DE69110437T2

DE69110437T2 - Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von länglichen Elementen mit annähernd konstantem Querschnitt.

Info

Publication number: DE69110437T2
Application number: DE69110437T
Authority: DE
Inventors: Jacques Archer; Francis Bodson; Olivier Burat; Georges Moreau
Original assignee: Framatome SA
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1991-11-22
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2011-11-23
Also published as: JPH04301797A; DE69110437D1; US5454267A; CA2058225C; DK0493146T3; JP3186810B2; RU2043622C1; ES2075945T3; FR2670898B1; EP0493146A1; CA2058225A1; EP0493146B1; FR2670898A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung von länglichen Elementen mit annähernd konstantem Querschnitt und insbesondere eine Prüfvorrichtung für die Wand von Rohren mit kleinem oder großem Durchmesser und großer Länge sowie von vollen oder hohlen Profilen mit großer Lange.
Was Rohre mit kleinen Durchmessern angeht, weisen Wärmeaustauscher, wie Dampferzeuger, insbesondere die Dampferzeuger, die in Kernkraftwerken benutzt werden, im allgemeinen ein Bündel von Rohren großer Länge auf, die gerade, gerollt oder auch wendelförmig gewickelt sein können.
Insbesondere im Fall von druckwassergekühlten oder mit flüssigem Natrium gekühlten Kernreaktoren ist das Rohrbündel im Inneren einer zylindrischen, äußeren Hülle mit vertikaler Achse angeordnet und die Rohre sind durch ihren Endabschnitt entweder an rohrförmigen Platten, die fest mit der Hülle verbunden sind, oder an rohrförmigen Platten oder äußeren Sammlern befestigt, die außerhalb der Hülle des Dampferzeugers liegen. Im letztgenannten Fall weist jedes Rohr eine Zwischenbefestigung an der Hülle durch eine thermische Manschette auf.
Das Kühlströmungsmittel des Reaktors läuft entweder im inneren der Rohre des Bündels oder außerhalb der Rohre des Bündels derart um, daß die Erwärmung und Verdampfung des Speisewassers über ihre Wand hinweg sichergestellt ist.
Die Wand der Rohre, die die Wärmeaustauschrohre bilden, stellt somit die Trennung zwischen dem Kühlströmungsmittel des Kernreaktors und dem zu verdampfenden Speisewasser sicher.
Im Fall von druckwassergekühlten Kernreaktoren gelangt das Kühlströmungsmittel des Reaktors, das Primärwasser, im Inneren des Druckwasserbehälters des Reaktors mit dem Reaktorkern in Berührung, der von den Brennelementbündeln gebildet ist, und ist demnach geeignet, radioaktive Erzeugnisse zu enthalten. Es ist demnach wesentlich, während der Herstellung und Benutzung der Dampferzeuger solche Bedingungen herzustellen, daß man jeden Austritt von Kühlströmungsmittel des Reaktors zum Speisewasser hin vermeidet, das nach der Umwandlung zu Dampf der Turbine zugeht.
In gleicher Weise ist es in dem Fall von schnellen Brutreaktoren, die durch ein reaktives Material, wie etwa flüssiges Natrium, gekühlt werden, notwendig, jeden Austritt über die Wand der Austauschrohre hinweg zu vermeiden, der sich durch die Herstellung eines Kontaktes zwischen dem Wasser oder Wasserdampf mit dem flüssigen Natrium und durch eine äußerst lebhafte Reaktion äußert, die zu Explosionen und einer mindestens teilweisen Beschädigung des Dampferzeugers führen könnte.
Es ist demnach notwendig, minutiöse Überprüfungen der Wand der Wärmeaustauschrohre in unterschiedlichen Herstellungsstadien der Dampferzeuger und auch nach einer bestimmten Benutzungszeit dieser Dampferzeuger zu bewirken, um die vollständige Unversehrtheit der Wand dieser Rohre sicherzustellen, die die Trennung zwischen den Wärmeaustausch-Strömungsmitteln sicherstellt.
Was Rohre mit größeren Durchmessern angeht, kann die Vorrichtung bei Überprüfungen der Wand und der Schweißstellen der Rohre angewandt werden, die Strömungsmittel, wie Kohlenwasserstoffe (Pipe-Line), Gase oder ganz andere Strömungsmittel befördern.
Im allgemeinen kann es notwendig sein, den Zustand der Wand der Rohre während ihrer Herstellung zu überwachen, vor oder nach ihrer Montage oder während periodischer Überprüfungen, beispielsweise nach einer bestimmten Betriebsdauer von Einrichtungen oder Kreisläufen, bei denen diese Rohre benutzt sind. Es kann in gleicher Weise notwendig sein, den Zustand der Rohrwand von Leitungen großer Länge, wie Pipe-Lines, zu überprüfen.
Die Rohre, die in den Einrichtungen oder den Kreisläufen benutzt werden, die Einrichtungen verbinden, oder in Umlaufleitungen für Strömungsmittel, können erhöhten Temperaturen und möglicherweise auch hohen Drücken unterzogen werden.
Was massive oder hohle Profile angeht, kann es notwendig sein, die Überprüfung von massiven Stäben mit kreisförmigem oder prismatischem Querschnitt zu bewirken, mehr im einzelnen von Maschinen-Umlaufschienen, und von jedem Element mit länglicher Form, das einen im wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist.
Zerstörungsfreie Überprüfungen, die an Rohren und Profilen durchgeführt werden, können den Zweck haben, sich davon zu vergewissern, daß ihre Unversehrtheit mit dem übereinstimmt, was nach der Konstruktion gefordert ist, oder Fehler aufzuzeigen, die in der Funktion erschienen sind.
Um diese Überprüfungen zu bewirken, hat man vorgeschlagen, verschiedene Verfahren zu benutzen, wobei man beispielsweise Wirbelstromsonden oder radiographische Prüfmethoden einsetzt.
Die im Falle des Einsatzes dieser Verfahren verwendeten Vorrichtungen sind im allgemeinen derart sperrig, daß es schwierig, wenn nicht unmöglich ist, diese Vorrichtungen mindestens durch bestimmte Abschnitte der Rohre hindurchzulassen, beispielsweise in den Abschnitten, die mit kleinem Krümmungsradius gebogen sind. Diese Verfahren können in gleicher Weise im Fall von Rohren für Wärmeaustauscher mit kleinem Durchmesser völlig unverwendbar sein.
Im Fall von Dampferzeugern, die Kernreaktoren zugeordnet sind, können die Austauschrohre einen Innendurchmesser aufweisen, der kleiner ist als 20 mm, und eine Länge in der Größenordnung von 50 bis 100 in.
Außerdem haben die Wirbelstromverfahren eine verringerte Empfindlichkeit im Fall der Erfassung von Fehlern von Rohrschweißstellen sowie im Fall der Überprüfung ferromagnetischer Materialien.
Die Ablagerungen, die im Inneren oder auf der Außenseite der Rohre vorliegen können, und zwar Ablagerungen, die metallischer Art sein können und beispielsweise von verfestigtem Natrium im Fall von Dampferzeugern und Wärmeaustauschern für schnelle Brüter gebildet werden, sind in der Lage, das entsprechende Wirbelstromsignal zu stören und erheblich die Empfindlichkeit der Messung zu verringern.
Die Benutzung von störungsfreien Prüfverfahren, die Ultraschall einsetzen, haben es gestattet, bestimmte, oben erwähnte Nachteile im Fall der Überprüfung von Rohren mit kleinem Durchmesser zu vermeiden.
Man hat vorgeschlagen, Ultraschallwandler zu benutzen, die ein Ultraschallbündel in Richtung der Wand des zu überprüfenden Rohres abgeben, dementsprechend in einer Radialebene. Es ist möglich, diesen Wandlern Mechanismen zuzuordnen, die es dem Ultraschallbündel gestatten, eine Abtastung des Rohres in Umfangsrichtung oder längs einer Wendelkurve durchzuführen.
Um eine zerstörungsfreie Überprüfung der Wand eines Rohres von der Innenseite oder von der Außenseite des Rohres her zu bewirken, indem man eine in Umfangsrichtung oder in Wendelrichtung erfolgende Abtastung bewirkt, hat man vorgeschlagen, eine Vorrichtung zu benutzen, die einen Ultraschallwandler oder eine Ultraschallsonde aufweist, die in einer Translationsbewegung längs der Axialrichtung des Rohres versetzt werden kann und die rund um eine Achse während der Überprüfung in Drehung versetzt werden kann, die mit der Achse des Rohres zusammenfällt.
Das vom Wandler erzeugte Ultraschallbündel kann unmittelbar in Richtung der Wand des Rohres ausgesendet werden oder kann auf die Wand durch einen Spiegel zurückgestrahlt werden.
