DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Ultraschallprüfung von Mischnähten auf Ablösung der Pufferung (Disbonding)

G. Csapo, T. Just, TÜV Nord e. V., Hamburg
Kontakt: G. Csapo

Zusammenfassung

An einer Mischnaht des Primärkreises einer deutschen kerntechnischen Anlage waren Risse in der Grenzfläche zwischen austenitischer Pufferung und ferritischem Grundwerkstoff von nicht unerheblicher Größe festgestellt worden. Die Risse wurden mit Ultraschalltechniken detektiert, die üblicherweise im Rahmen von wiederkehrenden Prüfungen eingesetzt werden. Die Fehleranalyse erfolgte mit dem Synthetische Apertur Fokussierungs (SAFT)-Verfahren.

Anhand von Schadensuntersuchungen an einer herausgetrennten Probe ("Schiffchen") wurde ermittelt, dass als Ursache der Rissbildungen ein so genanntes Disbonding (Ablösung) anzunehmen ist. Darunter versteht man eine makroskopische Trennung unmittelbar an der Schmelzfläche zwischen austenitischem Schweißgut der Pufferung und dem ferritischen Grundwerkstoff, die auf Spannungen während der Schweißung der austenitischen Schweißnaht zurückzuführen ist [1]. Die metallografischen Untersuchungen haben weiterhin gezeigt, dass die Risse nicht während des Betriebs entstanden sind und dass das Ergebnis der SAFT-Analyse mit der realen Fehlergröße der Risse sehr gut übereinstimmt.

Die Überprüfung der Dokumentation der vorangegangenen WKP des Jahres 1992 ergab, dass die Anzeigen nahezu unverändert vorlagen; diese wurden aber seinerzeit als Formanzeigen fehlinterpretiert.

Das Vorkommnis wurde eingehend von der Reaktorsicherheitskommission (RSK) beraten [2].

Vom TÜV Nord e. V. wurde ein Konzept zur Nachbewertung von Prüfergebnissen an Mischweißnähten im Hinblick auf die Integrität der Bindung der Pufferung am ferritischen Grundwerkstoff erarbeitet und Maßnahmen zur Vermeidung von Fehlinterpretationen von Prüfergebnissen festgelegt. In der Folge wurden Ultraschallprüfungen an zahlreichen Mischnähten im Bereich der Druckführenden Umschließung auf Disbonding vorgenommen. Wir waren aktiv bei der Qualifizierung von Ultraschallprüftechniken beteiligt und haben die Bewertung der Prüfergebnisse in mehreren kerntechnischen Anlagen vorgenommen. Die Qualifizierungsmessungen erfolgten weitgehend an Vergleichskörpern, die den zu prüfenden Komponenten entsprachen, wobei der Einsatz einiger Prüftechniken in Anlehnung an der VGB-ENIQ-Richtlinie (VGB-R 516) [3] durch "Technische Begründungen" ermöglicht wurde. Aufgrund der bei der Entwicklung, Erprobung und Einsatz der Ultraschall-Prüftechniken gemachten Erfahrungen wurden von uns Vorgehensweisen für die Mischnahtprüfung nach dem Schweißvorgang zur Ergänzung des KTA-Regelwerkes vorgeschlagen.

Einleitung

Bild 1: Projektionsbilder Mischnahtprüfung WKP 2000 (Westinghouse)

