DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Phased Array-Technologie für automatisierte Pipeline-Inspektion

J. Bosch, A. Hugger, J. Franz (GE Energy, PII Pipetronix GmbH, Stutensee, Germany)
S. Falter, Y. Oberdörfer (GE Inspection Technology Systems, Hürth, Germany)
Kontakt: Dr. rer.nat. Jürgen Bosch

Zusammenfassung

Ultraschallmolche, wie sie bis zum heutigen Tag für die Pipeline-Inspektion eingesetzt werden, arbeiten mit Sensoren, die aus einem einzigen Schwinger bestehen. Da diese Sensoren eine vorgegebene Schallrichtung haben und im Sensorträger fest eingebaut sind, sind diese Molche immer nur für eine bevorzugte Messaufgabe optimierbar.

Mit Phased Array-Technologie können verschiedene Messaufgaben gleichzeitig ausgeführt werden, z.B. Rissprüfung und Detektion von Materialverlusten, für die bisher zwei verschiedene Sensorträger erforderlich waren.

Mit einem Phased Array-Sensorsystem, wie es im neuen Pipeline-Inspektionsmolch UltraScan DUOTM angewendet wird, lassen sich sogenannte "virtuelle Sensoren" bilden, mit denen der Ultraschall in verschiedene Richtungen ausgesendet werden kann. Die Schall-Charakteristik kann hierbei so eingestellt werden, dass sie optimal auf das aktuelle Medium in der Pipeline und auf die gewünschte Messaufgabe angepasst ist.

Die Größe eines virtuellen Sensors und die Überlappung mit benachbarten Sensoren lässt sich optimieren, z.B. für die Messung von kleinen Lochfraß-Stellen.

Mit der Phased Array-Technologie, wie sie im UltraScan DUOTM-System realsiert ist, lassen sich höhere Inspektionsgeschwindigkeiten und bessere Defekt-Spezifikationen erzielen.

In diesem Artikel werden das Messprinzip und der Inspektionsmolch beschrieben sowie einige Prototyp-Messergebnisse vorgestellt.

Inhaltsverzeichnis

  • Einleitung
  • Begriffe
  • Das UltraScan DUOTM Arbeitsprinzip
  • Konventionelle Ultraschall-Technologie vs. UltraScan DUOTM Phased Array-Technologie
  • Das Entwicklungsprogramm für den UltraScan DUOTM
  • Anmerkungen zu einigen besonderen Entwicklungszielen
  • Lochfraß-Inspektion als Spezial-Anwendung
  • Schlussbemerkung

Einleitung

Pipeline-Betreiber investieren viel, um die maximale Sicherheit ihrer Pipeline zu gewährleisten. Für die Diagnose des Pipeline-Zustandes, z.B. für die Rissprüfung und die Detektion von Materialverlusten, kommen anspruchsvolle, zerstörungsfreie Prüfverfahren und -geräte zum Einsatz. Insbesondere für ältere Pipelines scheiden Druckprüfungen immer häufiger als Alternative zu zerstörungsfreien Inspektionsverfahren, wie z.B. Ultraschallprüfungen, aus.

Um unterschiedliche Messaufgaben zu erfüllen, werden bis zum heutigen Tag in der Regel unterschiedliche Inspektionsmolche mit den jeweils passenden Sensor-Anordnungen eingesetzt - mit entsprechend hohen Mobilisierungskosten und Förderausfall.

Messdaten, die mit unterschiedlichen Molchen aufgenommen worden sind, müssen allerdings erst einmal korreliert werden, bevor sie gemeinsam auswertet werden können. Verzichtet man auf diese Korrelation und wertet jede Inspektion isoliert aus, so besteht die Gefahr, dass Defekte, die in den Messdaten einzelner Inspektionen eigentlich sichtbar sind, wegen der mangelnden Eindeutigkeit übersehen oder falsch bewertet werden.

