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Verfahren zur Ultraschallprüfung von Rohren, Stangen, Blechen
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und Bändern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallprüfung
von Rohren, Stangen, Blechen und Bändern sowohl bei sich drehendem als auch axial
bewegtem Prüfgut.
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Bekannterweise wird bei heute üblichen automatischen Ultraschall-Anlagen
zur Prüfung von nahtlosen und geschweißten Rohren nach der Impuls-Echo-Methode (Einkopfverfahren)
gearbeitet.
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Für wenige spezielle Prüfaufgaben wird noch das Verfahren mit getrennten
Sendern und Empfängern angewandt. Zum Beispiel bei der Prüfung von nahtlosen Rohren
mit Hilfe von Rotations-Prüfanlagen (s. Krautkrämer: Werkstoffprüfung mit Ultraschall,
1975, Seiten 442 - 461).
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Bei der Schweißnahtprüfung wird das Zweikopfverfahren bei der X- oder
K-Prüfkopfanordnung angewandt (DE-AS 18 16 255).
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Prüfkopfsysteme mit getrennten Sendern und Empfängern haben sich in
der betrieblichen Praxis wegen der umständlichen und zeitraubenden. Einstellungsarbeiten
nicht durchgesetzt.
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Prüfsysteme, die nach der Impuls-Echo-Methode arbeiten, sind besser
beherrschbar, die Einstellarbeiten sind einfacher und vor allem in wesentlich kürzerer
Zeit durchführbar.
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Die Einkopfmethode hat Jedoch gegenüber der Zweikopfmethode den Nachteil,
daß zu den Fehleranzeigen zusätzlich von äußeren Einflüssen herrührende Störanzeigen
auftreten. Die Ursachen dieser mit Stör- und Scheinanzeigen bezeichneten US-Signale
lassen sich nur unzureichend abstellen. Erschwerend kommt in den meisten Fällen
die Prüflingsbeschaffenheit, z.B. rauhe Oberfläche, Zunder
und der
Zustand des Ankopplungsmediums, d.h. darin schwebende Fremdkörper, hinzu.
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Die wesentlichsten Ursachen für das Auftreten von Störanzeigen sind
bei der Tauchtechnikprüfung die Oberflächenechos. Bei Einsatz der Einkopfmethode
treten immer Eintrittsechos (Oberflächenechos) auf, die mit Verschlechterung des
Oberflächenzustandes des Prüflings höher und breiter werden. Die Oberflächenechos
können sich so verbreitern, daß sie laufzeitmässig den Fehlererwartungsbereich für
Innen- und Außenfehler bei nahtlosen Rohren erheblich stören. Daraus folgt, daß
die Fehlererwartungsbereiche so gesetzt werden müssen, daß die an Fehlern reflektierten
Ultraschall-Signale erst im 1 1/2- bzw. 2-fachen Sprungabstand (nach 1 1/2- bzw.
2-facher Reflektion z.B. an der Rohrwand) oder noch später erfaßt werden können.
Erhöht sich aber auch gleichzeitig das Oberflächensignal, können die später ankommenden
Mehrfachoberflächenreflektionen die Prüfung in der Weise beeinträchtigen, daß auch
das Setzen der Auswertebereiche nach 1 1/2- bzw.
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2-facher Reflektion zu Schwierigkeiten führen kann.
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Der größte Anteil von Störanzeigen entsteht im Bereich der Wasservorlaufstrecke.
Verunreinigungen im Wasser, wie Zunderteilchen und biologische Rückstände oder auch
Luftbläschen, verursachen beträchtliche Reflektionen.
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Bei Mehrfachreflektionen direkt zwischen Prüfkopf und Verunreinigungen
des Kopplungsmediums und über die Prüflingsoberfläche zurück in das Ankopplungsmedium
entstehen in den Auswertebereichen Signale, die zu Störanzeigen führen.