In der Revision des Jahres 2000 wurden in einem Kernkraftwerk u. a. an den Hauptkühlmittelleitungen (HKL) zerstörungsfreie Sonderprüfungen durchgeführt. Dabei wurden an der Mischnaht eines Stutzens des Not- und Nachkühlsystems (TH - heiße Einspeisung) bei der Eindringprüfung umlaufend Anzeigen festgestellt. Die mechanisierte Ultraschallprüfung, die üblicherweise bei der Wiederkehrenden Prüfung (WKP) der Mischnaht eingesetzt wird, ergab drei Befunde (Bild 1) mit den Längenerstreckungen 190 mm, 110 mm und 48 mm (ca. 40% des gesamt Umfanges der Schweißnaht). Die nachgeschaltete Ultraschall-Fehleranalyse erfolgte mit der Synthetischen Apertur Fokussierungs (SAFT)-Technik und bestätigte die Ergebnisse der Ultraschallprüfung. Mit der SAFT-Analyse der drei Anzeigenbereiche wurden Fehlertiefen von maximal 7,5 mm (Anzeigenlänge 190 mm), 14 mm (Anzeigenlänge 115 mm) und 16 mm (Anzeigenlänge50 mm) festgestellt (Bild 2). Die Anzeigen (Bild 3) befanden sich im übergangsbereich Pufferung-ferritischer Grundwerkstoff (GW).

Stutzen DN 250, WD 40 mm
  1. PT-Anzeigen (Heißrisse) in der Überschweißung
  2. UT-Anzeigen (Disbonding) im Übergang Pufferung/Ferrit
Bild 2: Befunde in der Mischnaht.

Die metallografischen Untersuchungen haben ergeben, dass im Mischnahtbereich zwei voneinander unabhängige Anzeigentypen vorliegen. Die Risse, die mit dem Eindringverfahren aufgefunden worden waren, waren Heißrisse bzw. Schrumpfrisse geringer Tiefe (0,75 mm). Diese sind durch das

Lage der Fehlstellen:
1. 50 - 240 mm, Tiefe 0 - 7,5 mm; 2. 450 - 565 mm,
Tiefe 0 - 14 mm; 3. 700 - 750 mm, Tiefe 0 - 16 mm
Bild 3: Ergebnisse der SAFT-Analyse (IZfP).

Überschweißen des ferritischen GW mit einer austenitischen Decklage während der Herstellung entstanden. Die Risse, die mittels Ultraschall detektiert worden waren sind auf die Ablösung der Pufferung (Disbonding) vom ferritischen GW zurückzuführen [2]. Unter Disbonding (Ablösung) versteht man eine makroskopische Trennung unmittelbar an der Schmelzfläche zwischen austenitischem Schweißgut und dem ferritischen Grundwerkstoff, die auf Spannungen während der Schweißung der austenitischen Schweißnaht zurückzuführen ist [1].

Die metallografischen Untersuchungen haben weiterhin gezeigt, dass die Risse nicht während des Betriebs sondern schon bei der Fertigung entstanden sind.

Insbesondere, haben die metallografischen Untersuchungen ergeben, dass die realen Fehlergrößen der Risse mit den aus den Projektionsbildern der SAFT-Analyse ermittelten Fehlergrößen (Länge, Tiefe) sehr gut übereinstimmen.

Die Überprüfung der Ultraschallprüfergebnisse der vorangegangenen WKP des Jahres 1992 ergab, dass die Anzeigen nahezu unverändert vorlagen, wurden seinerzeit aber von der Betreiberin, der Prüffirma und vom Sachverständigen als Formanzeigen fehlinterpretiert.

Die restlichen Mischnähte des TH-Systems im Kraftwerk wurden in der Revision 2000 auf Ablösung der Pufferung ultraschallgeprüft. Weitere Anzeigen wurden im Bereich der Bindefläche nicht mehr festgestellt.

Die rissbehaftete Mischnaht des Not- und Nachkühlsystems wurde repariert. Die umfangreichen ZfP während und nach der Reparatur haben ergeben, dass die Anforderungen des kerntechnischen Regelwerks erfüllt sind.

Bedeutung des Ereignisses und Konsequenzen für die Prüfung von Mischnähten

Die sicherheitstechnische Bedeutung dieses Vorkommnisses liegt darin, dass die Risse in der nichtabsperrbaren Verbindung des Not- und Nachkühlsystems zur HKL bei der Basisprüfung durch eine Prüflücke ( dabei erfolgte keine Prüfung der Bindefläche Pufferung / ferritischer Grundwerkstoff nach

dem Schweißen) und bei der WKP durch eine falsche Deutung der Messergebnisse nicht entdeckt wurden.

