Geführte Wellen

Übersicht

Die gebräuchlichsten UT-Prüftechniken beinhalten die Verwendung von Volumenwellen, bei denen die Grenzen der Struktur nur Reflektoren sind, die die Ausbreitungsart nicht grundlegend verändern. Bulk-Wellen haben nur zwei Moden, Longitudinal- und Scherwellen, und werden typischerweise zur Prüfung von Bereichen in der Nähe des Schallkopfs verwendet.

Die Prüfung mit geführten Wellen (GW) hingegen ist eine Technik, bei der sich die Ultraschallwellen durch die Begrenzungen einer Struktur ausbreiten und diese Begrenzungen die Ausbreitungsart aktiv beeinflussen. Im Gegensatz zu Volumenwellen kann es auf einer gegebenen Struktur Hunderte von geführten Wellenmoden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Frequenzen geben. Die Anzahl der Moden erhöht exponentiell die Komplexität in der Analyse, öffnet aber auch die Tür zu unzähligen neuen Anwendungen von UT.

Geführte Wellen
Abbildung 1: Geführte Wellen


Da die Begrenzungen der Struktur es den Ultraschallwellen erlauben, große Entfernungen mit geringem Energieverlust zurückzulegen, besteht eine der häufigsten Anwendungen von geführten Wellen darin, große Materialbereiche von einem einzigen Prüfpunkt aus abzudecken. Diese Anwendungen werden üblicherweise als Long Range UT (LRUT) und Medium Range UT (MRUT) bezeichnet, abhängig von der zurückgelegten Entfernung. Unter dieser Klassifizierung wird Short Range UT ausschließlich für Volumenwellenverfahren (Normalstrahl, Schrägstrahl) verwendet, da diese typischerweise zur Prüfung des Bereichs unmittelbar unter oder in unmittelbarer Nähe des Schallkopfs eingesetzt werden.

Langstrecken-UT (LRUT)


Long Range UT (LRUT) bezieht sich auf die Verwendung von geführten Wellen für die Inspektion von hohlzylindrischen Strukturen, wie z. B. Rohren und Schläuchen, unter Verwendung eines Rings von Schallköpfen, die um die Struktur herum angeordnet sind. Die Interaktion aller Strahlen von den verschiedenen Schallköpfen, die sich innerhalb der Rohrgeometrie befinden, erzeugt eine einheitliche Wellenfront, die die Rohrgeometrie ausfüllt und das Zurücklegen großer Entfernungen ermöglicht. Abhängig vom Rohrmaterial und den Grenzbedingungen (z. B. Rohrbeschichtungen, umgebendes Erdreich / Zement, Flüssigkeiten oder Feststoffe im Inneren des Rohrs) können LRUT-Ringe verwendet werden, um bis zu ca. 100 m vor und hinter dem Inspektionsring zu inspizieren.

Die zwei verfügbaren Typen von kommerziellen LRUT-Ringen sind piezoelektrische und magnetostriktive EMAT. Bei den piezoelektrischen Systemen sind die Aufnehmer druckgekoppelt oder auf das Rohr geklebt. Bei magnetostriktiven EMAT-Systemen wird ein hochmagnetostriktiver dünner Streifen aus FeCo oder einem ähnlichen Material ebenfalls druckgekoppelt oder mit Klebeband auf das Rohr geklebt, und eine EMAT-Spule wird darauf positioniert, um den Ultraschall auf dem Streifen zu erzeugen, der anschließend in das Bauteil eingekoppelt wird.

Mittlere Reichweite UT (MRUT)

Medium Range UT (MRUT) ist ein Begriff, der im letzten Jahrzehnt eingeführt wurde, um zwischen Volumenwellen-UT-Techniken (kurze Reichweite) und LRUT zu unterscheiden. MRUT verwendet Lamb- oder Scher-Horizontalmoden und kann zur Prüfung von Rohren und Leitungen sowie von Platten / Tanks und anderen unrunden Strukturen verwendet werden. Während LRUT eine komplexe Analyse der multimodalen Rohrmoden (Biege-, Longitudinal- und Torsionsmoden) erfordert, verwendet MRUT Formulierungen für geführte Wellen mit einem Sensor, die viel einfacher zu berechnen und zu interpretieren sind. Die mit MRUT abgedeckte Entfernung variiert mit der Sensorapertur und dem Rohrdurchmesser, aber aufgrund der Strahlenausbreitung beträgt die maximale Abdeckung ca. 2,7 m (9 ft) in Rohren und 5 m (16 ft) in Platten und Tanks. Neben der einfacheren Auswertung sind die Hauptvorteile von MRUT gegenüber LRUT die kleinere Totzone (typischerweise weniger als 50 mm im Vergleich zu 1 bis 2 m bei LRUT) sowie die höhere Auflösung und die Defekterkennungsmöglichkeiten, die um eine Größenordnung größer sein können als bei LRUT.