Derartige Vorrichtungen bieten den Nachteil, die Benutzung komplizierter Mechanismen zu benötigen, wie etwa von Mikromotoren und Untersetzungseinrichtungen, die es gestatten, den Wandler und möglicherweise auch den Spiegel zur Drehung anzutreiben, wobei mechanische Verbindungsmittel Kardangelenke mit kleinen Abmessungen oder auch noch rotierende Kollektoren aufweisen.
Die Mechanismen, die die Drehung des Wandlers und des Motores gestatten, weisen eine empfindliche Funktion auf und sind gegenüber der Anwesenheit von Feststoffpartikeln empfindlich, die von der Rohrwand abgetrennt sind und sich im Koppelungsströmungsmittel in Suspension befinden können.
Durch die Auslegung des Wandlers sind der Einfallwinkel des Ultraschallbündels und die Brennweite dieses Bündels festgelegt, soweit man nicht darauf abzielt, einen Spiegel mit komplizierter Form zu benutzen oder einen, der auf speziell angepaßte Weise verlagerbar ist.
Schließlich bieten solche Vorrichtungen einen beträchtlichen Raumbedarf in der Richtung der Länge und/oder der Diametralrichtung des Rohres.
Man kennt in gleicher Weise Ultraschall-Prüfvorrichtungen für Rohre mit kleinem Durchmesser, die einen nichtrotierenden Wandler aufweisen, der aus mehreren piezoelektrischen Elementen gebildet ist, die in ein und derselben Ebene nebeneinanderliegend oder durch Isolierstücke getrennt derart angeordnet sind, daß sie eine rotationssymmetrische Baugruppe bilden, in welcher jedes der piezoelektrischen Elemente in der Lage ist, unter Bildung getrennter Auftreffzonen in dieser Ebene ein Ultraschallbündel auszusenden. Jedes Bündel gestattet es, eine definierte Auftreffzone des Rohres zu analysieren, und die Gruppe der Bündel, die von dem piezoelektrischen Elementen in ein und derselben Ebene ausgesendet werden, gestattet es demnach nicht, eine vollständige Analyse des Umfangs des Rohres zu bewirken.
Die Umfangsanalyse der Wand des Rohres durch diese Auftreffpunkte wird durch aufeinanderfolgende und in vorgegebener Reihenfolge erfolgende Erregung eines jeden der piezoelektrischen Elemente erhalten. Wenn man indessen der räumlichen Abmessung der Elemente Rechnung trägt, befinden sich die Auftreffpunkte der Bündel, die die Brennpunkte auf der Wand des Rohres bilden, verhältnismäßig weit in der Emissionsebene des Wandlers entfernt.
Um die Anzahl dieser Auftreffpunkte zu erhöhen, benutzt man piezoelektrische Elemente, die in mehreren Reihen und versetzten Lagen angeordnet sind.
Man trifft in diesem Fall jedoch wiederum auf die Nachteile der Wandler klassischer Art. Insbesondere sind der Einfallwinkel des Bündels und die Brennweite der Ultraschallwellen nicht modifizierbar. Die Vorrichtung kann in Längsrichtung infolge der Tatsache sperrig sein, daß es nötig ist, mehrere, in Axialrichtung beabstandete Reihen von Wandlern zu benutzen. Außerdem ist es während der Benutzung des Wandlers notwendig, jede radiale Bewegung während seiner Verlagerung in Axialrichtung des Rohres derart zu verhindern, daß man nicht den Winkelbezug der untersuchten Punkte verliert.
Schließlich sind die Vorrichtungen aus dem Stand der Technik insgesamt sperrig und können nicht über die gesamte Länge von Rohren mit kleinem Durchmesser benutzt werden, die eine beträchtliche Länge aufweisen, die 100 in erreichen kann und die mit geringen Krümmungsradien gebogen sind.
Durch die US-A-3 693 415 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung durch Abtastung zur Ermittlung von Rissen in einem Teil, wie etwa einem Rohr, bekannt, worin Wandler in einer Reihe rund um das Teil herum angeordnet sind und in aufeinanderfolgenden Gruppen derart gespeist werden, daß ein Ultraschallbündel in aufeinanderfolgenden Punkten während des Verlaufs der Überprüfung projiziert wird. Dieses Verfahren gestattet es, einen schmalen Brennpunkt in Umfangsrichtung eines Rohres im Verlauf der Überprüfung zu erhalten. Indessen erstreckt sich in Axialrichtung des Rohres, längs welcher die Wandler eine gewisse Länge aufweisen, der Brennpunkt über eine Länge, die größer ist als die Länge der Wandler, und zwar infolge der Tatsache der Divergenz des Ultraschallbündels. Dieser Brennpunkt hat somit die Form eines "Schattenstriches". Die Auflösung der Prüfvorrichtung ist somit begrenzt und es ist nicht möglich, Risse zu erfassen, deren Größe gering ist.
Es ist somit das Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung von länglichen Elementen mit annähernd konstantem Querschnitt vorzuschlagen, mit einem Ultraschallwandler, der einen Träger, der eine aktive Oberfläche hat, deren Form der Oberfläche des länglichen Elements entspricht und dieser Oberfläche des länglichen Elements während der Verschiebung des Wandlers gegenüberliegend angeordnet ist, sowie eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente aufweist, die auf der aktiven Oberfläche des Trägers an nebeneinanderliegenden Stellen befestigt sind, mit Mitteln zur Verschiebung des Wandlers in der Längsrichtung des länglichen Elements, mit Mitteln zur elektrischen Erregung des Wandlers zur Aussendung von Ultraschallwellen in Richtung mindestens einer Oberfläche des länglichen Elements, die mit den piezoelektrischen Elementen verbunden sind und so gesteuert werden, daß sie eine aufeinanderfolgende Erregung und eine Abtastung in Umfangsrichtung in einer Ebene des länglichen Elements und/oder in der Tiefe des länglichen Elements in derselben Ebene zu erhalten, und mit Mitteln zur Aufnahme und Analyse elektrischer Meßströme, die vom Wandler herkommen, wobei es diese Vorrichtung gestattet, eine Prüfung der Wand oder des Volumens des länglichen Elements mit einer hervorragenden Auflösung auszuführen und Fehler, wie etwa Risse, mit sehr geringer Größe zu erfassen.
Zu diesem Zweck weist der Träger des Wandlers eine aktive, konkave Oberfläche auf, deren Schnitt in einer Ebene, die durch die Achse des Wandlers hindurchläuft, die mit der Längsachse des länglichen Elements zusammenfällt, eine gekrümmte Linie ist, deren Einbuchtung dem länglichen Element zugewandt ist, wobei die piezoelektrischen Elemente längs der gekrümmten, axialen, aufeinanderfolgenden Linie der aktiven Oberfläche des Trägers des Wandlers derart angeordnet sind, daß sie eine Bündelung der Ultraschallwellen in der Axialrichtung gestatten, d.h. in Richtung der Achse des länglichen Elements (siehe Anspruch 1).
Im Fall der Prüfung von Rohren und insbesondere von Rohren mit kleinem Durchmesser und großer Länge weist der Wandler der erf indungsgemäßen Vorrichtung einen Träger auf, der eine aktive, symmetrische Rotationsfläche aufweist, die erzeugende Kurven aufweist, sowie eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, die entsprechend der Erzeugenden der aktiven Oberfläche in aufeinanderfolgenden Winkel lagen rund um die Achse der aktiven Oberfläche des Trägers angeordnet sind, die voneinander weniger als 200 und bevorzugt weniger als 100 im Fall von Rohren mit kleinem Durchmesser entfernt sind, und die Erregungsmittel der piezoelektrischen Elemente werdem aufeinanderfolgend derart angesteuert, daß eine Abtastung der Rohrwand durch Ultraschallwellen mindestens in Umfangsrichtung erhalten wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun anhand eines nichteinschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die im Anhang beigefügten Zeichnungen mehrere Ausführungsweisen einer erfindungsgemäßen Ultraschall- Prüfvorrichtung sowie ihre Nutzung für die zerstörungsfreie Prüfung von Rohren mit kleinem Durchmesser und großer Länge, Rohren mit großem Durchmesser sowie Profilelementen, wie Schienen, beschrieben.
Fig. 1 ist eine Gesamtansicht einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung durch Ultraschall gemäß der Erfindung, deren Wandler sich in der Betriebslage im Inneren eines Rohres befindet.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht und ein Schnitt eines Abschnitts einer Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung, die in ein Rohr eingeführt ist, an dem man die Prüfung vornimmt.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht und ein Schnitt, die einen Wandler einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung in unterschiedlichen Lagen im Verlauf seiner Verschiebung im Inneren eines Rohres zeigt, an dem man die Prüfung vornimmt.
