DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Neue Ultraschallprüfanlage zur Prüfung von UP-längsnaht-geschweißter Groß-Rohre bei Europipe in Mülheim a.d. Ruhr

Thomas Kersting; Ludwig Oesterlein, Europipe GmbH Mülheim a.d. Ruhr
Gerd Kauth, Krautkrämer GmbH, Köln
Gerhard Finger, Nukem Nutronik GmbH, Alzenau
Kontakt: T. Kersting

Kurzfassung

Bei Europipe in Mülheim a.d. Ruhr werden Großrohre produziert, an die höchste Sicherheitsanforderungen gestellt werden. Der hohe Qualitätsstandard von Europipe und wirtschaftliche Gesichtspunkte machen eine hochempfindliche Ultraschallprüfung direkt nach dem Schweißen unabdingbar.

Die noch nicht fertig bearbeiteten d.h. unexpandierten Rohre weisen für diese interne Prüfung ungünstige Eigenschaften auf. Um dennoch eine hohe Prüfempfindlichkeit bei niedriger Scheinanzeigenrate zu erreichen, kommt eine "Gleitende Schwelle" in Kombination mit einer Offline-Auswertestrategie zum Einsatz.

Schlüsselwörter:
Großrohre, Schweißnahtprüfung, , automatische Ultraschallprüfung, gleitende Schwelle

Europipe ist Weltmarktführer bei der Herstellung längsnahtgeschweißter Großrohre aus Stahl im Durchmesserbereich von 610mm - 1524mm und Wanddicken zwischen 8mm-44mm. Durch die Anwendung für Öl- und Gaspipelines werden höchste Sicherheitsanforderungen an die Rohre gestellt. Bei einer jährlichen Produktion von ca. 1 Mio Tonnen sind bis zu 10 km Schweißnaht täglich 100% zu prüfen.

Die Rohre werden mit starken Pressen aus hochwertigen TM-Blechen kalt geformt (U-O-E Verfahren). Das daraus entstandene Schlitzrohr wird in Lage/Gegenlage nach dem UP-Verfahren geschweißt. Die noch warme Naht wird am noch nicht fertig ausgeformten Rohr einer internen Ultraschallprüfung unterzogen. Dann wird das Rohr mit einem mechanischen Expander kalt expandiert. Dieser letzte Formgebungsprozess ist von großer Bedeutung, da ein einmal expandiertes Rohr nicht mehr repariert werden darf. Das fertige Rohr wird dann nochmals einer Ultraschallprüfung nach Kundenvorgabe unterzogen und die Rohrenden geröngt. Nach einer Reihe weiterer Prüfungen verläßt das Rohr das Werk.

Bild 1: Schematischer Ablauf im U-Kreis (vor Expander)

Die zuverlässige interne Ultraschallprüfung ist ein entscheidender Faktor, um Ganzrohrausfälle zu verhindern und die Wirtschaftlichkeit zu sichern. Bild 1 zeigt den schematischen Ablauf: Anzeigenfreie Rohre werden expandiert, Rohre mit Anzeigen werden bewertet und ggf. der Filmlosen Radiografie unterzogen. Bestätigen sich die US-Anzeigen durch die Röntgenprüfung, wird eine Schweißnaht-Reparatur durchgeführt. Anzeigen, die nicht durch die Röntgenprüfung bestätigt werden können, werden unter bestimmten Voraussetzungen einer manuellen US-Prüfung unterzogen, um maximale Prüfsicherheit zu erreichen.

Hohe Wirtschaftlichkeit und Produktivität mit höchsten Qualitätsanforderungen erzwingen eine hochempfindliche, schnelle, "robuste" und vollautomatische Ultraschallprüfung. Das bedeutet: Hohe Fehleraufwindwahrscheinlichkeit bei gleichzeitig niedriger Scheinanzeigenrate. Diese Forderungen werden durch die ungünstigen Prüfbedingungen bei unexpandierten Rohren und den noch z.T. heißen Schweißnähten, was zur Dampfbildung des Ankoppelwassers führt, zusätzlich erschwert.

Im 3-wöchigen Sommerstillstand 2001 wurde die neue Ultraschallprüfanlage von der Fa. Krautkrämer gemeinsam mit Nukem Nutronik und Europipe aufgebaut, um die oben genannten Forderungen zu erfüllen. Das gesamte Projekt wurde von der Angebotserstellung bis zum reibungslosen Poduktionsstart in weniger als einem Jahr realisiert.

Bild 2 zeigt die schematische Prüfkopfkonfiguration. Fünf Ebenen mit jeweils einem Prüfkopfpaar sind mit unterschiedlichen Winkeln und Sprungabständen für die Längsfehlerprüfung installiert. Für die Querfehlerprüfung auf der Naht sind zwei Prüfkopfpaare mit Tandem- und Impuls-Echo Funktionen installiert. Zum Einsatz kommt eine UTXX Elektronik mit einem logarithmischen Verstärker. Es stehen 16 parallele Sende-Empfangs Kanäle mit jeweils 4 Monitorblenden pro Prüfkopf zur Verfügung.

Längsfehlerprüfung
Bild 2: Prüfkopfkonfiguration (schematisch)

Für die Abnahmeprüfung wird in der Kundenspezifikation die Prüfempfindlichkeit i.a. durch die Amplitude von Bohrungen in der Naht oder Nuten neben der Naht definiert. US-Anzeigen, welche diese Signalschwellen überschreiten, gelten als unzulässig. Die Anzeigen unterhalb der Schwelle werden ignoriert.

