DE4424555A1 - Erfassung von Korrosionsermüdungsrissen in Membrankesselrohren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Erfassen von Korrosionsermüdungsrissen in Membrankesselrohren und insbesondere auf ein Verfahren zum Erfassen von Korrosionsermüdungs­ rissen in Membrankesselrohren, welche EMATS verwenden.

Korrosionsermüdung ist eine Form eines Ausfallmechanismus, der bei Kesselrohren in mit fossilen Brennstoffen gefeuerten Mehrzweckkesseln vorgefunden wird. Der Mechanismus der Korrosionsermüdung ergibt sich aus der Zusammenwirkung von mechanischer Beanspruchung und Korro­ sion. Zyklische Beanspruchung ist schädigender als eine konstante Beanspruchung, und demzufolge gibt es mehr Ausfälle dieses Typs. Der tatsächliche Schaden besteht aus einer Rißeinleitung und einem Wachs­ tum von der wasserseitigen Oberfläche (I.D.) des Kesselrohrs. Mehrfaches Reißen tritt gewöhnlich mit einem dominierenden Riß auf, was einen Wanddurchbruch-Ausfall verursacht. Risse sind typischerweise breit, gefüllt mit Oxid, und erscheinen mit einem unregelmäßigen Nasenprofil. Der Schaden, der aus diesen Rissen resultiert, ist besonders schwer bei Universaldruckeinheiten (UP), welche auch als Einmaldurchlauferhitzer bzw. -kessel bekannt sind.

Das Rißwachstum ist gewöhnlich in einer Richtung senkrecht zur maxi­ malen Spannungsbeanspruchung und hängt von der bestimmten Beanspru­ chungssituation ab; Reißen, das von Beanspruchung unterstützt ist, kann in Längsrichtung, in Umfangsrichtung oder manchmal schräg bei einem Winkel sein. Typischerweise ist bei den UP-Wasserwandpaneelen das Reißen in Längsrichtung. Die Rohre in den Wasserwandpaneelen fossiler Einheiten haben Risse, die durch ID eingeleitet sind, radial orientiert sind, wobei die Ausfälle typischerweise an den Membranschweißstellen oder 90° von den Membranschweißstellen auf entweder der Heizseite oder der Gehäuseseite auftreten.

Wenn dieses Problem bei einem Mehrzweckkessel in der Vergangenheit vermutet wurde, war das hauptsächliche Erfassungsverfahren die Radio­ graphie. Unglücklicherweise gibt es im Zusammenhang mit Radiographie Gesundheitsrisiken, und aufgrund der Strahlung werden große Bereiche benötigt, welche während der Inspektion zu evakuieren sind. Folglich gab es verschiedene Versuche, um diesen Schadenstyp durch Ultraschall­ techniken zu lokalisieren. Eine herkömmliche Ultraschalltechnik hat sich als langsam erwiesen und kann somit nur als eine Überwachungstechnik für die Hochrisikobereiche in dem Kessel dienen. Dabei gab es immer noch ernste Probleme, die von schlechten Signal-Rausch-Verhältnissen herrührten, und zwar deutlich bei Rohren mit Durchmessern kleiner als 150 mils. Ein Hauptproblem im Zusammenhang mit Ultraschalltesttech­ niken war, daß Risse mit gleicher Wahrscheinlichkeit auf sowohl der Heiz- als auch der Gehäuseseite des Membranröhrenpaneels auftreten können. Die Ultraschalltechnik involviert das Ausbreiten von Ultraschall über die Membran hinaus, welche eine komplexe Geometrie hat. Das andere praktische Problem mit dem Ultraschallverfahren ist die Größe der Kesselrohre. Aufgrund der kleinen Größe der Rohre gibt es sehr wenig Raum für einen Ultraschallkeil.

Somit gibt es einen Bedarf nach einer alternativen Herangehensweise, um Kesselrohre nach Korrosionsermüdung zu inspizieren. Das Verfahren sollte schnell sein mit viel besseren Signal-Rausch-Verhältnissen als bei der herkömmlichen Ultraschalltechnik.

Die vorliegende Erfindung löst die vorgenannten Probleme des Standes der Technik sowie andere Probleme, indem ein Verfahren zum Erfassen von Korrosionsermüdungsrissen in Membrankesselrohren bereitgestellt wird, und zwar unter Verwendung von elektromagnetischen, akustischen Wandlern (eletromagnetic acoustic transducers, EMATS). SH-Scherwellen werden zur Inspektion der Kesselrohre verwendet, und die SH-Scherwel­ len unterlaufen keiner Modenumwandlung nach mehrmaligen Reflexionen. Der Strahlwinkel ist ebenso leicht steuerbar mit der Einstellung der Frequenz.

