DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Moderne Verfahren zur Qualitätssicherung und Prozeßsteuerung in Rohrwerken

Friedhelm Schlawne, Gerd-Joachim Deppe, Alfred Graff, Heinz Schneider,
Mannesmann Forschungsinstitut GmbH,
Duisburg
Kontakt: F. Schlawne

Zusammenfassung

In den letzten Jahren wurden koppelmittelfreie Ultraschall-Techniken in verschiedenen Rohrwerken installiert bzw. erprobt. Laser-Ultraschall-Wanddickenmessungen sind bei der Herstellung nahtloser Rohre gefragt, sie liefern bereits während des Walzens Wanddickenwerte bzw. -profile und bieten damit die Möglichkeit zur Prozeßsteuerung. Ein Meßsystem, bei dem ein Impulslaser einen Ultraschallimpuls erzeugt, der nach Durchlaufen der Rohrwand mit Hilfe eines zweiten Lasers und eines Interferometers optisch detektiert wird, konnte in diversen Rohrwerken erfolgreich erprobt werden.

EMUS-Wandler bieten die Möglichkeit, leistungsfähige Techniken unter Einsatz von Platten-, Oberflächen-, und polarisierten Transversalwellen zu verwirklichen. Es werden Betriebsanlagen zur Ultraschallprüfung von Präzisrohren, Oberflächenprüfung von Großrohren, Wanddickenmessung von Präzisrohren, sowie Wanddickenmessung und Dopplungsprüfung von nahtlosen Rohren einer Pilgerstraße vorgestellt.

Keywords:
EMUS-Technik, Laser-Ultraschall

Einleitung

In den letzten Jahren sind koppelmittelfrei arbeitende Ultraschall-Verfahren in verschiedenen Rohrwerken bei völlig unterschiedlichen Produkten erprobt und eingesetzt worden. Im Gegensatz zu den klassischen Ultraschall-Verfahren wird der Schall direkt im Prüfling erzeugt und an seiner Oberfläche detektiert. Derartige Systeme lassen sich leicht in Produktionsabläufe integrieren, da sie kein Koppelmedium erfordern und sie können zum Beispiel bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden. Darüber hinaus lassen sie sich auch leicht mit anderen "trocken" arbeitenden Verfahren kombinieren. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, daß Ultraschall-Moden angeregt werden können, die sich konventionell nur schwer anregen lassen oder bei denen das Koppelmittel die Schallausbreitung beeinträchtigt, die jedoch für automatische Prüfanlagen ein beträchtliches Potential aufweisen. Im folgenden werden zwei Anregungstechniken besprochen: die EMUS-Technik und der Laser-Ultraschall. Während die EMUS-Technik in Rohrwerken bereits seit Jahren genutzt wird, ist der Laser-Ultraschall auf dem Weg zur betrieblichen Nutzung. Die letztere Technik wurde in jüngster Zeit in unterschiedlichen Werken erprobt und hat seine Leistungsfähigkeit auch unter rauhen Bedingungen unter Beweis gestellt.

Im ersten Teil werden Anwendungen der EMUS-Technik für ferromagnetische Produkte vorgestellt, und im zweiten Teil wird die Heißwanddickenmessung von nahtlosen Rohren mit laserangeregtem Ultraschall diskutiert.

Bei der EMUS-Technik werden folgende Anwendungen besprochen:

  1. Fehlerprüfung von Präzisrohren (geschweißt und nahtlos) mit Plattenwellen
  2. Oberflächenprüfung von Großrohren mit Rayleighwellen
  3. Wanddickenmessung von Präzisrohren und warmgewalzten Rohren mit Transversalwellen.

