Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Die radiografische Schweißnahtprüfung bei Rohrrundnähten wird mit zunehmender Tendenz durch eine mechanisierte Ultraschallprüfung ersetzt. Die Gründe sind Wirtschaftlichkeitsüberlegungen und die hohe Nachweissicherheit des Ultraschalls für flächenhafte Fehler, wie Risse, ungenügende Durchschweißung und Bindefehler. Wegen der anisotropen akustischen Eigenschaften des austenitischen Werkstoffes und schweißtechnischer Mängel, wie Quetschfalten, Wurzelkerben, Schrumpfkerben etc. muß jedes einzelne Prüfproblem bei der austenitischen Schweißnahtprüfung sorgfältig unter Berücksichtigung der individuellen geometrischen und werkstofftechnischen Gegebenheiten untersucht werden. Eine Prüftechnik, die pauschal für alle austenitischen Schweißnähte eingesetzt werden kann, gibt es nicht [1,2].
Es war deshalb das Ziel, an einem Vergleichskörper aus Niob stabilisiertem Austenit (Werkstoff Nr.: 1.4550; DIN - Bezeichnung X6CrNiNb1810; Schweißnaht SGX5 CrNiNb199) die Ultraschallprüfbarkeit der Wärmeeinflußzone und der Engspaltschweißnaht im Labor zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden an der Innen- und Aussenseite der Schweißnaht Nuten mit unterschiedlichen Tiefen funkenerosiv eingebracht.
Zum Nachweis dieser Nuten und zur Klärung der Durchschallbarkeit der Schweißnaht wurde mit Transversalwellen im halben und ganzen Sprung gemessen. Zusätzlich zu den konventionellen Prüfköpfen wurden Gruppenstrahlerprüfköpfe eingesetzt, um die Auftreffwinkelabhängigkeit und Anzeigendynamik beim Nachweis der künstlichen Testfehler zu bestimmen.
Außerdem war es das Ziel der Untersuchungen, eine Prüftechnik zu definieren, mit der in Zukunft diese Schweißnähte geprüft werden können. Neben dem Fehlernachweis war auch die Größenbestimmung des nachgewiesenen Fehlers entsprechend der Vorgehensweise im KTA-Regelwerk zu berücksichtigen.
2.1 Vergleichs- und Testkörper
Der für die Untersuchungen eingesetzte zylindrische Vergleichskörper Tk 43 hat einen Aussendurchmesser von 430 mm und eine Wanddicke von 40,5 mm. Die Positionen und Größen der in den Vergleichskörper eingebrachten Testreflektoren sind in Bild 1 dargestellt.
Abb 1: Positionen und Größen der Testnuten im Vergleichskörper .
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Es handelt sich dabei um funkenerodierte Nuten an der Außen- und Innenoberfläche mit einer Länge von jeweils 20 mm und Tiefenausdehnungen zwischen 2 mm und 7 mm. Die Nuten wurden in die Schweißnahtmitte und im Übergang zwischen Schweißnaht und Grundwerkstoff eingebracht.
Für die Empfindlichkeitseinstellung wurden zusätzlich im Grundwerkstoff sog. KTA-Nuten eingebracht. Bei der vorliegenden Wanddicke von 40,5 mm muss nach den Vorgaben des KTA-Regelwerks die Reflektivität einer 3mm tiefen Nut als Bezugsgröße herangezogen werden. Die Registrierempfindlichkeit wird dann um 6 dB empfindlicher eingestellt als die an der KTA-Nut gemessene Empfindlichkeit.
2.2 Gerätetechnik
Für die Untersuchungen zur Ultraschallprüfbarkeit der Engspaltschweißnaht in dem Vergleichskörper Tk 43 wurde das in der BAM entwickelte Gruppenstrahlergerät eingesetzt. An das Gerät können vier Gruppenstrahlerprüfköpfe mit jeweils 16 Elementen, ein Gruppenstrahlerprüfkopf mit 64 Elementen oder 64 Prüfköpfe mit konventionellen Einzelschwingern angeschlossen werden. Das Datenformat dieses Gerätes entspricht dem ZEUS-Format [3]. Dadurch ist es möglich, die in der VGB-Auswerterichtlinie [4] beschriebene Art der Ergebnisdarstellung anzuwenden.
