DE69606626T2 - Verfahren und vorrichtung zum kontrolle von röhren mittels wirbelströmen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die Kontrolle von metallischen Rohren mittels Wirbelströmen, und sie findet eine besonders wichtige, jedoch nicht ausschließliche Anwendung in der Kontrolle von Hüllrohren von Brennstäben, die ein Material aufweisen, das die Neutronen absorbiert oder fruchtbar (fertile) ist, die den Steuerbündeln des Kernreaktors dienen.
• Aus der FR-A-2 585 869 ist ein Kontrollverfahren durch Wirbelströme von Brennstäben der Steuerbündel bekannt, die Spulen verwenden, durch die sicht die Brennstäbe erstrecken. Diese Spulen werden von einem hochfrequenten Strom gespeist. Die Analyse der Spannung an den Spulenenden, die der Impedanz entspricht, ermöglicht die Abnutzung der Rohre zu bestimmen.
• Diese Lösung gibt zufriedenstellende Resultate, wenn die Rohre homogen sind, beispielsweise aus nicht rostendem Stahl. Andererseits, ist sie nicht mehr zuverlässig, wenn sie herkömmliche Spulen verwendet, wenn die Rohre eine äußere Oberflächenschicht aufweisen, deren magnetische oder elektrische Eigenschaften beträchtlich von jenen des Basismetalls abweichen, beispielsweise weil die Rohre einer Oberflächenbehandlung unterworfen wurden, die dazu dient, deren Abnutzung zu verringern.
• Dieser Fall liegt insbesondere dann vor, wenn die Rohre aus Stahl sind und eine Oberflächenschicht von 10 um bis einigen Dutzend um Dicke aufweisen, angereichert mit Stickstoff, die durch elektrische Entladung in einer verringerten Atmo sphäre erhalten wird, die Stickstoff enthält (ionische Nitrierung) und die von ferromagnetischer Natur ist, oder aus Chrom, dessen elektrische Leitfähigkeit ungefähr sechsmal größer ist als jene des Basismetalls.
• Es ist ebenfalls (FR-A 881 643) eine zerstörungsfreie Prüfvorrichtung von ferromagnetischen Metallteilen bekannt. Hierzu untersucht die Vorrichtung das Teil mittels eines periodischen Magnetfeldes und beobachtet die in eine Meßspule induzierten Ströme. Das periodische Magnetfeld wird durch einen sich drehenden Induktionsmagneten (Fig. 2) durch eine Induktionsspule erzeugt, die von einem Wechselstrom durchlaufen wird (Fig. 7). Es wird niemals beabsichtigt, eine Vorrichtung zu schaffen, die beides aufweist.
• Eine weitere bekannte Vorrichtung (GB-A-1 030 687) weist einen ringförmigen Magneten auf, der zwischen Schließflanschen eines Magnetkreises durch ein zu untersuchendes Rohr gesetzt ist, und eine zentrale Spule wird mit einem Wechselstrom gespeist, und mit zwei seitlichen Erfassungsspulen.
• Die Erfindung zielt insbesondere darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontrolle zu schaffen, die besser auf die Anforderungen der Praxis reagiert als jene, die aus dem bisherigen Stand der Technik bekannt sind.
• Hierzu schlägt die Erfindung insbesondere eine Vorrichtung zur Kontrolle nach dem Anspruch 1 vor.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine jede der Führungen ringförmig ausgebildet, wobei sie einen äußeren Abschnitt in Anlage gegen eine Endseite des Magneten und einen Innenabschnitt aufweist, der zur anderen Führung konvergiert und in der unmittelbaren Nähe der Spule und im we sentlichen in radialer Richtung auf derselben Höhe wie jene endet.
• Die Energiezuführeinrichtungen weisen allgemein einen Oszillator auf, der ermöglicht, die Spule bei einer variablen Frequenz zwischen 100 kHz und wenigstens 4 MHz zu versorgen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung schlägt jene ebenfalls ein Verfahren zur Kontrolle mittels Wirbelstrom von metallischen Rohren gemäß Anspruch 10 vor.
• Die Erfindung zielt ebenfalls ersatzweise darauf ab, mittels Wirbelströmen, während desselben Meßvorgangs oder zwei aufeinanderfolgenden Meßvorgängen die Unterschiede des Spiels entlang des Rohres zwischen dem Rohr und einem Material, das es enthält, nachweisen zu können.
