Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Die Beschaffenheit von Rohrleitungen während der Nutzungsdauer wird bestimmt durch die Auslegung des Bauteiles bei der Planung, die Qualität der Fertigung und durch die Belastung unter Betriebsbedingungen. Im allgemeinen werden bei Rohrleitungssystemen durch die Auswahl geeigneter korrosionsbeständiger Werkstoffe im Zusammenhang mit den eingesetzten Medien die geforderten Eigenschaften erfüllt. Bei sicherheitsrelevanten Komponenten ist die Überwachung der Qualität während der Herstellung sowie eine Prüfung des Bauteilzustandes während des betrieblichen Einsatzes in festgelegten Zeitabständen erforderlich. Insbesondere in kerntechnischen Anlagen ist die frühzeitige Erkennung von Werkstoffveränderungen und rißartigen Fehlstellen ein wichtiger Beitrag zur Sicherstellung der Anlagenintegrität.
Im Zusammenhang mit der Verlängerung der Betriebszeit von kerntechnischen Anlagen ist der Bauteilzustand von entscheidender Bedeutung. Für den Nachweis von Ermüdung und möglicher Rißbildung durch Betriebsbeanspruchung ist die Entwicklung von empfindlichen neuartigen Prüftechniken erforderlich. Die Anforderungen an die Prüftechnik bestehen hinsichtlich der Erkennung, Charakterisierung und Klassifizierung von Materialveränderungen. Die Erkennung von Rissen umfaßt lediglich das Auffinden von getrenntem Werkstoffgefüge und das Erfassen der geometrischen Ausdehnung des betroffenen Bereiches. Eine Charakterisierung umfaßt die Unterscheidung, ob Gefügeveränderungen oder Rißindikationen vorliegen. Die Klassifikation umfaßt die Beurteilung der Schädigung hinsichtlich einer Einschränkung in der weiteren Nutzung der Komponente. Zudem müssen die Prüftechniken eine zeitliche Verfolgung einer Werkstoffschädigung im Rahmen von wiederkehrenden Prüfungen ermöglichen.
Die druckführenden Umschließungen von deutschen Kernkraftwerken bestehen aus Titan- und Niob-stabilisierten austenitischen Werkstoffen aufgrund ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit und Werkstoffzähigkeit. Bei überlagerter Bauteilbelastung durch statische- und dynamische Krafteinwirkung, gleichzeitiger korrosiver und thermischer Beanspruchung ist eine Bauteilschädigung durch Spannungsrißkorrosion und elasto-plastische Werkstoffermüdung möglich. Infolge dieser Beanspruchungen kann es in den Rohrleitungen zu Werkstoffveränderungen, Anrißbildung und Rißwachstum kommen [1, 2, 3].
Bei metastabilen austenitischen Werkstoffen geht die Werkstoffermüdung unter erhöhten Spannungszuständen oder durch plastische Verformung einher mit einer teilweisen Phasentransformation des austenitischen Gefüges in Martensit [4, 5]. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften besitzt der Martensit eine deutlich höhere Festigkeit als der Austenit. Die eingelageren Martensitnadeln im austenitischen Gefüge wirken versetzungsbehindernd und führen damit zu einer Anhebung der Festigkeitseigenschaften und Absenkung der Werkstoffzähigkeit. Die bruchmechanischen Eigenschaften metastabiler austenitischer Stähle werden durch die spannungs- und verformungsinduzierte Martensitbildung negativ beeinflußt.
Der Martensit besitzt eine kubisch raumzentrierte Gitterstruktur und ist als ferromagnetische Phase im Austenit mit seiner kubisch flächenzentrierten Gitterstruktur und paramagnetischen Eigenschaften eingelagert. Hierdurch ändern sich die magnetischen Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit von den ertragenen Werkstoffbeanspruchungen [6]. Der in der paramagnetischen austenitischen Matrix eingelagerte ferromagnetische Martensit bietet damit Möglichkeiten zur Bestimmung einer Bauteilbeanspruchung mit Hilfe von elektromagnetischen Prüfverfahren. Die Neigung der austenitischen Werkstoffe, bei äußerer Beanspruchung martensitische Phasen auszubilden, ist im wesentlichen auf die Austenitinstabilität der Legierung zurückzuführen. Durch eine Kalibrierung der Wirbelstromsignalgrößen kann für ein Bauteil aus dem entsprechenden Werkstoff der Martensitgehalt und darüber der Grad der Ermüdung bestimmt werden.
