DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Querfehlerprüfung an Mischnahtverbindungen mit Ultraschall

G. Brekow, D. Tscharntke, V. Munikoti, A. Erhard, BAM-Berlin
Kontakt: Brekow Gerhard Dr.-Ing.

1. Einleitung

Im Jahr 2000 wurden in mehreren ausländischen Kernkraftwerken Schäden an Mischschweißverbindungen detektiert. Diese gepufferten Mischschweißverbindungen sind u.a. Verbindungsschweißnähte zwischen einem ferritischen, innenplattierten Stutzen am Reaktordruckbehälter und einem daran anschließenden austenitischen Rohr des Kühlkreislaufs. Weitergehende Untersuchungen haben dabei ergeben, dass es sich bei diesen Schäden um Spannungsrisskorrosion handelt. Die Risse gehen im Bereich von Schweißnaht und Pufferung von der Rohrinnenoberfläche aus und haben im wesentlichen eine Orientierung in Rohraxialrichtung. Diese Risse verlaufen quer zur Umfangsrichtung der Schweißnähte und werden als Querfehler bezeichnet.

In der Mischnaht wird der Rissnachweis mit Ultraschall durch die Grobkornstruktur, die Orientierung der Stängelkristalle und den hohen Grad an elastischer Anisotropie erschwert. Außerdem behindert die Pufferung zwischen ferritischem Grundwerkstoff und Schweißnaht die Ausbreitung der Ultraschallwellen.

Gegenwärtig durchgeführte internationale Forschungsarbeiten zur Verbesserung der Prüftechniken für den Nachweis von Spannungskorrosionsrissen zielen schwerpunktmäßig auf die Entwicklung verbesserter Signalverarbeitungsmethoden und auf optimierte Strategien für die Qualifizierung der Ultraschallprüftechnik [ 1 ]. Bei der am EPRI-Center [ 2 ] gegenwärtig vorgenommenen Qualifizierungsprozedur für die Prüfung von Mischschweißnähten werden Phased Arrays mit 4´7 Elementen, einer Frequenz von 1,5 MHz und einer Apertur von 12´20 mm eingesetzt.

Die hier vorgestellten Prüftechniken [ 3 ] benutzen eine Prüfkopfankopplung an der Rohraussenoberfläche und sind geeignet für das Auffinden von Fehlern an der Rohrinnenoberfläche und im innenoberflächennahen Bereich. Die parallel zu den experimentellen Entwicklungsarbeiten durchgeführten Modellrechnungen dienen zur Bestätigung der Messergebnisse.

2. Experimenteller Aufbau

Für den Querfehlernachweis in den Mischnahtverbindungen sind verschiedene Prüfkopfanordnungen unter Einsatz der Longitudinal- und Transversalwelle eingesetzt worden. Bei den Untersuchungen wurden Rohrtestkörper mit austenitischen und nickelbasislegierten Mischschweißnähten eingesetzt, die als Testfehler funkenerosiv eingebrachte Quernuten im Schweißnahtwurzelbereich hatten. Es wurden konventionelle Prüfköpfe und Gruppenstrahler-Prüfköpfe in V-und in Sende-Empfangs-Anordnung benutzt, die in den Bildern 1 und 2 schematisch dargestellt sind. Entsprechende Fotos auf den Bildern zeigen die Prüfkopfführungen am Außenumfang der Mischnähte. Die Prüfköpfe hatten dabei an die Krümmungen angepaßte Laufsohlen. Nur konventionelle Prüfköpfe mit kleinen Gehäuseabmessungen wurden auch ohne Laufsohlen benutzt. Für das Aussenden der Longitudinalwellen sind die konventionellen Winkelprüfköpfe mit entsprechenden Vorsatzkeilen umgerüstet worden.


