檢測關于金屬的主體的壁厚的、隨時間變化的熱機械應力和/或應力梯度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種方法，其用于檢測關于金屬的主體（特別是管道）的壁厚的、隨時 間變化的熱機械應力和/或應力梯度，其中在主體外表面的至少一個測量點上對表面溫度 進行測量，由此確定在內表面與外表面之間的溫度曲線。
[0002] 特別是在核電站、常規電站和太陽熱能發電廠、化工廠或者風力發電廠的管道上， 檢測隨時間變化的熱機械應力和/或應力梯度的意義重大，因為從應力或應力梯度的時間 變化，也稱之為應力時間序列，可推斷出相應元件的疲勞狀態。但最大應力，其關于元件的 老化，通常出現在管道或所連接的元件的內表面上，例如由于管道中流動的介質快速的溫 度變化所導致，從而使得直接測量在技術上是不可能的或只有通過不成比例的巨大成本才 可行。
【背景技術】
[0003] 例如從J.Rudolph等人在2012年3月21日在由韓國科學技術研究院（KAIST) 核電和量子工程系的Dr.SoonHeungQiang編輯且出版商為InTech的《NuclearPower Plants(核電站）》中第 293 至 316 頁發表的"AREVAI^atigueConcept-AT虹eeStage ApproachtotheFatigueAssessmentofPowerPlantComponents(AREVA疲勞概念-電站部件疲勞評定的=階段法）"一文中已知的是，對管道或其它主體的疲勞現象進行監 控，通過測量管道外表面上的表面溫度推斷出所要求組件中的應力時間序列。在運種情況 下，通過有限元法根據表面溫度的測量計算出局部應力。
[0004] 但是通過此類技術，因測量原理方面的原因不能對某些快速的應變結果進行檢測 且從而不能對其進行評估，所述應變結果例如可能會通過管道中冷熱流的瞬態混合過程產 生，并導致管道內表面上發生高循環的溫度變化。然而，此類高頻的混合過程在運行過程 中，因為低應變振幅的相關發生頻率也可導致疲勞應力高甚至是穿透壁的裂縫。 陽0化]從W0 2011/138027A1中已知一種用于非破壞性的材料檢驗的方法，通過所述方 法可在產生由應力引起的疲勞損傷方面對工件（所述工件受到高的機械應力和熱應力， 例如發電廠、化工廠或煉油廠的管道）進行檢驗。對于此方法，使用了兩個按照分離的 發射-接收-布置的電磁超聲換能器，W便將偏振的超聲波發射進工件中，并W脈沖-回 波-技術和透射技術來測量超聲波的飛行時間和振幅。運種情況下也實施滿流阻抗測量， W便將測量變量與相應的參考數據進行比較。通過與參考數據進行比較，繼而可W識別出 工件壁的微觀結構中的可能變化。但此處所描述的方法不能夠檢測關于管道的壁厚的、隨 時間變化的熱機械應力梯度。
[0006]W0 2004/109222A2描述了一種用于檢測金屬的主體，特別是鐵路軌道的材料特 性的方法，對于所述方法，用電磁超聲換能器來進行測量，W確定材料特性，特別是材料的 應力、密度或剛度。另外還對測量點的溫度進行了測量，W便由于可能的溫度效應而對超聲 測量進行校準。
[0007]US5 570 900A描述了一種借助電磁超聲換能器來確定工件上應力的方法。在該 公開內容中主要設及測量裝置的機械結構，超聲換能器通過其附著在工件上。
[000引本發明的目的在于，提出一種檢測關于金屬的主體（特別是管道）的壁厚的、隨時 間變化的熱機械應力和/或應力梯度的方法，通過所述方法也可從外表面檢測快速源自主 體內部的、關于壁厚的應力變化。

【發明內容】

[0009] 所述目的通過權利要求1所述的方法得W實現。該方法的有利實施形式是從屬權 利要求的內容或者可W從W下說明書或實施例獲悉。
