DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Mechanisierte US-Prüftechnik an geschweißten Rotoren im Kraftwerksbau - Neue Wege, Erfahrungen, Ausblick

H.-P. Lohmann, M. Böwe, Siemens AG PG, Mülheim a. d. Ruhr
Kontakt: H.-P. Lohmann

Einleitung

Durch die Weiterentwicklung in der Schweißtechnik ist heute eine Kombination unterschiedlicher Materialien möglich. Darüber hinaus sind durch die mechanisierte Prozessführung Schweißnahtdicken von bis zu 200 mm als Engspaltschweißungen mit nahezu senkrechten Flankenwinkeln und einer Nahtbreite von nur 10-15 mm möglich. Dies gestattet eine der späteren Bauteilbeanspruchung angepasste Materialpaarung (gezielte Paarung erforderlicher Materialeigenschaften). Ganze Turbinenläufer (Abb. 1) können auf dieses Weise hergestellt werden.

Abb 1: Geschweißter Rotor (3D CAD).

Prüftechnisch stellen solche Konstruktionen allerdings eine besondere Herausforderung dar.

Konventionelle Prüftechnik

Dickwandige Schweißnähte größer 100 mm können aufgrund ihrer Wanddicke nicht mehr durchstrahlt werden. Üblicherweise kommt hier die Ultraschallprüfung zum Einsatz.

Abb 2: Geometrische Verhältnisse an dickwandigen Schweißnähten.

Die Fehlerorientierungen parallel zur Oberfläche (Lagenbindefehler), sowie Querfehler in der Schweißnaht stellen im Allgemeinen kein Problem dar. Liegt jedoch ein Flankenbindefehler vor, so ist insbesondere bei der erwähnten Ausführung als Engspaltschweißung erhöhter Aufwand erforderlich. Bevorzugt wird bei derartigen Schweißnahtausführungen die Tandemtechnik eingesetzt. Diese Prüftechnik scheidet allerdings durch die Notwendigkeit einer Hilfsreflexionsfläche (i.A. Rückwand) bei der hier vorgestellten Prüfung an geschweißten Rotoren aus (Abb. 2).

Abb 3: US-Schweißnahtprüfung: Impuls-Echo-Technik (Anwendung unterschiedlicher Einschallwinkel).

Dieer Untersuchung der Schweißnahtflanke mittels unterschiedlicher Einschwingerwinkelprüfköpfe (Abb. 3) hat insbesondere vor dem Hintergrund einer eingeschränkten Prüf- oder Scanlänge entscheidende Konsequenzen. Ein möglichst senkrechtes Auftreffen auf die Schweißnahtflanke durch Nutzung eines flachen Einschallwinkels ist nicht bis in größere Tiefenlagen der Schweißnaht möglich. Die sich aus diesem Umstand ergebenden Schräglagen eines möglichen Flankenbindefehlers führen zu signifikanten Einbrüchen der Reflektivität gegenüber senkrechtem Auftreffen auf die Fehlstelle. Eine quantitative Fehlerbewertung ist aufgrund dieser Tatsache nicht möglich (Simulation Schräglagenabhängigkeit Abb. 4).

Abb 4: Einfluss der Reflektorschräglage auf die Ultraschallantwort (Simulation eines 2 MHz WPKs).

Entwicklung einer fortschrittlichen Prüftechnik

Unter der Einbeziehung folgender Randbedingungen wurde eine eigens hierauf abgestimmte Prüftechnik entwickelt:

  • Dickwandige Schweißnaht
  • Engspaltschweißung
  • Eingeschränkte Prüfflächen
  • Keine Hilfsreflexionsfläche für die Tandemtechnik
  • Die Prüfung soll einfach, schnell und gut dokumentierbar sein

Abb 5: Testkörper für Untersuchungen und Qualifikation der Prüftechnik.

Für Untersuchungszwecke ebenso wie für die spätere Qualifizierung wurde ein 1:1 Testkörper (Abb. 5) gefertigt, in welchen künstliche Fehlstellen unterschiedlicher Größe und Position eingebracht wurden (Abb. 6).

Abb 6: Anordnung der Flachbodenbohrungen im Testkörper.

Zur Überprüfung der in Abb. 4 dargestellten Simulation zur Fehlerschräglagenabhängigkeit wurden Messungen am Testkörper mit unterschiedlichen 2- und 4 MHz Transversalwellenprüfköpfen durchgeführt. Das in Abb. 7 dargestellte Ergebnis zeigt eindrucksvoll, welchen Einfluss die Fehlerschräglage auf die ermittelte Reflektivität eines Reflektors (FBB 8 mm, FBB 6 mm) hat.

