DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Bestimmung der Exzentrizität von nahtlosen Rohren aus NE-Metallen

Michael Disqué, Rainer Becker, Norbert Both
Fraunhofer Institut Zerstörungsfreie Prüfverfahren, Saarbrücken
Kontakt: Dr. rer.nat. Michael Disqué

1. Abstract

Es wird ein Verfahren vorgestellt, um zerstörungsfrei die Exzentrizität von Rohren aus Ne-Metallen mit Wandstärken von 0.2 mm bis 2.0 mm und mit Rohrdurch-messern von 3.0 mm bis 20 mm kontinuierlich entlang des Rohres bei Prüfge-schwindigkeiten bis zu 3 m/s zu bestimmen.
Eingesetzt wird das Wirbelstromverfahren, wobei die Wandstärke der Rohre beim Durchlauf durch die Prüfstation mit einem feststehenden Wirbelstromsondenarray gemessen und in die entsprechende Rohrwandexzentrizität umgerechnet wird. Die erreichte Genauigkeit der ermittelten Exzentrizität beträgt 0.1.

2. Einleitung

Dünnwandige nahtlose Rohre sind Zieherzeugnisse. Ziehen ist eine Kaltumformung, bei der unter Verringerung des Querschnitts in Ziehwerkzeugen mit sich allmählich verengendem Einlauf eine entsprechende Verlängerung erreicht wird. Im Vergleich zum Strangpressen wird neben der Festigkeitssteigerung durch Kaltverfestigung eine höhere Maßgenauigkeit erreicht.

Beim Rohrziehen mit Dorn liegt der Dornkopf zentrisch in der Werkzeugöffnung, so dass der Werkstoff zwischen Dornkopfoberfläche und Werkzeugziehfläche hindurchfliesen muss. Auf diese Weise werden gleichzeitig der Außendurchmesser und die Wandstärke des Rohres verringert.

Ein Qualitätsmerkmal gezogener Rohre ist ihre Gleichwandigkeit. Ungleichwandigkeit tritt auf, wenn der Dornkopf während des Ziehens exzentrisch liegt. Ungleichwandigkeit oder Exzentrizität ist definiert als die Differenz der maximalen und minimalen Wandstärke in Umfangsrichtung normiert auf die Summe der maximalen und minimalen Wandstärke (Abb.1).. In der Praxis treten Exzentrizitäten im Bereich zwischen 0 und 0.1 (0 - 10%) auf.


Abb. 1 Definition Exzentrizität ( )

Qualitätsprüfungen werden hauptsächlich als mechanische Wanddickenmessungen am Anfang und am Ende eines Rohres durchgeführt. Die erreichbare Genauigkeit beträgt hierbei ca. 4 µm.

Sei einigen Jahren wird zur Wanddickenmessung von Rohren neben der Triangulations-Lasertechnik (erreichbare Genauigkeit < 1µm) die Durchstrahlungs-prüftechnik mit Röntgenstrahlen eingesetzt. Letztere kann Wanddickenwerte längs des Rohres messen, ist jedoch auf Rohre mit Außendurchmesser von mehr als 20 mm beschränkt.

3. Problemstellung und Ziele

Ziel ist ein Wirbelstrom(WS)-Prüfsystem, mit dem in der Produktlinie die Exzentrizität von Rohren unter den u.g. Randbedingungen gemessen werden kann.

Die Messung soll unter Einsatz von WS-Einzelsensoren (im weiteren WS-Sondenarray genannt) ohne mechanische Rotation der Sensoren durchgeführt werden.

Die Messgrößen sind der Maximal- u. Minimalwert der Wanddicke in Umfangsrichtung des Rohres. Daraus kann numerisch die Ungleichwandigkeit errechnet werden (siehe Abb. 1).

