DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

START Beiträge > Plakate > Ultraschallprüfung:

BAM-RTD Phased Array Konzept für die Schweißnahtprüfung von Rohrleitungen

G. Brekow, A. Erhard, E. Schulz, H.-J. Montag, BAM-Berlin,
N. Pörtzgen RTD-Rotterdam
Kontakt: G. Brekow,

Zusammenfassung

Aus den Messergebnissen geht hervor, dass der Real-Time-Scanner den Reflektor-nachweis der konventionellen Prüfköpfe hinsichtlich des erreichten S/R-Abstandes erreicht und teilweise übertrifft. Weiterhin geht aus den Ergebnissen hervor, dass die Nachweisempfindlichkeit sehr empfindlich auf Abweichungen der Prüfkopf-positionierung reagiert. Nur wenn die optimale Fahrspur für jede Reflektortiefenlage getroffen wird, kann mit den konventionellen Prüfköpfen ein S/R-Abstand von mehr als 20 dB erreicht werden. Das bedeutet, dass mit den konventionellen Prüfköpfen immer mehrere parallele Fahrspuren mit kleinem Spurversatz gefahren werden müssen, um auch kleine Fehler in der Schweißnaht nachweisen zu können. Mit dem Real-Time-Scanner-Prüfkopf können mit einer einzigen Messfahrt und mit entsprechend vielen angepassten Messfunktionen mehrere parallele Fahrspuren durch elektronisch gesteuerte Bündelverschiebung erfasst werden.

Keywords
Pipelines, Schweißnahtprüfung, Gruppenstrahlertechnik, Real-Time-Scanner, Gruppenstrahler-Prüfkopf mit 64 Schwingerelementen, konventionelle Winkelprüfköpfe

Einleitung

RTD benutzt das Rotoscan-System für die automatisierte Ultraschallprüfung der Umfangsschweißnähte zusammengefügter Pipeline-Rohre mit Wanddicken zwischen 8 und 25 mm. Es werden jeweils bis zu sechs Prüfköpfe auf beiden Seiten der Schweißnaht eingesetzt [1]. Die konventionellen Impuls-Echo- und Tandem-Prüfköpfe werden zur Zeit vom RTD durch Gruppenstrahler-Prüfköpfe ersetzt. In einem gemeinsamen RTD-BAM Entwicklungsprojekt wurde die Anwendung des Phased Array Prüfkonzepts für Pipeline-Schweißnähte erfolgreich erprobt. Dabei wurde das von der BAM entwickelte Real-Time-Scanner -System benutzt [2]. Die 64 Schwingerelemente des Phased Array- Winkelprüfkopfes werden in elektronisch steuerbare Sende- und Empfangsgruppen unterteilt, um bei Abtastung in Umfangsrichtung mehrere parallele Fahrspuren gleichzeitig aufnehmen zu können.

An einem speziell angepassten Testkörper mit Flachbodenbohrungen als Test-reflektoren wurden Vergleichsmessungen mit beiden Prüfkopfsystemen durchgeführt.

Der gekrümmte Testkörper mit einer Wanddicke von ca. 17 mm wurde in sechs Tiefenzonen eingeteilt. In jeder Tiefenzone befand sich eine Flachbodenbohrung, die mit beiden Prüfkopfsystemen in Impuls-Echo- oder Tandem-Technik im halben oder ganzen Sprung nachgewiesen werden konnte.

Testkörper

Der IPLOCA-Testkörper von der Fa. RTD hat einen Außendurchmesser von 106 cm und eine Wanddicke von 16,9 mm.

In Bild 1 ist der Testkörper schematisch dargestellt. Die Flachbodenbohrungen mit einem Durchmesser von 2 mm befinden sich in folgenden Tiefen:

Bild 1:

Zone 1: 1,6 mm; Zone 2: 4,7 mm; Zone 3: 7,5 mm; Zone 4: 11 mm; Zone 5: 15 mm; Zone 6: 16 mm. Die Flachbodenbohrungen haben in den Zonen 1 bis 4 eine Schräglage von 3,5°, in Zone 5 und Zone 6 betragen die Schräglagen 40° und 30°.

