DE3930939C2

DE3930939C2 -

Info

Publication number: DE3930939C2
Application number: DE3930939A
Authority: DE
Inventors: Yuichi Mito Jp Ishikawa; Toshihiko Ibaraki Jp Yoshimura; Tasuku Shimizu; Masahiro Otaka; Kazuo Hitachi Jp Takaku
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-09-16
Filing date: 1989-09-15
Publication date: 1993-04-22
Also published as: JP2738732B2; DE3930939A1; JPH02167463A; US4987367A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vorhersage des Grades der Güteminderung eines ein Maschinenteil, ein Geräteteil, ein Anlagenteil oder ähnliches bildenden Bauteils gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6. Das Verfahren und die Vorrichtung können vor teilhaft zur Vorhersage und/oder zur Ermittlung der Ver sprödung, der Beschädigung oder der Beeinträchtigung der Güte eines aus rostfreien Stahl enthaltendem Ferrit her gestellten Bauteils verwendet werden und sind so ausge legt sind, daß sie in Hochtemperaturumgebungen, wie sie in Kernkraftwerken, Chemiewerken oder ähnlichem ange troffen werden, angewendet bzw. betrieben werden können.

Aus JP-54-61 981-A ist bisher im Stand der Technik ein Verfahren zum Messen der Versprödung eines Bauteils oder eines mechanischen Bestandteils bekannt. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird die Versprödung von Austenit- Schweißmetallen aus rostfreiem Stahl gemessen, wobei dann, wenn der δ-Ferritgehalt um mindestens 5% unter den an fänglichen δ-Ferritgehalt abgesunken ist, entschieden wird, daß Versprödung vorliegt.

Andererseits ist aus JP-57-1 75 947-A ein Untersuchungsver fahren zur Vorhersage der restlichen Einsatzdauer bis zur unwiderruflichen Zerstörung eines in einer Hochtempera turumgebung befindlichen Bauteils oder eines mechanischen Bestandteils bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Probe körper, der aus demselben Material hergestellt ist wie das betreffende Bauteil einer tatsächlich in einer Hoch temperaturumgebung verwendeten oder betriebenen Maschine, eines Gerätes oder einer Anlage (die im folgenden zusammen fassend auch mit Maschine bezeichnet werden) in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter, in dem eine nichtoxidierende Atmosphäre aufrechterhalten wird, angeordnet. Um die restliche Einsatzdauer des be trachteten Bauteils vorherzusagen, wird der elektrische Widerstand des Probekörpers in einem Zustand gemessen, in dem im Behälterinneren eine Temperatur herrscht, die im wesentlichen gleich der Temperatur des Bauteils der zu untersuchenden wirklichen Maschine ist. Daher muß für dieses Verfahren neben dem Bauteil der wirklichen Maschine ein Probekörper aus dem gleichen Material wie das Bauteil vorgesehen werden.

Ferner ist etwa aus JP-54-1 21 192-A ein Verfahren bekannt, in dem die Messung der Verschlechterung oder der Abnahme der physikalischen Eigenschaften eines niedriglegierten Metallgußerzeugnisses wie etwa eines Turbinengehäuses dadurch ermöglicht wird, daß über die Zeit hinweg ein Probekörper aus demselben Material wie das Turbinengehäuse in diesem angeordnet wird. Nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitperiode, während der der Probekörper einer Hochtemperaturumgebung ausgesetzt war, wird der Probekörper aus dem Turbinengehäuse entnommen und einer Prüfung zur Bestimmung der Verschlechterung des den Probe körper bildenden Materials unterzogen.

Außerdem ist aus JP-48-28 293-A ein Verfahren bekannt, in dem durch Messung der magnetischen Koerzitivkraft die Materialermüdung gemessen wird. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird an einem betrachteten Bauteil eine Probe folie angeheftet, die aus einem eine Koerzitivkraft auf weisenden Material hergestellt ist, wobei diese Koerzitiv kraft auf eine vom Ermüdungsgrad des Materials abhängige Veränderung mit hoher Empfindlichkeit anspricht. Die Ver änderung der Koerzitivkraft des Probekörpers wird mittels eines Elektromagneten gemessen, der so gestaltet und ange ordnet ist, daß er nur an der Oberfläche des untersuchten Bereichs des Bauteils Magnetfeldlinien erzeugt.

Im zuletzt erwähnten Verfahren des Standes der Technik werden den zwischen dem Bauteil der wirklichen Maschine und dem Probekörper bestehenden Unterschieden, z.B. unterschiedlicher Beanspruchungsverteilung, unterschied licher Temperaturverteilung, unterschiedlicher innerer Struktur und der Anwesenheit oder Abwesenheit radioaktiver Strahlung keine Beachtung geschenkt, wodurch hinsichtlich der Genauigkeit und der Verläßlichkeit der auf der Grund lage der durch die Messung des getrennt vorgesehenen Probe körpers gewonnenen Daten ausgeführten Abschätzung der durch den Alterungsprozeß bewirkten Güteminderung des wirklichen mechanischen Bauteils ein Problem entsteht.

Ferner können die bisher bekannten Verfahren den Ver sprödungszustand ohne eine gesamte Untersuchung des be treffenden Bauteils nicht fehlerfrei und präzise ermitteln, überdies haben sie sich für die Untersuchung des Bauteils als Ganzem als unpraktisch erwiesen, wenn das Bauteil schwer zugänglich ist oder wenn die zu untersuchende Fläche übermäßig groß ist, wie es bei Maschinen, die in Kernkraft werken oder Chemiewerken eingebaut sind, der Fall ist.

Aus der Druckschrift "Journal of Applied Physics", Vol. 61, No. 4, 15. Februar 1987, ist es bekannt, daß sich verschiedene mechanische Eigenschaften von Metallen auf die Hysteresekurve eines Metalles auswirken. Insbesondere werden Auswirkungen der Parameterkorngröße, Härte und Spannung untersucht.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem mit erhöhter Genauigkeit und verbesserter Zuverlässigkeit die Güteminderung oder die Versprödung eines Bauteils vorhergesagt werden kann, das einen Teil einer wirklichen Anlage bildet, aus rostfreien Stahl enthaltendem Ferrit hergestellt ist und in Hochtemperaturumgebungen, wie sie etwa in Chemiewerken oder Kernkraftwerken angetroffen werden, verwendet wird. Die Vorrichtung soll außerdem in kurzer Zeit mit hoher Genauigkeit auf nichtzerstörende Weise sogar den anfänglichen Zustand oder die anfänglichen Symptome einer Güteminderung von Maschinen oder Vorrichtungen, die in Hochtemperaturumgebungen betrieben werden, vorhersagen können. Güteminderung und Versprödung sind Alterungserscheinungen aufgrund des Einwirkens hoher Temperatauren.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet.

Eine gemäß einem Unteranspruch gelöste Teilaufgabe ist es, eine Vorrichtung zur Vorhersage einer Güteminderung zu schaffen, die die Fähigkeit besitzt, einen Teil des Materials, das das betreffende Bauteil in einer wirklichen Maschine, Vorrichtung oder Anlage der Betriebsanlage bildet, zu entnehmen, ohne die Betriebsanlage zu beeinflussen.

Die Aufgabe wird von einer Anord nung gelöst, die durch Ermittlung der durch einen Alterungs prozeß hervorgerufenen Änderungen von magnetischen Eigen schaften eines Materials (d.h. der im Laufe der Zeit stattfindenden Verschlechterung) die Güteminderung einer Maschinenanlage bewertet. Hierbei wird das Konzept der Wiederholperiode, die auf die statistische Verteilung von Extremwerten der gemessenen Änderungen der magneti schen Kennlinie, die wiederum für eine gegebene Anzahl von Bereichen der zu untersuchenden Maschine bestimmt werden, gestützt ist, verwendet, um den Maximalwert oder den Minimalwert der Änderung in der magnetischen Kenn linie für die gesamte Maschine abzuschätzen. Daraufhin wird der maximale Güteminderungswert in der Maschine auf der Grundlage des geschätzten Wertes vorhergesagt, indem auf vorher bereitgestellte Daten Bezug genommen wird, die die Beziehung zwischen der Verschlechterung des Materials und der Änderung von dessen magnetischer Kennlinie angeben.

