DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Korrosionsmapping an Rohrleitungen

Uwe Zscherpel, Oleksandr Alekseychuk, Carsten Bellon, Uwe Ewert, BAM Berlin
Peter Rost, Markus Schmid, BASF AG, Ludwigshafen
Kontakt: U. Zscherpel, U. Ewert, C. Bellon

Zusammenfassung

Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes wurde von BASF AG und BAM in den letzten Jahren der Stand der Technik auf dem Gebiet der Tangential-Radiographie von Rohrleitungen analysiert und die Auswerteverfahren weiterentwickelt. Es entstanden für diese bis heute nicht genormte Technik verschiedene PC-Anwendungen, sie wurden auf ihre Genauigkeit und Anwendungsbreite hin untersucht :

  1. Ein Programm zur Auswertung von digitalen Durchstrahlungsaufnahmen für den Routine-Einsatz. Es wurde zur Vermessung der Rohr-Wanddicken in Tangentialprojektion sowie für die Tiefenmessung von Korrosionsmulden entwickelt und erlaubt eine einfache und schnelle Protokollierung der Messungen in Verbindung mit Microsoft/Office. Erprobt und verwendet wurde es für die Auswertung digitalisierter Durchstrahlungsfilme. Es ist auch für modernere Detektoren wie Speicherfolien oder Flachdetektoren im Megapixelbereich einsetzbar (beliebige Bildgrößen, siehe [1] und [2]).
  2. 3D-Simulation der Tangential-Projektion von Rohrleitungen für übliche Strahlenquellen und verschiedene Detektoren. Ausgehend vom 3D-Datensatz eines Rohres (inklusive Isolierung und Füllung) können beliebige 3D-Fehlerobjekte in der Rohrwand positioniert werden. Für diese Szene wird ein virtuelles Durchstrahlungsbild berechnet, das sowohl die Röntgenquelle (Röntgen-, Se-, Ir,- Co-Strahler), die Absorption und Streuung im Objekt als auch die Detektoreigenschaften (Röntgen-Film mit Blei- oder Fluoreszenzfolie, Speicherfolie oder Flachdetektor) berücksichtigt. Damit können Fragen zur Erkennbarkeit und Grenzfälle effektiv ohne zeitraubende Experimente untersucht werden (siehe [3] und [4]).
  3. Erste Ideen zur Kombination der Auswertung der tangentialen Projektionen und der Wanddickenänderung in Durchstrahlungsrichtung führten zu einer neuartigen Bilddarstellung, dem sog. "Korrosionsmapping". Die durchstrahlte Wanddicke wird dabei als 2-dimensionales Bild über der Rohroberfläche dargestellt.

Einleitung

Seit Jahrzehnten wird die tangentiale Projektionsradiographie (Schattentechnik) zur Wanddickenbestimmung von Rohrleitungen eingesetzt (siehe Bild 1). Der besondere Vorteil der Durchstrahlungstechnik bei der Zustandsüberwachung von Rohrleitungen liegt in der Durchführung dieser Prüfung im laufenden Betrieb, d.h. die Rohrleitung kann gedämmt und mediengefüllt sein (siehe Bild 2). Bei der herkömmlichen Auswertung der Projektionsradiographie wird die Dicke der Schattenprojektion der Rohrwand auf dem Durchstrahlungsfilm mit dem Lineal vermessen (siehe Bild 3). Aus diesem Wert wird unter Berücksichtigung der Projektionsgeometrie (Vergrößerungsfaktor) die tatsächliche Wanddicke berechnet (Formeln siehe Bild 4). Die Bestimmung der Wanddicke ist deshalb nur entlang der abgebildeten Mantellinien (in der Projektionsebene) des Rohres möglich. Zusätzlich erlaubt jedoch diese Methode im gesamten abgebildeten Rohrabschnitt den Korrosionszustand des Rohres visuell zu beurteilen, da sich erodierte Stellen der Rohrwand als dunklere Schatten (geringere Wanddicke) auf dem Film abbilden. Falls jedoch diese Erosionsstellen vermessen werden sollen, sind in der Regel weitere Projektionsaufnahmen aus anderen Einstrahlrichtungen notwendig, damit die zur Messung notwendigen Mantellinien genau durch diese Erosionsstellen verlaufen.