Dagegen erlaubt die interne Prüfung, da nicht durch Kundenspezifikationen geregelt, eine grundsätzlich andere Auswertestrategie. Ziel der internen Prüfung ist das übertreffen der Abnahmeprüfempfindlichkeit. Die Kundenspezifikation beschreibt hier lediglich die Mindestanforderung. Deshalb wird ebenfalls ein Testrohr mit den gleichen Referenzreflektoren verwendet, um die Mindestprüfempfindlichkeit sicherzustellen. Um aber eine deutlich höhere Prüfempfindlichkeit zu erreichen, wird die Höhe der Signalschwelle für jeden Kanal automatisch so berechnet, daß sie nach der Datenaufnahme dicht über dem Grundrauschen liegt und alle Signale, die aus dem Rauschen hervortreten, registriert werden. Zur besseren Auflösung dieser kleinen Anzeigen kommt ein logarithmischer Verstärker zum Einsatz. Nachdem sämtliche Informationen aus den einzelnen Prüfkanälen vorliegen, werden die Anzeigen mit Hilfe eines empirisch ermittelten Punktbewertungssystems bewertet. Dieses Punktesystem bildet sowohl die Erfahrung manueller US-Prüfer als auch die langjährige Erfahrung mit der automatischen US-Prüfung bei Europipe ab.

Bild 3 zeigt die Ultraschallprüfanlage. An zwei Längsträgern wird der Prüfwagen geführt. In Prüfrichtung vorn ist das Nahtfindersystem befestigt, dahinter sind die Prüfebenen für die Längs- und Querfehlerprüfung angeordnet. Jede Prüfebene erhält vom Nahtfindersystem individuell die Regelsignale, um während der Prüffahrt optimal der Naht zu folgen. Vorne seitlich befindet sich der Sensor für die Mittenstricherkennung. Der Mittenstrich definiert das Rohrkoordinatensystem. Das zu prüfende Rohr wird quer in die Anlage transportiert. Bei Start des Prüfwagens erkennt ein optischer Sensor die Rohrkante und während der Schleichfahrt werden die einzelnen Prüfebenen auf dem Rohr angestellt. Danach wird das ruhende Rohr mit 30m/min Geschwindigkeit geprüft. Die Ankopplung wird mittels Wasserstrahl erreicht. Die Bewertung der US-Anzeigen wird erst nach der kompletten Datenaufnahme durchgeführt. Je nach Bewertungsergebnis wird das Rohr dann automatisch in die Röntgenkammer oder zum Expander geleitet. Die Taktzeit inklusive Nebenzeiten beträgt ca. 90 Sekunden für ein 12 Meter langes Rohr.

Bild 3: Ultraschallprüfanlage 1 Bild 4: Steuerstand der Ultraschallanlage 1 Bild 5: Datenaufzeichnung mit "Gleitender Schwelle"

In dem Steuerhaus, Bild 4, hat der Bediener nur überwachende Funktion. Er gibt die Rohrnummer ein und startet den Prüfablauf. Er führt keine Bewertung der Ergebnisse durch. Daher sind keine Anforderungen bezüglich US-Level zwingend erforderlich.

Neben der Gesamtansicht der Ergebnisse in Form eines C-Bildes, kann eine Analyse der einzelnen Datenspuren durchgeführt werden. Hierin erkennt man den Verlauf der "Gleitenden Schwelle", Bild 5.

In beiden Datenspuren erkennt man eine Schwellenüberschreitung, die insgesamt zu einer Bewertung von 139 Punkten führte (hier nicht zu erkennen). Bei 100 Punkten wird die US-Anzeige geröngt, bei 130 Punkten wird eine sog. "Vorwarnung" ausgelöst, d.h. daß bei einer durch die Röntgenprüfung nicht bestätigten US-Anzeige eine zusätzliche US-Handprüfung durchgeführt wird, um eine maximale Prüfsicherheit zu erreichen. Das Ergebnis der digitalen Röntgenprüfung zeigt eine zulässige ca. Ø1,3mm Pore im Flankenbereich, Bild 6

Bild 6: Digitales Röntgenbild einer UP-Schweißnaht mit zulässiger Pore

In Bild 7 erkennt man im Vergleich mit der vom Kunden geforderten Prüfempfindlichkeit (durchgezogene Linie, definiert durch die Testfehler am Testrohr), deutlich den Gewinn an Empfindlichkeit durch die örtlich und individuell angepaßte "Gleitende Schwelle". Selbst eine um 6dB abgesenkte Festschwelle (gestrichelte Linie) kann nicht mit der "Gleitenden Schwelle" konkurrieren (die fünfte Anzeige von links wird durch die Festschwelle nicht mehr erfaßt.) Aber erst in der Kombination mit der Anzeigenbewertung durch Punkte ist es möglich, die Scheinanzeigenrate auf ein Minimum abzusenken. Neben den wirtschaftlichen Aspekten ist es Ziel der internen Prüfung, frühzeitig Informationen über Abweichungen im Schweißprozess zu erlangen, um schon eingreifen zu können, bevor es zu Fehlern in der Schweißnaht kommt.

Bild 7: Vergleich der "Gleitenden Schwelle" mit den Festschwellen

Zusammenfassung

Mit der bei Europipe für die interne Ultraschallprüfung aufgebauten Anlage zur Schweißnahtprüfung ist es möglich, bei einer hohen Prüfgeschwindigkeit unter ungünstigen Prüfbedingungen eine Prüfung durchzuführen, die wirtschaftlich ist und die vom Kunden geforderte Prüfempfindlichkeit deutlich übertrifft. Dies wird durch eine "Gleitende Schwelle" in Kombination mit einem nachgeschalteten Punktbewertungssystem erreicht. Der daraus resultierende höhere Befund an belassbaren Anzeigen dient der Rückkopplung für den Schweißprozess, um stets höchste Qualitätsanforderungen erfüllen zu können.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net