Die Fig. 4A, 48, 4C und 4D sind Schnitte und Ansichten von Wandlern einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung und gemäß mehreren Ausführungsvarianten in einer Lage im Inneren eines zu prüfenden Rohres.
Fig. 5 ist ein Querschnitt eines Wandlers einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung in einer Lage im Inneren eines Rohres.
Fig. 6 ist eine Perspektivansicht eines Wandlers einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, der einen zylinderförmigen Träger aufweist.
Fig. 7 ist ein Axialschnitt eines Wandlers einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die Prüfung der Wand von Rohren von außen her gestattet.
Fig. 8 ist ein Querschnitt eines Wandlers einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zur Prüfung einer Längsschweißung eines gerollten und geschweißten Rohres vom Inneren des Rohres her benutzt wird.
Fig. 9 ist ein Axialschnitt einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung gemäß der Erfindung, die zur Überprüfung eines Rohres mit großem Durchmesser von außen her benutzt wird.
Fig. 10 ist ein Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zum Prüfen eines Rohres mit großem Durchmesser vom Inneren her benutzt wird.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung durch Ultraschall der Wand eines Rohres 1 zu sehen, das einen geringen Durchmesser aufweist, beispielsweise weniger als 20 mm, und das eine große Länge aufweisen kann, beispielsweise in der Größenordnung von mehreren zehn Metern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen beweglichen Abschnitt auf, der insgesamt durch das Bezugszeichen 2 bezeichnet ist und im Inneren sowie in Richtung der Achse 3 des Rohres 1 versetzt werden kann.
Der bewegliche Abschnitt 2 weist ein vorauslaufendes Ende auf, das zuerst in das zu prüfende Rohr 1 eingreift und das im oberen Abschnitt der Fig. 1 und in Fig. 2 dargestellt ist.
Der voraus laufende Abschnitt der beweglichen Baugruppe der Prüfvorrichtung weist aufeinanderfolgend von vorne nach hinten einen Führungskopf 4, einen Ultraschallwandler 5, einen Führungsring 6, eine Vorverstärker- und Mehrkanalvorrichtung 7, die die Kommutation bzw. Umschaltung der empfindlichen Elemente des Wandlers 5 sicherstellt, sowie einen elektrischen Anschlußring 8 auf.
Der hintere Abschnitt der beweglichen Baugruppe 2 der Prüfvorrichtung ist am Ende eines weichen Kabels 10 angebracht, welches den Abschnitt der beweglichen Baugruppe 2 bildet, mittels welchen die translatorische Versetzung des Wandlers 5 im Inneren des Rohres sichergestellt ist.
Der Führungskopf ist von einem massiven, rotationssymmetrischen Körper gebildet, der die Form eines Kegels mit abgerundeter Spitze oder die Form einer Halbkugel haben kann. Der maximale Durchmesser des Führungskopfes 4 und des Ringes 6 ist kleiner als der Innendurchmesser des zu prüfenden Rohres 1, aber größer als der Außendurchmesser des Ultraschallwandlers 5.
Das Kabel 10 ist rohrförmig derart ausgebildet, daß der Durchtritt von elektrischen Leitern 11 in seiner Innenbohrung und über seine ganze Länge hinweg gestattet ist, die die Speisung des Wandlers 5 mit elektrischem Strom und die Aufnahme von Meßsignalen gestatten, die vom Wandler 5 herkommen, und zwar mittels des Anschlußringes
Das Kabel 10 weist radial überstehende Führungselemente 12 auf seiner Außenoberfläche auf, wobei diese Führungselemente bevorzugt eine Kreisringform oder eine Kugelform aufweisen können. Der Außendurchmesser der Führungselemente 12 ist ein wenig kleiner als der Innendurchmesser des Rohres 1, und zwar derart, daß eine wirksame Führung der beweglichen Baugruppe 2 der Prüfvorrichtung im Inneren des Rohres 1 während ihrer Verschiebungen in Axialrichtung erhalten wird und dann einem Koppelungs- Strömungsmittel der Durchtritt ermöglicht wird.
Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung weist in gleicher Weise im Inneren einer geschlossenen Umhüllung 14 dicht am Einlaßende des Rohres 1 eine Vorrichtung 15 zur translatorischen Verschiebung des Kabels 10 der beweglichen Baugruppe 2 auf. Die Vorrichtung 15 kann in Form einer Zug-Schiebe-Vorrichtung gebildet sein, die eine Winde zum Aufwickeln und Abhaspeln des Kabels 10 aufweist, die im Inneren der Umhüllung 14 zur Drehung mit gesteuerter Geschwindigkeit mittels einer Achse angetrieben werden kann, die mit einem Motor verbunden ist, der durch eine Steuereinheit 16 gesteuert ist.
Die Leiter 11 zur Speisung des Wandlers 5 mit elektrischem Strom und zur Aufnahme der elektrischen Meßsignale des Wandlers sind elektrisch mit Leitern eines Kabels 18 zur Speisung des Wandlers und zur Aufnahme von Signalen verbunden, beispielsweise mittels eines Kollektors, der der Winde 15 zugeordnet ist.
Das Kabel 18 ist mit einer Einheit 20 verbunden, die Mittel zur Speisung des Wandlers mit elektrischem Strom und Mittel zur Aufnahme und Analyse von Meßsignalen aufweist, die vom Wandler herkommen.
Eine Umlaufpumpe 21 ist durch eine Leitung mit dem Innenvolumen der Umhüllung 14 verbunden und stellt den Umlauf einer Koppelungsflüssigkeit, wie etwa Wasser im Inneren des Rohres 1 derart sicher, daß die Koppelungsflüssigkeit bis zur Höhe des Wandlers 5 gelangt, gleichgültig, wie dessen Lage im Inneren des Rohres 1 auch ist.
Eine Rückführleitung 22 für die Koppelungsflüssigkeit ist ebenfalls an die Umhüllung 14 angeschlossen. Man stellt somit einen ständigen Umlauf der Koppelungsflüssigkeit im Inneren des Rohres sicher.
In Fig. 3 ist der vorlaufende Endabschnitt der beweglichen Baugruppe einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung dargestellt, der einen Führungskopf 4 und einen am Ende eines Verschiebekabels 10 befestigten Wandler 5 aufweist, in einer ersten Betriebslage im Inneren eines Rohres 1, das eine Krümmung 1a aufweist, und in drei aufeinanderfolgenden Lagen 5a, 5b und 5c während der Verschiebung der beweglichen Baugruppe der Prüfvorrichtung längs der Achse 3 des Rohres 1.
Der Wandler 5 weist die Form einer Tablette mit einer konkaven Seitenfläche auf, deren maximaler Durchmesser deutlich kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohres 1 und deren Dicke in Axialrichtung des Rohres gering ist. Auf diese Weise kann der Wandler 5 mühelos im Inneren des Rohres selbst in solchen gekrümmten Bereichen, wie dem Bereich la verschoben werden, der einen geringen Krümmungsradius aufweist, infolge der Tatsache, daß der Wandler 5, der am Ende des weichen Kabels 10 befestigt ist, in der Lage ist, frei aufeinanderfolgende Ausrichtungen (Lagen 5a, 5b und 5c) im Inneren des Rohres in seinem gekrümmten Abschnitt einzunehmen.
In allen aufeinanderfolgenden Lagen des Wandlers bildet die seitliche, konkave Außenoberfläche dieses Wandlers die aktive Oberfläche zum Aussenden von Ultraschall, wie dies weiter unten erläutert wird, und verbleibt ständig gegen die Innenoberfläche des Rohres 1 gerichtet.
Ein erfindungsgemäßer Wandler, dessen Aufbau weiter unten beschrieben wird und der die allgemeine Form einer Tablette mit flacher Form und konkaver Seitenfläche aufweist, dessen maximaler Durchmesser deutlich kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohres, kann somit die Prüfung eines Rohres von innen her selbst in dem Fall gestatten, in dem das Rohr einen geringen Durchmesser, eine große Länge und gekrümmte Abschnitte mit kleinem Krümmungsradius aufweist.
Es wird nun auf die Fig. 4A, 5 und 6 Bezug genommen, um einen Wandler einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Prüfvorrichtung zu beschreiben, die in Form einer flachen, rotationssymmetrischen Tablette mit konkaver Seitenfläche ausgeführt ist.
Der Wandler 30 ist von einem Träger 25 gebildet, der die Form einer Tablette aufweist, deren Dicke deutlich kleiner ist als der Durchmesser. Der Träger 25 kann bevorzugt und auf eine unverbindliche Weise aus einem Material hergestellt werden, das Ultraschallschwingung schluckt.