Genauer wird mittels eines magnetischen Sensors oder ähn lichem auf eine Mehrzahl von Bereichen der zu untersuchenden Maschine zugegriffen, um dort ein Magnetfeld anzulegen, woraufhin der Magnetisierungsprozeß ermittelt wird, um die zwischen der Intensität des angelegten Magnetfeldes und der induzierten Magnetisierung bestehende Beziehung für jeden der Bereiche zu messen. Auf diese Weise wird für den Bereich, auf den zugegriffen wird, durch Abtasten einer vorbestimmten Fläche mittels eines Sensors oder durch Verwendung einer Sensorreihenanordnung ein Parameter der magnetischen Kennlinie, wie etwa die Koerzitivkraft, ermittelt, um dadurch für jeden der Bereiche, auf die zugegriffen wurde, den Extremwert (im Falle der Koerzitiv kraft: den Maximalwert) zu bestimmen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann die so ermittelte statistische Verteilung der Extremwerte mit einer Doppelexponentialver teilung angenähert werden. Demgemäß kann der Maximalwert oder der Minimalwert für eine gesamte Maschine durch Ver wendung des Konzepts der Wiederholperiode T der statisti schen Analyse der Extremwerte vorhergesagt werden, ohne daß eine Vermessung der gesamten Maschine vorgenommen werden muß. Auf der Grundlage des vorhergesagten Extrem wertes für die gesamte Maschine kann der maximale Ver schlechterungsgrad der zu untersuchenden Maschine bestimmt werden, indem auf die vorher bereitgestellten Daten, die die Beziehung zwischen dem Verschlechterungsgrad des Ma terials und der Änderung von dessen magnetischer Kennlinie angeben, zurückgegriffen wird.

Zwischen der Änderung der insbesondere durch die Koerzitiv kraft gekennzeichneten magnetischen Kennlinie und der Ausgabe des Barkhausen-Rauschens der ferromagnetischen Phase, das in Erscheinung tritt und dadurch den Grad der Güteminderung anzeigt, wenn die Phasentrennung einerseits im zeitlichen Verlauf, andererseits durch das Absinken der Schlagfestigkeit voranschreitet, kann eine gute Übereinstimmung beobachtet werden. Daher können für die Ausführung der vorliegenden Erfindung auch diese physikalischen Eigenschaften ausgenutzt werden.

Zur Steigerung der Effizienz des an den zu untersuchenden Gegenstand angelegten Magnetfeldes wird für die Erreger spule die Verwendung einer Spule aus einem supraleitenden Material in Betracht gezogen. Für die Messung des Barkhausen- Rauschens mit hoher Genauigkeit wird vorzugsweise ein Quanteninterferenzbauelement oder ein SQUID-Sensor und ein Schallmeßgerät verwendet.

Alternativ dazu ist für die Ausführung der Erfindung die Bestimmung feiner Änderungen in der Zusammensetzung des den betrachteten Bereich bildenden Materials mittels eines Verfahrens mit einer Atommeßsonde ebenso wirksam und vorteilhaft.

Eine Atommeßsonde besteht aus einem Feldionenmikroskop und einem empfindlichen Massenspektrometer.

In einem metallischen Material, das eine ferromagnetische Phase enthält, tritt in der letzteren eine Phasentrennung auf, wenn das metallische Material für lange Zeit in einer Hochtemperaturumgebung verwendet wird. Aus dieser Phasen trennung ergibt sich eine beträchtliche Schwankung der Legierungskonzentration in sehr kleinen Bereichen, wie in Fig. 2(a), (b) und (c) gezeigt ist; dadurch entsteht schließlich eine Phasentrennung. Ferner konzentrieren sich an den Korngrenzen Unreinheiten wie etwa Schwefel, Phosphor und ähnliches. Im Laufe der Entwicklung dieser Phänomene ändern sich die mechanischen Eigenschaften, z. B. steigt die Härte an, während die Schlagfestigkeit absinkt.

Die Erfinder haben nach umfangreichen Studien hinsichtlich der Versprödung von rostfreien Stahl enthaltendem Ferrit material bei Erwärmung auf eine hohe Temperatur entdeckt, daß die Änderungen der oben erwähnten mechanischen Eigen schaften der Abtrennung der α′-Phase (Alpha-Strich- Phase) von hoher Cr-Konzentration, der aufgrund der Trennung der Ferrit-Phase (α) entsteht, zugeschrieben werden können. Ferner ist beobachtet worden, daß die magnetischen Eigen schaften des rostfreien Stahls durch die Trennung der ferromagnetischen (α)-Phase und der nichtferromagnetischen (α′)-Phase beträchtlich geändert werden.

Der Verlauf der Phasentrennung ist in bezug auf Raum und Zeit höchst zufällig. Mit anderen Worten, dem Auftreten der Phasentrennung eignet ein Verhalten nach den Gesetzen der Wahrscheinlichkeit. Daher kann bei Betrachtung der durch die Phasentrennung bewirkten Änderung der magneti schen Eigenschaft das Wahrscheinlichkeitsverhalten und folglich die Streuung nicht unberücksichtigt bleiben. Durch die statistische Behandlung der Streuung ist eine quantitative Vorhersage des Güteminderungsgrades der Ma schine möglich. In den meisten Fällen wird die Lebensdauer einer Maschine eher durch eine hochgradige, räumlich eng begrenzte Versprödung als durch die mittlere Versprödung der gesamten Maschine bestimmt. Aufgrund dieser Tatsache kann die den Extremwert (Maximal- oder Minimalwert) be nutzende statistische Behandlung, d.h. die statistische Analyse von Extremwerten, wirksam und vorteilhaft ange wendet werden.

Die oben erwähnten Aufgaben werden erfindungsgemäß ferner dadurch gelöst, daß Oberflächenmaterial eines ein Teil einer wirklichen Maschine, Vorrichtung oder Anlage in einem Kernkraftwerk bildenden mechanischen Bauteils durch Verwendung eines Zahnbohrers entnommen wird, wobei das durch die Bohrbehandlung entstandene pulverisierte Material (Pulver oder Bohrspäne) durch eine Aufschwemmkonzentrations einheit mittels einer Unterwasserpumpe zurückgewonnen wird und wobei der angebohrte Bereich mit einer Schleif maschine poliert wird.

Um zu verhindern, daß die pulverisierten Bohrspäne auf den Boden des Kernreaktors fallen, soll ein Teil des Probe körperentnahmebehälters, der mit dem betrachteten Bauteil einer wirklichen Maschine während des Betriebs in Kontakt gebracht wird, aus Gummi ausgebildet sein. Ferner sollte der Probekörperentnahmebehälter einen Einblaskanal für Hochdruck-Stickstoffgas und eine mit einem Schieberventil ausgerüstete Vakuumpumpe aufweisen.

Um eine genaue Trennung der pulverisierten Bohrspäne von anderen auf der Wasseroberfläche im Reaktor schwimmenden Materialien zu ermöglichen und dadurch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Analyse der gewonnenen Probekörper zu erhöhen, kann der Probekörperentnahmebehälter ein Füh rungsrohr und ein Filter aufweisen, um die auf der Wasser oberfläche im Reaktor schwimmenden Materialien auszusondern.

Um Überzüge, die sich auf der Wandoberfläche des zweiphasigen rostfreien Stahlmaterials bilden, zu entfernen, kann ein Wasserstrahl und Ultraschall verwendet werden.

Die innere Struktur oder Feinstruktur des gewonnenen Pulvers kann durch Verwendung einer Atommeßsonde und eines Durch strahlungselektronenmikroskops beobachtet werden. Außerdem können die magnetischen Eigenschaften der gewonnenen Bohr späne durch Verwendung des SQUID-Sensors untersucht werden.

Wenn die gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung zu untersuchende Betriebsanlage ein Kernkraftwerk ist, wird der Probekörperentnahmebehälter in der Nähe der Reaktor gefäßwand angeordnet, woraufhin die an der Reaktorwand aus zweiphasigem rostfreiem Stahl gebildeten Überzüge und Oxidfilme mit dem Wasserstrahl beseitigt werden. Da raufhin werden das Reaktorwasser (Kühlflüssigkeit) und sowohl das beseitigte Überzugsmaterial als auch die Oxid filme vom Behälter weggespült, indem unter hohem Druck Stickstoffgas eingeblasen wird. Dies hat den Zweck, die Neubildung von Überzügen und Oxidfilmen zu verhindern. Dann wird ein Behälter für die Vakuumpumpe, die durch ein Schieberventil abgetrennt ist, mit Hochdruck-Stickstoff gas gefüllt, woraufhin die äußere Wandoberfläche des zwei phasigen rostfreien Stahls mit dem Zahnbohrer bearbeitet wird. Anschließend wird das Schieberventil geöffnet, um den gesamten Behälter zu evakuieren, wobei die Bohrspäne vom Stickstoffgas zur Vakuumpumpe getragen werden, wo sie schließlich gewonnen werden. Danach wird das Schieber ventil wieder geschlossen, während der angebohrte Bereich mit der Schleifscheibe poliert wird, um den Spalt in der Wandoberfläche zu beseitigen. Da im Behälter Vakuum herrscht, besteht keine Gefahr, daß die Bohrspäne auf den Boden des Kernreaktors fallen. Von den gewonnenen Bohrspänen werden nur diejenigen von einem Elektromagnet ausgewählt und der Größe nach von einem Mehrstufenfilter sortiert, die eine Ferromagnetismus zeigende Ferritphase enthalten und bei der Güteminderung eine Rolle spielen. Die so ge wonnenen Probekörper können durch ein Durchstrahlungs elektronenmikroskop beobachtet werden. Bei der Probekörper analyse anhand des Atommeßsondenverfahrens ist es möglich, die Zusammensetzungen und Größen sehr geringer Abtrennungen der α′-Phase, der G-Phase und anderer in der Ferritphase zu bestimmen.