Die erwähnten EMUS-Prüftechniken verwenden ähnliche Wandlerkonstruktionen. Nahe der Prüflingsoberfläche befinden sich Systeme von Sende- und Empfangsspulen die durch Platten mit geringer elektrischer Leitfähigkeit vor Verschleiß geschützt sind. Hinter den Spulensystemen befindet sich ein Magnetsystem. Für die Applikationen mit Platten- und Oberflächenwellen sowie für die Wanddickenmessung von Präzisrohren sind Permanentmagnete im Einsatz. Für die Wanddickenmessung und Dopplungsprüfung von Pilgerrohren wird ein Elektromagnet verwendet. Bei der konventionellen Ultraschallprüfung entscheidet der Einfallwinkel über die Art der Prüftechnik und dieser Winkel muß in der Regel genau justiert werden. Bei den elektromagnetischen Ultraschallwandlern entscheidet das Magnetsystem, die Wandlerspulen und die Anregungsfrequenz über die eingesetzte Wellenart. Die Wandler sind für den jeweiligen Einsatz speziell zugeschnitten und optimiert. Da der Schall in der Oberfläche des Prüfobjektes angeregt wird, entfallen Justierungen wie bei der konventionellen Technik.

Ultraschallprüfung von Präzisrohren mit Plattenwellen

Die Ultraschall-Prüfung von Präzisrohren (kalt gezogen, sowohl geschweißt als auch nahtlos) erfolgt in den Werken von MHP (MHP Mannesmann Präzisrohr GmbH) in Wickede und Holzhausen mit Plattenwellen, die mehrfach um den Rohrumfang herumlaufen und somit mehrfach mit einer Fehlstelle wechselwirken (1). Nur zwei Wandler, die in eine einfache Mechanik eingebaut werden, sind erforderlich, und die Rohre passieren die Prüfanlage mit bis zu 3 m/s. Es ist weder eine Rotation der Rohre noch der Wandler ums Rohr erforderlich, da die Ultraschallwellen den gesamten Prüflingsumfang abdecken. Die installierten Systeme prüfen Rohre mit Durchmessern von 22 bis 70 mm und Wanddicken von 1 bis 4.5 mm.

Die Prüfung nutzt sowohl Reflexions- als auch Transmissionssignale. Bei dieser Applikation beinhalten die elektrodynamischen Wandler sowohl Sende- als auch Empfangsspulen. Das statische Magnetfeld wird von einem Permanentmagneten geliefert. Beide Spulensysteme sind vollständig symmetrisch auf einen gemeinsamen Spulenträger gewickelt, so daß ein konstanter Abstand von Sende- und Empfangsspulen gewährleistet ist, die relative Verschiebung in Umfangsrichtung beträgt ein Viertel der Wellenlänge (genutzte Wellenlänge 3 - 5 mm). Für die Ultraschallanregung werden die Sendespulen mit einem hochfrequenten Stromimpuls beaufschlagt und Ultraschall-Wellenpakete laufen in beide Umfangsrichtungen. Ein zweiter Wandler, der sich an der gleichen Rohrlängskoordinate befindet und der in Umfangsrichtung um 90° verschoben ist, empfängt die Transmissionssignale. Bedingt durch die 90°-Anordnung sind die mit geringer Verstärkung registrierten Peaks äquidistant. Aufgrund der speziellen Bauweise der Wandler interferieren die umlaufenden Wellen nach einem oder mehreren Umläufen am Ort der Empfangsspulen destruktiv, d. h. der Wandler, der die Wellen emittiert hat, "sieht" sie nicht. Wenn sich jedoch Fehlstellen auf dem Rohr befinden, so gilt die destruktive Interferenz nicht mehr und der Wandler empfängt eine Folge von Reflexionssignalen. Ein vollständiger Prüfzyklus sieht nun folgendermaßen aus:

  1. Wandler A) emittiert Wellenpakete; er selbst empfängt Reflexionssignale (hohe Verstärkung) und Wandler B empfängt gleichzeitig Transmissionssignale (geringe Verstärkung).
  2. Die Rollen der Wandler sind vertauscht.

Für jeden Prüfschuß werden zunächst zwei Absolutwerte ermittelt: ein Reflexionswert und ein Dämpfungswert. Der Absolutwert der Reflexionstechnik ist ein integraler Wert, den die Auswertung der Folge von Reflexionssignalen (mehrfache Reflexion) liefert und der Dämpfungswert bewertet die abklingende Peakfolge der Transmissionssignale. Somit kommen Defekte mit Längsorientierung bevorzugt im Reflexionskanal zur Anzeige, während Fehlstellen anderer Orientierung, die Schall zur Seite reflektieren oder eine Modenkonversion verursachen, bevorzugt im Dämpfungskanal nachgewiesen werden.

