DE69424785T2 - Verfahren zur messung der dicke von plattenkonstruktionen und rohren - Google Patents
Verfahren zur messung der dicke von plattenkonstruktionen und rohrenInfo
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Description
- (0001) Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Messen der Dicke und Bestimmen der Materialqualität von Plattenkonstruktionen und Rohren, wobei eine selbstangetriebene, fernsteuerbare Einheit verwendet wird, welche einen Meßbalken umfaßt, der an einem Rahmen der Einheit montiert ist, und welche verschiedene Ultraschallsonden zum Aussenden von Ultraschallsignalen und zum Empfangen eines reflektierten Ultraschallsignals und einen Computer zur Informationsauswertung basierend auf den ausgesendeten und reflektierten Signalen enthält.
- (0002) Wenn z. B. ein Schiff zu klassifizieren ist, ist es notwendig, Informationen zu sammeln, welche die verbliebene Dicke der Platten betreffen, um die Festigkeit des Schrumpfes zu berechnen und das Schiff für den weiteren Betrieb freizugeben. Darüberhinaus ist es für die Schiffseigner wünschenswert, Kenntnis vom Zustand und dem Verschleiß des Schiffes zu erhalten, um in möglichst effizienter Weise eine Überholung und vorbeugende Erhaltung zu betreiben und wahlweise eine strategische Entscheidung zur Stillegung und Verschrottung zum richtigen Zeitpunkt zu treffen.
- (0003) Die Dicke auf See verwendeter Stahlkonstruktionen, wie z. B. Schiffe und Bohrplattformen, wird heute durch manuelle Spotmessungen (Stichprobentest entsprechend einem bestimmten System) durchgeführt, welche von innen oder von außen durch einen Taucher mit einem Handmeßgerät durchgeführt werden, wenn das Schiff im Hafen liegt. Innenmessungen können auch in leeren Tanks während der Fahrt durchgeführt werden.
- (0004) Die bisherigen Verfahren haben offensichtliche Nachteile. Eine volle Erfassung des Schiffsrumpfes wird nicht erreicht und die Auswahl der Position der Meßorte unterliegt einer subjektiven Entscheidung. Die Stärke des reflektierten Ultraschallsignals hängt wesentlich vom Zustand der Rückwandoberfläche ab und in Bereichen mit Korrosionsgruben (einem allgemeinen und gefährlichen Phänomen) wird der Abstand zwischen Bereichen mit voller verbliebener Dicke und nahe bis zum Gefahrenpunkt korrodierten Bereichen klein sein. Zwischen diesen benachbarten Extremen der Dicke ist die Rückwand notwendigerweise geneigt. Das ausgesendete Signal wird so hauptsächlich zu der Seite des Empfängers reflektiert, welcher nur ein schwaches Signal empfängt. Der Inspektor ist angehalten, schwache Messungen entsprechend bestimmten Kriterien auszusondern. Durch Bewegen der Meßsonde um einige Zentimeter registriert der Inspektor ein starkes Signal von einer fast ebenen Rückwand mit voller Plattendicke. Das Schiff kann dann die Kontrolle passieren und der Schiffseigner hat einen schlechte Entscheidungsbasis bezüglich vorbeugender Erhaltung des Schiffes.
- Bei einem späteren Aufenthalt im Dock wird die tatsächliche Situation deutlich und die nachfolgende Reparaturarbeit wird um vieles teurer als geplant.
- (0005) Das US-Patent 5,047,990 beschreibt ein ferngesteuertes Fahrzeug zum Messen der Dicke von Rumpfplatten, welches sich auf Rädern bewegt und dazu vorgesehen ist, von einem definierten Punkt zu einem anderen bewegt zu werden, um solche Messungen auszuführen. Im Unterschied dazu bewegt sich die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kontinuierlich in dem Meßgebiet, während es Messungen ausführt. Darüberhinaus lieferten die Messungen in dem US-Patent Daten, welche ein Bild akustischer Messungen um die und nahe der Meßstruktur abgeben, wo hingegen die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine akustische Karte nur des Materials selbst liefert, welches gemessen wird.
