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TABLE OF CONTENTS

- - Zusammenfassung 1. Einleitung 2. Testkörper und Referenzkörper Testkörper mit Schweissnähten, Testkörper mit Nuten 3. Fehlernachweis mittels Impuls-Echo Prüfung, Messergebnisse 4. Meßaufbau für die TOFD-Technik 5. Meßergebnisse der TOFD-Technik 6. Schlußfolgerungen 7. Referenzen

Zusammenfassung

An ausgewählten Testkörpern mit fehlerbehafteten Schweißnähten und Wanddicken zwischen 15 mm und 60 mm sowie an Testkörpern mit funkenerosiv eingebrachten 1 mm und 5 mm tiefen Nuten sind Ultraschallmessungen mit der TOFD-Technik durchgeführt worden. Die TOFD-Meßergebnisse werden den detailliert vorliegenden Impuls-Echo-Meßergebnissen gegenübergestellt. Während die TOFD-Technik im Wanddickenmittenbereich der Schweißnähte Fehler zu detektieren gestattet, ist bei Fehlern im angrenzenden Bereich der Außenoberfläche die Prüfaussage mit der TOFD-Technik eingeschränkt, so daß Schweißnahtfehler, deren Anzeigen nach bestehenden Regelwerken (z.B. HP 5/3) registrierpflichtig sind, nach den Prüfvorschriften des Normungsvorschlages nicht sicher nachgewiesen werden können.

1. Einleitung

Die Möglichkeit der Rißgrößenbestimmung anhand einer Analyse der Schallauf-zeiten der an den Rißspitzen gebeugten Schallwellen ist in der Ultraschallprüfung von Schweißnähten schon seit über 30 Jahren bekannt. Vor der Analyse eines Rißbefundes muß jedoch eine Fehlersuche mit ortsbezogener Rißdetektion erfolgt sein. Seit einigen Jahren wird nun in zunehmendem Maße die Beugungslaufzeit-technik (TOFD) in der Prüfpraxis nicht nur für die Analyse sondern auch für die Fehlersuche benutzt.

Wie die zahlreichen Veröffentlichungen zeigen, wird die TOFD-Technik zur Kontrolle und Überwachung sicherheitsrelevanter Schweißnähte und anderer bruchmechanisch sensibler Komponenten in der chemischen Industrie [1] , im offshore-Bereich [2] sowie für die Überwachung im Kraftwerks- und Rohrleitungssektor [3] eingesetzt. Einige Publikationen [4] erzeugen mit den dargestellten Prüfergebnissen den Eindruck, daß die TOFD-Technik so viele Vorteile bietet, daß sie die Durchstrahlungsprüfung und andere Ultraschallprüftechniken aus der ZfP verdrängen kann.

Aber es gibt auch Beiträge, die deutlich zeigen, daß die TOFD-Technik nicht als Such- sondern als Analysewerkzeug einzusetzen ist. Es wird darauf hingewiesen, daß bei der Prüfung von Generator-Rückhalteringen mit der Beugungslaufzeittechnik für den Nachweis interkristalliner Spannungskorrosionsrisse erst eine SAFT-Signalverarbeitung Rißanzeigen von geometrischen Anzeigen zu unterscheiden gestattet. Aus den Laufzeiten der Beugungsanzeigen lassen sich dann die Rißgrößen bestimmen [5]. Auch wird in einer weiteren Veröffentlichung deutlich zum Ausdruck gebracht, daß von vornherein nicht sicher sein kann, ob für jede Rißkonfiguration ein Rißspitzensignal erhalten wird, so daß für die Fehlersuche das von der Fehlerfläche oder von der Rißöffnung reflektierte Ultraschallsignal zu nutzen ist [6].

Die europäische Vornorm ENV 583-6, Teil 6, mit dem Titel : Beugungslaufzeittechnik, ein Verfahren zum Auffinden und Ausmessen von Unregelmäßigkeiten , wurde von CEN als eine künftige Norm zur vorläufigen Anwendung für eine Frist von drei Jahren angenommen. Die Mitglieder des CEN sind aufgerufen, Stellungnahmen abzugeben, insbesondere zur Frage, ob die Vornorm in der vorliegenden Fassung in eine europäische Norm umgewandelt werden kann.

