Abstract

The article introduce results of a program for validation different ultrasonic test techniques for crack depth determination of surface bracking cracks. Two techniques, the TOFD technique and the angle beam testing with mirror effect, both using time of flight measurement of the diffracted signal from the crack tip. Since it is not certain that all crack edges generate diffracted waves, the optimized ultrasonic pulse echo technique should be used. TOFD employed as an additional analytic method for verification of Impulse Echo Technique or Radiography results seems to be more applicable.

Inhalt

• Einleitung
• Ultraschalltechniken zum Auffinden von Fehlern
• TOFD-(Time of flight diffraction-)Technik
• Rißtiefenbestimmung mittels Impuls-Echo-Technik
• Schlußfolgerungen
• Literatur

Einleitung

Aufgrund von Rißbefunden an austenitischen Rohrleitungen in kerntechnischen Anlagen werden dort seit über zwei Jahren umfangreiche Prüfprogramme abgewickelt. Dabei handelt es sich um Anrisse im Bereich von Schweißnähten, die in Umfangsrichtung verlaufen und die mit mehr oder weniger senkrechter Orientierung von der Innenoberfläche ausgehen. Als Rißursache wurde Spannungsrißkorrosion ermittelt. Die oftmals vorliegende Schweißnahtausgang mit Wurzeldurchhang, Kantenversatz und Wurzelkerben erschweren eine eindeutige Bewertung der mittels Ultraschall und Durchstrahlung erhaltenen Befundanzeigen.

Als Analyseverfahren wurde auch die sog. Rißspitzentechnik (Auswertung der Laufzeit der an der Rißspitze gebeugten Ultraschallwelle) erprobt, die in den USA an austenitischen Rohrleitungsschweißnähten zum Nachweis und zur Größenbestimmung (Tiefe, Länge) von Korrosionsrissen eingesetzt wird. Die so geprüften Schweißnähte wurden anschließend zerstörend untersucht, um die mit Ultraschall ermittelte Fehlertiefe mit dem metallographischen Befund zu vergleichen. Dieser Beitrag bewertet die Eignung dieser Methode und die erforderlichen Randbedingungen

Ultraschalltechniken zum Auffinden von Fehlern

Zum Auffinden eventueller, während des Betriebes entstandener Risse werden in Deutschland üblicherweise Utraschallprüftechniken eingesetzt, die zur Anzeige das von der Fehlerfläche reflektierte Ultraschallsignal ausnutzen (wie z. B. 45° Transversalwellenprüfköpfe unter Ausnutzung des Winkelspiegeleffektes oder 70°-SEL- bzw. Kriechwellenprüfköpfe, um die Fehlerfläche möglichst senkrecht zu treffen).

Für die US-Prüfung austenitischer Rohrleitungen mit Wanddicken zwischen 5mm und 15mm wurde eine 70°SEL-Prüftechnik qualifiziert, die zusätzlich auch die Wellenumwandlung der ebenfalls erzeugten Transversalwelle an der Gegenfläche nutzt [1], [2]. Durch Verwendung von Longitudinalwellen, mit denen das austenitische Schweißgut besser durchschallbar ist, und mit einem großen Einschallwinkel 70° wird ein Ultraschallsignal von der Reflektorfläche (Hauptecho) erhalten. Wurzelkerben geringer Tiefe werden von tiefen Fehlern durch das Ausbleiben des sog. Nebenechos (Dreieckreflektion) unterschieden (Abbildung 1a). Es handelt sich hierbei um eine Suchprüftechnik. Aus der Echohöhe des Hauptechos kann nicht auf die Fehlertiefe geschlossen werden. Abbildung 1b. zeigt die sogenannten Nutkennlinien des 70°SEL-Prüfkopfes kleiner Bauform, Bauart KWU (Hauptecho und Nebenecho). Die unterschiedlich tiefen Testfehler (Nuten) und die Kante des Justierkörpers liefern annähernd gleich große Signalhöhen des Hauptechos. Zur Festgelegten Registriergrenze (Echohöhe der 1.5 mm tiefen Nut minus 6 dB) besteht ein deutlicher Echohöhenabstand. US-Anzeigen werden als Befunde bewertet, wenn die Registriergrenze überschritten ist und die charakteristischen Nebenechos vorhanden sind. Die Signalamplitude des Nebenechos (Dreieckreflektion) steigt mit größerer Fehlertiefe stärker an. Bei der Auswertung werden diese Anzeigenmuster jedoch nur qualitativ bewertet (Nebenecho vorhanden oder nicht vorhanden), da wegen der vorliegenden unregelmäßigen Kontur des Schweißnahtwurzelbereiches die Amplitude der Nebenechofolge stark unterschiedlich sein kann.

