NON-DESTRUCTIVE TESTING OF FERROMAGNETIC MATERIALS

Abstract: 1. Process for the non-destructive testing of ferromagnetic materials, preferably of cylindrical test bodies, such as pipes or bars, in which the test body is surrounded by a rotating magnet provided with two pole shoes and the magnetic field created by the magnets is used to measure the stray flux, characterised in that the magnetic field is simultaneously used for the electrodynamic excitation of an ultrasound field in the test body and the ultrasound field is measured.

Description: Zerstörungsfreie Prüfung von ferromagnetischen Materialien Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von ferromagnetischen Materialien vorzugsweise von zylindrischen Prüflingen wie Rohren oder Stangen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung kann mittels Ultraschall erfolgen, bei der piezoelektrische Schwinger eingesetzt werden, von denen Ultraschallwellen ausgehen und mittels eines Ankopplungs- mediums wie zum Beispiel Wasser in das Werkstück eingeleitet werden. Daneben gibt es eine eiektrodynamische Erzeugung von Ultraschall in elektrisch lei tfähi gen ferromagnetischen Werkstücken. Dabei werden Ultraschal Iwel len erzeugt, indem mittels einer Spule im Werkstück hochfrequente Impulswirbelströme erregt werden. Ein gleichzeitig in diesem Bereich wirksames Magnetfeld führt zusammen mit den Wirbelströmen zur Entstehen von Loren tzkräf ten , die auf den Gitterverband des Werkstücks wirken und die Schallwellen hervorrufen. Dieses die Erzeugung verdeutlichende Prinzip ist für den Empfang umkehrbar. Die Prüfung von Werkstücken aus ferromagnetischen Materialien in Form von zum Beispiel Rohren oder Stangen kann auch in Streufluss Rotationsanlagen erfolgen, bei denen in dem Prüfling ein magnetischer Fluss erzeugt wird, wobei Fehlstellen im Prüfling zu Streufeldern führen können, die mit Magnetfeldsonden detektiert werden. Zum Stand der Technik vgl. DE-OS 25 59 125, DE-PS 26 21 684, Sumitomo Surch Nr. 17, Mai 1977, Seite 73 bis 79. Um in zylinderförmig ausgebildeten Prüflingen Längsfehter oder Löcher zu orten, zu werden Streuflussmessungen durchgeführt. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch kaum oder überhaupt nicht, Querfehler und Messdaten über die Rohr- bzw. Stangendimensionen wie zum Beispiel Wanddicke zur Verfügung zu stellen. Zur Ermittlung dieser Werte greift man daher üblicherweise auf Ultraschall-Rotationsanlagen zurück, die nicht nur wesentlich teurer sind, sondern auch aufgrund der erforderlichen Ultraschallkopplung über zum Beispiel eine Wasserstrecke konstruktiv recht aufwendig sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei denen gleichzeitig Längsfehler, Löcher, Querfehler und Dimensionsbestimmungen unter Ausnutzung des von dem den Prüfling rotierend umgebenden Magneten erzeugten Magnetfelds ermöglicht wird. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld gleichzeitig zur elektrodynamischen Anregung für Ultraschall und zur Streuflussmessung benutzt wird. Demzufolge zeichnet sich das erfindungsgemässe Verfahren durch eine Kombination an und für sich bekannter Prüfverfahren aus, die jeweils für sich optimal zur Bestimmung von Längsfehlern und Löchern bzw. von Querfeldern und Dimensionsmessungen eingesetzt werden können. Dabei ist insbesondere hervorzuheben, dass rnan bei der Überprüfung Koppelmedien nicht benöti9t, so dass insbesondere die kostengünstigen Eigenschaften der Streuf 1 uss-Rotationsan lagen