DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001 Zerstörungsfreie Materialprüfung

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD

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Beiträge: Plakate: Ultraschallprüfung:

Erfahrungen mit der Implementierung der Gruppenstrahler-Prüftechnik in den Turbinen-Prüfservice

H. Rauschenbach, H.P. Lohmann, T. Schreiner; Siemens Power Generation Mülheim G. Engl, J. Achtzehn; IntelligeNDT Erlangen

Aufgabenstellung, Herausforderungen:

In der Kraftwerkstechnik werden immer weiter optimierte Anlagenwirkungsgrade erreicht, die eine hohe Materialauslastung bedingen. Setzt man dies in die Anwendung der zerstörungsfreien Prüfung um, so bedeutet dies folgende Herausforderungen:

• Hohes Nachweisvermögen
• Komplexe Geometrien
• Exakte Zuordnung Prüfkopfposition - Prüflingsgeometrie - Reflektorposition
• Teilmechanisierung/Mechanisierung unter erschwerter Zugänglichkeit
• Effektive Prüfdurchführung: Hohe Zuverlässigkeit, kurze Prüfdauer

1 Anwendungsbereiche:

Der Turbinenprüfservice erstreckt sich auf vielfältige Bereiche mit sehr unterschiedlichen Randbedingungen für die zerstörungsfreie Prüfung:

Abb 1: Anwendungsgebiete an der Turbine, Beispiele

(1) Radscheiben
(2) Turbinenwellen
(3) Tannenbaumnuten an Radscheiben
(4) Schaufelfussprüfung der Turbinenlaufschaufeln
(5) Leitschaufeleinschweissungen
(6) Dickwandige Rundnähte an Läufern und Rohren

2 Antwort der ZfP:

Die Antwort, die die zerstörungsfreie Prüfung auf diese Problemstellungen geben kann, involvieren innovative Techniken auf den Sektoren der Sensorik, der Datenrefassung und -verarbeitung als auch der Robotik und Steuerung. Im einzelnen sind diese:
• Optimierte Prüftechniken: Gruppenstrahlertechnik
  Vielfachwinkelabtastung
  Schallbündelformung
  minimierte Prüfsystemabmessungen
  deutlich gesteigerte Signalinformation
• Schnelle Datenverarbeitung
• Übersichtliche Ergebnisdarstellung
• Optimierte Mechanik
  Teil/Vollmechanisierung
  Halterungsanpassung
  Miniaturisierung durch Robotik
  Präzise Positionierung
• Problemangepasstes Prüfsystem

3 Strategie für die Implementierung innovativer Prüftechniken:

Eine effektive Implementierung neuer Prüftechniken wie der Gruppenstrahlertechnik erfordert eine systematisch strukturierte Vorgehensweise, die folgende Elemente aufweist:
• Definition der Anforderungen
• Planung und Fertigung der Testkörper und Testfehler
• Orientierende Versuche mit konventionellen Prüfköpfen
• GRST - Prüfkopfprototyp mit Keilanpassung
• Umfassende Messungen mit Vor-Mechanik samt Bewertung
• Auslegung und Fertigung endgültiger GRST-Prüfköpfe
• Umfassende verifizierende Messungen mit End-Mechanik
• Ausarbeitung der Prüfvorschrift und Training
Damit ergibt sich die Möglichkeit der effektiven Durchführung eines Projektes zur Implementierung innovativer Techniken, das in seinem Verlauf genügend Erfolgskontrolle anhand von Milestones ermöglicht und mit angemessenem Aufwand eine zielgerichtete Erreichung optimierter Lösungen gewährleistet.

4 Beispiele für Problemlösungen

Zwei Beispiele sollen im folgenden Problemlösungen darstellen, die mittels der Gruppenstrahlertechnik erreicht wurden.

4.1 Tannenbaumnuten an Radscheiben
Für die Befestigung der Schaufeln an den Radscheiben gibt es verschiedene Ausführungsformen: Bei diesem Design sind die Tannenbaumnuten axial ausgerichtet in einer Doppelreihe angeordnet.

Abb 2: Tannenbaumnuten in Doppelanordnung mit Prüfgeometrie

4.1.1 Prüfkonzept
Das Prüfkonzept für die Auffindung der von dem Formgrund ausgehenden Fehler benützt den Vorteil der konischen Geometrie, um eine Abtastung über die gesamte Länge der Tannenbaumnuten zu gewährleisten (linke und mittlere Darstellung). Der Gruppen-strahler-Prüfkopf schwenkt horizontal und erfaßt damit die gesamte Tannenbaumgeometrie unter verschiedenen Aspektwinkeln, um so eine Redundanz an Signalinformation zu erhalten und auch Orientierungsschwankungen der eventuellen Fehler abzudekken (linke Darstellung).