Aus diesen Gründen hat GE Energy die Entwicklung des Pipeline-Inspektionsmolches UltraScan DUOTM, welches auf der Phased Array-Technologie basiert, gestartet. Der Hauptvorteil dieser Technologie besteht darin, dass man die Größe, die Form und die Richtung des Ultraschall- Bündels mit elektronischen Mitteln steuern kann. Dies eröffnet ganz neue Möglichkeiten:

  • Rissprüfung und Korrosionsmessung kann gemeinsam in einem Lauf durchgeführt werden.
  • Größe und Überlappung der Ultraschall-Sensoren können elektronisch an die individuelle Messaufgabe angepasst werden.
  • Der Einschallwinkel des virtuellen Sensors kann entsprechend dem aktuellen Pipeline-Medium variiert werden.

Während der verschiedenen Entwicklungsphasen des UltraScan DUOTM-Systems konnte auf die Erfahrungen anderer GE-Abteilungen in der Anwendung der Phased Array-Technologie zurückgegriffen werden, z.B. auf bereits vorhandenen Lösungen im medizinischen Bereich und in der Fertigungskontrolle bei der Rohrherstellung.

Eines der Hauptmotive, um Phased Array-Technologie für die Pipeline-Inspektion zu adaptieren, ist die verbesserte Möglichkeit der Interpretation von komplexen Defektarten:

  • Erkennung von Rissen und Materialverlusten in Gebieten von Spannungsrisskorrosion.
  • Unterscheidung zwischen Lamination und Spannungsrisskorrosion.
  • Unterscheidung zwischen Materialverlusten und rissartigen Defekten.
  • Erkennung von hakenförmigen Rissen.

Die Vorteile, die ein neuer Pipeline-Inspektionsmolch wie der UltraScan DUOTM in Verbindung mit solchen komplexen Defektarten bietet, zeigt das folgende Bild:


Detektion und Identifikation von Materialverlust und Rissen innerhalb einer Spannungsrisskorrosion (links) und von hakenförmigem Riss (rechts)

Defekte wie "Spannungsrisskorrosion" oder "hakenförmige Risse" werden mit optimalem POD und POI detektiert, wenn an gleicher Stelle sowohl senkrecht als auch schräg eingeschallt wird.

Mit dem senkrechten Ultraschall-Bündel wird der flache, horizontale Teil der Materialverlust-Kontur bzw. des Hakenrisses erfasst. Die isolierte Interpretation der zugehörigen Ultraschalldaten führt zum Ergebnis, dass es sich hierbei lediglich um einen "reinen" Materialverlust oder um eine Lamination dicht an der Oberfläche handelt. Rissähnliche Indikationen gibt es hierbei nicht.

Mit dem schrägen Ultraschall-Bündel wird der Winkelspiegel eines Risses getroffen, was den sicheren Nachweis von Rissen ermöglicht. Allerdings lassen sich damit weder der Materialverlustg Anteil (im ersten Fall) noch die Ausdehnung des horizontalen Riss-Anteils (im zweiten Fall) mit der notwendigen Genauigkeit bestimmen.

Ein Ultraschall-Messgerät, das sowohl WM- als auch CD-Inspektion erlaubt, da es mit Senkrechtund mit Schrägeinschallung arbeitet, bietet die besten Möglichkeiten, um solche Defekte mit höchster Zuverlässigkeit zu identifizieren und zu vermessen. Der bisherige Stand der Technik erforderte für eine solche kombinierte Inspektion zwei eigene Inspektionsläufe. Die praktische Seite einer solchen Inspektion besteht in einem recht großen Korrelationsaufwand, der in besonderen Fällen sicherlich gerechtfertigt ist, obwohl damit viele Kosten verbunden sein können.

Eine Inspektion mit dem UltraScan DUOTM liefert die Ultraschalldaten von unterschiedlichen Messverfahren simultan und im gleichen Datenformat. Deshalb ist eine Korrelation nicht mehr notwendig.

