DE3815016C2 - Ferromagnetische Wirbelstromsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromsonde zum Erfassen örtlicher Fehler in einem Rohr aus ferromagneti­ schem Material nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2 und 5.

In der Vergangenheit sind Körper aus ferromagnetischem Mate­ rial beispielsweise durch ein Verfahren untersucht worden, wie das Leck-Fluß-Verfahren nach (z. B.) US-PS 3 091 733 und 4 602 212. Bei einem solchen Verfahren wird das Metall in einer parallel zu seiner Oberfläche liegenden Richtung magne­ tisiert. Bei Fehlern oder Gebieten, in denen die Metallwand dünner ist, tritt etwas Magnetfluß in die Luft aus und kann durch einen Sensor erfaßt werden, so daß Fehler angezeigt werden.

In der US-PS 4 107 605 ist ein Wirbelstromverfahren zur Un­ tersuchung von Rohrleitungen aus ferromagnetischem Material beschrieben. Die Sonde enthält spiralförmige Fühlerwicklun­ gen, die mit ihren Achsen normal zur Oberfläche der Rohrwand ausgerichtet und an vier Schenkeln einer Wechselstrombrücke angeschlossen sind, so daß Abheben ausgeglichen wird. Vor­ spannend wirkende elektromagnetische Felder erlauben die Un­ terscheidung innerer und äußerer Defekte in schwach ferromag­ netischen Rohren durch Vergleich der Ausgangssignale bei Sys­ temen mit und ohne Vorspannfeldern.

In den US-PS 2 992 390 und 3 940 689 werden spezielle Arten der Erzeugung von Magnetfeldern beschrieben in Verbindung mit Wirbelstromuntersuchungen, und zwar wird bei der ersten PS ein besonders ausgelegter Kern benutzt und in der zweiten eine Wicklung um einen Kern wesentlicher Länge. Die US-PS 4 292 589 lehrt die Verwendung von besonderen Spulen­ anordnungen bei einem Differentialempfänger für eine Fern­ feld-Wirbelstromsonde. Bei dieser Anordnung sind jedoch lange Sonden und niedrige Testfrequenzen erforderlich, so daß die Untersuchungsgeschwindigkeit sehr begrenzt ist. In den US-PS 3 952 315 und 2 964 699 sind Sonden für die Unter­ suchung von schwach ferromagnetischen Rohren beschrieben. Hier wird eine Impedanz-Fühlerschaltung benutzt, jedoch sind diese Sonden für Umfangsrisse nicht sehr empfindlich, und gleichen auch in Umfangsrichtung nicht aus.

Allen bekannten Vorrichtungen ist gemeinsam, daß sie relativ teuer sind, speziell ausgelegte Instrumente erfordern, daß zur hohen magnetischen Sättigung aufwendige Elektromagneti­ siergeräte erforderlich sind, daß sie für bestimmte Fehlerar­ ten unempfindlich sind und insbesondere in der Nähe von Schweißverbindungen keine hohe Fehlerempfindlichkeit zeigen.

Aus der GB 1 448 417 ist eine Wirbelstromsonde für den Ein­ satz innerhalb eines zu untersuchenden Rohres bekannt, die eine oder mehrere Testspulen aufweist, welche in in einem Träger ausgebildeten Nuten angeordnet sind und mit Wechsel­ strom betrieben werden, um im zu überprüfenden Rohrabschnitt Wirbelströme zu erzeugen. Als Spulenhalter ist ein Permanent­ magnet vorgesehen, der für die magnetische Sättigung des zu untersuchenden Rohres sorgt. Weitere, mit Gleichstrom betrie­ bene Spulen können vorgesehen werden, um das durch den Perma­ nentmagneten erzeugte Magnetfeld zu verstärken.

Die GB 936 033 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweisen von Defekten in einem länglichen metallischen Objekt. Bei diesem bekannten Verfahren zur Fehlersuche wird die Vorrichtung über das zu untersuchende Rohr geschoben, so daß die zur Erzeugung von Wirbelströmen in der Rohrwandung mit Wechselstrom betriebenen Erregungsspulen das Rohr von au­ ßen umgeben.

Aus der GB 2 157 439 A ist eine Vorrichtung zum Messen von Defekten in ferromagnetischen Rohren bekannt, die über das jeweils zu untersuchende Rohr geschoben wird. Dabei handelt es sich um solche Rohre, die bei der Erdöl- und Erdgassuche Verwendung finden.