Die in diesem Beitrag vorgestellten Untersuchungsergebnisse befassen sich mit der Leistungsfähigkeit und den Grenzen der TOFD-Technik. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, mit Hilfe einer abgeänderten und ergänzten Fassung der in die Norm umgewandelten Vornorm, die TOFD-Technik auf die Anwendungsfälle zu beschränken, wo sie tatsächlich einen belastbaren ZfP-Beitrag liefern kann.

2. Testkörper und Referenzkörper

Als Test- und Referenzkörper wurden ferritische Platten mit und ohne Schweissnähten verwendet. Diese beinhalten als nachzuweisende Fehlstellen Nuten, Durchschweiss- und Flankenbindefehler sowie einen mittig liegenden Riss (P5).

2.1 Testkörper mit Schweissnähten
Tabelle 1 gibt Auskunft über die für diesen Beitrag untersuchten Testplatten mit Schweissnähten. Die Lage und Tiefenausdehung der Fehlstellen wurden mittels Magnetpulverprüfung auf beiden Stirnseiten nachgewiesen und photographisch dokumentiert (siehe Bild 1,2 und 3). Auch mit Hilfe der Durchstrahlungsprüfung gelingt der Nachweis der durchgehenden Fehler. Die Nichtdurchschweissfehler sind künstlich erzeugt worden.

Tabelle 1

Testblock	Dicke (mm)	Masse (mm) Länge * Breite	Nahttyp	Fehlertyp	Bild 1,2 und 3
P1	15	300*300	X-Naht einseitig beschliffen	mittiger Nichtdurchschweissfehler, ca. 1 mm tief
P2	25	390*300	X-Naht einseitig beschliffen	mittiger Nichtdurchschweissfehler, ca. 2,5 mm tief
P3	60	130*295	X-Naht einseitig beschliffen	durchgehend mittiger Nichtdurchschweissfehler ca. 8 mm tief, lokal natürliche kleine Schweissfehler
P5	38	100*300	X-Naht beidseitig beschliffen	durchgehender mittiger Riss, ca. 2 mm tief
P8	50	120*327	U-Naht beidseitig beschliffen	beidseitig der Naht Flankenbindefehler senkrecht, mittig, 3 bzw. 8 mm tief beidseitig der Naht Flankenbindefehler in der Wurzel, ca. 30° geneigt 4 bzw. 8 mm tief

2.2 Testkörper mit Nuten
Die Testkörper mit funkenerosiv eingebrachten Nuten haben eine Dicke von 63 mm und eine Länge von 360 mm. Die an der Außenoberfläche eingebrachten Nuten sind 1 mm und 5 mm tief und haben eine Breite von 0,1 bis 0,2 mm. Die 5 mm tiefen Nuten haben senkrechte und geneigte Orientierungen mit Winkeln von 0°, 10° und 20°.

3. Fehlernachweis mittels Impuls-Echo Prüfung, Messergebnisse

Als Registriergrenze wurden gemäss einer in der Schweiz üblichen Prüfvorschrift (SVDB) 50% einer 2 mm ZB verwendet. Die Empfindlichkeitsjustierung wurde an einer Zylinderbohrungsreihe (3 mm) durchgeführt. Der Testkörper P3 hat einen mittigen Durchschweissfehler und wurde mechanisiert in I/E-Technik geprüft. Vergleichend wurde dabei das Nahtvolumen mit Einschallwinkeln von +/- 45°, +/- 60°, +/- 70° und unterschiedlichen Frequenzen (1/2 MHz WB, 2/4 MHz MWB) mäanderförmig geprüft.

Die Durchschweissfehler sind mehr oder weniger durchgehend mit genügendem Signal/Rauschabstand in C-Bildern zu erkennen. Entsprechend den Tabellen 2 und 3 wird der Nachweis über eine reine Amplitudenbewertung wie erwartet mit zunehmendem Einschallwinkel und abnehmender Frequenz besser [7]. Die ERG-Werte in Tabelle 2 und 3 sind aus dem Bezug zur 3 mm ZB berechnet:

Tabelle 2

Platte

MWB45N2

MWB60N2

MWB70N2

MWB45N4

MWB60N4

MWB70N4

Einschallrichtung

ERA

ERB

ERA

ERB

ERA

ERB

ERA

ERB

ERA

ERB

ERA

ERB

P2

-2 1.3

-5 1.1

2 1.8

2 1.8

---- ------

---- ------

-4 1.3

-6 1.2

0 1.1

2 1.3

0 1.2

-1 1.2

dB ü. Reg.Gr. ERG

P3

-2 1.6

-12 /

1 /

2 2.2

6 /

7 3.2

-3 1.1

-7 /

5 /

6 2.0

5 2.0

3 /

dB ü. Reg.Gr. ERG

Tabelle 3

Platte

WB45N1

WB60N1

WB70N1

WB45N2

WB60N2

WB70N2

Einschallrichtung

ERA

ERB

ERA

ERB

ERA

ERB

ERA

ERB

ERA

ERB

ERA

ERB

P2

3 2.4

0 2.1

5 3

4 2.8

7 3.7

7 3.7

------ ----

------ ----

------ ----

------ ----

------ ----

------ ----

dB ü. Reg.Gr. ERG

P3 -

1 2.4

-2 /

3 3.3

2 /

4 3.9

2 /

-4 1.4

-4 /

1 2.1

0 /

7 3.2

5 /

dB ü. Reg.Gr. ERG

4. Meßaufbau für die TOFD-Technik

Das Prinzip der TOFD-Technik besteht darin, daß zwei Winkelprüfköpfe mit Einschallwinkeln von 45°, 60° oder auch 65° für Longitudinalwellen in V-Durchschallungsanordnung fest miteinander verbunden sind. Der Abstand der Prüfköpfe ist von der Wanddicke abhängig und ist nach der Vornorm so zu wählen, daß die Schallbündelachsen sich in dem Tiefenbereich schneiden, in dem die Unregelmäßigkeiten erwartet bzw. gesucht werden.

Fig. 4: Equipment for measurements with the TOFD-Technique 5 MHz Long. Wave-Probes

Der eingesetzte Meßaufbau ist in Bild 4 dargestellt. Die Prüfköpfe mit einem Einschallwinkel von 60° oder 65° und einer Prüffrequenz von 5 MHz sind in einer Prüfkopfhalterung fest miteinander verbunden. Der Abstand der Prüfköpfe ist variabel. Angeschlossen sind die Prüfköpfe an ein Ultraschallgerät, das für Prüffrequenzen zwischen 0,5 und 25 MHz ausgerüstet ist. Die Sendespannung beträgt 400 V und die bei den Messungen eingestellte Impulsbreite hat eine Größe von 50 ns. Die Maximalverstärkung liegt bei 112 dB. Die in HF-Darstellung registrierten A-Bilder werden als Analogsignalfolge an einen 8 bit ADC-Wandler mit einer maximalen Abtastfrequenz von 200 MHz weitergereicht. An den ADC-Wandler ist ein für den schnellen Dateneinzug geeigneter Rechner angeschlossen. Die bei der manipulatorgesteuerten Prüfkopfführung aufgenommenen A-Bilder werden abgespeichert. Aus den A-Bildern werden dann B- oder TD-Bilder erstellt. Die einzelnen A-Bilder bestehen aus 512 Pixeln. Die das Auflösungsvermögen bestimmende Pixelgröße ist bis auf 0,015 mm reduzierbar. Die B- oder TD-Bilder können farb - oder grautoncodiert dargestellt werden. Der Meßpunktabstand beträgt 0,5 mm.

Der 5 MHz-Prüfkopf mit einem Einschallwinkel von 65° für Longitudinalwellen und einem Schwingerdurchmesser von 5 mm hat eine Pulslänge von ca. 1 mm. Dieser Prüfkopf ist nur für Wanddicken bis ca. 25 mm geeignet. Für größere Wanddicken wird der 5 MHz- Prüfkopf mit einem Schwingerdurchmesser von 6 mm und mit einem Einschallwinkel von 60° für Longitudinalwellen eingesetzt. Die Pulslänge dieses Prüfkopfes beträgt ca. 2 mm.

5. Meßergebnisse der TOFD-Technik

Es wurden TOFD-Messungen an den Schweißnähten der Testblöcke P1, P2, P3, P5 und P8 vorgenommen. Die Abmessungen der Testblöcke, die Schweißnahtformen und die Fehlertypen in den Schweißnähten sind in der Tabelle 1 aufgeführt. Mit einer Einschallrichtung senkrecht zur Schweißnahtlängsachse wurden die Prüfköpfe parallel zur Schweißnahtlängsachse entlanggeführt. Die Meßfahrten wurden mit mehreren verschiedenen Prüfkopfabständen wiederholt. Die Meßergebnisse zeigen die im folgenden dargestellten und kommentierten B-Bilder: separate Seite