Begriffe

CD = Crack Detection - Rissprüfung
POD = Probability of Detection - Detektionswahrscheinlichkeit
POI = Probability of Identification- Identifikationswahrscheinlichkeit
SCC = Stress Corrosion Cracking - Spannungsrisskorrosion
WM = Wall thickness Measurement - Wanddickenmessung

Das UltraScan DUOTM Arbeitsprinzip

Der UltraScan DUOTM benutzt Phased Array-Technologie. Zentraler Bestandteil dieser Technologie sind "Arrays" (=Reihen), die aus einzeln ansteuerbaren Sensor-Elementen zusammengesetzt sind. Die Art und Weise, wie diese Sensor-Elemente zur Schall-Emission angeregt werden, entscheidet darüber, welche Schallbündel-Form erzeugt wird und in welche Richtung der Schall-Impuls ausgesendet wird.

Wenn eine Anzahl von benachbarten Sensor-Elementen gleichzeitig zur Schall-Emission angeregt wird, wird ein senkrechter Schall-Impuls erzeugt. Im folgenden Bild (linke Seite) ist ein solcher "virtueller" Sensor für die Wanddicken-Messung (WM) dargestellt.


Links: Senkrechteinschallung für Wanddicken-Messung Rechts: Schrägeinschallung für Rissprüfung

Wenn eine Anzahl von benachbarten Sensor-Elementen mit einer bestimmten Zeit-Verzögerung nacheinander angeregt werden, entsteht ein schräger Schall-Impuls. Die Richtung dieses Schall- Impulses hängt von dem genauen Betrag der Zeitverzögerung ab.

In rechten Teil des obigen Bildes ist ein "virtueller" Sensor für die Rissprüfung (CD) dargestellt, dessen Sensor-Elemente so angeregt werden, dass der Schall-Bündel schräg nach rechts unter einem Winkel von 17° abgesendet wird. Im vorliegenden Fall ist das Zeitinkrement für die

Anregung der einzelnen benachbarten Sensor-Elemente positiv, d.h. das Sensor-Element links wird zuerst angeregt. Wäre das Zeitinkrement negativ, d.h. würde das rechte Sensor-Element zuerst angeregt, so würde der Schall-Impuls schräg nach links abgesendet.

Bei der Ultraschall-Messung einer Pipeline-Wand wird das "Phased Array", also der Block mit den zusammengesetzten Sensor-Elementen, in einem konstanten Abstand an der Rohrwand entlang geführt:


Links: Kein Signal-Echo in "sauberer" Rohrwand & Rechts: Signal-Echo vom Riss in der Rohrwand

Ein virtueller Sensor wird von der Ultraschall-Elektronik angeregt, in eine vorgegebene Richtung zu senden. Rissprüfung geschieht mit Schrägeinschallung. Hierbei durchdringt der Schall zunächst die Flüssigkeit, wird dann in die Rohrwand eingekoppelt und setzt dort seine Vorwärtsbewegung fort (siehe linker Teil des obigen Bildes).

Wenn ein Riss in der Rohrwand vorhanden ist, wird ein Teil der Schall-Energie reflektiert und vom selben virtuellen Sensor empfangen (siehe rechter Teil des obigen Bildes). Die Lage des Risses in der Rohrwand ergibt sich aus der Laufzeit des Ultraschall-Echos.

Jedes Sensor-Element im Phased Array wird von der Ultraschall-Elektronik individuell angesteuert. Deshalb kann jede beliebige Gruppierung von Sensor-Elementen als virtueller Sensor benutzt werden. In der praktischen Anwendung werden benachbarte, virtuelle Sensoren grundsätzlich mit einer gewissen Überlappung definiert.


