DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Erfahrungen mit der Einführung der Gruppenstrahler-Prüftechnik für die Prüfung von Turbinen und Generatorwellen

Dietmar Thumser, Saarschmiede, Völklingen; Jürgen Meiser,
Saarschmiede, Völklingen; Günter Engl, intelligeNDT Systems & Services, Erlangen;
Bernd Gohlke, intelligeNDT Systems & Services, Karlstein;
Kontakt: D. Thumser, G. Engl

Zusammenfassung :

Für die Ultraschallprüfung von geschmiedeten Generator- und Turbinenwellen wurde die - bisher bei den Freiformschmieden praktizierte - konventionelle Prüftechnik durch ein Phased-Array-Prüfsystem ersetzt. Die Anzahl der - gemäß der geltenden Prüfvorschriften - benötigten konventionellen Prüfköpfe mit verschiedenen Einschallwinkeln konnte dadurch um den Faktor 5 reduziert werden. Durch das damit verbundene einfachere Prüfkopfhaltersystem und die Möglichkeit der praktisch gleichzeitigen Beaufschlagung mit verschiedenen Einschallwinkeln erfolgte eine erhebliche Verkürzung der Prüfzeit.

Das - auf dem SAPHIRplus Gerät - basierende Prüfsystem unterstützt den Prüfer durch einen strukturierten Aufbau der Prüfparameter und der Fahrprogramme in der Datenbank, sowie bei der Auswertung durch verschiedene online Darstellungen wie Ankoppelbild, A- und TD-Bilder, Vektorscan, Tomographie sowie der Möglichkeit der 3d-online-Visualisierung der Anzeigen.

Die Realisierung der Prüfanlage bei der Saarschmiede GmbH Freiformschmiede in Völklingen, sowie die Schulung des Kunden erfolgte innerhalb eines sehr kurzen Zeitfensters.

Seit September 2001 ist das System beim Kunden im Einsatz. über die Einsatzerfahrungen wird in diesem Beitrag berichtet.

Keywords :
Gruppenstrahler, Turbinenwellen, Generatorwellen, Tomographie, online

Einleitung

Als in der Mitte der 60er Jahre bei den damaligen Röchling´schen Eisen- und Stahlwerken die große Presse mit 40MN-Preßkraft in Betrieb genommen wurde, erfolgte der Einstieg in die Fertigung größerer Generator- und Turbinenwellen.

Abb 1: Wellen in verschiedenen Fertigungzuständen.

Heute zählt die jetzige Saarschmiede GmbH Freiformschmiede in Völklingen weltweit zu den führenden Herstellern von Kraftwerkskomponenten.

Auf der von 60MN auf 80MN verstärkten Presse werden jährlich ca 250 Wellen bis zu einem Durchmesser von 2000mm und Liefergewichten von 100t, aber auch 650 Scheiben, Zuganker, Hohlwellen und Wellenenden für Gasturbinen geschmiedet.

Reproduzierbarkeit und Datensicherung der Prüfergebnisse bei verbesserten Analysetechniken haben bereits frühzeitig die Inbetriebnahme einer automatischen Prüfanlage gefordert.

Der stetig steigende weltweite Energiebedarf von einer Wachstumsrate von 3,5% jährlich erfordert hier zusätzliche rationeller arbeitende Systeme.

So ist seit Herbst 2001 bei der Saarschmiede in Völklingen eine automatisierte Wellenprüfanlage mit Gruppenstrahlertechnik in Betrieb.

Prüfanforderungen

Den Kundenforderungen entsprechend werden die Bauteile in konturenarmer Geometrie geprüft. Interne Vorprüfungen erfolgen bereits nach der Bearbeitung des Schmiederohlings. Spezifikationsgerechte Prüfungen werden nach der Wärmebehandlung durchgeführt.

Für die Ultraschallprüfung stellt die Oberflächenqualität der Bauteile einen wesentlichen Beitrag dar. Vor allem bei der automatisierten Prüfung ist eine ein-wandfreie Oberflächenqualität der Bauteile unbedingt erforderlich.

Im allgemeinen werden Bauteile für die automatisierte Prüfung auf eine Oberflächenrauhigkeit von 6,3 Ra und feiner bearbeitet.

Abb 2: Wellenausführung für US-Prüfung.

Die Ultraschallprüfung erfolgt nach Kundenspezifikationen oder daraus erstellten Prüfanweisungen. Neben der exakten Beschreibung der Prüfdurchführung beinhalten diese Regelwerke auch die Anforderungen, die an das jeweilige Bauteil für die US-Prüfung gestellt werden. Ein entscheidender Faktor stellt hierbei die Nachweisgrenze dar. Beispielsweise sind sogar bei Bauteilen mit einem Durchmesser von 2000mm Nachweisgrenzen im Kern von 1mm zu erzielen.

Dies stellt dementsprechend sehr hohe Anforderungen an die Herstellungsprozesse der Schmiedestücke sowie an die Prüftechnik dar.

