Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Stahlrohre mit bis zu 710 mm Durchmesser und Wanddicken bis zu 100 mm werden in einem sogenannten Multiprüfblock gleichzeitig mit Ultraschall auf Wanddicke und mit Streufluß auf Oberflächenfehler geprüft.
Die Ultraschallprüfung erfolgt mit einem neuartigen elektrodynamischen Wanddicken-Ultraschallprüfkopf, der in Verbindung mit dem Ultraschallsystem MESUS vom Mannesmann Forschungsinstitut online eine farbig kodierte Darstellung des Wanddickenverlaufs einer kompletten Rohrabwicklung erlaubt. Die Ergebnisse werden zur Datenanalyse und zur schnellen Optimierung des Rohrwalzprozesses genutzt.
Zur Streuflußprüfung wird ein Hochenergiewechselfeld-Prüfsystem STATOFLUX von FOERSTER eingesetzt, das insbesondere längsorientierte oder lochartige Fehler detektiert und die Wasserdruckprüfung nach EN 10246-1 ersetzt.
In der Pilgerstraße der Vallourec & Mannesmann Deutschland GmbH in Düsseldorf Rath wurde Mitte 1999 ein sogenannter Multiprüfblock in Betrieb genommen. Die Pilgerstraße produziert nahtlose Stahlrohre mit Außendurchmessern von 219,1 mm bis 710 mm. Die Wanddicken liegen zwischen 8 mm und 140 mm. Als Basis für die Erzeugung dieser nahtlosen Rohre dienen konventionell vergossene Rundstahlblöcke. Zum Einsatz kommen im wesentlichen ferromagnetische Stähle.
Ein wichtiges Investitionsziel bei der Realisierung des Multiprüfblocks war die Verbesserung der Fertigungssicherheit im Hinblick auf die Oberflächenbeschaffenheit und die Rohrgeometrie. Die Anlage wurde im direkten Produktionsfluß an das Pilgerwalzwerk angebunden, um eine schnelle Rückkopplung zum Walzaggregat zu erreichen.
Der Multiprüfblock verfügt über zwei Meßsysteme. Zur Ermittlung von Wanddicke, Exzentrizität und zur Dopplungsprüfung dient ein Ultraschallsystem. Die Prüfung auf im wesentlichen längsorientierte Oberflächenfehler und der Ersatz der Wasserdruckprüfung nach EN 10246-1 wird mit einem Streuflußprüfsystem durchgeführt. Die Systeme sind nachfolgend detailliert beschrieben.
Elektromagnetisches Ultraschallverfahren (EMUS-Verfahren)
Das System zur Wanddickenmessung und Dopplungsprüfung basiert auf der trocken arbeitenden elektromagnetischen Ultraschalltechnik. Entgegen der konventionellen Ultraschalltechnik wird bei der EMUS-Technik Ultraschall direkt im elektrisch leitfähigen Prüfling durch induktive und im Falle des ferromagnetischen Prüflings zusätzlich durch magnetische und magnetostriktive Effekte angeregt. Diese Art der Ultraschall-Technik erfordert weder einen unmittelbaren Kontakt noch ein Schallübertragungsmedium (Koppelmittel). Daher ist es möglich, sie mit anderen trocken arbeitenden zerstörungsfreien Prüfverfahren in einfacher Weise zu kombinieren, wie z.B. in diesem Falle erstmalig bei der Vallourec & Mannesmann Deutschland GmbH mit der Hochenergiewechselfeld-Streuflußtechnik.
Systemaufbau
Das elektromagnetische Ultraschall-Meßsystem hat die Aufgabe, eine lückenlose Prüfung auf Dopplungen bei gleichzeitiger Messung der Wanddicke durchzuführen. Zur Anregung bzw. Detektion des Ultraschalls wird ein vierkanaliger elektromagnetischer Prüfkopf mit einem Elektromagneten eingesetzt. Der Prüfkopf wird über Gleitsteine aus Keramik auf der Rohroberfläche geführt. Der Abstand von über 2 mm des Sondensystems zur Rohroberfläche wird so, von Oberflächenunebenheiten abgesehen, konstant gehalten. Die Auswertung erfolgt in einem zentralen, achtkanaligen "Meßwerterfassungssystem Ultraschall" (MESUS), das mit jeweils vier Dopplungs- und vier Wanddickenmeßkanälen ausgestattet ist. Dieses automatisch und alle vier Kanäle parallel anregende System besitzt eine hohe Prüfleistung. Die hohe Verfügbarkeit des Systems wird durch eine Standard-Ferndiagnose und -wartung unterstützt.
