WO2002079725A1 - Hochfrequente ultraschallmessung von teilschichtdicken dünnwandiger rohre in kontakttechnik - Google Patents

Hochfrequente ultraschallmessung von teilschichtdicken dünnwandiger rohre in kontakttechnik Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for ultrasound measurement 7 of partial layer thicknesses on thin-walled tubes.
  • Pipes of this type are, for example, cladding tubes of nuclear fuels, which 9 have a wall thickness of 1 mm and less. On the outside or inside, such pipes are often with a duplex or
  • liner layer 12 Provides liner layer.
  • the thickness of liner layer 12 is often only 0.15 mm and less. 13
  • the object of the invention is to provide an ultrasound method.
  • 32 pelflache is a narrow rectangle.
  • the received echo signals have a reduced intensity
  • Ratio can be determined by using digital recording
  • processing and processing methods e.g. by overlaying echo pulse sequences.
  • Fig.2 shows a detail from Fig.l that the cladding tube and an is probe is enlarged.
  • Fig.l shows an apparatus for a method for ultra
  • 22 tube 1 has a diameter of 10 mm and a wall thickness
  • the cladding tube is e.g. outside with a
  • Liner layer 2 provided.
  • the oscilloscope 6 is a DV system, for example a PC 7
  • test head 3 is coupled to the pipe surface using contact technology, the pipe surface being wetted with a conventional coupling medium, for example water, oil or glycerin.
  • a conventional coupling medium for example water, oil or glycerin.
  • the evaluable sound bundle 10 is limited to a narrow area, which is predetermined by the contact surface 11 between the pipe surface 12 and the coupling surface 4.
  • the gap spaces 14 adjoining the contact surface 11 on both sides are also at least to a certain extent filled with coupling medium 8, which for practical reasons can hardly be avoided. These gaps generally produce disruptive echo signals that can affect the layer thickness measurement. These disturbances are strongly damped by the selected geometry of a flat coupling surface 4. An ultrasound beam 15 irradiated outside the contact surface 11 is not reflected back to its starting point due to the pipe bend 12. The long-lasting "ringing" that is known in plane-parallel columns does not occur. However, this negative effect can occur with test heads with a contact surface that is adapted to the pipe curvature.
  • a sound wave 13 radiated from the coupling surface 4 outside the contact surface 11 and widened by the relatively long coupling medium path in the gap spaces 14 and is therefore not suitable for the measurement task is caused by the flat coupling surface 4 and the curved one
  • Pipe surface 12 of the given geometry is deflected radially outwards, so it does not generate an echo signal which interferes with the measurement result.
  • the coupling medium does not interfere with the sound coupling, since here there is practically only direct material contact and the coupling medium essentially only fills the microscopic cavities given by the roughness of the surfaces in contact with one another. However, these cavities do not interfere with the sound coupling, since they have dimensions that are far below a wavelength of the HF ultrasound.
  • the method can of course also be used to measure the entire tube wall thickness. Furthermore, the layer thicknesses of multi-layered pipes can of course also be measured using the proposed method.
  • the received echoes are correspondingly weak.
  • the electronic noise can be filtered out by homologously superimposing several ultrasound shots.
  • interference signals caused by incomplete damping of the test head or by transverse waves can also be suppressed or at least reduced with the aid of the technology mentioned, as a result of which the signal / interference ratio can be improved.
  • Envelope liner layer Ultrasonic test head Coupling surface Ultrasonic test device Oscilloscope PC Coupling medium Contact surface Sound bundle Contact surface Pipe surface Sound wave Gap space Ultrasonic beam

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Abstract

Ultraschallmessung von Schichtdicken in dünnwandigen Rohren. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Hochfrequenz-Prüfkopf (3) (mehr als 40 MHz) mit einer Ankoppelfläche (4) verwendet wird, die einen planebenen Flächenbereich aufweist. Dieser Flächenbereich ist an die mit einem Koppelmedium (8) benetzte Rohroberfläche (12) in Kontakttechnik angekoppelt. Für Duplex- oder Linerschicht von 0,15mm bei Höllrohren von Kernbrennstoffen.