Es ist demgemäß ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Erfassen von Korrosionsermüdungsrissen in Membrankesselrohren unter Verwendung von EMATS bereitzustellen.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, bei dem kein Kopplungsmittel erforderlich ist, mit besseren Signal-Rausch- Verhältnissen als bei der herkömmlichen Ultraschalltechnik bereitzustel­ len.

Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches SH-Scherwellen verwendet, welche keiner Moden­ umwandlung nach mehrmaligen Reflexionen unterlaufen. Es ist immer noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereit­ zustellen, welches zuverlässig, schnell und wirtschaftlich ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegen­ den Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Veranschaulichung einer Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, angeord­ net an einem Abschnitt eines Membranröhrenpaneels;

Fig. 2 eine schematische Veranschaulichung eines anderen Ausführungs­ beispiels der vorliegenden Erfindung, welches verwendet wird, um das Kesselröhrenpaneel zu untersuchen;

Fig. 3 ein Graph von einem Computer; welcher einen vollständigen Umlauf zeigt; und

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich zu Fig. 3, welche die Erfassung eines natürlichen Fehlers zeigt.

Es wird nun Bezug genommen auf die Zeichnung, wo gleiche Bezugs­ zeichen gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten bezeichnen. Zuerst bezugnehmend auf Fig. 1 sind zwei EMAT-Spulen 10, 20 gezeigt, die an einem Kesselrohr 12 angeordnet sind. Das Kesselrohr 12 ist Teil eines Membranröhrenpaneels 14, welches in dieser Technik gut bekannt ist. Die EMAT-Spulen 10, 20 bestehen aus zwei Mäanderspulen mit einer Trennung benachbarter Leiter; und zwar mit einer Beabstandung, die von 0,030′′ bis 0,060′′ variiert. Ein geeignetes Beispiel enthält fünf benachbarte Schleifen zu einer einzelnen Spule, wobei die Abmessungen der Spule 5/16′′ × 5/8′′ betragen. Die EMAT-Spulen 10, 20 sind bei etwa 120° bis 170° an der benachbarten Membranpaneele 14, wie gezeigt in Fig. 1, angeordnet. Mit dieser Anordnung können irgendwelche zwei EMAT-Spulen in einem Teilungsaufnahmemodus verwendet werden, oder es kann irgendeine einzelne EMAT-Spule in einem Pulsechomodus verwendet werden. Die EMAT-Spulen 10, 20 sind mit einer Verschleiß­ platte 16 geschützt, wie etwa eine Titan-Verschleißplatte, gezeigt in Fig. 1, welche benachbart dem Kesselrohr 12 angeordnet ist. In alternativer Weise können die EMAT-Spulen 10, 20 mit einem geeigneten verschleiß­ resistenten Material, wie etwa ein Polyethylenband oder dünnes Titan, abgedeckt werden. Die EMAT-Spulen 10, 20 und die Verschleißplatte 16 zusammen mit einem gepulsten Magnet 18, welcher ein Elektromagnet ist, bilden die EMAT-Wandleranordnung 8. Der gepulste Magnet 18 wird mit einer geeigneten Halterung zusammen mit den anderen Kom­ ponenten des Wandlers 8 getragen. Der gepulste Magnet 18 liefert das für dieses Verfahren notwendige Magnetfeld. Ein Abtasten des Kessel­ rohrs 12 an der Membranpaneele 14 wird entweder mechanisch mit einem mechanischen Abtaster (nicht gezeigt) oder manuell bewerkstelligt. Die Orientierung der Sensoren ist derart, daß die Magnetfeldlinien parallel zum EMAT-Leiter sind. Andere Winkel zwischen EMAT und Leitern können verwendet werden.