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Seit dem Einsatz von automatischen Ultraschall-Prüfanlagen in den
Betrieben, die nach der Einkopfmethode arbeiten, werden erhebliche Anstrengungen
unternommen, Störanzeigenvon echten Fehleranzeigen automatisch zu unterscheiden.
Die meisten Verfahren bedienen sich hierbei elektronischer Hilfsmittel.
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So ist nach der US-PS 3 295 362 ein Verfahren bekannt, bei dem bei
der Prüfung eines rotierenden Rohres die von einem Rohr in gleichen Zeitintrvallen
auftretenden US-Signale miteinander verglichen werden und nur dann eine Anzeige
als Fehler registriert wird, wenn eine hierfür bestimmte Logik erfüllt ist; ferner
wird in dieser Schrift beschrieben, daß mehrere Impulse hintereinander ausgesendet
und mit getrennten Empfangseinheiten empfangen werden.
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In der DE-AS 21 60 375 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem nur
dann ein US-Signal als Fehleranzeige gewertet wird, wenn bei Drehung des Rohres
und somit Drehen des Fehlers der Fehler in mindestens zwei Sprungabständen von dem
gleichen Prüfkopf erfaßt wird.
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Auch in den Offenlegungsschriften 27 04 128 und 27 04 132 werden elektronische
Maßnahmen zur Unterscheidung von Störanzeigen und Fehleranzeigen beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ultraschall-Prüfung
von Rohren, Stangen, Blechen und Bändern zu schaffen, mit dem überhaupt keine Störanzeigen
mehr empfangen werden können, so daß keinerlei spezielle elektronische Maßnahmen
zur Unterscheidung von Stör- und Fehleranzeigen notwendig sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschrieben,
wie es in den Patentansprüchen beschrieben ist.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine besondere Prüfkopfanordnung
notwendig, die in Verbindung mit einem vorgegebenen Prüftaktablaufschema und einer
einfachen Auswertelogik die gestellte Aufgabe erfüllt.
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Die wesentlichsten Vorteile dieses Verfahrens sind:
1.
Der Anteil der bei der Prüfung von Stangen, Rohren und Blechen auftretenden Scheinanzeigen
sind beträchtlich gesenkt.
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2. Unnötiger Schleifaufwand von markierten Prüflingsbereichen mit
Scheinanzeigen entfällt.
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3. Elektronische Maßnahmen zur Unterscheidung von Scheinanzeigen und
echten Anzeigen sind nicht mehr erforderlich0 4. Zunder, Schmutzteilchen oder Luft
im Ankopplungsmedium beeinträchtigen nicht mehr durch Reflektionen oder Streuung
die US-Prüfung.
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Die beigefügten Zeichnungen sollen die Beschreibung der Wirkungsweise
der Erfindung ermöglichen.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch das Prüfgut mit vier angenommenen
Fehlern bei Einsatz von fünf Schwingern, Fig. 2 die Anordnung der US-Schwinger an
einem Querschnitt eines nahtlosen Rohres, Fig. 3 die Anordnung der US-Schwinger
an einem Querschnitt eines nahtlosen Rohres mit geänderter Fehlerlage.
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In Fig. 1 wird am Beispiel der Querfehlerprüfung von UP-geschweiB-ten
Rohren nach dem als Linienverfahren bekannt gewordenen Verfahren die Wirkungsweise
der Erfindung beschrieben.
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Die Zeichnung stellt einen Längsschnitt durch das Prüfgut dar, in
diesem Fall einen Ausschnitt aus einer UP-geschweißten Naht.
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In unterschiedlichen Lagen der Schweißnaht sind angenommene Fehler
2, 3, 4 und 5 dargestellt. Ferner sind fünf US-Schwinger 6, 7, 8, 9 und 10 in einer
Linie hintereinander unterhalb der Schweißnaht
angeordnet. Die Schwinger
6, 7, 8 sind so ausgerichtet, daß bei der hier üblichen Schrägeinschallung sich
der Schall in Richtung der angenommenen Fehler 2, 3, 4 und 5 fortbewegt.
