DE2939480A1 - Verfahren zur ermittlung von rissen u.dgl. in einem rohr mit hilfe von ultraschall - Google Patents

Description

Verfahren zur Ermittlung von Rissen und dgl, in einem Rohr mit Hilfe von Ultraschall

Die Erfindung betrifft ein zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Ermittlung von langfristigem Materialverlust bei Röhren, beispielsweise bei Heizerröhren, welche bei katalytischen Umwandlungsprozessen zur Anwendung kommen, beispielsweise bei der Umwandlung von Naturgas mit Dampf und insbesondere ein Verfahren zur Ermittlung von Rissen in Röhren mit Hilfe von Ultraschall.

In herkömmlicher Weise ermittelt man mit Hilfe von Ultraschall Risse in einem Rohr unter Zuhilfenahme von zwei Sonden, wobei das Sondenpaar auf das Rohr aufgesetzt wird, wie es in Fig. 6 in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist.

Auf die äußere Fläche eines Rohres 1 wird eine Sendersonde 3 und eine E mpf ärger sonde 4, welche auf einem gemeinsamen Umfangskreis der im rechten Winkel zur Längsachse des Rohres 1 liegt, aufgesetzt. Die Sonden sind als einheitliche Anordnung entlang der äußeren Oberfläche des Rohres 1 zur Abtastung der Oberfläche verschiebbar. Während dieser Abtastung löst die Sendersonde 3 eine Ultraschallstrahlung, die auf das Material des Rohres 1 gerichtet ist, aus. Die Empfängersonde 4 empfängt das Echo der ausgesendeten Ultraschallstrahlung, welches vom Material des Rohres 1 abgegeben wird. Auf diese Weise lassen sich Risse im Material des Rohres 1 aus Schwankungen des Echos ermitteln.

Bei diesem Verfahren ergeben sich keine Schwierigkeiten bei der Ermittlung von Rissen im Grundmetall des verschweißten Rohres. Es ist jedoch in der Praxis nicht möglich, im ringförmigen Schweißbereich 19 Risse festzustellen, da hierzu die Sendersonde 3 und die

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Empfängersonde 4 auf der Schweißnaht anzuordnen sind. Dabei ergeben sich jedoch im Echo starke Schwankungen, die als Rauschen in Erscheinung treten, so daß eine Ermittlung von Rissen nicht möglich ist. Dies resultiert aus unregelmäßigen Unebenheiten auf der Schweißnahtoberfläche, die im Ausbreitungsweg der Ultraschallstrahlung liegen, insbesondere Unregelmäßigkeiten der Oberfläche an den Stellen, an denen die Ultraschallstrahlung in das Material eindringt und das Material des Rohres wieder verläßt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, zur Vermeidung der beim bekannten Verfahren auftretenden Schwierigkeiten ein Verfahren zur Ermittlung von Rissen in einem Rohr zu schaffen, bei dem unabhängig von Oberflächenunebenheiten, die insbesondere an Schweißnähten entstehen, eine Ermittlung von Rissen ohne das Auftreten von Schwankungen und von Rauschen im empfangenen Signal möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Die Erfindung sieht insofern ein Verfahren vor, bei dem mit Hilfe von Ultraschall Risse in einem Rohr ermittelt werden und das folgende Verfahrensschritte aufweist: Auf die Außenfläche des Rohres wird eine Sendersonde aufgesetzt. Diese Sendersonde löst eine Ultraschallstrahlung aus, die unter einem bestimmten Neigungswinkel auf die äußere Oberfläche des Rohres in der Weise gerichtet ist, daß an der Eindringstelle in das Rohrmaterial die Ultraschallstrahlung unter einem bestimmten Beugungswinkel gebeugt wird, so daß die gebeugte Ultraschallstrahlung durch das Rohrmaterial sich geradlinig zu einem anderen Punkt auf der Rohraußenfläche fortsetzt, welcher einen geeigneten Abstand vom Eindringpunkt in axialer bzw. Längsrichtung und in Umfangsrichtung des Rohres aufweist, und an welchem die Ultraschallstrahlung das Rohrmaterial wieder verläßt. Auf der Außen-

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fläche des Rohres wird eine Empfängersonde aufgesetzt, welche die aus dem Rohrmaterial austretende Ultraschallstrahlung als Übertragungsecho empfängt und schließlich werden auf der Rohraußenfläche die Sender- und Empfängersonde entlang bewegt, wobei die relative Lage der Sonden zueinander beibehalten wird.

