahl von Rissen vorhanden ist (siehe Fig.
7c), werden jedoch eine Mehrzahl von Wirbelstromschleifen
95 erzeugt. Wenn der Abstand zwischen den Rissen klein ist,
verenden die Wirbelströme schneller als es die Wirbelströme
ohne Riss tun. Dieser plötzliche Abfall ermöglicht die
Erfassung der Risse, welche als dünnere Wand erfasst werden.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst eine
andere Technik des Testens, um Informationen bezüglich des
Zustands der Rohrwand bereitzustellen. Das Verfahren wird
in Verbindung mit Magnetflussableitungs- bzw.
Magnetflusslecktechniken verwendet. Magnetflussableitungstechniken
verwenden große Permanentmagneten, um einen Magnetfluss in
Rohrwänden zu induzieren. Magnetflussableitungstechniken
sind dazu geeignet Wandverluste zu erfassen, sie sind
jedoch nicht geeignet Risse zu erfassen.
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Die Verwendung des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung entsprechend den Magnetflussableitungstechniken ist in
gewissem Sinne synergistisch. Durch Verwendung von
Magnetflussableitungstechniken in Kombination mit der oben
beschriebenen Wirbelstromtechnik können Risse und
insbesondere eine Spannungskorrisionsrissbildung durch Korelation
der zwei Sätze von Daten identifiziert werden. Wenn
beispielsweise die Signatur eines Wandverlustes mit der
Wirbelstromtechnik erzielt wird, können die
Magnetflussableitungstechniken verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein
Wandverlust tatsächlich in dem beeinflussten Wandabschnitt
aufgetreten ist. Wenn die Magnetflusstechniken keinen
Wandverlust erfassen, kann gefolgert werden, dass die durch die
Wirbelstromtechnik erfasste Anomalie Risse darstellt.
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Eine Magnetflussableitung erfordert die Verwendung
eines Magneten, um einen Magnetfluss für die Rohrwand
bereitzustellen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung
verwendet ebenfalls einen Magneten, um die Überprüfung zu
beschleunigen. Somit kann viel der für das Testen verwendeten
Hardware sowohl von den Magnetflussableitungstechniken als
auch der Wirbelstromtechnik geteilt werden. Beispielsweise
kann entsprechend Fig. 1 der Magnet 53 verwendet werden, um
gleichzeitig ein Magnetfeld in der Rohrwand für beide
Techniken bereitzustellen. Ein zweiter Satz von Abtastköpfen
27A wird bereitgestellt, um die Magnetflussableitung in dem
Rohr abzutasten. Die Abtastköpfe können jeweils eine oder
mehrere Induktionsspulen 31M enthalten. Die
Induktionsspulen können von dem in Fig. 4 dargestellten Typ sein. Die
Induktionsspulen 31M sind mit dem Empfänger 73 verbunden
(siehe Fig. 5).
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Wenn die Rohrwand von dem Magneten 53 magnetisiert
wird, fließen Magnetlinien des Flusses durch die Wand. Wenn
die Rohrwand durch einen Defekt wie einen Wandverlust
unterbrochen ist, ist ihre Permeabilität verändert, und ein
Teil des Flusses wird durch die Diskontinuität abgeleitet.
Durch Messen der Intensität des Ableitungsflusses kann die
Schwere des Defekts bestimmt werden. Ein Typ einer
Magnetflussableitung wird in dem US-Patent Nr. 4,445,088 von
Schubel beschrieben.
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Obwohl die vorliegende Erfindung dahingehend
beschrieben worden ist, dass sie in Verbindung mit sich bewegenden
Sende- und Empfangssensoren verwendet wird, können die
Sensoren während des Überprüfungsprozesses ebenfalls stationär
sein. Ebenfalls muss die vorliegende Erfindung nicht in
Verbindung mit einem stationären Magneten 53 verwendet
werden.
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Verschiedene Antennenstrukturen können zusätzlich zu
den oben beschriebenen Strukturen verwendet werden.
Beispielsweise könnte eine Empfangsantenne vergrößert sein, um
eine größere Fläche zu bedecken. Dies wäre insbesondere
nützlich, wenn die Sende- und Empfangsantennen während
eines Datenerwerbs bewegt werden. Die Empfangsantenne könnte
in der Bewegungsrichtung zur Bildung einer Ellipse
verlängert sein, obwohl eine längere Empfangsantenne die
räumliche Auflösung verringern würde. Die Sendeantenne könnte an
dem vorderen Ende der Empfangsantenne lokalisiert sein.
Wenn sich die Antenne entlang der Rohrwand bewegt, würde
die Sendeantenne einen Wirbelstrom in der Rohrwand
induzieren. Der Abfall der induzierten Ströme könnte anfänglich
durch den vorderen Abschnitt der Empfangsantenne erfasst
werden, da dies der Abschnitt der Empfangsantenne ist,
welcher benachbart zu dem Abschnitt der Wand lokalisiert ist,
der darin gegenwärtig die Wirbelströme aufweist. Da sich
die Antennen vorwärts bewegen, werden die Wirbelströme
abfallen, und die mittleren und hinteren Abschnitte der
Empfangsantenne werden benachbart zu dem Abschnitt der Wand
lokalisiert sein, welcher die abfallenden Wirbelströme
enthält. Somit können die abfallenden Wirbelströme erfasst
werden.
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Die vorstehende Offenbarung und die Darstellungen in
den Zeichnungen dienen lediglich der Erläuterung der
Prinzipien dieser Erfindung und sind nicht als Beschränkung zu
interpretieren.