Die GB 1 591 443 betrifft eine Rohrprüfsonde, die entweder eine einzige Nachweisspule umfaßt oder mit einer Doppelspule versehen ist. Eine zur Erzeugung von Wirbelströmen geeignete Sendespulenanordnung wird in dieser Druckschrift nicht er­ wähnt.

Die US 2,124,579 beschreibt eine Vorrichtung, bei der die zu überprüfenden metallischen Gegenstände von außen untersucht werden. Dies erfolgt dadurch, daß die Oberfläche des Gegen­ stands mit Erregungsspulen abgetastet wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Wirbelstromsonde zur Erfassung örtlicher Rohrfehler zu schaffen, die eine geringe Baugröße aufweist sowie kostengünstig herstellbar ist, und die einen sicheren Nachweis von Variationen induzierter Wir­ belströme, die durch Rohrfehler bewirkt werden, gewährleistet und somit eine eindeutige Identifizierung dieser Rohrfehler sicherstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß jeweils durch die in den Ansprüchen 1, 2 und 5 angegebenen Merkma­ le gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei­ spielsweise näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bekannten Wirbel­ stromsonde,

Fig. 2a, 2b und 2c ein aus ferromagnetischem Edelstahl bestehendes Rohr und mit der Sonde aus Fig. 1 daran erhalte­ ne Signale,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Wirbelstrom­ sonde gemäß einer Ausführung der vorliegenden Er­ findung,

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Wirbelstromsonde nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung nach einer weite­ ren Ausführung einer erfindungsgemäßen Wirbel­ stromsonde und

Fig. 7a, 7b, 7c, 7d verschiedene magnetische Sättigungs-Konfiguratio­ nen erfindungsgemäßer Art.

Herkömmliche Wirbelstromuntersuchung erfaßt Änderungen der in einem zu untersuchenden Gegenstand induzierten Wirbelströ­ me. Der Wirbelstrom wird indirekt durch eine Sondenwicklung gemessen, die in der Nähe der durch die Wirbelstromuntersu­ chung erfaßten Oberfläche des Gegenstandes liegt. Wenn eine Wirbelstromsonde zur Untersuchung eines ferromagnetischen Rohres benutzt wird, beeinflußt die magnetische Permeabili­ tät des ferromagnetischen Material ebenso die Induktanz der Sondenwicklung wie auch die Eindringtiefe des Wirbelstromes in das Material. Die magnetische Permeabilität hängt sehr stark von Faktoren ab, wie z. B.:

• - dem Verlauf der thermischen Bearbeitung,
• - dem Verlauf der mechanischen Bearbeitung,
• - der chemischen Zusammensetzung,
• - den inneren Spannungen, und
• - der Temperatur (soweit sie in der Nähe der Curie- Temperatur liegt).

Die großen Änderungen der Permeablitität gestalten eine Wir­ belstromuntersuchung auf Fehler in magnetisierbaren Materia­ lien sehr schwierig.

Die beste Lösung einer Wirbelstromuntersuchung eines magneti­ schen Materials besteht darin, dieses in einen Zustand zu bringen, bei dem µ_r = 1,0. Die relative Zuwachs- oder Rück­ laufpermeabilität µ_r wird definiert durch µ_r = ΔB/ΔH, wobei ΔB die Änderung der Flußdichte ist, die bei einer Än­ derung der Magnetkraft ΔH auftritt, beispielsweise durch den Wechsel-Wirbelstrom.

Einige gering magnetische Materialien können über ihre Curie- Temperatur erhitzt werden, um sie unmagnetisch zu machen. So muß Monel 400 (Warenzeichen) nur auf 50 bis 70°C erhitzt werden, um es so zu prüfen. Die meisten Materialien besitzen jedoch eine zu hohe Curie-Temperatur, als daß man auf diese Weise eine Untersuchung durchführen könnte. Die einzige andere Weise, µ_r auf 1 zu erniedrigen, ist, das Mate­ rial magnetisch zu sättigen.

Fig. 1 zeigt eine auf diesem Fachgebiet bekannte Sättigungs­ sonde, die einen Permanentmagnetaufbau enthält, der zur Maxi­ mierung des Sättigungsfeldes über der Untersuchungsspule aus­ gelegt ist.