Der Träger des Wandlers 30, der rotationssyinmetrisch ist, weist eine Erzeugende auf, die seine seitliche Außenfläche definiert, die gekrümmt ist und deren Konkavität nach außen gerichtet ist, und zwar derart, daß die seitliche Außenfläche des Trägers eine hohle Form darbietet.
Die piezoelektrischen Elemente 36 sind von Stäben gebildet, die ihrerseits eine gekrümmte Form entsprechend der Form der Erzeugenden des Trägers aufweisen. Diese piezoelektrischen Elemente sind in Anlage gegen die seitliche Außenfläche des Wandlers entsprechend den Erzeugenden des Trägers befestigt.
Der Wandler 30, der einer beweglichen Baugruppe zur Verschiebung zugeordnet ist, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird in das Rohr 1 derart eingeführt und axial versetzt, daß seine Symmetrieachse mit der Achse des Rohres zusammenfällt.
Die geometrische Form der Außenfläche des Wandlers, auf der die piezoelektrischen, gekrümmten Stäbe 26 befestigt sind, gestattet es, eine Bündelung der Ultraschallwellen in Axialrichtung des Wandlers und des Rohres 1 durch einen einfachen geometrischen Effekt zu erreichen, der auf die Krümmung der Oberfläche des Trägers 25 und der piezoelektrischen Stäbe 26 zurückzuführen ist. Diese Bündelung kann mit dem Ausdruck "geometrische Bündelung" beschrieben werden. Man erhält somit einen Brennpunkt, dessen Abmessung in axialer Richtung gering ist.
Außerdem gestattet es der Wandler 30, eine variable Bündelung eines Bündels von Ultraschallwellen 31 zu erhalten, die von den piezoelektrischen Elementen 26 erzeugt werden, wobei die Brennweite des Bündels von der Krümmung des Trägers und den Erregungsfolgen der piezoelektrischen Elemente 26 abhängt.
Man kann somit das Bündel in einem engen, bestimmten Bereich der Wand des Rohres 1 bündeln.
Im Fall eines zu prüfenden Rohres mit einem Innendurchmesser in der Größenordnung von 20 mm kann man bevorzugt eine Trägertablette benutzen, die einen maximalen Durchmesser in der Größenordnung von 10 mm und eine Dicke in der Größenordnung von 4 mm aufweist.
Auf der Seitenoberfläche der Tablette sind piezoelektrische Elemente 26 mit sehr kleinen Abmessungen befestigt, die die Form gekrümmter Stäbe aufweisen.
Die Stäbe 26 sind von einem kristallinen Material mit piezoelektrischen Eigenschaften gebildet, d.h. einem Material, das durch einen elektrischen Strom derart erregt werden kann, daß es schwingt und Wellen erzeugt, die eine Frequenz entsprechend dem Bereich der Ultraschallwellen aufweisen.
Im Fall einer Trägertablette 25 mit 10 mm Maximaldurchmesser und 4 mm Dicke weisen die Stäbe 26 eine Länge in Nähe von 4 mm, eine Breite l in Umfangsrichtung von 0,3 bis 0,4 mm und eine Dicke e in radialer Richtung von 0,1 bis 0,3 mm auf.
Jeder der piezoelektrischen Stäbe 26 ist über die elektrischen Leiter mit einer Kommutierungs- bzw. Umschalt-Schaltung, wie der Schaltung 7, verbunden, die in Fig. 1 dargestellt ist, die es gestattet, den Stab mit einem elektrischen Erregerstrom zu speisen und die Meßströme aufzunehmen, die von dem schwingenden Stab 26 ausgesendet werden.
Die Anpassung der Abmessungen der vorgenannten Stäbe nach Breite und Dicke gestattet es, Frequenzen zu erzeugen, die größer sind als die bekannten (5 bis 7,5 MHz), bis sie 10 oder 15 MHz erreichen können. Man erzielt somit eine erhöhte Auflösung der Prüfvorrichtung infolge der Tatsache, daß die Wellenlängen bezüglich den Wellenlängen beträchtlich verringert sind, die üblicherweise für die Ultraschallprüfung benutzt werden.
Die piezoelektrischen Stäbe 26 sind an der seitlichen äußeren Oberfläche der Tablette 25 in aufeinanderfolgenden Lagen in Umfangsrichtung mit einem im wesentlichen konstanten Zwischenraum befestigt.
Im Fall einer Trägertablette, die einen Durchmesser von 10 mm aufweist, und von Stäben, die eine Breite aufweisen, die ein wenig größer ist als 0,3 mm, ist es möglich, 80 piezoelektrische Stäbe 26 mit einem sehr geringen Zwischenraum zwischeneinander auf der gesamten seitlichen Fläche der Tablette anzuordnen.
In diesem Fall sind die Winkellagen rund um die Achse der Tablette zweier aufeinanderfolgender piezoelektrischer Stäbe 26a und 26b um einen Winkel α getrennt, dessen Wert in der Nähe von 40 liegt.
In Fig. 5 sind die piezoelektrischen Stäbe 26a und 26b in gegenseitigen fiktiven Lagen dargestellt, wobei der Winkel α einen Wert hat, der beträchtlich höher ist als 40, um auf diese Weise die Darstellung zu vereinfachen und zu verdeutlichen.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine aufeinanderfolgende Einspeisung von einzelnen piezoelektrischen Stäbe 26 oder von Gruppen von Stäben 26, die längs des Umfangs der Tablette 25 angeordnet sind, es gestattet, eine in Umfangsrichtung erfolgende Abtastung der Wand des Rohres 1 zu verwirklichen, in dem der Wandler 5 so angeordnet ist, daß die Achse der Tablette 25 im wesentlichen mit der Achse des Rohres 1 zusammenfällt.
Die Bündelung der Ultraschallbündel, die von den piezoelektrischen Elementen 26 in der Höhe der Außenoberfläche des Rohres 1 erzeugt werden, gestattet es, einen Brennpunkt 27 mit geringer Erstreckung in Umfangsrichtung zu erhalten, dessen aufeinanderfolgende Winkellagen rund um die Achse des Rohres, die durch Abtastung erhalten werden, voneinander um etwa 4º entfernt sind. Man erhält somit eine sehr gute Auflösung während der Abtastung der Wand des Rohres 1 durch das Ultraschallwellenbündel.
Die Verbindung der Abtastung in Umfangsrichtung und der geometrischen Bündelung infolge der gekrümmten Form der aktiven Oberfläche des Wandlers gestattet es, die notwendige Empfindlichkeit zu erhalten, um die Überprüfungen und Fehlersuchen zu bewirken, und zwar dank eines Brennpunktes mit sehr geringer Abmessung.
Die von den möglichen Fehlern der Wand des Rohres 1 reflektierten Wellen werden von den piezoelektrischen Elementen 26 empfangen, die elektrische Signale aussenden, die charakteristisch sind für die Anwesenheit dieser Fehler.
Die elektrischen Signale, die von den piezoelektrischen Elementen 26 herkommen und die in der Verarbeitungseinheit der Prüfvorrichtung analysiert werden, gestatten es, die Anwesenheit von Fehlern in der Wand des Rohres sehr genau und sehr empfindlich nachzuweisen.
Es muß vermerkt werden, daß die Abtastung der Wand des Rohres 1 in Umfangsrichtung alleine durch elektronische Mittel erhalten wird, ohne daß man den Wandler 5 im Inneren des Rohres 1 in Drehung zu versetzen hat.
Man kann somit eine vollständige Überprüfung der Wand des Rohres 1 bewirken, indem man den Wandler 5 im Inneren des Rohres versetzt, und zwar einzig und allein in einer Translationsbewegung in axialer Richtung dieses Rohres.
Das Auflösungsvermögen der Ultraschallsonde 5, die die piezoelektrischen Elemente auf ihrer seitlichen Fläche aufweist, kann an die Feinheit der Fehler, nach denen gesucht wird, oder an den Durchmesser zum Prüfen der Rohre angepaßt werden. Es kann erhöht oder vermindert werden, indem man die Gesamtzahl der piezoelektrischen Elemente erhöht oder verringert, die auf der seitlichen Fläche der Sonde verteilt sind und/oder durch Einstellung der Krümmung der aktiven Oberfläche und der piezoelektrischen Stäbe.
Man kann somit mehrere Hundert oder einige Zehn piezoelektrischer Elemente mit sehr geringen Abmessungen benutzen, die aufeinanderfolgend am Umfang eines rotationssyminetrischen Trägers mit einer gekrümmten Erzeugenden angeordnet sind. Die Winkellagen der rund um die Achse des Trägers der Sonde aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Elemente können im Fall, wo diese piezoelektrischen Elemente mit regelmäßigem Abstand am Umfang des Trägers verteilt sind, voneinander um einen Winkel in der Größenordnung eines Grads oder sogar noch eines kleineres Wertes beabstandet sein. Im Fall, in dem die für die Prüfung gewünschten Leistungen es gestatten, können die Elemente beispielsweise mit einem Abstand von 10 bis 200 angeordnet sein.