Die Wanddickeneinteilung in sechs Tiefenzonen ist in Bild 2 wiedergegeben. Um die Prüfkopfsysteme für beide Seiten der Schweißnaht im Pipelinerohr auf ihre Nachweisempfindlichkeit testen zu können, sind die Testreflektoren im IPLOCA-Testkörper spiegelbildlich für beide Einschallrichtungen in Richtung der Rohrachse vorhanden.

Bild 2:

Mess- und Gerätetechnik

Der bei den Messungen benutzte Gruppenstrahler-Prüfkopf oder Real-Time-Scanner hat eine Prüffrequenz von 3 MHz und besteht aus 64 Schwingerelementen mit einer Breite von 1,19 mm und einer Länge von 12 mm. Die Lücke zwischen benachbarten Schwingerelementen beträgt 0,05 mm.

Bild 3:

Der Prüfkopf weist einen Keilwinkel von 34° auf (siehe Bild 3). Die in der Prüfpraxis vor Ort bei einer Schweiß-nahtprüfung vorzunehmende Anordnung der beiden Real-Time-Scanner auf beiden Seiten der Schweißnaht ist in Bild 4 schematisch dargestellt.

Bild 4:

Der Gruppenstrahler-Prüfkopf war bei den Messungen am Testkörper an ein rechnergesteuertes BAM-Gruppen-strahlergerät angeschlossen.

Durch eine speziell angepasste Software konnte der Einschall-winkel, die Fokustiefe oder die Position des Schallbündels variiert und das Schallbündel dabei variabel mit acht oder maximal mit 16 Schwinger-elementen gebildet werden. Bilden z.B. acht Elemente eine Strahlergruppe, so kann diese Gruppe von den Elementen 1 - 8, 2 - 9 , 3 - 10 oder 57 - 64 gebildet werden.

Der Testkörper befand sich bei den Messungen in einem Wasserbad und der Real-Time-Scanner oder die konventionellen RTD-Winkelprüfköpfe wurden für den Nach-weis der Testreflektoren mit einem Manipulator in Kontakttechnik am Testkörper in Rohrumfangsrichtung entlang geführt. Es wurden jeweils TD-Bilder aufgenommen, die anschließend hinsichtlich des erreichten S/R-Abstandes ausgewertet wurden.

In Einzelmessungen wurden die sechs RTD-Prüfköpfe ebenfalls an das Gruppenstrahler-Gerät angeschlossen, um vergleichbare Ausgangsbedingungen für den Ergebnis-vergleich zu bekommen. Die sechs RTD-Prüfköpfe mit Einschallwinkeln zwischen 40° und 60° sind in Bild 5 wiedergegeben. Die Prüffrequenz der Prüfköpfe beträgt 4 MHz, die Schwinger sind teilweise elliptisch und haben Größen zwischen 15x18 mm2 und 16x24 mm2. Für den Nachweis der Testfehler wurde die Impuls-Echo- und Tandem-Technik bei den konventionellen Prüfköpfen und beim Gruppenstrahler-Prüfkopf in gleicher Weise eingesetzt.

Bild 5:

Messergebnisse

In Zone 1 wurde der Testreflektor im ganzen Sprung in Impuls-Echo-Technik mit den Elementen 43 - 58 und einem Einschallwinkel von 50° nachgewiesen. Der erreichte S/R-Abstand betrug dabei 27 dB. Der RTD-Prüfkopf (Einschallwinkel: 55°) erreichte hier einen Wert von 22 dB.

Bild 6: Bild 7:

In Zone 2 wurde die Tandem -Technik eingesetzt, wobei die Elemente 30 - 40 als Sender und 46 - 61 als Empfänger arbeiteten. Mit einem Sendewinkel von 40°, einem Empfangswinkel von 50° und mit einer Schallbündel-Umlenkung an der Rohrinnenoberfläche wurde dabei ein S/R-Abstand von 29 dB erzielt. Im Vergleich dazu erzielte der konventionelle Winkelprüfkopf (Sendewinkel: 40°, Empfangswinkel: 52°) einen S/R-Abstand von 24 dB.