Die Ergebnisse der Prüfung können in verschiedenen, vom Prüfpersonal über Menü anwählbaren online Grafiken dargestellt werden. So können neben der Darstellung von Max., Min.- Mittelwerten der Wanddicke oder dem Verlauf der Exzentrizität auch eine farbig kodierte Darstellung des Wanddickenverlaufs einer kompletten Rohrabwicklung (D-Scan) angewählt werden. Ergebnisse der Dopplungsprüfung und der Oberflächenprüfung (C-Scan-Darstellung möglich) lassen sich mit den Wanddickendarstellungen kombinieren.
Das System zur Wanddickenmessung und Dopplungsprüfung setzt sich zusammen aus den folgenden Komponenten
Besonderheiten bei der Entwicklung des Systems
Der Schwerpunkt bei der Weiterentwicklung der EMUS-Technik für die Prüfung gepilgerter Rohre lag in der Aufgabe, den Verschleiß des Systems auf den verfahrensbedingt teils narbigen und verzunderten Oberflächen in Grenzen zu halten und dabei Wanddicken bis zu 100 mm messen zu können. Aufgrund der Geometrie der Rohre mußte mit stärkeren Vibrationen des Prüfkopfes und der Vorortelektronik während der Prüfung gerechnet werden. Deshalb wurden elektronische Bauteile z.T. verklebt und vergossen.
Da der Wanddickenmeßbereich deutlich über den Anforderungen bisheriger Anwendungen liegt, wurden eigens Spulensysteme entwickelt, die hinsichtlich Anregungsenergie und Frequenz der Aufgabenstellung Rechnung tragen. Die Einzelspulen mit einer Meßfrequenz von ca. 2 MHz füllen eine Fläche von 20 x 30 mm und bestehen aus getrennten Sende- und Empfangsspulen. Um einen Rohrvorschub von 120 mm pro Umdrehung bei einer möglichst lückenlosen Prüfung zu gewährleisten, stecken vier Sonden dicht benachbart nebeneinander. Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen wurden jeweils zwei Sonden auf einem Magnetfeldkonzentrator angeordnet. Das Konzentratormaterial besteht aus einem elektrisch schlecht leitendem Pulververbundwerkstoff, um die Wirbelstromanregung und damit die Schallanregung im Konzentrator möglichst zu unterbinden. Die Ausführungsart der Doppelsonde trägt zur Stabilität der Sonde bei und gibt ihr sicheren Halt auf dem Sondenlineal. Die Stecktechnik der Sonden ist bedienerfreundlich und erlaubt einen schnellen Austausch der Sonden.
Die Sondenspulen werden geschützt durch eine alle Sonden überdeckende Schutzkappe, die ihrerseits durch einen mit ihr bündig abschließenden Rahmen sowohl die Sonden als auch die Kappe auf dem Sondenlineal fixieren.
Aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit der Rohre mußten beim Schutz der Sonden neue Wege gegangen werden. Normalerweise werden EMUS-Sonden mit geringer Fläche durch Keramik, größere Sonden durch Kunststoff-Verbundwerkstoffe wie z.B. CFK geschützt. Wegen der Größe der Sondenfläche (120 x 20 mm²) kam Keramik allein nicht in Frage. Der Verschleiß von CFK war hingegen zu hoch und damit wirtschaftlich nicht vertretbar. Die Lösung des Problems war CFK mit einem keramischen Inlay von ca. 0,5 mm Dicke. Hiermit konnten die Standzeiten gegenüber vorherigen Lösungen erheblich erhöht werden.
Für die notwendig hohe Magnetisierung der Oberfläche des Prüflings, es werden Luftspaltinduktionen von ca. 2 Tesla bei 2 mm Luftspalt über 120 mm Länge erreicht, sorgt ein leistungsfähiger Elektromagnet, der durch eine effiziente Luftkühlung der Spule des Elektromagneten und die geeignete Wahl des Jochwerkstoffes kompakt gebaut werden konnte.
