Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Aufgabe der wiederkehrenden Prüfung (WKP) in kerntechnischen Anlagen ist es den Nachweis zu führen, dass sich die Qualität einer Komponente durch den Betrieb nicht unzulässig verändert hat. Dazu werden die unterstellten Folgen von betriebsbedingten Schädigungsmechanismen überwacht. Hierzu zählt auch die Interkristalline Spannungs-Riss-Korrosion (ISpRK) an austenitischen Leitungen.
Aus den bisher gewonnenen Erkenntnissen zur Spannungs-Riss-Korrosion kann man auf den ungefähren Verlauf des Risses schließen [1]. Danach verläuft der Riss in den ersten Millimetern senkrecht zur inneren Oberfläche und anschließend in unterschiedlichen Richtungen weiter. Diese Richtungsänderungen erschweren das Auffinden der Risse mit den bisherigen radiographischen Methoden. Des weiteren ist es wichtig, zwischen Kerben und rissartigen Anzeigen zu unterscheiden. Ein wichtiges Hilfsmittel zur besseren Interpretation von Anzeigen kann dabei die Kenntnis über die Tiefenlage, Tiefenausdehnung und Anzeigenform sein.
Die Bestimmung der Tiefeninformation einer Anzeige (Lage, Ausdehnung und Form) kann über räumliche Rekonstruktionsmethoden erfolgen. Da eine Rohrschweißnaht als Prüfobjekt nicht immer allseitig zugänglich ist, müssen tomographische (in diesem Fall laminographische) Messanordnungen angewendet werden. Für die Schicht- bzw. 3D-Rekonstruktion sind lineare und nichtlineare Tomosynthese-Algorithmen nutzbar.
Das Prinzip der mechanisierten Durchstrahlungsprüfung ist in Bild 1 dargestellt. Die Röntgenröhre und Röntgenzeilenkamera sind um 180° zueinander versetzt angeordnet, so dass bei synchroner Bewegung von Röntgenröhre und Röntgenzeilenkamera eine Rundschweißnaht zeilenweise abgetastet wird. Es entsteht ein radiometrisches, digitales Bild, welches auf dem Monitor dargestellt wird (Bild 2).
An diesem Bild kann die erste Bewertung der radiometrischen Aufnahme erfolgen. Dabei können Standardfunktionen der Bildverarbeitung, wie z.B. Kontrast, Helligkeit, Kantenanhebung und Zoom-Funktionen, als unterstützende Werkzeuge angewendet werden. Mit dem Ergebnis der ersten Bewertung wird festgelegt, ob weitere Analysemethoden zur besseren Bewertung der Anzeigen angewendet werden müssen.
Abb 1: Prinzipdarstellung der Rundschweißnahtprüfung mit einer Zeilenkamera nach dem Zeilen-scanverfahren.
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Abb 2: Ausschnitt aus einer radiometrischen Aufnahme mit Zeilenscantechnik (Durchmesser 140mm, Wanddicke 13mm); nach Bildverarbeitung.
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Die entwickelte Messtechnologie zur Durchstrahlungsprüfung von Rundschweißnähten mit Zeilenkamera als Detektor erfüllt die Forderungen nach DIN EN 1435, DIN EN 13068-T.3 und, soweit anwendbar, nach KTA 3201.4. Die ermittelte Systemklasse nach DIN EN 13068-T.3 beträgt SC1 (beste Klasse) und die geforderte Drahtstegerkennbarkeit bei Prüfklasse SB (durchstrahlte Wanddicke bis zu 30mm) W12 für den DIN-Draht bzw. 11D für den Doppeldrahtsteg (DIN EN 462-T.5).
Im Rahmen eines VGB-Forschungsvorhaben wurde ein universell einsetzbarer Analyse-Manipulator zur mechanisierten Durchstrahlungsprüfung von Rundschweißnähten entwickelt.
Der Analyse-Manipulator ist ein modular aufgebautes System, welches an die jeweiligen Erfordernisse der Prüfaufgabe angepasst werden kann (Bild 3). Es können Rohrleitungen mit einem Durchmesser von 176mm bis 500mm mit drei austauschbaren Ringschienen-Systemen geprüft werden. Der Manipulator ist an Rohr-Rohr- oder Rohr-Bogen-Kombinationen einsetzbar.