Außerdem ist es möglich, geringe Änderungen in den physi kalischen Eigenschaften mittels des SQUID-Sensors zu er mitteln, um dadurch die Änderung der magnetischen Eigen schaften zu bestimmen.

Zwischen der Änderung der durch die Koerzitivkraft gekenn zeichneten magnetischen Kennlinie und der Änderung der Ausgabe des Barkhausen-Rauschens der ferromagnetischen Phase des metallischen Materials, das einerseits durch Alterung und andererseits durch das Absinken der die Güte minderung anzeigenden Schlagfestigkeit bewirkt wird, ist eine gute Übereinstimmung beobachtet worden.

In dem die ferromagnetischen Elemente enthaltenden metalli schen Material tritt im zeitlichen Verlauf während der Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung eine Phasen trennung auf, aus der sich eine beträchtliche Schwankung der Legierungskonzentration in einem sehr kleinen Bereich ergibt, was schließlich zum Auftreten von Phasenabtrennungen führt. Außerdem konzentrieren sich an den Korngrenzen Schwefel, Phosphor und andere Verunreinigungen. Daher werden sich die mechanischen Eigenschaften ändern, etwa wird die Härte ansteigen und die Schlagfestigkeit absinken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine bildliche Ansicht, die anhand eines Beispiels den allgemeinen Aufbau eines Systems erläutert, mit dem das Verfahren zur Vorhersage der Güteminderung metalli scher Materialien gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ausgeführt wird;

Fig. 2 eine Kennliniendarstellung, die graphisch durch Schwankungen der Legierungskonzen tration die extrem feine Phasentrennung der Ferritphase erläutert;

Fig. 3 eine Ansicht, die das der Analyse der sta tistischen Verteilung der Extremwerte zu grundeliegende Konzept erläutert;

Fig. 4 ein Blockschaltbild, das beispielhaft die Struktur des im in Fig. 1 gezeigten System verwendeten Computers erläutert;

Fig. 5 eine schematische Ansicht, die die Beziehungen zwischen den Extremwerten in den Schweißnähten einer Rohrleitung und dem Maximalwert in allen Schweißnähten der Rohrleitung erläutert;

Fig. 6 ein Kennliniendiagramm, das graphisch ein auf die statistische Analyse von Extremwerten zurückgreifendes Verfahren zur Vorhersage des Maximalwerts der gemäß einer Doppel exponentialfunktion verteilten Extremwerte der Schweißnähte erläutert;

Fig. 7 ein Kennliniendiagramm einer die Beziehung zwischen der Koerzitivkraft und der Ver sprödung (ein Maß für die Güteminderung) darstellenden kalibrierten Kurve;

Fig. 8 einen schematischen Querschnitt einer Vor richtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, der in der Nähe des zu unter suchenden Gegenstandes genommen wurde;

Fig. 9 eine schematische Ansicht, die den inneren Aufbau eines Kernreaktordruckgefäßes zusammen mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert;

Fig. 10 einen dreidimensionalen Graph, der beispiel haft die Anzeige der gemessenen Koerzitiv kraftwerte wiedergibt, die durch die Abtastung eines vorbestimmten Bereiches mittels eines magnetischen Sensors gewonnen wurden;

Fig. 11 die anhand des Abtastverfahrens gemessenen einzelnen Werte in einer Histogrammdar stellung;

Fig. 12 ein Flußdiagramm, das den computergestützten Betriebsablauf zur Vorhersage des Maximal wertes der Güteminderung bei Anwendung der statistischen Analyse von Extremwerten erläutert;

Fig. 13 eine Darstellung, die die Grundstruktur des erfindungsgemäßen Systems erläutert;

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer eine Vakuumpumpe verwendenden Probekörperentnahme vorrichtung;

Fig. 15 ein Flußdiagramm, das den Betriebsablauf der Probekörperentnahme anhand der in Fig. 14 gezeigten Vorrichtung erläutert;

Fig. 16 einen entnommenen Probekörperspan in einem aufgespannten Zustand und bereit für die Atommeßsonden-Analyse;

Fig. 17 eine Erläuterung des Prinzips der Atommeß sondenanalyse;

Fig. 18 eine Kennlinie der Cr-Konzentration in der Ferritphase von ungealtertem doppelphasigem rostfreiem Stahl;

Fig. 19 die Kennlinie der Cr-Konzentration in der Ferritphase von rostfreiem Stahl, das bei einer Temperatur von 475°C für 1000 Stunden einem Alterungsprozeß unter zogen wurde;

Fig. 20 eine Kennlinie der Beziehung zwischen der Schwankung der Cr-Konzentration und der Güteminderung;

Fig. 21 eine Ansicht, die beispielhaft die Struktur der einen SQUID-Sensor enthaltenden Meßvor richtung einer physikalischen Eigenschaft erläutert;

Fig. 22 eine Kennlinie, die ein Beispiel der Ausgabe des SQUID-Sensors darstellt; und

Fig. 23 eine Kennlinie, die die durch die Güteminderung des Materials bewirkte Änderung der B-H-Kurve erläutert.

Fig. 1 ist eine bildliche Ansicht, in der beispielhaft der allgemeine Aufbau eines Systems gezeigt ist, das der Ausführung des Verfahrens gemäß einer beispielhaften Aus führungsform der Erfindung zur Vorhersage der Güteminderung eines metallischen Materials dient. Die in einem Kernkraft werk eingebaute Rohrleitung 1 stellt den Gegenstand der Messung dar. Das System weist Hall-Effekt-Elemente 2A und 2B, Spulen 3A und 3B, Meßwertaufnehmer 4A und 4B zur Messung der Schallemission, Erregerspulen 5A und 5B, eine Wechselstromquelle 6, ein Hall-Effekt-Magnetfeldmeßgerät 7, ein Magnetflußmeßgerät 8, ein Schallemissionsmeßgerät 9, einen Computer 10, eine externe Speicheranlage 11, eine externe Meßwertschreibereinheit 12, eine Abtast antriebseinheit 13 für verschiedene Sensoren und/oder Detektoren, eine Abtastantriebssteuerung 14, einen Bezugs probekörper 15, einen Vorverstärker 16, eine Filterschaltung 17 und einen Impulszähler 18 auf.

Auf der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes bzw. der zu untersuchenden Rohrleitung 1 sind das für die Ermittlung des Magnetfeldes dienende Hall-Effekt-Element 2A, die Spule 3A zur Ermittlung der Magnetisierung, der Meßwertaufnehmer 4A zur Messung der Schallemission und die Erregerspule 5A zum Anlegen eines Magnetfeldes ange ordnet. Andererseits besitzt der Bezugsprobekörper 15 eine Oberfläche, auf der das Hall-Effekt-Element 2B, die Spule 3B, der Schallemissionsmeßwertaufnehmer 4B und die Erregerspule 5B angeordnet sind. Sowohl ein den Hauptteil der Abtastantriebseinheit 13 bildender Elektromotor als auch weitere Antriebseinheiten und Signalsysteme sind mit der Abtastantriebssteuerung 14 verbunden und werden von dieser gesteuert. Beiläufig wird festgestellt, daß der Bezugsprobekörper 15 nur zum Zwecke der Kalibrierung der gemessenen Werte der magnetischen Kennlinie verwendet wird und keinen wesentlichen, zur Realisierung der Erfin dung notwendigen Teil bildet.

Die Spulen 5A und 5B sind mit der Wechselstromquelle 6 variabler Frequenz verbunden; jede der Spulen kann ein sinusförmiges Erregermagnetfeld von gewünschter Frequenz erzeugen. Die Intensität des Magnetfeldes H wird durch die jeweils in der Nähe des Luftspaltes des Magneten ange ordneten Hall-Effekt-Elemente 2A und 2B ermittelt. Die Hall-Effekt-Elemente 2A und 2B sind mit dem Hall-Effekt- Magnetfeldmeßgerät 7 verbunden. Der magnetische Fluß wird in Form von Wechselspannungen ermittelt, die in den eng um die zu untersuchende Rohrleitung 1 gewickelten Spulen 3A und 3B induziert werden. Das durch den Barkhausen-Effekt in der Nachweisspule 3A erzeugte Signal wird durch den Vorverstärker 16 verstärkt und über das Filter 17 in den Impulszähler 18 eingegeben, wobei nur solche Signale ge messen werden, die eine eine vorbestimmte Schwelle über steigende Größe besitzen.

