Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Im Turbinenbau hat die Schweißtechnik einen Stellenwert gewonnen, der die Verbindung auch von hoch beanspruchten Turbinenkomponenten ermöglicht, die noch vor einigen Jahren als schweißtechnisch problematisch galten.
Die Engspaltschweißtechnik ermöglicht das Verbinden von dickwandigen Komponenten wie Turbinenwellen, Rohrleitungen und Gehäuse - Ventilanschlüssen. Dabei wurden von Siemens AG KWU O auf Baustellen schon Schweißnähte mit Wanddicken bis zu 110 mm; Werkstattschweißungen bis 180 mm ausgeführt. Die Prüfung derartig dickwandiger Komponenten ist insbesondere an hoch beanspruchten Turbinenkomponenten (geschweißte Läufer, Frischdampfleitungen, Gehäuse - Ventilverbindungen) ist ein wichtiges Werkzeug zur Qualitätssicherung im Kraftwerksbau.
Mit herkömmlicher Prüftechnik (Winkeleinschallung; ggf. Tandemtechnik) können jedoch relevante Schweißnahtfehler an dickwandigen Schweißverbindungen nicht mit Sicherheit aufgefunden werden (insbesondere Flankenbindefehler bei Engspaltschweißungen).
Mit diesem Hintergrund war es notwendig, eine Ultraschallprüftechnik zu entwickeln, welche bei der US- Prüfung von dickwandigen Komponenten sowohl während der Fertigung als auch auf Baustellen zum Einsatz kommen wird. Dabei ist insbesondere die Problematik zu berücksichtigen, dass die für die Tandem- Prüftechnik erforderliche parallele Reflexionsfläche nicht immer zur Verfügung steht.
Die entwickelte Prüftechnik wurde an einem Testkörper qualifiziert und Rückschlüsse für den Einsatz als Fertigungsprüfung gezogen.
Mit der Weiterentwicklung der Schweißtechnik und der Optimierung der Fertigungstechnik gewinnt die zerstörungsfreie Prüfung von geschweißten Bauteilen immer mehr an Bedeutung. Insbesondere in der Kraftwerkstechnik hat die Schweißtechnik große Bedeutung gewonnen, da heute Komponenten miteinander verschweißt werden, die noch vor einigen Jahren aufgrund der zu verbindenden Abmessungen und Werkstoffe als problematisch galten.
Speziell im Turbinenbereich ist heute selbst auf Baustellen das Schweißen von dickwandigen Komponenten möglich. Da die verschweißten Komponenten hoch beanspruchte Bauteile sind (z.B. dampfführende Rohrleitungen oder rotierende Schmiedestücke), dürfen diese Schweißverbindungen keine relevanten Schweißnahtfehler aufweisen. Flankenbindefehler, sowie jegliche Art von Rissen sind für derartige Schweißnähte unzulässig. Durch geeignete zerstörungsfreie Prüfungen müssen solche Schweißnahtfehler sicher nachgewiesen werden können, um ggf. Reparaturmaßnahmen noch während der Fertigung zu veranlassen.
Sind dickwandige Schweißnähte (Wanddicken ³ 100 mm) zu prüfen, kann die Durchstrahlungsprüfung aufgrund der großen zu durchstrahlenden Wanddicke nicht mehr effektiv eingesetzt werden. Relevante Flankenbindefehler können nicht mehr hinreichend nachgewiesen werden.
Hier kommt die Ultraschallprüfung üblicherweise mit folgender Vorgehensweise zum Einsatz:
Abb 1: Schräglagenverluste bei der US-Prüfung.
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Das Schweißen von Turbinenwellen wird von verschiedenen Herstellern schon seit längerer Zeit durchgeführt.
Aufgrund der hohen Betriebsbeanspruchung ist es erforderlich, derartige Schweißverbindungen auf alle beanspruchungsrelevanten Schweißnahtfehler zu prüfen. Wesentliche Randbedingungen für die durchzuführende Prüfung werden durch das Design der Schweißnaht und der Turbinenwelle vorgegeben. Entsprechend der in Bild 2 dargestellten Turbinenwelle ergeben sich folgende Randbedingungen:
Abb 2: Geschweißte Turbinenwelle.
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Die Anwendung von Standard - Winkelprüfköpfen zur Erfassung des Schweißvolumens ist es zwar möglich, jedoch werden auf diese Weise Flankenbindefehler insbesondere in größeren Tiefenlagen nicht aufgefunden (s. Pkt. 3.1.) und überdies aufgrund von Schräglagenverlusten (s. Bild 1) nicht richtig bewertet.
Durch die Ausführung der Schweißnaht als Engspaltschweißung liegen Flankenbindefehler senkrecht zur Oberfläche. Die eingeschränkte Zugänglichkeit und das Fehlen einer Hilfsreflexionsfläche schließen die Durchführung einer Tandemtechnik zur Prüfung auf Flankenbindefehler aus (s. Pkt. 3.2.).
Aufgabenstellung
Aufgrund der unter Pkt. 4. beschriebenen Randbedingungen und der sich daraus ergebenden Konsequenzen musste eine Prüftechnik zur Erfassung und Bewertung von Flankenbindefehlern an geschweißten Turbinenläufern entwickelt werden. Die zu entwickelnde Prüftechnik sollte zudem einfach, schnell und gut dokumentierbar sein.
Lösung
Als Lösung wird die in Bild 3 dargestellte Prüfanordnung präsentiert.