Bei der Erfindung sind die Sendersonde und die Empfängersonde mit einem geeigneten Abstand voneinander nicht nur in Umfangsrichtung des Rohres, sondern auch in axialer Richtung bzw. in Längsrichtung des Rohres angeordnet. Wenn Risse an einer ringförmigen Schweißstelle festgestellt werden sollen, werden diese beiden Sonden auf der Rohraußenfläche zu beiden Seiten der Schweißnaht aufgesetzt, wobei die Messung durch die Schweißnaht nicht beeinträchtigt wird. Die Ultraschallstrahlung dringt in das Rohrmaterial ein und verläßt dieses wieder, wobei die Ultraschallstrahlung durch die Schweißung nicht beeinträchtigt wird. Auf diese Weise ist es möglich, selbst an der Schweißstelle Risse im Rohrmaterial festzustellen, wobei die Messung unbeeinträchtigt bleibt durch unregelmäßige Wellungen und sonstige Unregelmäßigkeiten in der Außenfläche der Schweißnaht. Im Grundmaterial des Rohres bleibt die Ultraschallmessung natürlich ebenfalls unbeeint rächt igt durch die Schweißstelle.

Die Sendersonde erzeugt eine Ultraschallstrahlung, die unter einem bestimmten Einfallswinkel auf die äußere Oberfläche des Rohres am Eindringpunkt in das Rohrmaterial gerichtet ist. An dieser Stelle wird die Ultraschallstrahlung mit einem bestimmten Winkel gebeugt, so daß die gebeugte Strahlung durch das Rohrmaterial sich geradlinig ausbreitet bis zu einem Punkt auf der Rohraußenfläche, an welchem die Ultraschallstrahlung das Rohrmaterial wieder verläßt. Auf diese Weise gewinnt man eine direkte Übertragungsechomessung.

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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Sendersonde und die Empfängersonde im Rahmen einer Eintauchtechnik zur Anwendung gebracht. Dabei werden Störungen der Ultraschallstrahlung an der Eindringstelle und an der Stelle, an der die Ultraschallstrahlung das Rohrmaterial wieder verläßt, verringert, selbst wenn grobgeschmiedetes Material mit nicht endbearbeiteter Außenfläche für die Rohre verwendet wird. Dies ist insbesondere bei solchen Röhren der Fall, die aus austhenitischem wärmebeständigen Stahlguß bestehen, wie sie als Heizerröhren bei der katalytischen Gasumwandlung zur Anwendung kommen.

In vorteilhafter Weise zeigt die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung von Rissen und dgl. in Rohren mit Hilfe von Ultraschall, das insbesondere für Heizerrohre zur Anwendung kommen kann, wie sie bei der katalytischen Gasumwandlung mit Dampf zum Einsatz kommen. Bei der Erfindung wird eine Sendersonde und eine Empfängersonde auf die Außenfläche des Rohres aufgesetzt, wobei die beiden Sonden einen geeigneten Abstand voneinander in axialer bzw. in Längsrichtung und in Umfangsrichtung des Rohres aufweisen. Die Sendersonde sendet eine Ultraschallstrahlung aus, die mit einem bestimmten Einfallswinkel auf die Rohr außenfläche an der Eintrittstelle in das Rohrmaterial gerichtet ist. Die Ultraschallstrahlung wird mit einem bestimmten Winkel gebeugt, so daß sie durch das Rohrmaterial sich geradlinig ausdehnt und aus der Rohraußenfläche wieder austritt. Die Empfängersonde empfängt das Übertragungsecho der Ultraschall strahlung. Risse im Material des Rohres werden durch Schwankungen des Echos festgestellt. Die Sender- und Empfängersonde werden entlang der Rohraußenfläche bewegt, so daß das Rohrmaterial auf diese Weise abgetastet wird.