beibehalten werden. Das erfindungsgemässe Verfahren, also die Kombination Streuflussmessung und elektrodynamisches Anregungsverfahren, kann durch eine Vorrichtung durchgeführt werden, welche sich dadurch auszeichnet, dass der Prüfling von einem rotierenden zwei Polschuhe aufweisenden Magneten umgeben ist, dass zu dem Magneten synchron rotierend zumindest eine Magnetfeldsonde an der Umfangsfläche des Prüflings vorhanden ist und dass in den dem Prüfling zugewandten Bereichen der Pol schuhe und/oder in dem dem Prüfling zugewandten Bereich der Magnetfeldsonde Wirbelstromerreger- und Empfangssonden angeordnet sind. Mit anderen Worten werden an und für sich bekannte Vorrichtungsmerkmale in den erfindungsgemässen Vorschlag integriert, die sich auf Streufl uss-Rotationsprüfan lagen beziehen. Diese bestehen im wesentlichen aus rotierenden Polschuhen eines Magneten, der in dem Prüfling einen magnetischen Fluss erzeugt. Steigert man die Feidstärke auf einen Wert, bei dem das Prüflingsmaterial in die magnetische Sättigung gelangt, so führen Fehlstellen wie zum Beispiel Risse oder Querschnittsverringerungen zu relativ starken Streufeldern, die mit Magnetfeldsonden ermittelt werden können, die synchron mit dem Magneten um den Prüfling rotieren. Vorzugsweise sind zwei Magnetfeldsondengruppen vorgesehen, die um 90 Grad versetzt zu den Polschuhen synchron um den Prüfling rotieren. Durch eine entsprechende Streuflussmessung unter Ausnutzung der beschriebenen Anordnung von Polschuhen und Magnetfeldsonden lassen sich Aussenfehler bis zu 5'70 der Wanddicke und Innenfehler bis zu 10% der Wanddicke einwandfrei ermitteln. Um Dimensionsmessungen und die Ortung von Querfehlern zu ermöglichen, erfolgt nach der erfindungsgemässen Lehre eine elektrodynamische Anregung von Ul trascha 1 Isignalen. Das dazu erforderliche Magnetfeld wird von den rotierenden zwei Pol schuhe aufweisenden Magnetjoch erzeugt, so dass insoweit die bereits im Zusammenhang mit der Streuflussmessung erforderlichen Elemente Verwendung finden. Dabei benutzt man insbesondere die von dem rotierenden Magneten auftretenden vertikal und parallel zur Prüfl i ngsoberfl äche auftretenden Magnetfelder. Letztere treten im Bereich der um 90 Grad zu dem Polschuhen versetzt angeordneten Magnetfeldsonden, wohingegen erstere im Bereich der Polschuhe auftreten. Die zusammen mit dem magnetischen Feld und den Wirbelstromimpulsen erzeugten Ultraschallwellen können in Abhängigkeit von der Anordnung der Wirbelstromerreger- und Empfangssonden Transversal- oder Oberflächenwellen sein. Die Transversalwellen werden dann zur Bestimmung von Dimensionsgrössen also zum Beispiel der Wanddicke und die Oberflächenwellen zur Detektion von Querfehlern herangezogen. Bei einer besonders hervorzuhebenden Ausgestaltung der Erfindung werden zur Erzeugung von Transversalwellen die Wirbelstromerregerund Empfangssonden in den freien dem Prüfling zugewandten Enden der Polschuhe angeordnet, wobei in weiterer Ausgestaltung mehrere Erreger- und Empfangssonden nebeneinander angeordnet sind, um gleichzeitig mehrere Spuren abtasten zu können. Eine optimale Anregung von Oberflächenwellen finden -wie erwähnt- im Bereich der Magnetfeldsonden, die in Bezug auf die Pol schuhe um 90 Grad versetzt angeordnet sind, statt, so dass in weiterer Ausgestaltung auf den Magnetfeldsonden gleichzeitig die Wirbetstrom- erreger- und Empfangssonden angeordnet werden. Diese sind nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Flachspulen