Description

Be s ehr e ibung
HOCHFREQUENTE ULTRASCHALLMESSUNG VON TE.ILSCHICHTDICKEN DÜNNWANDIGER ROHRE IN KONTAKTTECHNIK
β Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallmessung 7 von Teilschichtdicken an dünnwandigen Rohren. Rohre dieser β Art sind beispielsweise Hüllrohre von Kernbrennstoffen, die 9 eine Wanddicke von 1mm und weniger aufweisen. Außen- oder in- 10 nenseitig sind solche Rohre vielfach mit einer Duplex- oder
11 Linerschicht versehen. Die Dicke von Linerschichte beträgt 12 oft nur 0,15 mm und weniger. 13
14 In US 4,918,989 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Liner-
15 schichtdicke eines Kernbrennstoffhüllrohres beschrieben, bei ιe dem die Schallankopplung über eine Wasservorlaufstrecke in
17 Tauchtechnik erfolgt. Mit diesem Verfahren lassen sich jedoch is nur inerschichtdicken mit ausreichender Genauigkeit bestim-
19 men, die eine Dicke von mehr als 0,4 mm aufweisen.
20
21 Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ultraschallverfahren vorzu-
22 schlagen, mit dem Teilschichtdicken dünnwandiger Rohre mit
23 hoher Messgenauigkeit bestimmbar sind.
24
25 Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
26 Anspruches 1 gelöst. Danach wird ein Hochfrequenz-Prüfköpf
27 (HF-Prüfkopf) mit einer Ankoppelflache verwendet, die einen
2β planaren Flächenbereich aufweist, wobei dieser Flächenbereich
29 an die mit einem Koppelmedium benetzte Rohroberfläche in Kon-
30 takttechnik angekoppelt wird. Die Verwendung von hochfrequen-
31 tem Ultraschall für messtechnische Zwecke ist zwar grundsätz-
32 lieh bekannt, sie wurde aber noch nicht für die Bestimmung
33 von Schichtdicken dünnwandiger Rohre eingesetzt. Die Ankopp-
34 lung erfolgte bisher in Tauch- oder Pfützentechnik. Bei die- 1 ser Ankopplungsart ist der Einsatz von hochfrequentem Ultra-
2 schall, also Ultraschall von mehr als 40 MHz nicht möglich,
3 da Wasser solche Schallfrequenzen nur schlecht übertragen
4 kann. Aus „Ultraschallprüfung" Springerverlag, Berlin Heidel- s berg 1997, S.239-241 sind Prüfköpfe für die Ultraschallprü-
6 fung von Rohren bekannt, bei denen die Ankoppelflache eine
7 der Rohroberfläche entsprechende Krümmung aufweist. Würde man s solche Prüfkδpfe für die in Rede stehende Messaufgabe verwen- 9 den, wäre eine äußerst exakte und aufwendige Anpassung der
10 mit einander zu kontaktierenden Krümmungsflächen erforder-
11 lieh, um die Entstehung von Spalträumen und damit von stδren-
12 den Echosignalen zu verhindern. Bei Verwendung eines Prüfkop-
13 fes mit einem planebenen Ankoppelflächenbereich oder mit ei-
14 ner insgesamt planebenen Koppelfläche wird dieser Effekt da-
15 gegen verhindert. Die Schalleinstrahlung erfolgt nur über ei- ιe nen schmalen etwa rechteckförmigen, durch den direkten Mate-
17 rialkontakt zwischen Prüfkopf und Rohroberfläche gebildeten
18 Flächenbereich. Außerhalb dieses Bereiches abgestrahlte
19 Schallwellen werden durch Reflexion an der gekrümmten Rohr-
20 Oberfläche aus dem Strahlengang entfernt und durch Brechung
21 an der Rohroberfläche radial nach außen abgelenkt und erzeu-
22 gen keine vom Prüfköpf detektierbaren Echosignale. Ein weite-
23 rer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin,
24 dass ein und der selbe Prüfkopf für die Messung von Rohren
25 unterschiedlichen Durchmessers verwendbar ist. Dagegen wären
26 Prüfkδpfe mit gekrümmter Ankoppelflache allenfalls nur für
27 einen bestimmten Rohrdurchmesser geeignet. Problematisch da-
28 bei ist noch, dass bei Rohren an verschiedenen Messstellen
29 unterschiedliche Rohroberflächen vorhanden sein können. Bei
30 dem vorgeschlagenen Verfahren dagegen ist die Qualität der
31 Rohroberfläche von untergeordneter Bedeutung, da die Ankop-
32 pelflache ein schmales Rechteck ist.