Prüfrandbedingungen und Forderungen:

Rohrwandstärke 0.2 - 2.0 mm
Rohrdurchmesser 3.0 - 20 mm
Prüfgeschwindigkeit bis zu 3 m/s
Rohrmaterial Kupfer Messing, Bronze, Neusilber
und Sonderlegierungen
Messpunktabstand < 5 mm
Messgenauigkeit (e ) 0.01 (1 %)

4. Prüfkonzept

Die Wanddicke der Rohre wird beim Durchlauf der Rohre durch die Prüfstation mit einem WS-Sondenarray aus vier, um 90° versetzten Umfangspositionen gemessen und in die entsprechende Exzentrizität umgerechnet. Das Array besteht aus vier Abtastsonden in Absolutschaltung, die in zwei Paaren mit jeweils zwei gegenüberliegenden Sonden unterteilt sind (Abb. 2).


Abb. 2: Sensoranordnung

Die beiden Paare sind in Achsrichtung der Rohre ca. 45 mm versetzt und in Umfangsrichtung um 90° gedreht. Der Versatz der Sensoren in Achsrichtung ist notwendig, da sich sonst die Sensoren für die Prüfung kleiner Rohraußen-durchmesser behindern würden.

5. Auslegung des Prüfsystems

In einem bestimmten, begrenzten Frequenzbereich ist die Impedanz der auf dem Rohr aufgesetzten Wirbelstromsonde eineindeutig mit der Rohrwandstärke korreliert. Die Impedanz des Messsignals ist zusätzlich von weiteren Rohrparametern wie der elektrischen Leitfähigkeit des Rohrmaterials, dem Rohrdurchmesser, dem Luftspalt zwischen Sonde und Rohr (Lift-Off) und dem seitlichen Versatz des Rohres aus dem Sondenzentrum beeinflusst.

Die Prüffrequenz wird so festgelegt, dass ein optimaler Zusammenhang zwischen der Impedanz des Messsignals und der Wandstärke gegeben ist. Dabei ist das Optimum bezüglich der Messempfindlichkeit unter Berücksichtigung von Störeinflüssen (insb. der Sensorabhebung) zu verstehen. Für die Optimierung der Prüffrequenz wurde kommerzielle Modellierungssoftware eingesetzt.

In Abb. 3 sind die so ermittelten optimalen Prüffrequenzen als Funktion der Rohrwandstärke für Kupfer, Messing, Bronze und Neusilber dargestellt. Man erkennt aus der Abbildung, dass bei dünnen Rohren aus Neusilber (Wandstärke < 0.4 mm) Prüffrequenzen größer 250 kHz zu Anwendung kommen. Dagegen sind die optimalen Prüffrequenzen für dicke Rohre aus Kupfer (Wandstärken >1 mm) kleiner als 3 kHz. Die eingesetzten Sensoren sind dementsprechend auszulegen.


Abb. 3: Prüffrequenz als Funktion der Wandstärke

Die beiden Sensorpaare des Sondenarrays werden im Zeit-Multiplex-Mode mit einem Prüfelektronikkanal betrieben. Die Umfangsabtastung erfolgt abhängig von den hier eingesetzten Prüffrequenzen mit mindestens 800 Hz. Bei 1.5 m/s Prüfgeschwindigkeit ergibt sich somit ein Messpunkabstand in Längsrichtung des Rohres von ca. 2 mm.

Die numerischen Operationen, die zur Bestimmung der Exzentrizität notwendig sind, erfolgen online im Prüfablauf in Zusammenarbeit eines Digitalen Signalprozessors, der Teil der im IZFP entwickelten WS98-Prüfelektronik ist, mit dem übergeordneten PC.


Abb. 4: Laborprüfaufbau

Abb. 4 zeigt den Laborprüfaufbau mit der Anordnung der Sonden und der Sondenträger. Daneben ist die Front-End-Elektronik abgebildet. Mit diesem Aufbau wurden die grundlegenden Laboruntersuchungen durchgeführt.

