DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Wanddickenmessung an großen Rohrdurchmessern mit Phased Array

C. Delhaes, S. Nitsche, Vallourec & Mannesmann Deutschland, Düsseldorf
O. Dillies, Vallourec & Mannesmann Frankreich, Déville
H. Lompe, G. Kauth, GE Inspection Technologies Systems, Hürth
Kontakt: Dr.-Ing. Christof Delhaes

INHALTSVERZEICHNIS

1. EINLEITUNG
2. PRÜFTECHNIK
3. ÜBERPRÜFUNG UND UMBAUZEITEN DER ANLAGE
4. PRÜFEMPFINDLICHKEIT UND REPRODUZIERBARKEIT
5. BETRIEBSERGEBNISSE UND ZUSAMMENFASSUNG

1. EINLEITUNG

Das Vallourec & Mannesmann Tubes Rohrwalzwerk Déville liegt nahe der nordfranzösischen Stadt Rouen in der Normandie. Das Werk fertigt nahtlose Stahlrohre im Abmessungsbereich von 177,8 mm bis 339,7 mm und im Wandbereich von 4,6 mm bis 32 mm. Im Zuge einer Erweiterung des Abmessungsprogramms von ca. 250 mm auf 339,7 mm wurden die Anlagen auf Massenproduktion umgestellt. Heute umfasst das Programm im Wesentlichen Futterrohre (Casings), Standardleitungsrohre und Leitungsrohre für Projekte sowie Vorrohre für Rohrbögen, Stahlflaschen und Druckbehälter.

Die hohen Anforderungen an das Produkt Stahlrohr in Bezug auf Druckfestigkeit, Dichtheit und Maßhaltigkeit setzen eine zuverlässige Qualitätssicherung voraus.
Die möglichen Folgen eines Bauteilversagens in Bezug auf Menschenleben, Umweltschäden und unübersehbarer Folgekosten erfordern eine 100% Einhaltung der Fertigungstoleranzen. Um diese Produkteigenschaften frühestmöglich zu ermitteln und ggf. korrigierend in den Fertigungsprozess eingreifen zu können, wurde ein "Multiprüfblock" (Bild 1) direkt hinter dem Kühlbett des Walzwerkes installiert. Der "Multiprüfblock" besteht aus einer Streuflussprüfung auf Längsfehler und Querfehler Typ AMALOG und SONOSCOPE von TUBOSCOPE und einer Wanddickenmessung mit Dopplungsprüfung Typ ROWA von GE Inspection Technologie Systems. Mit diesem Multiprüfblock werden zwei Aufgaben erfüllt. Zum einen dient die Anlage der Fertigungskontrolle, zum anderen können Produkte die im Walzzustand ausgeliert werden, eine Abnahmeprüfung erlangen. Der Standort der Anlage, so nah wie möglich am Walzwerk, ermöglicht das frühzeitige Erkennen von sich wiederholenden Fehlern und eine schnelle Reaktion darauf. Da sich zwischen dem Beginn der Fertigung, dem Drehherdofen, und der Prüfeinrichtung weniger als 100 "Rohre" im Prozess befinden, werden systematische Fehler z. B. durch Kaliberansätze oder Walzenbrüche an einem Umformaggregat frühzeitig erkannt, die Walzung gestoppt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.

Bei der Verbesserung des Walzprozesses und somit der Fertigungstoleranzen hat die Wanddickenmessung einen besonderen Stellenwert.

Durch die Rückmeldung der Ergebnisse an das Walzwerk wird ein "quality loop" erreicht. Die frühzeitige Messung in Kombination mit großen Walzlosen ermöglicht eine direkte Rückkopplung und somit eine stetige Verbesserung des Prozesses. Die Vorteile der ROWA (Rotierende Wasserankopplung) liegen sowohl in den Anschaffungskosten als auch in den Betriebskosten. Dem entgegen zeichnen sich EMUS Rotationsanlagen für diesen Abmessungsbereich durch hohen Serviceaufwand und einen erheblichen Sondenverbrauch aus, da hier Abstände vom Rohr zur Sonde von weniger als 2 mm einzuhalten sind. Im Gegensatz dazu fallen bei dem Dauerbetrieb der ROWA hauptsächlich Kosten für Gummidichtungen an, die vernachlässigbar gering sind. Die Phased Array Elemente sind durch eine Vorlaufstrecke vom mindestens 23 mm weit genug vom Rohr entfernt und unterliegen lediglich Ihrer natürlichen Alterung. Eine Unterteilung in Einzelarrays mit 32 Elementen ist außerdem günstig in den Service- und Betriebskosten.


Bild 1:
"Multiprüfblock" mit Transportrichtung von links nach rechts (Streufluß Längs-, Streufluß Queranzeigen, Ultraschall Wanddicke)

2. PRÜFTECHNIK

Die Phased Array-Technik in Verbindung mit den ROWA-Prüfmechaniken wurde bereits in mehreren Anwendungen erfolgreich eingesetzt. Neben der Vollmaterial-Prüfung an Stangen wurden auch Wanddickenmessungen an Rohren durchgeführt. Der bisherige Durchmesserbereich endete bei 177 mm. Mit der jetzigen Anwendung erweitert sich der Bereich bis 339 mm (Bild 2). Hier sind für die Zukunft auch noch größere Durchmesser denkbar.


