DE2658983A1

DE2658983A1 - Ultraschall-wandstaerkemessung

Info

Publication number: DE2658983A1
Application number: DE19762658983
Authority: DE
Inventors: George Theodore Paulissen
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-12-27
Publication date: 1977-07-07
Also published as: US4008603A; CA1073093A; FR2337331B1; GB1552702A; FR2337331A1; NO764362L; DE2658983C2

Description

betreffend
Ultras chall-Wandstärkeme ssung.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Wandstärke rohrförmiger Bauteile.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung rohrförmiger Bauteile mit dem Ziel, Korrosion und Schwachstellen zu entdecken. Im einzelnen wird bei dem Verfahren und der Vorrichtung mit Ultraschallenergie zur Messung der Wandstärke des rohrförmigen Bauteils gearbeitet. Die Verwendung von Ultraschall-Einrichtungen zur Feststellung von Fehlstellen und anderen Unregelmässigkeiten an rohrförmigen Bauteilen ist an sich bekannt. Es ist auch bereits versucht worden, Ultraschall-Einrichtungen zur Messung der Wandstärke der rohrförmigen Bauteile einzusetzen. Solche Versuche sind nur teilweise erfolgreich gewesen; die Daten sind nicht so angezeigt worden, dass eine Bedienungsperson das Auftreten von Korrosion oder Schwachstellen bzw. Dünnstellen am rohrförmigen Bauteil feststellen konnte. Andererseits ist die Feststellung von Schwachstellen und Korrosion am rohrförmigen Bauteil sehr wichtig, und zwar insbesondere bei Wärmetauschern, bei denen ein¹ eventueller Ausfall von Rohren zu schwerwiegenden Problemen führt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Verfahren und eine Ultraschall-Vorrichtung zu schaffen, mit denen die Messung der Wandstärke von rohrförmigen Bauteilen in einer Weise möglich ist, dass auch Korrosion und Schwachstellen an den rohrförmigen Bauteilen ermittelt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren und die im Anspruch 5 gekennzeichnete Vorrichtung vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den jeweils anschliessenden Unteransprüchen hervor.

Bei der Erfindung erzeugt der Ultraschall-Wandler Ultraschall-Wellen, die auf die Wände des rohrförmigen Bauteils gerichtet sind, und zwar mittels eines rotierenden akustischen Spiegels, der eine geneigte Oberfläche besitzt. Es ist ein Sendeempfänger zur Speisung des Ultraschall-Wandlers für die Erzeugung der Ultraschallwellen und den Empfang der zurückkehrenden Echos vorgesehen. Die Zeitspanne zwischen dem Echo von der Innenfläche und dem Echo von der Aussenfläche des rohrförmigen Bauteils wird gemessen, beispielsweise mittels einer digitalen Einrichtung. Die digitalen Messungen werden anschliessend analysiert, um zu ermitteln, welche der Messungen innerhalb ausgewählter Zeitperioden liegen. Diejenigen digitalen Messungen, welche innerhalb jeder der ausgewählten Zeitperioden liegen, können an einer digitalen Anzeigeeinrichtung akkumuliert werden. Die Bedienungsperson kann die digitale Anzeigeeinrichtung beobachten und so die Wandstärke der verschiedenen Teile der Wandung des rohrförmigen Bauteiles ermitteln. Eine ernsthafte Korrosion oder Schwachstelle bzw. Wandstärkenverringerung der Rohrwandung ist hierbei an der Akkumulation einer Anzahl von Messungen erkennbar, die sich von der durchschnittlichen Zeitmessung unterscheiden.

Zusätzlich zur Akkumulation der Zeitmessungen in einer Serie ausgewählter Zeitspannen können diese in Form eines Histogramms wiedergegeben werden. Dies liefert der Bedienungsperson sowohl leicht zu beobachtende als auch dauerhafte Aufzeichnungen der Messungen? 098 2 7/0755

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert» In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer im Querschnitt dargestellten Sonde und einer als Blockschaltbild dargestellten elektronischen Schaltung;

Fig. 2 einen Signalplan mit dem zeitlichen Verlauf von Signalen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Histogramm der mit der Vorrichtung aufgenommenen Messungen im Vergleich zu Messungen mittels eines Mikrometers.

