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Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Nr.375
Technischer Oberwachungs-Verein Essen e. V"
Wanddickenmessungen mittels radioaktiver Strahlen
und Zählrohrgerät
Als Manuskript gedruckt
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
1958
ISBN 978-3-663-12790-1 ISBN 978-3-663-14263-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-14263-8
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
Vorwort • • • • • • S. 5
A. Wanddickenmessungen mittels radioaktiver Strahlen und
Zählrohrgerät • • • • • • • • • • • s. 5
B. Entwicklung eines Gerätes zur Messung des Mengendurch-
satzes durch Rohre mittels radioaktiver Strahlung. • •• s. 15
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Forsohungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Vor w 0 r t
Im Rahmen der Forschungsförderung durch das Land Nordrhein-Westfalen
übernahm der TÜV Essen in den Jahren 1951/52 einige Forschungsarbeiten
auf dem Gebiet des Meß- und Prüfwesens. Den Anstoß zu diesen Arbeiten
gaben - wie bei den meisten Aufgabenstellungen unseres Vereins - die
aus der Praxis an uns herangetragenen Probleme, deren Lösung uns zwang,
nach neuen Wegen zu suchen. Im vorliegenden Bericht werden kurz die Er
fahrungen wiedergegeben, die bei der Wanddickenmessung von Kesselrohren
sowie der Messung von Differenzdrücken und des Mengendurchsatzes von Roh
ren unter Anwe'ndung von radioaktiven Isotopen gewonnen wurden1 ) •
A. Wanddickenmessungen mittels radioaktiver
Strahlen und Zählrohrgerät
Die Entwicklungstendenz des modernen Kraftwerkbaus, die Wirtschaftlich
keit der Anlagen durch den Übergang zu höheren Dampfdrücken und -tempe
raturen zu steigern, macht die Verwendung von hochwertigen, legierten
Stählen notwendig. Die dadurch entstehenden höheren Materialkosten zwin
gen den Konstrukteur zu sparsamer Materialausnutzung und -gestaltung
und erfordern die Einhaltung enger Toleranzgrenzen bei der Fertigung.
Parallel zur Entwicklung des Kessel- und Rohrleitungsbaues mußte daher
auch auf dem Gebiet des Meß- und Prüfwesens nach neuen Wegen gesucht
werden, um den gestiegenen Genauigkeitsansprüchen der Fertigungskontrol
le gerecht zu werden und dem Sicherheitsbedürfnis zu genügen. Diese Ent
wicklung findet ihren Niederschlag in der Verbesserung der Röntgen- und
magnetischen Prüfverfahren, der Ultraschall-Prüfmethode sowie in letz
ter Zeit in dem immer stärkeren Einsatz radioaktiver Isotope zur Werk
stückprüfung.
Die Anwendung von Röntgen- und "Isotopen"-Strahlung auf dem Gebiet der
Werkstoffprüfung beruht auf der Tatsache, daß die Intensität der Strah
lung beim Durchgang durch Materie geschwächt wird. Zum Nachweis der In
tensitätsschwächung kann neben der Ausnutzung des Photoeffektes, wie er
1, Die Originalveröffentlichung dieses Aufsatzes erfolgte in den
"Mi tteilungen der VGB'~Heft 23, März 1953 S. 406-413
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
heute in großem Maße auf dem Gebiet der Radiographie angewendet wird,
die direkte, quantitative Anzeige des Zählrohrstromes herangezogen wer
den. Dieses Verfahren weist gegenüber der ersten Möglichkeit den Vorteil
auf, daß die langen Belichtungszeiten, die sich aus der verhältnismäßig
geringen Strahlungsintensität der radioaktiven Präparate ergeben, ver
mieden werden und somit eine wirtschaftliche Werkstückprüfung in vielen
Fällen erst möglich wird. Darüber hinaus läßt die Zählrohranzeige eine
Anwendung des Durchstrahlungsverfahrens in allen den Fällen zu, wo die
bauliche Form der zu prüfenden Werkstücke die Anbringung der Filme er
schwert oder ausschließt. Die Erfahrungen, die beim TÜV Essen bei der
Verwendung von radioaktiver Strahlung und ihrem Nachweis mit GEIGER-MÜL
LER-Zählrohren in Zusammenhang mit anderen Meßvorhaben gewonnen wurden,
ließen den Wunsch aufkommen, Isotope für die Wanddickenmessungen an Kes
selrohren der üblichen Abmessungen einzusetzen.
