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Verfahren und Einrichtung zur zerstörungsfreien
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Werkstoffprüfung eines Flossenrohres mittels Ultraschall Die Erfindung
betrifft in erster Linie ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines
Flossenrohres mittels Ultraschall nach der Impuls-Echo-Methode, bei dem die Prüfkopfhalterung,
an der mindestens ein Fehlerprüfkopf fest angeordnet ist, und das Flossenrohr relativ
zueinander rotieren und die im Bereich der Flossen bewirkten Echos von den Echos
der übrigen Rohrteile unterschieden werden.
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Bei Anwendung des Ultraschall-Reflektionsverfahrens auf ein Flossenrohr,
also ein nahtloses Stahlrohr mit zwei einander gegenüberliegenden Außenlängsrippen
bzw. Flossen, treten stets sowohl Fehlerechos als auch Formechos auf. Für das Auffinden
von Materialfehlern sind lediglich die Fehlerechos von Bedeutung, also die durch
die Materialfehler verursachten Echos.
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Die Formechos, d.h. die ausschließlich durch die geometrische Form
des Flossenrohres bedingten Echos, lassen sich jedoch unter keinen Umständen ausschließen.
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Formechos treteijüberall an der äußeren und inneren Oberfläche des
Flossenrohres auf. Die außerhalb der Flossen und damit in den gl-attwandigen Teilen
des Rohres erlangten Echos sind wegen der hier unveränderlichen Geometrie des Rohres
stets gleich, d.h. unabhängig von der gegenseitigen Stellung von Fehlerprüfkopf
und
Flossenrohr. Hingegen sind die im Bereich der Flossen bewirkten Formechos wegen
der starken Änderung der Rohrabmessungen in diesem Bereich weitgehend von der gegenseitigen
Stellung von Fehlerprüfkopf und Flossenrohr abhängig.
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Eine zufriedenstellende Werkstoffprüfung von Flossenrohren mittels
Ultraschall-Reflektionsverfahren verlangt, daß bei den Echos feststellbar ist, ob
es sich um Fehler- oder Formechos handelt, da lediglich die Fehlerechos eine Aussage
über die Materialgüte des Rohres enthalten. Daher setzt sie eine Unterscheidung
zwischen Fehler- und Formechos voraus.
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Es hat sich nun gezeigt, daß im Bereich der Flossen wegen der weitgehenden
änderungen der Rohrgeometrie in diesen Rohrteilen eine Unterscheidung zwischen Fehler-
und Formechos in der Regel nicht zufriedenstellend zu erreichen ist. Daher wird
angestrebt, zwischen den im Bereich der Flossen bewirkten Fehler- und Formechos
einerseits und den Fehler- und Formechos der abragen Rohrteile andererseits eindeutig
trennen zu können.
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Bei einem bekannten Verfahren zur Unterscheidung der im Bereich der
Flossen bewirkten Echos von den Echos der Ubrigen Rohrteile wird neben mindestens
einem Fehlerprüfkopf mindestens ein Hilfssuchkopf eingesetzt. Der Hilfssuchkopf
ermittelt dabei, wann der Fehlerprüfkopf in den Bereich einer Flosse eintritt und
aus diesem Bereich austritt, indem er ebenso wie der Fehlerprüfkopf unmittelbar
das Flossenrohr selbst beschallt.
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Dieses Verfahren ist nachteilig, weil auch der Hilfssuchkopf das
Flossenrohr unmittelbar beaufschlagt. Damit muß der Hilfsauchkopf nämlich möglichst
nahe am Flossenrohr angeordnet sein. Dies kann zu erheblichen Schwierigkeiten bei
der Ankopplung des Fehlersuchkopfes an den Prüfling führen, dies um so
mehr,
als zumeist nicht lediglich ein Fehlerprüfkopf und ein Hilfssuchkopf verwendet werden.
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Bei dem bekannten Verfahren kommt es außerdem häufig zu einer gegenseitigen
Störung der Funktionsweise von Fehlerprüfkopf und Hilfssuchkopf. In diesem Fall
geben die erhaltenen Anzeigen keinen eindeutigen Aufschluß über die Materialgüte.