• Hierzu sind die Zuführeinrichtungen zum Versorgen der Spule mit der ersten Frequenz vorgesehen, um das innere Spiel zwischen den absorbierenden Materialien und dem Rohr festzustellen, und mit einer zweiten Frequenz, größer als 4 MHz, um die geometrischen Unterschiede des Rohres und die Risse des Rohres zu erfassen.
• Eine derartige Vorrichtung ist insbesondere nützlich, um Brennstäbe zu kontrollieren, die ein Außenrohr aus Stahl aufweisen, mit einer nitrierten oder chromierten Oberflächenschicht, und das eine Säule des absorbierenden Materials aufweist.
• Die Meßspule kann auf herkömmliche Weise in einem der Zweige einer Wheatstone'schen Brücke gesetzt sein, von der ein anderer Zweig eine Referenzspule aufweist, die ein Stück Eichrohr umgibt. Eine der Diagonalen der Brücke ist mit Zu führeinrichtungen bei hoher Frequenz und die andere Diagonale ist mittels eines Verstärkers und einem Demultiplexer verbunden, der zwei Auswertschaltkreise speist, die jeweils mit einer unterschiedlichen Frequenz beaufschlagt sind.
• Die obigen Eigenschaften sowie weitere Eigenschaften ergeben sich besser aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibungen einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, die uneinschränkend beispielhaft angegeben ist. Die Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
• - die Fig. 1 ein Prinzipschema ist, das eine Prüfmontage des Rohres mittels Wirbelströmen zeigt;
• - Fig. 2 einen Wirbelstrommeßkopf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
• - Fig. 3 eine schematische Schnittansicht des unteren Abschnitts eines Steuerbündelbrennstabs ist, das das absorbierende Material enthält, wobei das Vorhandensein von zwei unterschiedlichen Spielen gezeigt ist;
• - die Fig. 4 eine perspektivische Ansicht ist, die eine mögliche Verteilung der Meßköpfe in einer Kontrollvorrichtung der Hüllrohre der Brennstäbe eines Kernreaktorsteuerbündels zeigt.
• Die Kontrolle eines Rohres 10 mittels Wirbelströmen erfolgt herkömmlicherweise durch Vergleich des Rohres 10 und eines Referenzrohrstücks oder Eichrohrstücks 12, das keine Fehler aufweist, wie die Fig. 1 zeigt. Das zu untersuchende Rohr 10 wird entlang eines Kopfes bewegt, der eine Meßspule 14 aufweist, die in einen Zweig einer Wheatstone'schen Brücke 16 gesetzt ist, von der eine Diagonale mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist wird. Ein anderer Arm der Brücke ent hält eine Referenzspule 18, die das Eichrohrstück 12 umgibt. Die Meßspannung wird an der anderen Diagonale der Brücke abgegriffen und sie wird auf einen Differenzmeßverstärker 20 aufgebracht, dessen Ausgang numerisiert bzw. numerisch ist, wonach er durch ein Berechnungsorgan 22 weiterverarbeitet wird.
• Mehrere Meßspulen können dieselbe Referenzspule dank angepaßter Verbindungsschaltkreise verwenden.
• Um die Fehler von dünnen Stahlrohren nachzuweisen, wird die Brücke allgemein mit einer Wechselspannung bei einer Frequenz zwischen mehreren 100 kHz und einigen MHz gespeist.
• Um die Probleme, die von dem Vorhandensein einer oberflächlichen Schicht oder Hülle gegeben werden, die unterschiedliche Eigenschaften zu jenen des Basismetalls aufweist, zu beseitigen, kann der Meßkopf die in Fig. 2 gezeigte Ausbildung aufweisen. Die Spule 14 ist um ein Schutzrohr 16 in einer Spulenaufnahme 18 aufgewickelt. Sie ist in einem Körper 20 eingeschlossen, der aus einem isolierenden Material sein kann und einen Ringmagneten 22 aufweist. Der Magnetkreis dieses Magneten schließt sich durch zwei Flußführungen 24 aus einem Material mit großer magnetischer Permeabilität, sogar mit erhöhter Induktion, beispielsweise aus Ferrit.
