DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Phasengesteuerte Systeme von EMUS-Multisensoren für die Ultraschallprüfung über große Entfernungen

A. Boulavinov, M. Kröning, G. Nikiforenko, B. Rockstroh, W. Jager
Fraunhofer-IZFP, Saarbrücken
P. Rost, BASF Ludwigshafen

Kontakt: Andrei Boulavinov

Unser Know-How

Niederfrequenter EMUS-Multisensor

In Fraunhofer-IZFP wurden niederfrequente EMUS-Multiwandler entwickelt. Der EMUS-Multiwandler stellt ein periodisches System von Einzelwandlern dar. Das System (Abb. 1) wurde für die Erhöhung der Prüfempfindlichkeit und zur Verbesserung des Signal/Rausch-Abstandes optimiert. Es besteht aus einer HF-Spule und Permanentmagneten. Die Magnete sind jeweils eine halbe Wellenlänge des angeregten Ultraschalls voneinander entfernt. Weitere Bestandteile sind ferritische Rückschlüsse, der elektrische Schirm und die austenitische Schutzschicht. In den Abb. 2, 3 und 4 sind die Ergebnisse der numerischen Modellierung des Magnetensystems von periodischen EMUS-Sensorsystemen für die Anregung von SH-Plattenwellen dargestellt. Diese ermöglicht eine optimale Anordnung der Permanentmagneten und einen Empfindlichkeitsgewinn bis zu 50%.


Abb 1: EMUS-Multielementsensor
Abb 2: Verteilung von Magnetfeldlinien bei verschiedenen Magnetanordnungen über ferritischer Metallplatte von 8 mm Dicke. Luftspalt zwischen Magneten und Metallplatte 2 mm
Abb 3: Modellierung des Magnetfeldes B für das Magnetensystem mit 6 Permanentmagneten

Die Ergebnisse der Modellierung sind unter anderem:

  1. Die optimale Anordnung liegt dann vor, wenn der Abstand zwischen den benachbarten Magneten viel größer, als der Abstand zwischen den Magneten und dem Prüfgegenstand ist. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, schließen sich die Magnetfeldlinien nicht über den Prüfgegenstand. Ansonsten sind sowohl die Schwächung des Magnetfeldes im Prüfgegenstand als auch eine Verzerrung der Periodizität des Feldes in der Tiefe die Folgen (Abb. 3b links).
  2. Es gibt eine optimale Anzahl der Magnete (Abb. 4), bei welcher sich die Magnetfeldlinien optimal schließen (weniger Streuung). Bei einer solchen Anordnung werden die Amplituden der periodischen Maxima (Abb. 3) größer.
  3. Die Anzahl der Magnete soll möglichst groß sein. In diesem Falle erhält die normale Komponente des Magnetfeldes im Werkstoff ihre Periodizität. Das ist eine Voraussetzung für eine effektive Anregung des Ultraschallimpulses und Erhöhung der Prüfempfindlichkeit. Dies führt jedoch ebenfalls zur Verlängerung des Ultraschallimpulses und zur Vergrößerung der Sensorabmessungen. Je nach Prüfaufgabe muss ein Kompromiss gefunden werden.


Abb 4: Modellierung der Verteilung der Normalkomponente des Magnetfeldes Bn

Der Prozess der Phasenbelegung der US-Wellen von EMUS-Einzelwandlern kann im Bezug auf die Anzahl der Elemente und die Stromimpulslänge optimiert werden (Abb. 5 und 6).


Abb 5: US-Impuls vom 6-Element EMUS-Wandler bei unterschiedlicher Stromimpulslänge

Abb 6: Prinzip der US-Impulsbildunge

Die Richtcharakteristik eines EMUS-Multiwandlers, der aus 2 x N Permanentmagneten und einer Stromspule besteht und für die Anregung und den Empfang von Ultraschallwellen bestimmt ist, lässt sich berechnen. Zur Bestimmung der Richtcharakteristik kann der EMUS-Multisensor als ein EMUS-Wandlersystem dargestellt werden; dieses besteht aus:

  • zwei N-Element-Gruppen
  • N 2-Element-Gruppen

Die Richtcharakteristik einer N-Element-Gruppe ist in der Abb. 7. dargestellt. Die berechnete Richtcharakteristik zeigt, dass jede Gruppe in zwei Richtungen gleichzeitig schallt (Abb. 8). Die Überlagerung der Richtcharakteristiken von Einzelkaskaden (Superposition von Schallfeldern) bildet eine Richtcharakteristik des Multiwandlers (Abb. 9).