Im letzten Jahr wurde noch eine weitere leistungsfähige Auswertung in die Anlagen integriert: die Differenztechnik (DITUS = Differenztechnik für Ultraschall-Signale), die vollständig durch Software realisiert ist. Die Ursignale an der Längenposition x werden mit denen am Ort x+Dx verglichen und die Differenz wird bewertet. Dabei kann Dx als ein Vielfaches des Schußabstandes gewählt werden. Somit vervollständigen zwei Differenzkanäle für Reflexion und Transmission die Datenauswertung. Die vier Werte werden in Diagrammen als Funktion der Längskoordinate dargestellt und mit Schwellenwerten verglichen.

Die gesamte Prüfanlage umfaßt Vorortelektronik, Hauptelektronik und Prüfmechanik mit den Wandlern (siehe Bild 1). Die Vorortelektronik versorgt die EMUS-Wandler mit hochfrequenten Sendeimpulsen und beinhaltet rauscharme Vorverstärker. Das Timing und die gesamte Signalverarbeitung erfolgt in der Hauptelektronik, die das MESUS-System des MFI enthält (MESUS = Messwerterfassungssystem für Ultraschallsignale), das vollständig unter Rechnerkontrolle arbeitet. Bei allen im weiteren im Detail vorgestellten Anlagen kommt dieses modulare Meßwerterfassungssystem, das für die einzelnen Kanäle parallel arbeitet, zum Einsatz. Alle Ergebnisse werden on-line auf dem Monitor dargestellt und können gespeichert oder gedruckt werden. Die Mechanik des Systems ist äußerst einfach, die Vorposition der Wandler wird entsprechend dem nominalen Rohrdurchmesser eingestellt, (hier von Hand, Einstellung nach Skala) und die Wandler werden bei der Prüfung pneumatisch angestellt. Es wurde sowohl eine Einzelrohrprüfung als auch eine Stoß-an-Stoß-Fahrweise realisiert. Um einen konstanten Abstand zur Rohroberfläche zu gewährleisten sind in die Wandler Rollen integriert. Da bei einem Abmessungswechsel kein Justieren der Wandler erforderlich ist, erfolgt dieser sehr schnell. Alle Einstellparameter der Elektronik sind abgespeichert. Die Anlagen dienen zur Ultraschallprüfung nach SEP 1915, wobei dieses Stahl-Eisen-Prüfblatt (2) die Prüfmöglichkeit mit Plattenwellen explizit beinhaltet. Die vorgestellte Technik wurde auch für andere Abmessungen erfolgreich getestet und funktioniert bei Einsatz von Oberflächenwellen statt Plattenwellen prinzipiell auch als Oberflächenprüfung an Vollmaterial.

Bild 1: Mechanik zur Ultraschallprüfung von Präzisrohren
  • kein Koppelmittel
  • keine Rotation
  • Abmessungswechsel innerhalb weniger Minuten
  • kein Justieren der Wandler erforderlich
  • bis 3 m/s
  • einfache Wartung
  • Oberflächeninspektion von Großrohren mit Ultraschall-Oberflächenwellen

    Die Oberflächenprüfung von UP-geschweißten Leitungsrohren ("Großrohren") erfolgte bisher bei EUROPIPE durch Magnetpulverprüfung mit visueller Kontrolle. Die Nachteile liegen neben dem hohen Personaleinsatz in der Subjektivität der Ergebnisse, ihrer schlechten Dokumentierbarkeit und der Tatsache, daß keine Informationen über die Fehlertiefe aufgefundener Ungänzen vorliegen. Letzteres kann zu einem hohen und unnötigen Reparaturaufwand (Schleifen der Oberflächen) führen. Es wird eine automatische Prüfeinrichtung, die eine vollständige Inspektion der Außenoberfläche erlaubt und Dokumentationsmöglichkeiten der Prüfergebnisse bietet, vorgestellt. Systeme wurden in Mülheim und Dünkirchen installiert.