Abb 2: Messanordnung am Vergleichskörper Tk 43.
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Die für die Untersuchungen eingesetzten Prüfköpfe hatten Einschallwinkel von 38°, 45°, 51°, 60° und 70° mit Frequenzen von 0,5, 0,75, 1, 1,5 und 2 MHz. Zusätzlich sind Gruppenstrahlerprüfköpfe mit 1,5 und 3 MHz als SE-Prüfkopf für Longitudinalwellen und als Einzelschwinger-Prüfkopf für Transversalwellen benutzt worden. Die Prüfköpfe mit großer Ankoppelfläche hatten an die Krümmung angepasste Laufsohlen. Ebene Laufsohlen hatten die Prüfköpfe, für die aufgrund ihrer kleinen Ankoppelfläche eine Anpassung an die Krümmung nicht erforderlich war.
2.3 Messdurchführung
Um die Ultraschallprüfbarkeit der Engspaltschweißnaht und der Wärmeeinflußzone zu prüfen, erfolgten die Messungen von beiden Seiten der Schweißnaht im halben und im ganzen Sprung. Für jede Einschallrichtung wurden mehrere Spuren aufgezeichnet. Der Spurabstand betrug in Achsrichtung 5 mm und die Messpunktdichte parallel zur Schweißnaht 0,5°, was einem Messpunktabstand von ca. 1,9 mm entspricht. Die Prüfköpfe wurden mit Fließwasser angekoppelt.
Die Messergebnisse werden in Form von TD-Bildern dargestellt, die beispielhaft in Bild 3 und 4 für die 45° ET1- und SEL 70°- Prüfköpfe wiedergegeben sind. Für die Bewertung der Rohrrundschweißnaht wurden die TD-Bilder der einzelnen Spuren nebeneinander angeordnet. Vorteilhaft ist dabei, dass die Anzeigendynamik nicht nur in Umfangsrichtung des Rohres sondern auch in Achsrichtung verfolgt werden kann. Mit Hilfe der neuen Farbkodierung der Amplitudenwerte ist eine quantitative Bewertung der Echoanzeigen in den TD-Bildern möglich. Gelb dar-gestellte Anzeigen sind registrierpflichtig und rote Anzeigen weisen auf einen Befund hin.
Abb 3: Darstellung der Messergebnisse in Form von TD-Bildern, die mit dem Prüfkopf Siemens 45 ET1 aufgenommen worden sind.
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Abb 4: Darstellung der Messergebnisse in Form von TD-Bildern, die mit dem Prüfkopf Siemens SEL 70° 1,5 aufgenommen worden sind.
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Für die Entscheidung, welche Prüftechnik zum Nachweis von oberflächenverbundenen Rissen am besten geeignet ist, wurde der Signal-Rausch-Abstand der einzelnen Anzeigen bestimmt. Im folgenden werden nur die Prüfköpfe beschrieben, mit denen beim Nachweis der Testreflektoren die größten Signal-Rausch-Abstände erzielt werden konnten.
Abb 5: Prüfkopf Siemens 45 ET1.
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Abb 6: An den innen- und außenliegenden Testnuten erreichter S/R-Abstand des 45 ET 1-Prüfkopfes. |
Der Nachweis der oberflächenverbundenen Nuten an der Innenoberfläche gelingt mit dem Siemens Prüfkopf 45 ET1 (siehe Bild 5) mit einem Signal-Rausch-Abstand von >= 6 dB, wie in dem Diagramm in Bild 6 dargestellt ist, das den mit diesem Prüfkopf erzielten S/R-Abstand an den Testnuten zeigt. Eine Ausnahme stellt die Nut Nr. 5 dar, die eine Tiefe von 2 mm hat. Zur Verdeutlichung auf welcher Schweißnahtseite die einzelnen Nuten eingebracht wurden, ist im Bild oberhalb der Balkendiagramme die Schweißnaht
mit den Nutpositionen dargestellt. Nicht ausgefüllte Balken bedeuten, dass die entsprechende Anzeige im Gefügerauschen liegt. Der angegebene Signal-Rausch-Abstand im halben Sprung bezieht sich auf die maximale Echohöhe des Rauschens und ist ein konservativer Wert.
