Verfahren und Vorrichtungen zum Prüfen von Rohren mittels Ultraschall sind allgemein bekannt. Zum Stand der Technik wird allgemein verwiesen auf das DE-Buch"Werkstoffprüfung mit Ultraschall"J. Krautkrämer und H.

Krautkrämer, 4. Aufl., sowie speziell auf die Dokumente DE 44 10 580 AI und DE 199 31 350 A1. Daraus sind unterschiedliche Verfahren und Vor- richtungen bekannt. Verwendet werden heute im wesentlichen sogenannte Rotationsprüfmaschinen, bei denen die Ultraschallprüfung automatisch er- folgt. Das Rohr und/oder der mindestens eine Ultraschallprüfkopf werden so bewegt, dass die Oberfläche des zu prüfenden Rohres systematisch abge- tastet wird. Die Ankopplung erfolgt vorzugsweise über eine Wasservor- laufstrecke. Typischerweise befindet sich das Wasser in einer zylindrischen Kammer einer Rotationsprüfmaschine.

Die derzeit bekannten Prüfvorrichtungen für Rohre sind nicht dazu ausge- legt, Beulen an Innenwänden von Rohren einfach aufzufinden. Es ist zwar bekannt, mit schräg eingeschallten Transversalwellen, die in Umfangsrich- tung sich zick-zack-förmig im Rohrmantel ausbreiten, zu arbeiten. Beulen der hier in Rede stehenden Art lassen sich aber auf diese Weise nicht sicher nachweisen. Zudem ist eine Automatisierung des Verfahrens schwierig und erfolgt die Einschallung deutlich abweichend von einer Radialrichtung.

Weiterhin ist es möglich, über eine Wanddickenmessung Beulen der hier in Rede stehenden Art an Rohren nachzuweisen. Die Wanddickenmessung wird üblicherweise mit rotierenden Prüfkopfsystemen bei linearem Transport der Rohre angewandt. Alternativ ist auch ein schraubenlinienförmiger Transport der Rohre bei feststehenden Prüfköpfen möglich. Dadurch kann eine hun- dertprozentige Prüfung kann jeweils durchgeführt werden. Das Prüfverfah- ren setzt im Bereich der Beulen voraus, dass die Wanddicke gemessen wer- den kann. Aufgrund der speziellen Ausbildungen der Beulen an der Innen- wand treten jedoch häufig Messunterbrechungen auf, die keine eindeutige Bewertung zulassen. Weiterhin ist eine hohe Prüfdichte erforderlich, die üb- licherweise bei den bekannte Prüfeinrichtungen nicht vorhanden ist.

Die Kontrolle von Rohren auf Beulen an der Innenseite wird zumeist noch manuell, mittels Lampen von den zwei offenen Rohrenden her durchgeführt.

Eine derartige Prüfung ist nicht zuverlässig. Bei langen Rohren ist eine Feh- lererkennung im mittleren Bereich nur sehr schwierig möglich.

Bei den Rohren der hier in Rede stehenden Art handelt es sich um vorzugs- weise sogenannte Conti-Rohre. Ausgehend von einem kurzen und dicken Rohrstück wird solange warmgewalzt, bis dieses eine grosse Länge, einen kleineren Durchmesser und eine normale Wanddicke aufweist. Es handelt sich also um nahtlos geformte, warmgefertigte Stahlrohre. Der Aussen- durchmesser liegt typischerweise zwischen 30 und 90 mm, die Wandstärke liegt zumeist zwischen 3 und 8 mm. Derartige Rohre werden beispielsweise für Wärmetauscher, teilweise auch für Heizkörper eingesetzt. Während die einer Sichtprüfung direkt zugängliche Aussenwand im allgemeinen glatt und recht gut zylindrisch ist, treten an der Innenwand stellenweise konkave Verformungen, insbesondere Beulen auf. An der Stelle dieser Beulen fehlt Material. Dadurch wird die Druckfestigkeit des Rohres an der betreffenden Stelle stark beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich- tung zum Nachweis von derartigen Beulen an Rohren anzugeben, die eine automatische Erfassung derartiger Beulen ermöglichen, die sich integrieren lassen in vorhandene Anlagen, insbesondere Rotationsprüfmaschinen und die ein sicheres Erkennen der Beulen ermöglichen.