    Die Prüfung der Rohroberfläche erfolgt mit elektrodynamisch angeregten Ultraschall-Oberflächenwellen, die in Umfangsrichtung auf der Rohroberfläche laufen. Die Eindringtiefe der Ultraschalloberflächenwellen liegt in gleicher Größenordnung wie die Wellenlänge (typisch 4 mm). Die Prüfung erfolgt während des Längstransports des Prüflings, wobei die Lineargeschwindigkeit bis 20 m/min beträgt; während der Prüfung ist eine Rotation nicht erforderlich.

    Bild 2: Reflexionssignal aufgrund einer Testnut
    (Tiefe: 0,3 mm, Länge: 30 mm, Breite: 0,3 mm)
    Abstand Wandler-Testnut: 500 mm

    Die eingesetzten Oberflächenwellenwandler sind ähnlich aufgebaut wie die Wandler, die zur Präzisrohrprüfung eingesetzt werden, sie beinhalten auch Sender und Empfänger. Die Hochfrequenzdarstellung eines Ultraschall-Reflexionssignals aufgrund einer Testnut (0,3 mm Tiefe, 0,3 mm Breite und 30 mm Länge), die sich in einem Abstand von 500 mm von dem Wandler befindet (siehe Bild 2), zeigt eine Totzone des Wandlers aufgrund des Sendeimpulses von etwa 30 m s und einen Abstand des Signals vom (kohärenten) Untergrund von etwa 25 dB. Bei bekannter Schallgeschwindigkeit läßt sich aus dem zeitlichen Abstand des Reflexionssignals zum Triggerzeitpunkt der Abstand des Wandlers vom Reflektor ermitteln. Dabei ist zu beachten, daß die eingesetzten Wandler bidirektional arbeiten. Aufgrund eines Reflexionssignals kann also nicht entschieden werden, auf welcher Seite des Wandlers sich die Ungänze befindet. Bei der typischen Oberflächenqualität von UP-geschweißten Leitungsrohren legt der Schall weite Wege (ca. 10 m) zurück, bevor die meßbare Signalamplitude den Rauschlevel erreicht.

    Der Durchmesserbereich der zu prüfenden Rohre beträgt 20" bis 64". Um die erforderliche Prüfempfindlichkeit sicherzustellen, wird in erster Linie die Reflexionstechnik eingesetzt, darüber hinaus werden auch Durchschallungssignale gemessen und bewertet.

    Um den gesamten Prüflingsumfang lückenlos überwachen zu können, sind 6 Wandler (Sender/Empfänger) in einer Ebene erforderlich (Bild 3). Drei Sende-Wandler [{1,3,5} oder {2,4,6}] werden jeweils gleichzeitig getriggert. Für einen kompletten Zyklus werden 6 Reflexionssignale empfangen, die jeweils die gleiche prinzipielle Struktur aufweisen. Da jeder Ort auf dem Rohrumfang mehrfach geprüft wird, ist es möglich, die Position einer Fehlstelle zu identifizieren (die Wandler arbeiten bidirektional). Neben den Reflexionssignalen werden 6 Transmissionssignale mit jeweils gleichartiger Struktur empfangen (Verstärkung typisch 25 dB geringer als für Reflexionssignale).

    Bild 3: Wandleranordnung (schematisch)

    Bild 4: Teil der Mechanik mit zwei Wandlern

    Die Prüfmechanik setzt die 6 kombinierten Wandler entsprechend der Prinzipdarstellung auf die Rohroberfläche auf. Jeweils 2 Wandler sind auf einem gemeinsamen Wandlerträger montiert (Bild 4). Die Anlageneinstellung nach Abmessungswechsel erfolgt weitgehend automatisch. Sämtliche schematischen Arbeiten werden vom Anlagenrechner durchgeführt. Justierarbeiten an den Wandlern entfallen vollständig, die Mechanik wird nach Eingabe des Nenndurchmessers vollautomatisch eingestellt, so daß der Prüfer bei Abmessungswechsel die Prüfkabine nicht zu verlassen braucht.