Da die EMAT-Spulen 10, 20 bidirektional sind, verwendet ein alternati­ ves Ausführungsbeispiel eine EMAT-Spule 10, um ein Übersprechen zwischen den zwei Sensoren zu vermeiden, wobei in einem Pulsechomo­ dus gearbeitet wird. Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, wo die einzelne Sensor-EMAT-Spule verwendet wird, um das Kesselrohr 12 abzutasten. Die zwei Sensorspulen werden abwechselnd in einem Puls­ echomodus verwendet, um unterschiedliche Abschnitte des Rohrs abzu­ decken. Zum Beispiel kann der Bereich unter Sensor 1 nicht ohne Sensor 2 untersucht werden, und umgekehrt. Ein EMAT-Pulsgeber- Empfänger 24, welcher von einer Energieversorgung (nicht gezeigt) betrieben wird, empfängt die ausgebreiteten Ultraschallwellen und zeigt sie auf einem Oszilloskop oder einem Computer 28 an. Der Magnet­ pulsgeber 26 zusammen mit dem Sensor 22 erzeugt die SH-Scherwellen zum Untersuchen der Kesselrohrs 12. Für das in Fig. 1 gezeigte Aus­ führungsbeispiel ist die EMAT-Datensammelinstrumentierung 24, 28 mit zwei Kanälen für die zwei EMAT-Spulen 10, 20 versehen, welche die SH-Scherwellen erzeugen. Die EMAT-Spulen 10, 20 sind mit einem Computer oder einem Oszilloskop 28 verbunden, welcher bzw. welches die Signale davon empfängt. Eine Datensammlung wird durch das Oszilloskop oder den Computer 28 auf zumindest zwei unterschiedliche Modi ausgeführt. Entweder werden die Wellenformen und Fenster direkt angezeigt oder es wird die Spitzenamplitude in jedem Fenster angezeigt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Datensammlungsanzeige in vier Fenstern. Das erste Fenster (W1) wurde an den Anfang der anfänglichen Impuls­ anregung gesetzt. Das vierte Fenster (W4) wurde an die Position des vollständigen Umlaufs um das Kesselrohr 12 gesetzt. Fig. 4 zeigt am dritten Fenster (W3) das Signal von einem natürlichen Fehler. Dieses Signal befindet sich zwischen (W1) und (W4), und es ist nicht bekannt, ob sich der Fehler auf der Heizseite oder der Gehäuseseite befindet aufgrund der bidirektionalen Natur der EMAT-Spulen 10, 20. Die vertikalen gepunkteten Linien auf der Anzeige stellen zehn verwendete Zeitintervalle dar. Diese Ergebnisse wurden mit Kesselröhren mit einem Außendurchmesser (O.D.) von 1,25 Inch erhalten.

Der Strahlwinkel ist für einen gegebenen Röhrendurchmesser und eine gegebene Wanddicke kritisch. Die Beziehung zwischen dem Strahlwinkel und der Frequenz ist durch die folgende Formel gegeben:

sin R = c/2Df

wobei

f = Frequenz
c = Scherwellengeschwindigkeit
D = Trennung zwischen benachbarten Leitern in der EMAT- Spule.

In der Praxis wird der richtige Winkel durch Untersuchen eines Kalibrie­ rungsnormals mit eingearbeiteten Kerben bestimmt, welche die ID-Risse simulieren.

Auswechselbare EMATS sind für unterschiedliche Rohrdurchmesser erforderlich. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist an Rohren viel besser, wenn die Oxidschicht intakt belassen wird. Dies ist wahrscheinlich aufgrund der magnetostriktiven Eigenschaften der Oxidbeschichtung.

Als ein Beispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beträgt der bevorzugte Strahlwinkel in Stahl 52,9°, wenn mit einer Frequenz von 2,63 MHz gearbeitet wird. Wegen der Außendurchmesserkrümmung des Rohrs ist dies nicht der Winkel, bei dem die SH-Scherwellen den Fehler schneiden. Für Kesselrohre mit einem Außendurchmesser von 1,25 Inch ist herausgefunden worden, daß die optimale Frequenz zwischen etwa 2,63 MHz und 2,75 MHz beträgt. Dieser Winkel wird für jede Kom­ bination von Rohrdurchmesser und Wanddicke unterschiedlich sein.

Während spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt worden sind und im Detail beschrieben worden sind, um die Anwendung der Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen, wird verstanden werden, daß die Erfindung ansonsten ohne das Abweichen von solchen Prinzi­ pien ausgeführt werden kann.

Claims (6)

1. Verfahren zum Erfassen von Korrosionsermüdungsrissen in Kesselröh­ ren, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Positionieren zumindest eines elektromagnetisch-akustischen Wandlers außen an ein Kesselrohr;
Erzeugen von Ultraschall-SH-Scherwellen mit dem zumindest einen elektromagnetisch-akustischen Wandler;
Ausbreiten der Ultraschall-SH-Scherwellen in das Kesselrohr unter einem vorbestimmten Strahlwinkel;
Messen der zurückkehrenden Ultraschall-SH-Scherwellen von dem Kesselrohr mit dem zumindest einen elektromagnetisch-akustischen Wandler; und
Bestimmen, und zwar aus den zurückkehrenden Ultraschall-SH-Scher­ wellen, irgendwelcher Korrosionsermüdungsrisse mit einer Daten­ sammeleinrichtung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt des Abtastens des Kesselrohrs nach Korrosionsermüdungsrissen aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Positionierschritt aufweist: Bereitstellen zweier elektromagnetisch-akustischer Wandler-Spulen bei etwa 120° bis 170° voneinander getrennt neben dem Kesselrohr.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ultraschall-SH-Scherwellen mit einer Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 4 MHz abhängig vom Rohrdurchmesser und der Wanddicke erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Frequenz der Ultraschall-SH- Scherwellen in einem Bereich von 1 MHz bis 4MHz wie erforderlich einstellbar ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der vorbestimmte Strahlwinkel durch die Rohrgröße bestimmt ist und durch ein Einstellen der Frequenz erhalten wird, um den gewünschten Strahlwinkel durch die Beziehung sin R = c/2Df zu erhalten.