Verfahrensmässig wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Ultra- schallprüfung von Rohren zum Nachweis von an einer Innenwand des Roh- res befindlichen Innenverformungen, insbesondere Beulen, mit folgenden Verfahrensschritten : - Einschallen von Ultraschallimpulsen aus einem Ultraschallprüfkopf in das zu testende Rohr von aussen und im wesentlichen radial auf eine Aussenwand des zu testenden Rohres, - Ausbilden eines mehrfachen Hin-und Herlaufs zwischen der Aussen- wand und einer Innenwand des Rohres, wobei bei jedem Hin-und Her- lauf des Impulses ein Teil als Echoimpuls aus der Aussenfläche austritt, - Empfangen dieser Echoimpulse mittels eines empfangenden Ultraschall- prüfkopfes, der die Echoimpulse in elektrische Signale umsetzt, - Auswerten der elektrischen Signale in einer Auswerteeinheit dahinge- hend, wie stark der Abfall der Echoimpulse ist, wobei ein starker Abfall unterhalb eines Schwellenwertes als Beule angezeigt wird und eine schwache Abnahme der Signale als beulenfreies Rohr angezeigt wird.

Vorrichtungsmässig wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Rohren zum Nachweis einer Innenverformung, ins- besondere Beule, die sich an einer Innenwand des Rohres befindet, mit ei- nem Ultraschallprüfkopf, der an einem Gestell angeordnet ist und von aus- sen im wesentlichen radial auf eine Aussenfläche eines zu testenden Rohres gerichtet ist und von dem Ultraschallimpulse in das Rohr eingeschallt wer- den, die an einer Innenwand des Rohres reflektiert werden und die mehrfach zwischen Aussenwand und Innenwand hin-und herlaufen, wobei jeweils ein Teil des Impulses aus der Aussenwand als Echoimpuls austritt und eine Folge von Echoimpulsen in einen empfangenden Prüfkopf gelangt, der am Gestell angeordnet ist und mit einer Auswerteeinheit, die dem empfangenden Prüfkopf nachgeschaltet ist und in der die Echoimpulse mittels eines Schwellenwertes bewertet wird, wobei ein unterhalb des Schwellenwertes lie- gender Abfall der elektrischen Signale der Echoimpulse als Fehler bewertet und angezeigt wird.

Die Erfindung macht es sich zunutze, dass bei senkrecht in die Rohrwan- dung einschallenden Prüfköpfen Mehrfachreflexionen auftreten. Ein einge- schallter Ultraschallimpuls läuft bis zur Rohrinnenwand, von dort zurück zur Aussenwand, wieder zurück zur Innenwand usw. Bei jedem Auftreffen auf die Aussenwand wird ein Teil des Impulses über die Ankopplungsflüs- sigkeit einem empfangenden Prüfkopf zugeführt. Vorzugsweise ist dieser empfangende Prüfkopf derselbe wie der Sendeprüfkopf, das Senden und Empfangen erfolgt zeitversetzt.

Aufgrund des Hin-und Herlaufs in der Rohrwand wird ein-und dieselbe Stelle an der Rohrinnenwand mehrfach getroffen. Ist diese Stelle an der Roh- rinnenwand fehlerfrei, so hat sie ein hohes Reflexionsvermögen in die Ein- schallrichtung. Ist sie aber gestört, beispielsweise Teil einer Beule, so ist das Reflexionsvermögen deutlich geringer. Auch wenn die Beule völlig glatt ist, verläuft sie jedoch nicht parallel zur Achslinie des Rohres und wird der re- flektierte Impuls V-förmig abgelenkt, jedenfalls läuft er nicht mehr auf der- selben Bahn zurück, auf der er gekommen ist.

Die Erfindung hat nun den besonderen Vorteil, dass besonders auf Reflexio- nen bzw. Rückwandechos oder Echoimpulse höherer Ordnung geachtet wer- den kann. Je höher die Ordnung n der Reflexion ist, um so stärker ist der Fehler ausgeprägt, da immer wieder dieselbe Stelle an der Rohrinnenwand abgefragt wird. Ein Fehler addiert sich dadurch im Messergebnis auf. Anders ausgedrückt hat die Messung einen Effekt einer Selbstverstärkung. Dieser Effekt tritt aber nur bei Fehlstellen auf.

Das Verfahren kann bei Rotationsprüfanlagen einfach angewandt werden, bestehende Anlagen können einfach nachgerüstet werden. Ein ohnehin vor- handener Prüfkopf für senkrechte Einschallung, wie er beispielsweise für die Wanddickenmessung verwendet wird, wird so speziell betrieben und ausge- wertet, dass insbesondere auf Reflexionen höherer Ordnung geachtet wird.