Die Informationsinhalte von Wirbelstromsignalen werden anschaulich erweitert durch eine Mechanisierung bei der Meßdatenaufnahme und einer anschließenden C-Bild-Rekonstruktion aus den Wirbelstromkomponenten. Dieses vereinfacht die Interpretation der komplexen Signale. Die dreidimensionale Darstellung der Wirbelstromsignale mit Farbabstufungen als dritte Dimension ermöglicht die Bestimmung der geometrischen Ausdehnung und Orientierung von Wirbelstromindikationen auf der Bauteiloberfläche. Die C-Scan-Technik ist angewendet worden bei:
Diese Untersuchungen wurden durchgeführt an Low-Cycle Fatigue Proben (Eieruhr-Proben) entsprechend den Vorgaben der ASTM E606 [7]. Der untersuchte Werkstoff ist X 6 CrNiTi 18 10, Werkstoff Nr. 1.4571. Die Probengeometrie und die mechanisierte Wirbelstrommessung ist in Abbildung 1 dargestellt. Um die Gefügestruktur zu homogenisieren, wurden die Proben bei 1040°C (1h) geglüht und anschließend in Öl abgeschreckt. Die Ermüdungsuntersuchungen selbst wurden bei Raumtemperatur mit einer Prüffrequenz von 2Hz und einer dehnungsgeregelten Belastungsamplitude durchgeführt. Hierbei sind Nutzungsgrade von D=0...1 verwirklicht worden. Der Nutzungsgrad D ist definiert als das Verhältnis der ertragenen Lastwechsel zu der durchschnittlichen Anzahl von Lastwechseln bei der Rißwachstum erwartet wird. Die durchschnittliche Anzahl der Lastwechsel ist in Vorversuchen an 5 Werkstoffproben ermittelt worden.
Abb 1: Wirbelstrommessungen an der Mantelfläche der LCF-Proben.
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Mit der WS-C-Scan Technik sind die Mantelflächen der LCF-Proben vermessen worden. Beispielhaft sind die Wirbelstrom C-Bilder von 2 Proben mit einer Lastwechselanzahl von n=15850 und n=63000 in Abbildung2 dargestellt. Hierbei befindet sich der kleinste Probenquerschnitt mit der größten Werkstoffbeanspruchung bei einem Meßweg von 10mm bis 15mm. Entsprechend dem erwarteten Einfluß der martensitischen Phase auf das Wirbelstromsignal ist beim LCF-Versuch mit einer Zunahme der Lastwechselzahl eine Verstärkung der Wirbelstrom x-Komponente verbunden. Mit zunehmender Anzahl der Lastwechsel vergrößert sich der Oberflächenbereich mit Wirbelstromindikationen.
Abb 2: Wirbelstrom C-Bild Darstellung der Mantelfläche der LCF-Proben. | | ||
Die Proben mit einer ertragenen Lastwechselzahl von n=63000 zeigen zwei Anrisse in der y-Komponente. Die Auslenkung des Arbeitspunktes in der x-Komponente überschreitet den festgelegten Grauwertbereich in der Wegdarstellung und den Meßbereich in der Impedanzebene.
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Abb 3: Einzelspurdarstellung der x-Komponente und Gegenüberstellung des Martensitgehalts aus Beugungsuntersuchungen.
