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Dokumentenidentifikation DE19536162A1 03.04.1997
Titel Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken begrenzter Dicke aus ferromagnetischem Material
Anmelder H. Rosen Engineering GmbH, 49811 Lingen, DE
Erfinder Rosen, Hermann, Dipl.-Ing., 49832 Thuine, DE;
Rosen, Patrik, Dipl.-Ing., 49808 Lingen, DE;
Meendermann, Dieter, Dipl.-Ing., 49809 Lingen, DE
Vertreter Busse & Busse Patentanwälte, 49084 Osnabrück
DE-Anmeldedatum 28.09.1995
DE-Aktenzeichen 19536162
Offenlegungstag 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse G01N 27/83
IPC-Nebenklasse G01R 33/00   
Zusammenfassung Ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Rohren, Profilen, Blechen und dgl. Werkstücken begrenzter Dicke aus ferromagnetischem Material, insbesondere Stahl, mit Hilfe magnetischer Induktion wird im Sinne einer aufschlußreichen Überwachung und Prüfung insbesondere von Tiefbohrrohren und dgl. laufenden Gut, bei der vorteilhaft eine Auswirkung der Beanspruchungen des Materials zu berücksichtigen ist, in der Weise ausgestaltet, daß das jeweilige Werkstück mehrfach an gleicher Stelle unter verschiedenen mechanischen Beanspruchungen geprüft wird, wobei die beanspruchungsabhängige Änderung der magnetischen Eigenschaften des Materials zur Ermittlung von Materialfehlern, Schäden und Vorverformungen ausgewertet wird. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht eine Prüfstation mit einer Mehrzahl von Meßköpfen mit jeweils zumindest einer Aufnahmespule vor, wobei die Meßköpfe in zumindest einer quer zur Längsrichtung des bewegten Rohres oder Profilstrangs liegenden Querschnittsebene angeordnet sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10. Bei der Prüfung von Werkstücken aus ferromagnetischem Material gibt es bereits eine Vielzahl erprobter Prüfungsverfahren, die insbesondere auch in der Lage sind, Materialfehler, Risse, flächige oder lochförmige Korrosionsstellen zu ermitteln. Aus diesen mechanischen, optischen, akustischen oder elektromagnetischen Meßverfahren haben sich insbesondere mit magnetischer Induktion arbeitende Verfahren als leistungsfähig erwiesen, großflächige Überwachungen etwa bei Rohren zu liefern, in dem etwa Rohrleitungen mit Meßmolchen abgefahren und hinsichtlich besonderer Schwachstellen wie korrosionsbedingten Wandstärkeminderungen oder verformungsbedingten Querschnittsänderungen, aber auch Rissen oder Schweißrippen zu überprüfen. Dabei sind belastungsabhängige Änderungen in den magnetischen Eigenschaften des Materials regelmäßig Störfaktoren, die eine auf die geometrische Erfassung des Werkstücks gerichtete Überprüfung verfälschen können. Spannungen im Material, die infolge von äußeren Beanspruchungen auf Zug, Druck, Torsion oder Scherung vorliegen, verändern die magnetischen Eigenschaften des Materials in signifikanter Weise, desgleichen innere Spannungen des Materials, die etwa infolge von vorangehenden Verformungen auch bei Wegfall äußerer Beanspruchungen bestehen bleiben.

Gemäß der Erfindung wird nun allerdings von diesen Einwirkungen mechanischer Beanspruchungen auf die magnetischen Eigenschaften des Materials bewußt in der Weise gebraucht, daß das Material unter zumindest zwei verschiedenen mechanischen Beanspruchungen mit Hilfe magnetischer Induktion untersucht wird. Dabei hat sich gezeigt, daß wesentliche Aussagen über den Zustand des Materials und auch des Vorhandenseins etwaiger Fehler oder Fehlstellen erzielbar sind, die mit den bisherigen Prüfverfahren nicht erlangt werden konnten. Prüfungen, die von mechanischen Beanspruchungen abhängige Meßwerte liefern, sind nämlich keineswegs als "verfälscht" einzustufen, sondern liefern wichtige Aussagen für die Belastung und die Belastbarkeit des Werkstücks, sowohl in bezug auf die augenblickliche oder kurzzeitige Beanspruchung wie auch in bezug auf Dauerbeanspruchungen in Form von Wechselbelastungen von Stahl. Hohe Beanspruchungen sind dabei generell zu beachten. Überdies können Risse im Material, flächige oder punktuelle Korrosionen, Vorverformungen und dgl. anhand von Bespruchungsbildern erfaßt werden, die neben der Frage der höheren oder wiederholten Belastbarkeit auch Fragen nach Fehlstellen, Schäden und dgl. beantworten.