Einige Versuche, die ermutigend verliefen, veranlaßten uns, den Auftrag
eines Werkes auf Überprüfung von Überhitzerrohren mit dem nötigen Vorbe
halt anzunehmen. Es handelte sich um 100 atü-Überhitzer mit je 900 Über
hitzerrohren von 8 m Länge und 16/12 mm ~ (also mit sehr kleinem Innen
durchmesser), die auf diese ganze Länge auf Einhaltung der Walztoleranz
von ± 0,2 mm untersucht werden sollten. Wenn auch aus der Herstellungs
art der Rohre die Einhaltung der Toleranzen wahrscheinlich war, wollte
das Werk doch auf eine Kontrolle nicht verzichten, da bei der besonderen
Konstruktion des Überhitzers ein Rohrschaden zu erheblichen Reparatur
kosten geführt hätte. In einem derartigen Falle versagten die bisher üb
lichen Meßmethoden. Auch eine Röntgendurchstrahlung mit Zählrohrmessung
des Schwächungseffektes war nicht durchführbar, da das Zählrohr mit der
Hochspannungszuführung hätte ins Rohr eingebracht werden müssen. Es wur
de daher von uns der Vorschlag gemacht, das Durchstrahlungsverfahren mit
innenliegendem Isotop anzuwenden.
Obwohl über derartige direkte Prüfungen bereits einige Untersuchungen
vorlagen, waren die Anwendungsmöglichkeiten und die erzielbaren Genau
igkeitsgrenzen des Verfahrens zunächst nicht genau abzuschätzen. Bei der
Abwicklung des Auftrages ergaben sich dann auch bald Schwierigkeiten,
wie sie zunächst nicht erwartet wurden. Der Grund hierfür ist aus der
später von Dr. TROST veröffentlichten Abbildung 1 zu erkennen, in der
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Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
die erzielbare prozentuale Meßgenauigkeit in Abhängigkeit von der durch
strahlten Stahldicke in mm angegeben ist.
Wie die Abbildung zeigt, klafft zwischen dem Anwendungsbereich der Beta
und Gammastrahlung eine Lücke, in welcher gerade die Wanddicke der zu
untersuchenden Kesselrohre liegt. Das hängt damit zusammen, daß in die
sem Gebiet die Betastrahlen das Material nicht mehr durchdringen. Für
die wesentlich durchdringenderen Gammastrahlen verläuft nun bekanntlich
die Intensitätsänderung in Abhängigkeit von der Wanddickenänderung nach
einer Exponentialfunktion, d.h. kleine absolute Wanddiokenänderungen ru
fen nur sehr kleine Intensitätsänderungen hervor (s. auch Abb. 3). Diese
liegen dann bald im Bereich der statistischen Schwankungen des Zählrohr
stromes, die von der regellosen Aufeinanderfolge der registrierten Ein
zelstöße herrühren. Mit steigender absoluter Wanddickenänderung wachsen
die Intensitätsänderungen rasch an, so daß die prozentuale Fehlererkenn
barkeit bei größeren Wanddicken wieder besser wird.
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A b b i I dun g 1
Genauigkeitsgrenzen bei Durchstrahlung
verschiedener Stahldicken
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
In dem gezeigten Bereich ergeben die absoluten Wandschwächungswerte (in
unserem Falle z.B. : 0,2 mm als Walztoleranz) einen sehr geringen Schwä
chungseffekt der Gammastrahlung, der üblicherweise nicht ausreicht, um
eindeutige Anzeigeänderungen über die statistische Schwankung der Anzei
ge hinaus zu erkennen. Darüber hinaus hängt der Schwächungseffekt auch
von der Art des verwendeten Präparates - nämlich von der Energie der aus
gesandten Strahlen (Wellenlänge) - ab. In den Jahren 1951/52 waren wir
in der Auswahl von geeigneten Radioisotopen sehr eingeengt, so daß wir
nur Radiumsalze und CO 6°-präparate mit Energien von 1,7 MeV bzw. 1,1 und
1,3 MeV für die Untersuchungen zur Verfügung hatten, bei welchen die Ab
sorption wesentlich geringer ist als bei weicher Strahlung, wie sie z.B.
von Röntgenapparaten oder von Ir192_ und Tm170_präparaten geliefert wird.
Erst nach eingehenden Versuchen gelang uns eine Anordnung, bei welcher
auch in diesem Bereich noch eine genügende Erkennbarkeit erreicht wird.
Dabei war es notwendig, eine Reihe besonderer Vorbedingungen einzuhalten.
Hierzu gehören vor allem
genügendes Auflösevermögen des Zählrohres, das dabei im Geigerplateau,
also mit höchster prozentualer Zählung der ankommenden Stöße arbeitet,
möglichst geringe Entfernung zwischen Präparat, Rohrwand und Zählrohr,
genaueste Einhaltung der geometrischen Lage, da kleinste Änderungen des
Strahlenweges wegen der Abhängigkeit der Intensität von der Entfernung
bereits große Fehler verursachen,
günstigste Abstimmung von Anzeigeträgheit (zur Verringerung der stati
stischen Schwankungen), Prüfgenauigkeit und gewünschter Prüfgeschwin
digkeit.