Bild 1:
Querfehlernachweis bei der Mischnahtprüfung mit V-Anordnung

Bild 2:
Querfehlernachweis bei der Mischnahtprüfung mit SE-Technik

Die Testkörper mit den Mischschweißnähten wurden auf einem Drehtisch mit Motorantrieb mittig positioniert und bei den Messungen nach entsprechender manipulatorgestützter Prüfkopfankopplung an der Außenoberfläche in eine Drehbewegung versetzt. Zur Ankopplung diente Fließwasser. Die Positionsdaten des Drehtisches wurden über einen Weggeber an den Rechner des mit den Prüfköpfen verbundenen Gruppenstrahlergerätes weitergegeben, um dann den aufgenommenen A-Bildern positionsabhängig zugeordnet zu werden.

Die A-Bilder bildeten die Grundlage für die Ergebnisdarstellungen, auf die in den folgenden Abschnitten ausführlicher eingegangen wird.

3. Ausgewählte Messergebnisse

Mit einem SEL-Gruppenstrahler-Prüfkopf, der eine Prüffrequenz von 1,3 MHz hat, sind Messungen an der Mischnaht eines Testkörpers (JK14) durchgeführt worden, der eine Wanddicke von 38,5 mm, einen Krümmungsradius von 215 mm und Quernuten in der Mischnaht mit Tiefen von 2, 4 und 8 mm aufweist (siehe Bild 3).


Bild 3: Vergleichskörper JK 14 mit Mischnaht, Lage und Größe der Testfehler

Die Ergebnisdarstellung erfolgt in Form eines Echotomogramms, das aus den A-BildMessdaten rekonstruiert wird.

Das Prinzip der Messdatenverarbeitung bei der Rekonstruktion eines Echotomogramms ist in Bild 4 dargestellt. Die längs des Schallwegs aufgenommenen digitalisierten Echoamplituden werden in ein Pixelraster einsortiert, das zu einem feststehenden Pixel-Koordinatensystem gehört. Das gesamte mit Echoamplitudenwerten aufgefüllte Pixelraster bildet dann in einem Rekonstruktionsverfahren ein Querschnittsbild, das von der Signalverarbeitungs-Software erzeugt wird.


Bild 4: Prinzip der Echotomographie

In Bild 5 werden die verarbeiteten Messdaten wiedergegeben. Für die Erzeugung des Echotomogramms sind an jeder Einschallposition Einschallwinkel der Longitudinalwelle zwischen 28° und 38 ° in 1°-Schritten variiert und die zugehörigen A-Bilder aus allen 61 Fahrspuren überlagert worden. Die Anzeigen der 2, 4 und 8 mm tiefen Nuten sind in ihrer Lage an der Innenoberfläche deutlich zu erkennen. Die im oben genannten Bild erstellte Echotomogramm-Rekonstruktion basiert auf einem Algorithmus, der in jedem Pixelelement der dargestellten Querschnittsfläche jeweils die maximale Echoamplitude registriert.

In Bild 5 ist außerdem eine Seitenansicht aller Echotomogramme dargestellt, die für die insgesamt 61 Fahrspuren rekonstruiert worden sind. Die ungefähre räumliche Lage der Quernuten in Bezug zur Schweißnahtmitte wird durch diese Darstellung gekennzeichnet.


Bild 5:
Querfehlernachweis am JK14-Vergleichskörper mit einem SEL-Gruppenstrahler-Prüfkopf (1,3 MHz)

Bild 6:
Querfehlernachweis am JK 14-Vergleichskörper mit einem SEL-Gruppenstrahler-Prüfkopf (1,3 MHz), Echotomogramm mit nur einem Einschallwinkel: 35° Longitudinalwelle

Bild 7:
Querfehlernachweis am JK14-Vergleichskörper mit einem SEL-Gruppenstrahler-Prüfkopf (1,3 MHz - 35°Longitudinalwelle)

Bild 8:
Echotomogramm aus Messung mit Sende und Empfangsprüfkopf in V-Anordnung am JK 14 Vergleichskörper, Einschallwinkel 35° Longitudinalwelle

Wird das Echotomogramm nur aus den A-Bildern erstellt, die mit einem Einschallwinkel der Longitudinalwelle von 35° aufgenommen worden sind, sind nur die Anzeigen der 4 und 8 mm tiefen Nuten zu erkennen, wie das Bild 6 zeigt.