    Der Ablauf der Oberflächenprüfung sieht folgendermaßen aus: Die Rohre erreichen die Prüfeinrichtung im Längstransport wobei die Naht vorpositioniert ist (etwa 6 Uhr-Lage) und werden so angehalten, daß sich die elektrodynamischen Wandler über dem Rohranfang befinden. Die Wandler werden pneumatisch auf die Prüflingsoberfläche abgesenkt, nach Kontrolle der korrekten Ankopplung fährt das Rohr im Längstransport durch die Anlage und am Rohrende werden die Wandler vom fahrenden Rohr abgezogen. Während der Prüfung werden Reflexionsanzeigen und Transmissionsanzeigen sowie die Längskoordinate für jeden Prüfschuß registriert. Bereits während der Prüfung werden die Informationen der 6 Kanäle zusammengefügt und die Orte der Anzeigen in eine Karte eingetragen, die der Abwicklung des Rohres entspricht.

    Die Auswertung der Reflexionsanzeigen vollzieht sich in mehreren Abschnitten. Zunächst wird die Schweißnaht detektiert, die relativ kleine Anzeigen verursacht, die häufig nicht die Registrierschwelle für Reflexionsanzeigen überschreiten. Damit läßt sich die Umfangskoordinate jeder Anzeige auf die Schweißnaht beziehen.

    Da der Schweißnahtbereich aufgrund der Schweißraupe häufig kleine Anzeigen hervorruft, wird dieser Bereich einer gesonderten Bewertung unterzogen. Alle detektierten Anzeigen werden einer Fehlerbewertung hinsichtlich diverser Kriterien (z.B. Mindestlänge, Mindestamplitude) unterzogen.

    Die Fehlerliste mit den Koordinaten und den die jeweiligen Fehler kennzeichnenden Parametern wird an das werksinterne Datennetz übertragen, darüber hinaus werden für den Prüfer die Fehler in der Oberflächenkarte eingetragen und es können Liste und Karte ausgedruckt werden. Die Bearbeitung der Fehlstellen erfolgt im Bereich der Hauptrevision, wo mehrere Arbeitsplätze mit automatischen Anzeigesystemen ausgestattet sind. Diese Systeme erhalten vom Werksnetz die Fehlerliste des Rohres, drehen es in eine geeignete Arbeitsposition und zeigen mit einem Laserzeiger den Fehlerort auf der Rohroberfläche an, so daß die Fehlstellen von Hand ausgeschliffen werden können. Die Wanddicke wird kontrolliert, die Reparatur bestätigt und das System zeigt gegebenenfalls den nächsten Fehler an.

    Bild 5: Prüfergebnis
    (Bildschirmdarstellung)
    Rohrdurchmesser: 56"
    Reihe von Anzeigen aufgrund von Testnuten
    Länge/Tiefe (mm/mm).
    0,4 / 75, 0,3 / 75,
    0,2 / 75, 0,4 / 50,
    0,3 / 50, 0,2 / 50,
    0,4 / 25, 0,3 / 25,
    0,2 / 25

    Die Empfindlichkeitseinstellung der Anlage erfolgt üblicherweise mit Längsnuten entsprechend SEP 1913 (3). Die Abbildung 5 zeigt beispielhaft ein Prüfergebnis wie es der Prüfer auf seinem Bildschirm sehen kann mit dem Nachweis von Testnuten in einem Testrohr. Das obere Diagramm zeigt die "Karte" als Abwicklung der Rohroberfläche mit den Einträgen von aufgefundenen Fehlstellen. Das mittlere Diagramm stellt das Ergebnis der Dämpfungstechnik für die 6 Wandlerzwischenräume dar (hier keine Anzeige) und das letzte Diagramm ist dem Schweißnahtbereich zugeordnet, wobei die gepunktete Linie die Schwelle für diese Anzeigen darstellt.

    Wanddickenmessung von Präzisrohren

    Die Wanddickenmessung mit Hilfe von EMUS-Wandlern erfolgt in der Regel mit Transversalwellen, die entweder linear oder radial polarisiert sind. Die HF-Signale der heute verfügbaren Permanentmagnetwandler unterscheiden sich nicht wesentlich von denen konventioneller US-Prüfköpfe. Bild 6 zeigt die Rückwandechofolge bei einem Rohr der Abmessung 110 x 1,5 mm. Trotz der geringen Wanddicke kann bereits das erste Rückwandecho aufgelöst werden. Die Laufzeitmessung für derartige Signale läßt sich mit vielen auf dem Markt verfügbaren Wanddickenmessgeräten durchführen.