Der Signal-Rausch-Abstand wurde entsprechend der VGB-Auswerterichtlinie [5] auf den 95% Wert der Rauschverteilung bezogen.
Zur Einschätzung der Ultraschall-durchlässigkeit der Schweißnaht wurde mit der Transver-salwelle nicht nur im halben Sprung, wie es der Vor-gehensweise in der Prüfpraxis ent-spricht, gemessen, sondern auch im ganzen Sprung. Aus den Diagram-men in Bild 6 geht hervor, dass die Durchlässigkeit der Decklage nicht gegeben ist. Nur die Nuten, die auf der Einschallseite liegen, kommen mit einem guten Signal-Rausch-Abstand zur Anzeige, was zur Folge hat, dass auch nur die auf der Ankoppelseite liegenden Nuten als registrierpflichtig oder als Befund eingestuft werden.
Da in Bezug auf den ganzen Sprung nur ein eingeschränktes Nachweisvermögen des Siemens Prüfkopfes 45° ET1 vorliegt, muss für den Nachweis von Fehlern an der Außenoberfläche der Engspaltschweißnaht ein weiterer Prüfkopf eingesetzt werden. Bei diesem Prüfkopf handelt es sich um den Siemens Prüfkopf 70° SEL1,5 (siehe Bild 7).
Abb 7: Prüfkopf Siemens SEL 70° 1,5.
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Abb 8: An den innen- und außenliegenden Testnuten erreichter S/R Abstand des SEL70° -Prüfkopfes.
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Abb 9: Gruppenstrahlerprüfkopf Siemens OEL 1,5/16C mit Vorsatzkeil.
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Die Messergebnisse, die mit diesem Prüfkopf an dem Vergleichskörper Tk 43 erzielt wurden, werden in Form von TD-Bildern im Bild 4 dargestellt. Der mit diesem Prüfkopf erzielte S/R-Abstand ist in
Bild 8 in einem Diagramm wiedergegeben. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass der Signal-Rausch-Abstand der Anzeigen für alle Nuten > 6 dB ist. Weiterhin zeigt sich, dass nur die Nuten registrierpflichtig sind, die nicht durch die Schweißnaht nachgewiesen werden müssen. Dies sind die Nuten 12 und 14 bei Einschallung von der
Position 1 und die Nuten 11 und 13 bei Einschalllung von der Position 2, wobei mit den beiden Einschallpositionen die Gegensinnigkeit der Einschallrich-tungen beschrieben wird.
Der Nachweis der innenliegenden Nuten mit der ebenfalls ausgesandten Transversalwelle des SEL-Prüfkopfes bietet für den Fehlernachweis an der Innenoberfläche eine zusätzliche Sicherheit. Durch Auswertung des sogenannten Nebenechos bei Fehlern mit größerer Tiefenausdehnung kann die quantitative Prüfaussage erhärtet werden.
Mit einem Gruppenstrahlerprüfkopf wurde das Reflexionsverhalten untersucht. Die Auftreffwinkel-abhängigkeit der Transversalwelle wurde mit dem Gruppenstrahler-Prüfkopf OEL 1,5/16C mit Vorsatzkeil (siehe Bild 9) aufgenommen, indem der Einschallwinkel zwischen 35° und 55° variiert wurde. Für Einschallwinkel von 35°, 45°, 50° und 55° wird in Bild 10 der aus den Messungen ermittelte Signal-Rausch-Abstand angegeben. Hieraus ist ersichtlich, dass bei Auswahl der Nuten 1 bis 8 mit einem Einschallwinkel von 50° die größte Dynamik zwischen kleiner und großer Nuttiefe gemessen wurde. Für eine Echohöhenbewertung ist also der Winkel von 50° zu bevorzugen, während für die Nachweisbarkeit ein Winkel von 45° besser geeignet ist.