Wie wichtig es ist, maximale Sättigung zu erreichen, wird in den Fig. 2a, 2b und 2c dargestellt, die die Ergebnisse einer Untersuchung eines Edelstahl-Wärmetauscherrohres aus Stahl Typ 439 zeigen. Ein Rohr mit 15,9 mm Außendurchmesser und 1,2 mm Wandstärke, mit Innen- und Außen-Wandfehlern und einer kugelgestrahlten Zone wurde benutzt, um das Verhalten verschiedener Sättigungssonden zu vergleichen. Wie in Fig. 2a zu sehen, sind die Außenfehler im Bereich von 20 bis 100% Tiefe. Fig. 2b zeigt die Signale, die mit einer Sonde er­ zielt wurden, die eine Sättigung von 99% erreichte, und Fig. 2c solche von einer Sonde mit 95% Sättigung. Die rela­ tive magnetische Permeabilität (µ_r) bei 99% Sättigung be­ trägt etwa 1,15 und bei 95% Sättigung etwa 1,9. Bei 99% Sät­ tigung zeigen die Wirbelstromsignale mit Eindrücken oder Ver­ tiefungen unterschiedlicher Wandstärketiefe (die von außen gehen) die charakteristische Phasendrehung, die man bei nichtmagnetischen Materialien erwartet. Im Gegensatz dazu sind die Signale bei einer Sättigung von nur 95% verzerrt und von Signalen nicht unterscheidbar, die auf "Änderung der magnetischen Permeabilität" beruhen. Aus ähnlichen Untersu­ chungen bei anderen ferromagnetischen Rohren hat es sich ge­ zeigt, daß mindestens 98% Sättigung (µ_r 1,3) für zuverläs­ sige Testergebnisse notwendig ist. Dafür ist eine eingehende Optimierung der Auslegung des Sättigungsmagneten bei jedem ferromagnetischem Rohrmaterial nötig. Aber auch die am besten optimierte Sättigungssonde kann bestimmte Rohre, ins­ besondere solche aus Kohlenstoffstahl, nicht vollständig sät­ tigen.

Im Gegensatz zur früheren Ansicht wurde bei der Entwicklung dieser Erfindung festgestellt, daß mit einer Wirbelstromson­ de, die eine Sendewicklungsanordnung und eine Empfangswick­ lungsanordnung besitzt, schon eine nur teilweise magnetische Sättigung von z. B. unter 50% ausreicht, um dünnwandige und dickwandige Rohre aus schwach- und aus starkmagnetischem Ma­ terial gut zu untersuchen.

Bei einer erfindungsgemäßen Sonde erzeugt die Sendewicklung ein Magnetfeld und Wirbelströme, die mit radialem und axia­ len Abstand rasch abklingen. Das Magnetfeld ist viel schwä­ cher, jedoch in Axial- wie in Radialrichtung einige Wick­ lungsdurchmesser von der Sendewicklung entfernt gleichmäßig.

In diesem Umfangsbereich wird das beste Signal/Rausch-Ver­ hältnis erzielt. Die teilweise Sättigung reicht aus, die Än­ derungen der magnetischen Permeabilität zu verringern und das Magnetfeld die äußeren Defekte der Rohre erreichen zu lassen.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführung dargestellt mit einer Sendewicklungsanordnung 1 und einer Empfangswicklungs­ anordnung 3. Die Wicklungsanordnungen sind in einem Sondenge­ häuse 5 aus einem nichtferromagnetischem Material unterge­ bracht, und der elektrische Anschluß befindet sich bei 7. Vier Permanentmagnete 9 sind mit der gezeigten Polaritäts­ anordnung untergebracht, d. h. jeweils benachbarte Permanent­ magnete sind entgegengesetzt polarisiert. Es können auch gegen die Fig. 3 vertauschte Polaritäten aller Permanentmag­ nete verwendet werden mit den gleichen Ergebnissen. Die Sen­ dewicklungsanordnung ist bei dieser Ausführung eine Ringspu­ le und sitzt über dem zweiten Permanentmagneten. Die Emp­ fangswicklungsanordnung 3 enthält vier Flachwicklungen und sitzt über dem dritten Magneten. Magnetfeld-Verteilungsschei­ ben 11 aus Materialien mit hohem µ_r wie Permendur (Warenzei­ chen) sitzen zwischen den Permanentmagneten 9. Die vier Flachspulen der Empfangswicklungsanordnung 3 sind in Umfangs­ richtung 90° voneinander getrennt und in der gezeigten Weise wechselnd umgekehrt polarisiert, um Kompensation in Umfangs­ richtung zu schaffen. Der Abstand zwischen der Sendewick­ lungsanordnung und der Empfangswicklungsanordnung beträgt bei dieser Ausführung etwa das 2fache des Durchmessers der Ringspule, und bei dieser Ausführung etwa gleich dem Durch­ messer des zu untersuchenden Rohres. In dieser Fig. 3 sind eine Ringspule und vier Flachspulen dargestellt; es können jedoch auch andere Wicklungsanordnungen, beispielsweise eine Vielzahl von Flachspulen bei einer Sendewicklungsanordnung und mehr als vier Flachspulen bei einer Empfangswicklungs­ anordnung benutzt werden. So sind in den deutschen Patentan­ meldungen DE 38 02 072 und DE 38 02 073 der gleichen Anmel­ derin verschiedene mögliche Wicklungskonfigurationen zum Um­ fangsausgleich beschrieben.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführung gezeigt, bei der dies­ mal fünf Permanentmagnete mit aufeinanderfolgend entgegenge­ setzter Polarisation, wie in Fig. 3, angeordnet sind. Dabei befindet sich die Ring-Sendewicklung 21 über dem (von links gesehen) zweiten Magneten und die beiden Ring-Empfangswick­ lungen 23 und 25 über dem dritten bzw. vierten Magneten. Die Abstände der Empfangsspulen von der gemeinsamen Sendespule sind, wie in Fig. 4 angegeben, jeweils D bzw. etwa 2D, wobei D der Durchmesser des zu untersuchenden Rohres ist. Jede Empfangswicklung 23 und 25 wird getrennt überwacht. Die Empfangswicklung 23 spricht auf Innenfehler des Rohres an, und die Empfangsspule 25 auf Innen- wie Außenfehler.

