1. Prinzip der Faltfehlererkennung an nahtlosen Stahlrohren
Wenn das Stahlrohr auf der Messlinie den Wanddickenmessbereich mit hoher Geschwindigkeit entlang seiner Achse durchläuft, erzeugt der um das Rohr rotierende Wasserkoppler eine Sprühwassersäule mit konstantem Druck. Diese besprüht das Stahlrohr, und das vom mitrotierenden Ultraschallkopf senkrecht zur Rohrachse ausgesendete Ultraschallsignal wird über die Sprühwassersäule auf das Rohr übertragen. Die beim Durchgang des Ultraschallsignals durch die Innen- und Außenfläche des Rohrs entstehenden Grenzflächen- und Bodenwellen werden über die Wassersäule auf den Ultraschallkopf übertragen. Der Schallkopf wandelt diese Grenzflächen- und Bodenwellen in ein elektrisches Ausgangssignal um. Nach Verarbeitung, Analyse und Berechnung wird eine digitale Kurve erstellt, die die Wandstärke des Stahlrohrs widerspiegelt. Trifft das Ultraschallsignal auf Falten oder andere Defekte in der Stahlrohrwand, bildet sich zwischen Grenzflächen- und Bodenwelle ein Defektsignal, dessen Impulsbreite sich signifikant ändert. Größe und Ausdehnung des Faltenfehlers werden in der Kurve dargestellt.
2. Ultraschall-Dickenmesstechnik mit mehreren Sonden und hochenergetischer Sprühwasser-Kopplung
Die oben beschriebene Detektionstechnologie und -vorrichtung eignen sich lediglich für die Hochgeschwindigkeitsprüfung von Rohren mit glatten Oberflächen. Der Oberflächenzustand der zu prüfenden Stahlrohre ist jedoch meist schlecht. Viele Stahlrohre sind wiederverwendet, verrostet und weisen Lochfraß auf. Manche sind zudem durch Öl etc. verschmutzt, was zu einer Dämpfung des Ultraschallsignals an der Rohroberfläche führt. Die Grenzflächen- und Bodenwellen sind sehr schwach, sodass sich kein stabiler Dickenpuls ausbilden lässt. Manche Stahlrohre sind sogar mit Kupplungen versehen. Durch die Unebenheiten auf der Prüfstrecke wird die Prüfwirkung zusätzlich beeinträchtigt.
Das „Mehrsonden-Hochenergie-Sprühwasser-gekoppelte Ultraschall-Dickenmessgerät“ verwendet im Wesentlichen die folgenden Technologien zur Lösung dieser Probleme:
(1) Verwendung eines „Bariumtitanat-Wafers“ mit einer Druckfestigkeit von 1500 Vp2p und einer 10 MHz punktfokussierten Ultraschallsonde zur Verbesserung der Energie der Ultraschallsignale;
(2) Verwendung einer Hochenergie-Anregungsschaltung mit Stoßfunktionscharakteristik zur Anregung der Sonde zur Erzeugung von Hochenergie-Ultraschall;
(3) Mehrkanalige Ultraschall-Dickenmesstechnik und lineare Impulsverbreiterungsschaltung zur Verbesserung der Detektionsgeschwindigkeit und -genauigkeit;
(4) „Zeitmultiplexverfahren mit Hochgeschwindigkeitsabtastung“ zur zuverlässigen Übertragung von Mehrkanal-Dickensignalen;
(5) Die Computersoftware eliminiert den Einfluss der Instabilität des Ultraschallsignals auf die Detektionsergebnisse, stellt die Detektionsergebnisse in Zahlen und Kurven dar und markiert die Fehlerstelle;
(6) Kopplungsvorrichtung für Wasser bei konstantem Druck und konstanter Temperatur zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Kopplung der Sprühwassersäule an Ultraschallsignale;
(7) Präziser Positionierungs- und Antriebsmechanismus, um sicherzustellen, dass das Stahlrohr im Erfassungsbereich die Sonde exakt entlang seiner Achse passiert. Überwindung des durch die Stahlrohrkupplung verursachten Problems der unruhigen Bewegung, sodass jede Sonde einen vertikalen und konstanten Kupplungsabstand zur Außenwand des Stahlrohrs beibehält.