33
Aufgrund des nur sehr eng begrenzten Ankoppelbereiches steht nur ein Teil des vom Schwinger des Prüfkopfes erzeugten Sen- 1 deimpulses für die Messung zur Verfügung. Dementsprechend
2 weisen die empfangenen Echosignale eine verringerte Intensi-
3 tat auf .
4
5 Ein sich z.B. daraus ergebendes ungünstiges Signal/Stδr-
6 Verhältnis lässt sich durch die Anwendung digitaler Aufzeich-
7 nungs- und Verarbeitungsverfahren, z.B. durch Überlagerung s von Echoimpulsfolgen, verbessern.
9
10 Die Erfindung wird nun anhand eines in den beigefügten Zeich-
11 nungen dargestellten AusführungsbeiSpieles näher erläutert.
12 Es zeigen:
13 u Fig.l eine Vorrichtung für ein Verfahren zur Messung der
15 Schichtdicke eines dünnwandigen Kernbrennstoffhüll-
16 rohres ,
17 Fig.2 ein Detail aus Fig.l, dass das Hüllrohr und einen is Prüfköpf vergrößert darstellt.
19
20 Fig.l zeigt eine Vorrichtung für ein Verfahren zur Ultra-
21 Schallmessung eines Kernbrennstoffhüllrohres 1. Das Hüll-
22 röhr 1 weist einen Durchmesser von 10 mm und eine Wanddicke
23 von 0,6 mm auf. Das Hüllrohr ist z.B. außenseitig mit einer
24 Linerschicht 2 versehen. Das Hüllrohr 1 und die Liner-
25 Schicht 2 mit einer maximalen Dicke von 0,15 mm bestehen aus
26 Zirkoniumlegierungen, die sich in ihrer Zusammensetzung und
27 damit in ihrer Schallimpedanz voneinander unterscheiden. An
28 der Rohroberfläche ist ein Ultraschallprüfkopf 3 mit einer
29 planebenen Ankoppelflache 4 angeordnet. Die vom Ultraschall-
30 prüfkopf 3 empfangenen Echosignale werden von einem Ultra-
31 schallprüfgerät 5 aufgenommen und von einem digitalen Oszil-
32 loskop 6 in Form beispielsweise eines HF-Bildes aufgezeich-
33 net. Zur Weiterverarbeitung der Daten des HF-Bildes ist an
34 das Oszilloskop 6 eine DV-Anlage, beispielsweise ein PC 7
35 angeschlossen. Die Ankopplung des Prüfkopfes 3 an die Rohroberfläche er- folgt in Kontakttechnik, wobei die Rohroberfläche mit einem üblichen Koppelmedium, beispielsweise Wasser, Öl oder Glyce- rin benetzt ist .
Wie insbesondere Fig.2 zu entnehmen ist, beschränkt sich das auswertbare Schallbündel 10 auf einen schmalen, durch die Kontaktfläche 11 zwischen der Rohroberfläche 12 und der Ankoppelfläche 4 vorgegebenen Bereich.
