Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Für eine sichere Prozeßführung bei der Herstellung warmgewalzter Stahlrohre sind Meßsysteme von Interesse, die bereits zu einem frühen Zeitpunkt, d. h. während des Walzens, verläßliche Wanddickenwerte bzw. -profile der Rohre liefern können, um so die Möglichkeit einer Prozeßsteuerung zu geben.
Als Lösung wird ein walzwerkstaugliches Meßsystem vorgestellt, bei dem die Wanddickenbestimmung - wie von "konventionellen" Ultraschallsystemen bekannt - über eine Laufzeitmessung erfolgt, allerdings vollständig berührungslos. Dazu erzeugt ein Impulslaser einen Ultraschallimpuls, der nach Durchlaufen der Rohrwand mit Hilfe eines zweiten Lasers und eines Interferometers optisch detektiert wird.
Der vorliegende Beitrag ist das Ergebnis einer gemeinsamen Entwicklung dreier Partner, eines Rohrherstellers (V & M), eines Lieferanten von Nahtlosrohranlagen (SMS Meer) und eines Forschungsinstituts (MFI), das auch Meßsysteme baut. In einer vorgeschalteten Testphase wurden Versuche zusammen mit dem IzfP Saarbrücken durchgeführt.
Bei der Warmfertigung nahtloser Stahlrohre ist die frühzeitige Kontrolle des Walzprozesses von großem Interesse. Am heißen Rohr gemessene Wanddickenwerte können für eine Optimierung und für eine Steuerung bzw. Regelung der einzelnen Walzaggregate herangezogen werden. Die Wanddickenmessung liefert natürlich auch einen wesentlichen Beitrag zur Qualitätssicherung und Qualitätsverbesserung der Rohre.
Im einzelnen können folgende Ziele erreicht werden:
Bei den hohen Rohrwalztemperaturen von ca. 800 °C bis über 1000 °C ist generell eine berührungslose Messung erforderlich, aus Standzeitgründen sollte sogar ein deutlicher Abstand zwischen Meßkopf und Rohr eingehalten werden. Das bekannte und eingeführte Verfahren für Heißmessungen ist die Gamma-Durchstrahlung, die allerdings den Nachteil aufweist, daß immer zwei gegenüberliegende Wandbereiche zusammen durchstrahlt werden, aus denen eine mittlere Wanddicke bestimmt werden kann. Bei vorhandenem Innenwerkzeug (Stange), wie an bestimmmten Stellen der Walzlinie gegeben, ist eine Durchstrahlung prinzipiell nicht anwendbar. Als Lösung, die allen genannten Forderungen gerecht wird, bietet sich eine Messung mit laserangeregtem Ultraschall an.
Hierbei wird das bewährte Verfahren der Ultraschall-Laufzeitmessung angewendet, bei dem sich die Wanddicke aus der gemessenen Durchlaufzeit durch die Rohrwand und der Schallgeschwindigkeit des Rohrwerkstoffs ergibt. Anregung und Detektion der Ultraschallimpulse erfolgen berührungslos optisch: Ein kurzer, energiereicher Laserimpuls (Pulsdauer < 10 ns) wird in einem kleinen Meßfleck auf der Rohroberfläche absorbiert, bewirkt dort eine leichte Materialablation (im Bereich von Nanometern der Wanddicke), die wiederum aufgrund der Impulserhaltung einen Ultraschallimpuls senkrecht zur Rohroberfläche in die Rohrwand einlaufen läßt. Dieser Ultraschallimpuls wird an der Rohrinnenoberfläche reflektiert und erzeugt nach Wanddurchlauf im Meßfleck eine leichte Auslenkung der Eintrittsoberfläche. Letztere wird mit Hilfe eines frequenzstabilen Dauerstrichlasers unter Ausnutzung des Doppler-Effektes detektiert. Ein Interferometer setzt die auftretende Frequenzänderung in eine Intensitätsänderung um. Ein Meßsignal dieser Art, eine zeitliche Folge von Ultraschallechos, kann in Analogie zu einer Messung nach konventionellem Ultraschallverfahren weiterverarbeitet und ausgewertet werden.