• Eine jede der beiden Führungen ist ringförmig. Sie besitzt einen äußeren Abschnitt in Form einer Scheibe, in Anlage gegen eine Endscheibe des ringförmigen Magneten 22 und einen Innenabschnitt. Dieser letztere konvergiert zu der anderen Führung und endet in unmittelbarer Nähe zur Spule und im wesentlichen auf der Höhe mit ihr in radialer Richtung. Zwischen den Innenabschnitten herrscht eine Lücke. Ihre Breite ist wenigstens gleich jener der Spule.
• Der Kopf weist ebenfalls Elemente auf, die dazu dienen, die Spule 18 beim Hindurchführen eines verbogenen oder bauchigen Rohres zu schützen und das Rohr zu zentrieren.
• In dem in Fig. 2 dargestellten Fall weisen diese Elemente zwei Zentrierungsbürsten 26 auf, beispielsweise aus einem leicht nachgiebigen Kunststoffmaterial, das in einem Stahlring 28 angebracht ist, beispielsweise aus nicht rostendem Stahl. Jeder Ring 28 kann einen inneren Rand 30 mit einem Durchmesser aufweisen, der leicht größer ist, als der nominale Durchmesser des zu untersuchenden Rohres, wodurch die Gefahr von Beschädigungen der Spule durch eine aufgebauschte Zone des Rohres reduziert wird, wobei dieses angehalten wird.
• Der ringförmige Magnet 22 und die Magnetflußführungen 24 werden in Abhängigkeit der Eigenschaften der Oberflächenschicht ausgewählt, derart, daß letztere magnetisch gesättigt wird. Wenn beispielsweise das Rohr aus nichtrostendem Stahl mit Oberflächennitrierung ist, werden der Magnet und die Führungen derart ausgewählt, daß das magnetische Feld in der unmittelbaren Nähe der Spule maximal ist.
• Diese Anordnung ermöglicht den Fluß in ein reduziertes Nutzvolumen zu konzentrieren, unter Beibehalten einer optimierten Spule, derart, daß sie über ein breites Frequenzband funktioniert, ausgehend beispielsweise von 100 kHz bis 4 MHz im oben betrachteten Falle von nicht rostenden Stahlrohren, die einen äußeren dünnen Überzug aufweisen, der über eine Tiefe von 10 bis 20 um nitriert ist.
• Man kann beispielsweise eine Kontrolle bei einer Frequenz f1 von ungefähr 4 MHz durchführen, um die unnormalen Abnutzungen und die Risse zu erfassen, und bei einer Frequenz f2 = 400 kHz, was ermöglicht, die brutalen Veränderungen des Spiels zwischen dem Rohr und einem Metallelement nachzuweisen, das es enthält (hervorgerufen durch die Verwendung eines Elements, dessen Durchmesser gewollt örtlich reduziert ist) oder von zunehmenden Veränderungen aufgrund von Aufblasungen oder Aufweitungen.
• Die Untersuchung der Rohre mit einer Frequenz f2, die relativ tief ist, ermöglicht beispielsweise die Höhe des Übergangs zwischen einer absorbierenden Säule 32, die einen ersten Durchmesser aufweist und einer absorbierenden Säule 34, die einen anderen Durchmesser aufweist, im Inneren eines Hüllrohres 10 (Fig. 3) zu erfassen. Die Impedanz der Meßspule, wenn sie mit einer ausreichend tiefen Frequenz gespeist wird, damit die Wirbelströme in die Tiefe eindringen, ist eine Funktion des Spiels zwischen dem inneren Element und dem Rohr. Die Relation zwischen den beiden kann durch vorheriges Eichen an einem Referenzrohr bestimmt werden, das ein Element mit einem sich schrittweise verkleinernder Durchmesser enthält. Das bei niedriger Frequenz erhaltene Signal wird um 90º versetzt, im Gegensatz zur Komponente des Ausgangssignals aufgrund der Abnutzung oder der Fehler der Hülle.
• Die Orte der Fehler in Längsrichtung ausgehend von dem Endspitzkegel 36 eines Hüllrohres, und der Ort der Übergänge zwischen dem Spiel j1 und dem Spiel j2 können unter Messen der Verschiebung des Rohres 10 mit Hilfe eines Höhenmessers gemessen werden, der beispielsweise ein Rad 40 in Anlage gegen den Brennstab oder gegen einen Brennstab aufweist, der sich zur selben Zeit wie jener bewegt. Die Untersuchung eines Rohres kann gleichzeitig bei den zwei Frequenzen f1 und f2 erfolgen unter Einspeisen in die Brücke 16 der beiden Frequenzen gleichzeitig und unter deren Trennen, am Ausgang des Verstärkers 20, in einem Demultiplexer.