In den beiliegenden Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die beiliegenden Figuren dienen zur weiteren Erläuterung

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der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Rohres mit Sonden zur Durchführung der Erfindung;

Fig. 2 eine schnittbildliche Darstellung entlang der Schnittlinie H-II in Fig. 1 in Blickrichtung der Pfeile;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur manuellen Durchführung der Erfindung;

Fig. 4 eine ähnliche Darstellung mit einer mechanisierten Abtasteinrichtung;

Fig. 5 einen Rohrabschnitt mit angesetzten Sonden beim erfindungsgemäßen Gebrauch und

Fig. 6 eine ähnliche Darstellung eines Rohrabschnitts wie

in der Fig. 5, wobei jedoch die Sonden in herkömmlicher Weise am Rohr angesetzt sind.

In den Figuren 1 und 2 soll ein Rohr 1, das insbesondere als Heizerrohr verwendet werden kann, untersucht werden. Auf die Außenfläche des Rohres wird hierzu eine Sendersonde 3 und eine Empfängersonde 4 in geeignetem Abstand in axialer Richtung bzw. in Längsrichtung des Rohres und in Umfangs richtung des Rohres 1 aufgesetzt. Zwei parallele Kreise Γ und 1", die senkrecht zur Rohrachse verlaufen, lassen sich durch die Sonden 3 und 4 hindurchlegen, wie das in der Fig. 1 dargestellt ist. Hierdurch wird der axiale Abstand und auch der Abstand, den die Sonden in Umfangsrichtung voneinander aufweisen, verdeutlicht. Durch Pfeile ist angedeutet, daß eine Ultraschallstrahlung 5

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von der Sendersonde 3 in Richtung zur Empfänge rs onde 4 hin ausgesendet wird. Die Ultraschallstrahlung, welche von der Sendersonde 3 ausgesendet wird, dringt in das Material des Rohres 1 an einer Stelle A auf der Außenfläche des Rohres mit einem bestimmten Neigungswinkel i ein. Die Ultraschallstrahlung wird dann mit einem bestimmten Winkel gebrochen und pflanzt sich geradlinig durch das Rohrmaterial zu einem weiteren Punkt B auf der Außenfläche des Rohres fort. An dieser Stelle wird die Ultraschallstrahlung in der gleichen Weise gebrochen wie an der Eintrittstelle A. Die Ultraschallstrahlung verläßt das Rohrmaterial und wird als Übertragungsecho von der Empfängersonde 4 empfangen. Wenn ein in Umfangsrichtung des Rohres l,wie in Fig. 1 dargestellt, sich erstreckender Riß im Rohrmaterial vorhanden ist und im Strahlungsweg, den die Ultraschallstrahlung von der Stelle A zur Stelle B zurücklegt, sich befindet, wird dieser Riß festgestellt. In der Fig. 2 ist der Strahlengang der Ultraschallstrahlung durch das Rohrmaterial in einem elliptischen Schnitt des Rohres 1 dargestellt. Im Übertragungsecho, das von der Empfängersonde 4 empfangen wird, befindet sich ein Hinweis auf den Riß. Die Gestalt und die Abmessung des Risses 6 in Umfangs richtung läßt sich durch Abtasten der Rohraußenfläche genau feststellen. Beim Abtasten werden die Sendersonde 3 und die Empfänge rs onde 4 entlang der Außenfläche des Rohres bewegt. Dabei wird die relative Lage der Sonden zueinander beibehalten. Die Richtung der Ausbreitung der Ultraschallstrahlung 5 und die Ausbreitungs richtung des Risses 6 in Umfangs richtung des Rohres 1 sind beim dargestellten Ausfüh rungsbeispiel nicht parallel, sondern sie schneiden sich. Risse, welche in axialer Richtung bzw. in Längsrichtung des Rohres 1 sich ausbreiten, können ebenfalls eindeutig festgestellt und bestimmt werden. Dies erfolgt in der gleichen Weise wie im vorstehenden beschrieben. Dabei wird das Verfahren so ausgeführt, daß die Ultraschallstrahlung in das Material des Rohres 1 eindringt und aus dem Material des

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Rohres wieder austritt. Die Sendersonde 3 und die Empfängersonde 4 können in Eintauchtechnik betrieben werden, wobei Störungen durch Unebenheiten oder Unregelmäßigkeiten auf der Außenfläche des Rohres 1 keinen Einfluß ausüben.