Auf diese Weise lassen sich die Beulen auffinden. Es können aber auch vor- handene Fehlerprüfköpfe zur Längsfehlerprüfung benutzt werden, die für die Prüfung senkrecht eingestellt werden.

Die Mehrfachreflexionen an einer fehlerfreien Rohrinnenwand und einer fehlerfreien Rohraussenwand sind insbesondere bei Prüfköpfen mit mittlerer Bedämpfung besonders ausgeprägt. Bei einer idealen Rückwand können 20 und mehr Reflexionen auftreten. Werden die Schallwellen jedoch an den Beulen gestört oder nur geringfügig abgelenkt, so addieren sich die Störun- gen in den höheren Reflexionen und kann bei Beobachtung der höheren Re- flexionen, insbesondere bei Beobachtung des Abfalls der Echofolge, ein kla- res Signal für eine Störung an der Innenwand erhalten werden. Aufgrund der senkrechten Einschallung lässt sich der Fehler an der Innenwand genau lokalisieren. Er lässt sich auch örtlich erfassen und ausmessen.

In bevorzugter Weiterbildung des Verfahrens wird zugleich mit dem Nach- weis der Beulen mittels desselben Prüfkopfes auch die Wanddicke erfasst ü- ber einen ersten Echoimpuls.

In bevorzugter Weiterbildung der Vorrichtung wird als sendender Ultra- schallprüfkopf und als empfangender Ultraschallprüfkopf ein einziger Ultra- schallprüfkopf, der nacheinander als sendend und empfangend betrieben wird, eingesetzt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, in der Auswerteeinheit ein Zähler für Echoimpul- se vorzusehen und die Auswertung erst durch einen höheren Echoimpuls, z.

B. n=3 oder n = 5 zu starten.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. Dabei werden auch die verfahrensmässi- gen Schritte dargestellt. In der Zeichnung zeigen : Figur 1 : einen Schnitt in einer Radialebene durch eine Rotationsprüfmaschi- ne und ein darin befindliches Rohr, Figur 2 : der Verlauf eines Ultraschallimpulses in einem Rohr bei Einschal- lung wie in Figur 1 und bei senkrechtem Hin-und Herlauf, jedoch aufgelöst über der Zeit, also mit Zeitachse t, zur Darstellung einer Echofolge, Figur 3 : ein Diagramm des elektrischen Signals der Spannung U in Volt auf- getragen über die Zeit t in Sekunden für ein Rohr mit idealen Wänden, auf- genommen in einer Vorrichtung entsprechend Figur 1, Figur 4 : ein Teilstück eines Schnittbildes wie in Figur 1, jedoch nunmehr mit einem Rohr, das eine Beule mit glatter Wandung hat, Figur 5 : die Darstellung einer Echofolge in Form eines Diagramms wie in Fi- gur 3 für die Messung an der Innenbeule gemäss Figur 4, Figur 6 : ein Schnittbild ähnlich Figur 4, jedoch nunmehr mit einem Rohr, das eine Beule mit einer aufgerauhten Wandung hat, Figur 7 : eine Darstellung ähnlich Figur 4, jedoch nunmehr mit einem Test- fehler an der Rohrinnenwand.

Figur 1 zeigt schenmatisch dargestellt eine Rotationsprüfmaschine. Von ei- nem Prüfkopf 20 wird ein Ultraschallimpuls, der durch einen Pfeil 22 sym- bolisiert ist, durch einen wassergefüllten Innenraum 24 der Rotationsprüf- maschine senkrecht auf ein zu prüfendes Rohr 26 eingeschallt. Die Rotati- onsprüfmaschine hat ein Gestell 25 und einen Antrieb 27. Der Impuls trifft eine Aussenwand 28 des Rohres 26. Von dieser Oberfläche geht ein Teil di- rekt zurück in den Prüfkopf 20 als sogenanntes Eintrittsecho. Der grössere Anteil des Impulses durchläuft aber das Volumen des Rohres bis hin zu ei- ner Innenwand 30. Dort wird praktisch der gesamte verbliebene Impuls re- flektiert und läuft zur Oberfläche 28 zurück. Es kommt zu mehrmaligen Hin- und Herläufen, wenn die Oberflächen der beiden Wände 28,30 entspre- chend beschaffen sind. Üblicherweise wird nicht nur ein einzelner Ultra- schallimpuls eingeschallt, sondern es wird mit einer Impulsfolge gearbeitet.