Ein solches Verfahren ist grundsätzlich auf beliebige Werkstücke, etwa frei handhabbare Werkstücke oder ortsfeste Anlagenteile anwendbar, mit besonderem Vorteil läßt es sich aber auf hochbeanspruchtes laufendes Gut wie etwa mechanisch beanspruchte Rohre oder Stangen anwenden. Ein sehr wichtiger Anwendungsfall in dieser Hinsicht sind Tiefbohrrohre von Bohrstationen, die nur mit hoher Gewähr für die Zuverlässigkeit, insbesondere Bruchsicherheit, einzusetzen sind, auf der anderen Seite durch ein Aufwickeln auf eine Haspel bzw. durch den Einsatz in einem Tiefbohrloch hohen Belastungen ausgesetzt werden. Insofern besteht das Bedürfnis, solche Rohre regelmäßig, am besten nach jedem Einsatz, auf Schäden oder Überlastungen hin zu prüfen, um teure Ausfälle zu vermeiden.

Um aufschlußreiche Prüfergebnisse zu erzielen, ist es regelmäßig wichtig, eine vorgegebene Stelle oder einen vorgegebenen Materialbereich unter verschiedenen Belastungszuständen, etwa bei minimaler Beanspruchung einerseits und bei einer hohen Beanspruchung andererseits zu prüfen, da sich durch Mehrfachmessung eine Trennung nach Einflußgrößen, etwa nach geometrischen Werten des zu prüfenden Werkstücks und nach seinen Belastungen erreichen läßt. Prüfungen mit magnetischer Induktion ergeben typischerweise wegen des grundlegenden physikalischen Zusammenhangs Abhängigkeiten von den Beanspruchungen, insofern können verschiedene bekannte Messungsarten, wie die bekannte Streuflußmethode, die Wirbelstrommessung oder auch die Echolotmessung aufgrund magnetostriktiver Körperschallinduktion angewandt werden. Vorzugsweise soll eine Prüfung im Wirbelstromverfahren vorgesehen werden, da diese sich als überaus wirkungsvoll und aussagekräftig darstellt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens an laufendem Gut sieht vor, daß mehrere, zumindest also zwei Prüfstationen in Bereichen unterschiedlicher Beanspruchung vorgesehen sind, wobei jede Prüfstation eine Mehrzahl von Meßköpfen mit zumindest einer Aufnahmespule umfaßt, die in einer Querschnittsebene verteilt angeordnet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen (in jeweils schematisierter Form):

Fig. 1 eine Bohrstation mit drei Prüfstationen,

Fig. 2 Ansicht eines einzelnen Meßkopfs und

Fig. 3 Anordnung mehrerer Meßköpfe in bezug auf einen Rohrabschnitt.

Eine in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichnete Bohrstation umfaßt einen Bohrturm 2 und eine Haspel 3, von der ein in großer Länge aufgehaspeltes Rohr als Bohrrohr 4 abgewickelt und über ein bogenförmiges "Gooseneck" 5 von oben durch die Bohrstation geführt wird, von wo es, umfangsseitig durch nicht dargestellte Rollen- oder Kettenantriebe reibschlüssig gehalten und nach unten durch eine Glocke 6 hindurch in ein (nicht dargestelltes) Bohrloch eingebracht wird.

Ein solches Rohr hat beispielsweise einen Durchmesser von 1&min;&min; bis 4&min;&min; (25 bis 100 mm), vorzugsweise 1 1/2&min;&min;, und eine Länge von bis zu 1000 m. Es unterliegt erheblichen Beanspruchungen, da sein Eigengewicht mitsamt Bohrkopf und gegebenenfalls Bohrflüssigkeit im Bereich des Bohrturms 2 hängend gehalten werden muß, was hohe Zugspannungen in Längsrichtung bedingt. Darüber hinaus kann es mit einem Innendruck von 300 bis 1000 bar beaufschlagt sein, und zwar nicht nur bei der Bohrarbeit, bei der ein Tiefbohrwerkzeug durch die hinuntergepumpte druckbeaufschlagte Flüssigkeit angetrieben wird, sondern auch beim Auf- oder Abwickeln, um ein Einknicken des Rohres zu vermeiden. Daraus ergeben sich hohe Zugspannungen im Rohr in Umfangsrichtung und gegebenenfalls Torsionsspannungen durch Reaktion der Drehbohrmeißel. Nicht zuletzt aber ergeben sich Biegebeanspruchungen des Rohres im Gooseneck 5 und auf der Haspel 3.