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Ist der Hilfssuchkopf z.B. ebenso wie der Fehlerprüfkopf ein Utraschallprüfkopf,
kann es insbesondere zu einer gegenseitigen Überlagerung der Schallwellen kommen.
Die Gefahr solcher gegenseitiger Störungen ist vor allem dann groß, wenn mehrere
Fehlerprüfköpfe und ebenfalls eine Mehrzahl von Hilfssuchköpfen vorhanden sind.
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Der Erfindung liegt in erster Linie die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes
Verfahren der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, das auch bei Verwendung
mehrerer Fehlerprüfköpfe störsicher arbeitet. Sie hat sich weiterhin die Aufgabe
gestellt, die Durchführung dieses Verfahrens mittels mechanisch und elektrisch einfacher
Einrichtungen zu ermöglichen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß bei ein und demselben
Flossenrohr die Geometrie der beiden Flossen über die gesamte Rohrlänge nahezu unverändert
ist. Tatsächlich en treten bei Anwendung der bekannten Technik/zur Herstellung von
Flossenrohren nur geringfügige Abweichungen in der Flossengeometrie auf. Daraus
ergibt sich aber, daß es zur Unterscheidung der im Bereich der Flossen bewirkten
Anzeigen und der Anzeigen der übrigen Rohrteile nicht erforderlich ist, die Flossen
selbst während jeden Vorbeilaufs des Fehlerprüfkopfes zu beaufschlagen, um festzustellen,
wann der Fehlerprüfkopf in den Bereich einer Flosse eintritt und wieder aus diesem
heraustritt, daß es vielmehr ausreicht, die Stellung der Prüfkopfhalterung in Bezug
auf
das Rohr während ihrer Rotation zu verfolgen.
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Die Aufgabe wird in Verfolgung dieses Gedankens erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß das Flossenrohr unter Beibehaltung des zwischen den Flossen und der
Umgebung eingestellten Winkels an der keine Translationsbewegung durchführenden
Prüfkopfhalterung vorbei in Richtung der Rotationsachse fortbewegt wird, und daß
ein räumlich feststehender Sensor die Rotationsbewegung der Prüfkopfhalterung ermittelt.
Auf diese Weise läßt sich die Stellung der Prüfkopfhalterung in Bezug auf das Flossenrohr
während ihrer Rotation auf einfache Weise erfassen. Mit der Ermittlung der Rotationsbewegung
der PrUfkopfhalterung und damit des Fehlerprüfkopfes erhält man zugleich Information
darüber, wann der Fehlerprüfkopf die Flossen und wann er die tbrigen Rohrteile beaufschlagt.
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Ist die Umlaufgeschwindigkeit der Prüfkopfhalterung während einer
Prüfreihe konstant, ist es ausreichend, daß der Sensor die Lage der Prüfkopfhalterung
lediglich einmal zu Beginn .der Prüfreihe erfaßt. Bei gleichbleibender Unilaufgeschwindigkeit
können die Zeiträume, in denen die Flossen beaufschlagt werden, nämlich allein über
die Umlaufgeschwindigkeit ermittelt werden, wenn die Lage der Prüfkopfhalterung
lediglich einmal festgestellt wird.
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Die Umlaufgeschwindigkeit der Prüfkopfhalterung ist in der Regel
aber zeitlichen Schwankungen unterworfen, vor allem infolge von Veränderungen der
Versorgungsenergie des Rotationsantriebs der Prüfkopfhalterung. Hier empfiehlt es
sich, daß der Sensor die Lage der Prüfkopfhalterung während einer Prüfreihe wiederholt
erfaßt. Insoweit ist es zweckmäßig, daß der Sensor die Lage der Prüfkopfhalterung
während jeder Umdrehung
mindestens einmal erfaßt. Die Sicherheit
der Unterscheidung der im Bereich der Flossen bewirkten Anzeigen von den Anzeigen
der übrigen Rohrteile ist dadurch weiter erhöht, daß der Sensor die Lage der Prüfkopfhalterung
während jeder Umdrehung immer dann erfaßt, wenn ein Fehlerprüfkopf in den Bereich
einer Flosse eintritt und aus diesem Bereich wieder austritt.