Es gibt keine theoretische Grenze in Bezug auf die maximale Dicke, die mit geführten Wellen geprüft werden kann, aber für praktische Zwecke wird die Grenze oft auf etwa 1" (25 mm) festgelegt. Dicken bis zu 1,5" (37 mm) sind ebenfalls möglich, aber das Vorhandensein mehrerer Moden kann die Interpretation erschweren.



Lorentzkraft vs. Magnetostriktion

Ultraschall in EMAT-geführten Wellen kann mit zwei Methoden erzeugt werden:

  • Geführte Wellen mit Lorentzkraft
  • Geführte Wellen mit magnetostriktiver Technik

Geführte Wellen mit Lorentzkraft

Wie unter dem Abschnitt EMAT-Technologie erläutert, werden bei geführten Wellen mit Lorentzkraft Ultraschallwellen in ein Prüfobjekt mit zwei interagierenden Magnetfeldern innerhalb des EMAT-Sensors induziert. Ein relativ hochfrequentes (HF) Feld, das von elektrischen Spulen erzeugt wird, interagiert mit einem niederfrequenten oder statischen Feld, das von Magneten erzeugt wird, um eine Lorentz-Kraft zu erzeugen, ähnlich wie bei einem Elektromotor.

Diese Störung wird auf das Gitter des Materials übertragen und erzeugt eine elastische Welle. In einem reziproken Prozess induziert die Wechselwirkung von elastischen Wellen in Anwesenheit eines Magnetfeldes Ströme im empfangenden EMAT-Spulenkreis.

Ultraschall-Schallerzeugung mit Lorentz-Kraft
Abbildung 2: Ultraschall-Schallerzeugung mit Lorentz-Kraft


Verfahren, die Lorentz-Kräfte verwenden (wie das MRUT-Lamb-Verfahren), erfordern, dass sich die Sensoren in unmittelbarer Nähe des Teils befinden, können aber mit einem gewissen Abheben durch Beschichtungen oder Verschmutzung umgehen. Obwohl dies je nach Frequenz variiert, können MRUT-Lamb-Verfahren typischerweise bis zu 3 mm Abhebung bewältigen.

Geführte Wellen mit magnetostriktiver Technik

Die von Innerspec patentierte Methode der geführten Wellen mittels Magnetostriktion zur Erzeugung von Ultraschallwellen erfordert das Aufkleben eines magnetostriktiven Streifens (aus FeCo) auf das zu prüfende Teil. Dieser Streifen kann druckgekoppelt oder mit Klebeband / Klebstoff auf das geprüfte Teil geklebt werden.

Beim magnetostriktiven Sensor überstreicht der Prüfer den magnetostriktiven Streifen mit einem Permanentmagneten (in Prüfrichtung des Sensors). Dieser Vorgang erzeugt ein vormagnetisiertes Magnetfeld auf dem Streifen. Die Wechselwirkung zwischen dem vorgespannten Magnetfeld und dem dynamischen Feld, das durch den tangentialen Stromfluss in der Spule des Sensors induziert wird, erzeugt magnetostriktive Dehnungen auf dem Streifen. Diese Dehnung wiederum induziert Ultraschallwellen im magnetostriktiven Band, die dann auf das Gitter des geprüften Materials übertragen werden.

Ultraschall-Schallerzeugung mit magnetostriktiver Technik
Abbildung 3: Ultraschall-Schallerzeugung mit magnetostriktiver Technik


Magnetostriktive Techniken (wie die MRUT mit Scher-Horizontalwellenmoden-Technik) erfordern, dass der Streifen auf das Grundmaterial aufgebracht wird. Das Material kann Farbe oder Epoxid haben, solange es hart ist und fest am Teil haftet. Sobald der Streifen ordnungsgemäß auf das Rohr aufgetragen ist, ist die Dicke der Beschichtung nicht mehr relevant.