[0010] 在提出的用于檢測關于金屬的主體的壁厚（關于主體的橫截面或關于管道壁的 厚度）的、隨時間變化的熱機械應力和/或應力梯度的方法中組合了兩種不同的測量方法。 一方面測量了主體外表面上的表面溫度，由此確定內表面與外表面之間的溫度曲線。另一 方面除了用電磁超聲換能器進行的測量之外，還在外表面的至少一個測量點上進行測量， W便通過所測定的溫度和從中確定的溫度曲線根據附加測量來確定關于主體的壁厚的應 力和/或應力梯度的時間曲線。在運種情況下，確定應力和/或應力梯度所需的信息在從溫 度測量中獲得的信息與測量數據的組合中獲得，所述測量數據用電磁超聲換能器獲得。應 力和/或應力梯度優選通過分析超聲飛行時間的、超聲振幅的和/或滿流阻抗的測量并結 合溫度測量來確定。
[0011] 使用電磁超聲換能器具有的優點是，在操作條件下，例如當溫度高于200°c時、當 受到福射應力時或者當主體內的操作壓力較高時也可對管道進行測量。電磁超聲換能器特 別提供W下可能性，即通過快速采集測量數據也可檢測快速的應力變化，例如由于主體內 部突然出現的溫度變化所致的應力變化。
[0012] 因此原則上可識別出高周疲勞（HCF)應變集合度eanspruchungskollektive)并 對其進行評估。運里實施的超聲飛行時間測量、幅度測量和/或滿流阻抗測量具有的優點 是，藉此也可對主體內表面上不可直接接近的應力進行檢測。運時超聲飛行時間測量、超聲 振幅測量能W分開的發射器-接收器-布置或W脈沖-回波-技術或結合兩種技術來進行。 此外也可將發射和接收的振幅記錄下來，并因此在分析時將其用作附加參數。
[0013] 為此，在本方法中通過用電磁超聲換能器進行附加測量，特別是通過用它們來實 施超聲飛行時間、超聲振幅和/或滿流阻抗的測量，來填補管道當前純粹W溫度為基礎的 監測法中關于應力快速變化方面的不足。電磁超聲檢測法結合溫度監控擴展了已知疲勞監 測系統的意義。為此，還可記錄至今為止尚不檢測的高頻的與疲勞有關的應變-時間函數 (應力-時間序列）。運樣一來就可推斷出與疲勞相關的應力并由此推斷出相應主體或管 的疲勞狀態的時間曲線。通過使用電磁超聲換能器可將超聲飛行時間、超聲振幅和滿流阻 抗的測量結合在傳感器系統或者測試頭中。
[0014] 對于所提出的方法利用了W下事實，即能夠利用從溫度測量中得到的數據，特別 是能夠利用可由該數據推導出的關于主體的壁厚的溫度曲線和應力曲線，W便從超聲或滿 流的測量的測量數據確定關于主體的壁厚的、特別是在高頻的應力變化時的應力或應力梯 度。若沒有來源于溫度測量的額外信息，則不可能具有當前的準確性，因為必須補償溫度對 超聲或滿流阻抗的測量數據的影響，W便獲得準確度。
[0015] 下面借助對管道的測量或監控來對本方法及其實施形式進行闡述。但運種闡述可 W很容易轉移到其它主體上。
[0016] 優選使用層模型來確定應力或應力梯度。通過所述層模型W迭代數字方式確定關 于管道的壁厚的應力或應力梯度。運時在使用溫度測量數據和從中獲得的信息的情況下預 先將模型校準，方式是使用整個測量系統來測量定義的已知實際應力且檢測獲得的數據并 將其存檔。更具體地，為此使用根據溫度測量W數字形式獲得的、關于管道的壁厚的溫度曲 線和應力曲線（其在不同層中逐段地被近似為常數），W及經過溫度校正的超聲飛行時間、 超聲振幅和滿流阻抗被用作模型輸入變量（Modelleingangsg巧fkn)。
[0017] 層模型提供層特定的應力曲線和層特定的超聲飛行時間、超聲振幅和滿流阻抗作 為輸出變量，其進行了溫度補償。為了在應用情況下可快速地確定管道壁中的應力曲線，根 據在各層中測定的超聲飛行時間、超聲振幅W及滿流阻抗推斷出相應的應力。為了確定層 中的應力與層特定的超聲飛行時間、超聲振幅和滿流阻抗值之間的關系，需要迭代優化層 模型