Auf der linken Seite von Fig. 1 ist eine Sonde gezeigt, die in ein rohrförmiges Bauteil eingeführt werden kann, um die Wandstärke desselben zu messen. Die Sonde enthält einen Ultraschall-Wandler 10 und einen rotierenden Spiegel 11 mit einer Oberfläche 12, welche unter einem Winkel von ungefähr 45° gegenüber der Achse des Wandlers geneigt ist. Der rotierende Spiegel richtet die Ultraschallenergie senkrecht bzw. normal auf die Wandung des rohrförmigen Bauteiles und leitet die zurückkommenden Echos zum Wandler. Der Spiegel 11 ist am einen Ende eines Wasserturbinen-Rotors 14 montiert. Der Wasserturbinen-Rotor ist mit zwei in axialer Richtung sich erstreckenden Armen 13 versehen, welche den Spiegel am unteren Ende unterstützen, ferner mit einer Serie von Düsenlöchern 24, welche die Turbine am oberen Ende bilden. Der Rotor ist am Turbinen-Ständer 15 mittels zweier Lager 16 und 17 drehbar gelagert. In eine das Lager 17 umgebende Kammer 27 kann Wasser eingeleitet werden, welches dann durch die Düsenlöcher 24 ausströmen kann, um den Rotor 18 in Drehung zu versetzen.

Die Turbinen-Wandler-Anordnung ist am Ende eines Rohres gehalten, bei dem es sich um ein steifes rohrförmiges Bauteil handeln kann, welches zur Einführung der Sonde in das rohrförmige Bauteil dient, welches untersucht werden soll. Am rohrförmigen Bauteil 20 sind Zentriergeräte 21 und 23 vorgesehen, um

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die Sonde innerhalb des rohrförmigen Bauteiles zu zentrieren. Am Turbinen-Stator ist eine Stromlenkeinrichtung beispielsweise in Form zweier Gummi-Ringe oder -Wälle vorgesehen, um das untere Ende der Sonde vom oberen Ende zu isolieren und um das aus den Düsenlöchern 24 ausströmende Wasser als Strom nach unten zu lenken. Dadurch ist sichergestellt, dass das rohrförmige Bauteil mit Wasser gefüllt ist und sich eine gute akustische Kopplung zwischen dem Wandler 10 und dem untersuchten rohrförmigen Bauteil ergibt. Der Wandler ist mit dem restlichen System mittels eines Koaxialkabels 25 gekoppelt, welches sich durch das Rohr 20 hindürcherstreckt.

Der Wandler ist mit einem Sendeempfänger 30 gekoppelt, welcher einen Impuls zur Anregung des Wandlers erzeugt und dann die zurückkommenden Signale empfängt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei welchem die Sonde zur Messung der Wandstärke eines rohrförmigen Bauteiles ausgelegt ist, empfängt der Empfänger zwei oder mehr Echos, und zwar eines von der Innenfläche der Wandung und eines oder mehrere von der Aussenflache der Wandung. Bei dem Sendeempfänger 30 und dem Wandler 10 kann es sich um handelsübliche Bauteile handeln, z.B. um Geräte der Firma Panämetrics Incorporated, Waltham, Massachusetts, U.S.A.. Das Signal vom Empfänger wird mittels eines Verstärkers 31 verstärkt und einem Vollweg-Detektor 32 zugeführt. Der Verstärker 31 sollte eine Begrenzung besitzen, um eine Übersteuerung in die Sättigung beim Empfang von Echos grosser Amplitude zu vermeiden. Der Vollweg-Detektor empfängt die zwei abwechselnden Echo-Signale vom Empfänger und setzt sie in ein Paar einseitig gerichteter Impulse um. Der Zweiweg-Detektor kann einen HF-Übertrager, eine Dioden-Brücke und eine integrierte Schalttung umfassen. Der Zweiweg-Detektor bewirkt letztlich eine Trennung der Echos und erzeugt zwei einzelne, ausgeprägte Signale. Die Impulse werden mittels eines Verstärkers 33 verstärkt und zur Ansteuerung eines Verknüpfungsgliedes 34 benutzt, welches einen einzigen Rechteck-Impuls erzeugt, dessen Vorderflanke

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dem ersten Echo und dessen Hinterflanke dem zweiten Echo entspricht. Ein weiteres, nach den ersten beiden Echos ankommendes Echo wird unterdrückt. Der Impuls vom Verknüpfungsglied 34 wird zum Starten und stoppen eines Digital-Zählers 35 verwendet, welcher Impulse von einer Taktquelle 36 zählt. Auf diese Weise wird die Zeitspanne zwischen den beiden ersten Echos in eine digitale Zeitmessung umgesetzt.