Abb 7: Vergleich zwischen Simulation und Messung.

Die im folgenden beschriebene neue Prüftechnik wurde entwickelt, um relevante Fehlstellen an der senkrechten Schweißnahtflanke sowohl detektieren als auch in ihrer Größe bewerten zu können.

Abb 8: Prinzip der "Scherentechnik" Reflexionsoptimierte Prüfkopfanordnung (3D).

Die Abb. 8 und 9 zeigen die zur Durchführung erforderliche Prüfkopfanordnung:

Abb 9: Prinzip der "Scherentechnik" Reflexionsoptimierte Prüfkopfanordnung.

Zwei US-Prüfköpfe mit zuvor berechneten Einschallwinkeln (entsprechend festzulegender Prüfzone (Tiefenlage)) werden auf der Mantelfläche des zu prüfenden Bauteils derart zueinander positioniert, dass der von Prüfkopf 1 (Sender) ausgesandte Schallstrahl am Fehler entsprechend seiner Fehlerorientierung direkt (Spiegelung des Ultraschallsignals) in Richtung Prüfkopf 2 (Empfänger) reflektiert wird und dort von Prüfkopf 2 empfangen wird.

Der Vorteil dieser Verfahrensweise liegt im reflexionsoptimierten Auftreffen des Ultraschallsignals auf die zu überprüfende Fehlerorientierung. Dies ist Voraussetzung für eine klare Fehlerbewertung. Eine Hilfsreflexionsfläche wie bei der Tandemtechnik ist nicht erforderlich.

Die Realisierung der Prüfung geschieht vorzugsweise mechanisiert und ist daher geeignet, bezüglich Prüfsicherheit, Dokumentation und zeitsparender Durchführung hohen Anforderungen zu genügen.

Um die gesamte Schweißnahtflanke zu erfassen, ist es notwendig, dass vor der Prüfung die erforderlichen Prüfzonen festgelegt werden. Zur Vorbereitung werden dann in Abhängigkeit von der Lage der Prüfzone Einschallpositionen, Einschallwinkel und Schielwinkel berechnet.

Abb 10: Qualifikation der neuen Prüftechnik am Testkörper mit einem bauteilgestützten Manipulator

Abb. 10 zeigt die Applikation zur Qualifizierung der Prüftechnik am 1:1 - Testkörper. Die Qualifizierung erfolgte mit einem bauteilgestützten Manipulator, der die Positionierung der Prüfköpfe entsprechend den berechneten Prüfparametern ermöglicht. Der Manipulator gewährleistet die Einhaltung des berechneten Abstandes der Prüfköpfe untereinander sowie eine definierte Verdrehung der Prüfköpfe (Schielwinkel). Bei den Versuchen kam ein mehrkanaliges digitales Ultraschallgerät zum Einsatz. Als Prüfköpfe stand ein breites Sortiment an Transversalwellen - Winkelprüfköpfen (2 MHz) mit Einschallwinkeln von 50°-70° (Abstufung 1,5°) zur Verfügung.

Ergebnisse der Untersuchungen / Qualifikation

Die Ergebnisse der Untersuchungen am Testkörper sind in den Abb. 11 bis 13 dargestellt. In Abb. 11 sind zwei Möglichkeiten für die Prüfkopfpositionierung dargestellt, um die komplette Schweißnahtdicke zu inspizieren. Verglichen wurden hierbei die Parameter "Auftreffwinkel = const." und "Prüflänge = const.".

Abb 11: Gewählte Prüfbedingungen - "konst. Auftreffwinkel" und "konst. Prüflänge".
  • Berechnet man die Prüfkopfpositionen mit der Vorgabe eines konstanten Auftreffwinkels (z. B. 45°), so nimmt die erforderliche Prüflänge mit der zu inspizierenden Tiefenlage zu. Unter Umständen steht jedoch der geforderte Platz zur Prüfung am "realen Bauteil" (Abb. 1) nicht zur Verfügung.
  • Werden die Prüfkopfpositionen mit der Bedingung einer konstant einzuhaltenden Prüflänge berechnet, ergibt sich mit zunehmender Schweißnahttiefe ein immer flacher werdender Auftreffwinkel.

Abb. 12 zeigt exemplarisch das Resultat der 3, 6 und 8 mm FBBs in einer Tiefenlage von 73mm bei einem Auftreffwinkel von 45°. Der 3 mm Reflektor liefert noch ein Signal mit einem Signal-Rausch-Abstand von größer 18 dB. Das Ergebnis bei Anschallung derselben Reflektoren mit einem Auftreffwinkel von 70° (flaches Auftreffen auf die Reflektoren) ist in Abb. 13 dargestellt. Der Signal-Rausch-Abstand der 3mm FBB beträgt auch hier mehr als 18 dB. Das Echo vor dem Signal der FBB entsteht durch überkopplung Sender - Empfänger bei sehr flachen Auftreffen. Die benötigte Prüflänge betrug 115 mm gegenüber 252 mm bei 45° Auftreffwinkel.