Die sich an die Kontaktfläche 11 beidseitig nach außen an- schließenden Spalträume 14 sind zumindest zu einem gewissen Teil ebenfalls mit Koppelmedium 8 gefüllt, was sich aus prak- tischen Gründen kaum vermeiden lässt. Durch diese Spalträume entstehen grundsätzlich störende Echosignale, die die Schichtdickenmessung beeinträchtigen können. Durch die ge- wählte Geometrie einer ebenen Ankoppelflache 4 werden diese Störungen stark gedämpft. Ein außerhalb der Kontaktfläche 11 eingestrahlter Ultraschall-Strahl 15 wird aufgrund der Rohr- krümmung 12 nicht wieder zu seinem Ausgangspunkt zurück re- flektiert. Das in planparallelen Spalten bekannte, lang an- haltende „Klingeln" entsteht nicht. Dieser negative Effekt kann jedoch bei Prüfköpfen mit einer der Rohrkrümmung ange- passten Kontaktfläche auftreten.
Eine von der Ankoppelfläche 4 außerhalb der Kontaktfläche 11 abgestrahlte und durch die verhältnismäßig lange Koppelmediumstrecke in den Spalträumen 14 verbreiterte und daher für die Messaufgabe nicht geeignete Schallwelle 13 wird aufgrund der durch die planebene Ankoppelflache 4 und die gekrümmte
Rohroberfläche 12 vorgegebenen Geometrie radial nach außen abgelenkt, erzeugt also kein das Messergebnis störendes Echo- signal. Im Bereich der Kontaktfläche 11 wirkt sich das Kop- pelmedium auf die Schallankoppelung nicht störend aus, da hier praktisch nur ein direkter Materialkontakt vorliegt und das Koppelmedium im wesentlichen nur die durch die Rauhigkeit der miteinander in Kontakt stehenden Oberflächen gegebenen mikroskopischen Hohlräume füllt. Diese Hohlräume stören aber die Schallankopplung nicht, da sie Abmessungen aufweisen, die weit unterhalb einer Wellenlänge des HF-Ultraschalls liegen.
Das Verfahren kann selbstverständlich auch zur Messung der gesamten Rohrwanddicke angewendet werden. Weiterhin sind selbstverständlich auch die Schichtdicken von mehrfach geschichteten Rohren mit dem vorgeschlagenen Verfahren messbar.
Aufgrund des eng begrenzten auswertbaren Schallbündels 10 sind die empfangenen Echos entsprechend schwach. Durch Anwen- düng digitaler Signalverarbeitungstechniken kann jedoch bei- spielsweise das elektronische Rauschen durch homologe Überla- gerung mehrerer Ultraschallschüsse herausgefiltert werden. Darüber hinaus lassen sich auch beispielsweise durch unvoll- ständige Dämpfung des Prüfkopfes oder durch Transversalwellen hervorgerufene Störsignale mit Hilfe der genannten Technik unterdrücken oder zumindest verringern, wodurch das Sig- nal/Stör-Verhältnis verbessert werden kann.
Bezugszeichenliste
Hüllröhr Linerschicht Ultraschallprüfkopf Ankoppelflache Ultraschallprüfgerät Oszilloskop PC Koppelmedium Kontaktfläche Schallbündel Kontaktfläche Rohroberfläche Schallwelle Spaltraum Ultraschall-Strahl

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ultraschallmessung von Schichtdicken in dünnwandigen Rohren, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Hochfrequenz-Prüfköpfes (3) mit ei- ner Ankoppelflache (4) , die einen planebenen Flächenbe- reich aufweist, wobei dieser Flächenbereich an die mit einem Koppelmedium (8) benetzte Rohroberfläche (12) in Kontakttechnik angekoppelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ankoppelflache (4) mit insgesamt planebener Ausges- taltung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die vom Prüfköpf (3) empfangenen Echosignale in di- gitaler Form aufgezeichnet und zur Verbesserung des Sig- nal/Stör-Verhältnisses digital weiter verarbeitet wer- den .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3 gekennzeichnet durch die Verwendung für Rohre, deren Wanddicke ≤ 1mm ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, dass es für die Dickenmessung einer inneren oder äußeren Linerschicht (2) eines Kernbrennstoff-Hüllrohres (1) verwendet wird, wobei die Dicke der Linerschicht ca. 0,15 mm ist.
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