Abb 8: Einschallrichtungen des EMUS-Multielementwandlers

Abb 7:
EMUS-Multielementwandler als Phased ArrayStromimpulslange

Abb 9:
Einfluss der Parameter der Multielementwandlern auf die Richtcharakteristik

Phasengesteuerte Sensorsysteme - EMUS-Antenne

Die niederfrequenten EMUS-Multiwandler sind vor allem für Prüfungen mit geführten Wellen über grosse Entfernungen bestimmt. Das Prüfschema ist in der Abb. 10 dargestellt. Es wird im Prüfobjekt die Mode SS0 vom Sender erzeugt. Diese breitet sich in axialer Richtung aus und wird von Ungänzen reflektiert. Die reflektierten Ultraschallsignale werden von allen Empfängern registriert. Die EMUS-Multiwandler im Sensorsystem werden zueinander fest positioniert. Das Sensorsystem kann mittels eines speziellen mechanischen Sensorträgers in Umfangsrichtung verschoben werden. Die Reichweite der Prüfung beträgt mehrere zehn Meter. Es können auch Rohrleitungen mit Antikorrosionsbeschichtungen geprüft werden. Das durch IZFP-Elektronikmodule realisierte Prüfschema sowie die Ergebnisse der Prüfung beschichteter Rohre wurden in [13, 14] dargestellt. Von besonderem Interesse ist die Anwendung der Fokussierungsalgorithmen aus anderen Anwendungsgebieten (Radiolocation, Hydrolocation, Seismic Migration), die die Erhöhung der Prüfempfindlichkeit gestatten. Durch diese Algorithmen ist man z.B. in der Lage, die Fokussierung auf der ganzen Zeitachse zu gewährleisten [18]. Es stellt sich die Aufgabe, diese Algorithmen der Signalverarbeitung auf der Basis moderner Elektronik und Software in Echtzeit zu realisieren.


Abb 10:
Prüfungen über große Entfernungen in Längsrichtung

Abb 11: Synthetische Fokussierung durch Skalierung der Zeitachsen von Einzelempfängern

Prüfsysteme und Dienstleistungen

METIS - Mobile EMAT Tube Inspection System

Mobile Rohrprüfsysteme für Wiederholungsprüfungen mittels elektromagnetisch angeregten Ultraschalls

Nach Kundenspezifikation entwickelt das IZFP ein komplettes Prüfsystem. Das Gerätekonzept basiert auf Modularität und moderner Prüfelektronik, die bis zu 8 EMUS-Kanäle enthalten kann. Je nach Prüfaufgabe werden spezielle EMUS-Sensoren mit integrierter Analogelektronik (Filter, Vorverstärker) entwickelt und hergestellt. Das Prüfsystem kann später für aktuelle Prüfanwendungen erweitert werden. Die Digitalelektronik sowie die speziellen Generatoren sind für einen breiten Frequenzbereich (40 KHz bis 8 MHz) ausgelegt. Es kann das Betreiben der Sensorik bis zu einer Entfernung von 50 Meter (Prüfmanipulator am Rohr, Prüfsystem mit Signalanalyse ggf. außerhalb der Industrieanlage) realisiert werden. Das modulare Softwarekonzept berücksichtigt mögliche Anpassungen an neue Prüfaufgaben.


Abb 12: Blockschema EMUS-Elektronik

Abb 13:
EMUS-Elektronik

Abb 14:
EMUS-Sensoren

Anwendungen

  1. Fehlerprüfung an Gas- und Ölrohrleitungen aus ferritischen Stählen (Abb. 15): Prüfung in Längsrichtung über eine Entfernung bis 50 Meter. EMUS-Prüfung an eingemauerten und untererdig verlegten Rohrabschnitten.

    Abb 15: Prüfung von ferritischen Rohren mit geführten Wellen
    Abb 16: Prüfung von beschichteten Rohren. Einschallung in Umfangsrichtung

  2. Prüfung von beschichteten (bis 5 mm Dicke) und unbeschichteten Rohren in Umfangsrichtung für den Nachweis von Ablagerungskorrosion und Zeitstandsschädigungen (Abb. 16).
  3. EMUS-Prüfung von beschichteten ferritischen Rohren in Längsrichtung bis zu 5 Meter Entfernung. Eine Kunststoffschicht von ca. 3 mm ist fest mit der Rohroberfläche verbunden (Abb. 17). Das Sensorsystem steht unmittelbar auf der Beschichtung. Bei der Prüfung wird die normale Transversalwelle SS0 angewendet, die sich gleichzeitig in der Rohrwand und in der Kunststoffschicht ausbreitet. Da die Mode SS0 unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten im Stahl und im Kunststoff hat, können gleichzeitig sowohl Schädigungen in Stahlrohren, als auch die Integrität der Beschichtung geprüft werden.