- (0006) Das US-Patent 4,441,369 beschreibt eine Vorrichtung, die zur Erfassung innerer Fehlstellen im untersuchten Material konstruiert ist. Dieses Patent liefert kein Bild der Kontur des Materials, welches untersucht wird, sondern ein Bild der Kontur der inneren Fehler oder Defekte im untersuchten Material.
- (0007) Das US-Patent 4,212,258 beschreibt eine Vorrichtung, welche sich von der vorliegenden Erfindung grundlegend darin unterscheidet, daß die genannte US-Vorrichtung keine "selbst angetriebene" Vorrichtung ist, sondern dazu vorgesehen ist, manuell durch einen Taucher bewegt zu werden und nicht "fernsteuerbar" ist, sondern vollständig durch den Taucher gesteuert wird, und offensichtlich nicht zum Messen der Dicke einer Platte geeignet ist, noch weniger von variierenden Dicken an verschiedenen Punkten eines Schiffsrumpfes.
- (0008) Aus der EP 0 139 867 ist eine selbst angetriebene Einheit bekannt, welche Sender und Empfänger für Ultraschallsignale zum Bestimmen der Materialqualität eines Körpers aufweist. Dieses bekannte System ist nicht zur Eliminierung von Einzelmessungen mit schwachen Signalen geeignet.
- (0009) Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der obengenannten Art zu schaffen, welches für unterschiedliche Aufgaben bei Bauten im Wasser und mit Wasser gefüllten Strukturen verwendet werden kann.
- (0010) Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst mit einem Verfahren, das Merkmale aufweist, wie sie im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben sind.
- (0011) Im folgenden wird beispielhaft eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, in welchen Fig. 1 ein Beispiel für ein Gerät zum Ausführen der Erfindung zeigt,
- Fig. 2 eine graphische Darstellung eines empfangenen reflektierten Signals an einem Meßort zeigt, wobei die X-Achse die Zeit für das ausgesendete Signal und die Y- Achse die Stärke des Signals bezeichnet,
- Fig. 3 ein Foto eines Plattenteils mit unterschiedlichen Dicken infolge Korrosionsgruben zeigt,
- Fig. 4 den Plattenteil von Fig. 3 zeigt, der entsprechend der vorliegenden Erfindung vermessen ist und in einer Grauskala dargestellt ist,
- Fig. 5 den Plattenteil von Fig. 3 zeigt, der entsprechend der vorliegenden Erfindung vermessen ist und in einer Konturkarte dargestellt ist, und
- Fig. 6 den Plattenteil von Fig. 3 zeigt, welcher entsprechend der vorliegenden Erfindung vermessen und in einem topographischen Geländemodell dargestellt ist.
- (0012) In dem Beispiel wird die Erfindung in Verbindung mit einer Ultraschallmessung eines Schiffsrumpfes erläutert. Es ist jedoch zu beachten, daß die Erfindung auch zur Verwendung in Verbindung mit anderen auf See benutzten Stahlkonstruktionen oder Konstruktionen aus anderen Materialien angepaßt werden kann.
- (0013) Es wird zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen, wo eine selbst angetriebene Einheit mit drei Rädern 2, 3, die an einem Rahmen 4 montiert sind, gezeigt ist. An dem Rahmen 4 ist ferner ein Meßbalken 5 und ein Steuerarm 8 angebracht, wobei sich der Steuerarm von und quer zu dem mittleren Abschnitt des Meßbalkens erstreckt.
- Die Einheit 1 wird durch wenigstens einen Motor (nicht gezeigt) angetrieben. Jeweils eines der zwei Räder 3 ist an jedem Ende des Meßbalkens 5 angeordnet, und das Rad 2 ist am freien Ende des Steuerarms 8 angeordnet. So erstreckt sich im Betrieb der Meßbalken senkrecht zur Richtung der Bewegung der Einheit 1 und der Steuerarm 8 erstreckt sich entlang der Bewegungsrichtung.