Bild 1: Aufnahmeanordnung und Beispiel-Aufnahme der tangentialen Projektionsradiographie (Schattentechnik)
Bild 2: praktischer Einsatz: "On-Stream" mit Durchstrahlungsbild
Bild 3: Visuelle Auswertung der Schattenprojektion am Leuchtkasten

Bild 4: Die zwei Möglichkeiten zur Vergrößerungskorrektur, der Näherungs-fehler sowie die Umschaltung im Programm über verschiedene Geo-metriebilder (Symbolerklärung siehe [6]).

PC-gestützte Wanddickenmessung

Bild 5: Arbeitsablauf am PC-gestützten Wanddicken-Messplatz bei BASF

Durch den Einsatz der digitalen Radiographie lässt sich diese herkömmliche Untersuchungsmethode weiterentwickeln. Dazu werden die Durchstrahlungsfilme mittels geeigneter Scanner digitalisiert oder es kommen Speicherfolien-Systeme oder Flachdetektoren zum Einsatz, die direkt digital ausgelesen werden. Bei BASF AG werden für die Projektionsradiographie als Film AGFA F8 mit RCF-Fluoreszenz-Folien eingesetzt, die gegenüber dem AGFA D7 mit Pb-Folien die Belichtungszeit auf ca. 7 % verkürzen, allerdings auf Kosten von Abbildungsschärfe und Signal/Rausch-Verhältnis. Nach der herkömmlichen Filmentwicklung werden die Filme mit einem Scanner "Diagnostic Pro" der Firma Vidar mit 300 dpi digitalisiert (siehe Bild 5). Ein digitalisierter Film 30x40 cm² wird in einer Datei von 33 MByte im 16-Bit-TIFF-Format gespeichert.

Im Rahmen des gemeinsamen F&E-Projektes hat die BAM eine Auswertesoftware "wtScope" entwickelt, die erstmalig alle wesentlichen Anforderungen für die erfolgreiche Anwendung der digitalen Projektionsradiographie berücksichtigt :

  • volle 16-Bit Datentiefe zur Auswertung und Bildschirmdarstellung
  • beliebige Bildgrößen, nur vom Hauptspeicher begrenzt (>512 MByte !)
  • beliebige Detektoren einsetzbar (Film, Speicherfolie, Flachdetektor), mittels externer 16-Bit Look-up Tabellen (LUT) linearisierbar
  • schnelle rekursive Mittelwert-Filterung für beliebige Hoch- und Tiefpass-Größen, Faltung des Bildes mit beliebigen Kernels (ASCII Tabellen)
  • Sub-Sampling zur Bildschirmdarstellung mit echter Mittelwertbildung
  • Auswertung der tangentialen Wanddickenprojektion und der Muldenkorrosion, Fehlerabschätzung für Wanddicken-Messwerte und einfache Geometriekorrektur,
  • Schnelle Dokumentation der Auswertung durch Protokollgenerierung und übergabe zu Word
  • Anwendungsschutz durch individuellen und verschlüsselten Lizenzkey

In den Bildern 6 und 7 ist der Bildschirmaufbau für typische Anwendungen zur Auswertung der tangentialen Projektion gezeigt. Das Programm besitzt 3 Fenster. Oben links werden die Geometriedaten sowie die Tabelle mit den Messwerten dargestellt. Im rechten Fenster wird die Radiographie gezeigt, in der interaktiv mit der Maus die Lagen der Profile (Auswertebereich) zur automatischen Auswertung durch den tangentialen Wanddickenalgorithmus bestimmt werden. Im Fenster links unten wird der Verlauf der gemessenen Wanddicke im Auswertebereich zusammen mit dem ausgewählten Wanddickenprofil sowie der daran bestimmten Lage der Wandinnen- und -aussenkante angezeigt.