    Abb 17: Prüfung von beschichteten Rohren in Längsrichtung
    Abb 18: Prüfung von austenitischen Reformerrohren

  4. EMUS-Prüfung von austenitischen Rohren zum Nachweis von Zeitstandsschädigungen (Abb. 18). Die Fehlerprüfung wird unter Anregung der US-Wellen in Längsrichtung für die Prüfung über große Entfernungen und in Umfangsrichtung durchgeführt. Die Prüfung in Längsrichtung hat auch Perspektiven in Kraftwerken und in Chemieanlagen, insbesondere in Bereichen schwer zugänglicher Prüfabschnitte.
  5. Konventionelle Wanddickenmessungen, u.a. auch durch Kunststoffbeschichtungen bis 5 mm Dicke

Zusammenfassung

Es wurde ein Prüfverfahren zur EMUS-Rohrpruefung mittels eines phasenbelegten Prüfkopfsystems präsentiert. Die hohe Prüfempfindlichkeit wird durch speziell ausgelegte EMUS-Sensoren mittels SH-Wellen erreicht. Sie bilden zusammen die Elemente einer phasenbelegten Antenne. Es wurde die Auslegung des EMUS-Multisensors und der Prozess der US-Impulsanregung beschrieben sowie die Empfehlungen zur optimalen Sensorauslegung gegeben.

Die Technik kann für eine Reihe von Prüfaufgaben ausgelegt werden.

Literatur

  1. I. A. Viktorov, Rayleigh and Lamb waves: Physical theory and applications, Plenum Press, New York, 1967
  2. Rose, J.L., Jiao, D., Spanner, J., Jr., "Ultrasonic Guided Wave NDE for Piping, Materials Evaluation, Vol. 54, No. 11, pg. 1310-1313, November, 1996
  3. Peter Cawley, Practical Long Range Guided Wave Inspection - Applications to Pipes and Rail, NDE 2002 National Seminar of ISNT, Chennai, 2002
  4. D.N. Alleyne, B. Pavlakovic, Lowe, P. Cawley, Rapid Long Range Inspection of Chemical Plant Pipework Using Guided Waves, AIP Conference Proceedings Vol 657(1) pp. 22-40. March 27, 2003


  5. Rose, JL, Pelts, SP, Li, J., Quantitative Guided Wave NDE, 15th World Conference on Non-Destructive Testing, Rome, Italy, October 15-21, 2000
  6. H. Salzburger, W. Mohr, Electromagnetic-Acoustic Generation of Ultrasound, 2nd Seminar on Characterization of Ultrasonic Equipment. IZFP, Saarbrücken, Germany, 9th 12th October, 1979.
  7. Shin H.J., Rose J.L., Guided Wave Tuning Principles for Defect Detection in Tubing, Journal of Nondestructive Evaluation, Vol. 17, No. 1, Pg. 27-36., 1998
  8. Quarry, M., Rose, J. L., "Multimode Guided Wave Inspection of Piping Using Comb Transducers", Materials Evaluation, Vol. 57, No. 10, pp. 1089-90, Oct. 1999.
  9. K. Matthies, Dickenmessung mit Ultraschall, DGZfP-Fachausschuß für Ultraschallprüfung, Berlin 1996
  10. Gori, M., Giamboni, S., D'Alessio, E., Ghia, S., Cernuschi, F., and Piana, G.M., " Guided waves by EMAT transducers for rapid defect location on 2. heat exchangers and boiler tubes" Ultrasonics, Vol. 34, pp. 311-314, 1996
  11. G.Nikiforenko, A.Boulavinov, B.Rockstroh, G.Hübschen, Verfahren zur Signalverarbeitung für ein EMUS-"Phased Array" zur Prüfung von Rohren,
  12. XVI Russian Scientific and Technical Conference "Zerstörungsfreie Prüfung und Diagnostik", St.-Peterburg, 9. 12. September 2002
  13. Andrei Boulavinov, Michael Kroening, George Nikiforenko, Jakov Smorodinsky, Phase Controlled EMAT Antenna for the Inspection of Coated Pipes, NDE 2002 National Seminar of ISNT, Chennai, 2002


  14. S. C. Wooh and Y. Shi, Optimum Beam Steering of Linear Phased Arrays, Wave Motion, 29, 245 265, 1999
  15. John A. Scales, Theory of seismic Imaging, Simizdat Press, 1994

  16. Deutsches Patent Nr. 102 41 831 "Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von Materialdiskontinuitäten in einem Prüfkörper", Anmeldedatum 09.09.2002

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