Im Fall eines im Rahmen der Erfindung für die Prüfung von Rohren mit kleinem Durchmesser benutzten Wandlers werden eine ausreichende Feinheit der Analyse und eine wirksame Abtastung der Wand des Rohres erreicht, wenn der Winkelabstand zweier aufeinanderfolgender Lagen von piezoelektrischen Elementen kleiner ist als 100. In dem Fall, in dem man piezoelektrische Elemente über den gesamten Umfang einer zylindrischen Sonde oder mehr allgemein einer rotationssyinmetrischen Sonde anordnet, wird man rund um die Sonde mindestens 72 regelmäßig beabstandete piezoelektrische Elemente anordnen.
Es ist jedoch auch möglich, in gleicher Weise Wandler zu benutzen, die piezoelektrische Elemente nur auf einem Abschnitt ihres Umfangs aufweisen, gemäß der Anwendung, die man mit ihnen erzielen will.
In dem Fall ist es möglich, eine geringe Anzahl von piezoelektrischen Elementen zu benutzen, die über einen geringen Abschnitt des Umfangs der Sonde angeordnet sind.
Wie weiter noch beschrieben wird, ist es beispielsweise möglich, nur drei piezoelektrische Elemente zu benutzen, die auf der Umfangsfläche eines Sondenträgers angeordnet sind, um derart eine Längsschweißnaht geringer Breite eines gerollten und geschweißten Rohres zu prüfen.
Es ist jedoch in allen Fällen notwendig, daß zwei aufeinanderfolgende piezoelektrische Elemente, die am Umfang des Trägers angeordnet sind, um einen geringen Winkelabstand von etwa 100 oder weniger getrennt sind, um derart die Vorzüge zu erreichen, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung herbeigeführt werden, und insbesondere eine ausreichend feine Analyse.
Der in Fig. 4A dargestellte Wandler 30 gestattet es, Fehler in der Wand des Rohres 1, wie beispielsweise einen Riß 29, nachzuweisen, der an irgendeiner Stelle im Inneren der Wand des Rohres 1 gelegen ist, und zwar durch Aussendung eines Ultraschallbündels 31 in Richtung der Wand des Rohres und durch Bündelung dieses Bündels in der Nähe der Außenoberfläche des Rohres 1.
Eine Abtastung in Umfangsrichtung der Wand des Rohres und des Fehlers 29 wird durch eine aufeinanderfolgende Erregung der piezoelektrischen Elemente 26 des Wandlers 5 erreicht.
In Fig. 48 ist ein Wandler 40 dargestellt, der eine Ausführungsvariante des Wandlers 30 ist, der in Fig. 4A dargestellt ist.
Der Träger des Wandlers 40, der eine konkave, seitliche Außenoberfläche aufweist, kann auf dieselbe Weise wie der Träger 25 des Wandlers 30 ausgebildet sein.
Die piezoelektrischen, gekrümmten, durchgehenden Elemente 32, wie sie benutzt werden, um den Wandler 30 zu bilden, sind durch piezoelektrische Elemente oder Partikel mit kleinen Abmessungen 41 ersetzt, die auf der seitlichen Außenfläche des Trägers in Linien angeordnet sind, die den krummen, erzeugenden Linien entsprechen.
Durch aufeinanderfolgende Erregung der piezoelektrischen Elemente 41 entsprechend den erzeugenden Linien kann man eine örtliche Abtastung der Wand des Rohres 1 in Längsrichtung erhalten, wie dies durch die Gruppe von Ultraschallbündeln 42 schematisch dargestellt ist, die die aufeinanderfolgende Lage des Bündels während der Abtastung zeigen.
Indem man auf das elektrische Sende- und Empfangssignal einer Gruppe von piezoelektrischen Elementen 41 aufgrund von Verzögerungsketten einwirkt, kann man in gleicher Weise die Brennweite der Ultraschallwellenbündel sich ändern lassen, wie dies durch die Bündel 43 und 43t dargestellt ist, die einer Brennweiteneinstellung auf die Innenoberfläche bzw. die Außenoberfläche des Rohres entsprechen. Indem man die Sende- und Empfangsbedingungen der piezoelektrischen Elemente 41 zwischen Bedingungen sich ändern läßt, die der Aussendung und dem Empfang der Bündel 43 und 43' entsprechen, kann man eine radiale Brennpunkteinstellung erreichen. Man bezeichnet sie mit dynamischer Bündelung. Sie gestattet es, die Wand des Rohres 1 entsprechend jeder ihrer Dicken zu untersuchen.
Es ist demnach möglich, indem man Wandler in angepaßter Form verwendet, nicht nur eine Abtastung in Umfangsrichtung, sondern auch eine Abtastung in Längsrichtung und in Radialrichtung der Wand des Rohres zu verwirklichen.
Man kann somit unter Benutzung einzig und allein elektronischer Kommutationsmittel die Abtastung und Untersuchung einer jeden im Volumen der Wand des Rohres liegenden Zone durchführen.
Die Kommutation unterschiedlicher piezoelektrischer Elemente kann durch eine Mehrkanal- bzw. Multiplex-Vorrichtung erreicht werden, wie sie in Fig. 2 mit 7 dargestellt ist. Eine derartige Vorrichtung gestattet es, vielfache Informationen aufeinanderfolgend in Richtung der piezoelektrischen Elemente oder von diesen Elementen herkommend zu übertragen.
Außerdem ist es möglich, eine programmierte Erregung einer Gruppe piezoelektrischer Elemente derart zu bewirken, daß man ein Ultraschallfeld erhält, dessen Öffnungsweite und Charakteristiken nahe denen sind, die von einem Wandler her erreicht würden, der eine einzige piezoelektrische Tablette aufweist.
In Fig. 4C ist ein Wandler 45 gemäß einer Ausführungsvariante dargestellt, wobei der Wandler 45 einen rotationssyminetrischen Träger mit gekrümmten Erzeugenden aufweist und eine bezüglich der Symmetrieachse des Trägers geneigte allgemeine Richtung aufweist, sowie gekrümmte piezoelektrische Elemente 46, die die Form von Stäben aufweisen, die auf der seitlichen Außenoberfläche entsprechend den Erzeugenden dieses Trägers angeordnet sind.
In Fig. 4D ist ein Wandler 47 dargestellt, der eine Ausführungsvariante des Wandlers 45 ist, wobei die piezoelektrischen Stäbe 46 ersetzt sind durch piezoelektrische Elemente 48 mit kleinen Abmessungen oder Partikel, die längs der Erzeugenden des Trägers des Wandlers 47 mit geringer Beabstandung angeordnet sind.
Der Wandler 47 gestattet es, durch aufeinanderfolgende Einspeisung der piezoelektrischen Elemente 48, eine Abtastung in Längsrichtung der Wand des Rohres 1 durch geneigte Ultraschallbündel 49 zu bewirken.
Im Falle eines Wandlers, wie des Wandlers 47, kann man, indem man eine aufeinanderfolgende Erregung der piezoelektrischen Elemente durchführt, die längs mehrerer aufeinanderfolgender Erzeugenden angeordnet sind, in gleicher Weise eine winklige Ablenkung des Bündels derart erreichen, daß eine Analyse der Wand des Rohres in irgendeiner Ebene durchgeführt wird, d.h. einer Ebene, die sich von einer axialen Ebene oder einer Querebene unterscheidet.
In allen Fällen wird die Abtastung einzig und allein durch elektronische, außerordentlich rasche Mittel erreicht und zieht keine mechanischen Mittel hinzu.
Zur Prüfung eines Rohres großer Länge ist es demnach einfach notwendig, den Wandler längs der Axialrichtung des Rohres zu versetzen.
Die Geschwindigkeit der Abtastung und der Untersuchung der Wand des Rohres kann sehr hoch sein, was in dem Fall unmöglich wäre, in dem man mechanische Abtastmittel benutzen würde, und insbesondere Mittel, um die Sonde rund um ihre Achse in Drehung zu versetzen.
Während man die Inspektion gekrümmter oder gebogener Abschnitte des Rohres durchführt, wie in Fig. 3 dargestellt, gestattet es die erfindungsgemäße Vorrichtung, automatisch eine mögliche Fehlausrichtung des Wandlers in bezug auf die Axialrichtung des Rohres auszugleichen, wobei sich die Achse des Wandlers nicht genau längs der Achse des Rohres ausgerichtet befindet. Tatsächlich gestattet es die variable Intensität der Echos, die von den piezoelektrischen Elementen von der Wand des Rohres herkommend empfangen wird, auf sehr genaue Weise, die Ausrichtung des Wandlers im Rohr zu erkennen und demzufolge die durch den Wandler übertragenen Informationen zu korrigieren.