ausgebildet, deren Wicklungen mäanderförmi g verlaufen. Dabei können zur optimalen Ausnutzung der übermittelten Messwerte die Hauptachsen der mäanderförmig verlaufenden Wicklung parallel oder nahezu parallel zueinander verlaufen oder auch einen rechten oder nahezu rechten Winkel zueinander beschreiben. Es sei noch einmal hervorgehoben, dass ein Hauptvorteil der erfindungsgemässen Lehre darin zu sehen ist, dass durch eine Kombination des an und für sich bekannten Streuflussverfahrens und der auch an und für sich bekannten elektrodynamischen Anregung von Ultraschall ohne die Verwendung eines Koppelmediums sowohl Wanddicken gemessen werden, Querfehler-, Längsfehler oder Löcherortungen vorgenommen werden können, wobei zur Erzeugung der erforderlichen Magnetfelder das von dem rotierenden Magneten ausgenutzt wird. Weitere Einzelheiten, Vorteile, Merkmale und Erläuterungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung wider Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemässen Rotationsprüf anlage, Fig. 2 eine Anordnung von Wirbelstromerreger- und Empfangssonden und Fig. 3 und Fig. 4 beispielhafte Anordnungen von Magnetfeldsonden und Wirbel stromerreger- und Empfangssonden, die auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. In Fig. 1 ist rein schematisch ein Ausschnitt einer Rotationsprüfanlage dargestellt, in der wesentliche Elemente von an und für sich bekannten Streufluss-Rotationsprüfanlagen Berücksichtigung finden, wie EMI5.1 sie auch in der Literatur beschrieben sind, wie zum Beispiel ASME, September 18 bis 23, 1977, Houston, Texas, Nondestructive lnspection of Oil Country Tubular Goods, Seite 1 bis 13 The Sumitomo Search Nr. 17, Mai 1977, Seite 73 bis 79; Materials Evaluation, Juli 1977, Seiten 52 bis 56. Solche Streuflussrotationsanlagen bestehen im wesentlichen aus einen zwei Polschuhe 12 und 14 aufweisenden Magneten, der konzentrisch ein zu überprüfendes Werkstück, im Ausführungsbeispiel ein Rohr 16 rotierend umgibt. Dabei wird aufgrund des zwischen den Polschuhen 12 und 14 sich ausbildenden Magnetfeldes in dem Prüfling 16 ein magnetischer Fluss erzeugt. Wird die Feldstärke des Magneten auf einen Wert erhöht, der zu einer magnetischen Sättigung im Material des Prüflings 16 führt, so treten bei Querschnittverringerungen, die aufgrund von Fehlern, wie zum Beispiel von Längsrissen oder Löchern verursacht werden, relativ starke Streufelder über diesen Störstel len auf. Diese Streufelder werden dann mittels Magnetfeldsonden 18 und 20 detektiert, die um 90 Grad versetzt zu den Polschuhen 12 und 14 sychron um den Prüfling 16 mit der Frequenz w rotieren. Dabei werden die Magnetfeldsonden 18 und 20 jeweils von einem Träger 22 bzw. 24 aufgenommen. Mit Hilfe solcher Streuflussmessungen lassen sich Aussenfehler bis zu 5% der Wanddicke und Innenfehler bis zu 10% der Wanddicke zweifelsfrei ermitteln. Mit Hilfe der zuvor beschriebenen Streuflussmessungen können jedoch nicht Querfehler und Messdaten von zum Beispiel Rohr- bzw. Stangen dimensionen wie zum Beispiel Wanddicken von Rohren ermittelt werden. Diese werden nach dem erfindungsgemässen Vorschlag jedoch in der selben Rotationsanlage mit Hilfe des an und für sich bekannten elektrodynamischen Anregungsverfahrens für Ultraschall ermittelt. Dazu ist es erforderlich, dass ein magnetisches Feld parallel oder vertikal zur Prüflingsoberfläche zusammen mit einem in der Prüflingsoberfläche erzeugten Wirbelstromimpuls auftritt, um verschiedene