Bild 6: Das Programm "wtScope" im Einsatz zur Auswertung der tangentialen Wanddickenprojektion.
Bild 7: Gleichzeitige Darstellung der gefundenen Rohrinnen- und -aussenkante sowohl im Profil als auch im Bild.
Bild 8: Automatisch generiertes Protokollblatt für Word zur Dokumentation der Auswertung

Nach Auswertung aller interessierenden Rohrwanddickenbereiche kann diese Auswertung als ASCII-Datei mit den Verweisen auf Filmdaten und verwendeten LUT-Tabellen abgespeichert werden. Dadurch lässt sich jederzeit die Auswertung wieder reproduzieren. Außerdem kann ein Protokollblatt für Word zur einfachen Protokollierung der Auswertung auf Knopfdruck erstellt werden (siehe Bild 8).

Bild 9 : Vergleich der erzielten Genauigkeiten verschiedener Wanddicken-algorithmen für Testrohre DN 150 und DN 200 (bis 10 mm Wanddicke).

Ein wesentlicher Punkt im F&E-Projekt war die Optimierung des automatischen Wanddickenalgorithmus'. So konnte gegenüber den bisherigen Ergebnissen (siehe [4] und [5]) durch eine adaptive Glättung zur besseren Positionsbestimmung der Innenkante eine wesentliche Verbesserung der Genauigkeit gerade bei großen Wanddicken erreicht werden (siehe Bild 9, BASF neu gegenüber BASF alt [4] bzw. CTPWT [5]).

Bild 10: Sichere Detektion der Rohrinnenkante am Profil für große Wanddicken, im Bild ist die Innenkante visuell nicht mehr sichtbar.

In Bild 10 wird ein weiterer Vorteil der PC-gestützten Auswertung deutlich: mit dem neuen, adaptiven Algorithmus sind jetzt auch noch Wanddicken sicher auswertbar, bei denen im Bild visuell keine Rohrinnenkante mehr sichtbar ist. Dadurch kann der Anwendungsbereich der tangentialen Projektionsradiographie um mehrere mm Wanddicke ausgedehnt werden.

Auswertung der Muldenkorrosion

Zusätzlich zur Analyse der tangentialen Projektion können durch Auswertung der Strahlungsintensität am Detektor (digitalisierte Filmschwärzung, linearisierter Digitalwert des Speicherfoliensystems oder Digitalwert des Flachdetektors) in Abhängigkeit von bekannten Wanddicken aus den Schwärzungsänderungen an Erosionsstellen im Inneren der Rohrabbildung die resultierenden Wanddicken-änderungen in Durchstrahlungsrichtung bestimmt werden. Dazu muss der effektive Absorptionskoeffizient für die vorliegende Filmaufnahme bekannt sein. Dieser kann z.B. aus der bekannten Nennwanddicke des Rohres und einer weiteren bekannten Wanddickenänderung aus dieser Aufnahme selbst ermittelt werden. Das kann z.B.ein Bildgüteprüfkörper sein. Die Erprobung dieses Verfahrens hat auch gezeigt, dass es möglich ist, effektive Absorptionskoeffizienten aus ähnlichen Aufnahmen zu verwenden, wo die Durchstrahlungsanordnung, Detektor (Film/Folien-System), Strahlenquelle und durchstrahlte Wanddicke gleich sind.

Bild 11: Bestimmung des effektiven Absorptionskoeffizienten µeff aus bekannten Wanddicken am Mess- und Referenzpunkt.
Bild 12: Vermessung von Wanddickenunterschieden in Durchstrahlungsrichtung mit bekannter Wanddicke am Referenzpunkt und bekanntem effektiven Absorptionskoeffizienten µeff.

Die mathematischen Grundlagen dazu sind in [6] dargestellt. In Bild 11 und 12 wird die praktische Umsetzung im Programm "wtScope" gezeigt. Das Modul zur Korrosionsauswertung (Muldenvermessung) besitzt 2 Auswertungsmodi : die µeff -Bestimmung und die Tiefenmessung. Bild 11 zeigt die Bestimmung von µeff aus 2 bekannten Wanddicken. Ist µeff bekannt, können anschließend Wanddickenunterschiede in Durchstrahlungsrichtung, relativ zu einer bekannten Nennwanddicke am Referenzpunkt, vermessen werden. Aus der Standard-Abweichung der Grauwerte lässt sich auch der Fehler dieser Auswertung abschätzen.