    Zur Wanddickenmessung für nahtlose Präzisrohre (Durchmesser: 30 - 120 mm. Wanddicke 2-20 mm) wurde bei MHP eine zweikanalige Messanlage installiert (siehe Bild 7). Die Wanddickenmessung der Präzisrohre erfolgt auf zwei Spuren, während die Rohre mit bis zu 2,5 m/s die Prüfeinrichtung im Längstransport passieren. Die Signale der EMUS-Prüfköpfe werden in diesem Beispiel mit einer handelsüblichen Wanddickenmeßeinrichtung ausgewertet.

    Bild 6: Rückwandechofolge (Rohr: 110 mm x 1,5 mm) Bild 7: Prüfmechanik

    Wanddickenmessung und Dopplungsprüfung von Pilgerrohren

    Die Kombination einer EMUS-Anlage mit einer anderen koppelmittelfrei arbeitenden Prüftechnik wurde in einem sogenannten Multiprüfblock in der Pilgerstraße der Vallourec & Mannesmann Deutschland GmbH in Düsseldorf Rath installiert (4). Diese Fertigungsstraße produziert nahtlose Stahlrohre mit Außendurchmessern von 244,5 mm bis 710 mm. Die Wanddicken liegen im allgemeinen zwischen 8 mm und 100 mm (in Einzelfällen bis 150 mm).

    Ziel bei der Realisierung des Multiprüfblocks war die Verbesserung der Fertigungssicherheit im Hinblick auf die Oberflächenbeschaffenheit und die Rohrgeometrie. Die Anlage wurde im direkten Produktionsfluß an das Pilgerwalzwerk angebunden, um eine schnelle Rückkopplung zum Walzaggregat zu erreichen. Eine besondere Herausforderung bestand darin, eine Anlage zu bauen, die den rauhen Walzwerksbedingungen an diesem Ort als auch den gepilgerten Rohroberflächen standhält.

    Der Multiprüfblock verfügt über ein EMUS-System zur Ermittlung von Wanddicke, Exzentrizität und zur Dopplungsprüfung. Die Prüfung auf im wesentlichen längsorientierte Oberflächenfehler wird mit einem Hochenergiewechselfeld-Streuflußprüfsystem (Statoflux der Fa. Förster) durchgeführt.

    Das elektromagnetische Ultraschall-Meßsystem hat die Aufgabe, eine lückenlose Prüfung auf Dopplungen bei gleichzeitiger Messung der Wanddicke durchzuführen. Zur Anregung bzw. Detektion des Ultraschalls wird ein vierkanaliger elektromagnetischer Prüfkopf mit einem Elektromagneten eingesetzt. Der Prüfkopf wird über Gleitsteine aus Keramik auf der Rohroberfläche geführt. Der Abstand von bis zu 3 mm des Sondensystems zur Rohroberfläche wird so, von Oberflächenunebenheiten abgesehen, konstant gehalten.

    Der Schwerpunkt bei der Weiterentwicklung der EMUS-Technik für die Prüfung gepilgerter Rohre lag in der Aufgabe, den Verschleiß des Systems in Grenzen zu halten und dabei Wanddicken bis zu 100 mm messen zu können. Aufgrund der Geometrie der Rohre mußte mit stärkeren Vibrationen des Prüfkopfes und der Vorortelektronik während der Prüfung gerechnet werden. Deshalb wurden elektronische Bauteile z.T. verklebt und vergossen.

    Da der Wanddickenmeßbereich deutlich über den Anforderungen bisheriger Anwendungen liegt, wurden eigens Spulensysteme entwickelt, die hinsichtlich Anregungsenergie und Frequenz der Aufgabenstellung Rechnung tragen. Die Einzelspulen mit einer Meßfrequenz von ca. 2 MHz füllen eine Fläche von 20 x 30 mm und bestehen aus getrennten Sende- und Empfangsspulen. Um einen Rohrvorschub von 120 mm pro Umdrehung bei einer fast lückenlosen Prüfung zu gewährleisten, stecken vier Sonden dicht benachbart nebeneinander. Die Stecktechnik der Sonden ist bedienerfreundlich und erlaubt einen schnellen Austausch. Die Spulen werden geschützt durch eine alle Sonden überdeckende Schutzkappe.