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Es empfiehlt sich, daß der Sensor beim Vorbeilauf eines an der Prüfkopfhalterung
fest angebrachten Signalgebers von diesem ein Erkennungssignal erhält. Das Verfahren
ist vorteilhaft so gestaltet, daß der Sensor an einen die Echos erfassenden Geräteteil
ein der Lage der Prüfkopfhalterung entsprechendes Schaltsignal abgibt. Dieses Schaltsignal
wird bevorzugt dazu verwendet, daß die Weiterverarbeitung der im Bereich der Flossen
verursachten Echos im Geräteteil verhindert wird.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens dient erfindungsgemäß eine Einrichtung,
bei der die Prüfkopfhalterung als eine Welle ausgebildet ist. Die Welle ist vorzugsweise
eine das Flossenrohr aufnehmende Hohlwelle, da die Zufuhr der Rotationsenergie an
die Prüfkopfhalterung und der Energietransport zum Fehlerprüfkopf hin und von diesem
weg auf diese Weise am einfachsten ausgeführt werden können.
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Es empfiehlt sich, an der Prüfkopfhalterung umfangsseitig mindestens
einen an den Sensor ein Signal über die Lage der Prüfkopfhalterung abgebenden Signalgeber
fest anzubringen.
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Der Signalgeber kann beispielsweise als ein quer zur Rotationsachse
angeordneter Zahnkranz mit mindestens einem Zahn ausgebildet sein. Das Zusammenwirken
des Zahnkranzes mit dem Sensor ist dann besonders einfach gestaltet, wenn der Sensor
als mechanischer Signalempfänger ausgebildet ist. In diesem Fall kann die Lage
der
Prüfkopfhalterung beispielsweise durch Anschlagen eines Zahnes des Zahnkranzes an
den Sensor festgestellt werden. Der Sensor kann aber auch als magnetinduktiver Empfänger
ausgebildet sein.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es
zeigen: Fig. 1 und 2 ein Flossenrohr in Stirnansicht mit einem Fehlerprüfkopf; Fig.
la und 2a eine Leuchtschirmdarstellung der Echos in Abhängigkeit von der Schallimpulslaufzeit
bei der Fehlerprüfkopfstellung gemäß den Fig. 1 bzw. 2; Fig. 3 ein Flossenrohr in
Stirnansicht mit zwei Fehlersuchköpfen; Fig. 4 eine erfindungsgemäße Einrichtung
für konstante Umlaufgeschwindigkeit der Prüfkopfhalterung und Fig. 5 eine erfindungsgemäße
Einrichtung für schwankende Umlaufgeschwindigkeit der Prüfkopfhalterung.
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Es sind das Flossenrohr allgemein mit 1, dessen Flossen mit 2 und
seine übrigen, glattwandigen Rohrteile mit 3 bezeichnet.
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Das Flossenrohr 1 wird durch eine rotierende, als Hohlwelle ausgebildete
Prüfkopfhalterung 4 hindurchgeführt,
und zwar in Richtung der Rotationsachse
R. Dabei bleibt der zwischen den Flossen 2 und der Umgebung eingestellte Winkel
konstant. Der Pfeil X zeigt die Richtung der Rotationsbewegung an.
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In die Wandungen der Prüfkopfhalterungen 4 sind jeweils Fehlerprüfköpfe
5 bzw. 5a und 5b eingesetzt, und zwar im Falle der Fig. 1, la, 2 und 2a je ein Fehlerprüfkopf
5 und bei den Fig. 3, 4 und 5 je zwei Fehlerprüfköpfe 5a, 5b.
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Jeder Fehlerprüfkopf weist einen Piezoquarzkristall auf, der durch
an ihn herangeführte elektrische Schwingungen in Ultraschallschwingungen versetzt
wird und damit Ultraschallwellen ins Innere des Rohres 1 aussendet. Ein Teil dieser
Wellen gelangt nach Reflexion an der Innenwandung 6 und AußenWandung 7 des Rohres
1 einschließlich Flossen 2 zu demselben Kristall zurück. Die reflektierten Wellen
werden sodann durch den Kristall in elektrische Schwingungen zurückverwandelt, die
nach entsprechender Verstärkung z.B. auf dem Leuchtschirm eines Kathodenstrahloszillographen
sichtbar gemacht werden. Steht kein Materialfehler im Wege des Schallwellenbündels,
findet man auf dem Schirm des Kathodenstrahloszillographen lediglich einen Sendeimpuls
SI, ein Eintrittsecho EE infolge Reflexion beim erstmaligen Auftreten auf die Außenwandung
7 des Rohres 1 sowie Formechos infolge späterer Reflexionen an den Rohroberflächen.