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Abb 3: Analyse-Manipulator. Mit dem Antrieb 'Phi' kann die Rotationsbewegung von Zeilenkamera und Röntgenröhre synchron um das Rohr erfolgen. Bild a) zeigt die Linearachse 'Y', welche nur die Röntgenröhre parallel zur Rohrachse bewegt. Bild b) zeigt die Zeilenkamera mit dem Antrieb 'Alpha' zur Justage von Zeilenkamera und Röntgenröhre. | | |
Die Konfiguration und Prüfvorbereitung des Manipulators kann an Hand der Rohrgeometrie und der örtlichen Gegebenheiten außerhalb des Kontrollbereiches erfolgen. Der Manipulator wird für den Gesamtverlauf der Prüfung auf die Rohrleitung gesetzt und mit Spanngurten befestigt. Alle weiteren Manipulationen erfolgen rechnergestützt über ein Steuerungs- und Datenerfassungsprogramm.
| Rohrdurchmesser | 176...500mm |
| Scanbereich | |
| Rohrumfang | 45° |
| Bildbreite | 100mm |
| Einstrahlwinkel | 20...45° |
| Gewicht | |
| Manipulator | ca. 15kg |
| Röntgenröhre | ca. 11kg |
| Zeilenkamera | ca. 2kg |
3.1 Röntgenzeilenkamera
Die Röntgenzeilenkamera besteht aus einer Photodioden-Zeile, der Temperatur-Regelung und einem in Hauptstrahlrichtung montierten Spaltkollimator, dessen Spaltweite im Zehntelmillimeter-Bereich einstellbar ist. Untersuchungen ergaben, dass bereits eine Spaltweite von 0,5mm zu einer Streustrahlenreduktion von 90% führt.
Die Pixelgröße beträgt 50 m m bei 2048 Pixeln pro Zeile. Die Kontrastempfindlichkeit ist besser 2%, die Ortsauflösung beträgt 160...200mm, so dass planare Inhomogenitäten mit einer hohen Auffindwahrscheinlichkeit detektiert werden können. Es werden radiometrische Bilder für durchstrahlte Wanddicken von 4...46 mm (2...23 mm Wanddicke) erzeugt. Die gesamte Prüfzeit entspricht etwa der Zeit, die für eine manuelle Prüfung mit Film erforderlich wäre.
3.2 Röntgenröhre
Für eine kommerziell verfügbare mobile Röntgenanlage wurde ein neues Röhrengehäuse entwickelt, an dem das Röhrenaustrittsfenster für eine spezielle Fächerstrahl-geometrie gestaltet wurde. Der Targetwinkel wurde geändert. Gleichzeitig sind HS-Kabel mit Winkelstecker und kleinerem Kabeldurchmesser implementiert worden.
| Röntgenenergie | 225keV |
| Brennfleckgröße | 0,4mm bzw. 1,5mm nominal |
| Targetwinkel | 10° |
| öffnungswinkel | 20°x90° (±45°) |
Das Grundproblem der Radiographie als auch radiometrischer Scantechniken ist die Abhängigkeit des gemessenen Riss-Kontrastes von der Einstrahlungsrichtung in Relation zur Risslage. Nur die parallele Durchdringung zur Rissfläche (oder zur größten planaren Fläche) führt zu einem ausreichenden Bildkontrast. Der an der BAM entwickelte Scanner gestattet die Modifikation der Einstrahlrichtung und somit die Detektion von planaren Anzeigen, die in radialer Richtung verlaufen. Das Scannen der Schweißnaht mit verschiedenen Einstrahlwinkeln führt zu Mehrwinkel-Projektionen, welche die Auffindwahrscheinlichkeit bei der Detektion von flachen Inhomogenitäten im Material verbessert. Es ist möglich, das System u.a. für eine spezielle Prüfung von Flankenbindefehlern zu konfigurieren.