Die oben in Übersicht gebrachte Anordnung ermöglicht die Messung magnetischer Hysteresekurven und die Messung der Abfolge diskontinuierlicher Änderungen der Magnetisierung, die dem Barkhausen-Effekt, der aufgrund der Bewegung der Domänenwand auftritt, zugeschrieben werden können.

Andererseits wird der durch den Barkhausen-Effekt erzeugte Schall von den für die Messung der Schallemission vorge sehenen Meßwertaufnehmern 4A und 4B gemessen. Die Meßwert aufnehmer 4A und 4B sind mit dem Schallemissionsmeßgerät 9, in das ein Frequenzanalysator eingebaut ist, verbunden. Es wird festgestellt, daß erfindungsgemäß nur die Messung eines einzigen Typs von physikalischen Eigenschaften beab sichtigt ist. Die Messung verschiedener physikalischer Eigenschaften, die in Verbindung mit Fig. 1 erwähnt worden sind, ist nicht erforderlich.

Wenn als Magnetflußmeßgerät 8 ein SQUID-Sensor verwendet wird, kann eine hochgenaue Messung gewährleistet werden.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 3 das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip erläutert.

Fig. 3 dient der Erläuterung des Konzeptes der Analyse der statistischen Verteilung von Extremwerten. In den mit dem Bezugszeichen 111 bezeichneten Darstellungen ist die Streuung der Größe derjenigen Werte gezeigt, die in den jeweiligen einzelnen Bereichen, an denen Meßelemente angebracht sind, gemessen werden, während in den mit dem Bezugszeichen 112 bezeichneten Darstellungen die grundlegenden Verteilungen der Häufigkeiten f der in den jeweiligen Bereichen gemessenen Werte X gezeigt sind. In der mit dem Bezugszeichen 113 bezeichneten Darstellung ist ferner die Verteilung der Extremwerte (hier: Maximalwerte), die aus den Ver teilungen 112 abgeleitet werden, gezeigt, wobei X₁, X₂, X₃, . . ., X₁₀ die in den jeweiligen einzelnen Bereichen gemessenen Maximalwerte darstellen. Gemäß der Extremwert statistik kann eine Menge von Extremwerten (d. h. eine Menge von Maximalwerten oder Minimalwerten) der einzelnen Bereiche durch die Extremwertverteilung vom Doppelexpo nential-Verteilungstyp angenähert werden, solange der untere Teil der grundlegenden Verteilungen der Häufigkeit f durch eine Exponentialverteilung dargestellt werden kann. Wenn beispielsweise die Doppelexponentialverteilung der Maximal werte (Extremwerte) betrachtet wird, kann jeder Maximal wert (Extremwert) durch die folgende Verteilungsfunktion dargestellt werden:

wobei α und λ einen Skalenparameter bzw. einen Positions parameter darstellen, wie sie im Bereich der Statistik bekannt sind.

Eine Größe, die zur Vorhersage des Maximalwertes X_max für die gesamte Maschine auf der Grundlage der in den einzelnen Bereichen gemessenen Maximalwerte (Extremwerte) dient, ist als Wiederhol- oder Rückkehrperiode T bekannt; sie ist durch das Verhältnis der Gesamtfläche (A) des Gegenstandes, für den die Vorhersage beabsichtigt ist, und die Fläche (A₁) eines jeden der gemessenen Bereiche wie folgt gegeben:

T = A/A₁. (2)

Der Maximalwert X_max ist gemäß der statistischen Theorie der Extremwerte als Funktion von T, λ und α gegeben:

X_max = λ + α 1n T. (3)

In Fig. 4 ist der Aufbau des Computers 10 im einzelnen gezeigt. Wie aus der Figur ersichtlich, ist der Computer 10 mit einem peripheren Schnittstellenadapter 106 zur Steuerung der Abtastantriebssteuerung 14 und der Wechsel stromquelle 6, mit einer Schnittstelle 101 zur Betätigung des Magnetflußmeßgeräts 8, des Schallemissionsmeßgeräts 9 und des Impulszählers 18 und mit einer parallelen Schnitt stelle 102 für die Verbindung zur externen Speicheranlage 11 und zur externen Meßwertschreibereinheit 12 versehen. Ferner weist der Computer 10 einen internen Speicher 103 für die Speicherung einer Datenbank, die für die Berechnung der Güteminderung der metallischen Materialien verwendet wird, einen internen Speicher 104, in dem ein Programm für die statistische Verarbeitung der aus den Messungen sich ergebenden Werte und ein Programm für die rechnerische Bestimmung des Güteminderungsgrades auf der Grundlage der Datenbank und der statistisch verarbeiteten Meßdaten gespeichert ist, und eine Recheneinheit 105, die der Aus führung der den oben erwähnten Programmen entsprechenden Rechenoperationen an den Daten dient, auf. In einer wei teren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der periphere Schnittstellenadapter 106 durch die Schnitt stelle 101, die für die Datenbewegung bestimmt ist, er setzt werden.

Nun folgt die Beschreibung des Betriebsablaufs zur Er mittlung des Güteminderungsgrades eines einer hohen Tem peratur von 290°C ausgesetzten, rostfreien Stahl enthal tenden Ferritmaterials mit Hilfe der Vorrichtung, die den oben beschriebenen Aufbau besitzt.

Zunächst wird die Abtastantriebseinheit 13 auf der Ober fläche der zu untersuchenden Rohrleitung 1 in einem Schweiß nahtbereich angeordnet und im Ursprung des Meßsystems positioniert, woraufhin der Computer 10 den Untersuchungs bereich bezeichnet. Dann wird die Abtastantriebseinheit 13 an einen Punkt bewegt, an dem die Messung begonnen wird, während die Wechselstromquelle 6 an die Abtastan triebseinheit 13 einen sinusförmigen Erregerstrom mit vom Computer 10 bestimmter Frequenz und Amplitude liefert.

Die magnetische Hysteresekurve kann auf der Grundlage der vom Hall-Effekt-Element 2A und von der Nachweisspule 3A ausgegebenen Meßwerte bestimmt werden und wird auf einer Anzeigeeinheit des Computers 10 angezeigt, woraufhin die Koerzitivkraft H_c, die Remanenz B_r und die Anfangs permeabilität µ bestimmt werden können. Ferner wird in Verbindung mit dem Barkhausen-Effekt die Magnetisierung in Termen der Ausgabe der Nachweisspule 3A gemessen, während die Schallemission in Termen der Ausgabe des Meßwertauf nehmers 4A bestimmt wird. Daraufhin werden die Zählrate dN/dt, die Gesamtimpulszahl ∫ N(H) dH und ein Impulsspektrum N(E) bestimmt. Der geschweißte Bereich der Rohrleitung 1 wird schrittweise mit einer der Größe (2 mm×2 mm) der Nachweisspule 3A entsprechenden Schrittweite vermessen. Nach Abschluß der Vermessung der Schweißnaht entlang des gesamten Umfangs wird die Abtastantriebseinheit 13 zum nächsten zu messenden Schweißnahtbereich bewegt. Auf diese Weise wird die Messung für alle vorbestimmten Schweißnaht bereiche ausgeführt. Nach Abschluß der Vermessung des letzten Schweißnahtbereiches werden die Meßdaten aus der externen Speicheranlage 11 wieder in den Computer 10 ge laden und dort statistisch verarbeitet. Die Ergebnisse dieser Verarbeitung werden dann mit der im voraus bereit gestellten Datenbank verglichen, um dadurch den Grad der Güteminderung des Materials zu bestimmen.

Nun wird der Betriebsablauf zur Vorhersage des Maximalwertes der Güteminderung in bezug auf sämtliche Schweißnähte der Rohrleitung auf der Grundlage der aus der Messung gewonnenen Daten beschrieben.