Korrosionsmapping

Ein weiteres Problem sind Korrosionsmulden, die sich in der Wand befinden, von deren Mantellinie die tangentiale Projektion vermessen wird (siehe Bild 13). Diese Korrosionsmulden lassen sich mit den vorgestellten Algorithmen nicht vermessen.

Diese Korrosionsmulden lassen sich vermessen, nachdem ein fehlerfreies Hintergrundbild vom Originalbild subtrahiert wurde. Ein solches Vorgehen ist in Bild 14 gezeigt. Mittels Medianfilterung in Richtung der Symmetrieachse des Rohres wurde ein Hintergrundbild erzeugt, das keine Korrosionsmulden enthält. Dabei sollte die Größe des Medianfehlers mindestens doppelt so groß wie Ausdehnung der Muldenkorrosion sein.

Bild 13: Simulation einer Muldenkorrosion in der tangentialen Projektion, sie wird durch Vermessung des Profils nicht gefunden (die Nennwanddicke wird gemessen, die Korrosionsmulde durchdringt jedoch die gesamte Wand).
Bild 14: Korrosionsmapping durch Subtraktion eines fehlerfreien Hintergrundbildes, erzeugt durch eine Medianfilterung in Richtung der Symmetrieachse des Rohres.
Bild 15: Korrosionsmapping mit Falschfarberdarstellung zur Visualisierung von relativen Wanddickenunterschieden, bezogen jeweils auf die Nennwanddicke (wurde durch Medianfilterung entlang der Rohr-Symmetrieachse subtrahiert) .

Diese Vorgehen lässt sich nicht nur auf einzelne Korrosionsmulden anwenden, sondern ist auch auf die komplette Projektionsradiographie anwendbar. Unter der Voraussetzung, dass das untersuchte Rohr gerade und symmetrisch ist, lässt sich durch eine Median-Filterung in Richtung der Rohr-Symmetrieachse ein "Modellbild" der unkorrodierten Rohrleitung erzeugen. Durch Subtraktion dieses Hintergrundbildes vom originalen Durchstrahlungsbild (Der Grauwert muss in diesem Falle proportional der durchstrahlten Wanddicke sein) und anschließender Farbkodierung des Differenzbildes erhält man ein Bild, in dem direkt der Wanddickenunterschied in Durchstrahlungsrichtung mittels geeigneter Farbskala ablesbar ist (siehe Bild 15).

Literatur :

  1. P. Willems, B. Vaessen, AGFA, Belgien; W. Hueck, VEBA öl, Gelsenkirchen; U. Ewert, U. Zscherpel, Y. Onel, BAM Berlin: "Applicability of Computed Radiography (CR) for Corrosion and Wall Thickness Measurements", Proceedings of the 7th ECNDT, Mai 1998, Kopenhagen
  2. U. Zscherpel, C. Bellon, BAM Berlin; R. Nimtz, HEW Hamburg: "Wall Thickness Estimation from Digitised Radiographs", Proceedings of the 7th ECNDT, Mai 1998, Kopenhagen
  3. G.-R. Tillack, C. Bellon: "Simulation von Durchstrahlungsprüfungen - Möglichkeiten und Grenzen", Materialprüfung 41 (1999) 3, S. 92 -97
  4. C. Nockemann, C. Bellon, G.-R. Tillack, P. Rost, M. Schmid, T. Scheuch: "Das Prinzip der modularen Optimierung und Validierung eines ZfP-Systems angewandt auf das Problem der Wanddickenbestimmung von gedämmten Rohren in der chemischen Industrie", DGZfP-Berichtsband 63.1, Jahrestagung 1998, Bamberg, S. 183 - 193
  5. Y. Onel, U. Ewert: "Das CTPWT-Verfahren - Eine neue Methode zur präzisen radiographischen Rohrwanddickenbestimmung", Materialprüfung 42 (2000) 6, S. 229 -235
  6. U. Zscherpel, "Digitale Radiographie zur Online-Rohrwanddickenbestimmung", DGZfP-Berichtsband 74, Seminar "ZfP zur Anlagenüberwachung", Berlin, Nov. 2000, S. 39 - 46

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