- (0014) Eine Anzahl von Ultraschallsonden 6 ist an dem Meßbalken 5 angebracht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden sechszehn solcher Sonden 6 verwendet. Die Sonden 6 sind mit einem Computer 7 verbunden, der sich in einem Zylinder befindet, welcher parallel zu dem Meßbalken 5 angeordnet ist. Von dem Computer 7 erstreckt sich ein Kabel zu einem weiteren Computer an Bord des Schiffes.
- (0015) An jedem über den Computer 7 hinausragenden Ende sind in Kästen 11 angeordnete Auftriebskissen 10 plaziert. Die Tragfähigkeit der Kissen 10 kann durch eine Luftzuführung aus einem Luftbehälter (nicht gezeigt) und Luftauslaß aus einem Überdruck-Auslaßventil reguliert werden. Die Vorrichtung hat anfänglich einen neutralen Auftrieb im Wasser.
- (0016) Angeordnet an den Enden des Meßbalkens sind zwei Positionslichter 12, welche bei der Positionierung der Einheit 1 verwendet werden.
- (0017) Im Betrieb wird die Einheit 1 unter einem Schiffsrumpf durch einen Taucher plaziert. Der Taucher setzt ferner Positionslichter unter dem Schiff, z. B. jeweils ein Licht an drei Ecken eines rechteckigen Arbeitsbereichs. Die Einheit 1 wird an einem bekannten Anfangsmeßort angeordnet. Mit Hilfe des Computers 7 wird die Einheit, die mit. Hilfe der Positionslichter ausgerichtet ist, entlang der Unterseite des Schiffes hin- und hergeführt.
- (0018) Jede der Sonden 6 sendet Signale gegen die zu messende Platte aus. Das Signal wird als ein Impuls ausgesendet, und das reflektierte Signal wird registriert und gespeichert. Sender und Empfänger sind ein und dieselbe Einheit, welche elektronisch von Senden auf Empfangen umgeschaltet wird. Die Gesamtwelle für das reflektierte Signal wird gespeichert, nicht nur die Laufzeit von verschiedenen Teilen des Signals. Dies ermöglicht eine Nachbear beitung zur Qualitätskontrolle. Dies erfordert, daß ein Computer in der Nähe der Sonden verfügbar ist.
- (0019) Fig. 2 zeigt ein empfangenes reflektiertes Signal. In der graphischen Darstellung bezeichnet die Y-Achse die Signalstärke, welche das Ausmaß der Reflektion repräsentiert. Die X-Achse bezeichnet den Fortgang des reflektierten Signals auf einer Zeitbasis. Betrachtet man die Geschwindigkeit des Ultraschallsignals, so repräsentiert die Zeitachse eine Messung der Dicke an den Meßorten.
- (0020) Der Bereich in Fig. 2, welcher mit R&sub1; markiert ist, fällt von der Messung auf der Außenseite der Stahlplatte ab. Dieser Bereich enthält Komponenten, welche mehrere Male in der Lackschicht hin- und hergewandert sind. Der Bereich R&sub2; zeigt das reflektierte Signal von der Außenseite der Stahlplatte, wo hingegen R&sub3; das Signal zeigt, das von der Rückseite der Platte reflektiert worden ist. R&sub4; und R&sub5; zeigen jeweils Reflektionen zweiter und dritter Ordnung von der Rückseite. Es sollte auch beachtet werden, daß zwischen R&sub2;, R&sub3;, R&sub4;, R&sub5; ein konstantes Intervall liegt.
- (0021) Der in Fig. 2 gezeigte Signalverlauf ist typisch für ein reflektiertes Signal von einer gemessenen Stahlplatte einer bestimmten Dimension. In vielen Fällen kann das reflektierte Signal schwächer sein. Dies trifft z. B. zu, wenn ein schwächerer Abschnitt einer Platte eine geneigte Oberfläche hat. Der Hauptteil des reflektierten Signals wird dann von der das Signal aussendenden Sonde weggerichtet. Etwas von dem reflektierten Signal wird durch die Sonde 6 empfangen, aber es wird ein schwaches Signal sein. Durch manuelle Messung werden solche Signale ausgesondert. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird das reflektierte Signal verarbeitet oder auf der Basis gespeicherter unverarbeiteter Daten behandelt. Dies wird durch zwei- und dreidimensionale Filterung erreicht.