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Um Aussagen über den Martensitgehalts in den LCF-Proben machen zu können ist dieser mit Hilfe von Neutronen- und Röntgenbeugungsuntersuchungen bestimmt worden [7]. Eine Gegenüberstellung der WS-Signalverläufe über der Probenlänge bei unterschiedlichen Ermüdungsproben in Abhängigkeit der Lastwechselzahl und dem Martensitgehalt sind in Abbildung 3 gezeigt. Mit zunehmender Lastwechselzahl erfolgt eine deutlich Vergrößerung der x-Komponente. Die Gegenüberstellung des Martensitgehalts im Mittenbereich der Probe zu der Anzahl der Lastwechsel bestätigt die Änderung der Wirbelstromsignale. Deutlich ist ein linearer Zusammenhang zwischen der Anzahl der Lastwechsel und dem Martensitgehalt zu erkennen. Damit besteht die Möglichkeit die Wirbelstromsignale hinsichtlich dem Martensitgehalt zu kalibrieren und Aussagen über den Ermüdungsgrad zu machen.
Zur Bestimmung der Martensitverteilung im Werkstoffvolumen sind die Proben nach einer entsprechenden Anzahl der Lastwechsel mittig geteilt worden, die Schnittfläche ist ebenfalls mit der Wirbelstrom C-Scantechnik vermessen worden. Entsprechend der Spannungsüberhöhung auf der Mantelfläche konnte der Beginn der Martensitbildung auf der äußeren Oberfläche nachgewiesen werden. Mit zunehmender Probenbelastung vergrößert sich der Werkstoffbereich mit erhöhtem Martensitgehalt von der Außenoberfläche in das Probeninnere, bis bei maximal ertragbarer Lastspielzahl eine annähernd homogene Martensitverteilung im schwächsten Probenquerschnitt vorliegt. Die Anrißbildung erfolgte hierbei stets in einem Werkstoffbereich mit einem hohen Martensitgehalt.
Hinsichtlich der Rißbildung bei der Prüfung von dickwandigen austenitischen Rohrleitungen sind diese Rohrwandungen durchdringend zu erfassen. Insbesondere bei einer überlagerten mechanischen und korrosiven Beanspruchung ist eine Schadensentwicklung auch von der Rohrinnenseite möglich. Der Nachweis von Spannungsrißkorrosion auf der Innenseite von austenitischen Rohrleitungen ist mit der Ultraschalltechnik oder der Radiographie nur eingeschränkt zu führen. Die Ursachen hierfür liegen in der geringen Aufweitung der Risse und der zumeist senkrechten Orientierung des Rißverlaufes in der Rohrwandung. Rohrbögen sind hoch belastete Komponenten, da diese neben der Druckbeanspruchung im Leitungssystem auch Biegemomente durch äußere Kräfte auf die Rohrleitungen übertragen müssen.
Ziel der hier vorgestellten Entwicklungsarbeiten ist die Bereitstellung eines Wirbelstrom-Prüfsystems, mit dem mögliche herstellungsbedingte Werkstoffschäden und daraus resultierende Rißbildungen bei fortgeschrittener Nutzung von austenitischen Rohrbögen erkannt und verfolgt werden können. Hierfür ist die Fernfeld-Wirbelstromtechnik für gerade Platten weiterentwickelt worden zur Prüfung von verdeckten Fehlern im austenitischen Grundwerkstoff bei Wandstärken bis zu 25mm [8].
Der Aufbau von Wirbelstrom-Fernfeld Sensoren für ebene Werkstücke ist gekennzeichnet durch eine räumliche Trennung der Erregerspule und der Empfängerspule. Die Wicklungen der Erregerspule sind mit einem umschließenden Ferrittopf abgeschirmt, und die Meßspule befindet sich asymmetrisch seitlich neben der Erregerspule. Durch die äußere Abschirmung der Erregerspule wird das erregende Feld an der Ausbreitung im Halbraum über der Werkstoffoberfläche stark eingeschränkt. Durch die FEM-Modellierung der Feld- und Wirbelstromverteilung im Werkstoff kann der Wirkzusammenhang zwischen den Eigenschaften des Fernfeld-Wirbelstromsensors und den elektromagnetischen Werkstoffeigenschaften des Prüfteils bestimmt werden. Hierdurch ist eine zielgerichtete Optimierung der Sensorik an die jeweilige Prüfaufgabe möglich [9].