In Figur 2 ist der zeitliche Ablauf dieses Hin-und Herlaufs schematisch dar- gestellt. Zu erkennen ist der wiederum mit einem Pfeil 22 dargestellte Im- puls, der auf die Aussenwand 28 auftrifft. Das Eintrittsecho ist mit 0 be- zeichnet. Aufgrund der speziellen Darstellung mit einer zeitlichen Auflösung verläuft der im Volumen hin-und herlaufende Impuls nunmehr zick-zack- förmig. Dadurch kann man die einzelnen Hin-und Herläufe voneinander unterscheiden, denn tatsächlich fallen Hin-und Herweg exakt zusammen, jedenfalls solange ideale Verhältnisse an den Oberflächen der Wände 28,30 vorliegen. Nach einem ersten Hin-und Herlauf tritt ein erstes Rückwand- echo, das mit 1 bezeichnet ist, aus der Aussenwand 28 aus. Entsprechend gibt es weitere Rückwandechos, die durchnummeriert sind, siehe z. B. n=7.

Der Prüfkopf 20 wird als Sende-und Empfangsprüfkopf betrieben. Es ist zwar in einer Alternative möglich, mit separaten Prüfköpfen zu arbeiten, ein Sende-und Empfangsprüfkopf wird aber bevorzugt. Der Prüfkopf 20 ist an einen Sender T 32 und an zwei Empfangsschaltungen R 1 und R2 ange- schlossen. Die erste Empfangsschaltung 34, auch Auswertevorrichtung ge- nannt, ermöglicht eine Auswertung der Dicke. Hier wird die Laufzeit zwi- schen dem Eintrittsecho, also dem Echo n=0, und dem ersten Rückwand- echo n=1 bestimmt und hieraus die Dicke ermittelt. Diese erste Empfangs- schaltung 34 ist Stand der Technik.

In einer zweiten Empfangsschaltung 36, auch Auswerteeinheit genannt, wird das Verhalten, insbesondere der Abfall, der Rückwandechos ermittelt. Figur 3 zeigt das elektrische Signal U am Ausgang des Prüfkopfes 20. Nachdem der Sendeimpuls, der wegen seiner hohen Spannung hier nicht vollständig dargestellt werden kann, abgeklungen ist, kommt zum Zeitpunkt t0 das Eintrittsecho an. Ihm schliessen sich in periodischer Folge und mit abneh- mender Amplitude die Signale der Rückwandechos an, sie sind entsprechend durchnummeriert. Die in Figur 3 dargestellten Verhältnisse für die Amplitu- de aufeinanderfolgender Rückwandechos sind nur beispielhaft zu verstehen.

Es gibt nun mehrere Möglichkeiten der Auswertung dahingehend, ob die Rückwandechos von einer intakten Innenwand 30 kommen oder von einer Innenwand mit einer Beule 38, wie sie in Figur 4 dargestellt ist. Die zugehö- rige Impulsfolge entsprechend Figur 3 ist in Figur 5 wiedergegeben.

Wie Figur 3 zeigt, wird mit einem höheren Rückwandecho, beispielsweise n = 4, eine Auswerteblende 40 gestartet. Sie hat einen einstellbaren Schwellen- wert UA. Es kann nun die Anzahl aller Rückwandechos ermittelt werden, die noch über diese Auswerteblende 40 ragen. In der Darstellung nach Figur 3 sind es relativ viele Rückwandechos n = 5 bis n = 10, die weiteren sind nicht dargestellt. Dagegen gibt es in der Darstellung nach Figur 5 kein einziges Rückwandecho, das über die Auswerteblende 40 ragt.

Man kann auch, wie in Fig. 5 dargestellt, ein festes Ende der Auswerteblende 40 vorgeben, beispielsweise wird die Auswerteblende nach einer vorgegebe- nen Zeitspanne, die man beispielsweise aus einem Vielfachen des Zeitunter- schiedes zwischen dem Eintrittsecho n=0 und dem ersten Rückwandecho n= 1 ermittelt oder die man fest oder einstellbar vorgibt. Diese Zeitspanne bzw. das Zeitfenster beginnt bei tl und endet bei t2. Es wird nun ermittelt, ob überhaupt Rückwandechos den Schwellenwert UA dieser Auswerteblende 40 übersteigen oder nicht, es kann auch die Anzahl der übersteigenden Rückwandechos gezählt werden.