6. Schlußfolgerungen

Aus dem vorgelegten Bildmaterial geht hervor, daß die TOFD-Technik im Wanddickenmittenbereich der Schweißnaht Fehler zu detektieren gestattet und bei genügend großen Fehlern in Abhängigkeit vom Auflösungsvermögen des Prüfkopfes auch ein Analysepotential zur Fehlergrößenbestimmung aufweist. Bei Fehlern dicht an der Außenoberfläche ist die Prüfaussage mit der TOFD-Technik eingeschränkt, so daß der Nachweis registrierpflichtiger Anzeigen ( nach HP 5/3 ) nicht immer gewährleistet ist, wenn strikt nach den Prüfvorschriften der Vornorm ENV 583-6 vorgegangen wird. Die Vornorm schreibt erst ab Wanddicken größer 70 mm eine Einteilung der Wanddicke in Tiefenbereiche vor. Bei Wanddicken von 50 mm und 63 mm (P8 und T63-1) reicht ein auf Wanddickenmitte ausgerichteter Prüfkopfabstand aus, um die Schweißnaht vornormgerecht zu prüfen.

Die Unterteilung der Wanddicke in Tiefenzonen zum Auffinden und Ausmessen von Fehlern mit Hilfe der TOFD-Technik ist also nicht erst ab Wanddicken größer als 70 mm vorzunehmen. Die Tiefenzonenanpassung hat durch mehrmaliges Abrastern der Schweißnaht mit verschiedenen Prüfkopfabständen zu erfolgen. Da zusätzlich zu den Beugungsanzeigen der Longitudinalwelle auch Störanzeigen, die durch Wellenumwandlung bedingt sind, (siehe Bild 6) auftreten, ist die Abstandsvariation auch zur Erkennung dieser störenden Anzeigen mit Transversalwellenanteilen hilfreich.

Da aber auch bei Abstandsoptimierung kleine Fehler an der Außenoberfläche oder bei ungünstiger Rißkonfiguration auch in Schweißnahtmitte (siehe P1) mit der TOFD-Technik nicht detektierbar sind, ist die TOFD-Technik keine Alternative zur Impuls-Echo-Technik sondern eine Ergänzung.

7. Referenzen

1. M.-G. Silk, P.-E. Kear; TOFD - Das Laufzeitbeugungsverfahren. Theoretische Aspekte und praktische Anwendungen; Il Giornale delle Prove non Distruttive Monitoraggio Diagnostica, Band 14 (1993) 2, S. 28-38
2. B.-J. Smith, F.A. Wedgewood, K. Siva, Ein Prüfwerkzeug für ein modernes ferngesteuertes Fahrzeug; The European Journal of Non-Destructive Testing, (1992) Band 1,Heft 3, S. 127-132
3. P.-J. Conroy, K.S. Leyland, Ergebnisse der Qualifizierung der Ultraschallprüfung für Dampferzeuger, Generator und Reaktorkühlmittelpumpen von Sizewell B; Konferenzbericht, 13th International Conference on NDE in the Nuclear and Pressure Vessel Industries, Kyoto, 22.-25 May 1995, S. 177-185
4. J. Verkooijen, Laufzeitbeugungsverfahren als Ersatz für die Radiographie; Insight, Band 37 (1995) 6, S.433-435
5. L.-D. Nottingham, D.-E. MacDonald, Laufzeit-Beugungsmessung mit Ultraschall an interkristallinen Spannungskorrosionsrissen in Generator-Rückhalteringen; Konferenzbericht, 10th International Conference on NDE in the Nuclear and Pressure Vessel Industries, Glasgow, 11.6.-14.6. 1990, S. 597- 601
6. T. Just, G. Csapo, Ultraschall-Risstiefenbestimmung an Korrosionsrissen in austenitischen Rohrleitungen; Vorträge des Querschnittsseminars, Berlin, 28.-29. Nov. 1994, DGZfP-Band 46 (1995) S. 111 -118
7. P. Kreier, F. Allidi, F. Walte, W. Gebhardt; Vergleich verschiedener US-Prüfverfahren an senkrecht orientierten flächenhaften scharfkantigen Fehlern; DGZfP Jahrestagung Kiel 1989, S. 497 - 506.

Authoren

Prof Dr. Ing. Hermann Wuestenberg
BAM Berlin DE,
Hermann.Wuestenberg@bam.de

Dr. Ing. Gerhard Brekow
BAM Berlin DE,
Gerhard.Brekow@bam.de

Dr. Peter Kreider
Innotest AG Eschlikon CH,
innotest@compuserve.com