Bild 2:
Die Mechanik für Außendurchmesser 177 bis 250 mm und 240 bis 339 mm

Stellten bislang die Anzahl der Phased Array-Kanäle - und damit die Anzahl der Prüfköpfe - die Grenze für den Prüfbereich dar, so bietet die Array Elektronik der zweiten Generation eine Vielzahl von Prüf- und Auswertekanäle.


Bild 3:
Übersichtsskizze "ROWA" für Wanddickenmessung

In Bild 3 ist das Prinzip der Prüfdatenermittlung und Verarbeitung wiedergegeben. Auf Details der Elektronik und der Auswerte-Algorithmen möchten wir an dieser Stelle nicht näher eingehen, da auf detaillierte Ausführungen bereits in einem anderen Vortrag eingegangen worden ist und in einem weiteren Vortrag dieser Tagung Erläuterungen gegeben werden.

Gleiche Problematik galt für die ROWA-Anwendung. Arbeitet die ROWA-Technik bei kleinen Abmessungen mit starren Führungsbuchsen, musste das Konzept für die großen Rohrdurchmesser geändert werden. Flexible Dichtblenden erlauben einen größeren Freiraum bei der Rohrauswanderung (Bild 4). Ein Vorbenetzungssystem sorgt für die konstante Ankopplung.


Bild 4: Prinzipskizze "ROWA-System"

Der Abstand vom Array zur Oberfläche variiert zwischen 23.0 und 72.5 mm. Ein konstanter Wassermantel wird durch die tangentiale Anordnung der Düsen gewährleistet (Bild 5).


(a)

(b)
Bild 5: Rotierender Wasserring mit Gummidichtblenden

In den zwei ROWA - Prüfmechaniken sind jeweils 6 sich mechanisch überlappende Prüfköpfe enthalten. Jeder dieser Prüfköpfe besteht aus 4 Blöcken, die wiederum 32 Einzelelemente beinhalten (Bild 6). Der virtuelle Prüfkopf kann aus 1 bis 32 Elemente bestehen; in der Praxis werden 5 (bis 8 Elemente) zusammengeschaltet. Mit dieser Konfiguration werden Schwingerbreiten von 9 mm (bis 14,4 mm) erreicht. Die Nahfeldlänge der 5 MHz Prüfköpfe liegt in Wasser dann bei 67 (bis 174 mm).
Der Abstand der Einzelelemente in den Arrays beträgt bei den beiden Mechaniken 1,31 mm bzw. 1,80 mm. Die Schwingerabmessung in Längsrichtung beträgt 10 mm.


(a)

(b)
Bild 6: 6 Phased Array Prüfkopfe; 4 Blöcke je Prüfkopf; 32 Elemente je Block

Die 6 Phased Array Prüfköpfe weisen in Umfangsrichtung eine Überlappung von 8 Grad auf. Zur Überlappung der virtuellen Prüfköpfe und der mechanischen Anordnung ist folgendes Taktschema umgesetzt worden (Bild 7). 42 Takte werden bei dem gezeigten Taktschema für die komplette Umfangsprüfung benötigt.


Bild 7: Taktschema

Mit der Teilung der Prüfkopf-Arrays in zwei Auswertebereiche ("PK1-A u. PK1-B") kann eine kürzere Taktfolge und somit eine höhere radiale Scan-Geschwindigkeit erzielt werden. Die Impulsfolgefrequenzen liegen bei 5000 bis 8000 Hz.

3. ÜBERPRÜFUNG UND UMBAUZEITEN DER ANLAGE

Es ist zu unterscheiden zwischen einem Dimensionswechsel innerhalb eines ROWA-Prüfmechanikbereichs oder einem erforderlichen Mechanikwechsel.

Bei einem Dimensionswechsel muss die Abdichtung der Wasserkammer gewährleistet sein, weshalb die 4 Dichtblenden ausgetauscht werden müssen. Hierzu können entweder nur die verschraubten Gummiringe ausgetauscht werden, oder vorbereitete Dichtsätze werden über Schnellverschlüsse geklemmt. In diesem Fall ist ein Umbau unter 3 Minuten problemlos realisierbar.


Bild 8:
Schneller Dimensionswechsel

Bei einem Dimensionswechsel mit Verschiebung der Mechanik muss die feste Prüfposition durch Lösen der Arretierung verlassen werden. Die Mechaniken werden horizontal über einen Spindelantrieb manuell verfahren (Bild 8). Der Wechsel der Mechaniken und der Abdichtung dauert maximal 5 Minuten.

Neben diesen mechanischen Arbeiten ist das Aufrufen eines neuen Datensatzes für die Prüfung erforderlich. Im Standardfall erfolgt ein Abgleich aller virtuellen Prüfköpfe an einem Testrohr bzw. Produktionsrohr mit bekannter Wandstärke.