Das für den Einsatz im automatischen Walzwerksbetrieb konzipierte Wanddicken-Meßsystem ist im wesentlichen aus kommerziell verfügbaren Laser- und Optik-Komponenten sowie einem eigenentwickelten Auswerte- und Steuersystem aufgebaut.
Bei der technischen Umsetzung wurde in Hinblick auf den Einsatz in einem Rohrwalzwerk auf Robustheit, Kompaktheit und Modularität geachtet.
Abb. 1 zeigt den schematischen Aufbau des Meßsystems in der Einkanalversion sowie die wesentlichen Daten der Systemkomponenten. Der im oberen Bildbereich dargestellte Meßkopf, der auf einen einzuhaltenen Abstand von 160 mm zur Rohroberfläche positioniert werden kann, nimmt beide Laser auf, zur Ultraschallanregung einen blitzlampengepumpten Nd:YAG-Impulslaser mit einer Wellenlänge von 1064 nm und zur Detektion einen diodengepumpten, frequenzverdoppelten Nd:YAG-Dauerstrichlaser mit 532 nm. Das vom Rohr rückgestreute Nutzsignal wird innerhalb des Meßkopfes auf den Eintritt eines Lichtwellenleiters abgebildet, der die Verbindung zum Fabry-Pérot-Interferometer herstellt, das in mechanisch und thermisch sicherem Umfeld einer Meßkabine steht. In dieser Meßkabine befinden sich auch das zentrale Steuerungssystem mit der Interferometer-Stabilisierung und die Ultraschall-Elektronik. Letztere baut auf der bereits vielfach in Rohrwalzwerken eingesetzten MESUS-Elektronik (des MFI) für konventionelle Ultraschalltechnik auf.
Abb 1: Schematischer Aufbau des Meßsystems.
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In der sogenannten Vorort-Elektronik, in räumlicher Nähe zum Meßkopf aufgestellt, befindet sich im wesentlichen eine Versorgungseinheit für den Impulslaser.
Durch den blitzlampengepumpten Nd:YAG-Impulslaser ist die Meßrate bei dem vorliegenden System auf 50 Hz festgelegt. Dies führt zu Energien des Anregungspulses von ca. 250 mJ. Alternativ stehen Systeme mit höherer Pulsenergie zur Verfügung, allerdings derzeit nur mit reduzierten Meßraten von 10 oder 20 Hz.
Abb. 2 zeigt rechts den einkanaligen Meßkopf in der Prototypversion, installiert im Auslauf des Streckreduzierwalzwerkes der Rohrkontistraße von V & M in Mülheim / Ruhr. Im Hintergrund ist das im Längstransport von links nach rechts durchlaufende heiße Rohr zu erkennen. Die zentrale Steuerung und Auswertung des Meßsystems ist in
Abb 2: Installation des Meßkopfes im Walzwerk.
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Abb. 3 wiedergegeben, dabei steht links der Geräteschrank mit Monitor und Bedienelementen, rechts das Interferometer, das auf der Abbildung zum Zwecke der besseren Erkennbarkeit aus seinem Schutzgehäuse herausgehoben ist. Auf der linken Seite des Interferometers ist die Einkopplung des Lichtwellenleiter zu erkennen.
Abb 3: Zentrale Steuerung und Auswertung.
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Der automatische Meßbetrieb im Walzwerk wird über eine Reihe von Betriebskontakten gesteuert, wie z. B. die Synchronisation mit dem Rohrdurchlauf. Weiterhin können über eine optionale Kopplung mit einem übergeordneten Rechnersystem Einstell- und Ergebnisdatensätze ausgetauscht werden.