Die Sendersonde 3 und die Empfängersonde 4 ν erden bei der Erfindung mit einem axialen Abstand bzw. einem Abstand in Längsrichtung des Rohres 1 sowie mit einem Abstand in Umfangsrichtung des Rohres auf die Rohraußenfläche aufgesetzt. Wenn, wie in Fig. 5 dargestellt, Risse an einer umlaufenden Schweißstelle 19 festgestellt werden sollen, werden die beiden Sonden 3 und 4, wie in der Figur dargestellt, auf die Rohraußenfläche aufgesetzt. Die Sonden befinden sich dabei zu beiden Seiten der Schweißnaht. Die Meßgenauigkeit wird durch die Schweißstelle dann nicht beeinträchtigt. Auf diese Weise ist es möglich, Risse auch an der Schweißstelle 19 zu ei mitteln, ohne daß durch die unregelmäßige Oberfläche der Schweißnaht das Meßergebnis beeinträchtigt wird. Auch die Ermittlung von Rissen im Rohr mate rial bleibt unbeeinträchtigt durch die Schweißnaht.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Rohr 1 nach Rissen untersucht werden soll. Dabei wird eine Adapteranordnung am Rohr 1 angeordnet, welche entlang dem Rohr geführt werden kann. Die Adapteranordnung enthält die Sendersonde 3 und die Empfängersonde 4. Damit beide Sonden 3 und 4 in der 'Eintauchtechnik betrieben werden können, wird Wasser aus einem Tank 7 mit Hilfe einer Pumpe 8 in die Zwischenräume zwischen den Proben 3 und 4 und der Rohraußenfläche eingebracht. Wasser, welches aus der Adapteranordnung 2 ausläuft und an der Rohraußenfläche nach unten rinnt, wird in einem Behälter 9, der flüssigkeitsdicht am Rohr 1 befestigt ist, aufgefangen. Dieser Behälter befindet sich etwas tiefer als die Adapteranordnung 2. Dieses nach unten fließende Leckwasser kann

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entfernt werden, selbst wenn das Rohr 1, welches untersucht werden soll, bereits in einem Heizofen installiert ist. Die beiden Sonden 3 und 4 sind mit einer Rißdetektoreinrichtung 10 verbunden. Bei der Untersuchung sendet die Sendersonde 3 Ultraschallstrahlung aus, welche von der Empfängersonde 4 als Übertragungsecho durch das Material des Rohres 1 ohne Reflektion an der Innenfläche des Rohres empfangen wird. Dieser Vorgang wurde bereits im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 erläutert. Das Echosignal kann beispielsweise auf einer Kathodenstrahlröhre, die Bestandteil der Rißdetektoreinrichtung 10 ist, sichtbar gemacht werden. Wie in Fig. 3 dargestellt, kann auch ein Aufzeichnungsgerät mit der Rißdetektoreinrichtung 10 verbunden sein. Diese zeichnet das Echomuster auf.

Die in der Fig. 3 dargestellte Vorrichtung eignet sich für den manuellen Betrieb. Es ist jedoch auch möglich, ein mechanisiertes Abtastsystem vorzusehen, wie es in der Fig. 4 dargestellt ist. Soweit die gleichen Bauteile wie in der Fig. 3 verwendet werden, sind diese in der Fig. 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Eine mechanisierte Abtasteinrichtung 12 ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 mit der Adapteranordnung 2 verbunden. Die beiden Anordnungen bilden eine Einheit und können in axialer Richtung bzw. in Längsrichtung des Rohres und in Umfangs richtung des Rohres 1 in Abhängigkeit von den Befehlen, die aus einer Betriebseinrichtung 13 kommen, bewegt werden. Die Abtasteinrichtung 12 ist mit einer Klemmeinrichtung 14 ausgestattet, welche das Rohr 1 umfaßten, so daß die Abtasteinrichtung 12 am Rohr festgehalten werden kann. Ferner besitzt die Abtasteinrichtung eine Fühlerantenne 15, damit die nach oben gerichtete Abtastbewegung automatisch beendet werden kann. Die Abtasteinrichtung 12 beende': daher automatisch die nach oben gerichtete Abtastbewegung beispielsweise dann, wenn von der Fühler-