Am Ende jeder Mess-Periode enthält der Zähler 35 eine Anzahl von Zählschritten, d.h. einen Zählerstand, der, abgesehen vom Start- und Stopp-Fehler, der Wandstärke proportional ist. Es sind mehrere Anzeige-Zähler-Speicher 42 vorgesehen, denen jeweils ein bestimmter Stärke- oder Dickenbereich zugewiesen ist, welcher einem Bereich von Zählerständen des Zählers 35 entspricht. Eine als Verteilungsanalysierer arbeitende Verknüpfungsschaltung 40 gibt einen Impuls zur Weiterschaltung desjenigen Zähler-Speichers 42 weiter, welcher dem zugewiesenen Block oder Bereich von Zählerständen im Zähler 35 entspricht. Die Zählerstände jedes Zählers werden der Bedienungsperson optisch, z.B. mit Lampen, angezeigt. Jeder Werte-Bereich entspricht einem und ist einem Stärkebereich der gemessenen Rohrwandung zugeordnet. Die Bedienungsperson kann also durch Ablesen der Zähler feststellen, wie oft die Sonde eine Wandung ausgemessen hat, deren Dicke oder Stärke innerhalb des Stärkebereiches lag, welcher dem jeweiligen Zähler entspricht. Gemäss Fig. 1 arbeitet die dargestellte Vorrichtung mit zwanzig Knaälen 41 und zwanzig Anzeigen 42, die zwanzig benachbarte Wertebereiche der Wandstärke repräsentieren, wobei eine einundzwanzigste Zähler-Anzeige 43 zur Akkumulierung der Fehler entsprechend denjenigen Zeiten benutzt wird, in denen der Wandler keines der beiden zurückkommenden Echos empfangen hat. Eine zweiundzwanzigste Zähleranzeige 44 wird zur Akkumulierung der Gesamtzahl der Messungen benutzt.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf von Signalen an verschiedenen Punkten der elektronischen Schaltung. Im einzelnen

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stellt die Wellenform 50 die beiden Echos dar, welche vom Empfänger abgegeben und am Verstärker 31 erhalten werden. Die Wellenform 52 stellt die gleichgerichteten Signale dar, wobei die Vorderflanke der beiden Impulse jeweils dem Beginn des ersten bzw. zweiten Echos entspricht. Die Wellenform 53 entspricht dem vom Verknüpfungsglied 34 abgegebenen Impuls, welcher zur Steuerung des Digital-Zählers 35 benutzt wird.