Als Konsequenz aus dem Vorkommnis wurden folgende Maßnahmen ergriffen:

  • Überprüfung, ob alle MN im Bereich der Druckführenden Umschließung (DFU) im Rahmen von WKP oder Sonderprüfungen einbezogen waren;
  • Nachbewertung der Dokumentation der ZfP auf Auffälligkeiten und ob der Prüfbereich
    Anbindung der Pufferung an den GW überhaupt erfasst wurde;
  • im Falle von nicht zweifelsfrei klärbaren Auffälligkeiten sollten die so ausgewiesenen Stellen einer erneuten ZfP unterzogen werden.

Zur Nachbewertung der Mischnähte der DFU haben wir ein Konzept (Bild 4) erarbeitet.

Bild 4: Konzept zur Nachbewertung von Mischschweißnähten im Hinblick auf die Integrität der Bindung der Pufferung am ferritischen Grundwerkstoff.

Da eine gezielte Ultraschallprüfung der Grenzfläche Pufferung / ferritischer Grundwerkstoff nach der Fertigstellung der Schweißnaht sowohl an den Mischnähten des Primärkreises (DFU) als auch an den Mischnähten der äußeren Systeme in den Herstellungsspezifikationen nicht gefordert und somit in der Regel nicht erfolgt ist, wurden die Mischnähte beider Kreisläufe in das TÜV-Konzept aufgenommen. Der unterschiedlichen sicherheitstechnischen Bedeutung der Schweißverbindungen wird durch die Festlegung von Prioritäten bei der Durchführung der Prüfungen Rechnung getragen. Auf Basis der schon festgelegten WKP-Prüfumfänge werden, korreliert mit der Nachbewertung und mit dem Prüfergebnis an den neu geprüften Mischnähten auf Ablösung der Pufferung die WKP-Prüfumfänge neu geregelt.

Darüber hinaus wurden Maßnahmen zur Vermeidung von Fehlinterpretationen von Prüfergebnisse festgelegt, die sich durch

  • Transparenz der Entscheidungsfindung bei der Bewertung von Prüfergebnissen,
  • nachvollziehbare Dokumentation des Entscheidungsweges und ggf. die Einführung zusätzlicher Plausibilitätskontrollen,
  • Festlegung zur Handhabung von Form- und Störanzeigen,
  • Einsatz vom Prüfpersonal, das die erforderliche fachliche Kompetenz und der notwendige Erfahrung bezüglich Prüfobjekt und Prüfaufgabe, Prüfverfahren, Prüf- und Gerätetechnik verfügt,

charakterisieren lassen.

Zur Klarstellung sei darauf hingewiesen, dass gemäß Regelwerk (KTA 3201.4 (6/99)-Abschnitt 10) die Betreiberin für die Durchführung der WKP verantwortlich ist und dass diese die Prüfergebnisse selbst und in vollem Umfang hinsichtlich ihrer sicherheitstechnischen Relevanz zu beurteilen hat. Sie hat daher selber Fachleute mit der entsprechenden Fachkompetenz bei der Abwicklung der Prüfung vorzuhalten. Die Möglichkeit der Delegierung dieser Aufgaben an von ihr beauftragte Prüffirmen soll nicht grundsätzlich ausgeschlossen sein. Es ist aber zu vermeiden, dass die Betreiberin ihre Aufgaben an Prüfaufsichten von Prüffirmen delegiert, die selbst komplexe und aufwendige Prüfungen (z. B. mechanisierte Ultraschallprüfungen) ausführen und so unter den Sachzwängen einer Revision (enges Terminfenster, Einhaltung des kalkulierten Kostenrahmes etc.) in ihren Entscheidungen beeinflusst werden können.