In Fig. 7 ist der Wandler 50 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, der es gestattet, eine zerstörungsfreie Ultraschallprüfung der Wand eines Rohres 51 von der Außenseite des Rohres her vorzunehmen.
Der Wandler 50 weist einen ringförmigen Träger 52, auf dessen innere, in axialer Richtung gekrümmte und konkave Bohrung einen Durchmesser bietet, der nur minial größer ist als der Durchmesser des zu prüfenden Rohres 51.
An der konkaven Innenoberfläche des ringförmigen Trägers 52 sind gekrümmte, piezoelektrische Stäbe längs der Erzeugenden dieser Rotationsfläche in Winkel lagen rund um die Achse des Trägers 52 des Wandlers 50 befestigt und sind zueinander um einen geringen Winkel in der Größenordnung von einigen Grad und immer um etwa 100 oder weniger versetzt.
Die piezoelektrischen Stäbe 53 weisen eine Länge auf, die etwa gleich ist der axialen Länge des ringförmigen Trägers 52.
Die zerstörungsfreie Prüfung der Wand des Rohres 51 wird dadurch bewirkt, daß man eine relative Verlagerung des Wandlers 50 bezüglich des Rohres 51 in der axialen Richtung 54 durchführt. Diese Relativverlagerung kann durch Verlagern des Rohres im Inneren der Bohrung des Wandlers 50 erreicht werden, der in festgelegter Lage gehalten wird, oder umgekehrt durch Verlagerung des Wandlers 50 in axialer Richtung, der am Umfang der Außenoberfläche des Rohres 51 angeordnet ist.
Die piezoelektrischen Elemente 53 sind somit derart der Außenoberfläche des Rohres 51 gegenüberliegend angeordnet, daß sie Ultraschallwellenbündel in Richtung der Wand des Rohres senden.
Eine Koppelungsf lüssigkeit, wie Wasser, füllt nun den Ringraum zwischen dem Wandler 50 und dem Rohr 51 während der Prüfung derart aus, daß die Koppelung zwischen den piezoelektrischen Elementen 53 und der Wand des Rohres 51 sichergestellt ist.
Es ist in gleicher Weise in bestimmten Fällen möglich, das Rohr in eine Wanne zu setzen, die die Koppelungsflüssigkeit enthält, und den Wandler längs der Achse des Rohres zu verschieben, das in die Koppelungsflüssigkeit eingetaucht ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die einen ringförmigen Wandler, wie den Wandler 50, enthält, kann ohne Schwierigkeit im Fall der Prüfung gerader Rohre nach ihrer Herstellung und vor dem Einbau dieser Rohre in eine Anlage, wie etwa einem Wärmeaustauscher, benutzt werden.
Dagegen ist es im Fall der gekrümmten oder gebogenen Rohre oder im Fall von Rohren, die im Inneren der Hülle eines Wärmeaustauschers angebracht sind, im allgemeinen zu bevorzugen, eine Prüfvorrichtung zu benutzen, die einen Wandler aufweist, der in Axialrichtung im Inneren der zu prüfenden Rohre verschoben wird.
In Fig. 8 ist ein Rohr 61 dargestellt, das durch Rollen eines flachen Erzeugnisses und durch gegenseitiges Zusammenschweißen der Ränder des flachen Erzeugnisses längs einer geradlinigen Schweißnaht 62 erhalten wurde.
Im Inneren des Rohres 61 ist der Wandler 60 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung dargestellt, der es gestattet, die Prüfung der geradlinigen Schweißnaht 62 durch Verschieben des Wandlers 60 in axialer Richtung im Inneren des Rohres 61 zu bewirken.
Der Wandler 60 weist einen Träger 64 auf, der die Form einer rotationssymmetrischen Tablette mit gekrümmten Erzeugenden aufweist, deren Durchmesser deutlich kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohres 61, wobei auf deren seitlicher Außenoberfläche piezoelektrische Elemente 65 angeordnet sind.
Wie im Fall des Wandlers 5, der in den Fig. 4A, 5 und 6 dargestellt ist, sind die piezoelektrischen Elemente 65 durch gekrümmte Stäbe mit kleinen Abmessungen aus piezoelektrischem Material gebildet, deren Länge etwa gleich ist der Dicke der Trägertablette 64.
Im Fall eines Wandlers 60, der zur Prüfung eines Umfangsbereiches geringer Größe eines Rohres, wie etwa der Schweißnaht 62, bestimmt ist, kann die Prüfung dadurch durchgeführt werden, daß man eine verringerte Anzahl von piezoelektrischen Elementen benutzt, die einen begrenzten Abschnitt der Umfangsoberfläche des zylindrischen Trägers 64 einnehmen.
Im Fall der Prüfung der Schweißnaht 62 eines gerollten und verschweißten Rohres, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, benutzt man einen Wandler 60 mit drei piezoelektrischen Elementen in Stabform, die identisch mit den piezoelektrischen Elementen 26 des Wandlers 5 sein können, die weiter oben beschrieben wurden.
Die drei piezoelektrischen Elemente 65 sind in einem Umfangsbereich mit beschränkter Abmessung des Trägers 64 derart angeordnet, daß die Winkellagen dieser piezoelektrischen Elemente 65 rund um die Achse der Tablette 64 voneinander um einen nur geringen Winkel in der Größenordnung einiger Grad entfernt sind, wobei dieser Winkel in allen Fällen immer etwa 100 oder weniger beträgt.
Es ist somit möglich, eine Abtastung und örtliche Prüfung der Rohrwand im Bereich der Schweißnaht 62 zu bewirken.
Durch aufeinanderfolgene Erregung der drei piezoelektrischen Elemente 65 erhält man eine Verlagerung des Ultraschallwellenbündels 66, das durch die piezoelektrischen Elemente erzeugt wurde, auf eine solche Weise, daß eine Abtastung des Bereichs des Rohres, der die Schweißnaht 62 aufweist, durchgeführt wird.
Infolge der Tatsache, daß die piezoelektrischen Elemente 65 eine nur geringe Breite aufweisen und mit einem nur geringen Winkelabstand rund um die Achse der Tablette angeordnet sind, kann man eine Feinanalyse des Bereichs des Rohres erhalten, der die Schweißnaht 62 aufweist.
Die Abtastung des zu prüfenden Bereiches wird einzig und allein durch elektronische Mittel bewirkt, so daß es nicht notwendig ist, den Wandler in Drehung rund um seine Achse zu bewegen, und daß es einzig und allein notwendig ist, den Wandler in Axialrichtung im Inneren des Rohres zu verschieben, um die Prüfung der Verschweißung 62 über ihre gesamte Länge zu bewirken.
Die Fig. 9 und 10 zeigen, daß es in gleicher Weise möglich ist, die Prüfung der Wand eines Rohres mit großem Durchmesser und einer Schweißnaht eines solchen gerollten und verschweißten Rohres von der Außenseite oder von der Innenseite des Rohres her zu bewirken, indem man eine erfindungsgemaße Prüfvorrichtung benutzt, die einen Wandler aufweist, der zu der durchzuführenden Prüfung eingerichtet ist und einen Träger, entweder einen ringförmigen oder zylindrischen Träger, mit gekrümmten Erzeugenden aufweist, auf dessen Oberfläche piezoelektrische Elemente mit kleinen Abmessungen in benachbarten Lagen angeordnet sind.
In Fig. 9 ist ein Rohr 70 mit großem Durchmesser zu sehen, bei dem man die zerstörungsfreie Prüfung unter Benutzung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 71 bewirkt.
Die Vorrichtung 71 weist eine Gehäuse 72 auf, das in Axialrichtung auf der Außenoberfläche des Rohres 70 beweglich angebracht ist. Zwei Dichtungen 73 und 74 stellen eine dichte Verbindung zwischen dem Gehäuse 72 und der Außenoberfläche des Rohres 70 sicher. Ein Wandler 75 in Ringform, dessen Innenoberfläche gekrümmte Erzeugende aufweist, ist im Inneren des Gehäuses in einer bezüglich des Rohres 70 koaxialen Lage und rund um das Rohr befestigt.
Der Wandler 75 weist eine innere aktive Oberfläche 75a auf, die dem Rohr 70 gegenüberliegend angeordnet ist, auf der piezoelektrische, gekrümmte Elemente angeordnet sind, deren Einbuchtung dem zu prüfenden Rohr zugewandt ist, und zwar in benachbarten Winkel lagen rund um die Achse des Wandlers herum, der entsprechend der Achse des Rohres angeordnet ist. Das Gehäuse 72 enthält in gleicher Weise eines oder mehrere elektronische Moduln 76, die es gestatten, die piezoelektrischen Elemente des Wandlers aufeinanderfolgend zu speisen und aufzunehmen und die Signale zu verarbeiten, die von diesen piezoelektrischen Elementen herkommen.