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Fällt andererseits ein Kontinuitätsmangel des Materials, ein Schlackeneinschluß,
Riß oder sonstiger Materialfehler in den Weg des eintretenden Strahlenbündels, so
wird ein Teil des Schallwellenbündels auf den Kristall in Form eines Fehlerechos
zurückgeworfen, und zwar entweder als Innenfehlerecho oder als Außenfehlerecho,
je nachdem, ob sichlder Materialfehler an der Innenwandung 6 oder Außenwandung 7
des Rohres 1 befindet. Diese Innen- und Außenfehlerechos werden auf dem Leuchtschirm
des Kathodenstrahloszillographen in einer Innenfehlerblende IFB bzw.
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Außenfehlerblende AFB erfaßt.
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Der Weg des Schallbündels ist in den Fig. 1 bis 3 jeweils mit 8 bezeichnet.
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Die Fig. 1, la, 2 und 2a verdeutlichen das Entstehen von Formechos
im Bereich der Flossen 2.
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Im Falle der Fig. 1, 1a ist der FehlerprüfXopf 5 auf den glattwandigen
Teil 3 des Rohres ausgerichtet. Die Schallwellen 8 gelangen hier nach ihrer ersten
Reflexion an der Innenwandung 6 zur Außenwandung 7 des Rohres im Übergangsbereich
zwischen dem glattwandigen Teil 3 und der Flosse 2. Bei der Reflexion an diesem
Übergangsbereich entsteht ein Flossenecho FlE. Dieses Echo hat dieselbe Laufzeit-wie
ein Außenfehlerecho, welches durch einen an derselben Stelle des Übergangsbereiches
zwischen dem glattwandigen Rohrteil 3 und der Flosse 2 liegenden Materialfehler
hervorgerufen sein würde. Dies ergibt sich deutlich aus Fig. la, in der neben dem
Sendeimpuls SI das Eintrittsecho EE sowie das Flossenecho F1E so aufgetragen sind,
wie sie in Abhängigkeit von der Schallaufzeit ts auf dem Leuchtschirm eines Oszillographen
erscheinen.
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Im Falle der Fig. 2, 2a ist der Fehlerprüfkopf 5 andererseits unmittelbar
auf die Flosse gerichtet. Hier entsteht ein durch die Flosse bewirktes Flossenecho
FlE, welches laufzeitmäßig nicht von einer Innenfehleranzeige zu trennen ist.
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Es ergibt sich, daß im Bereich der Flossen 2 eine zufriedenstellende
Unterscheidung zwischen den durch Materialfehler bewirkten Fehlerechos und den durch
die Rohrgeometrie verursachten Formechos nicht möglich ist. Die darin liegende Schwierigkeit
wird umgangen, indem die im Flossenbereich bewirkten Echos in ihrer Gesamtheit unterdrückt
werden.
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Im Falle der Fig. 3 sind die beiden Fehlerprüfköpfe 5a und 5b so
zueinander ausgerichtet, daß die Schallumlaufrichtung des Prüfkopfes 5a gleich der
Drehrichtung X der Prüfkopfhalterung 4 und die des Prüfkopfes 5b dazu gegenläufig
ist. Der Einschallwinkel beträgt in beiden Fällen etwa 450. Aus dieser Figur ergibt
sich, daß der Prüfkopf 5a im Winkelbereich I und der Prüfkopf 5b im Winkelbereich
II ausgeblendet werden muß, um eine eindeutige Ultraschallprüfung zu ermöglichen.
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Bei den in den Fig. 4 und 5 dargestellten beiden erfindungsgemäßen
Einrichtungen wird das Rohr 1 auf einem Linear-Rollgang durch die Prüfkopfhalterung
4 hindurchgeführt.