In Fig. 5 sind in einer in Umfangsrichtung auseinander gezogenen Darstellung sämtliche Schweißnahtbereiche der Rohrleitung 1 gezeigt, für die die Vorhersage der Güte minderung gemacht werden soll, wobei sämtliche gezeigten Schweißnahtbereiche miteinander verbunden sind. In dieser Figur stellt jeder in Form eines gestreckten Rechtecks dargestellte Bereich einen Schweißnahtbereich dar. In sämtlichen Schweißnahtbereichen 51 ist der Maximalwert 54 der Messung jeweils durch eine durchgezogene Kreislinie in Schwarz dargestellt. X₁, X₂, . . ., X₁₀ stellen jeweils die in zehn Schweißnahtbereichen gemessenen Maximal- (Extrem-)Werte dar. Es wird festgestellt, daß die Maximal- (Extrem-)Werte X₁, X₂, . . ., X₁₀ die jeweiligen gemessenen Maximalwerte in zehn Schweißnahtbereichen darstellen. Mittels des Computers 10 werden gemäß der Verarbeitung der stati stischen Analyse von Extremwerten die Maximal-(Extrem-)Werte X₁, X₂, . . ., X₁₀ der aus der magnetischen Hysteresekurve (d. h. der Kurven, die die von der Einwirkung des Magnet feldes bewirkten Änderungen der Magnetisierung darstellen) bestimmten Koerzitivkräfte berechnet. In Fig. 6 werden die Ergebnisse der von Hand ausgeführten Aufzeichnung der Maximal-(Extrem-)Werte auf einem Meßwertaufnahmepapier, das als Extremwertwahrscheinlichkeitspapier bezeichnet wird, erläutert. Diese Aufzeichnung kann durch die Anord nung der Maximal-(Extrem-)Werte X₁, X₂, . . ., X₁₀ in auf steigender Ordnung und durch das Einzeichnen der Werte von F (d. h. der einzelnen Maximal- oder Extremwerte) entlang der y-Achse entsprechend der folgenden Formel vervollständigt werden:

F = i/(n + 1) , (4)

wobei i die Ordnungszahl der Daten in der von kleinen zu großen Werten der Daten schreitenden Folge (i = 1, 2, 3, . . .) und n die Gesamtzahl der Daten darstellt.

Indem durch die eingezeichneten Punkte der einzelnen Maximal-(Extrem-)Werte mit dem Augenmaß (d.h. durch eine grobe Abschätzung) oder gemäß der Methode der kleinsten Quadrate eine Gerade 61 gelegt wird und die eingezeichne ten Punkte entlang der rechten Ordinatenskala T auf dem Wahrscheinlichkeitspapier für sämtliche Schweißnahtbe reiche (für das erläuterte Beispiel: bis zu T = 100) extra poliert werden, kann der Maximalwert 62 der Koerzitivkraft bestimmt werden. Dieser Wert stellt den größten Wert der Koerzitivkraft dar, der für sämtliche Schweißnahtbereiche der Rohrleitung vorausgesagt wird. Wenn ferner die zu lässige Einsatzdauer eines wirklichen mechanischen Bau teils, die hinsichtlich der Güteminderung festgelegt wurde, in Form eines zulässigen Toleranzwertes der Koerzitivkraft zur Verfügung steht, wird ein Schnittpunkt 63 zwischen der die größte Koerzitivkraft darstellenden Geraden und einer durch den Wert Null der linken Ordinate y gehenden Geraden bestimmt und eine zur Geraden 61 parallele Gerade 64 durch den durch den Punkt 63 gegebenen Ursprung gelegt. Die Wahrscheinlichkeit P, mit der das betrachtete mechani sche Bauteil die Einsatzdauer erreicht, wird auf der Grund lage des Schnittpunktes 66, der durch die vom zulässigen Toleranzwert 65 dargestellte Gerade und die Gerade 64 gemäß der folgenden Formel gegeben ist, bestimmt:

P = 1 - F. (5)

Um dem vorhergesagten Wert 62 der größten oder maximalen Koerzitivkraft einen Sicherheitsfaktor zu verleihen, kann ein auf der statistischen Analyse von Extremwerten beruhen des Korrosionslebensdauer-Vorhersageverfahren wirksam angewendet werden. Weiterhin kann der die größte Koerzitiv kraft darstellende vorhergesagte Wert 62 auch im Übergang zu anderen Verfahren wie etwa einer maximierenden Folge, einem Verfahren der erwartungstreuen Schätzfunktion klein ster Brüche zusätzlich zum das Wahrscheinlichkeitspapier verwendenden Verfahren und der oben erwähnten Methode der kleinsten Quadrate bestimmt werden. Erfindungsgemäß können diese Prozeduren mit dem Computer ausgeführt werden. Hinsichtlich der statistischen Analyse von Extremwerten wird als Referenz auf die Arbeit "A MICROCOMPUTER BASED PREDICTION OF THE PROBABLE MAXIMUM PIT DEPTH ON PIPELINES BY MEANS OF EXTREME VALUE STATISTlCAL ANALYSIS", Y. Ishikawa, NACE (National Association of Corrosion Engin neers), März 1985, S. 320-325, verwiesen.

Zwischen dem Grad der Güteminderung oder der Versprödung in der Schlagfestigkeit und der Koerzitivkraft des rost freien Stahl enthaltenden Ferritmaterials besteht eine Beziehung, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Daher ist es möglich, den Grad der Versprödung oder der Güteminderung der aus dem erwähnten Material hergestellten mechanischen Bauteile auf der Grundlage des anhand der oben beschriebenen Prozedur bestimmten maximalen oder größten Wertes der Koerzitivkraft vorherzusagen. Selbstverständlich kann der Grad der Versprödung oder der Güteminderung ebenso durch die oben erwähnte Prozedur vorhergesagt werden, indem der Maximalwert der magnetischen Ausgabe oder der akustischen Ausgabe des Barkhausen-Rauschens anstatt des Maximalwertes der Koerzitivkraft bestimmt wird. Außerdem kann von Messungen der Remanenz, der Permeabilität, der magnetischen Isotropie oder der Magnetostriktion ein wirk samer Gebrauch gemacht werden.

In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Gemäß der in dieser Ausführungsform enthaltenen Lehre ist eine Mehrzahl von Nachweisspulen 3A in Umfangs richtung angeordnet, wobei der Maximal-(Extrem-)Wert aus den Ausgaben der Mehrzahl der Nachweisspulen bestimmt wird, ohne daß die Schweißnahtbereiche der Rohrleitung entlang des gesamten Umfangs abgetastet werden. Für die Messung des magnetischen Flusses wird ein SQUID-Sensor 82 verwendet. Die Nachweisspulen 3A und ein magnetischer Schutz 83 sind in einem zur Hälfte im Querschnitt gezeigten Kühlflüssigkeitsbehälter 85 angeordnet. Hierbei wird der betrachtete Maximalwert in sämtlichen Schweißnahtbereichen der Rohrleitung durch die Rückkehr- oder Wiederholperiode T bestimmt, die durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:

(Fläche der Schweißnaht/Fläche der Nachweisspule) × (Anzahl der Schweißnähte der Rohrleitung).

In Fig. 9 ist eine schematische Darstellung der internen Struktur eines Kernreaktordruckgefäßes in einem Kernkraft werk und die Anordnung eines Probekörperentnahmegerätes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere sind in Fig. 9 ein Druckgefäß 91 eines Kernreaktors, eine Regelstabanordnung 92, Regel stabführungshülsen 93, ein oberes Gitter 94, ein Reaktor kernträger 95 und ein Reaktorkühlmittel 96 gezeigt. Da das zweiphasige rostfreie Stahlmaterial, aus dem die me chanischen Bestandteile des Kernkraftwerks tatsächlich hergestellt sind, für längere Zeit in einer Hochtemperatur umgebung verwendet wird, werden in der Ferritphase des zweiphasigen rostfreien Stahls aufgrund der Alterung bei hoher Temperatur Mikrophasentrennungen erzeugt, wodurch die Festigkeit der mechanischen Bestandteile oder Bauteile beträchtlich verringert wird. Es versteht sich von selbst, daß eine solche Verringerung der Festigkeit des die me chanischen Bauteile bildenden Materials die Einsatzdauer des Kernkraftwerks als Ganzem begrenzt.

Um sowohl den charakteristischen Wert der Materialfestig keit als auch diejenigen des Reaktorinneren zu messen, ist es notwendig, Teile der wirklichen mechanischen Be standteile mittels eines Dispersionsringentnahmeverfahrens zu entnehmen, ohne die bestehende Festigkeit der Struktur der mechanischen Bauteile zu beeinflussen. Die Probekörper entnahmeeinheit 97 ist so gestaltet, daß mit ihr die Ent nahme einer extrem kleinen Menge von Probekörpern aus der Oberfläche der Reaktormantelwand des Kernreaktordruck gefäßes 91 möglich ist. Die Probekörperentnahmeeinheit 97 ist an einem Kran 98 aufgehängt, um in eine Lage in der Nähe der Reaktorwandoberfläche zu gelangen, so daß die Probekörperentnahmeoperation auf einem Monitor 99 über ein in die Probekörperentnahmeeinheit 97 eingebautes Lichtfasersichtgerät visuell beobachtet werden kann.