Ein Vorratsbehälter 77 gestattet es, eine Koppelungsflüssigkeit in das Gehäuse derart einzuleiten, daß die Koppelungsflüssigkeit stets zwischen der Oberfläche 75a des Wandlers und dem Rohr 70 vorliegt.
Die Vorrichtung 81, die in Fig. 10 dargestellt ist, gestattet es, ein Rohr 80 mit großem Durchmesser von innen her zu prüfen. Die Vorrichtung 81 weist einen Rahmen 82 auf, der von zwei Abdeckungen 82a und 82b gebildet ist, die untereinander verbunden sind, und Dichtungen 83a bzw. 83b tragen, die es gestatten, das Volumen des Rohres 80, das zwischen den Abdeckungen enthalten ist, verhältnismäßig dicht abzuschließen.
Die bewegliche Vorrichtung 81 weist außerdem einen rotationssymmetrischen Wandler 85 mit gekrümmter Erzeugenden auf, einen Kasten, der von mehreren elektronischen Moduln 86 gebildet ist, und einen Vorratsbehälter für die Koppelungsflüssigkeit 87.
Der Wandler 85 kann auf eine Weise analog zum Wandler ausgeführt sein, der in Fig. 4A dargestellt ist. Der elektronische Kasten 86 gestattet es, die piezoelektrischen Elemente des Wandlers 85 zu speisen und abzufragen und die vom Wandler empfangenen Meßsignale zu verarbeiten.
Im Fall der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung gestatten es angefügte und nicht dargestellte Mittel, die Vorrichtung 71 in der Axialrichtung des Rohres 70 zu verschieben.
Im Fall der in Fig. 10 dargestellten Vorrichtung kann die Verschiebung der mobilen Baugruppe 81 durch ein Strömungsmittel sichergestellt werden, das in axialer Richtung des Rohres 80 umläuft, oder durch angefügte Mittel.
Wenn dies möglich ist, benutzt man bevorzugt das gleiche Strömungsmittel zum Sicherstellen der Verschiebung der mobilen Baugruppe 81 wie auch zur Ultraschallkoppelung zwischen dem Wandler 85 und der Wand 80.
Die Vorrichtungen, wie sie in den Fig. 9 und 10 dargestellt sind, gestatten es, die Wand von Rohren zu prüfen, die eine sehr große Länge aufweisen können, oder von Leitungen, wie Pipe-Lines, mit einer Abtastung der gesamten Wand des Rohres.
Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung kann benutzt werden, um die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung von Rohren großer Länge zu bewirken, die Bögen oder gebogene Abschnitte mit kleinem Krümmungsradius aufweisen, wobei dieser Krümmungsradius beispielsweise in der Größenordnung des drei- bis fünffachen des Durchmessers der Rohre liegen kann, und um die Prüfung von Profilen zu bewirken.
Die Prüfungen, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beiwirkt werden, können es gestatten, Fehler, wie etwa Herstellungsfehler, von Rohren oder Profilen, eine Verringerung der Dicke der Rohre unter Wirkung der Abnutzung, der Korrosion oder der Erosion oder auch Risse oder beginnende Brüche nachzuweisen, zu lokalisieren oder zu messen.
In allen Fällen gestattet es die erfindungsgemäße Vorrichtung, die Abtastung der Oberfläche und in der Tiefe der Rohrwand oder des Profiles zu bewirken, wobei eine sehr feine Erfassung und Analyse der Fehler sichergestellt ist. Diese Abtastung wird erreicht, ohne daß man eine andere Verschiebung der Sonde bezüglich des Rohres als eine Translationsverschiebung in Axialrichtung des Rohres durchzuführen hat.
Für Rohre mit großen Durchmessern oder Profile wird eine axiale Abtastung dadurch erhalten, daß man den Wandler entweder mittels eines Antriebsströmungsmittels oder durch angefügte Mittel bezüglich des Rohres außerhalb oder innerhalb verschiebt.
Die Oberflächen- und Tiefenabtastung eines Bereichs der Rohrwand oder des Profils kann sehr rasch durch elektronische Mittel durchgeführt werden.
Die Abtastung kann in Umfangsrichtung, in Längsrichtung und/oder längs der Dicke des Rohres durchgeführt werden; es ist möglich, eine Erfassung und Analyse von Fehlern in einer Ebene durchzuführen, die bezüglich der Rohrachse eine beliebige Ausrichtung aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es, eine Auflösung zu erhalten, die an die ins Auge gefaßte Anwendung und die Beschaffenheit des Wandlers abgestimmt ist. Diese Auflösung ist höher als die, die mit Wandlern bekannten Typs erhalten wird, die massive piezoelektrische Elemente aufweisen, deren Abmessungen sehr viel größer sind als die Abmessungen der piezoelektrischen Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Im Fall der erfindungsgemäßen Vorrichtung gestatten es die Anordnung von piezoelektrischen Elementen mit sehr kleinen Abmessungen auf einem gekrümmten Träger und die aufeinanderfolgende Erregung dieser piezoelektrischen Elemente, eine sehr gute Auflösung und Abtastung von Wandbereichen zu erhalten, die sehr präzise definiert sind, und zwar durch einzig und allein elektronische Mittel. Außerdem ist es im Fall von erfindungsgemäßen, zerstörungsfreien Prüfvorrichtungen möglich, Wandler mit sehr geringen Abmessungen zu benutzen, was es gestattet, mit Leichtigkeit die Prüfung gebogener oder gekrümmter Rohre, die einen kleinen Krümmungsradius aufweisen, vom Inneren des Rohres her zu bewirken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit sehr leicht ebensogut im Fall der Prüfung von Rohren und Profilen im Verlauf der Herstellung wie auch der Prüfung im Verlauf des Betriebes benutzt werden, beispielsweise im Inneren von Apparaten, wie etwa Wärmeaustauschern oder Dampferzeugern mit geraden Rohren, bogenförmigen Rohren oder wendelförmig gewundenen Rohren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es, sehr rasch die Prüfung von Rohren mit sehr großen Längen durchzuführen, beispielsweise einer Länge, die 100 in erreichen kann; tatsächlich kann der Wandler mit einer hohen Geschwindigkeit in der Größenordnung von 12 m/Minute in Axialrichtung des Rohres verschoben werden, ohne daß die Qualität der Prüfung beeinträchtigt wird.
Im Fall der Prüfung von Rohren mit kleinem Durchmesser und einer Länge, die größer ist als 10 m, muß mindestens ein Abschnitt der elektronischen Mittel, die zum Bewirken des Aussendens und des Empfangs von Signalen sowie zur elektronischen Abtastung durch Mehrkanalverwendung dem Wandler derart zugeordnet sein, daß er zusammen mit dem Wandler im Inneren des Rohres verschoben wird.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt.
Ebensogut kann man Wandler benutzen, deren Träger eine Form aufweist, die nicht rotationssymmetrisch ist, und auf deren Außenoberfläche piezoelektrische Elemente mit geringen Abmessungen befestigt sind, die in Relativlagen angeordnet sind, die es gestatten, einzig und allein mit elektronischen Mitteln eine Abtastung der Oberfläche und der Dicke der Wand eines Rohres oder eines Profiles zu erreichen.
Die Mittel zur Erregung der piezoelektrischen Elemente des Wandlers, die Mittel zum Aufnehmen der Meßsignale und die Kommutationsmittel, die ihnen zugeordnet sind, können alle der Art angehören, die in der Technik auf dem Gebiet der Elektronik bekannt ist.
Die Führungs- und Verschiebungsmittel für die bewegliche Baugruppe der Prüfvorrichtung, die den Wandler aufweist, können auf eine Weise ausgeführt werden, die zu der beschriebenen unterschiedlich ist.
Insbesondere kann man eine Zug-Schiebe-Vorrichtung irgendeiner Art benutzen, um die Verschiebung eines Wandlers zu bewirken, wobei ein Element, wie ein weiches Kabel, die Abstützung, die Verschiebung und die Speisung des Wandlers sicherstellt.
Man kann in gleicher Weise auch eine bekannte Vorrichtung benutzen, um den Rahmen oder das Gehäuse zu verschieben, der bzw. das den Wandler trägt, oder man kann auch das Strömungsmittel benutzen, das in einem Rohr gefördert wird.