Um eine 100%-Volumenprüfung auf radial-axial orientierte Fehler gewährleisten zu können, wird das Bauteil in verschiedenen Einschallrichtungen abgefahren. Beispielsweise hat die Prüfung in radialer Richtung in einem Winkelbereich von 0° bis ± 28° sowie mit ± 45° zu erfolgen.

Abb 3: Einschallwinkel für die radiale Prüfung

Prüfkonzept

Die drei - bei Saarschmiede in Völklingen bisher für die Wellenprüfung - praktizierten Prüfkonzepte sind die manuelle Prüfung, die mechanisierte Prüfung mittels konventioneller Prüftechnik und - seit Ende letzten Jahres - die automatisierte Prüfung mit der Gruppenstrahlertechnik.

Die manuelle Prüfung in radialer Richtung im Winkelbereich von ± 28° erfolgt mit einem 0° Prüfkopf und mit insgesamt 4 Vorsatzkeilen. Dabei wird die Welle in neun einzelnen Prüfschritten abgefahren.

Bei der automatisierten Wellenprüfung mit der Gruppenstrahlertechnik dagegen werden die für den Winkelbereich von ± 28° benötigten Prüfköpfe bzw. Vorsatzkeile durch einen 0°-Gruppenstrahlerprüfkopf ersetzt.
Der 0°Gruppenstrahlerprüfkopf deckt mit seinem Schwenkbereich von +-28 Grad die Einschallwinkel 0, +-7, +-14, +-21 und +-28° ab. Somit können also neun konventionelle Prüfköpfe bzw. eine entsprechende Anzahl bei Nutzung von Vorsatzkeilen ersetzt werden. Damit wird das Prüfkopfsystem erheblich reduziert und die - gemäß Spezifikation vorgeschriebenen Einschallwinkel - können in einer Fahrt geprüft werden.

Abb 4: Prüfsystemvergleich zwischen konventioneller und Grst-Prüftechnik.

Implementierung

Die Implementierung bei der Saarschmiede erfolgte in verschiedenen Stufen.

Nach einer Recherche hinsichtlich des technischen Standes der angebotenen Prüfsysteme, erfolgten Systemdemonstrationen z.T. als Vorführung beim Hersteller, z.T. aber auch direkt an einer Welle Vorort bei Saarschmiede. Hierbei konnten die Systemeigenschaften wie auch die Lösung der Prüfaufgabe vorgeführt werden.

Neben den wesentlichen Aspekten der Systemperformance und der prüftechnischen Umsetzung wurden bei der Systemauswahl auch Punkte berücksichtigt wie

  • Lieferzeit (Auftragseingang bis Lieferung nur 2 Monate)
  • Berücksichtigung der Gegebenheiten in einem Stahlwerk z.B. erhöhte elektromagnetische Störungen, mechanische Stöße durch fahrende Meßkabine, Fremdstoffe in der Umgebungsluft etc.
  • Anpassungsmöglichkeiten an Saarschmiede-spezifische Wünsche - so war beispielsweise eine Quasi-Online-Tomographie-Darstellung Lieferumfang
  • die Möglichkeit das Prüfergebnis an den Kunden in elektronischer Form zu übergeben
  • Intensive Schulung der Anlagenbediener

Systemeigenschaften

Nachfolgend die wesentlichen Eigenschaften des Prüfsystemes, welches bei der Saarschmiede installiert wurde.

SAPHIRplus Prüfsystem ausgestattet mit :

  • 4 x 16 Kanäle
    • 3 Gruppenstrahler Prüfköpfe
    • 16 konventionelle Prüfköpfe
  • lineare und logarithmische Verstärker
  • Datenerfassung mit
    • HF- Daten / A-Bild-Einzug
    • Pixelierung
    • ALOK-Daten
  • Online-Datendarstellung von wählbaren Kanälen
    • 4 TD-Bilder simultan
    • A-Bild
    • Rückwand- / Ankoppel- C-Bild
    • Tomographiedarstellung
  • Offline Darstellungen von Tomographie & Projektionsbilder mit interaktiver Anzeigenbewertung
  • Selbstüberwachung und Kalibrierung

Abb 5: Online Darstellungsmöglichkeiten

Ein wesentlicher Punkt bei einer Prüfung sind die Online-Möglichkeiten, d.h. welche Informationen der aktuellen Prüffahrt stehen dem Anwender zur Verfügung. Der Anwender kann sich hierfür verschiedene Fenster derart auf dem Monitor plazieren, das er alle wesentlichen Prüffunktionen auf einen Blick überschauen kann.

Die Verfügbarkeit des Prüfsystemes stellt ein Qualitätsmerkmal dar, an welches kundenseitig hohe Ansprüche gestellt werden, da dieses eine direkte Auswirkung auf die Wirtschaftlichkeit des gesamten Fertigungsprozesses hat.