Es können auch die einzelnen Rückwandechos individuell erfasst und vergli- chen werden, beispielsweise genügt es, ihre Amplitude zu erfassen und in einer Auswerteschaltung die Amplituden mehrerer Rückwandechos zu be- werten.

Bei dieser Auswertung hat der Fachmann sein gesamtes Wissen zur Verfü- gung, das er aus der Auswertung von Fehlern bei der Ultraschallprüfung hat. Es kann beispielsweise die Verstärkung der Empfangsschaltung 36 ein- gestellt werden, der Start der Auswerteblende 40 kann variiert werden und auf unterschiedliche Weise erfolgen. Die Breite kann variiert werden.

Figur 4 zeigt nun den Fall einer Beule 38. In der gezeigten Ausführung soll die Beule eine glatte Oberfläche aufweisen. Es kommt daher an der Innen- wand 30, an der sich die Beule 38 befindet, durchaus zu mehrfachen Refle- xionen, es ist aber nunmehr der Rückweg nicht mehr deckungsgleich mit dem Hinweg, vielmehr tritt ein geringfügiger Winkelversatz auf, wie er in Fi- gur 4 zur besseren Verständlichkeit der Darstellung übertrieben gross einge- zeichnet ist. Man erkennt, dass die Rückwandechos schrittweise aus dem Empfangsbereich des Prüfkopfes 20 hinauswandern. Dies bedeutet, dass die Rückwandechos deutlich stärker abfallen als in Figur 3, der stärkere Abfall ist in Figur 5 dargestellt. Mittels der Auswerteblende 40 lässt sich feststellen, dass kein Rückwandecho über n = 5 noch den gewählten Spannungswert UA der Auswerteblende überschreitet. In diesem Fall wird ein Fehlersignal S von der Empfangsschaltung 36 ausgegeben.

Figur 6 zeigt den Fall einer Fehlstelle 38 an der Innenwand 30, die eine un- glatte Oberfläche hat. Hier kommt es zu einer Streuung des Ultraschallim- pulses an der Innenwand 30. Auch dies führt zu einem deutlich erkennba- ren Abfall der Folge der Echoimpulse.

Figur 7 schliesslich zeigt ein Rohr 26, in das zu Testzwecken bewusst eine Kerbe 42 eingearbeitet ist. Diese dient zum Justieren der gesamten Prüfan- lage.

Wie Figur 1 zeigt, sind die Ausgänge der ersten Empfangsschaltung 34 und der zweiten Empfangsschaltung 36 jeweils an Eingänge eines Korrelators 44 geschaltet. Da bei einer Beule 38 die Wanddicke des Rohres 26 abnimmt, deutet eine zu geringe Wanddicke auf eine Beule 38 hin. Wird aber von der ersten Empfangsschaltung 34 eine völlig ungestörte Wanddicke empfangen, ist dies ein Hinweis darauf, dass keine Beule vorliegt. Eine Verknüpfung der beiden Empfangsschaltungen 34,36 ermöglicht es, die Genauigkeit der An- zeige der Vorrichtung zu verbessern. So kann beispielsweise ein Fehlersignal "Beule"nur dann ausgegeben werden, wenn einerseits die zweite Empfangs- schaltung 36 eine Beule nachweist, wie dies voranstehend beschrieben wur- de, und zusätzlich das Signal über die Wanddicke von der ersten Empfangs- schaltung 34 ausbleibt, ausserhalb eines Toleranzbereiches liegt oder an- derweitig gestört ist. Wegen der besseren Empfindlichkeit für Beulen sollte die zweite Empfangsschaltung 36 Vorrang haben vor der einfachen Dicken- messung mittels der ersten Empfangsschaltung 34. Mit 44 ist ein Signalfol- gezähler bezeichnet, der der zweiten Empfangsschaltung 36 zugeordnet ist.

In der Beschreibung ist bisher auf die Qualität der Oberfläche der Aussen- wand 28 nicht eingegangen worden. Die Qualität der Oberfläche der Aus- senwand 28 beeinflusst alle Echosignale, einschliesslich des Eintrittsechos.

Eine Überwachung des Eintrittsechos kann also dazu dienen, die Qualität der Oberfläche der Aussenwand 28 zu bestimmen und dies bei der Auswer- tung zu berücksichtigen. Der Sender 32 kann so betrieben werden, dass das Eintrittsecho konstant bleibt, also immer auf eine konstante Amplitude ein- geregelt wird.