MRUT-Lamm

Die MRUT-Lamb-Technik ist eine Technik der geführten Wellen, die Lamb-Wellen zur Erzeugung von Ultraschallscans verwendet. Die Lamb-Wellen werden mit der EMAT-Lorentz-Kraft erzeugt. Das MRUT-Lamb-Verfahren kann in zwei verschiedenen Konfigurationen verwendet werden:

  • Impuls-Echo-Modus: Ein einzelner Sensor sendet und empfängt das Ultraschallsignal. Der Sensor erkennt Reflektionen von Defekten entlang des Materials.
  • Pitch-Catch-Modus: Konfiguration mit zwei Sensoren - ein Sensor sendet, während der andere das Ultraschallsignal empfängt. Defekte entlang des Materials führen zu Laufzeitverschiebungen (TOF) und einer Verringerung der Amplitude.
MRUT-Lamb - Inspektion mit Impuls-Echo-Modus
Abbildung 4: MRUT-Lamb - Prüfung mit Puls-Echo-Modus


MRUT-Lamm - Inspektion mit Pitch-Catch-Modus
Abbildung 5: MRUT-Lamm - Inspektion mit Pitch-Catch-Modus


Merkmale der MRUT-Lamb-Technik:
- Reichweite | Bis zu ca. 5 ft. auf jeder Seite des Sensors.
- Scangeschwindigkeit | Bis zu 1" pro Sekunde.
- Beschichtungen | Inspektion von Beschichtungen von bis zu 0,125" (3,0 mm).

MRUT-SH

Das MRUT-SH-Verfahren ist ein Verfahren mit geführten Wellen, das horizontale Scherwellen (SH-Wellen) zur Erzeugung von Ultraschallscans verwendet. Die SH-Wellen werden mit magnetostriktiver Kraft erzeugt, wobei ein magnetostriktiver Streifen (MS-Streifen) verwendet wird. Da ein Sensor sowohl für den Sender als auch für den Empfänger verwendet wird (d. h. im Impuls-Echo-Modus), erkennt der Sensor Reflexionen von Defekten entlang des Materials.

MRUT-SH - Inspektion mit Impuls-Echo-Modus
Abbildung 6: MRUT-SH - Inspektion mit Impuls-Echo-Modus


Das MRUT-SH-Verfahren bietet eine Erhöhung der Amplitude um 30 bis 40 dB im Vergleich zum MRUT-Lamb-Verfahren.

Merkmale der MRUT-SH-Technik:
- Reichweite | Bis zu ca. 3 m auf jeder Seite des Sensors.
- Scan-Geschwindigkeit | Bis zu 1" pro Sekunde.
- Beschichtungen | Inspektion von Beschichtungen von bis zu 0,030" (0,75 mm).

In diesem Beitrag erfahren Sie mehr über die Prüfung mit MRUT-Techniken:



LRUT

Die Long Range UT (LRUT)-Optionen von Innerspec umfassen eine vereinfachte Version mit nur einem umlaufenden Band für achsensymmetrisches Senden und Empfangen und eine anspruchsvollere Version, die eine synthetische Fokussierung mit einem Scanner für den Empfang bietet. Diese Wellenmodi sind für die Long-Range-Rohrinspektion optimiert.

Im Gegensatz zu konventionellen Ringen erzeugt das LRUT-Werkzeug von Innerspec keine Biegemoden während der Übertragung aufgrund der gleichmäßigen Belastung um den Umfang, die durch das Ribbon erzeugt wird.

Beim Empfang hingegen erzeugen Defekte natürlich Biegemoden, da sie nicht gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Der LRUT-Scanner von Innerspec ist in der Lage, diskrete Stopps entsprechend der maximalen Anzahl von Torsions-Biegemoden zu machen, die aufgrund der Rohrgeometrie und -frequenz existieren können. Die kompletten Daten von "n" Stopps werden verwendet, um die maximal möglichen Biegemoden aufzulösen, was eine viel bessere Fokussierung und Auflösung ermöglicht.

Ein Beispiel: Ein herkömmlicher Ring mit hoher Dichte und 16 Kanälen bietet eine maximale Auflösung von 22,5º (45º bei einem herkömmlichen Ring mit 8 Kanälen), während der LRUT-Scanner von Innerspec bei einem 8-Zoll-Rohr 40 Stopps macht, was einer Umfangsauflösung von 9º entspricht. Zusätzlich zur besseren Fokussierung bietet der achsensymmetrische Wellenmodus auch eine kleinere Totzone und eine größere Eindringtiefe. Bei Versuchen können unter idealen Bedingungen typische Defekte von 1,5% CSA und kleiner erkannt werden.