4.1 Laminographie
Das Anwendungsprinzip basiert auf der Mehrwinkel-Technik. Die Röntgenröhre wird in Richtung des Rohres, parallel zur Rohrachse, Messung für Messung verschoben. Für jeden einzelnen Messpunkt wird ein voller 360°-Scan oder nur ein bestimmter Abschnitt des Rohrumfanges als zweidimensionale Projektion aufgenommen. Im Gegensatz zur Röntgenröhre wird die Zeilenkamera während des gesamten Messablaufes nicht entlang zur Rohrachse verschoben. Dieser Messablauf entspricht der koplanaren Translations-Laminographie, welcher an die Bedingungen für die Inspektion von Rundschweißnähten angepasst wurde (Bild 4).
Abb 4: Prinzip der Anwendung der Mehrwinkelradiographie zur Schichtrekonstruktion auf der Basis der Laminographie.
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Wenn die Röntgenröhre parallel zur Rohrachse verschoben wird und zusätzlich zu jeder Verschiebung eine radiale Verschiebung (sodass die einzelnen Messpunkte einen Kreis auf der Rohroberfläche bilden würden) kombiniert wird, so kann das Prinzip der koplanaren Rotations-Laminographie angewendet werden [2].
Infolge dieser Analogie zwischen der Konfiguration zur Mehrwinkel-Technik und der Laminographie, ist die 3-dimensionale Rekonstruktion der Schweißnaht möglich. Es können sowohl die gemessenen radiometrischen Projektionen als auch der rekonstruierte 3D-Datensatz Schicht für Schicht einzeln bewertet werden.
Abb 6: 3D-Oberflächen-darstellung eines Risses (Grenzflächen). Deutlich zu erkennen ist eine Unterbrechung des Risses in der Mitte .
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Die Rekonstruktion eines Längrisses in einem rundgeschweißten Austenitrohr (Durchmesser 140mm, durchstrahlte Wanddicke 26mm) zeigt Bild 6. Das Ergebnis wurde erreicht, nachdem von sieben Projektionen nur diejenigen ausgewählt wurden, die nach einer symmetrie-basierten Mustererkennung wesentliche Bildelemente eines Risses zeigten [3].
4.2. Planartomographie
Für höhere Genauigkeiten kann die Planartomographie angewendet werden. Dazu wird die Röntgenröhre in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser in einem Winkelbereich bis zu ±45° parallel zu Rohrachse kontinuierlich verschoben und während dieser Bewegung bis zu 400 einzelne Scans (eindimensionale Projektionen) gemessen werden. Jeder einzelne Scan repräsentiert somit einen bestimmten Einstrahlwinkel der Rötgenröhre relativ zur Zeilenkamera. Im Gegensatz zur Röntgenröhre verbleibt die Zeilenkamera während der gesamten Messung an einem festen Messpunkt (Bild 5). Das Ergebnis ist ein Schnitt durch die Schweißnaht als zweidimensionales Bild, in dem die Anzeigen hinsichtlich Form und Tiefe bewertet werden können.
Die Planartomographie gibt artefaktarme Rekonstruktionsergebnisse für Risse und Bindefehler wieder, wenn die planare Anzeigenfläche zur Einstrahlebene innerhalb des Projektionswinkelbereiches orientiert ist. Jedoch nehmen Artefakte bei Volumenanzeigen infolge der fehlenden Projektionswinkel zu [4]. Die gewählte Rekonstruktionsmethode basiert auf der gefilterten Rückprojektion (filtered backprojektion), die entsprechend der Aufnahmegeometrie angepasst wurde.
Abb 5: Prinzip der Planartomographie - Die Röntgenröhre bewegt sich linear, parallel zur Rohrachse, entlang der Rohroberfläche. Während der Bewegung werden 400 Einzelscans aufgenommen. Nach der Rekonstruktion (gefilterte Rückprojektion) erhält man eine Querschnittsdarstellung der Schweißnaht.