Qualifizierung von Prüftechniken zur Prüfung von Mischnähten auf Ablösung der Pufferung (Disbonding)

Als Folge der umfangreichen Nachbewertungen haben sich auch Auffälligkeiten gezeigt, die die Durchführung von mechanisierten Ultraschallprüfungen notwendig gemacht haben.

Als Beispiel soll hier genannt werden, dass bei einer Gesamtmenge von ca. 26 Mischschweißnähten an Rohrleitungen innerhalb der DFU einer DWR-Anlage die Nachbewertung ergab, dass 18 Mischnähte mit Ultraschall auf Ablösung der Pufferung zu prüfen waren.

Da sich die o. g. Prüfbereiche nicht im üblichen Prüfumfang bei WKP befanden, müssten die einzusetzenden Prüftechniken für die Prüfung der Bindefläche Pufferung / ferritischer GW qualifiziert werden. Wenn man ein Blick auf die unterschiedlichen Ausführungsformen der Mischnähte wirft (Bild 5), wird klar, dass die Anzahl der erforderlichen Vergleichskörper bedeutend sein kann.

A - Austenit F - Ferrit I - Inconel
Bild 5: Beispiele von Mischnahttypen

Die Notwendigkeit der Verwendung von geeigneten Vergleichskörpern ergibt sich dadurch, dass die zu prüfenden Werkstoffe akustisch anisotrop sind und die Konturen geometrisch kompliziert sind, so dass Wechselwirkungen der Schallfelder mit der plattierten Oberfläche (ggf. Wellenabspaltung) und mit der Pufferung bei der Einstellung der Prüfempfindlichkeit und bei der Bewertung der Prüfergebnisse berücksichtigt werden müssen und ein aus Vergleichsmessungen erstellter "Fehlerkatalog" ganz besonders erforderlich ist.

Die unregelmäßige Struktur der Grenzfläche Plattierung / ferritischer Grundwerkstoff und Pufferung / ferritischer Grundwerkstoff ist anschaulich im Bild 6 dargestellt. Die Einflüsse dieser Strukturen auf das reflektierte Schallfeld (Pufferung, Plattierung) können ohne Vergleichsmessungen nicht bestimmt

Bild 6: Interfacestruktur Pufferung / Plattierung (BAM)

werden. Bild 7 zeigt einen Vergleichskörper mit Vergleichsreflektoren (Flachbodenbohrungen) in der Grenzfläche Pufferung / ferritischer Grundwerkstoff, der für die Qualifizierung der Prüftechnik zur Prüfung der Mischnähte der Stutzen des Not- und Nachkühlsystems verwendet wurde. Dieser Vergleichskörper erfüllt hinsichtlich Werkstoffe und Geometrie alle Anforderungen des Regelwerkes.

Bild 7: Vergleichskörper für die Mischnahtprüfung (Westinghouse) .

Vereinfachte Testkörper (z. B. ohne Pufferung und Plattierung) dürfen zur Qualifizierung der Prüftechniken verwendet werden, wenn durch eine "Technische Begründung", wie in der VGB-ENIQ-Richtlinie (VGB-R 516) [3] vorgesehen, die Leistungsfähigkeit der Prüfung, die Erfahrungen mit ähnlichen Prüfaufgaben und letztendlich die Kompetenz der Prüffirma aufgezeigt wird. Diese "Technische Begründung" muss vom Betreiber und Gutachter bewertet werden. Auf Basis einer "Technischen Begründung", die von uns bewertet wurde, konnte die Anzahl der Vergleichskörper reduziert werden. Zur Sicherstellung der übertragbarkeit wurden aber immer Vergleichsmessungen an realistischen Vergleichskörper durchgeführt und bei der Einstellung der Prüfempfindlichkeit berücksichtigt. Dieser Weg wird auch in der Zukunft uns bevorzugt.