Die in den verschiedenen Zählerspeichern des Verteilungsanalysierers bzw. der Verknüpfungsschaltung 40 akkumulierten Daten können in Form eines Histogramms wiedergegeben v/erden, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die zwanzig Kanäle sind am unteren Rand der graphischen Darstellung aufgetragen, während die entsprechenden Wandstärken in mm am oberen Rand angegeben sind. Die linke Kante zeigt den Prozentsatz individueller bzw. einzelner Messungen, die jeweils in den einzelnen Zählern akkumuliert sind. Wie gezeigt, entspricht das Fehlersignal 60 einem kleinen Porzentsatz aller Messungen, während die Mehrzahl der Messungen 61 und 62 innerhalb zweier Bereiche liegt, die dem dreizehnten und vierzehnten Zähler entsprechen. Die Teile der graphischen Balken 63 und 64 über den Balken 61 und 62 geben die Werte bzw; Grosse der Mikrometer-Messungen wieder, welche am gleichen rohrförmigen Bauteil durchgeführt wurden, in welchem auch die Ultraschall-Vorrichtung benutzt wurde. Zwar waren die Ultraschall-Messungen über einen etwas breiteren Bereich der Wandstärke als die Mikrometer-Messungen verteilt, jedoch weisen ihre Messergebnisse keine deutlich verringerte Wandstärke oder andere Fehler aus. Ausserdem kann man der graphischen Darstellung entnehmen, dass die durchschnittliche Wandstärke des rohrförmigen Bauteiles zwischen 2,6 und 2,9 mm lag.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Messung der Wandstärke eines rohrförmigen auteiles, dadurch gekennzeichnet , dass man innerhalb des Bauteiles wiederholt einen Ultraschall-Impuls erzeugt, dass man die Impulse senkrecht auf die Wandung des Bauteiles richtet, dass man die zurückkommenden beiden Echos jedes Impulses aufnimmt, dass man die Zeitspanne zwischen dem ersten und zweiten Echo misst, das von der Innenseite bzw. der Aussenseite der Wandung des Bauteiles kommt, und dass man die gemessenen Zeitspannen in mehreren Akkumulier-Einrichtungen akkumuliert, von denen jede innerhalb bestimmter Grenzen liegende Zeitspannen akkumuliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t ,. dass die bestimmten Grenzen jeder Akkumulier-Einrichtung ausgewählten Bereichen der Wandstärke des Bauteiles entsprechen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass man einen Tor-Impuls erzeugt, dessen Vorderflanke dem Beginn des ersten Echos und dessen Hinterflanke dem Beginn des zweiten Echos entspricht, dass man eine Taktimpuls-Reihe erzeugt, und dass man die Taktimpulse für die Dauer des Tor-Impulses einer Zähleinrichtung zuführt, die so eine Messung der Zeitspanne erzeugt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass man die akkumulierten Zeitspannen in Form eines Histogramms wiedergibt.

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5. Vorrichtung zur Messung der Wandstärke eines rohrförmigen Bauteiles, gekennzeichnet durch einen · Ultraschall-Wandler (10), durch einen mit dem Wandler (10) gekoppelten Sendeempfänger (30) zur Anregung des Wandlers für die Erzeugung eines Ultraschall-Impulses und zum Empfang zurückkommender Echos, durch ein Gehäuse (20, 15) für den Wandler, an welchem der Wandler so innerhalb des rohrförmigen Bauteiles gehalten ist, dass er einen Strahl Untraschallenergie in Längsrichtung des Rohrbauteiles abgibt, durch einen akustischen Spiegel (11), welcher am Gehäuse um eine zur Achse des rohrförmigen Bauteiles parallele Achse drehbar ist und eine reflektierende Fläche (12) besitzt, welche unter einem 'Winkel gegenüber der Achse geneigt ist und die Ultraschallenergie auf die Wandung des rohrförmigen Bauteiles richtet, durch einen mit dem Spiegel gekoppelten Drehantrieb (14), durch eine am Gehäuse angebrachte Stromlenkeinrichtung (26) zur Erzeugung einer Wasser-Kopplung zwischen dem Wandler, dem Spiegel und dem rohrförmigen Ba.uteil, durch eine mit dem Sendeempfänger (30) gekoppelte Zeitmesseinrichtung (34-36) zur Messung der Zeitspanne zwischen den Echos von den inneren und - äusseren Wänden des rohrförmigen Bauteiles, und durch eine mit der Zeitmesseinr'ichtung gekoppelte Akkumuliereinrichtung (40-42) zur Akkumulierung der gemessenen Zeitspannen, die innerhalb einer Serie vorbestimmter maximaler und minimaler Zeitspannen liegen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulier-Einrichtung mehrere Zähler-Speicher (42) umfasst, von denen jeweils einer einer Zeitspanne zugeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , dass die Zeitmesseinrichtung ein mit dem Sendeempfänger (30) gekoppeltes Verknüpfungsglied (34) aufweist, welches zur Erzeugung eines Tor-Impulses beim

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Empfang des ersten Echos geöffent und beim Empfang des zeiten Echos geschlossen wird, dass eine Takteinrichtung (36) zur Erzeugung einer Taktimpuls-Reihe vorgesehen ist und dass das Verknüpfungsglied sowohl mit der Takteinrichtung als auch, einer digitalen Zähleinrichtung (35) gekoppelt ist, um dieser für die Dauer des Vor-Impulses Taktimpulse zuzuführen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5> 6 oder 7, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , dass die Akkumuliereinrichtung eine digitale Anzeigeeinrichtung umfasst.

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