TOFD-(Time of flight diffraction-)Technik

Eine Anwendung der Rißspitzentechnik ist die von Silk 1977 entwickelte und in dem Zipscan-Gerätesystem realisierte TOFD-Technik [3,4,5]. Das Prinzip zeigt die Abbildung 2. Zwei Prüfköpfe sind in einer Durchschallungsanordnung beiderseits der Schweißnaht angeordnet. Verwendet werden Longitudinalwellenprüfköpfe mit Einschallwinkeln zwischen 45° und 70°. Abbildung 2a zeigt den Schallverlauf der Hauptwelle (Rückwandecho), der an der oberen und an der unteren Spitze des Fehlers gebeugten Schallwellen und der längs der Oberfläche verlaufenden (Lateral-) Welle, deren Laufzeiten wegen der verschieden langen Schallwege unterschiedlich sind (Abbildung 2b). Durch Messung der Laufzeit der Rißspitzensignale kann bei bekannter Bauteilgeometrie und bekanntem Prüfkopfabstand die Tiefenlage und die Tiefenerstreckung des Fehlers berechnet werden. Die genaue Lage des Fehlers zwischen den beiden Prüfköpfen kann aber daraus nicht bestimmt werden. Als bestgeeigneter Einschallwinkel wird 65° (Longitudinalwellen) angegeben [3]. Unter günstigen geometrischen Bedingungen reicht für die Längsfehlerprüfung das Verfahren der Prüfköpfe in einer Spur entlang der Schweißnaht aus, wobei diese in einem Bereich des Grundmaterials mit gleichmäßiger Oberflächenkontur ankoppeln. Mit dem Anfang der Achtziger Jahre entwickelten Zipscangerät war bereits ein vollständiger A-Bild-Einzug und die Weiterverarbeitung der digitalisierten US-Signale realisiert, wobei die Anzeigendarstellung in Form von B-Bildern mit einer linearen Tiefenskala unter Anwendung des SAFT-Algorithmus erfolgen konnte. Abbildung 2c zeigt als Beispiel die Anzeige eines zur inneren Oberfläche hin offenen Fehlers (einerodierte Nut), die zum einen durch eine Rißspitzenanzeige und zum anderen durch einen Ausfall des Rückwandechos gekennzeichnet ist. Die Fehlertiefenerstreckung läßt sich aus dieser linearisierten B-Bild-Darstellung direkt ablesen. Dabei werden positive Amplitudenwerte hell bis weiß und negative dunkel bis schwarz dargestellt. Die erreichbare Genauigkeit bei Fehlern, die sich etwa 10 mm unter der Oberfläche befinden, beträgt etwa +/- 1 mm [3]. Der Prüfkopfnahe Oberflächenbereich in der Tiefe bis etwa 5mm ist wegen der vorhandenen Lateralwelle eingeschränkt auswertbar.

Die Rißspitze liefert nur ein sehr schwaches Signal (etwa 20 dB geringer als das einer 3mm Ø -Querbohrung als Bezugsreflektor). Problematisch ist, daß sehr empfindlich geprüft werden muß, so daß kleinste Verunreinigungen im Werkstoff oder Schlackenzeilen signifikante Anzeigenmuster liefern. Wir waren damit befaßt, die TOFD-Technik an plattierten Komponenten als Suchtechnik zu qualifizieren. Dabei zeigte sich, daß Oberflächenunebenheiten und Unregelmäßigkeiten in der Plattierungsstruktur Störungen der Rückwandecho- und der Lateralwellensignale hervorrufen, die als mögliche Oberflächenfehler oder zumindest als Ankopplungsausfälle interpretiert werden konnten, die Nachprüfungen mittels Impulsechotechnik erforderlich machten. Signifikante Anzeigen in der Umgebung von unwesentlichen Anzeigen (z.B. Oberflächenunebenheiten, Einschlüsse) können nur schwer interpretiert und unterschieden werden. Bei der Anwendung des TOFD-Verfahrens als Suchtechnik ist es erforderlich, im gesamten zu prüfenden Volumen eine definierte, ausreichende Prüfempfindlichkeit und eine eindeutige Prüfaussage zu gewährleisten. Bei austenitischen Schweißnähten kommt hinzu, daß das Schweißgut durchschallt werden muß, wobei ein ausreichend hoher Signal-Rausch-Abstand oft nicht vorhanden ist. Als Analyseverfahren jedoch zur Überprüfung von Anzeigen, die mit anderen Prüfverfahren (US-Impulsechotechnik, Durchstrahlung) erhalten wurden, erscheint es eher geeignet.