Genauer wird am Kran 98 ein (nicht gezeigtes) Magnetkenn linien-Meßgerät 97′ aufgehängt und im Gefäß so angeordnet, daß eine Vorhersage der Güteminderung des rostfreien Stahls, der an der Innenwand des Kernreaktordruckgefäßes eine Deckschicht bildet, an einer Mehrzahl von gegebenen Be reichen möglich ist. In diesem Zusammenhang ist die Ver wendung einer Sensoranordnung vorteilhaft, die von einer Mehrzahl von Nachweisspulen gebildet wird, die in einer Ebene in einem matrixähnlichen Feld angeordnet sind, um gleichzeitig die Maximal-(Extrem-)Werte im zu untersuchen den Bereich zu bestimmen.

Fig. 10 stellt einen dreidimensionalen Graph dar, in dem die Verteilung der Koerzitivkraftwerte, die durch Abtastung eines vorbestimmten Bereichs mittels eines magnetischen Sensors gewonnen werden, gezeigt ist. Ein Anstieg der Koerzitivkraft stellt ein deutliches, beobachtbares An zeichen der Güteminderung dar. Wenn die oben erwähnte Sensoranordnung verwendet wird, ist es vorteilhaft, die Ausgaben der einzelnen Sensoren wie im Falle eines Licht- und Schattendiagramms als Farbdichtedifferenzen anzuzeigen.

In Fig. 11 sind in Histogrammen die einzelnen Werte ge zeigt, die durch das Abtastverfahren oder durch die Ver wendung der Sensoranordnung gemessen werden. Durch Vergleich der Frequenzverteilung A mit der Dichtefunktion f(x) ist es möglich, die Anwendbarkeit der statistischen Analyse von Extremwerten zu prüfen. Ein Unterschied des Verteilungs profils X₄ gegenüber den anderen Profilen X₁, X₂ und X₃ deutet auf das Vorliegen einer Abnormalität in der Daten verteilung X₄ hin. Daher wird die Messung dann in jenen Bereichen ausgeführt, die den die abnormale Datenverteilung X₄ aufweisenden Bereich umgeben. Erfindungsgemäß können die hierzu wichtigen Verarbeitungen von einem Computer ausgeführt werden.

Fig. 12 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung des computer gestützten Betriebsablaufs zur Vorhersage des Maximalwertes des Güteminderungsgrades entsprechend der statistischen Theorie von Extremwerten.

Nun wird dieses Flußdiagramm erläutert. Entsprechend den Größen der gemessenen Werte wird ein Histogramm (A) vor bereitet (Schritt 201), woraufhin eine kumulative Ver teilung F gemäß F=1/(n+1) rechnerisch bestimmt wird (Schritt 203) und das Ergebnis auf einem geeigneten Wahr scheinlichkeitspapier aufgezeichnet wird (Schritt 204); anschließend wird die Güte der linearen Näherung geprüft (Schritt 205). Wenn die lineare Näherung für gut befunden wird, wird der Verteilungsparameter bestimmt (Schritt 207), gefolgt von der Berechnung der kumulativen Verteilungs funktion F(x) (Schritt 208). Wenn die lineare Näherung nicht für gut befunden wird, wird die Aufzeichnung auf einem weiteren Wahrscheinlichkeitspapier ausgeführt und der oben erwähnte Betriebsablauf wiederholt. Wenn der Vergleich zwischen dem Histogramm und der Wahrscheinlich keitsdichtefunktion in einem Schritt 209 eine annehmbare Güte der Übereinstimmung (ja) zeigt, ist die Anwendung der statistischen Analyse von Extremwerten möglich (Schritt 211). Andernfalls (nein) werden durch die Messung wiederum Daten erfaßt (Schritt 213), woraufhin die oben erwähnte Prüfung erneut ausgeführt wird. Durch die Anwen dung der Extremwertstatistik werden die Maximalwerte der einzelnen Bereiche oder Orte, an denen die Messung ausge führt wurde, nacheinander vom kleinsten zum größten Wert aufgereiht, anschließend werden die einzelnen Maximalwerte gemäß F=i/(n+1) auf dem Wahrscheinlichkeitspapier aufgezeichnet; daraufhin wird die Güte der Übereinstimmung geprüft und der Verteilungsparameter bestimmt. Anschließend wird auf der Grundlage der Wiederholperiode T der größte oder maximale Wert vorhergesagt. Schließlich wird der maximale Grad der Güteminderung des betrachteten mechani schen Bestandteils auf der Grundlage des Güteminderungs grades und der Datenbank vorhergesagt.

Fig. 13 zeigt die Blockdarstellung der allgemeinen Grund struktur des erfindungsgemäßen Systems. Wie in Fig. 13 gezeigt, weist das erfindungsgemäße System einen Feinpulver entnahmeblock 300 für die Entnahme von Probekörpern von sehr kleiner Größe aus einem in Betracht gezogenen mechani schen Bestandteil eines Betriebsanlagenteils, einen Block 301 zur Messung physikalischer Eigenschaften mit hoher Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit, mit dem die Änderung der physikalischen Eigenschaften in den feinen Probekörpern ermittelt wird, und einen Block 302 zur auf die Extremwert statistik gestützten Beurteilung der Güteminderung auf.

Fig. 14 zeigt schematisch eine Probekörperentnahmevor richtung, die mit einer Vakuumpumpe arbeitet, während in Fig. 15 ein Flußdiagramm gezeigt ist, das den Betriebs ablauf der Entnahme von Probekörpern bei Verwendung der in Fig. 14 gezeigten Vorrichtung erläutert. Auf diese Figuren wird im folgenden Bezug genommen.

Die an der Oberfläche einer Reaktorwand 320 (die aus rost freiem Stahl hergestellt ist) gebildeten Überzüge werden mit einem Wasserstrahl 310 beseitigt. Daraufhin wird ein Probekörperentnahmebehälter 319 fest an der Reaktorwand angebracht, von der die Probe entnommen werden soll, worauf hin durch einen ersten Gaseinlaßkanal 331 Stickstoffgas 332 mit hohem Druck eingeführt wird. Da zwischen dem Probe körperentnahmebehälter 319 und der Reaktorgefäßwand 320 eine Einfassung 333 aus einem Gummimaterial vorgesehen ist, wird durch die Wirkung des Hochdruck-Stickstoffgases 332 das Kühlflüssigkeitswasser 321 im Probekörperentnahme behälter 319 von der Einfassung 333 in Richtung der einge zeichneten Pfeile 311 und 312 ausgestoßen, weshalb das Innere des Probekörperentnahmebehälters 319 mit Stick stoffgas gefüllt wird. Auf der Seite des Probekörperent nahmebehälters 319, an der eine Axialpumpe 334 angebracht ist, wird das Hochdruck-Stickstoffgas 332-a über einen zweiten Gaseinlaßkanal 331-a eingelassen. Als nächstes wird bei geöffnetem Schieberventil 335 ein Bohrer 324 betrieben, während die Pumpe 334 betätigt wird. Dann wird das bei der Bohrbearbeitung entstandene Bohrpulver 322-a abgeführt, indem es durch das Hochdruck-Stickstoffgas weggetragen und von einem Filter 323 aufgefangen wird. Nachdem das Reaktorwasser 321 aus dem Probekörperentnahme behälter 319 ausgestoßen worden ist, wird der in bezug auf die Pumpe 334 stromaufwärts befindliche Raum mit Stick stoffgas gefüllt, woraufhin das Hochdruck-Stickstoffgas 332-b über einen dritten Gaseinlaßkanal 331-b an eine anzubohrende Stelle eingeblasen wird, während die Axialpumpe 334 gleichzeitig betrieben wird. Dann können die Späne oder das Pulver 322-a, die beim Bohren entstehen, wirksam vom Filter 323 aufgefangen werden. Schließlich wird das Schieberventil 335 geschlossen und der angebohrte Bereich mittels einer Schleifsteinscheibe 328 poliert. Wenn der Probekörperentnahmeprozeß weiter fortgesetzt werden soll, wird der Probekörperentnahme behälter 319 zu dem Bereich bewegt, von dem Probekörper entnommen werden sollen, anschließend wird der Betriebs ablauf wiederholt.

Der oben beschriebene Betriebsablauf wird gemäß dem in Fig. 15 gezeigten Flußdiagramm einschließlich der in einem durch eine unterbrochene Linie angezeigten Block A einge schlossenen Schritte ausgeführt. Das Flußdiagramm soll jedoch so verstanden werden, daß die im Block A enthaltenen Schritte durch diejenigen Schritte, die in dem durch eine unterbrochene Linie angezeigten Block B enthalten sind, ersetzt werden können. In letzterem Fall wird die Bohrbear beitung nach dem Öffnen des Schieberventils ausgeführt.