Für die Prüfung der Bindefläche Pufferung / ferritischer Grundwerkstoff wurden folgende Ultraschallprüftechniken qualifiziert und eingesetzt:

  • Bereich der äußeren Oberfläche (Tiefe 0 bis 10 mm): 70 SEL und Kriechwellentechniken (Longitudinalwellen); Einstellung der Registriergrenze wanddickenabhängig an Nuten 1,5 mm, 2 mm oder 3 mm tief (Vorgehensweise gemäß KTA 3201.4),
  • Bereich des Wandinneren (10 mm bis ca. 25 mm): 70 SEL; Einstellung der Registriergrenze an Kreisscheibenreflektoren (KSR) Ø6 mm, realisiert durch Flachbodenbohrungen - mit Orientierung parallel zur Grenzfläche,
  • Bereich des Wandinneren (> 20 mm): Tandemtechnik, Wellenumwandlungstechnik (LLT) und Einkopftechniken (Einschallwinkel 60° oder 70°, Transversal- oder Longitudinalwellen); Einstellung der Registriergrenze an Flachbodenbohrungen (wie oben),
  • Bereich der inneren Oberfläche (Tiefe bis 10 mm von der Oberfläche): Einkopftechniken (Winkelspiegeleffekt, Transversalwellen); Einstellung der Registriergrenze an Nuten, wie für den Bereich der äußeren Oberfläche.

Beispielhaft zeigt das Bild 8 der Einsatz der LLT-Wellenumwandlungstechnik. Die LLT (Long-Long-Transwelle)-Technik beruht auf der Dreieckreflektion des Schallstrahls, wobei eine Wellenumwandlung am flächigen Reflektor im Wandinneren erfolgt. Die Vorteile der LLT-Prüftechnik liegen darin, dass ein kompakter Prüfkopf eingesetzt wird (öfters ist nur eine beschränkte Zugänglichkeit vorhanden), der Einfluss der Plattierung bei Longitudinalwellen geringer ist als für Transversalwellen (Umlenkung der Longitudinalwelle in der Plattierung). Zusätzlich steht ein Einschallwinkel von ca. 60° (Transversalwelle) für Fehlerdetektion und -Beschreibung zur Verfügung.

Bild 8: LLT und 60° - Technik für die Prüfung der Pufferung auf Ablösung .

Die Einstellung der Prüfempfindlichkeit für die Prüfung der kompletten Bindefläche Pufferung / ferritischer Grundwerkstoff / Plattierung bei einer Wanddicke von 65 mm ist Bild 9 zu entnehmen. Wichtig ist, dass die einzelnen Prüftiefen überlappend geprüft werden können, so dass über die gesamte Wanddicke keine Prüflücken entstehen. Die Prüfung erfolgt unter Verwendung eines sog. "Zonenrandzuschlages", dadurch können ev. vorhandenen Fehler überbewertet werden. Nach dem Bestimmen der Fehlerlage mittels Einkopftechnik werden die Signalhöhen (oder Verstärkungen) entsprechend korrigiert.

Bild 9: Registrierschwellen für eine Wanddicke von 65 mm.

Vorschläge zur Ergänzung der Regelwerke für die Ultraschallprüfung von Komponenten in kerntechnischen Anlagen nach der Fertigung und bei wiederkehrenden Prüfungen

Nach dem heutigen Kenntnisstand sind die das Vorkommnis auslösenden, flächige Trennungen im übergang Pufferung / ferritischer Grundwerkstoff beim Schweißen der austenitischen Schweißnaht erzeugt worden. Eine gezielte ZfP der Grenzfläche Pufferung / ferritischer Grundwerkstoff hatte nach Fertigstellung der Schweißnaht im Rahmen der Fertigungsprüfung nicht stattgefunden.

Auch nach heutigem Regelwerk (KTA 3201.3 (6/98), Abschnitt 13.5.2 bzw. KTA 3211.3 (6/90), Abschnitt 11.5.2) erfolgt bei Schweißverbindungen zwischen ferritischen Stählen und austenitischen Stählen oder Nickelbasislegierungen die Prüfung der Pufferung auf Bindung bisher regelmäßig nur vor dem Schweißen der austenitischen Schweißnaht.