Wird das Messergebnis in Form eines TD-Bildes dargestellt, grenzen sich die Anzeigen der drei Quernuten erst dann deutlich aus dem Rauschuntergrund ab, wenn eine Echodynamik im Schallwegerwartungsbereich erzeugt wird, wie das Bild 7 wiedergibt.

Bei den Messungen mit V-Anordnung am Testkörper JK14 sind MWB-Prüfköpfe mit einer Prüffrequenz von 2 MHz eingesetzt worden. Der Einschallwinkel von 35 ° für Longitudinalwellen wurde durch einen angeklebten Vorsatzkeil realisiert. Das Messergebnis in Form eines Echotomogramms ist in Bild 8 dargestellt. Im linken Echotomogramm sind die Anzeigen der 2, 4 und 8 mm Nuten, wenn auch verrauscht, noch zu erkennen. Dies ist ein Echotomogramm, das mit dem MaximalwertAlgorithmus erstellt wurde.

Zwecks Verbesserung des S/R-Abstandes kann die Rekonstruktion auch durch Mittelwertbildung erstellt werden, bei dem ein Algorithmus verwendet wird, der in jedem Pixelelement der dargestellten Querschnittsfläche jeweils die gesamte während des Messvorganges registrierte Echohöhe, dividiert durch die Anzahl der Treffer, darstellt.

Bei Verwendung des Mittelwert-Algorithmus entsteht ein Echotomogramm, wie es im rechten Echotomogramm in Bild 8 zu erkennen ist.

4. Modellrechnungen

Begleitend zu den Messungen sind Modellrechnungen nach dem Schallstrahlverfolgungsverfahren vorgenommen worden. Hierbei wird berücksichtigt, dass die Textur der Mischschweißnaht anisotrope Eigenschaften aufweist. Die Richtung der Gruppengeschwindigkeit des Schallstrahls (des Energieflusses) weicht hier von der Richtung der Phasengeschwindigkeit ab.

Es wurde die Schallausbreitung mit Hilfe des Ansatzes ebener Wellen modelliert. Obwohl bei der Ultraschallprüfung gepulste und begrenzte Schallbündel verwendet werden, liefert dieser Ansatz die bei der Ultraschallprüfung beobachteten Wellenarten mit ihren Geschwindigkeiten und Polarisationen sowie die Phänomene der Reflexion, Brechung und Streuung an Korngrenzen.

Die Modellrechnungen wurden unter folgenden Randbedingungen durchgeführt:

  1. Es wird eine nach einer empirischen Formel bestimmte Stängelkristallitverteilung angenommen.
  2. für den Neigungswinkel in Schweißfortschrittsrichtung wird 10° angenommen
  3. die Korngrößen liegen im Mikrometerbereich
  4. die elastische Eigenschaften für Austenit und Inconel-182 stammen aus der Literatur.

In Bild 9 ist schematisch die Vorgehensweise der Methode wiedergegeben. Ausgangspunkt der Berechnung ist der Punkt A; auf halber Strecke bis zur nächsten Korngrenze wird die Brechung der Longitudinalwelle berechnet. Der abgelenkte Schallstrahl wird weiterverfolgt und auf halber Strecke bis zur nächsten Korngrenze wird erneut nach Vorgabe der örtlichen Stängelkristallitorientierung die Brechung des Schallstrahls berechnet. Diese Rechenschritte werden immer wieder wiederholt bis die gesamte Schallausbreitung erfasst ist.


Bild 9: Schema der Schallstrahlverfolgung bei der Modellrechnung

Mit diesem Modell kann numerisch vorhergesagt werden, ob für eine gegebene Prüfkopfposition die Schallstrahlen im anisotropen Werkstoff den Fehler treffen und wenn ja in welcher Richtung die Schallstrahlen reflektiert werden.