Um diesem Qualitätsanspruch gerecht zu werden sind in dem System neben einer Fernwartungsschnittstelle auch ein Kalibriermodul integriert.

Mittels des Kalibriermodules können per Button in der Bedienoberfläche alle Geräteparamter automatisiert innerhalb von wenigen Minuten überprüft werden. Das Ergebnis wird in Form von übersichttabellen mit den Soll- und Istwerten ausgegeben.

Damit ist auch eine jährliche Kalibrierung des Gerätes möglich, welche über den Deutschen Kalibrierdienst (DKD) auf die Standards der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) rückführ sind. Die Kalibrierung wurde darüber hinaus vom TüV in Deutschland und der Schweiz anerkannt.

Abb 6: Geräteverfügbarkeit.

Einsatzerfahrungen

Die umfangreichen Möglichkeiten des Prüfsystemes haben eine intensive Schulung, und Einarbeitung benötigt.

Im Anschluß stand aber eine erhebliche Vereinfachung bei der Bedienung der Anlage, vor allem durch die Datenbanken. In diesen werden für jede Welle die gesamten Daten- angefangen von den Parametern der Prüfköpfe über die Belegung des US-Systems bis hin zur Auswertung vorgehalten. Beim Wechsel von einem Wellentyp zu anderen werden die entsprechenden prüfspezifischen Daten aus der Datenbank aufgerufen.

Nachfolgend einige Auswertebeispiele von einer Testwelle. Die Testwelle beinhaltet zwei Durchmesser - 690mm und 978mm

Diese Tomographiedarstellung erfolgt quasi-online, d.h. nach jedem Abfahren einer Scheibe steht diese dem Anwender zur Verfügung. Der Anwender kann hierbei in den einzelnen Scheiben blättern, oder wie hier dargestellt mehrere Scheiben übereinander blenden, in diesem Fall die Scheiben 1 - 21. Bei einer Scheibendicke von 15mm wird hierbei ein Bereich von ca. 300mm dargestellt.

Online Tomographie.
Abb 7: Projektionsdarstellung
Abb 8: Projektionsdarstellung.

Die Spätheimkehrer, welche aufgrund der teilweise extrem geringen Schallschwächung auftreten, erfordern ein hohes Maß an die Planung des Prüfungsablaufes.

Ausblick

Nachdem das Gruppenstrahler-System SaphirPlus problemlos auf die bereits existierende Wellenprüfanlage installiert wurde und sich die Anlagenbediener in die Bedienung und die vielfältigen Möglichkeiten dieses Systemes eingearbeitet hatten, wurden bisher mehrere Wellen verschiedener Geometrien intern auf dieser Anlage geprüft. Der Vergleich der Ergebnisse mit denen der manuellen Prüfung ergab eine sehr gute übereinstimmung, so daß nunmehr die offizielle Qualifizierung des Gruppenstrahler-Systemes mit den Kunden der Saarschmiede durchgeführt werden kann. Erste Schritte in dieser Richtung sind bereits mit bestimmten Kunden erfolgt.

Basis der Qualifizierung stellt das Vorhandensein eines geeigneten Testkörpers mit definierten Reflektoren dar. Der Testkörper muß so geartet sein, daß er die Prüfproblematik von den auf dieser Anlage zu prüfenden Bauteilen wiederspiegelt. Aufgrund der Möglichkeiten des Gruppenstrahlersystemes im Hinblick auf automatisierte Prüfung könnte mit diesem System auch eine änderung bezüglich des bisherigen Abnahmekonzeptes vollzogen werden.

Die manuelle und mechanisierte Prüfung einer Welle dauerte - bei einem mittleren Wellentyp - im Schnitt ca. 8 Tage. Anschließend findet eine Abnahme der Welle durch den Kunden im Werk der Saarschmiede statt.

Ziel der Einführung der automatisierten Prüfung mit der Gruppenstrahlertechnik ist eine deutliche Prüfzeitreduzierung. Zusätzlich kann durch das Vorliegen und Zusenden der Prüfdaten an den Kunden die Vorortabnahme entfallen. Diese wird ersetzt durch die CAD4ZFP-Software, welche beim Wellenhersteller sowie beim Kunden vorhanden ist. Die Daten der automatisierten Prüfung werden an den Kunden elektronisch übermittelt. Dieser kann dann über die CAD4ZFP-Software die Prüfung nachvollziehen und die Abnahme erteilen.

Abb 9: Gläserne Welle mittels CAD4ZFP.

Dieses geänderte Abnahmekonzept führt zu einer Beschleunigung der Durchlaufzeiten und vermeidet durch die Datenverfügbarkeit auch Mehrfachprüfungen.

Eine kontinuierliche Produktpflege - in interaktiver Zusammenarbeit mit den Kunden und deren Feedback - im Bereich des Prüfsystems sichert auch zukünftig weitere Rationalisierung der Prüf- und Auswerteschritte.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net