An der fertigen Schweißnaht haben Oberflächenprüfungen mit dem Eindringverfahren (außen) und mittels Ultraschall (innerer Oberflächenbereich) und Volumenprüfungen mit dem Durchstrahlungsverfahren zu erfolgen. Diese Prüfung ist im Allgemeinen nicht darauf ausgerichtet, die Grenzfläche Pufferung / ferritischer Grundwerkstoff im Wandinneren auf Bindung zu Prüfen.

Daher sollten in den KTA-Regeln 3201.3 und 3211.3 jeweils die Kapitel "Prüfungen nach dem Schweißen", die die Prüfungen von Mischnähten behandeln, um den Abschnitt "Prüfung der Grenzfläche zum ferritischen Grundwerkstoff" mit folgenden wesentlichen Festlegungen ergänzt werden:

  • Für Wanddicken größer/gleich 8 mm bis 16 mm ist wahlweise eine Ultraschallprüfung oder eine Durchstrahlungsprüfung (Einstrahlung in Richtung der Bindefläche), für Wanddicken größer 16 mm allein eine Ultraschallprüfung vorzunehmen.
  • Die Ultraschallprüfung hat von der ferritischen Seite der Schweißnaht aus zu erfolgen. Prüftechniken und Einschallwinkel sind so auszuwählen, dass Fehler mit Orientierungen parallel zur Grenzfläche zum ferritischen Grundwerkstoff erfasst werden. Die Ausdehnung von Reflektoren ist nach der Halbwertsmethode zu bestimmen.
  • Für die US-Prüfung der oberflächennahen Bereiche innen und außen, jeweils bis zu einer Tiefe von 10 mm, kommen als Prüftechniken die 70°-SEL- oder Kriechwellentechnik (außen) und die Transvesalwellen-Einkopftechnik (innen) in Frage.
  • Für die Prüfung des Bereichs im Wandinnern kommen als US-Prüftechniken die Tandemtechnik, die Wellenumwandlungstechnik (LLT) und die Einkopftechnik (60° oder 70°) in Frage.
  • Die Einstellung der Prüfempfindlichkeit hat an einem artgleich geschweißten Vergleichskörper, bei plattierten Schweißnähten an einem Vergleichskörper mit Plattierung zu erfolgen. Die Vergleichskörper zur Empfindlichkeitseinstellung sind in der Grenzfläche zum ferritischen Grundwerkstoff einzubringen.
  • Die Vergleichsreflektoren sind für die Oberflächenbereiche Nuten, 1,5 mm, 2 mm, 3 mm tief, je nach Wanddicke, für den Wandinnernbereich Kreisscheiben (Durchmesser 6 mm) in unterschiedlichen Tiefen. Die Kreisscheiben (realisiert durch Flachbodenbohrungen) müssen parallel zur Grenzfläche der ferritischen Schweißnahtflanke ausgerichtet sein.
  • Die Registrierschwelle ist die Anzeigenhöhe der Nuten minus 6 dB bzw. die Kreisscheibe KSR 6.
  • Die Zulässigkeit von Anzeigen richtet sich nach den Registrierlängen und den Anzeigenhäufigkeiten, sofern deren Echohöhe die Registrierschwelle um nicht mehr als 6 dB überschreitet. Die Zulässigkeitskriterien entsprechen den bisherigen Festlegungen für Schweißnähte.

Literatur

  1. DVS - Merkblatt DVS 3011; Schweißen von Schwarz-Weiß-Vebindungen (August 2000)
  2. http://www.rskonline.de
  3. VGB - R 516:2001 (VGB-ENIQ-Richtlinie), Methodik für das Vorgehen bei der Qualifizierung von zerstörungsfreien Prüfungen

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net