Claims

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung von länglichen Elementen mit annähernd konstantem Querschnitt (1, 51, 61, 70 80), mit einem Ultraschallwandler (5, 30, 40, 45, 47, 50 60, 75, 85), der einen Träger (25, 52, 64), der eine aktive Oberfläche (75a) hat, deren Form der Form der Oberfläche des länglichen Elements entspricht und die der Oberfläche des länglichen Elements während der Verschiebungen des Wandlers gegenüberliegend angeordnet ist, sowie eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente (26, 41, 46, 48, 53, 65) aufweist, die auf der aktiven Oberfläche des Trägers an nebeneinanderliegenden Stellen befestigt sind, mit Mitteln (10, 15, 16) zur Verschiebung des Wandlers in der Längsrichtung des länglichen Elements, mit Mitteln (7, 8, 76, 86) zur elektrischen Erregung des Wandlers zur Aussendung von Ultraschallwellen in Richtung mindestens einer Oberfläche des länglichen Elements, die mit den piezoelektrischen Elementen verbunden sind und so gesteuert werden, daß sie eine aufeinanderfolgende Erregung erzeugen, um eine Bündelung und Abtastung in Umfangsrichtung in einer Ebene des länglichen Elements und/oder eine tiefgehende Bündelung in derselben Ebene zu erhalten, und mit Mitteln (20, 76, 86) zur Aufnahme und Analyse elektrischer Meßströme, die vom Wandler herkommen, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (25, 52, 64) des Wandlers (5, 30, 40, 45, 47, 50, 60, 75, 85) eine aktive, konkave Oberfläche aufweist, deren Schnitt in einer Ebene, die durch die Achse des Wandlers hindurchläuft, die mit der Längsachse des länglichen Elements (1, 51, 61, 70, 80) zusammenfällt, eine gekrümmte Linie ist, deren Einbuchtung dem länglichen Element zugewandt ist, und daß die piezolelektrischen Elemente längs der gekrümmten, axialen, aufeinanderfolgenden Linien der aktiven Oberfläche des Trägers des Wandlers derart angeordnet sind, daß sie eine Bündelung der Ultraschallwellen in der axialen Richtung gestatten, d. h. in Richtung der Achse des länglichen Elements.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in dem Fall, in welchem die länglichen Elemente (1, 51, 61, 70, 80) rohrförmige Elemente sind, bei denen man die Wandung prüft, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (25, 52, 64) des Wandlers (5, 30, 40, 45, 47, 50, 60, 75, 85) eine rotationssymmetrische, aktive Oberfälche (75a) aufweist, die einer Oberfläche des rohrförmigen Elements während der Verschiebungen des Wandlers gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die gekrümmten Linien die Erzeugenden der aktiven Rotationsfläche bilden, und wobei die piezoelektrischen Elemente (26, 41, 46, 48, 53, 65) längs der Erzeugenden der aktiven Oberfläche des Trägers in aufeinanderfolgenden Winkel lagen, die voneinander um höchstens 200 entfernt sind, rund um die Achse der aktiven Oberfläche des Trägers festgelegt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (5, 30, 35, 40, 45, 47, 60, 85) Mitteln (10, 15, 16) für seine Translationsverschiebung in axialer Richtung im Inneren des rohrförmigen Elements (1, 51, 61, 80) zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (52) des Wandlers (50, 75) eine Ringform aufweist, wobei die piezoelektrischen Elemente (53) auf der innenliegenden Oberfläche auf gekrümmten Erzeugenden des ringförmigen Trägers (52) befestigt sind, die bei der Relativverschiebung in axialer Richtung (54) in Bezug auf den Wandler (50, 75) der Außenoberfläche des Rohres (51) gegenuberliegend angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (5, 30, 40, 50, 60, 75, 85) piezoelektrische Elemente aufweist, die in Form von gekrümmten Gitterstäben (26) aus piezoelektrischem Material gebildet sind, die an der aktiven Oberfläche (75a) des Trägers des Wandlers entsprechend der Erzeugenden dieser Oberfläche befestigt sind.

6. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrichschen Elemente (41, 48) von Partikeln mit kleinen Abmessungen gebildet sind, die eine matrixartige Anordnung auf der aktiven Oberfläche des Trägers entsprechend aufeinanderfolgenden, gekrümmten Erzeugenden der aktiven Oberfläche aufweisen, wobei die piezoelektrischen Elemente (41, 48) mit Mitteln zur Erregung und Aufnahme von aufeinanderfolgend wirksamen Signalen verbunden sind, die elektronisch gesteuert sind, um die Abtastung der Wand des Rohres in Umfangsrichtung und in der Längsrichtung des Rohres durchzuführen.

7. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (60) eine geringe Anzahl von piezoelektrischen Elementen (65) aufweist, die in einer Umfangszone mit geringer Erstreckung der aktiven Oberfläche des Trägers des Wandlers angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (60) drei piezoelektrische Elemente aufweist, um die Prüfung und Abtastung einer Schweißzone (62) eines gerollten oder geschweißten Rohres (61) durchzuführen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (41, 48) in der Form von Partikeln mit kleinen Abmessungen, die eine matrixartige Anordnung aufweisen, auf der aktiven Oberfläche des Wandlers (40, 47) aufgebaut sind, wobei die piezoelektrischen Elemente (41, 48) mit einem gewissen Abstand längs der gekrümmten, axialen, aufeinanderfolgenden Linien der aktiven Oberfläche des Trägers des Wandlers (40, 47) ausgerichtet sind und mit elektronischen Mitteln zur aufeinanderfolgenden Erregung verbunden sind, die es gestatten, eine Abtastung der Wand des Rohres in der Umfangsrichtung, in der Längsrichtung und längs der Radialrichtung zu bewirken, d. h. längs der Dicke des Rohres (1).

10. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (5, 30, 40, 45, 47, 50, 60, 75, 85) eine Anzahl piezoelektrischer Elemente auf der aktiven Oberfläche aufweist, die zwischen drei und mehreren hundert liegt.

11. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkellagen der piezoelektrischen Elemente (26, 41, 46, 48, 53, 65), die aufeinanderfolgend längs des Umfangs der aktiven Oberfäche des Wandlers angeordnet sind, um einen Winkel, der höchstens gleich 10º ist, getrennt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkellagen der piezoelektrischen Elemente (26) 41, 46, 48, 53, 65), die aufeinanderfolgend längs des Umfangs der aktiven Oberfäche des Wandlers angeordnet sind, voneinander um einen Winkel getrennt sind, der zwischen einem Wert, der niedriger als 10 ist, und 50 liegt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2, im Fall der Prüfung eines Rohres, dessen Innendurchmesser kleiner ist als 20 mm, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (25) des Wandlers von einem Plättchen mit einer seitlichen, konkaven Fläche gebildet ist, dessen Durchmesser nahe 10 mm und dessen Dicke nahe 4 mm liegt, wobei die piezoelektrischen Stäbe (26) eine Länge nahe 4 mm, eine Breite zwischen 0,3 und 0,4 mm in Umfangsrichtung des Trägers (25) und eine Dicke aufweisen, die zwischen 0,1 und 0,3 mm in Radialrichtung des Trägers (25) liegt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 für die Prüfung von Rohren mit einer Länge von mehr als 10 in, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Mittel zum Bewirken des Sendens und Empfanges von Signalen sowie der elektronischen Abtastung durch Multiplexbetrieb dem Wandler derart zugeordnet sind, daß sie zusammen mit dem Wandler im Inneren der Rohre verschoben werden, an denen man die Prüfung vornimmt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger des Wandlers (45, 47) gekrümmte Erzeugende aufweist, die eine in Bezug auf die Symmetrieachse des Trägers geneigte Hauptrichtung aufweisen.

16. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Täger des Wandlers (5, 35, 40, 45, 47, 50, 60, 75, 85) aus einem Material hergestellt ist, das die Ultraschallwellen dämpft.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Rahmen oder ein Gehäuse (72, 82) aufweist, der bzw. das bezüglich des länglichen Elements (70, 80) beweglich angebracht ist, worauf ein elektronischer Schaltkasten (76, 86), der Mittel zur Speisung der piezoelektrischen Elemente des Wandlers (75, 85) und Mittel zur Behandlung von Meßsignalen, die von den piezoelektrischen Elementen herkommen, umfaßt, sowie ein Vorratsbehälter für Koppelungsflüssigkeit (77, 87) befestigt sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen oder das Gehäuse (82) im Inneren eines hohlen Elements (80), an dem man die Prüfung vornimmt, durch ein Strömungsmittel verschoben wird, das im Inneren des hohlen Elements (80) umläuft.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 18, in dem Fall, in welchem das Element (1, 61, 80) ein hohles Element ist, in dem ein Strömungsmittel umläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelung zwischen dem Wandler (5, 30, 35, 40, 45, 47, 60, 85) und dem hohlen Element durch das in Umlauf befindliche Strömungsmittel bewirkt wird.