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Die Messzeit (entspricht beim Film der Belichtungszeit) ist abhängig von der Integrationszeit pro Scan und beträgt ca. 6 min bei einer Integrationszeit pro Scan von 1sec.. Die Rekonstruktionszeit eines Querschnittes beträgt ca. 1min. auf einem modernem Pentium-PC.
Dieser Messalgorithmus ist eine typische Analysemethode und wird vorwiegend für die Querschnittsrekonstruktion in einem definierten Analysebereich (ROI) angewendet. Aus den gemessenen und rekonstruierten Querschnitten der Rohrwand kann die Anzeige entsprechend vermessen werden (Bild 7a). Bei mehreren Planartomographien einer Anzeige ist die Erstellung eines Tiefenprofils möglich.
Die Auswertung von rissartigen Anzeigen in den rekonstruierten Bildern wird durch Artefakte erschwert. Dies wird besonders bei der Unterscheidung von Kerben und Rissen deutlich [4].
Zur Lösung wurden Oberflächenindikatoren benutzt, die die fehlende Information über die äußere Oberfläche in den Bildern wiedergeben (im Bild 7a weiße Markierungen).
In einem zweiten Schritt wird die Wanddicke und die innere Oberflächenkontur mit dem gleichen Projektions-Datensatz auf der Basis der Strahlenabsorption rekonstruiert. Dazu werden die Ortskoordinaten der Indikatoren auf der äußeren Oberfläche als a priori - Wissen genutzt [5]. Als Ergebnis wird ein binäres Bild berechnet, in welchem die Wanddicke bestimmt werden kann und die innere und äußere Oberflächenkontur ersichtlich ist. Besonders heben sich Kerben auf der inneren Oberflächenkontur heraus (Bild 7b).
Der dritte Schritt beinhaltet die überlagerung (Data Fusion) der beiden Rekonstruktionsergebnisse (Bild 7c). Durch die überlagerung können nicht relevante Informationen ausgeblendet werden.
Abb 7a: Rekonstruktion der planaren Anzeigen und Bestimmung der Ortskoordinaten der äußeren Rohroberflächen mittels Indikatoren.
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Abb 7b: Rekonstruktion der Wanddicke und des kontinuierlichen Verlaufes der äußeren Rohroberflächen als binäres Bild.
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Abb 7c: Data Fusion - Überlagerung der beiden Rekonstruktionsergebnisse und Bestimmung der Anzeigenform, -lage und -tiefe.
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Die entwickelte Gerätetechnik zur mechanisierten Durchstrahlungsprüfung von Rundschweißnähten stellt eine Alternative zur klassischen manuellen Filmradiographie im vor Ort-Einsatz dar. Sie liefert radiographische Daten, die vergleichbar zu Messergebnissen der Computertomographie sind. Die Empfindlichkeit ist für volumetrische und planare Defekte deutlich verbessert worden.
Die Planartomographie als Analyseverfahren ist eine zeitsparende und geeignete Methode zur Rekonstruktion des Rohrwandquerschnittes und innen liegender Inhomogenitäten. Die Extraktion von Informationen über die Anzeigenform, -lage und tiefe trägt zur besseren Charakterisierung von planaren Anzeigen (z.B. Risse, Kerben und Bindefehlern) bei.
Durch die Kombination zweier verschiedener Rekonstruktionsmethoden konnte die quantitative Analyse planarer Defekte verbessert werden. Hierbei wird ein Verfahren auf der Basis einer modifizierten, gefilterten Rückprojektion [3,4], gekoppelt mit einem neuen iterativen Verfahren zur Oberflächenrekonstruktion durch Auswertung der gerichteten Strahlabsorption [5], angewendet werden.
Die Messzeit für eine komplette Rundschweißnaht eines Rohres mit einem Durchmesser von 300 mm und einer durchstrahlten Wanddicke von 25 mm beträgt ca. 50 min. Die Messzeit und Rekonstruktion eines Rohrwand-Querschnittbildes (Planartomographie) am gleichen Rohr beträgt ca. 10 min.
Die Autoren danken den Herrn Vengrinovitch, Zolotarew, Kuntsevitch und Tillack für die Arbeiten zur Rekonstruktion der Wanddicke [5].
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