Zwei US-Prüfköpfe mit zuvor berechneten Einschallwinkeln (entsprechend festzulegender Prüfzone (Tiefenlage)) werden auf der Mantelfläche des zu prüfenden Bauteils derart zueinander positioniert, dass der von Prüfkopf 1 (Sender) ausgesandte Schallstrahl am Fehler entsprechend seiner Fehlerorientierung direkt (Spiegelung des Ultraschallsignals) in Richtung Prüfkopf 2 (Empfänger) reflektiert wird und dort von Prüfkopf 2 empfangen wird.
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Abb 3: Anordnung der US-Prüfköpfe zur Prüfung auf Flankenbindefehler.
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Der Vorteil dieser Verfahrensweise liegt im reflexionsoptimierten Auftreffen des Ultraschallsignals auf die zu prüfende Fehlerorientierung. Dies ist Voraussetzung für eine klare Fehlerbewertung. Eine Hilfsreflexionsfläche wie bei der Tandem-technik ist nicht erforderlich.
Die Realisierung der Prüfung geschieht vorzugsweise mechanisiert und ist daher geeignet bezüglich Prüfsicherheit, Dokumentation und zeitsparender Durchführung hohen Anforderungen zu genügen.
Zur Vorbereitung der Prüftechnik müssen in Abhängigkeit von der Lage der Prüfzone Einschallpositionen, Einschallwinkel und Schielwinkel berechnet werden.
Um die gesamte Schweißnahtflanke abzuscannen, ist es notwendig, dass vor der Prüfung die erforderlichen Prüfzonen (Tiefenzonen) festgelegt werden.
Praktische Untersuchungen
Die Eignung dieser Prüftechnik für das Prüfproblem "geschweißte Turbinenwelle" wurde an einem 1:1 Testkörper untersucht und qualifiziert.
Der Testkörper entspricht bezgl. Schweißnahtgeometrie und Ankoppelverhältnissen den geometrischen Gegebenheiten der zu prüfenden Welle. Als Testreflektoren sind Flachbodenbohrungen (Æ 3 mm ; 6 mm und 8 mm) in verschiedenen Tiefenlagen eingebracht. Bild 4 zeigt eine Skizze des verwendeten Testkörpers.
Abb 4: 1:1 - Testkörper.
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Die Qualifizierung der Prüftechnik erfolgte mit einem bauteilgestützten Manipulator, der die Positionierung der Prüfköpfe entsprechend den berechneten Prüfparametern ermöglicht. Der Manipulator gewährleistet die Einhaltung des berechneten Abstandes der Prüfköpfe untereinander, sowie eine definierte Verdrehung der Prüfköpfe. Die komplette Prüfsituation am Testkörper ist in Bild 5 festgehalten.
Abb 5: Prüfkopfanordnung am Testkörper.
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Bei den Versuchen kam ein mehrkanaliges digitales Ultraschallgerät zum Einsatz. Als Prüfköpfe stand ein breites Sortiment an Transversalwellen - Winkelprüfköpfen (2 MHz) mit Einschallwinkeln von 50° bis 70° (Abstufung : 1,5°) zur Verfügung. Überprüft wurden die Flachbodenbohrungen Æ3 mm ; Æ6 mm und Æ8 mm in verschiedenen Tiefen.
Die ermittelten Ergebnisse bestätigen eindrucksvoll die Eignung dieser Prüftechnik für die US- Prüfung von dickwandigen Engspaltschweißungen. Bei Anschallung der senkrecht zur Oberfläche orientierten Reflektoren wurden alle Reflektoren mit einem ausreichenden Signal - Rauschverhältnis registriert. So konnte die 3 mm Flachbodenbohrung in einer Tiefe von 73 mm mit einem Signal- Rauschabstand von 18 dB sicher gefunden werden.
Die Reflektoren weisen mit der verwendeten Prüftechnik eine relativ große Echodynamik auf, was in der Praxis dazu führt, dass die Anzahl der Prüffahrten / Tiefenzonen reduziert werden kann.
Abb 6: Ergebnisse der Qualifizierung der Prüftechnik an Flachbodenbohrungen mit
Æ3 mm und Æ6 mm. |
Registrierte Anzeigen sind durch die reflexionsoptimierte Anschallung direkt einer Bewertung zugänglich. Dies wird durch den Vergleich der erfassten Echohöhen (Reflektivitäten) der 3, 6 und 8 mm eindrucksvoll belegt. Als Verstärkungsdifferenz wurden zwischen der 3 und 6 mm Flachbodenbohrung 13 dB ermittelt, zwischen der 6 und 8 mm FBB 5 dB. Theoretisch sind 12 dB bzw. 5 dB zu erwarten.
Bild 6 zeigt exemplarisch das Prüfergebnis der 3 und 6 mm FBB. Dargestellt sind A-, TD- und C-Scan.
Die Vorteile der vorgestellten Prüftechnik lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Weiteres Potential liegt in der Implementierung der Phased Array Prüftechnik, was zu einer weiteren Zeitersparnis führt. Die Verwendung moderner, mehrkanaliger Ultraschallgeräte lässt überdies bei gleichzeitigem Betrieb der verwendeten Prüfköpfe im Impuls-Echo-Betrieb und im Sender-Empfänger-Betrieb eine Klassifizierung von Anzeigen in voluminös und flächig zu.
Mit der entwickelten Prüftechnik wurde ein wichtiges Instrument zur Qualitäts-sicherung bei der Herstellung und Reparatur geschweißter Turbinenwellen geschaffen.
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