- (0022) Zweidimensionale Filterung ist eine Methode, welche unter anderem von der Verarbeitung seismischer Daten bekannt ist. Sie zielt darauf ab, konventionelle Filtertechniken (Glätten, Entfernen von Störsignalen oder unerwünschten Frequenzkomponenten, Verstärken der gewünschten Frequenzkomponenten), welche gewöhnlich für eindimensionale Zeitfolgen von Daten verwendet werden, für eine Sammlung solcher eindimensionaler Zeitfolgen von Daten anzupassen, z. B. Meßwertproben von benachbarten Meßflecken entlang einer Linie. Der Datensatz wird dann als zweidimensional bezeichnet, wenn die Zeitachse die erste Dimension und die Ortsachse die andere Dimension ist.
- (0023) Bei Ausdehnung auf drei Dimensionen werden die Daten in einem umschlossenen System in einer Ebene gesammelt, so daß Daten von allen Meßorten in der Ebene in getrennten Zeitfolgen gesammelt werden. Zwei- und dreidimensionales Filtern kann verwendet werden, z. B. zum Glätten und Entfernen von Störsignalen oder zum Hervorheben bestimmter Trends in dem Datensatz entlang der ersten oder der zweiten Achse (Ort und Zeit), oder in einer diagonalen Richtung in dem Referenzrahmen. Eine Frequenzanalyse kann entlang einer freien Anzahl von Achsen in diesem System durchgeführt werden, um bestimmte charakteristische Eigenschaften in dem Datensatz zu betonen.
- (0024) Fig. 4 zeigt eine Darstellung des Plattenteils von Fig. 2, nachdem er gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen worden ist. Das Ergebnis ist in einer Grauskala präsentiert, wo hellere Schattierungen eine dickere Platte bedeuten. In Fig. 4 sind die Meßorte 20, 21, 22 und 23 markiert. Es läßt sich erkennen, daß die Orte 20 bis 22 vollkommen schwarz sind, was sehr dünne Abschnitte anzeigt. Ferner ist der Ort 22 völlig weiß, was einen sehr dicken Abschnitt anzeigt. Es kann jedoch all diesen Meßorten entnommen werden, daß kein glatter Übergang von einem Ort zum nächsten vorliegt. Es ist daher vernünftig, anzunehmen, daß dies Fehlmessungen sind. Dies wird beseitigt durch dreidimensionales Filtern entsprechend der vorliegenden Erfindung.
- (0025) Dieselben Meßorte 20 bis 23 sind in den Fig. 5 und 6 zu finden, welche Darstellungen entsprechend einer Konturkarte bzw. eines Geländemodells sind. Wenn der Geländemodus in Fig. 6 mit dem Foto von Fig. 3 verglichen wird, so ist zu sehen, daß die Meßorte wahrscheinlich Fehlmessungen sind.
- (0026) Die Einheit 1 hat vergleichsweise geringe Abmessungen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel hat eine Breite von etwas mehr als 1 und ¹/&sub4; m. Daraus folgt, daß das Gerät leicht transportiert und z. B. mit einem Flugzeug transportiert werden kann. Bei Verwendung eines Gerätes nach der vorliegenden Erfindung kann das gesamte Schiff mit ausreichendem Genauigkeitsgrad abgedeckt werden, um die Korrosionsgruben in einem Zeitraum, welcher einer normalen Ladungs-/Entladungszeit (24 Stunden) entspricht, zu kartografieren.