Kraftimpulse aufgrund der auftretenden Lorentzkräfte an der Prüflingsoberfläche zu erzeugen, die zu Ultraschallwellen führen. in Abhängigkeit von der magnetischen Feldrichtung können Transversal-, Longitudinal- oder Oberf l ächen we l l en als Ultraschall erzeugt werden. Zur Messung der Wanddicke werden dabei im al Igemeinen Transversalwel len herangezogen, wohingegen die Detektion von Querfehlern mittels Oberflächenwellen erfolgt. Der die Polschuhe 12 und 14 aufweisende rotierende Elektro- oder Permanentmagnet erzeugt nun ein magnetisches Feld, welches unterhalb der Polschuhe vertikal zur Prüflingsoberfläche und um 90 Grad versetzt, also im Bereich der Magnetfeldsonden 18 und 20 parallel zur Oberfläche verläuft. Dies bedeutet, dass man gleichzeitig zur Streuflussmessung auch eine elektrodynamische Anregung von Ultraschal Isignal- wellen mit Hilfe des rotierenden Magneten durchführen kann. Um die Messung der Wanddicke des Prüflings 16 vornehmen zu können, werden Wirbelstromerreger- und Empfangssonden in den dem Prüfling 16 zugewandten freien Enden der Polschuhe 12 und 14 eingebracht. In der Fig. 1 sind diese Sonden schematisch dargestellt und weisen die Bezugszeichen 26, 28 bzw. 30, 32 auf. Demzufolge werden die von der Sonde 26 bzw. 30 erzeugten Wirbelstromimpulse durch die im selben Polschuh 12 bzw. 14 angeordneten Wirbelstromempfangssonden 28. bzw. 32 erfasst, um über nicht dargestellte aber an und für sich bekannte elektronische Einrichtungen ausgewertet zu werden. In diesem Zusam menhang sei zum Beispiel auf Literaturstel len "Ultraschal Iprüfung von Halbzeug unter Verwendung elektrodynamischer Wand 1er", Hoesch Hüttenwerke AG, Dortmund, 25. Januar 1980, oder die DE-PS 26 21 684 und DE-OS 29 24 819 verwiesen. Durch die Anordnung der Wirbelstromerreger- und Empfangssonden 26, 28 bzw. 30, 32 in den Bereichen der Polschuhe 12 und 14 lassen sich Wanddicken auf + 5/100 mm genau bestimmen. Die optimale Anregung von Oberflächenwel len finden im Bereich der Magnetfeldsonden 18 und 20 statt, so dass demzufolge an gleicher Stelle auch Wirbelstromerreger- und Empfangssonden 34, 36 bzw 38, 40 angeordnet sind. Diese Sonden werden vorzugsweise von den Halterungen 22 bzw. 24 aufgenommen, die als Träger für die Magnetfeldsonden 18 und 20 dienen. Um eine optimale Messdatenermittlung zu ermöglichen, sollten die Wirbelstromerreger- und Empfangssonden 34, 36 bzw. 38, 40 als Flachspulen ausgebildet sein, wobei deren Wicklung eine Mäanderform aufweisen, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 dargestellt sind Durch die im Oberflächenbereich verlaufende Welle werden vorzugsweise immer dann Anteile zum Empfänger reflektiert, wenn diese quer zur Ausbreitungsrichtung und im Oberflächenbereich liegen. Dabei lassen sich verschiedene Sensoranordnungen realisieren. Nach Fig. 3 verlaufen die Hauptachsen der mäanderförmig ausgebildeten Spulen 34 und 36 parallel zu einander und sind neben der Magnetfeldsonde 18 angeordnet. Nach Fig. 3 sind gleichzeitig mehrere Magnetfeldsonden nebeneinander angeordnet, um einen grösseren Oberflächenbereich des Prüflings 16 gleichzeitig abtasten zu können. Sowohl die Magnetfeldsonde 18 als auch ¯ die mäanderförmigen Spulen 34 und 36 sind erkennbar von dem selben Träger 22 aufgenommen. Nach Fig. 4 ist in Draufsicht die Halterung 24 dargestellt, bei der mehrere Magnetfeldsonden 20 nebeneinander vorgesehen sind. Die Wirbelstromerreger bzw. Empfangssonde 38 bzw. 40 weist auch eine Mäanderform auf, wobei deren Achsen einen Winkel von vorzugsweise 90 Grad zueinander einschliessen. Durch die spezielle Anordnung der Wirbelstromerreger- bzw. Empfangssonden 34, 36 oder 38, 40 lassen sich oberflächennahe Fehler ermitteln, deren Erstreckung kleiner als 10% der jeweiligen Wanddicke sind. Bei der Ermittlung von Ouernuten hat sich sogar herausgestellt, dass Störstellen von ?