In der Prüfpraxis stellt sich heraus, daß die Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls im anisotropen Rohrmaterial nur näherungsweise berechnet werden kann. Die geeignete Prüfkopfposition und der dazugehörige Einschallwinkel müssen experimentell optimiert werden (ähnlich der Vorgehensweise bei austenitischen Schweißverbindungen).
Eine besondere Bedeutung für den praktischen Einsatz kommt der Festlegung der Justierreflektoren und der Bewertungsvorgaben zu. Vorhandene Normung ist für die Handprüfung beschrieben und berücksichtigt weder die spezifischen Materialeigenschaften noch die unterschiedlichen Schweißtechniken und deren Nahtformen. Hier besteht Handlungsbedarf, damit die bei der automatisierten Prüfung erzielte höhere Auflösung nicht mit einer Verschärfung der Prüfempfindlichkeit erkauft wird.
Bekanntlich ist die Ultraschalltechnik, wie vielfach berichtet, nur bedingt geeignet, Fehlstellenausdehnungen genau auszumessen. Bei anisotropem Material verschärft sich die Unsicherheit bei der Ortung und der Größenbestimmung. Wenn die experimentell optimierten Prüfparameter im Prüfkonzept umgesetzt werden, ist durch eine Ultraschallprüfung bei geeigneter Festlegung von Bewertungskriterien sichergestellt, daß alle relevanten Schweißnahtfehlstellen reproduzierbar nachgewiesen werden. Die Prüfpraxis liefert den Beweis, daß die Ultraschallprüfung im Nachweis von flächenartigen Trennungen der Durchstrahlungsprüfung überlegen ist.
Beachtet man die Randbedingungen für Verbindungsnähte im anisotropen Pipelinematerial und berücksichtigt diese Einflüsse in den Bewertungskriterien, ist die automatisierte Ultraschallprüfung von Pipeline-Verbindungsnähten unter Baustellenbedingungen möglich, ohne daß es zur Fehlbewertung wegen Störsignalen kommt. Die vorbeschriebene Prüftechnik hat erfolgreich ihre Einsatzmöglichkeiten unter unterschiedlichsten Baustellenbedingungen unter Beweis gestellt.
Eine aussagefähige Bewertung der Nahtgüte erfordert die Anwendung geeigneter zerstörungsfreier Prüfung. Eine derartige zerstörungsfreie Prüfung muß das gesamte Nahtvolumen einschließlich der Wärmeeinflußzone abdecken. Dies ist bei Schweißnähten in den in der Pipelineindustrie verwendeten Wanddicken nur durch eine Durchstrahlungs- oder eine Ultraschallprüfung gegeben.
Neben der Forderung einer ausreichenden prüftechnischen Abdeckung ist die Eignung einer zerstörungsfreien Prüftechnik für Schweißnähte in Pipelines durch die Forderung beschrieben, alle für die Verwendung als relevant eingestuften Schweißnahtfehlstellen sicher und reproduzierbar nachzuweisen und zu bewerten und alle im Sinne des Verwendungszwecks nicht relevanten Fehlstellen als zulässig zu bewerten.
Da bekanntlich allen zerstörungsfreien Prüftechniken immer nur die physikalische Wechselwirkung mit der Fehlstelle zum Nachweis und zur Bewertung zur Verfügung steht, kann die Eignung einer Prüftechnik für einen speziellen Anwendungsfall nur dann richtig bewertet werden, wenn man die Relevanz aller für den jeweiligen Schweißprozess typischen Fehlstellen klar definiert und das Anzeigeverhalten der angewendeten Prüftechnik richtig eingeschätzt wird.
Generell gibt es zwischen der Ultraschall- und der Durchstrahlungsprüfung ein allgemein gültiges Unterscheidungsmerkmal. Die Durchstrahlungsprüfung bewertet die Schwächung von Röntgen- oder Gammastrahlung durch die Fehlstelle und ist daher besonders zum Nachweis von voluminösen Materialänderungen geeignet, also zum Beispiel von Poren oder Einschlüssen. Die Ultraschallprüfung bewertet die Reflexionseigenschaften einer Fehlstelle und ist daher besonders zum Nachweis von Fehlstellen geeignet, die den Schalldurchgang im Material besonders stark beeinflussen, wie dies bei flächenartigen Trennungen quer zur Schallausbreitung, z.B. Flankenbindefehler gegeben ist.