Zu diesem Zweck werden die 6 Prüfköpfe einzeln angewählt und alle virtuellen Prüfköpfe eines Systems in einem Abgleichvorgang auf die gewünschte Signalhöhe verstärkt (Bild 9). Für diesen Vorgang werden maximal 5 Minuten benötigt und die Prüfung kann beginnen.


Bild 9:
Abgleich der virtuellen Prüfköpfe

Bei einer routinemäßigen Überprüfung oder bei einem Prüfkopf- (Blockwechsel) werden alle Einzelelemente mittels einer Normalisierung auf ein Niveau verstärkt.


Bild 10:
"Normalisierung" der Einzelelemente von den Prüfköpfen

Bei dem Vorgang der Normalisierung wird die Laufzeit mit dem dafür vorgesehenen Testring angepasst. Bei diesem Vorgang werden alle einzelnen Element verstärkt, so dass nach diesem Normalisierungsabgleich ein einheitliches Niveau vorliegt (Bild 10).

Die Normalisierung mit mechanischem Einbau des Testrings und der Dichtsätze dauert für alle 6 Prüfköpfe ca. 30 Minuten.

Falls 2 oder mehr nebeneinanderliegende Elemente eines Arrays defekt sind, wird ein Austausch erforderlich.

4. PRÜFEMPFINDLICHKEIT UND REPRODUZIERBARKEIT

Abnahmekriterium für die ROWA war eine lückenlose Wanddickenmessung über den gesamten Umfang bei einer Prüfgeschwindigkeit von 1,0 m/s. Die Reproduzierbarkeit von kleiner + 0,05 mm musste über den gesamten Abmessungsbereich gewährleistet werden.

Zur Überprüfung der Umsetzung dieser Vorgaben wurden drei Testrohre der Abmessung

  • 177,8 x 8,05 mm
  • 241,0 x 12,5 mm
  • 323,9 x 16,0 mm

mit Flachbodensacklochbohrungen (6,3 mm, 30 % Bohrungstiefe) und lokalen Wandreduzierungen (Fläche 1 Zoll; Beginn 100 mm vom Rohrende) gefertigt.

Bei 10 Durchläufen - die Rohre wurden gedreht - konnten alle Flachbodensackloch-bohrungen detektiert und die Wandreduzierungen innerhalb der geforderten Toleranzen nachgewiesen werden.

Außerdem wurden für ein weiteres Testrohr der Abmessung 219,10 x 9,5 mm fünfmal die Wanddickenwerte (Min-, Mittel- und Maxwert) über die gesamte Länge von 7 m ermittelt und zu 100 mm Längensegmente zusammen gefaßt. Somit liegen 69 Werte für die minimale, mittlere und maximale Wanddicke von jedem Durchlauf vor. Für jedes Segment wird die Differenz des größten und kleinsten Wertes für die (minimale, mittlere und maximale) Wanddicke gebildet.

Für die minimale Wanddicke ist in Bild 11 die Auswertung dieser Differenzwerte wiedergegeben. Der jeweilige prozentuale Anteil der Differenzwerte von den fünf Durchläufen ist als Balken zu entnehmen. Die Kurve gibt die aufsummierten Häufigkeitswerte z. B. 91% der Differenzwerte für die 69 Segmente sind innerhalb der Genauigkeit von 0,06 mm.


Bild 11: Hohe Reproduzierbarkeit

Bei dieser statistischen Beurteilung der Reproduzierbarkeit kann nicht immer sicher gestellt werden, dass genau die gleichen 100 mm langen Segmente miteinander verglichen werden. Die Reproduzierbarkeit wird unter diesen Voraussetzungen als sehr gut bewertet.

5. BETRIEBSERGEBNISSE UND ZUSAMMENFASSUNG

Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass unter Beachtung gewisser Randbedingungen eine Ankopplung des Ultraschallsignals problemlos ist. Diese Randbedingungen sind eine ausreichende Vorbenetzung sowie eine optimale Abdichtung durch Anpassung an die Rohrgeometrie unter Verwendung eines Gummimaterials mit entsprechender Flexibilität. Wenn das Material eine zu geringe Flexibilität aufweist, ist ein Pumpeffekt erkennbar. Ein offener Wasserkreislauf ist auf jeden Fall ratsam, da somit eine Abdämpfung des Ultraschallsignals vermieden wird. Beim Einschalten des rotierenden Wassermantels werden die durch Staubeinbringung verschmutzten Prüfköpfe gereinigt.

Das HF-Signal hat die charakteristische Besonderheit, dass sowohl das Eintrittsecho wie auch das Rückwandecho positiv anschwingen. Dies muss bei der Auswertung berücksichtigt werden.

Bei der Werksvorabnahme in Hürth am 13.02.2004 und der Inbetriebnahme in Déville wurden bei einer Prüfgeschwingidkeit von 1,0 m/s die 6,3 mm Flachbodensacklochbohrungen detektiert und die Wanddickenreduzierungen mit der spezifizierten Genauigkeit von maximal ± 0,05 mm in 10 Durchläufen ermittelt. Nach Inbetriebnahme und Schulung ging die Anlage am 17.03.2004 in den Probebetrieb. Seit der Endabnahme am 29.04.2004 wird in Déville problemlos geprüft.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net