6. Auswertung

Die Messsignale zweier gegenüberliegender Spulen werden mit Hilfe eines Differenzverstärkers subtrahiert und im weitern als Messsignal (Prüfkanal 1) bzw. Messsignal (Prüfkanal 2) bezeichnet (siehe Abb. 2). Die phasenselektierte Amplitude A der beiden Prüfkanäle als Funktion des Umfangswinkels ist in Abb. 5 wiedergegeben. Sie kann aufgrund der gewählten Sensoranordnung als

    A = A1 sina      für Prüfkanal 1 und
    A = A2 cosa      für Prüfkanal 2
beschrieben werden. Durch Nachverstärkung werden die Maximalamplituden der beiden Prüfkanäle angeglichen: A1 = A2 = : A0 A0 ist proportional dem maximalen Wandstärkenunterschied in Umfangsrichtung und stellt daher eine Maß der Exzentrizität e dar (siehe Abb. 1). Bildet man die Summe der Quadrate der Amplituden der beiden Prüfkanäle so ist die Summe unabhängig vom Umfangswinkel des Rohres und daher ein Maß von e2.

    e2 sina2 + e2 cosa2 = K = constant = e2

    also:

    (MesssignalPrüfkanal 1)2 + (MesssignalPrüfkanal 1)2 ~ e2


Abb. 5 Messsignalamplituden Prüfkanal 1 und 2

7. Kalibrierung

Die Einstellung des Systems erfordert Vergleichs- oder Kalibrierkörper, welche die Vor-Ort-Prüfsituation hinsichtlich Geometrie und elektrischer Eigenschaften möglichst genau repräsentieren.

Für die Lösung der hier vorliegenden Prüfaufgabe wird für jede Wandstärke und jeden Außendurchmesser ein Rohrabschnitt benötigt, dessen Exzentrizität durch andere Messverfahren ermittelt wurde.

Im Kalibrierschritt werden die Amplituden der phasenselektierten Messsignale am Ausgang des beiden Differenzverstärker (wie in 6. beschrieben) angeglichen, quadratisch addiert und in eine Kalibrierkurve eingetragen. Alle Prüfparameter der einzelnen Kalibrierungen sind im System hinterlegt.

8. Ergebnisse

Zur Erprobung des Prüfsystems in der Produktionslinie wurde neben einer Sensorhalterung ein Rohrführungssystem in der Prüfstrecke integriert (Abb. 6).


Abb. 6:
Prüfsystem integriert in die Produktionslinie

Abb.7:
Bildschirmdarstellung der Ergebnisse

Abb. 7 zeigt beispielhaft das Ergebnis der Prüfung eines Rohres (Rohrlänge ca. 7 m, Außendurchmesser 18 mm, Wandstärke 1.0 mm). Im unteren Teil der Abbildung ist der Verlauf der Exzentrizität entlang des Rohres dargestellt. Im Feld darüber werden der Maximalwert, der Minimalwert, der Mittelwert und der Istwert der Exzentrizität angezeigt. Die Exzentrizität entlang des Rohres liegt zwischen 2.5 % und 4.5 %. Die mechanisch ermittelte Exzentrizität am Anfang und am Ende des Rohabschnittes wurde mit 4.0 % angegeben. Der Exzentrizitätsverlauf entlang des Rohres weist im mittleren Bereich eine deutliche Verringerung der Exzentrizität auf.

Bewertung der Ergebnisse

Die Genauigkeit der ermittelten Exzentrizität ist im Wesentlichen durch die Abstandsschwankungen des Rohres zum Sensor bestimmt. Kleinere Abstandsschwankungen verbessern deutlich die Genauigkeit. Die experimentell ermittelte Genauigkeit der Exzentrizität beträgt 0.08. Dies gilt unter der Voraussetzung, dass die Abstandsschwankung zwischen den Sensoren und dem Rohr bzw. der seitliche Versatz des Rohres aus dem Sondenzentrum geringer als ±0.5 mm sind.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net