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Die Beibehaltung des zwischen den Flossen2und der Umgebung eingestellten
Winkels ist hier durch eine Einlaufführung 9 und Auslaufführung 10 sichergestellt,
die beidseitig der Prüfkopfhalterung 4 angeordnet sind. Das Flossenrohr 1 schreitet
in der durch Pfeil Y dargestellten Richtung der Rotationsachse R fort. Die Rotation
der Prüfkopfhalterung 4 erfolgt über einen Keilriemenantrieb 12, dem ein nicht dargestellter
elektrischer Motor zugeordnet ist. Die Prüfkopfhalterung rotiert beispielsweise
mit 3000 U/min Es wird in Tauchtechnik gearbeitet. Daher ist die Prüfkopfhalterung
4 am Einlauf und Auslauf abgedichtet, um den Wasserabfluß aus dem Inneren der Prüfkopfhalterung
germg zu halten und so eine möglichst gute akustische Ankoppelung von Fehlerprüfkopf
und Flossenrohr herzustellen.
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Bei beiden Einrichtungen ist die Prüfkopfhalterung 4 mit zwei Fehlerprüfköpfen
5a und 5b ausgerüstet, die um 1800 zueinander versetzt in die Prüfkopfhalterung
4 eingesteckt sind.
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Ein Prüfkopf schallt in Richtung der Rotationsbewegung, der andere
gegenläufig.
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Jedem Fehlerprüfkopf 5a, 5b ist ein die Prüfkopfhalterung Lt umschließender
Leiterring 13 bzw. 14 zugeordnet. Die Leiterringe 13 und 14 sind mit einem Geräteteil
15 elektrisch verbunden. Die Fehlerprüfköpfe 5a, 5b werden über die Leiterringe
13, 14 induktiv mit elektrischen Schwingungen beaufschlagt, die von ihnen sodann
in Ultraschallschwingungen umgesetzt werden.
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Andererseits geben die Fehlerprüfköpfe an die Leiterringe 13, 14 nach
Reflexion der ausgesandten Schallbündel elektrische Schwingungen ab, welche die
Informationen über Materialfehler enthalten.
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Mit 16 und 17 sind mit dem Geräteteil 15 verbundene Ausblendschalter
bezeichnet. Diese Schalter bewirken, daß die beim Üb er fahren der Flossen bewirkten
Echos durch den Geräteteil 15 nicht verwertet werden.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen dient zur Erfassung der Lage der
Prüfkopfhalterung 4 in bezug auf das Flossenrohr 1 ein magnetinduktiv wirkender
Sensor 18. Dieser Sensor 18 spricht auf einen außenseitig an der Prüfkopfhalterung
Lt angebrachten Zahn 19 an und teilt dem Geräteteil 15 mit, wann der Zahn 19 an
ihm vorbeiläuft.
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Im Falle des Ausführungsbeispiels der Fig. 4 ist die Umlaufgeschwindigkeit
der Prüfkopfhalterung während einer Prüfreihe konstant. Hier spricht der Sensor
18 auf den Zahn 19 lediglich einmal zu Beginn der Prüfreihe an. Aufgrund dieses
einmaligen Ansprechens bewirken die Ausblendschalter 16 und 17 während der gesamten
Prüfreihe sodann das Ausblenden der Fehlerprüfköpfe
während ihres
Vorbeilaufs an den Flossen 2.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist die Umlaufgeschwindigkeit der
Prüfkopfhalterung 4 nicht konstant. Hier wird die Prüfung daher über einen Zahnkranz
20 und einen mit ihm magnet indukt iv zusammenwirkenden Impulsgeber 21 in bekannter
Weise fremd-synchronisiert. Der Zahnkranz 20 ist auf die Prüfkopfhalterung 4 aufgepreßt
und beispielsweise mit 58 Zähnen versehen. Auch hier erfaßt der Sensor 18 den Zahn
19 nur einmal zu Beginn einer Prüfreihe. Im weiteren wird die Stellung der Prüfkopfhalterung
4 gegenüber dem Flossenrohr 1 durch Zählung der Zähne des Zahnkranzes 20 ermittelt.