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Die Schwinger 9 und 10 sind zu den Schwingern 6, 7 und 8 entgegengesetzt
ausgerichtet. Der Schallverlauf in Beziehung zu den Fehlern 2, 3, 4 und 5 entspricht
ebenfalls dem der Schwinger 6, 7 und 8, also in Richtung zu den angenommenen Fehlern.
Im einzelnen ergeben sich innerhalb eines Prüfzyklus folgende Abläufe: In einem
Prüftakt wird der Schwinger 6 als Sender und die Schwinger 7, 8, 9 und 10 als Empfänger
geschaltet. Die hier dargestellten Schallstrahlen 11a, 12 und 13 gelangen mittels
eines Ankopplungsmediums durch Schrägeinschallung in das Prüfgut 1.
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Hier reflektieren sie an den Fehlern 2, 3, 4 und 5.
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Die an den Fehlern 2, 3 und 5 refelktierten Schallstrahlen werden
mehrfach an der Innen- und Außenwand des Prüfgutes 1 reflektiert.
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Im Bereich des Schwingers 7 werden die bei der Reflektion an der Außenwand
austretenden Schallstrahlen 11a, i2 und 13 von dem Schwinger, der wie oben aufgeführt
auf Empfang geschaltet ist, empfangen und damit von den Fehlern 2, 3 und 5 US-Anzeigen
registriert.
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Nach einer weiteren Reflektion der Schallstrahlen 11a, 12 und 13 an
der Innenwand treten diese auch im Bereich des Schwingers 8 aus. Auch diese werden
von den Schwingern 8 empfangen, der auch auf Empfang steht. Damit sind die Fehler
2, 3 und 5 innerhalb eines Prüftaktes zweimal, nämlich von den Schwingern 7 und
8 erfaßt worden, ohne daß sich die Fehler bzw. die Schwinger fortbewegt haben.
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An dem zur Oberfläche des Prüfgutes parallel verlaufendem Fehler 4
erfolgt die Reflektion des Schallstrahles 11a in umgekehrter
Richtung.
Dieser Schallstrahl gelangt auch nach der Reflektion an dem Fehler 4 und an der
Innenwand auf die Prüflingsaußenwand, tritt teilweise aus und wird von dem Schwinger
9 empfangen. Nach drei weiteren Reflektionen an der Außen- und Innenwand wird der
Schallstrahl schließlich auch von dem Schwinger 10 erfaßt. Durch diese Verfahrensweise
sind die hier dargestellten Fehler 2, 3, 4 und 5 alle zweimal getrennt erfaßt und
somit registriert worden.
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Hieraus erfolgt die eindeutige Aussage, daß echte Fehler vorliegen.
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Es ist aber auch möglich, innerhalb eines Prüfzyklus eine andere Prüftaktfolge
zu wählen. Diese kann ausreichen, wenn nur die Fehler 2, 3 und 5 eindeutig erfaßt
werden müssen. Wird nämlich in einem Takt nur der Schwinger 6 als Sender geschaltet
und im nächsten Takt Schwinger 6 und 7 als Empfänger tritt der gleiche oben beschriebene
Effekt auf, daß nämlich die Fehler 3, 2 und 5 von den Schwingern 6 und 7 zweifach
erfaßt werden. Hierbei arbeitet der Schwinger 6 immer noch nach dem Impuls-Reflektionsverfahren
(Einkopfmethode) und der Schwinger 7 zusätzlich nur als Empfänger, Schwinger 8 wird
dann nicht in die Prüfung mit einbezogen.
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Die bereits vorne beschriebenen Nachteile des Auftretens von Störanzeigen
durch Oberflächenechos, Luft und Partikelchen im Ankopplungsmedium treten hierbei
durch den SE-Betrieb des Schwingers 6 wieder auf, wegen der Logik, daß US-Signale
von echten Fehlern aber auch mit dem Schwinger 7 empfangen werden müssen, werden
diese eliminiert.