Das Meßsystem war über ein Jahr lang an dem gezeigten Ort hinter dem Streckreduzierwalzwerk installiert. Beim Längsdurchlauf eines Rohres wurde jeweils ein Wanddickenprofil über die Rohrlänge aufgenommen. Ein typisches Beispiel für ein solches Längsprofil zeigt Abb. 4. Insgesamt wurden ca. 3350 Rohre im Heißzustand vermessen. Abb. 5 zeigt im überblick den abgedeckten Durchmesser- und Wanddickenbereich. Mit dem vorliegenden System wurden - basierend auf dem Rohrwalzprogramm - Wanddicken bis ca. 25 mm gemessen, eine Erhöhung um ca. 20 % erscheint nach den gemachten Erfahrungen leicht möglich. Darüberhinaus müßten, wie oben schon angesprochen, Anregungslaser mit höheren Pulsenergien eingesetzt werden - was aber bei dem modularen Systemkonzept keine großen Schwierigkeiten bedeutet.
Abb 4:Im Walzwerk gemessenes Rohrprofil. | 
Abb 5:Dimensionsübersicht gemessener Rohre. | 
Abb 6:Rohrlängsprofil: Vergleich Piezo- / Laser-Ultraschallmessung. | 
Abb 7:Rohrumfangsprofil: Vergleich Piezo- / Laser-Ultraschallmessung. |
Um die im Heißzustand gemessenen Wanddickenwerte zu überprüfen, wurden an einzelnen Rohren nach der Abkühlung Vergleichsmessungen in Form einer konventionellen Piezo-Handmessung durchgeführt. Einen solchen Vergleich zeigt Abb. 6. Berücksichtigt man, daß es nahezu unmöglich ist, exakt dieselbe Meßspur zu treffen, und daß außerdem die temperaturabhängige Schallgeschwindigkeit nicht genau bekannt war, so kann man von einer recht guten übereinstimmung sprechen.
Um auch einen Vergleich zwischen Laser-Ultraschall- und Piezo-Ultraschall-Messung ohne den Temperatureinfluß ziehen zu können, wurde eine Rohrprobe im Labor bei Zimmertemperatur über einen Rohrumfang vermessen, wie in Abb. 7 dargestellt.
Gerade die Meßprofile in Abb. 6 und 7 werfen die Frage nach der Genauigkeit bei der Ultraschall-Wanddickenmessung auf. Durch die prinzipielle Art der Messung ergibt sich sowohl für den laserangeregten wie auch für den piezoangeregten Ultraschall bei der Meßunsicherheit je ein Anteil der Laufzeit und der Schallgeschwindigkeit, d. h. grundsätzlich sind die Meßunsicherheiten bei den beiden Verfahrensvarianten vergleichbar. Allerdings wirkt sich bei der Heißmessung noch die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit aus, womit die Kenntnis von Rohrtemperatur und zugehöriger Schallgeschwindigkeit unbedingt erforderlich wird. Das Auswertesystem sieht eine Berücksichtigung der aktuellen Rohrtemperatur vor.Als Richtwert für die Meßunsicherheit kann ein Wert von 0.1 mm angegeben werden.
Mit dem vorgestellten Laser-Ultraschall-Wanddickenmeßsystem steht ein effektives Werkzeug der Prozeß- und Qualitätskontrolle zur Verfügung. Eine wirtschaftliche Anwendbarkeit ergibt sich vor allem im Heißbereich, auch an Produkten anderer Geometrien.
Darüber hinaus kann ein Einsatz an komplexen, schlecht zugänglichen Oberflächen sinnvoll sein.
Aufgrund der relativ kompakten Bauform des Meßkopfes ist eine Erweiterung auf mehrere Kanäle möglich. Ordnet man diese z. B. am Umfang des Meßobjektes an, so kann man bei einer hinreichenden Anzahl von Meßspuren ein zweidimensionales Längs- und Umfangswanddickenprofil erfassen.
Mit der parallel verlaufenden Weiterentwicklung von Systemkomponenten, insbesondere der Laserkomponenten, wird sich das Anwendungspotential noch vergrößern. Diese Entwicklungen zielen in Richtung Wiederholrate, Pulsenergie sowie weitere Steigerung der Robustheit des Systems.
| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
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