Dennoch ist weltweit die Durchstrahlungsprüfung noch immer die meist angewendete Prüfmethode für Pipeline-Verbindungsnähte. Solange sich als Alternative ausschließlich die manuelle Ultraschallprüfunganbot, standen den Vorteilen folgende Nachteile gegenüber:
Im Betrieb der Pipeline sind die Längs- bzw. die Spiralnähte stärkerer Beanspruchung unterworfen als die Verbindungsnähte. Die im Herstellerwerk durchgeführte Ultraschallprüfung hat erfolgreich den Beweis geliefert, daß die Bewertungskriterien in den üblichen Prüfspezifikationen derart festgelegt sind, daß alle als kritisch anzusehenden Schweißnahtfehler als nicht zulässig bewertet wurden.
Die Ultraschall-Prüfanlagen im Herstellerwerk verwenden üblicherweise Mehrfachschwingeranordnungen. Aus Prüfzeitvorgaben schließt sich hier die Rasterscanmethode aus. Das gesamte Nahtvolumen wird in einer Prüffahrt parallel zur Naht abgedeckt.
Nun sollte man eigentlich annehmen, daß sich die Auslegung eines Prüfkonzeptes für die automatisierte Ultraschallprüfung der Verbindungsnähte in seinen Grundzügen an der Prüfmethodik im Herstellerwerk orientiert. Dem ist jedoch nicht so. Da für Verbindungsnähte in der Vergangenheit entweder die Durchstrahlungsprüfung oder die manuelle Ultraschallprüfung zur Anwendung gekommen ist, werden von der Anwenderseite in Ermangelung einer allgemein anerkannten Prüfspezifikation für die automatisierte Ultraschallprüfung von Verbindungsnähten andere Forderungen definiert.
Daraus wird klar, daß die Basis für die erfolgreiche Anwendung der automatisierten Ultraschallprüfung in einer einvernehmlichen geeigneten Festlegung der Bewertungskriterien liegt.
Dies ist in der Praxis natürlich nicht zu realisieren. Jedoch muß es vordringliches Ziel bei der Auslegung eines Prüfkonzeptes für die automatisierte Ultraschallprüfung von Schweißnähten sein, der idealen Anordnung so nah wie möglich zu kommen, um das Anzeigeverhalten für alle vorkommenden Schweißnahtfehler vergleichbar bewerten zu können.
Die Mehrzahl aller Schweißnahtfehler entsteht entlang des Übergangs Schweißnaht zu Grundmaterial. Unterschiedliche Nahtformen führen daher zu unterschiedlicher Orientierung der Fehlstelle innerhalb der Rohrwand.
Eine vergleichende Bewertbarkeit ist im wesentlichen geprägt durch den geeigneten Auftreffwinkel des Schallbündels unter Berücksichtigung der Nahtgeometrie und natürlich von der Konstanz des Schalldruckes am Reflektorort. Dies bedeutet, daß die Wahl der Prüfköpfe entscheidend für die Prüfaussage ist.
Im Pipelinebau werden heute üblicherweise Rohre verwendet, die aus thermomechanisch gewalzten Blechen hergestellt sind. Im Sinne der Ausbreitung von Ultraschall im Material liegen hier keine homogenen Eigenschaften vor. Da die Kenntnis des Ausbreitungsverhalten des Ultraschalls im Material von grundlegender Bedeutung ist, haben wir gemeinsam mit der Fa. Krautkrämer im Rahmen der Entwicklung des Prüfkonzeptes hierzu umfangreiche Untersuchungen durchgeführt.