Dieses Verfahren wurde für die Modellrechnung am E-Stutzen-Vergleichskörper mit einer INCONEL 182 - Austenit - Mischnaht angewendet. Der E-Stutzen-Vergleichs-körper hat einen äußeren Krümmungsradius von 110 mm und weist bei einer Wanddicke von 35 mm Quernuten im Bereich der Mischnaht von 2, 5 und 8 mm Tiefe auf. Die Längsausdehnung der Querfehler erstreckt sich von der Schweißnahtmitte bis in die Pufferung. Die exakten Nutlagen sind in Bild 10 wiedergegeben. Die Berechnungen sind für den Nachweis der 8 mm Nut in der Schweißnahtwurzel durchgeführt worden. Es wurde davon ausgegangen, dass sich der Sende-Prüfkopf auf der Pufferung und der Empfangsprüfkopf auf dem ferritischen Grundwerkstoff befindet.


Bild 10: Lage und Größe der Testfehler am E-Stutzen-Vergleichskörper

Die Schweißnahtmitte befindet sich in Höhe der Fahrspur 193. Während in der Fahrspur 186 von den neun rechnerisch verfolgten Schallstrahlen, die das Schallbündel simulieren, zumindest noch vier nach der Reflexion an der Quernut zum Empfangsprüfkopf zurückkehren, gelangen in der Fahrspur 189 die am Querfehler reflektierten Schallstrahlen nicht zum Empfangsprüfkopf zurück. Der Einschallwinkel betrug hierbei 41°. Dieses Ergebnis ist eine Folge der Schallstrahlablenkung infolge des anisotropen Schweißnahtgefüges (siehe Bild 11 und 12).


Bild 11:
Modellrechnung für die Querfehlerprüfung am E-Stutzen-Testkörper, asymmetrische V-Anordung der Prüfköpfe

Bild 12:
Modellrechnung für die Querfehlerprüfung am E-Stutzen-Testkörper, asymmetrische V-Anordung der Prüfköpfe

5. Vergleich von Modellrechnungen und Messergebnissen

An der Mischnaht des E-Stutzen-Vergleichskörpers sind weitere Messungen durchgeführt worden, deren Ergebnisse mit den oben beschriebenen Modellrechnungen verglichen werden können. Die Mischnaht ist mit zwei MWB-Prüfköpfen in V-Anordnung geprüft worden. Die Prüfköpfe sind dabei im Bereich der gepufferten Schweißnaht in Umfangsrichtung außen um den Testkörper herumgefahren.Durch angeklebte Vorsatzkeile betrug der Einschallwinkel für Longitudinalwellen 35°.

Der Vergleichskörper besteht aus zwei Halbschalen, die bei den Messungen zusammengestellt worden sind. Das Echotomogramm in Bild 13 gibt die Anzeigen der 5 und 8 mm tiefen Nuten an ihrer jeweiligen Umfangsposition an der Innenoberfläche wieder. Die Anzeige einer 2 mm tiefen Nut ist ebenfalls schwach zu erkennen. Die Schallbündelreflexionen, die beim Überfahren der beiden Lücken zwischen den beiden Halbschalen entstehen, werden als Formanzeigen deutlich zur Anzeige gebracht.