An verschiedenen Stellen der Rohrführung sind Prüfstationen vorgesehen, nämlich eine Prüfstation 7 in einem Bereich zwischen der Haspel 3 und dem Gooseneck 5, in dem das Rohr ohne äußere Zug- oder Biegebeanspruchung etwa frei und gerade geführt ist, eine Prüfstation 8 im Bereich des Goosenecks 5, in den das Rohr besonderen Biegebeanspruchungen ausgesetzt ist und eine Prüfstation 9 im Bereich des Bohrturms 2, in dem das Rohr 4 unterhalb der reibschlüssigen Aufhängung mit hohen Zugspannungen beaufschlagt ist.

Die Prüfstationen 7, 8, 9 ermitteln Belastungsdiagramme des Rohres beim Durchlauf an verschiedenen, allerdings in festem Abstand voneinander liegenden Stellen, die aufgezeichnet und danach durch eine Synchronisierung mit Hilfe einer Vorschubmessung etwa an der Haspel 3 oder an der Aufhängung im Bohrturm 2 zur Deckung miteinander gebracht werden können. Daraus ergibt sich ein Bild des Rohres an einer vorgegebenen Stelle bei verschiedenen Belastungen, welche sowohl in der Frage, ob das Rohr im Bereich seiner Belastbarkeit kritisch beansprucht ist, wie auch und insbesondere, ob Bereiche der Rohrwandung besondere Beanspruchungen etwa in Folge von Rohrverformungen, Rissen, Abrieb oder korrosionsbedingter Wandverschwächungen besonders belastet sind, da dort die übrigen Wandbereiche entsprechend höher beansprucht sind.

Fig. 2 zeigt einen Meßkopf einer Prüfstation, insgesamt mit 10 bezeichnet, in Zuordnung zu einer Rohrwandung 11 in stark vereinfachter Form. Der Meßkopf 10 umfaßt eine (außenliegende) Induktionsspule 12, die mit einer Wechselspannung im Frequenzbereich von z. B. 1 MHz versorgt wird und dementsprechend ein elektromagnetisches Wechselfeld etwa parallel zur Rohrachse ausstrahlt, welches stark zur Rohrwandung 11 hin gezogen wird, und zwar aufgrund der hohen magnetischen Permiabilität des ferromagnetischen Materials. Das Feld der Induktionsspule 12 ist mit einer Aufnahmespule 13 verkoppelt, die innerhalb der Induktionsspule 12 liegt und in dieser achtförmig verschleift worden ist, um eine Kompensation der direkten, vom Rohr nicht beeinflußten Feldwirkung und gegebenenfalls auch eine Kompensation von Fremdfeldern zu erreichen. Aufgrund der ferromagnetischen Beeinflussung des Feldes durch die Rohrwandung 11 versteht es sich, daß eine Schleife 14 der Aufnahmespule sehr viel stärkere Induktionssignale erhält als eine zweite Schleife 15. Die Aufnahmespule 13 unterliegt also der Einwirkung der Rohrwandung 11 in magnetischer Hinsicht, und zwar insbesondere der unmittelbar benachbarten Rohrwandung, so daß sich eine ziemlich selektive Erfassung der benachbarten Rohroberfläche ergibt. Im gleichen Zusammenhang ist auch zu sehen, daß die elektromagnetische Erfassung der Rohrwandung 11 nur eine geringe Eindringtiefe hat. Gleichwohl ist dieses ausreichend, den Zustand des Rohres an der interessierenden Stelle mit einer Auslage über die gesamte Tiefe zu erfassen, da sich die mechanischen Beanspruchungen über die Wandstärke insgesamt auswirken.