Rißtiefenbestimmung mittels Impuls-Echo-Technik

Für die Bestimmung der Rißtiefe wird bei dieser Prüftechnik wie beim TOFD-Verfahren der Beugungseffekt der Schallwellen der Rißspitze ausgenutzt, wobei derselbe Prüfkopf sowohl als Sender als auch als Empfänger benutzt wird. Auf diese Weise kann auch der Rißort bestimmt werden.

Um ein Signal als Rißspitzsignal zu identifizieren, muß ein entsprechendes Rißbasissignal vorhanden sein. Das Rißbasissignal wird durch den Winkelspiegeleffekt zwischen Innenoberfläche und Rißfläche erzeugt. Man unterscheidet :

• die "Relative-Laufzeit-Technik" (RLT, Abbildung 3a),
  
• die die Laufzeitdifferenz zwischen dem Basisecho und dem Rißspitzenecho nutzt, und - die "Absolute-Laufzeit-Technik" (ALT, Abbildung 3b), die ausschließlich die Laufzeit des Rißspitzensignals auswertet.

Verwendet werden Einschwinger- und Sende-Empfangsprüfköpfe mit den Einschallwinkeln 60° oder 45°. Vorzugsweise werden Transversalwellenprüfköpfe eingesetzt. Zur Absicherung des Rißnachweises und um auch tiefe Fehler nicht zu übersehen, wird auch das Rißspitzensignal "im ganzen Sprung", d.h. nach Umlenkung des Schallstrahls an die Gegenfläche, gesucht und ausgewertet. Zusätzlich wird auch eine Prüfung mit 60°-Longitudinalwellen durchgeführt. Wenn wie bei Rohr-Bogenverbindungen nur die eine Einschallung von einer Seite der Schweißnaht möglich ist und die Prüfung durch die Schweißnaht erfolgen muß, werden nur Longitudinalwellenprüfköpfe eingesetzt. Die Rißtiefe wird mit einfachen geometrischen Rechenformeln ermittelt, wobei die Schallwege der maximalen Rißspitzenanzeige ausgewertet werden. Es gibt auch Verfahrensweisen, die die Schallaufwege bei halbem Wert oder beim Verschwinden der Rißspitzenanzeige im Rauschen in der fehlernahen Prüfkopfposition ermitteln. Damit soll die Sicherheit erhöht werden, tatsächlich die Spitze des Risses zu erfassen und nicht weniger tiefe Anteile der Rißfläche, die möglicherweise stärker reflektieren.

Ausgewertet werden alle Signale, die sich aus dem Rauschen abheben und deren Echodynamik- und Laufzeitverhalten als rißverdächtig erscheinen. Wenn ein Rißspitzensignal fehlt, jedoch ein US-Signal von der Gegenfläche vorhanden ist (z.B. von einer vermuteten Kerbe), wird die Anzeige als rißverdächtig mit einer Fehlertiefe kleiner 1 mm bewertet.

Die Prüftechnik wurde in den 80iger Jahren in den USA im Zuge von Ringversuchen beim EPRI-Institut für den Nachweis und zur Tiefenbestimmung von interkristallinen Rissen entwickelt und optimiert [6]. Das amerikanische Regelwerk fordert im übrigen eine Tiefenbestimmung von Rißbefunden mittels Ultraschall. Die Eignung der anzuwendenden Methoden und die Kompetenz des Prüfpersonals sind durch Qualifikationsprüfungen nachzuweisen [7].