Bild 13:
Echotomogramm von der Querfehlerprüfung an der Mischnaht des E-Stutzen-Vergleichskörpers mit zwei Prüfköpfen in V-Anordnung (MWB 35° Longitudinalwelle)

An diesem Testkörper sind Messungen mit symmetrischen und asymmetrischen V-Anordnungen der beiden MWB-Prüfköpfe durchgeführt worden. Die Asymmetrie bezieht sich hierbei auf die unterschiedlichen Abstände der Prüfköpfe zum Überschneidungsbereich der Schallbündel. Für den Testfehlernachweis sind mit diesen unterschiedlichen Prüfkopf-Anordnungen Messungen auf mehreren Fahrspuren in Umfangsrichtung durchgeführt worden. Bei asymmetrischen Prüfkopfanordnungen zeigen sich beim Nachweis der Querfehler deutliche Unterschiede in Abhängigkeit von der Fahrspur. Der erreichte Signal/RauschAbstand in der Fahrspur 186 beträgt 9 dB für den Nachweis der 8 mm Nut. In der Fahrspur 189 beträgt der Signal/Rausch-Abstand 0 dB. Dies ist in Bild 14 in zwei TD-Bildern dargestellt.

Bild 14:
Querfehlernachweis am E Querfehlernachweis am E-Stutzen auf unterschiedlichen Fahrspuren zur Schweißnahtmitte

Dieses Ergebnis wird durch die Modellrechnungen zumindest in der Tendenz bestätigt.

6. Zusammenfassung

Die Messungen sind mit Longitudinalwellen durchgeführt worden. Für den Querfehlernachweis sind Prüfköpfe mit festem Einschallwinkel in V-Anordnung sowie SEL-Gruppenstrahler-Prüfköpfe benutzt worden. Bei der V-Anordnung sind in Bezug zur Mischnaht symmetrische und asymmetrische Prüfkopfstellungen eingesetzt worden.

Es können anhand der vorliegenden Ergebnisse folgende Empfehlungen gegeben werden: Die Prüffrequenz ist zwischen 1 und 2 MHz zu wählen.

Die Einschallwinkel sind an Wanddicke und Rohrkrümmung anzupassen. Bei konventionellen Prüfköpfen betrugen die Einschallwinkel meist 35° oder 45° für Longitudinalwellen. Bei den Gruppenstrahler-Prüfköpfen wurden Einschallwinkel variationen vorgenommen, wobei die Variationsbereiche zwischen 28° und 38° lagen.

Die Ergebnisdarstellung sollte in Form von TD-Bildern oder aus rekonstruierten Echotomogrammen vorgenommen werden, die aus den aufgenommenen A-Bildern erstellt werden können. Während die TD-Bilder vor allem zur Darstellung der Laufzeitdynamik der Reflektoranzeigen dienen, kann anhand der Echotomogramme die Lage der Reflektoren am Innenumfang der Testkörper bestimmt werden. Bei Überlagerung der Echotomogramme aus mehreren Fahrspuren oder nach Messung mit mehreren Einschallwinkeln durch Einsatz der Gruppenstrahlertechnik kann in einigen Fällen auch eine Verbesserung des S/R-Abstandes erreicht werden. Die Echotomogramme eignen sich für die Messdaten-Auswertung aller eingesetzten Prüfköpfe.

Bei der Erstellung von Echotomogrammen aus mehreren Fahrspuren kann die seitliche Ansicht dieser nebeneinander dargestellten Echotomogramme die axiale Lage der Fehler in Bezug zur Schweißnahtmitte wiedergeben.

Die Ergebnisse der Modellrechnungen nach dem Schallstrahlverfolgungsverfahren stimmen trendweise gut mit den Messergebnissen überein.

Wir danken der VGB Power Tech Service GmbH für die Unterstützung dieser Untersuchungen im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsvorhabens.

7. Literatur

  1. Signal processing in qualified inspections of stainless steel welds : the SPIQNAR project; B.J. Dikstra, N.B.Cameron, 8 th ECNDT, Barcelona 2002
  2. Phased Array UT Technologies for Nuclear Pipe Inspection Productivity and Reliability; D.E. MacDonald, J.L. Landrum, M.A. Dennis, G.P.Selby, EPRI NDE Center, USA, 3rd International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components, 14-16 Nov. 2001, Sevilla
  3. Abschlussbericht der BAM Nr.: BAM-VIII. 41-03/2003, VGB-Kennziffer : SA "AT 01/02 " vom 31. März 2003

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net