Abb 10: Abhängigkeit des erreichten S/R-Abstandes vom Einschallwinkel.
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Im Kernkraftwerk Isar 2 wurden am 26. und 27. Juli 2000 die oberflächennahen Bereiche der Schweißnähte RN B06 und RN B01 (siehe Bild 11 und 12) der Volumenausgleichsleitung JEF10 BR 100 geprüft. Die mechanisierte Ultraschallprüfung wurde im Beisein der BAM durch Siemens NDT durchgeführt. Das Bild 11 zeigt die Prüfung der Schweißnaht RN B06 mit dem Prüfsystem, das 2 Prüfköpfe 45° ET1, 2 Prüfköpfe 70° SEL1,5 und in der Mitte einen 0°- Prüfkopf enthält. Die Prüfköpfe befinden sich gerade über der Schweißnahtmitte. Links von der Naht schließt der Stutzen zum Druckhalter an. Im Bild 12 ist die Naht RN B01 dargestellt.
Abb 11: Prüfung der Schweißnaht RN B06.
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Abb 12: Ansicht der Schweißnaht RN B01.
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Bei der Prüfung der Schweißnaht RN B06 sind mit dem Siemens Prüfkopf 45° ET1 für beide Einschallrichtungen Anzeigen ohne Echohöhenüberschreitung der Registriergrenze festgestellt worden, die mit der Transversalwelle des 70° SEL-Prüfkopfes für die Einschallrichtung zum Druckhalter bestätigt werden konnte.
Oberflächenverbundene Fehler an der Innenoberfläche der austenitischen Engspaltschweißnaht sind mit der Transversalwelle unter einem Einschallwinkel von 45° mit einer Prüffrequenz von 1 MHz gut nachzuweisen.
Oberflächenverbundene Fehler in der Wärmeeinflusszone der Decklage der austeni-tischen Engspaltschweißnaht sind im ganzen Sprung ebenfalls mit der Transversal-welle unter 45° gut nachweisbar, wenn der Fehler auf der dem Prüfkopf zuge-wandten Schweißnahtseite liegt. Liegt der Fehler in Schweißnahtmitte oder auf der abgewandten Seite, ist ein Nachweis kaum möglich. Mit einem 70°- Prüfkopf SEL 1,5 läßt sich die gesamte Decklage sehr gut prüfen, wobei jedoch die Voraussetzung gilt, dass die Decklage blecheben überschliffen ist, damit eine gute Ankopplung gewähr-leistet ist.
Die Gruppenstrahlertechnik hat den Vorteil einstellbarer Einschallwinkel für die Longitudinal- und Transversalwelle. Bei Einsatz eines SEL-Gruppenstrahlerprüf-kopfes wird für einen optimalen Fehlernachweis an der Innenoberfläche der Einschallwinkel von 45° verwendet, für eine Fehlergrößenabschätzung anhand einer Amplitudenbewertung eignet sich am besten ein Winkel von 50° und für die Prüfung der Außenoberfläche 70°. Insbesondere eignet sich die Gruppenstrahlertechnik für die Analyse von unklaren Befunden, während für den Nachweis die herkömmliche Technik ausreichend ist.
Die Prüfung vor Ort hat ergeben, dass mit den herkömmlichen Prüfköpfen 45° ET1 und 70° SEL1,5 eine zufriedenstellende Ultraschallprüfung der Schweißnähte möglich ist. Die Messung mit dem Gruppenstrahlerprüfkopf an der Naht RN B06 ergab vergleichbare Ergebnisse bei den Einschallwinkeln, die auch bei der konventionellen Prüfung verwendet wurden.
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