Abbildung 2 zeigt schematisch den Aufbau der verwendeten Vorrichtung.
Die Abbildung läßt erkennen, daß durch eine exakte Rollenführung und
Präparathalterung die geometrische Lage der Meßanordnung gewahrt bleibt.
Die einzelnen Rohre werden in diese Prüfeinrichtung eingeführt und durch
die Rollenführung an der Kurbel schraubenförmig am Prüfort vorbeibewegt,
so daß ein relativ großer Streifen der Rohroberfläche dem Meßstrahl des
radioaktiven Präparates ausgesetzt wird. Bei mehrmaligem Durchkurbeln in
versetzten Schraubenlinien kann praktisch die ganze Oberfläche erfaßt
werden.
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Forschungsberichte de~ ·iiirtschafts- und Verkehrsministeriur.l3 Nordrhein-Westfalen
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A b b i 1 dun g 2
Sohema der "Nan.ldicken-Prüfvorrichtung
a Zählrohr; b Präparat; 0 Prüfrohr; d Präparat träger (Rohr)
e Zählrohr-Abstandsrollen; f Führungsfedern
Für diese Anordnung war nun nach Ermittlung der günstigsten Meßbedingu!'l
gen zunächst eine Eichung nötig. Um die an dem Meßinstrument in Skalen
teilen angezeigte Intensitätsänderung der Strahlung mit einer bestimmten
Wanddickenänderung in Zusammenhang bringen zu können, wurden a!'l Testroh
ren aus gleichem Rohrmaterial mit bekannten Wanddickendifferenzen Ver
gleichsmessungen durchgeführt und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse
geprüft.
Abbildung 3 - Absorptionskurve für Testrohre - läßt erkennen, welche ge
ringste Wanddickenschwächung noch erkennbar ist. Die verlangten 0,2 mm
Wandschwächung ergaben z.B. einen Ausschlag im Meßinstrument von vier
bis. fünf Teilstrichen und liegen damit gut über der statistischen Zei
gerschwankung, die bei der eingestellten Anzeigeträgheit etwa: 2 Ska
lenteile betrug. Bei 0,5 mm Wanddickenänderung steigt der Ausschlag be
reits auf etwa 15 Teilstriche an.
Diese Abbildung gilt aber nur dann, wenn bei der eingestellten Trägheit
dem Zeiger am Meßgerät bei einer Intensitätsänderung genügend Zeit ge
lassen wird, um in die Endlage zu wandern. Bei der Prüfung der Rohre mit
einer gegebenen Durchlaufgeschwindigkeit tritt dieser Fall nur dann ein,
wenn der Fehler eine gev:isse Längenausdehnung hat, die von der Anzeige
verzögerung und der Prüfgeschwindigkeit abhängt. Abbildung 4 zeigt die
Abhängigkeit der Anzeigeänderung von der Zeit bei einer bestimmten Träg
hei tsstufe für verschiedene Wandschwächungen. Bei einem IV'"aterialfehler
von 0,2 mm Wanddicke wird der Endausschlag bei dieser Trägheitsstufe z.B.
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
erst nach 2 Sekunden praktisch erreicht. Wird die Trägheit der Anzeige
verringert, so wird wegen der dann größeren statistischen Schwankungen
der Anzeige (in Abb. 4 schraffiert angedeutet) die Fehlererkennbarkeit
in Richtung größerer Wandschwächungen verschoben, also schlechter.
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Rohrwanddicke mm
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Absorptionskurve für Testrohre Anzeigeverzögerung bei einer Schwächung
der Grundwanddicke (2 mm Eisen) -
Schraffiert: Statistische Zeigerschwan-
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Legt man nun die Fehlerausdehnung, bei welcher ein Fehler noch sicher
erkannt werden soll, z.B. mit 1 cm Rohrlänge fest (ein bereits sehr klei
ner Wert, da bei Walzvorgängen mit größerer Fehlerausdehnung zu rechnen
ist), so hätte man bei dieser Trägheitsstufe mit einem maximalen Rohrvor
schub von etwa 0,5 cmls arbeiten müssen, um bei einer Wanddickenschwä
chung von 0,2 mm tatsächlich den Endausschlag zu erreichen. Das hätte
bei zweimaligem Durchlauf des Rohres etwa eine Stunde Prüfzeit je Rohr
erfordert. Diese Zeit kann man nun für eine bestimmte kleinste Fehler
größe und -ausdehnung verkürzen, wenn man bei der Fehlersuche nicht den
Endausschlag abwartet, sondern sich mit einem über der statistischen
Zeigerschwankung noch gut erkennbaren Ausschlag des Anzeigegerätes be
gnügt. Bei gefundenem Fehler wird dann örtlich nochmals mit geringerer
Geschwindigkeit geprüft und der Fehler quantitativ nach der Eichkurve
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