Dies macht deutlich, daß Messungen der Schallfeldeigenschaften an homogenen Kalibrierkörpern auf die Gegebenheiten im Pipelinematerial nicht übertragbar sind. In internationalen Veröffentlichungen besticht immer wieder, daß der Ultraschall gradlinig nach dem Brechungsgesetz von Snellius verläuft. Es werden Fokussierungen definiert, die bei der geradlinigen Ausdehnung in homogenen Kalibrierkörpern ermittelt wurden und man findet natürlich auch Einschallwinkel von z.B. 72°.
Ein Prüfkonzept und das Verhalten des Ultraschalls läßt sich jedoch nur am Originalwerkstoff in der aktuellen Wanddicke erproben.
Neben dem unterschiedlichen Auftreffwinkel, der Beeinflussung des Schallbündels durch die Reflexion an Grenzflächen liegen nichtlineare Schwächungen des Schallbündels vor, die zu abweichenden Anzeigen bezogen auf die KSR Bezugslinie führen.
![]() Abb 1: Annordung Flachbodenbohrung |
Es zeigt sich, daß zum Nachweis von Kreisscheiben eines definierten Durchmessers entlang der Nahtflanke höhere Empfindlichkeiten erforderlich sind als durch die Justierung nach der prüfkopfspezifischen AVG-Vorsatzskala vorgegeben. Man erkennt weiter den doch erheblichen Einfluß des Auftreffwinkels auf die Amplitude. Folgerichtig ist es unabdingbar, daß es zu unterschiedlichen Anzeigenhöhen kommt, wenn man die AVG-Justierung einer Justierung an Kreisscheiben definierter Lage im Vergleichskörper gegenüberstellt.
Bei der Wahl der Prüfköpfe, der Anordnung der Prüfköpfe (Anzahl und Winkel) und der Festlegung von Bewertungsblenden müssen die Randbedingungen für auf der Baustelle manuell hergestellter Pipeline-Verbindungsnähte unbedingt berücksichtigt werden.
| Tabelle 1
US - HANDPRÜFUNG Justiert nach Vorsatzskala AVG - KSR 1.0 Vergleichsergebnis an Teststreifen aus X70 mit FLABO 1.0 mm Reflektor Nr. | Echohöhe (dB) zu AVG | MWB45-4 Echohöhe (dB) zu AVG | MWB60-4 1
| - 8
| - 4
| 2
| - 8
| - 3
| 3
| - 12
| - 3
| 4
| - 12
| - 3
| 5
| - 7
| - 6
| 6
| - 10
| -3
| 7
| - 10
| - 4
| 8
| - 9
| - 3
| 9
| - 9
| - 3
| 10
| - 8
| - 3
| 11
| - 8
| - 3
| 12
| - 10
| - 4
| 13
| 0
| - 4
| 14
| - 3
| - 5
| |
Pipelinerohre haben Toleranzen für Wanddicke, Ovalität und Rechtwinkligkeit des Schnittes. Der Nahtverlauf ist unregelmäßig und auch Kantenversatz ist unumgänglich. Die Position der Prüfköpfe relativ zur Nahtkante läßt sich selbst bei optimaler Manipulatorführung nur bedingt einhalten.
Unter Berücksichtigung aller Vorgaben haben wir uns für Tauch-technikprüfköpfe entschieden. Wir vermeiden, daß der Prüfkopf im Kontakt über das Material schleift und über die Verformung der Koppelsohle die Konstanz des Schalleintritts beeinflußt wird. Wir haben auch keine Probleme mit schwankenden Ankoppelverlusten und können auf einfache Art durch Änderung des Düsenwinkels die gewünschten Einschallwinkel realisieren. Die Temperatur des Prüfgutes kann sich nicht über den Vorlaufkeil auf den Schwinger übertragen, was erheblichen Einfluß auf das Schallfeld haben kann.
Daneben erzielen wir im Material eine außerordentlich konstante Schalldruckdichte. Das Nahfeld befindet sich im Wasservorlauf und Beschränkungen auch für kleinste Wanddicken sind nicht gegeben.