    Für die notwendig hohe Magnetisierung der Oberfläche des Prüflings, es werden Luftspaltinduktionen von ca. 2 Tesla bei 2 mm Luftspalt über 120 mm Länge erreicht, sorgt ein leistungsfähiger Elektromagnet, der durch eine effiziente Luftkühlung der Spule des Elektromagneten und die geeignete Wahl des Jochwerkstoffes kompakt gebaut werden konnte (Bild 8).

    Bild 8: EMUS-Prüfkopf für Wanddickenmessung und Dopplungsprüfung (4 Kanäle). Bild 9: Multiprüfblock.

    Die Sensorsysteme für die Oberflächenprüfung und Wanddicken- und Dopplungsprüfung sind an einer Traverse, die parallel zur Rohrachse verläuft, fahrbar fixiert (siehe Bild 9) und werden zum Prüfbeginn nacheinander auf das rotierende Rohr abgesenkt. Die Sensorsysteme, die auf Gleitsteinen gestützt auf der Rohroberfläche aufliegen, bewegen sich dabei in Richtung der Rohrachse und prüfen so das gesamte Rohr auf einer wendelförmigen, 120 mm breiten Spur bis zum Rohrende, wo sie nacheinander, jetzt in umgekehrter Reihenfolge, wieder abgehoben werden. Zur Reduzierung der ungeprüften Rohrenden wird das Rohr an beiden Rohrenden mit dem jeweiligen Sensorsystem mindestens eine Rohrumdrehung lang ohne Vorschub in Rohrachsrichtung geprüft. Die maximale Prüfgeschwindigkeit in Rohrumfangsrichtung beträgt 1,5 m/s.

    Die Ergebnisse der Prüfung können in verschiedenen, vom Prüfpersonal über Menü anwählbaren on-line-Grafiken dargestellt werden. So können neben der Darstellung von Max.-, Min.-, Mittelwerten der Wanddicke oder dem Verlauf der Exzentrizität auch eine farbig kodierte Darstellung des Wanddickenverlaufs einer kompletten Rohrabwicklung (D-Scan) angewählt werden. Ergebnisse der Dopplungsprüfung und der Oberflächenprüfung (C-Scan-Darstellung möglich) lassen sich mit den Wanddickendarstellungen kombinieren.

    Laser-Ultraschallsystem

    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 bzw. -regelung zu geben.

    Die Bedingungen während des Walzens - insbesondere die extremen Temperaturen von 800 bis 1280°C - erfordern ein vollständig berührungslos arbeitendes Ultraschallsystem. Es wird über ein inzwischen in mehreren Walzwerken erprobtes Meßsystem berichtet, bei dem ein Impulslaser einen Ultraschallimpuls erzeugt, der nach Durchlaufen der Rohrwand mit Hilfe eines zweiten Lasers und eines Interferometers optisch detektiert wird (5).

    Das bestehende System ist das Ergebnis einer gemeinsamen Entwicklung dreier Partner, eines Rohrherstellers (V&M), eines Lieferanten von Nahtlosrohranlagen (SMS Meer) und des Mannesmann Forschungsinstituts, das auch Meßsysteme baut. In einer vorgeschalteten Testphase wurden Versuche zusammen mit dem IzfP Saarbrücken durchgeführt.

    Bei dem Heißwanddickenmeßsystem wird - wie in der US-Technik üblich - das 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), die wiederum aufgrund der Impulserhaltung einen Ultraschallimpuls senkrecht zur Rohroberfläche in die Rohrwand einlaufen läßt. Dieser Ultraschallimpuls (Longitudinalwelle) 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.

    Bild 10 zeigt den schematischen Aufbau des Meßsystems in der Einkanalversion sowie die wesentlichen Daten der Systemkomponenten. Der im oberen Bildbereich dargestellte Meßkopf, der auf einen einzuhaltenden 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 mehrfach erwähnten MESUS-Elektronik für konventionelle Ultraschalltechnik auf. In der sogenannten Vorort-Elektronik, in räumlicher Nähe zum Meßkopf aufgestellt, befindet sich im wesentlichen eine Versorgungseinheit für den Impulslaser.

    Bild 10: Laser-Ultraschall, schematischer Aufbau des Meßsystems

    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.