- (0027) Die Einheit kann unabhängig von einem Taucher unter Verwendung von Druckvorrichtungen zum Antrieb betrieben werden. Die Einheit 1 ist auch dazu vorgesehen, in der Lage zu sein, andere Inspektionssysteme zu tragen, wie z. B. eine Videoinspektion, oder andere bedeutsame Aufgaben unter dem Schiff durchzuführen, wie z. B. eine Reinigung. Wenn das Gerät auf der Seite des Schiffes zu verwenden ist, kann mit Hilfe von Magneten eine Anhaftung und ein Antrieb erreicht werden.
- (0028) Um eine ausreichende Übertragung des Ultraschallsignals zu erreichen, ist es notwendig, daß sich Wasser zwischen der Schiffswand und den Sonden befindet.
- (0029) Bei einer anfänglichen Untersuchung eines Schiffes kann eine Karte des Schiffes erstellt werden, und Strukturelemente, wie z. B. Spanten, Aussteifungen und Plattenverbindungen können eingezeichnet werden, wo sie erfaßt werden. Diese Karte kann später zur Selbstpositionierung der Einheit 1 mit Hilfe der genannten Strukturelemente verwendet werden. Während späterer Messungen kann eine Karte der Dicke des Schiffes mit den Konstruktionszeichnungen verglichen werden, so daß bestimmte Platten oder Rumpfkomponenten zur Auswechslung identifiziert werden können.
- (0030) Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden vollständige Ultraschallwellenformen (nicht nur die Laufzeit) für irgendeine erforderliche Nachbearbeitung gespeichert. Das System hat eine ausreichende Dickenauflösung und ausreichende Positionierungsgenauigkeit zur Subtraktion von zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführten Messungen, um das zeitliche Fortschreiten der Korrosion festzustellen. Mit Hilfe eines zur Oberfläche geführten Hochkapazitätsdatenkabels kann ein Computer auf dem Deck zusammen mit einem untergetauchten Computer arbeiten, so daß eine große Anzahl von Daten auf austauschbaren Medien (einer austauschbaren Platte, Plattenband, optischen Platte usw.) gespeichert werden kann. Der gespeicherte Datensatz ist hinreichend, um in die Stärkenberechnungen des Schiffs einbezogen zu werden.
- (0031) Die Meßdichte, oder der Abstand der Ortsmessungen, kann automatisch durch die Einheit auf der Basis der statistischen Eigenschaften der Daten variiert werden. So kann die Inspektion schneller in Bereichen guter Qualität durchgeführt werden, wo hingegen Bereiche mit größeren Abweichungen der Dicke oder der Signalstärke genauer untersucht werden sollten. Es ist jedoch ein wesentlicher Punkt, daß genügend Daten gesammelt werden, so daß es nicht notwendig ist, zurückzukehren, um weitere Untersuchungen durchzuführen.
- (0032) Das Gerät kann auch für andere Materialien verwendet werden, wie z. B. Kunststoffe, glasfaserverstärkte Kunststoffe, Aluminium usw.. Das Gerät kann auch zur Inspektion von Rohren, Tanks usw. verwendet werden.