3. Experimentelle Ergebnisse
Die Empfindlichkeit der „Bariumtitanat“-Wafersonde kann um 10 dB erhöht werden; der Wafer ist mit einer konkaven akustischen Fokussierlinse ausgestattet, um eine Punktfokussierungssonde mit einer Brennweite von 15 mm und einem Kopplungswassersäulenabstand von 12 mm zu bilden, sodass der Fokus jeder Sonde auf den Mittelpunkt der Stahlrohrwand fällt, wodurch der Streueffekt der Oberflächenkorrosion des Ölförderrohrs wirksam reduziert und eine Beschädigung der Sonde durch die Stahlrohrkupplung (Dicke 6–8 mm) verhindert wird; die „Lawinentriode“ besteht aus einer 6 ns Hochenergie-Anregungsschaltung mit Stoßfunktionscharakteristik und einer Amplitude von Vp2p = 1000, die die Ultraschallsonde zur Erzeugung eines Hochenergie-Ultraschallsignals anregt, sodass das Signal-Rausch-Verhältnis der Oberflächenwelle und der Bodenwelle mehr als 20 dB erreicht; Bei einer Drehzahl der Sonde von 240 U/min ist der Wanddickenimpuls an der Stahlrohroberfläche stabil, und die Unebenheiten des Umfangs können präzise auf 0,05 mm genau erfasst werden. Durchläuft das Stahlrohr den Messbereich mit einer Geschwindigkeit von 15 mm/s, führt jede Sonde eine spiralförmige Abtastung mit einer Steigung von 15,625 mm durch. Vier Sonden erfassen 2400 Messpunkte pro Sekunde. Der Abstand zwischen den Messpunkten beträgt 0,16 mm, und die Genauigkeit der Wanddickenmessung liegt bei mindestens ± 0,1 mm.
4. Das Ultraschall-Dickenmessgerät mit rotierender Sonde besteht aus einem Wasserkoppler und vier Ultraschallsonden, die im 90°-Winkel zueinander und exakt senkrecht zur Stahlrohrachse angeordnet sind. Ein automatischer, hoch hängender Wassertank mit 6 m Füllstand und konstanter Temperatur von 40 °C gewährleistet einen gleichmäßigen Druck und eine zuverlässige Kopplung der vier Sonden-Sprühwassersäulen an jeder Position und eliminiert so den Einfluss von Luftblasen. Die senkrecht zur Achse des Ölförderrohrs verlaufende Wassersäule koppelt das Ultraschallsignal zuverlässig zwischen Sonde und Rohrkörper.
Die Schaltung zur linearen Dickenpulsstreckung, bestehend aus Konstantstromquellen, dehnt jeden 2Λs langen Dickenpuls um das 20-Fache auf 40Λs. Dadurch wird die Genauigkeit der Dickenmessung verbessert und der Abtastfehler reduziert. Die Schaltung für „Zeitmultiplex-Hochgeschwindigkeitsabtastung“ tastet vier Pulsbreiten mit einer Abtastfrequenz von 2,5 MHz ab und führt sie zu einem Kanal zusammen. Dieser wird über den Schleifring übertragen und anschließend vom Multiplexer synchron in mehrere Signale aufgeteilt. Die Signalverzerrung beträgt ≤1 %.
Störungen durch Fehlbilder beeinträchtigen die Messergebnisse. Die Bodenwelle des Stahlrohrs ist schwach, wodurch leicht instabile, extrem dicke Fehlbildimpulse entstehen können; auch Oberflächenwellen können extrem dünne Fehlbildimpulse erzeugen; und Faltfehler führen in der Regel zu Dutzenden von kontinuierlichen Falttiefenimpulsen. Computeranalysesoftware kann Wandstärke, Faltungen und Fehlbildstörungen unterscheiden und stabile Daten und Kurven darstellen.
4. Testergebnisse
Auf der Prüflinie für Stahlrohrfehler wurden die Stahlrohre zunächst mittels magnetischer Leckageprüfung und anschließend mit einem Hochgeschwindigkeits-Sprühwasser-Rotationssonden-Vierkanal-Wanddickenmessgerät geprüft. Dabei wurden Stahlrohre mit Faltfehlern aussortiert. Im anschließenden Wasserdrucktest platzten die Stahlrohre mit Faltfehlern nicht mehr.
Veröffentlichungsdatum: 11. November 2024