Die Tandem-Technik mit Umlenkung wurde ebenfalls in Zone 3 angewandt. Mit den Elementen 30 - 40 als Sender und 49 - 64 als Empfänger wurde ein Sendewinkel von 42° und ein Empfangswinkel von 51° benutzt. Der erzielte S/R-Abstand betrug dabei 30 dB. Der RTD-Prüfkopf (Sendewinkel: 40°, Empfangswinkel: 52°) erzielte 27 dB.

Bild 8: Bild 9:

In Zone 4 wurde wiederum die Tandem-Technik mit Umlenkung eingesetzt. Mit den Elementen 29 - 39 als Sender und 48 - 63 als Empfänger wurde ein Sendewinkel von 43° und ein Empfangswinkel von 49° eingestellt. Der Reflektornachweis erfolgte mit einem S/R-Abstand von 30 dB. Der konventionelle Prüfkopf (Sendewinkel: 40°, Empfangswinkel: 50°) erreichte hier einen Wert von 27 dB.

In Zone 5 wurde der Testreflektor im ganzen Sprung in Impuls-Echo-Technik mit den Elementen 34 - 49 und einem Einschallwinkel von 51° nachgewiesen. Der erreichte S/R-Abstand betrug dabei 34 dB. Hier erreichte der RTD-Prüfkopf 31 dB (Einschallwinkel: 50°) .

Bild 10: Bild 11:

In Zone 6 wurde wiederum die Impuls-Echo-Technik aber im halben Sprung angewandt. Dabei wurden die Elemente 32 - 47 aktiviert. Der Einschallwinkel betrug 61°, der erzielte S/R-Abstand 25 dB. Im Vergleich dazu erzielte der konventionelle Prüfkopf 24 dB (Einschallwinkel: 60°).

Bei einer Messfahrt mit dem Real-Time-Scanner wurden die sechs Reflektoren in den Tiefenzonen nicht nur aus den jeweils optimalen Sende- und Empfangs-positionen aufgenommen. Die aktivierten Elementgruppen für den Sende- und Empfangsfall wurden zusätzlich für 18 weitere Messfunktionen um jeweils zwei oder drei Elemente versetzt angeregt. Durch elektronische Steuerung ergaben sich damit während einer einzigen Messfahrt drei zusätzliche Fahrspuren, auf denen die Testreflektoren mit einem Spurversatz von jeweils 5 mm abgetastet wurden.

Für die sechste Tiefenzone sind beispielhaft die TD-Bilder und Echodynamiken der vier gleichzeitig aufgenommenen Fahrspuren wiedergegeben. Der Einschallwinkel betrug jeweils 61°.

In Spur 1 sind die Elemente 39 - 54 als Sender und Empfänger aktiv

Der S/R-Abstand für den Reflektornachweis beträgt hier 2 dB.

In Spur 2 sind die Elemente 37 - 52 als Sender und Empfänger aktiv . Der S/R-Abstand hat sich auf 6 dB erhöht.

Bild 12: Bild 13:

In Spur 3 sind die Elemente 35 - 50 als Sender und Empfänger aktiv. Der S/R-Abstand beträgt hier schon 9 dB.

In Spur 4 ist die optimale Position erreicht. Die Elemente 32 - 47 sind als Sender und Empfänger aktiv und der S/R-Abstand hat einen Wert von 25 dB.

Bild 14: Bild 15:

Literatur

  1. J.A. de Raad, F.H. Dijkstra , Mechanised UT on girth welds during pipeline construction - a mature alternative to radiography; Insight,Vol.40No.6 June 1998, p.435-438
  2. G. Schenk, A. Erhard, T. Hauser, Development of Two Advanced Ultrasonic Inspection Systems with Phased Arrays ; ASNT Fall Conference, Seattle, 1996

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net