Aus der vorangehenden Beschreibung wird deutlich geworden sein, daß die Probekörperentnahmevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung den Vorteil besitzt, daß Beimengungen fremder Materialien, die auf der Wasserober fläche im Reaktor schwimmen, vermieden werden können, weil der Probekörperentnahmebehälter 319 entweder evakuiert oder mit einem Gas gefüllt werden kann.

Nun wird auch verständlich, wie es erfindungsgemäß möglich ist, Probekörper aus wirklichen mechanischen Bestandteilen eines Kernkraftwerks zu entnehmen, ohne die Oberflächen der Bestandteile zu beschädigen oder ihnen Risse zuzufügen, während andererseits verhindert wird, daß die Späne auf den Boden des Reaktors fallen. Daher kann die Zuverlässig keit der Probekörperentnahme bedeutend erhöht werden.

Als nächstes wird eine beispielhafte Ausführungsform des hochempfindlichen und hochgenauen Blocks 301 zur Messung physi kalischer Eigenschaften feiner Probekörper, die auf die bezugnehmend auf Fig. 13 beschriebene Weise entnommen worden sind, beschrieben.

In Fig. 16 ist ein entnommener Probekörperspan in einem für die Atommeßsondenanalyse bereiten Zustand gezeigt. Es kann sein, daß das für die Atommeßsondenanalyse be nötigte Material nur einen sehr kleinen Teil der Menge der tatsächlich entnommenen Probekörper ausmacht. Wegen der radioaktiven Strahlung der Probekörper wird deren Behandlung und Analyse mittels Fernsteuerung ausgeführt. Zur Befestigung des Pulverspans 522-a wird zunächst aus Molybdän (Mo) eine Schleife 539 ausgebildet, indem ein Mo-Drahtstück von 0,25 mm Durchmesser (D) in der Mitte gebogen wird und anschließend ein Metallträger 540 aus Mo mit dem gebogenen Draht in dessen Mittelbereich punkt verschweißt wird, woraufhin der Span 522-a an einer Stelle an der Spitze des Metallträgers 540 angeordnet wird, wobei zwischen dem Span 522-a und dem Metallträger 540 ein elektrisch leitender Klebefilm 541 eingebracht wird. Wenn die Oberflächenatome des Spans 522-a mit Hilfe eines Feld ionenmikroskops (FIM) beobachtet werden, was einen Aspekt der Atommeßsondenanalyse kennzeichnet, ist es notwendig, dem Endabschnitt des Metallträgers 540, an dem der Span 522-a befestigt ist, mittels Ionenfräsens oder einer ähn lichen Bearbeitung eine halbkugelförmige Gestalt zu ver leihen. Wenn die Analyse der Materialzusammensetzung in einer Richtung von der Oberfläche des Spans 522-a nach innen ausgeführt werden soll, so wird an den in einem ultrahohen Vakuum sich befindenden Probekörper eine positive hohe Vorspannung angelegt. Danach wird die Spitze des Probekörperspans 522-a in einer zur Achse des Metall trägers 540 senkrechten Richtung mit einem Impulslaser strahl 542 bestrahlt. Die Folge davon ist, daß aus der Oberfläche des Spans 522-a Atome in Form verdampfender Ionen 543 emittiert werden.

Fig. 17 ist eine das Prinzip der Atommeßsondenanalyse erläuternde Darstellung. Wenn an den Probekörper 644, der für die Atommeßsondenanalyse vorbereitet wurde und einen an ihm befestigten Span 522-a aufweist, eine Hoch spannung von einigen kV mit einer positiven Vorspannung von einer Gleichspannungsquelle 643-a angelegt wird, während ein Impulslaserstrahl 542 auf der Spitze des Probekörpers 644-a auftrifft, so werden die Oberflächenatome im Spitzen bereich, die der höchsten Feldintensität ausgesetzt sind, als Ionen 543 verdampft; diese Ionen 543 können durch ein in der Mitte eines Schirms 645 ausgebildetes Loch einen Detektor 646 erreichen. Mit einem außerhalb der Vakuumkammer 647 vorgesehenen Zeitmeßgerät 648 wird die Flugzeit der Ionen gemessen, um dadurch mit Hilfe des Computers 649 die Ionen 543 zu identifizieren.

Wenn die Analyse für jeden Probekörper entsprechend dem oben beschriebenen Prinzip ausgeführt wird, ist es möglich, die Kennlinie der Konzentration für jede Atomart in der Richtung von der äußersten Oberfläche des Probe körpers nach innen zu bestimmen, da die ermittelte Anzahl von Ionen für jede Atomart aus dem Probekörpermaterial, der angelegten Spannung und der Entfernung zwischen dem Probekörper und dem Schirm abgeschätzt werden kann. Wenn auf das so gewonnene Ergebnis die statistische Analyse von Extremwerten angewendet wird, kann der Güteminderungs grad abgeschätzt werden.

In Fig. 18 ist die Kennlinie der Cr-Konzentration in der Ferritphase von ungealtertem zweiphasigem rostfreiem Stahl gezeigt, während in Fig. 19 die Zahnflankenkurve der Cr-Konzentration in der Ferritphase von rostfreiem Stahl, das für 1000 Stunden einem Alterungsprozeß bei einer Temperatur von 475°C ausgesetzt war, gezeigt. Die Konzentration von Cr in ungealtertem Stahl liegt konstant bei ungefähr 28%, im wesentlichen kann keine Schwankung beobachtet werden. Im Gegensatz dazu kann bei der Cr- Konzentrations-Kennlinie des gealterten rostfreien Stahlmaterials eine beträchtliche Schwankung beobachtet werden, außerdem werden eine α′-Phase und eine G-Phase und Bereiche hoher Cr-Konzentration erzeugt. Für den ge alterten rostfreien Stahl, der die in Fig. 19 gezeigte Cr-Konzentrations-Kennlinie aufweist, kann der Güteminderungsgrad auf der Grundlage der statistischen Analyse von Extremwerten, wie sie vorhin beschrieben worden ist, vorhergesagt oder abgeschätzt werden, indem auf die die Beziehung zwischen der Cr-Konzentration und dem Güte minderungsgrad, wie sie in Fig. 20 gezeigt ist, angebenden Daten Bezug genommen wird.

Aus der vorangehenden Beschreibung wird verständlich, daß die Größe und die Konzentration der eine Ursache für die Festigkeitsverschlechterung der die wirklichen mechani schen Bestandteile des Kernreaktors bildenden sehr feinen Phasentrennungen sehr vorteilhaft in der Größenordnung von Atomlagen ausgewertet werden können.

Im folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform des hochempfindlichen und hochgenauen Systems zur Messung physikalischer Eigenschaften, bei dem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein SQUID-Sensor Anwendung findet, beschrieben.

In Fig. 21 ist beispielhaft die Struktur eines Systems zur Messung physikalischer Eigenschaften eines metalli schen Materials mit Hilfe des SQUID-Sensors gezeigt. Wie gezeigt, weist das System eine Kapsel 700 auf, die eine feinpulverige Probe enthält, die aus einer in einem Kern kraftwerk eingebauten Rohrleitung oder aus anderen dort eingebauten mechanischen Bestandteilen entnommen worden ist. Ferner weist das System eine Abnehmerspule 701 zur Ermittlung der magnetischen Kennlinien der zu messenden Probe, den SQUID-Sensor 702, eine supraleitende Erreger spule 703, einen Kryostat 704, der für das Meßsystem eine Tieftemperaturumgebung schafft, ein Schaltheizelement 705, das die supraleitende Erregerspule 703 in einen Dauer strommodus versetzt, eine Bohrung 706, die für die im Mittelpunkt des Kryostaten 704 ausgeführte Messung verwen det wird, und eine Kühlflüssigkeit 707, die von flüssigem Helium (He) gebildet wird, auf. Weiterhin ist eine Steuerung 708 für das Schaltheizelement 705, eine Antriebseinheit 709 zum Aufwärts- und Abwärtsbewegen der die pulverisierte Probe enthaltenden Kapsel 700, ein Vorverstärker 710 für den SQUID-Sensor 702, eine Steuerung 711 für die supra leitende Erregerspule 703, eine Steuerung 712 für die Antriebseinheit 709 und ein Integrator 713 für die Inte gration der Ausgabe des Vorverstärkers 710 des SQUID-Sensors 702 vorgesehen. Sämtliche erzeugten Daten werden in den Computer 715, der mit einer Anzeigeeinheit 714 ausgerüstet ist, eingegeben.

Nun wird mit Bezug auf die Figuren der Betrieb der den SQUID-Sensor enthaltenden Vorrichtung zur Messung physi kalischer Eigenschaften beschrieben.