Abb 4: Rotationssymetrische Modellbildung zur Analyse der elektrischen und magnetischen Feldgrößen an ebenen Werkstücken . |
Durch die räumliche Trennung der Erregerspule und der Meßspule sind Fernfeld-Wirbelstromsysteme empfindlich gegenüber Lift-Off Effekten. Störsignale können entstehen durch Abheben der Erreger- und der Meßspule und somit Fehlersignale überdecken. Insbesondere beim Abtasten der gekrümmten Oberfläche auf Rohrbögen muß eine Trennung zwischen Lift-Off Effekten und Fehlersignalen gewährleistet sein. Eine Trennung zwischen Fehlersignalen und Lift-Off Effekten der Signale in der Impedanzebene ist durch die Wahl einer geeigneten Erregerfrequenz und der Sensorgestaltung möglich.
Zur Durchführung von Fehlerprüfungen an austenitischen Rohrbögen ist ein Zweiachsen - Prüfmanipulator zur vollständigen Erfassung der Rohrwandung verwendet worden. Bei der Messung werden die Ortskoordinaten der Sonde und die Wirbelstromkomponenten gespeichert, so daß sich aus den Einzelsignalen ein C-Scan Wirbelstrombild rekonstruieren läßt. Die Klassifizierung der Wirbelstromsignale erfolgt nach Abschluß der Meßdatenaufnahme anhand der gespeicherten Signalverläufe.
Die Charakterisierung der Fernfeld-Wirbelstromsensoren erfolgt durch Messungen an Testkörpern mit Fehlergeometrien in der Rohrinnenwand, im Werkstoffvolumen und auf der Rohraußenöberfläche. Der Werkstoff ist X 10 CrNiNb 18 9, Nr. 1.4550. Das Ligament zwischen der Rißspitze innerhalb der Rohrwandung zur Rohr-Außenoberfläche wird bei dem Wirbelstromsensor durch die Phasenlage wiedergegeben. Die Rißhöhe kann durch die Wirbelstromamplitude bestimmt werden. In Abbildung 5 ist der Zusammenhang zwischen der Lage einer Werkstofftrennung innerhalb der Rohrwandung zu der Phasenlage des Wirbelstromsignales wiedergegeben. Auf der rechten Seite der Abbildung sind einzelne Wirbelstromsignale in der Impedanzebene für Risse in der Rohr-Innenoberfläche, eingeschlossene Risse innerhalb Rohrwandung und Fehlstellen auf der Rohr-Außenoberfläche abgebildet. Deutlich ist eine Phasenspreizung von 90° zwischen Oberflächenfehlern auf der Rohraußen- und Innenseite zu erkennen. Hierdurch ist eine Phasentrennung zwischen Störsignalen auf der Außenoberfläche und Werkstofftrennungen innerhalb der Rohrwandung gegeben. Die Fehlergeometrien sind erodierte Werkstofftrennungen innerhalb der Rohrwandung in unterschiedlichen Orientierungen und flächige Fehler (Schleifstellen, Schlagstellen) auf der Rohr-Außenoberfläche.
Abb 5: Gegenüberstellung der Fehlersignal-Phase - Ligament für Werkstofftrennungen innerhalb der Rohrwandung .
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Der Werkstoff von austenitischen Rohrbögen unterliegt während der Fertigung durch den Biegevorgang unterschiedlichen Umformgraden, welches zu einer geringfügigen Zunahme von martensitischen Werkstoffanteilen führt. Diese Werkstoffinhomogenitäten haben ebenfalls einem Einfluß auf die Ausbildung der Wirbelstromsignale durch das ferromagnetische Werkstoffverhalten.