• Es ist ebenfalls möglich, eine Messung bei einer Dritten Frequenz zwischen f1 und f2 durchzuführen. Das erhaltene Signal ermöglicht, durch Vergleich mit den Referenzsignalen, die an Stücken erhalten wurden, die Abnutzungen oder Fehler von bekannter Art aufweist, die Art der nachgewiesenen Fehler bei der Frequenz f1 zu präzisieren.
• Die Erfindung ist insbesondere für die Kontrolle der Hüllrohre der Brennstäbe eines Kernreaktorsteuerbündels verwendbar, unter Verwendung einer Vorrichtung von der Art, wie sie in der FR-A-2 585 869 beschrieben ist. Zum Kontrollieren der vierundzwanzig Brennstäbe desselben Steuerbündels in nur zwei Durchgängen, kann die Vorrichtung vorgesehen sein, um zwölf Brennstäbe gleichzeitig zu untersuchen. Die Köpfe 14, die die zwölf Meßspulen enthalten, sind auf einen Körper eines Korbs 42 (Fig. 4) gesetzt. Dieser Körper ist an einem Chassis 44 befestigt, der die Referenzspulen 18 trägt, die auf einem, zwei oder drei Rohrstücken aufgereiht sind. Ein Deckel 46 weist rohrförmige Verlängerungen auf, die in die Meßköpfe eindringen und die Rohre bei deren Zirkulation zentrieren. Die Meßköpfe sind schwimmend in den Korb 42 angebracht, um einen Versatz der Brennstäbe bezüglich ihrer nominalen oder Normalposition zuzulassen.
• Die Analyse einer Gruppe von zwölf Brennstäben eines Steuerbündels oder allgemeiner einer Gruppe von n/m Brennstäben (wo n die Gesamtzahl der Brennstäbe des Steuerbündels und m eine ganze Teilzahl von n ist) kann auf folgende Weise durchgeführt werden.
• Das Behandlungsorgan der Signale weist so viele Bahnen auf, wie gleichzeitig zu kontrollierende Brennstäbe vorhanden sind, wobei diese Bahnen zunächst kalibriert werden. Sodann wird das Bündel derart bewegt, daß die Brennstäbe über ihre gesamte Länge sich an den Meßspulen vorbeibewegen, die mit wenigstens der ersten Frequenz f1 beaufschlagt sind. Die numerischen Werte der Ausgangsspannungen der Meßbrücken werden gleichzeitig wie die Höhe der Brennelemente aufgenommen, wobei sie nur an einem von ihnen aufgenommen werden. Zeitlich versetzt ermöglicht die Analyse der aufgenommenen Ausgangssignale das Maß der Abnützung bei einem jeden der Niveaus zu bestimmen und die Zonen der Brennstäbe festzustellen, in denen eine genauere Analyse, beispielsweise mittels Ultraschall, durchgeführt werden muß. Diese Untersuchung mittels Ultraschall kann mit Hilfe eines beweglichen Meßkopfes durchgeführt werden, der sich auf irgendeine Bahn der Brennstäbe setzen kann, die sich nicht in einer Wirbelstromprüfung befinden, wobei er eine Sonde aufweisen kann, die sich in einem Sondenträger um den Brennstab drehen kann, um eine Kartographie des Umfangs auf einem vorbestimmten Niveau durchzuführen.
• In einer Ausführungsvariante wird eine Ultraschallprüfung zur gleichen Zeit, wie die Wirbelstromprüfung durchgeführt, jedoch werden die durch die Ultraschallprüfung erhaltenen Signale nur in den als zweifelhaft angegebenen Zonen durch Wirbelstromprüfung analysiert.