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Ein anderer Anwendungsfall der Erfindung wird am Beispiel der US-Prüfung
von nhatlosen Rohren nachfolgend beschrieben: Fig. 2 zeigt als Querschnitt den Teil
eines Rohres 14.
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15, 16 und 17 sind willkürlich angenommene Fehler. Die US-Schwinger
18, 19. 20 und 21 sind bei diesem Beispiel so angeordnet,
daß bei
einer Tauchtechnikprüfung im Prüfling immer Einschallwinkel von ca, 450 vorliegen.
Der besseren Übersicht wegen ist nur der Schallverlauf der Strahlen 22, 23 und 24
eingezeichnet.
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Bei der Prüfung von nahtlosen Rohren bei sich schraubenlinienartig
vorwärtsbewegenden Rohr und feststehenden Prüfköpfen kann innerhalb eines Prüf zyklus
so verfahren werden, daß Schwinger 18 immer als Sender/Empfänger (Einkopfbetrieb)
und Schwinger 19 immer nur als Empfänger geschaltet ist. Die Fehler 15, 16 und 17
werden dann immer getrennt gleichzeitig von zwei Schwingern in einem Abstand von
einem Sprungabstand erfaßt. Dabei gelangt der Schallstrahl 22 von 18 zum Fehler
15. Nach der Reflektion zurück zum Schwinger 18, und nach einem weiteren Sprungabstand
zu Schwinger 19. Der Schallstrahl 23 gelangt auf den Fehler 17, nach der Reflektion
tritt er bei 18 aus und nach einem weiteren Sprungabstand auch bei Schwinger 19.
Das gleiche gilt für den Schallstrahl 24, der Fehler 16 wird ebenso von 18 und 19
erfaßt.
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Das Erkennen von echten Fehleranzeigen ist demnach auch sehr leicht
möglich. Man kann aber auch hierbei, wie bereits oben bei der Prüfung einer UP-Naht
ausgeführt, so verfahren, daß Schwinger 18 nur zum Aussenden der US-Impulse verwendet
wird und die Schwinger 19 und 20 beide gleichzeitig auf Empfang stehen.
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Dieses Taktschema empfiehlt sich besonders bei solchen Prüfaufgaben,
bei denen von der Statur aus mit sehr viel Störanzeigen aufgrund von z.B. losen
Zunder zu rechnen ist.
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Fig. 3 zeigt ebenfalls die Wirkungsweise der Erfindung am Beispiel
der US-Prüfung von nahtlosen Rohren, jedoch im Gegensatz zu Fig. 2-bei sich nur
translatorisch an den Prüfköpfen vorbeibewegenden Rohre, also einem Verfahren bei
dem die Prüfköpfe um den gesamten Rohrumfang angeordnet sind.
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In Fig. 3 sind jedoch aus Darstellungsgründen nur 4 Schwinger abgebildet.
Die Fehler 28, 29 und 30 befinden sich hierbei im Vergleich zu den Fehlern 15, 16
und 17 der Fig. 2 in einem
anderen Bereich des Rohrausschnittes
14, nämlich unmittelbar vor dem Schwinger 18.
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Bei dieser Lage der Fehler 15, 16 und 17 wäre es nicht möglich die
Fehler wie beschrieben zu erfassen, wenn Schwinger 18 sendet und empfängt und zusätzlich
Schwinger 19 empfängt bzw.
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Schwinger 18 nur sendet und die Schwinger 19 und 20 empfangen.
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Bei dieser Fehlerlage muß Schwinger 19 senden und empfangen und zusätzlich
Schwinger 20 empfangen bzw. Schwinger 19 senden und die Schwinger 20 und 21 empfangen.
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Hieraus folgt, daß bei Systemen mit vorwärtsbewegendem Rohr und feststehenden
Köpfen so geschaltet werden muß, daß in jedem Fehlererwartungsbereich innerhalb
eines Prüf zyklus mindestens einmal die oben beschriebene Taktfolge eingehalten
werden muß. Dies läßt sich mit elektronischen Mitteln leicht verwirklichen.