% der Wanddicke noch klar ermittelt werden können. Um auch hinsichtlich der in den Pol schuhen 12 und 14 angeordneten Wirbelstromerreger- und Empfangssonden 26, 28 bzw. 30 und 32 bei einer Rotation einen grösseren Oberflächenbereich des Prüflings 16 erfassen zu können, können selbstverständlich -wie die Fig. 2 verdeutlicht- mehrere Sonden nebeneinander angeordnet sein.

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von ferromagnetischen Materialien vorzugsweise von zylindrischen Prüflingen wie Rohren oder Stangen, bei dem der Prüfling von einem rotierenden zwei Polschuhe aufweisenden Magneten umgeben wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld gleichzeitig zur elektrodynamischen Anregung von Ultraschall im Prüfling als auch zur Streuflussmessung benutzt wird. 2. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von ferromagnetischen Materialien vorzugsweise vorn zylindrischen Prüflingen wie Rohren oder Stangen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Prüfling (16) von einem rotierenden zwei Polschuhe (12, 14) aufweisenden Magneten umgeben ist, dass zu dem Magneten synchron rotierend zumindest eine Magnetfeldsonde (18; 20) an der Umfangsfläche des Prüflings (16) vorhanden ist und dass in den dem Prüfling zugewandten Bereichen der Polschuhe und/oder in dem dem Prüfling zugewandten Bereich der Magnetfeldsonde Wirbelstromerreger- und Empfangssonden (26, 28; 30, 32; 34, 36; 38, 40) angeordnet sind. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwei Magnetfeldsonden (18, 20) vorhanden sind, die jeweils um 90 Grad in Bezug auf einen der Polschuhe (12, 14) versetzt angeordnet sind. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Magnetfeldsonden (18, 20) von einer Halterung (22, 24) aufgenommen sind, auf denen gleichzeitig die Wirbelstromerreger und Empfangssonden (34, 36; 38, 40) aufgebracht sind. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Wirbelstromerreger- und Empfangssonden (34, 36; 38, 40) Flachspulen mit mäanderförmig verlaufenden Wicklungen sind. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Hauptachsen der mäanderförmig verlaufenden Wicklungen der Wirbelstromerreger- und Empfangssonden (34, 36; 38, 40) parallel oder nahezu parallel zueinander angeordnet sind. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z'e i c h n e t, dass die Hauptachsen der mäanderförmig verlaufenden Wicklungen der Wirbelstromerreger- und Empfangssonden (34, 36; 38, 40) einen rechten oder nahezu einen rechten Winkel zueinander be schreiben. 8. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die in den Polschuhenden angeordneten Wirbelstromerreger und Empfangssonden (26, 28, 30, 32) konzentrisch zueinander angeordnete Spulen sind. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in den Polschuhenden mehrere Wirbelstromerreger- und Empfangsspulen (26, 28; 30, 32) nebeneinander angeordnet sind.

Inventors: ABEND, KLAUS, DR., HUSCHELRATH, GERHARD, DR., RUTH-ORTHEN, URSULA, Hüschelrath, Gerhard, Dr.
Applicants: NUKEM GMBH
Application year: 1982
Main classification: G01N27
IPC codes: G01N27, G01N29