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:

Fehleranalyse an einer austenitischen Rohrschweißnaht

E. Schulz, A. Erhard, H.-J. Montag BAM Berlin; U. Beine, Kladders Mülheim/Ruhr,
B. Lucht Kernkraftwerk Stade

Zusammenfassung

Zur Klärung von Ultraschall-Anzeigen an einer austenitischen Rundnaht wurden Untersuchungen im Labor durchgeführt mit dem Ziel diese durch eine geeignete Prüftechnik besser beschreiben zu können. Die Untersuchungen haben ergeben, dass mit der Verwendung von Winkelprüfköpfen mit Einschallwinkeln von 35° (TW) und 60° (TW und auch LW) eine Charakterisierung von oberflächennahen Fehlern an der Innenoberfläche möglich ist. Die vor Ort durchgeführte Ultraschallprüfung hat die Eignung dieser Prüftechnik bestätigt.

1. Einleitung

Während der Revision 1999 wurden an einer Rundnaht Anzeigen im Bereich der Innenoberfläche mit einem 45°Miniaturwinkelprüfkopf 2 MHz registriert, die bei der Revision 2000 näher untersucht werden sollten. Da die Wurzel unbeschliffen war und Wurzelkerben vorhanden waren, war eine eindeutige Interpretation der Anzeigen mit der eingesetzten Prüftechnik nicht möglich.

Die Aufgabenstellung bestand darin, eine Prüftechnik zu qualifizieren mit deren Hilfe die Ermittlung des Abstandes eines Fehlers zur Innenoberfläche (Ligament) möglich ist. Dazu wurden im Labor Untersuchungen an dafür hergestellten Vergleichskörpern durchgeführt.

2. Vergleichskörper

Um möglichst praxisnahe Prüfbedingungen zu erreichen wurde ein Rohrabschnitt mit einem Rohrbogen verschweißt. In Bezug auf Werkstoff, Durchmesser, Wanddicke, Wanddickenübergang, Krümmung und Beschaffenheit der Decklage und dem Wurzeldurchhang entsprach dieser Vergleichskörper den Bedingungen vor Ort. Der Außendurchmesser betrug 320 mm und die Wanddicke ca. 32-35 mm.

Für das Einbringen von Testreflektoren wurde der Vergleichskörper in vier Segmente aufgeteilt (Abb. 1 bis 4). In die Segmente wurden funkenerosiv acht flächenhafte Testreflektoren mit unterschiedlichen Abmessungen (Tiefenausdehnungen von 3 und 5 mm mit einem Ligament von 0, 2, 4 und 6 mm) eingebracht. Alle Reflektoren befinden sich im Übergang vom Schweißgut zum Grundwerkstoff (Wärmeeinflusszone).

Abb 1: Segment 1.

Abb 2: Segment 2.

Abb 3: Segment 3.

Abb 4: Segment 4.

In der Abb. 5 ist die Seitenansicht vom Segment 4 dargestellt. Man erkennt die Kontur eines Testreflektors mit einer Tiefenausdehnung von 5 mm und einem Ligament von 6 mm.

Zur Empfindlichkeitseinstellung wurde an der Rohrinnenseite eine 2 mm KTA-Nut und eine Nut in Schweißnahtmitte zur Justierung des Manipulators vorgesehen.

Für die Erprobung der mechanisierten Prüfung wurden die Segmente wieder zusammengesetzt. Die Abb. 6 zeigt den zusammengesetzten Vergleichskörper.

Abb 5: Testreflektor im Segment 4.

Abb 6: Vergleichskörper.

3. Prüftechnik

Die Abtastung erfolgte mit einem Manipulator längs und quer zur Schweißnaht. Als Ultraschallgerät wurde das BAM-Gruppenstrahlergerät (UZFP-Gerät) eingesetzt, da mit diesem A-Bilder abgespeichert werden können. Anhand der A-Bilder wurden dann TD- sowie B-Bilder erstellt. Für die Prüfung vor Ort war das P-Scan-Gerät der Fa. Kladders vorgesehen, mit dem ebenfalls die Möglichkeit besteht A-Bilder abzuspeichern. Die Messdaten vom P-Scan-Gerät wurden anschließend konvertiert, so dass vor Ort TD- und B-Bilder erstellt werden konnten.

Die Untersuchungen im Labor wurden mit herkömmlichen Miniaturwinkelprüfköpfen mit unterschiedlichen Einschallwinkeln und Prüffrequenzen von 2 und 4 MHz und mit 60°SEL-Prüfköpfen 2 MHz durchgeführt.