4.1.2 Erperimentelle Ergebnisse
Aufgrund der relativ klaren geometrischen Verhältnisse wurde rasch in das Stadium der Versuche mit den Gruppenstrahler-Prüfköpfen übergegangen:

Abb 3: Ergebnisdarstellung vom Testkörper mit Fehleranzeigen

Die Projektionsbilder mit Überlagerung aller Schwenkwinkelergebnisse in jeweils ein Bild zeigen die Formanzeigen, bedingt durch den Grund und die Spitze der Tannenbaumgeometrie. Im D-Bild stellen sich diese Formechos als schräg verlaufende Linien dar, dazwischen sind deutlich die Anzeigen der beiden Fehler mit 2 mm Tiefe erkennbar.

Die Software bietet nun die Möglichkeit die formbedingten Anzeigen aus den Projektionsbildern herauszuschneiden, so daß sich als Deutliches Prüfergebnis die Darstellung der beiden Fehler ohne Formechoüberlagerung ergibt.

Abb 4: Ergebnisdarstellung, Formechos ausgeblendet

4.2 Schaufelfüsse der Turbinenlaufschaufeln
Hier liegt eine kompliziertere Prüfgeometrie vor: Das untere Ende der Schaufel ist stark gekrümmt und schneidet den Schaufelfuß sichelförmig an.

4.2.1 Prüfkonzept
Durch diese Geometrie besteht an beiden Enden an der Saugseite eine Möglichkeit der Prüfkopfauflage, um die Fehlerlagen in der Tannenbaumgeometrie zu erreichen (siehe Abbildung 5). Die Fehlerlagen in der Mittenposition der Längsachse des Schaufelfußes werden lediglich durch Ankopplung an der Druckseite am unteren Ende der Schaufel erreicht (Abbildung 6). Für beide Fälle erfordert die Prüfgeometrie einen Vertikalschwenk des zu verwendenden Gruppenstrahlerprüfkopfes. Damit fällt die Möglichkeit des horizontalen Schallschwenks weg, die Manipulation muß den Anstellwinkel angepaßt einstellen können.

4.2.2 Experimentelle Ergebnisse


Abb 5: Prüfkopfpositionen an der Kopfseite

Die den Prüfpositionen zugeordneten A-Bilder zeigen für die 2 mm tiefen Nuten einen Nutz-Stör-Abstand von über 12 dB.

Abb 6: Prüfkopfposition auf der Schaufel

Aufgrund der umfangreichen Vorversuche mit konventionellen Prüfköpfen zur Simulation verschiedener ("vertikaler") Einschallwinkel, aber auch zur Optimierung der Prüffrequenz, konnten die Parameter der Gruppenstrahlerprüfköpfe zuverlässig bestimmt werden.

Ein Beispiel zum oben gezeigten Fehler Nr. 6 soll dies demonstrieren:

Abb 7: Prüfergebnis mit Gruppenstrahlertechnik in Projektionsdarstellung

5 Zusammenfassung, Ausblick

Die beiden gezeigten Anwendungsfälle im Umfeld der mit der Turbine verbundenen Prüfaufgaben demonstrieren exemplarisch, wie ein gezielter Einsatz der Gruppenstrahlertechnik ihre schon in anderen Fällen festgestellten Vorteile zur Geltung bringt.
Zumeist muß hier nur ein einziger Prüfkopf eingesetzt werden, in anderen Fällen zwei. Die gleiche Abdeckung mit konventionellen Prüfköpfen würde eine nicht mehr handhabbare Vielzahl von Prüfköpfen erfordern. Die gruppenstrahlerspezifischen Möglichkeiten der Anzeigendarstellung wie überlagerter Sektorscan erleichtern die Anzeigenbeurteilung erheblich.
Wenn die Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zur Implementierung der Gruppenstrahlertechnik in den gesamten Anwendungsbereich der anspruchsvollen Prüfungen an der Turbine abgeschlossen sein werden, stehen sehr aussagefähige Techniken zur Beurteilung der Integrität dieser wichtigen Komponente zur Verfügung.

Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net

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