In Fig. 3 ist schematisiert an einem Rohrabschnitt 16 veranschaulicht, daß mehrere Meßköpfe 10 am Umfang des Rohrabschnitts 16 verteilt (vorzugsweise gleichförmig über den ganzen Umfang verteilt) angeordnet sind, und zwar in einer ersten strichpunktiert dargestellten Querschnittsebene 17 und in einer zweiten Querschnittsebene 18, wobei die Meßköpfe von Querschnittsebene zu Querschnittsebene auf Lücke versetzt sind, so daß ein in Längsrichtung durchlaufendes Rohr in lückenlosen bzw. einander überdeckenden Streifen vollständig erfaßt werden kann.

Die mit einer entsprechenden Prüfstation ermittelten Meßwerte liefern fortlaufende Meßreihen, die untereinander interessanten Aufschluß über die beanspruchungsbeeinflußten Materialeigenschaften in Verteilung über den Umfang ergeben.

Noch aufschlußreicher wird es allerdings, wenn die aufgezeichneten Meßreihen der Prüfstationen 7, 8 und 9 miteinander korreliert werden, um die Belastungsabhängigkeit des Materials im Meßwertevergleich zu Tage zu fördern. Dies kann bereits wesentlichen Aufschluß über Vorschädigungen und Belastbarkeiten geben, ehe noch das Material morphologische Schäden in Form von Ausformungen oder Rissen zeigt.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren angewandt, um ein solches Bohrrohr 4 jeweils zu überprüfen, ehe es nach einem Bohreinsatz auf die Haspel 3 zurückgewickelt wird. Kritische Bereiche des Bohrrohrs können dann vor einem neuen Einsatz herausgetrennt werden, womit insbesondere einem aufwendigen Bruch des Rohrs im Einsatz vorzubeugen ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Rohren, Profilen, Blechen und dgl. Werkstücken begrenzter Dicke aus ferromagnetischem Material, insbesondere Stahl, mit Hilfe magnetischer Induktion, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Werkstück mehrfach an gleicher Stelle unter verschiedenen mechanischen Beanspruchungen geprüft wird, wobei die beanspruchungsabhängige Änderung der magnetischen Eigenschaften des Materials zur Ermittlung von Materialfehler, Schäden und Vorverformungen ausgewertet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es auf einen in seiner Längsrichtung bewegten Rohrs oder Profilstrang angewandt wird, wobei die gleiche Stelle beim Durchlauf mittels räumlich in Bereichen unterschiedlicher Beanspruchungen angeordneter Prüfstationen im zeitlichen Abstand erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfung in einer Prüfstation, bei der eine minimale Beanspruchung vorliegt, und zumindest einer Prüfstation bei hoher Beanspruchung erfolgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfung an einem Tiefbohrrohr in einer Bohrstation erfolgt, die das Rohr zwischen einer Haspel und einem Bohrloch durchläuft.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prüfstation in einem Bereich geringer Beanspruchung des Rohres nahe der Haspel angeordnet ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prüfstation in einem Bereich hoher Biegebeanspruchung des Rohres zwischen Bohrstation und Haspel angeordnet ist.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prüfstation in einem Bereich hoher Zugbeanspruchung des Rohres in einem bohrlochseitigen Bereich der Bohrstation angeordnet ist.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfung im Wirbelstromverfahren mit mehreren am Umfang des Rohres verteilten Induktionsspulen und Aufnahmespulen erfolgt.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es bei laufendem Heraufholen und Haspeln des Tiefbohrrohrs kontinuierlich durchgeführt wird.
  10. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prüfstation (7, 8, 9) eine Mehrzahl von Meßköpfen (10) mit jeweils zumindest einer Aufnahmespule (13) umfaßt, wobei die Meßköpfe (10) in zumindest einer quer zur Längsrichtung des bewegten Rohrs oder Profilstrangs liegenden Querschnittsebene (17, 18) angeordnet sind.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßköpfe (10) in zwei Querschnittsebenen (17, 18) verteilt und jeweils zu den Meßköpfen der anderen Querschnittsebene auf Lücke gesetzt sind.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßkopf (10) eine Induktionspule (12) und eine Aufnahmespule (13) umfaßt, deren Spulenachsen etwa parallel zur Längsrichtung des Rohrs (4, 16) oder Profilstrangs ausgerichtet sind.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmespule (13) innerhalb der Induktionsspule (12) liegt und achtförmig gewickelt ist, wobei eine Schleife zum Rohr (11, 16) oder Profilstrang hin die andere davon fortgelegen ist.






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