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antenne 15 die Decke 16 des Ofens erfaßt wird. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 kann eine angepaßte Aufzeichnungseinrichtung 11' vorgesehen sein, welche im Gegensatz zu der einfachen Aufzeichnungseinrichtung 11 in der Fig. 3 mit einem einzelnen Schreiber, der lediglich das Übertragungsechomuster aufzeichnet, zwei Schreiber besitzt, so daß von der modifizierten Aufzeichnungseinrichtung 11' nicht nur das Übertragungsechomuster, sondern auch Rauhigkeiten der Außenfläche des Rohres des Rohrmaterials bzw. Wellungen und Unebenheiten an Schweißsteller, ermittelt und aufgezeichnet werden können. Diese Unregelmäßigkeiten und Unebenheiten lassen sich beispielsweise mit Hilfe eines geeigneten Differentialgebersensors (in der Figur nicht dargestellt), der in der Adapteranordnung 2 vorgesehen ist, ermitteln. In der Fig. 4 ist eine Verbindungsleitung von diesem Sensor zum Verstärker 17 gezeigt. Das Ausgangssignal des Sensors wird über den Verstärker 17 d.n das Aufzeichnungsgerät 11' weitergegeben. Mit Hilfe einer Pumpe 18 läßt sich das im Behälter 9 befindliche Material aus dem Ofen bzw. aus der Meßvorrichtung entfernen.

Bei herkömmlichen Verfahren ist es notwendig, ein geeignetes Arbeitsgerüst im Bereich des Rohres, beispielsweise in einem Heizofen, vorzusehen und die Anlage von einem als Spezialisten ausgebildeten Bedienungsmann zu bedienen. Dabei wird das Arbeitsgerüst manuell angehoben, um die Abtastbewegung durchzuführen. Dabei ist jedoch äußerste Sorgfalt aufzuwenden, wenn die Vorrichtung über eine umlaufende Schweißnaht des Rohres 1 (insbesondere dann, wenn diese Risse enthält) geführt wird. Bei dem in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, mit demeine automatische Erfassung von Schweißstellen im Rohr möglich ist, erübrigt sich ein aufwendiges Arbeitsgerüst und eine als Spezialist ausgebildete Bedienungsperson.

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Claims (2)

1. Patentanwälte 8000 München 22 Steinsdorfstraße 21-22 Telefon 089 / 22 94 41

   KUBOTA LTD.

   22-banchi, 2-chome, Funade-cho, Naniwa-ku, Osaka-shi, Osaka-fu

   JAPAN

   und

   OSAKA GAS KABUSHIKI KAISHA 1-banchi, 5-chome, Hirano-machi, Osaka-shi, Osaka-fu / JAPAN

   Verfahren zur Ermittlung von Rissen und dgl, in einem Rohr mit Hilfe von Ultraschall

   Patentansprüche:

   ( l.j Verfahren zur Ermittlung von Rissen oder dgl. in einem Rohr mit Hilfe von Ultraschall, bei dem eine Sendersonde und eine Empfängersonde auf die Rohraußenfläche aufgesetzt und entlang der Rohraußenfläche zur Abtastung des Rohres geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

   - die von der Sendersonde abgegebene Ultraschallstrahlung mit einem solchen Einfallswinkel auf die Rohraußenfläche gerichtet wird, daß die Ultraschallstrahlung nach dem Eindringen in das Rohrmaterial so gebeugt wird, daß die gebeugte Ultraschallstrahlung sich im Rohrmaterial geradlinig bis zu einer Austrittsstelle aus dem Rohr-

   9404 - N/Br. 13ÖÖ16/0210

   material, die in axialer Richtung bzw. Längsrichtung des Rohres und in Umfangs richtung des Rohres einen Abstand von der Eintrittstelle der UIt rasch allst rahlung in das Rohrmaterial aufweist, fortsetzt,

   - von der Empfängersonde die aus dem Rohrmaterial austretende Ultraschallstrahlung als Übertragungsecho empfangen wird und

   - die Sende- und Empfangssonde unter Beibehaltung ihrer relativen Lage zueinander entlang der Rohraußenfläche geführt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendersonde und die Empfängersonde in Eintauchtechnik betrieben werden.

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