Durch ferromagnetische Werkstoffeigenschaften werden die sinusförmig aufgeprägten magnetischen Felder entsprechend den Hystereseeigenschaften der B-H Kurven verzerrt [10]. Durch die zeitgleiche Frequenzanalyse des Wirbelstromsignales (Harmonischen Analyse) können Störsignale durch ferromagnetische Werkstoffbereiche erkannt und von Rißsignalen unterschieden werden.
In druckführenden Systemen in der Chemie- und der Kraftwerkstechnik finden austenitische Werkstoffe aufgrund ihrer besonderen Korrosions- und Temperaturbeständigkeit eine breite Anwendung. Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen ist die frühzeitige Erkennung von Werkstoffveränderungen und rißartigen Fehlstellen ein wichtiger Beitrag zur Sicherstellung der Anlagenintegrität. Zur Erkennung und Beurteilung von Werkstoffveränderungen in metastabilen austenitischen Werkstoffen sind Wirbelstromtechniken eingesetzt worden. Im austenitischen Gefüge dieser Werkstoffe tritt bei elasto-plastischer Beanspruchung eine Zunahme an ferromagnetischen Werkstoffeigenschaften in Erscheinung. Daraus ergeben sich Möglichkeiten, eine beginnende Werkstoffschädigung empfindlich mit magnetinduktiven Meßtechniken zu erfassen. Zum Nachweis einer unter Betriebsbeanspruchung einsetzenden Werkstoffschädigung in austenitischen Werkstoffen ist die Wirbelstromtechnik eine empfindliche Prüftechnik zur Materialcharakterisierung mit einer hohen örtlichen Auflösung auch unter Feldbedingungen. Die Veränderungen im Werkstoffgefüge unter dynamischer Belastung sind durch Low Cycle Fatigue Versuche (LCF) hinsichtlich Materialermüdung an dem Werkstoff X 6 CrNiTi 18 10, Nr. 1.4571 untersucht worden. Mit Hilfe von Neutronen- und Röntgenbeugungsuntersuchungen ist der Martensitgehalt des beanspruchten Werkstoffes bestimmt worden. Dieses ermöglichte das Verfolgen von metallurgischen Veränderungen in Abhängigkeit der Probenbelastung, bevor der Grad der Schädigung in dem austenitischem Werkstoff Risse entstehen läßt. Durch die Gegenüberstellung des Martensitanteils mit den Änderungen des Wirbelstromsignals kann eine Kalibrierung der Wirbelstromwerte in Bezug auf die Bauteilbelastung erfolgen.
Die Information von Wirbelstromsignalen wird wesentlich erweitert durch die Wirbelstrom C-Bildtechnik. Die flächige zweidimensionale Darstellung der Wirbelstromsignale ermöglicht die Bestimmung der geometrischen Ausdehung und Orientierung von Wirbelstromindikationen im Bereich der Bauteiloberfläche.
Hinsichtlich der Schadensbilder bei der Prüfung von dickwandigen austenitischen Rohrleitungen wird mit der Fernfeld-Wirbelstromprüfung eine vollständige Prüfbarkeit der gesamten Rohrwandung erreicht. Zur Auslegung der Sensortechnik sind FEM-Berechnungen zu der Feld- und Wirbelstromverteilung durchgeführt worden. Dabei konnte der Einfluß der elektrischen Leitfähigkeit, der magnetischen Permeabilität des Werkstoffes und der Prüffrequenz auf die Ausbildung der Wirbelstromverteilung erfaßt werden. Dieses ermöglicht eine zielgerichtete Sensorentwicklung. Durch die Anwendung der Wirbelstrom C-Scantechnik kann der Fehlerort, die Tiefenlage wie auch die Ausdehnung von rißartigen Fehlstellen im Grundwerkstoff bestimmt und zugeordnet werden. Die Eigenschaften der Wirbelstromsensoren sind anhand von Kalibrier-Testkörpern, Werkstoff X 10 CrNiNb 189, Nr. 1.4550, mit künstlichen Fehlergeometrien überprüft worden.
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