Technische Fähigkeiten

MRUT:

  • Bietet einen Inspektionsbereich von bis zu ca. 3 m (~10 ft) auf jeder Seite des Sensors;
  • Höherer Frequenzbereich (128 kHz bis 1.400 kHz);
  • Bessere axiale Auflösung (~0,8 in.);
  • Bessere seitliche Auflösung (~1.2 - 2.4 in.);
  • Kleinere Totzone (~ 4 in.).

LRUT:

  • Bietet einen Inspektionsbereich von bis zu ca. 91 m (300 ft.) (91 m) auf jeder Seite des Sensors;
  • Unterer Frequenzbereich (32 kHz bis 128 kHz);
  • Mäßige axiale Auflösung (~1.5 in. - 4.7 in.);
  • Mäßige Auflösung in Umfangsrichtung (1/8 - 1/16 des Rohrumfangs);
  • Größere Totzone (~12 Zoll)





Geführte Wellen FAQ

Können sich geführte Wellen über Ellenbogen hinweg ausbreiten?

Ja, die Welle kann sich über den Ellenbogen hinaus ausbreiten. Allerdings werden Genauigkeit, Auflösung und Empfindlichkeit je nach Technik beeinträchtigt.

  • MRUT ist weniger betroffen, da die Wellen eine kürzere Strecke zurücklegen.
  • LRUT wird durch den Verlust der symmetrischen Eigenschaften des Signals stärker beeinträchtigt (mit Auswirkungen auf die Genauigkeit, die Empfindlichkeit und eine Verringerung der Erkennungswahrscheinlichkeit aufgrund einer Abnahme des Signal-Rausch-Verhältnisses). Typischerweise ist es nach zwei Ellenbogen extrem schwierig, die Signale auszuwerten. Der Verlust der symmetrischen Eigenschaften des Signals wirkt sich auch auf die Umfangsauflösung des Defekts aus.

Können Techniken mit geführten Wellen unter Verwendung von VOLTA für die Inspektion von Korrosion unter Rohrhalterungen (CUPS) verwendet werden?

Ja, eines der wichtigsten Merkmale von VOLTA ist die Möglichkeit, Techniken zu kombinieren:

  • Mit MRUT-Lamb (PMX-Scanner):
    - Zur Inspektion von Rohrhalterungen von oben;
  • Axiale oder umlaufende Wellenausbreitung, im Dämpfungs- und/oder Reflexionsmodus.
  • Mit MRUT-SH:
    - Zur Inspektion von unzugänglichen Bereichen von der Seite (z. B. Luft-Boden-Grenzfläche und Wanddurchdringung);
    - Erhöhung um 30 bis 40 dBs im Vergleich zu MRUT-Lamb.

Können Sie erklären, wie die Unidirektionalitätsfunktion in VOLTA funktioniert?

Durch Anlegen einer Verzögerung in der Reihenfolge zwischen den Impulsen von zwei Spulen:

  • Zwei übereinander liegende Spulen, die ¼ Wellenlänge voneinander entfernt sind, werden zusätzlich um ¼ Wellenlänge phasenverschoben gepulst und erzeugen so eine konstruktive Interferenz in der einen und eine destruktive Interferenz in der anderen Richtung. Das Timing der Pulsung kann umgekehrt werden, um die Richtung zu wechseln.

Welche Möglichkeiten gibt es bei der MRUT-SH-Technik, um den magnetostriktiven Streifen zu befestigen?

Das MRUT-SH-Verfahren erfordert das Aufbringen eines magnetostriktiven Streifens (MS-Streifen), um die erforderliche magnetostriktive Kraft zu erzeugen. Der MS-Streifen kann über das folgende Verfahren aufgeklebt werden:

MS-Streifen-Klebeoptionen

Doppelseitiges Klebeband - Standard (P/N 027V0086)

  • Für glattes Prüfmaterial;
  • Gute Signalauslöschungseigenschaften;
  • Leicht zu entfernen (MS Strip kann wiederverwendet werden);
  • Temperatur: Bis zu 140 °F (60 °C).

Doppelseitiges Klebeband - raues Material (P/N 027V0083)

  • Für grobes Prüfmaterial;
  • Schlechte Signalauslöschungseigenschaften;
  • Erfordert die Reinigung des MS Strip, um wieder verwendet werden zu können;
  • Temperatur: Bis zu 95 °F (35 °C).

Epoxidharz (P/N 116V0052)

  • Aushärtezeit: ± 3 Std;
  • Gute Signalauslöschungseigenschaften;
  • MS Strip kann nicht wiederverwendet werden;
  • Temperaturbereich: 68 °F bis 104 °F (20 °C bis 40 °C).


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