4. Messergebnisse

Die Untersuchungen haben ergeben, dass mit Hilfe zweier Miniaturwinkelprüfköpfe vom Typ MWB35-2 und MWB60-2 und einer speziellen Auswertestrategie eine Abschätzung der Größe des Ligamentes möglich ist. Ebenso ist zur Absicherung des Ergebnisses der Prüfkopf 60°-SEL 2 MHz geeignet.

Die folgenden Abb. 7a bis 7c zeigen die Messanordnung an den Segmenten sowie die Messergebnisse an den Testreflektoren mit 5 mm Tiefenausdehnung in Form von TD- und B-Bildern für den Prüfkopf MWB35-2. Anhand der farbigen Darstellung kann eine Echohöhenbewertung vorgenommen werden. Die Farbe Gelb entspricht der Registriergrenze und Rot entspricht der Befundgrenze. Es zeigt sich, dass bei oberflächenverbundenen Fehlern das Anzeigeverhalten besonders ausgeprägt ist (Winkelspiegeleffekt), während bei Fehlern, die nicht zur Oberfläche geöffnet sind, die Reflektivität abnimmt.

Abb 7a: Messanordnung beim Miniaturwinkelprüfkopf MWB35-2.

Abb 7b: TD-Bilder vom Miniaturwinkelprüfkopf MWB35-2.

Abb 7c: B-Bilder vom Miniaturwinkelprüfkopf MWB35-2.

In den Abb. 8a bis 8c sind die entsprechenden Ergebnisse vom Prüfkopf MWB60-2 wiedergegeben. In den TD-Bildern erkennt man, dass die Anzeigenlängen z. T. wesentlich größer sind und der Störuntergrund stärker auftritt. Insbesondere treten bis zu drei separate Anzeigen auf, die im B-Bild besonders deutlich zu sehen sind. Anhand der Schallwege lassen sich diese wie folgt zuordnen: 1. Beugungsanzeige von der oberen Kante des Reflektors ("Rissspitze"), 2. Wellenumwandlung an der Reflektorfläche und Reflexion an der Innenoberfläche und 3. Reflexion an der Reflektorfläche und an der Innenoberfläche (Dreiecksreflexion).

Abb 8a: Messanordnung beim Miniaturwinkelprüfkopf MWB60-2.
Abb 8b: TD-Bilder vom Miniaturwinkelprüfkopf MWB60-2.
Abb 8c: B-Bilder vom Miniaturwinkelprüfkopf MWB60-2.

In den folgenden beiden Diagrammen sind die Echohöhen der Reflektoren mit 3 mm und 5 mm Tiefenausdehnung (Dt) bezogen auf die Echohöhe der KTA-Nut - 6 dB dargestellt. Die Abb. 9 zeigt die Echohöhen des Prüfkopfes MWB35-2. Es zeigt sich, dass mit zunehmendem Ligament (L) die Echohöhe tendenziell abnimmt. Beim Prüfkopf MWB60-2 gibt es kein systematisches Verhalten bezüglich der Echohöhe (Abb. 10). Anzumerken ist, dass die dargestellte Echohöhe beim 60°-Prüfkopf durch Wellenumwandlung und nicht durch den Winkelspiegeleffekt bedingt ist. Wird die Echohöhendifferenz der Anzeigen beider Prüfköpfe gebildet, so erhält man das in der Abb. 11 dargestellte Ergebnis: Mit zunehmendem Ligament nimmt die Echohöhendifferenz zu. Dies kann in der Prüfpraxis als Entscheidungshilfe mit herangezogen werden, ob es sich um einen oberflächenverbundenen Fehler oder einen Fehler mit Ligament handelt.

Folgende Auswertestrategie kann daraus abgeleitet werden:

Tritt beim Prüfkopf MWB35-2 eine Anzeige auf, die die Registriergrenze überschreitet, so kann man davon ausgehen, dass es sich um einen oberflächenverbundenen Fehler handelt oder einen Fehler mit einem kleinen Ligament.

Ergibt sich beim Prüfkopf MWB60-2 eine deutliche Anzeige, aber beim Prüfkopf MWB35-2 nicht, so deutet das auf einen innenliegenden, nicht oberflächenverbundenen Fehler hin.

Mit dem Prüfkopf 60°-SEL 2 lässt sich das Ergebnis unter Ausnutzung der Wellenumwandlung noch weiter absichern.

Abb 9: Diagramm vom Miniaturwinkelprüfkopf MWB 35-2.

Abb 10: Diagramm vom Miniaturwinkelprüfkopf MWB 60-2.

Abb 11: Diagramm zur Bewertung.

Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net

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