Pipelinerohre haben Toleranzen für Wanddicke, Ovalität und Rechtwinkligkeit des Schnittes. Der Nahtverlauf ist unregelmäßig und auch Kantenversatz ist unumgänglich. Die Position der Prüfköpfe relativ zur Nahtkante läßt sich selbst bei optimaler Manipulatorführung nur bedingt einhalten.
Unter Berücksichtigung aller Vorgaben haben wir uns für Tauch-technikprüfköpfe entschieden. Wir vermeiden, daß der Prüfkopf im Kontakt über das Material schleift und über die Verformung der Koppelsohle die Konstanz des Schalleintritts beeinflußt wird. Wir haben auch keine Probleme mit schwankenden Ankoppelverlusten und können auf einfache Art durch Änderung des Düsenwinkels die gewünschten Einschallwinkel realisieren. Die Temperatur des Prüfgutes kann sich nicht über den Vorlaufkeil auf den Schwinger übertragen, was erheblichen Einfluß auf das Schallfeld haben kann.
Daneben erzielen wir im Material eine außerordentlich konstante Schalldruckdichte. Das Nahfeld befindet sich im Wasservorlauf und Beschränkungen auch für kleinste Wanddicken sind nicht gegeben.
Wie bei der Prüfung der Längs- und Quernähte wird auch bei der Prüfung der Verbindungsnähte die Mehrfachschwingerausführung gewählt. Der Name der Prüfeinrichtung MIPA leitet sich davon ab als Multiple Immersion Probe Array. Eine typische Anordnung zeigt Abb. 2.
![]() Abb 2: Schemaanordnung für UT - MIPA - WELDSCANNER |
![]() Abb 3: 3 dB Dynamikbereich für Püfkopf H 5 M an Flachbodenbohrung D = 1mm |
Neben anderen Bedingungen ist die Kenntnis von Bedeutung, wie sich die relative Lage des Prüfkopfes zum Reflektor auf das Anzeigeverhalten auswirkt. Unter Verwendung der Flachbodenbohrungen aus Abb. 1 haben wir die Echodynamik im 3 dB-Bereich ausgemessen. Wie aus Abb. 3 ersichtlich, ergibt sich ein ausreichender in der Praxis einhaltbarer Toleranzbereich für den Schalleintrittspunkt. Quer zur Naht werden jeweils mehrere Reflektoren mit nahezu identischer Amplitude nachgewiesen.
Ein besonderes Problem der Ultraschallprüfung von Verbindungsnähten liegt im Nachweis von Fehlstellen im Wurzelbereich. Diese Problematik ist bei manuell geschweißten Nähten, deren Nahtverlauf sehr stark schwanken kann, besonders stark ausgeprägt. Aus dem Decklagenverlauf ist kein Rückschluß auf den Wurzelverlauf möglich und es ergeben sich, besonders wenn auch noch Kantenversatz vorliegt ist, erhebliche Abweichungen von der Schweißnaht-Idealform und dem idealen Verlauf. Eine eindeutige Trennung zwischen Form- und Fehlerechos im Wurzelbereich stellt eine Hauptforderung an das Prüfkonzept dar. Da die Position des Prüfkopfes relativ zur Wurzel bedingt durch Führungstoleranzen, Wanddickenunterschieden und nichtlinearem Wurzelverlauf nicht konstant gegeben ist, versagen Bewertungsblenden in festem Abstand. Eine automatische Trennung zwischen Form- und Fehlerechos ist nur möglich, wenn man in der Datenbewertung zusätzliche Kriterien integriert. Für manuell verschweißte Nähte werten wir üblicherweise zusätzlich eine sekundäre Kriechwelle aus, die im Falle von Fehlstellen im Wurzelbereich eine Anzeige hervorruft. Zusätzlich läßt sich ein Wurzelfehler über eine Echostartfunktion (zwei Anzeigen in einer Blende) bestätigen.
Sie erfüllen das spezifizierte Anforderungsprofil wie folgt:
The paper was presented on the DGZfP annual NDT confernce in Dresden in May '97
See also related article:
Advanced Technology in Automatic Ultrasonic Weld Inspection of Pipeline Girth Welds By H. Heckhäuser , S. Schulz
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