Abb 12: Prüfergebnis am Testkörper : Auftreffwinkel 45°; Reflektortiefenlage 73mm Abb 13: Prüfergebnis am Testkörper : Auftreffwinkel 70°; Reflektortiefenlage 73mm

Die ermittelten Ergebnisse bestätigen eindrucksvoll die Eignung dieser Prüftechnik für die US-Prüfung von dickwandigen Engspaltschweißungen.

Alle Testreflektoren wurden mit einem ausreichenden Signal-Rauschabstand detektiert und konnten hinsichtlich ihrer Größe innerhalb eines Streubandes von ± 3dB quantifiziert werden.

Erfahrung / Verifikation an einer geschweißten Welle

Die Überprüfung einer Anzeige in einer realen Wellenschweißnaht belegt das Potenzial der vorgestellten neuen Prüftechnik.

Abb 14: US-Prüfergebnis einer geschweißten Welle (manuelle Prüfung) Abb 15: Befundbewertung mittels Scherentechnik

Abb. 14 zeigt die Ergebnisse der manuellen US-Prüfung einer Wellenschweißnaht. Ausschließlich die vorgeschriebene ergänzende Prüfung über den langen Schallweg (nur bei dargestellten Konstruktionsmerkmalen möglich) liefert bzgl. der gemessenen Reflektivität eine brauchbare Aussage für die Größenbewertung.

Die überprüfung des Befundes mittels neuer Prüftechnik (Scherentechnik) (Abb. 15) bestätigte die Anzeigengröße in ihrer Reflektivität und ließ überdies aufgrund des wesentlich kürzeren Schallwegs eine genaue Lokalisierung der Anzeigentiefe zu.

Vorteile / Schlussfolgerung

Die Vorteile der vorgestellten Prüftechnik lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Wellenschweißnähte, die konstruktiv keine Möglichkeit der direkten Senkrechteinschallung bieten, können auf diese Weise auf Flankenbindefehler überprüft werden.
  • Durch die Anordnung der Prüfköpfe ist es möglich, Engspaltschweißungen unter eingeschränkten Platzverhältnissen zu prüfen.
  • Durch die Variation der Prüfkopfabstände und Einschallwinkel können die Tiefenlagen frei gewählt werden.
  • Eine sehr gute Nachweisempfindlichkeit für Flankenbindefehler (senkrecht zur Oberfläche orientiert) ist gewährleistet.
  • Eine klare Bewertung der detektierten Anzeigen über die AVG - oder Vergleichskörpermethode ist möglich.

Weiteres Potential liegt in der Implementierung der Phased Array Prüftechnik, was zu einer erheblichen Zeitersparnis führt. Die Verwendung moderner, mehrkanaliger Ultraschallgeräte lässt darüber hinaus bei gleichzeitigem Einsatz der Prüfköpfe im Impuls-Echo-Betrieb und im Sender-Empfänger-Betrieb eine Klassifizierung von Anzeigen in "voluminös" und "flächig" zu.

Mit der entwickelten Prüftechnik wurde ein wichtiges Instrument zur Qualitätssicherung bei der Herstellung und Reparatur geschweißter Turbinenwellen geschaffen.

Literaturstellen

  1. Kolb, K.: Einfluss der Fehlerneigung bei der Ultraschall-Tandem-Prüfung; ZfP-Zeitung 69, März 2000
  2. Wüstenberg, H.; Völkel, U.; Kutzner, J.: Reflexionsverhalten von flächigen Trennungen in festen Körpern bei der Ultraschallprüfung; Vortragstagung 1974, Zerstörungsfreie Materialprüfung, Nimwegen, Materialprüfung No. 16 (1974) No. 10 pp. 323/24
  3. Lohmann, H.-P.: New UT technique for UT inspection of thick walled welds, Siemens Power Generation, NDE Council, May 2001
  4. Böhm, R.: "Schräglagenabhängigkeit bei der US-Prüfung von senkrecht zur Oberfläche orientierten Reflektoren", Technischer Bericht der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin 2000
  5. Lohmann, H.-P.; Rauschenbach, H.; Mann, U.; Kossmann, M.: Ultraschallprüfung an dickwandigen Schweißverbindungen - mit herkömmlicher Prüftechnik noch zu machen? Plakatbeitrag DGZfP-Jahrestagung, Berlin, Mai 2001

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