Fig. 5 zeigt wieder eine andere Ausführung mit drei Perma­ nentmagneten abwechselnder Polarität. Die Sendewicklung 31 ist hier wieder eine Ringspule und es sind wiederum vier Flachspulen mit 90° Umfangsabstand angeordnet, wobei kein Axialabstand zwischen der Sende- und Empfangswicklung vorhan­ den ist.

Während die bisher beschriebenen Ausführungen eine axiale magnetische Sättigung längs dem zu untersuchenden Rohr benut­ zen, wird bei anderen Anwendungen, wie der Erfassung von Feh­ lern unter ferromagnetischer Stützplatten, die Radialsätti­ gung bevorzugt. Fig. 6 zeigt eine derartige Konfiguration zur radialen Sättigung. In dieser Figur sind drei Permanent­ magnete axial hintereinander angeordnet mit dazwischen einge­ fügten Magnetfeld-Haltescheiben 41 bzw. 43. Waren die Wick­ lungen in den bisherigen Ausführungen über den Magneten ange­ ordnet, so befinden sie sich hier über den jeweiligen Halte­ scheiben 41 und 43, und sind in der gezeigten Weise Flach­ wicklungen. Es ist hier auch eine typische Rohrstützplatte 45 dargestellt.

Es sind auch andere Wicklungskonfigurationen, beispielsweise zwei Sendewicklungen und zwei Empfangswicklungen über jeder Haltescheibe oder eine Ring-Sendewicklung und vier Empfangs­ wicklungen, entweder über separaten Haltescheiben oder über der gleichen Scheibe ebenfalls möglich.

Bei diesen Ausführungen steigt die Radialsättigung in dem Rohr unter den Stützplatten etwas an, während die Axialsätti­ gung drastisch abnimmt, was eine Untersuchung unmöglich macht.

Die Fig. 7a, 7b, 7c und 7d zeigen schematisch andere Mag­ netkonfigurationen, bei denen die Permanentmagnete vollstän­ dig oder teilweise durch gleichstromerregte Elektromagnete ersetzt sind. In Fig. 7a sind drei Permanentmagnete vorgese­ hen, und über den mittleren Permanentmagnet ist ein Elektro­ magnet 51 gesetzt. Die Beaufschlagung des Elektromagneten er­ möglicht eine feinere Steuerung der magnetischen Sättigung. Da die sich ergebende Sättigungsflußdichte eine Funktion der Rohr-Wandstärke ist, erlaubt eine Steuerung der Gleichmag­ net-Sättigung eine Untersuchung von Rohren unterschiedlicher Stärke mit der gleichen Sonde bei optimierter Sättigungsbe­ dingung. Es sind auch Scheiben 53 aus Material mit hohem µ_r vorgesehen. In den Fig. 7b, 7c und 7d sind jeweils Elek­ tromagneten vorgesehen, die einen Kern aus Material mit hohem µ_r besitzen, beispielsweise aus Permendur (Warenzei­ chen).