    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 bei V&M in der Kontistraße in Mülheim hinter dem Streckreduzierwalzwerk installiert. Beim Längsdurchlauf eines Rohres wurde jeweils ein Wanddickenprofil über die Rohrlänge aufgenommen. Insgesamt wurden ca. 3350 Rohre im Heißzustand vermessen. 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. Darüber hinaus müßten, wie oben schon angesprochen, Anregungslaser mit höheren Pulsenergien eingesetzt werden - was aber bei dem modularen Systemkonzept keine großen Schwierigkeiten bedeutet.

    Um die im Heißzustand gemessenen Wanddickenwerte zu überprüfen, wurden an einzelnen Rohren nach der Abkühlung Vergleichsmessungen in Form einer konventionellen Piezo-Handmessung durchgeführt. 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.

    Gerade die Meßprofile 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.

    Bild 11: Laser-Ultraschall, Meßkopf zwischen zwei Walzgerüsten Bild 12: Abtastung eines rotierenden Rohres

    Nach den Versuchen in Mülheim wurde das Lasermeßsystem in zwei weiteren Rohrwerken erprobt. Bei V&M France wurde das System in einer Stopfenstraße zwischen zwei Gerüsten des Maßwalzwerkes eingesetzt (Bild 11). Hier werden die Rohre ähnlich wie in Mülheim im Längstransport bewegt. In einem spanischen Rohrwerk von Tubos Reunidos in Amurrio wurden Versuche vor dem Lösewalzwerk einer Rohrstraße mit einer Stoßbank durchgeführt. Zwei Randbedingungen wichen grundsätzlich von denen der vorangehenden Versuchen ab: das Rohr rotierte und es befand sich eine Dornstange während den Messungen im Rohr. Bedingt durch die Rotation konnten etwa 11 Meßpunkte auf dem Umfang ermittelt werden (siehe Bild 12).

    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.

    Die Vorteile eines solchen Laser-Meßsystems gegenüber den häufig eingesetzten g -Meßsystemen sind folgende:

    1. keine Doppelwanddurchstrahlung,
    2. punktuelle Bestimmung der Wanddicke, d.h. es erfolgt keine Integration über eine längere Meßlänge,
    3. die Messung ist an einem Rohr mit Innenwerkzeug möglich (wie der letzte Versuch gezeigt hat).

    Daß derartige Systeme insbesondere für die Walzwerkssteuerung von Interesse sind zeigt sich daran, daß SMS zwei Systeme für ein Rohrwerk in Tianjin in China geordert hat, wo in einer Kontistraße Wanddickenmessungen bis 25 mm vor und hinter einem Streckreduzierwalzwerk zum Zwecke der Steuerung durchgeführt werden sollen.

    Mit der parallel verlaufenden Weiterentwicklung von Systemkomponenten, insbesondere der Laserkomponenten, wird sich das Anwendungspotential noch vergrößern. Diese Entwicklungen zielen in Richtung Wiederholrate, Pulsenergie sowie Erweiterung des Meßbereichs zu größeren Wanddicken.

    Literatur

    1. F. Schlawne, H. Schneider, F-W. Schoch, "Ultraschallprüfung von Präzisrohren mit elektrodynamischen Wandlern", DGZfP-Jahrestagung 1994, Zerstörungsfreie Materialprüfung, S. 347-354
    2. SEP 1915, "Ultraschallprüfung von Stahlrohren auf Längsfehler", STAHL-EISEN- Prüfblatt, Verlag Stahleisen, September 1994
    3. SEP 1913, "Ultraschall-Oberflächenprüfung von nahtlosen und längsnahtgeschweißten Stahlrohren mit Oberflächenwellen", STAHL-EISEN-Prüfblatt, Verlag Stahleisen, September 1997
    4. A. Graff, N .Arzt, S. Nitsche, D. Sy, "Multi Test Block for Inspection of Seamless Tubes", ITA Conference, Bilbao, Spanien, 23.- 26. Oct. 2001
    5. G.J. Deppe, "Wall Thickness Measurement by Laser UT on Hot Tubes in a Rolling Mill", ITA Conference, Bilbao, Spanien, 23.- 26. Oct. 2001

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