Claims (7)
1. Verfahren zum automatischen Messen der Dicke und zum Bestimmen der Materialqualität
von Plattenkonstruktionen und Rohren unter Verwendung einer selbst angetriebenen,
fernsteuerbaren Einheit (1), welche einen auf einem Rahmen (4) montierten Meßbalken
(5) umfaßt und mehrere Ultraschallsonden zum Aussenden von Ultraschallsignalen und
zum Empfangen eines reflektierten Ultraschallsignals und einen Computer (7) zum
Verarbeiten von auf den ausgesendeten Signalen und reflektierten Signalen basierender
Information enthält,
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
a) Anbringen der selbst-angetriebenen Einheit (1) mit Hilfe einer Anzahl von Rädern (2, 3)
im Kontakt mit der zu messenden Platte zum Bewegen der Einheit im Kontakt mit der zu
messenden Platte,
b) Selbst-Positionieren der selbst-angetriebenen Einheit (1) in dem Mesßgebiet,
c) kontinuierliches Bewegen der selbst-angetriebenen Einheit (1) auf der Anzahl von
Rädern (2, 3) in dem Meßgebiet,
d) Ermöglichen, daß die Räder (2, 3) im direkten Kontakt mit der zu messenden Platte sind,
während die Einheit (1) in einer Richtung bewegt wird, welche im wesentlichen
parallel zu der Oberfläche der Platte ist,
e) Sichern, daß sich zwischen den Ultraschallsonden (6) auf dem Rahmen (4) der Einheit
(1) und der zu messenden Platte Wasser befindet, das als eine flüssige Membran dient,
welche den Sender vor Zerstörung schützt, wobei die Verwendung von Kontaktgel
umgangen wird,
f) Senden eines Ultraschallsignals von jeder der Sonden (6) gegen die zu messende
Platte in einer Richtung, welche im wesentlichen senkrecht zu deren Oberfläche ist,
g) Empfangen eines reflektierten Ultraschallsignals durch die Sonden (b) der Einheit (1),
h) gleichzeitiges Aufzeichnen, mit Zeitmarkierung, sowohl des reflektierten
Ultraschallsignals als auch der genauen Position des Meßflecks,
i) Bestimmen der Dicke und Materialqualität der zu messenden Platte an dem
genannten Meßfleck auf der Basis des empfangenen reflektierten Signals und von Parametern
wie der Laufzeit des reflektierten Signals und von Messungen für nachfolgende
Meßflecke,
j) Wiederholen der oben erwähnten Schritte zum Sammeln von Daten für nachfolgende
Meßflecke,
k) Nachprüfen von Dicke und Materialqualität durch Vergleichen von Daten für
empfangene Signale an einem Meßfleck, unter Verwendung zweidimensionaler
und/oder dreidimensionaler Filterung, wobei die Zeit eine Dimension bildet und wobei
die Position entlang einer Achse, oder eines Gitters, jeweils die andere Dimension
bildet bzw. andere Dimensionen bilden,
f) Speichern aller empfangenen, die Wellenform der reflektierten Signale betreffenden
Daten in einem Computer (7),
m) Verarbeiten gespeicherter Daten, um eine topographische Karte zu bilden, welche
sowohl die Dicke als auch bekannte Strukturelemente der gemessenen Platte zeigt,
n) Nachprüfen von Dicke und Materialqualität durch Vergleichen von Daten für ein
empfangenes Signal an einem Meßfleck mit Daten für empfangene Signale an
benachbarten Meßflecken und der Ausgangsdicke.
2, Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch die selbst angetriebene Einheit (1), welche anfänglich mit Hilfe
eines hochpräzisen hydroakustischen Positionierungssystems oder/und mit Hilfe bekannter
Referenzmeßflecke auf der Konstruktion positioniert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die selbst angetriebene Einheit (1) entsprechend einem vorbestimmten Linienmuster
und durch automatische Steuerung bewegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Positionierung der selbst-angetriebenen Einheit (1) anfänglich mit Hilfe eines
hochpräzisen hydroakustischen Positionierungssystems und vorher errichteten
Positionszeichen durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Positionierung der selbst-angetriebenen Einheit (1) anfänglich autonom ohne im
Voraus errichtete Positionszeichen durch Vergleichen der gesammelten Daten mit
Konstruktionszeichnungen für die Anordnung und/oder Daten von vorherigen
Inspektionen durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sammlung von Meßdaten autonom auf der Basis der statistischen Eigenschaften
der gesammelten Daten variiert wird, wogegen die Untersuchung schneller für
homo
gene Bereiche guter Qualität durchgeführt wird, während Bereiche mit einer größeren
Streubreite der Dicke oder Signalstärke einer genaueren Untersuchung unterzogen
werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Daten aus dem Computer (7) zu einem weiteren Computer auf der Oberfläche
durch eine Übertragungsleitung hoher Kapazität übertragen werden, um für eine
Speicherung großer Datenmengen, eine Echtzeitverarbeitung, eine Präsentation und
Qualitätskontrolle der gesammelten Meßdaten zu sorgen.
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