Sonden- und Verschleißschutzentwicklung in Verbindung mit einem leistungsfähigen Magnetsystem machen es möglich, die an das System zur Wanddickenmessung und Dopplungsprüfung gestellten Forderungen zu erfüllen. Um die Zuverlässigkeit des Prüfsystems in dieser für eine ZfP-Meßtechnik rauhen industriellen Umgebung zu erhöhen, wird die austretende Luft der Luftkühlung des Magneten gezielt genutzt, um den empfindlichen Sondenbereich von Zunder und Verschmutzung freizuhalten und gleichzeitig die durch die Reibung der Gleitsteine auf der Rohroberfläche entstandene Wärmeenergie abzuführen, damit die Wärmeenergie nicht auf die Sonden übertragen wird.
STATOFLUX, Hochenergiewechselfeld-Streuflußverfahren
Für warm gepilgerte Stahlrohre mit verzunderter Warmwalzoberfläche ist das Hochenergiewechselfeld-Streuflußverfahren das einzige Verfahren das schmale Risse noch bis zu einer minimalen Tiefe von 0,3 mm sicher findet. Dabei wird das rotierende ferromagnetische Prüfmaterial von einem Magnetisierungsjoch mit einem Wechselfeld hoher Frequenz (3 kHz) mit hoher Leistung magnetisiert. Der im Joch erzeugte magnetische Fluß wird berührungslos in das Prüfmaterial übertragen. Auf Grund des Skineffekts bei der hohen Magnetisierungsfrequenz entsteht eine dünne magnetisch gesättigte Schicht zwischen den Jochschenkeln entlang der Rohroberfläche. Magnetische Inhomogenitäten in der Oberflächenstruktur hervorgerufen durch oberflächlichen Zunder werden durch die Sättigung erheblich reduziert und erlauben dadurch den empfindlichen Nachweis von Rissen in der Oberfläche.
Besonderheiten des Sensorsystems
Auswerteelektronik
Die durch Controller bzw. Mikroprozessor gesteuerte Auswerteelektronik besteht aus 16 Auswertekanälen. Die Prüfsignale werden über drei Fehlerschwellen bewertet, die Ereignisse werden protokolliert und generieren entsprechende Markier- und Sortiersignale. über eine Schnittstelle zum Hostrechner können Geräteeinstellungen archiviert und abgerufen sowie Prüfergebnisse protokolliert werden.
Die Sensorsysteme für die Oberflächenprüfung und Wanddicken- und Dopplungsprüfung sind an einer Traverse, die parallel zur Rohrachse verläuft, fahrbar fixiert und werden zum Prüfbeginn nacheinander auf das rotierende Rohr abgesenkt. Die Sensorsysteme, die auf Gleitsteinen gestützt auf der Rohroberfläche aufliegen, bewegen sich dabei in Richtung der Rohrachse und prüfen so das gesamte Rohr auf einer wendelförmigen, 120 mm breiten Spur bis zum Rohrende, wo sie nacheinander, jetzt in umgekehrter Reihenfolge, wieder abgehoben werden. Zur Reduzierung der ungeprüften Rohrenden wird das Rohr an beiden Rohrenden mit dem jeweiligen Sensorsystem mindestens eine Rohrumdrehung lang ohne Vorschub in Rohrachsrichtung geprüft. Die maximale Prüfgeschwindigkeit bei der Prüfung beträgt 2m/s.
Der Multiprüfblock hat sich über zwei Jahre im Mehrschichtbetrieb bewährt. Er liefert Ergebnisse, die die produzierten Rohre in ihrer Qualität umfassend beschreiben. Damit wurde das Investitionsziel erreicht und die mit dem Multiprüfblock gewonnenen Prüfergebnisse stellen ein wichtiges Hilfsmittel zur überwachung der Fertigung und der Qualität der gepilgerten Rohre dar.
Die Meßsysteme arbeiten störungsfrei, wozu nicht zuletzt auch Erfahrungen und daraus resultierende Verbesserungen während des zweijährigen Betriebes beigetragen haben. So konnten insbesondere verschleißintensive Bereiche des EMUS-Wandlers, wie z.B. der Sondenschutz, effizient verbessert werden, wodurch die Standzeiten des Sondensystems erheblich erhöht werden konnten.
| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
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