• Die Bestimmung des Niveaus der Übergänge zwischen den Spielen kann gleichzeitig oder getrennt erfolgen. Allgemein reicht es aus, diese Bestimmung des Ortes der Übergänge über einen Teilbereich (oft der untere Abschnitt) der Brennstäbe durchzuführen.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Kontrolle mittels Wirbelströmen von metallischen Rohren (10) mit einem Meßkopf, der eine Meßspule (14) aufweist, die dazu dient, ein Rohr zu umfassen und mit Einrichtungen zum Speisen der Spule mit Hochfrequenzspannung, höher als 100 kHz und zum analysieren der Impedanz der Spule, wobei die Vorrichtung zur Kontrolle des Rohres dient und an ihrer Außenseite eine dünne Schicht von magnetischen und elektrischen Eigenschaften aufweist, die unterschiedlich sind zu jenen des tieferliegenden Metalls, und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kopf einen ringförmigen Magneten (22) enthält, der die Spule umgibt und Magnetflußführungen (24) enthält aus einem Material von erhöhter Durchlässigkeit, die die Spule in axialer Richtung einrahmen und mit dem Magneten einen magnetischen Kreis bilden, wobei die Führungen zueinander und zur Spule konvergieren, um ein Magnetfeld zu schaffen, dessen Intensität bzw. Stärke im Inneren der Spule und in der Nähe von dieser maximal ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede der Führungen (24) die Form eines Rings aufweist, der einen Außenabschnitt in Anlage gegen den Magneten und einen Innenabschnitt aufweist, der zu der anderen Führung konvergiert und in der unmittelbaren Nähe der Spule und im wesentlichen auf der selben Höhe wie diese in radialer Richtung endet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf die Form einer Muffe aufweist und an seinen Enden in axialer Richtung Zentrierungsbürsten (26) des Rohres in dem Kopf aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede Bürste (26) einem Ring (28) zugeordnet ist, der mit einer Durchtrittsöffnung versehen ist, von einem Durchmesser, der leicht größer ist als der nominale Durchmesser der zu untersuchenden Rohre, derart, daß die Spule und die Führungen gegen das Einführen eines aufgeblasenen Rohres geschützt werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen einen Oszillator aufweisen, der ermöglicht die Spule mit einer variablen Frequenz zwischen 100 kHz bis zu wenigstens 4 MHz zu versehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Meßspule eine Abmessung aufweist, die ihr ermöglicht, einen Steuergreiferbrennstab für Kernreaktoren aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen dazu vorgesehen sind, die Spule zu speisen bei einer ersten Frequenz zwischen 100 kHz und 500 kHz und einer zweiten Frequenz, die größer als 4 Mhz ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen vorgesehen sind, um die Spule bei einer dritten Frequenz zu speisen, die zwischen den beiden ersten liegt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule in einem der Arme einer Wheatstone'schen Brücke gesetzt ist, von der ein weiterer Arm eine Referenzspule (18) aufweist, die ein Stück des Eichrohres (12) umgibt, daß eine der Diagonalen der Brücke mit Hochfrequenzspeiseeinrichtungen verbunden ist, und daß die andere Diagonale über einen Verstärker (20) mit einem Demultiplexer verbunden ist, der zwei Nutzschaltkreise speist, von denen jeder mit einer unterschiedlichen Frequenz beaufschlagt wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßköpfe schwimmend in dem selben Korb angebracht sind, wobei jeder so bemessen ist, daß er ein Rohr aufnehmen kann.

10. Verfahren zur Kontrolle eines metallischen Rohres, das an seiner Außenseite eine dünne Schicht von magnetischen und elektrischen Eigenschaften aufweist, die unterschiedlich sind zu jenen des tieferliegenden Metalls, gemäß dem eine Spule gespeist wird, die das Rohr umgibt, mit einer ersten Spannung bei einer Frequenz zwischen 100 kHz und 500 kHz, um die inneren Spiele zwischen dem Metallrohr und seinem Inhalt zu erfassen, und mit einer zweiten Spannung bei einer Frequenz größer als 4 MHz, um die geometrischen Veränderungen des Rohres und seine Risse zu erfassen, wobei gleichzeitig der Ort des Rohres im Inneren der Spule einem kontinuierlichen magnetischen Feld unterworfen wird, das ausreicht um magnetisch die dünne Schicht zu sättigen und die Spannung an den Anschlüssen der Spule analysiert wird, um ihre Impedanz zu messen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungen der Spannung in Abhängigkeit der Bewegung des Stabes erfaßt werden, um die zweifelhaften Zonen zu bestimmen, die zusätzlich einer Untersuchung durch ein weiteres Verfahren unterworfen werden.