Fig. 22 stellt eine Ansicht dar, die die Ergebnisse der an ungealtertem Material und an gealtertem Material, das eine Güteminderung erfahren hat, ausgeführten Messungen graphisch erläutert. Wenn die zu untersuchende Kapsel mittels der Antriebseinheit 709 aufwärts und abwärts bewegt wird, werden die in Fig. 22 gezeigten Ergebnisse als Ausgaben des SQUID-Sensors erhalten.

Weiterhin wird die Probenkapsel 700 in bezug auf die supra leitende Erregerspule 703 befestigt, während die B-H- Kennlinie der Probenkapsel 700 gemessen wird, indem dem durch die supraleitende Erregerspule 703 fließenden Strom Sinusform gegeben wird. In Fig. 23 ist die aus der Messung abgeleitete B-H-Kennlinienkurve gezeigt.

Wenn die Daten sowohl der magnetischen Kennlinie der Proben kapsel 700 als Funktion des Alterns als auch die Original kurve, die die Beziehung zwischen der Ausgabe des SQUID- Sensors und dem Versprödungsgrad darstellt, im voraus bestimmt werden, ist es möglich, den Versprödungsgrad der Probenkapsel 700 mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Erfindungsgemäß ist es möglich, die Probe ohne Beschädigung der Gesamtstruktur der Anlage zu entnehmen, weil die Erzeu gung von Kanten und feinen Rissen aufgrund der Bearbeitung, die zu einer Verschlechterung des Materials des wirklichen mechanischen Bestandteils des Kernkraftwerks führen können, auf zufriedenstellende Weise verhindert werden kann. Außerdem kann für die Beurteilung der Alterung und der Güteminderung von das Kernkraftwerk bildenden Teilen eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit gewährleistet werden, da die Größen und Konzentrationen der im zweiphasigen, rostfreien Stahl aufgrund der Alterung in der Hochtemperaturumgebung erzeugten sehr feinen Phasentrennungen, die zur Güteminderung der Fein struktur der mechanischen Bestandteile des Kernkraftwerks Anlaß geben, auf der Grundlage der Probekörper bestimmt werden können, die tatsächlich den wirklichen mechanischen Bauteilen und nicht einem und demselben für die Prüfung verwendeten Stück entnommen worden sind.

Weiterhin können die aus der Bearbeitung zur Probenentnahme sich ergebenden Späne ohne nennenswerten Verlust aufge fangen werden, wenn eine erfindungsgemäße Probenentnahme vorrichtung verwendet wird; dabei kann der Einfluß der restlichen Probekörper auf die Betriebsanlage vollständig vernachlässigt werden.

Schließlich kann nicht nur die Möglichkeit der Beschädigung und der Versprödung der wirklichen Maschine auf ein Minimum reduziert werden, vielmehr kann auch die Sicherheit des Personals und der Umgebung beträchtlich erhöht werden, da die Güteminderung der Maschine oder der Vorrichtung aufgrund des Alterns auf der Grundlage der Vermessung eines Maschinenteils, die in kurzer Zeit ausgeführt werden kann, vorhergesagt werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Vorhersage des Grades der Güteminderung eines Teils (1) einer Maschine oder einer Vorrichtung mit Hilfe eines Computers (10), wobei von gemessenen magnetischen Eigenschaften des Teils (1) auf dessen mechanische Eigenschaften geschlossen wird, gekennzeichnet durch

(a) den Schritt des Speicherns von Daten, die die Beziehung zwischen einer physikalischen Eigenschaft dieses zu messenden Teils (1) und dem Grad der metallurgischen Veränderung dieses Teils (1) angeben, in einem Speicher (103, 104);
(b) den Schritt des Messens der physikalischen Eigen schaft dieses Teils (1) mittels Sensoreinrichtungen an einer Mehrzahl von Stellen in einem Bereich dieses Teils (1);
(c) den Schritt der Bestimmung mittels des Computers (10) des Extremwertes der in diesem einen Bereich erhaltenen Meßwerte;
(d) den Schritt des jeweiligen Ausführens der Schritte (b) und (c) in einer Mehrzahl von Bereichen des Teils (1), um dadurch mittels des Computers (10) die jeweiligen Extremwerte für die Mehrzahl der Bereiche zu bestimmen;
(e) den Schritt der Schätzung eines Extremwerts der magnetischen Eigenschaft des Teils (1) als Ganzem auf der Grundlage der Mehrzahl von Extremwerten, indem eine gemäß der statistischen Theorie von Extremwerten definierte Wiederholperiode (T) verwendet wird, die als Verhältnis zwischen der Gesamtfläche (A) des Teils (1) und der Fläche (A₁) eines jeden vermessenen Bereiches gegeben ist;
(f) den Schritt der Vorhersage des Grades der metallurgischen Veränderung des Teils (1), indem die im Speicher (103, 104) gespeicherten Daten und der im Schritt (e) bestimmte geschätzte Extremwert verglichen werden, und
(g) Abschätzung des Versprödungsgrads aus dem vorhergesagten Grad der metallurgischen Veränderung sowie Bestimmung einer Lebensdauer des Teils (1).

2. Vorhersageverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koerzitivkraft des Teils (1) gemessen wird.

3. Vorhersageverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen an einem Teil (1) aus einem rostfreien Stahl enthaltenden Ferritmaterial durchgeführt werden.

4. Vorhersageverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig an einer Mehrzahl von Orten in einen Bereich Messungen ausgeführt werden.

5. Vorhersageverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Eigenschaft durch einen SQUID-Sensor (82; 702) gemessen wird.

6. Vorrichtung zur Vorhersage des Grades der Güteminderung eines eine Maschine oder eine Vorrichtung bildenden Teils (1; 320) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit Sensoreinrichtungen (3; 7; 702) zur Messung einer magnetischen Eigenschaft des Teils (1; 320); gekennzeichnet durch
Speichereinrichtungen (103, 104) zum Speichern von Daten, die die Beziehung zwischen der magnetischen Eigenschaft des zu messenden Teils (1; 320) und dem Grad der metallurgischen Veränderung des Teils (1; 320) angeben;
eine Einrichtung (10, 649), die mit den Sensoreinrichtungen (3; 7; 702) verbunden ist, um die magnetische Eigenschaft in einer Mehrzahl von Bereichen (X_i) des Teils (1; 320) zu messen und um aus dem Ergebnis der an einer Mehrzahl von Orten in jedem der Bereiche ausgeführten Messungen einen Extremwert zu bestimmen;
eine Einrichtung (10, 649) zur Schätzung des Extremwertes (62) der magnetischen Eigenschaft des Teils (1; 320) als Ganzem auf der Grundlage der jeweiligen Extremwerte in den einzelnen Bereichen, indem eine gemäß der statistischen Theorie von Extremwerten definierte Wiederholperiode (T) verwendet wird, die als Verhältnis zwischen der Gesamtfläche (A) des Teils (1) und der Fläche (A₁) eines jeden vermessenen Bereiches gegeben ist
eine Einrichtung (10, 649) zur Vorhersage des Grades der metallurgischen Veränderung des Teils (1; 320) auf der Grundlage des Extremwertes der magnetischen Eigenschaft des Teils (1; 320) als Ganzem und
eine Einrichtung zur Abschätzung des Versprödungsgrades aus dem vorhergesagten Grad der metallurgischen Veränderung sowie Bestimmung einer Lebensdauer des Teils (1).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (10, 649) zur Messung der magnetischen Eigenschaft eine Einrichtung zur Messung der Koerzitivkraft des Teils (1; 320) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (1; 320) aus einem rostfreien Stahl enthaltenden Ferritmaterial hergestellt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung von einer Sensoranordnung gebildet wird, die gleichzeitig an einer Mehrzahl von Orten in dem einen Bereich Messungen ausführen kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Entnahmeeinrichtung (319, 324) zur Entnahme von Teilen des Bauteils als Probekörper in verschiedenen Bereichen des Bauteils, wobei in jedem der Bereiche eine Mehrzahl von Probekörpern entnommen wird, und wobei die magnetische Eigenschaft der Mehrzahl der aus jedem der Mehrzahl der Bereiche entnommenen Probekörper mittels der Sensoreinrichtung gemessen wird und aus den Ergebnissen der Messungen an der Mehrzahl der aus jedem der Bereiche entnommenen Probekörper ein Extremwert bestimmt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe durch die Bearbeitung des Bauteils mit einer Bohreinrichtung (324) entnommen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeeinrichtung eine Einrichtung (328) zum Polieren desjenigen Abschnitts des Bauteils, aus dem die Probe entnommen worden ist, aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung einen SQUID-Sensor aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung eine Atommeßsonde bestehend aus einem Feldionenmikroskop und einem Massenspektrometer aufweist.

15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14 in einem Kernkraftwerk oder einem Chemiewerk.