Claims (6)

1. Wirbelstromsonde zur Erfassung örtlicher Fehler in einem aus ferromagnetischem Material hergestellten Rohr mit ei­ nem Sondengehäuse (5) aus nicht-ferromagnetischem Materi­ al, in dem eine Spulenanordnung (1/3) untergebracht ist, und mit Magnetmitteln (9, 11; 51) zur zumindest teilweisen magnetischen Sättigung von Berei­ chen des Rohres nahe der Spulenanordnung, dadurch gekennzeichnet
daß die Spulenanordnung eine Sendespulenanordnung (1) und wenigstens eine Empfangsspulenanordnung (3) umfaßt, wobei die Empfangsspulenanordnung in Axialrichtung mit Abstand von der Sendespulenanordnung angeordnet ist,
daß die Empfangsspulenanordnung eine gerade Anzahl Flach­ spulen (3) aufweist, die symmetrisch verteilt in Umfangsrichtung des Sondengehäuses (5) angeordnet sind, und
daß jeweils benachbarte Flachspulen (3) entgegen­ gesetzt polarisiert sind.

2. Wirbelstromsonde zur Erfassung örtlicher Fehler in einem aus ferromagnetischem Material hergestellten Rohr mit ei­ nem Sondengehäuse (5) aus nicht-ferromagnetischem Materi­ al, in dem eine Spulenanordnung (31/33) untergebracht ist, und mit Magnetmitteln zur zumindest teilweisen magnetischen Sättigung von Bereichen des Rohres nahe der Spulenanordnung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spulenanordnung eine Sendespulenanordnung (31) und genau eine Empfangsspulenanordnung (33) umfaßt,
daß die Empfangsspulenanordnung eine gerade Anzahl iden­ tischer Flachspulen (33) aufweist, die symmetrisch ver­ teilt in Umfangsrichtung des Sondengehäuses (5) angeord­ net sind,
daß jeweils benachbarte Flachspulen (33) entgegengesetzt polarisiert sind,
daß die Magnetmittel drei Magnete umfassen, die im Son­ dengehäuse (5) in axialer Richtung hintereinander ange­ ordnet sind, wobei jeweils benachbarte Magnete entgegen­ gesetzt polarisiert sind, und
daß die Sendespulenanordnung (31) und die Empfangsspulen­ anordnung (33) in Axialrichtung ohne Abstand derart an­ geordnet sind, daß sie den mittleren Magneten der Magnet­ mittel in Umfangsrichtung umgeben.

3. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetmittel (51) drei Magnete umfassen, die im Sondengehäuse (5) in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, wobei jeweils benachbarte Magnete entge­ gengesetzt polarisiert sind,
daß genau eine Empfangsspulenanordnung vorgesehen ist, daß die Sendespulenanordnung eine gerade Anzahl Flach­ spulen umfaßt,
daß ferromagnetische Scheiben (41, 43; 53) derart ange­ ordnet sind, daß sich jeder Magnet zwischen zwei ferroma­ gnetischen Scheiben (41, 43; 53) befindet, und
daß die Sendespulenanordnung und die Empfangsspulenan­ ordnung so angeordnet sind, daß sie jeweils eine der zwischen den Magneten befindlichen ferromagnetischen Scheiben (41, 43; 53) in Umfangsrichtung umgeben.

4. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetmittel (9, 11) vier oder mehr Magnete umfassen, die im Sondengehäuse (5) in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, wobei jeweils benachbar­ te Magnete entgegengesetzt polarisiert sind, und
daß die Sendespulenanordnung (1) und die Empfangsspulen­ anordnung (3) auf unterschiedlichen, in einem vorbestimm­ ten Abstand zueinander angeordneten Magneten vorgesehen sind.

5. Wirbelstromsonde zur Erfassung örtlicher Fehler in einem aus ferromagnetischem Material hergestellten Rohr mit ei­ nem Sondengehäuse (5) aus nicht-ferromagnetischem Materi­ al, in dem eine Spulenanordnung (21/23, 25) unterge­ bracht ist, und mit Magnetmitteln zur zumindest teilwei­ sen magnetischen Sättigung von Bereichen des Rohre s nahe der Spulenanordnung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spulenanordnung eine Sendespulenanordnung (21) und wenigstens eine Empfangsspulenanordnung (23, 25) um­ faßt, wobei die Empfangsspulenanordnung in Axialrichtung mit Abstand von der Sendespulenanordnung angeordnet ist,
daß die Sendespulenanordnung eine Ringspule (21) umfaßt, und
daß die Empfangsspulenanordnung zwei in Axialrichtung mit Abstand angeordnete Ringspulen (23, 25) umfaßt, wobei jede Ringspule (21/23, 25) über einem der Magnet­ mittel angeordnet ist.

6. Wirbelstromsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Magnetmittel ein Permanentmagnet ist.