Wir waren mit der Begutachtung von Testprüfungen an dünnen austenitischen Rohrleitungen befaßt, die von der Prüffirma General Elektric durchgeführt wurden. Die Prüfungen erfolgten mechanisiert mit dem Smart 2000-Gerätesystem, mit dem eine vollständige Erfassung und Speicherung der digitalisierten A-Bilder möglich ist. Alle US-Meßdaten des Prüfvorganges werden nach der Prüfung für die endgültige Bewertung abgespielt und ausgewertet. Trotz der umfangreichen Erfahrungen der Prüffirma waren für die hier vorliegenden Prüfrandbedingungen (andere Abmessungen, Wanddicken und Schweißnahtformen) die Vorgehensweisen bei der Prüfung und Auswertung speziell zu entwickeln und einzuüben, um eine verläßliche Aussage zu erreichen. Die Ergebnisse der Rißtiefenbestimmung mit der ALT-Methode an Nuten und natürlichen Rissen sind in der Abbildung 4 gezeigt. Zu diesen Prüfergebnissen können aus unserer Sicht folgende Feststellungen getroffen werden:

• die Regressionsgerade und der Regressionskoeffizient erfüllen die ASME-Kriterien [7] sehr gut;
  
• die höchste Meßgenauigkeit liegt bei Rißtiefen im Bereich von 30% der Wanddicke;
  
• weniger tiefe Risse werden in der Regel überbewertet, tiefere hingegen unterbewertet. Ein Rißverlauf wie in Abbildung 5 führt auch bei Anwendung der 6 dB-Echoabfall-Methode zu einer deutlichen Unterbewertung der Rißtiefe;
  
• die Anzahl der untersuchten Risse reicht für eine abschließende Bewertung der Prüfmethode noch nicht aus; Ergebnisse an Rissen mit in der Praxis vorkommenden Bedingungen (Rißspitze mit Korrosionsprodukten gefällt, Druckspannungen) fehlen noch;
  
• das Verfahren erlaubt danach Rißtiefen mit einer Genauigkeit von 20% der Wanddicke zu bestimmen.

Schlußfolgerungen

Aus unserer Sicht sind diese Verfahren, welche die an der Rißspitze gebeugten Ultraschallsignale und die damit verbundene Laufzeitinformation zur Tiefenbestimmung der Fehler nutzen, als Analyseverfahren einsetzbar. Dazu sollte die eingestellte Prüfempfindlichkeit an einem Bezugsreflektor verglichen werden, um eine erhöhte Schallschwächung an der zu prüfenden Komponente erkennen zu können und um auch bei wiederkehrenden Prüfungen reproduzierbare Prüfergebnisse zu gewährleisten.

Da von vornherein nicht sicher sein kann, daß für jede Rißkonfiguration ein Rißspitzensignal erhalten wird, sollten für die Fehlersuche optimierte US-Prüftechniken wie die eingangs beschriebene eingesetzt werden, die zur Anzeige das von der Fehlerfläche oder von der Rißöffnung reflektierte Ultraschallsignal nutzen. Im Falle eines Befundverdachtes sind dann z.B. eine Durchstrahlungsprüfung und US-Analyse-Prüfungen durchzuführen und auf der Grundlage aller Prüfergebnisse eine Bewertung vorzunehmen.

Literatur

1. J. Wessels Aktuelle Erkenntnisse über die Leistungsgrenzen der ZfP DGZfP-Seminar"Leistungsnachweis bei ZfP-Methoden DGZfP-Berichtsband 38, Seite 42-57
   
2. G. Csapo, T. Just, H. Eggers, E. Hein, R. Nimtz Fehlernachweisvennögen der Zerstörungsfreien Prüfverfahren an dünnwandigen austenitischen Schweißnähten 6th European Conf. on NDT, 24. bis 28.10.1994, Nizza, Seite 995-999
   
3. P. Carter Experience with the Time-of-flight Diffraction Technique and an accompanying Portable and Versatile Ultrasonic Digital Recording System Brit. J. Nondestr. Testing 26(84), 6, 354-361
   
4. H. Heckhäuser, K.-H. Gischler Das Zipscan-System der Ultraschallprüfung an plattierten Bauteilen und Rohrleitungen DGZFP Berichtsband 17, (1988) S. 122-132
   
5. M. G. Silk Benefits of signal processing in ultrasonic inspection Insight, Vol. 36, No. 101 October 1994, p.776-781
   
6. Electric Power Research Institute UT Operator Training for Planar Flaw Sizing EPRI NDE CENTER, Charlotte, N.C. (1985)
   
7. ASME Boiler and Pressure Vessel-Code, Section XI -Subsection IWA, IWA 3300 "Flaw Characterisation", -Appendix VIII "Perfomance Demonstration for Ultrasonic Examination Systems"