Flexible Bildung von virtuellen Sensoren

Mit der Sensor-Überlappung erreicht man eine optimale Umfangsüberdeckung der Rohrwand. Darüberhinaus kann die Anzahl von Sensor-Elementen, die zu einem virtuellen Sensor kombiniert werden sollen, in Abhängigkeit von der Inspektionsaufgabe variiert werden. Eine Lochfraß- Inspektion kann z.B. mit viel "kleineren" virtuellen Sensoren durchgeführt werden als eine allgemeine Korrosions-Inspektion.

Der Sensorträger des UltraScan DUOTM enthält mindestens zwei Ringe von Phased Arrays (die Anzahl der Phased Arrays in einem Ring hängt vom Pipeline-Durchmesser ab).

Bild
Links: Abdeckung des Rohrumfangs & Rechts: Schematischer Aufbau des Sensorträgers

Die Phased Arrays auf dem Sensorträger sind so angeordnet, dass jedes Array einen bestimmten Abschnitt auf dem Rohrumfang abdeckt unter Berücksichtigung einer Mindest-Überlappung mit den benachbarten Arrays.

Konventionelle Ultraschall-Technologie vs. UltraScan DUOTM Phased Array-Technologie

Beide Technologien arbeiten mit Laufzeitmessung von Ultraschall-Impulsen, die von einem Sensor-System erzeugt und über eine Kopplungsflüssigkeit in die Rohrwand eingekoppelt werden.

Konventionelle Technologie:

Die grundsätzliche Form eines Schall-Bündels und seine Ausbreitungsrichtung sind bei der konventionellen Technologie für jeden Sensor fest. Das bedeutet, dass für jede Anwendung eine passende Sensor-Anordnung mechanisch realisiert werden muss.

Wenn Messbedingungen sich ändern, sind auch andere mechanische Lösungen für den Sensorträger erforderlich - dies beinhalted evtl. auch eine neue Auswahl von Sensor-Typen.

Phased Array-Technologie:

Bei der Phased Array-Technologie werden programmierbare, virtuelle Sensoren eingesetzt. Dies erlaubt es jedem individuellen, virtuellen Sensor, in verschiedene Richtungen zu senden und dabei auch die Charakterisitk des Schall-Bündels zu verändern, z.B. schmalere Schall- Bündel für Lochfraß-Inspektion.

In Inspektionsprojekten, bei denen die Mess-Eigenschaften des Pipeline-Mediums während der Vorbereitungsphase noch nicht klar sind, können die Einstellungen des Ultraschallgerätes noch am Einsatzort vorgenommen werden. Da alle Ultraschall-Einstellungen über Computer-Interface vorgenommen werden, sind keine mechanischen Veränderungen am Sensorträger oder manuelle Kalibrierarbeiten an den Sensoren und der Sensor-Elektronik notwendig.

Selbst wenn sich die Mess-Bedingungen während des Inspektionslaufes ändern, ist das Inspektionsgerät in der Lage, die momentanen Geräte-Einstellungen an die neue Situation automatisch anzupassen.

Das Entwicklungsprogramm für den UltraScan DUOTM

Die erste UltraScan DUOTM-Generation wurde konzipiert für die Inspektion von Pipelines mit Durchmessern von 24" bis 42".


Allgemeiner Aufbau des UltraScan DUO(tm) Inspektionsmolches

Die ca. 100 mm langen Phased Arrays sind jeweils aus etwa 200 Sensor-Elementen zusammengesetzt. Innerhalb dieser Randbedingung können virtuelle Sensoren in beliebiger Größe gebildet werden. Der Schall-Bündel lässt sich in jede vordefinierte Richtung steuern, also je nach Erfordernis senkrecht oder schräg in einem bestimmten Winkel.

Die Definition der virtuellen Sensoren ist immer so aufeinander abgestimmt, dass die Messdaten von Defekten und Anomalien sowie das Wanddickenprofil der Pipeline lückenlos und mit ausreichender Redundanz aufgenommen werden.

Die von den Phased Arrays erzeugten Daten werden während des Inspektionslaufs reduziert und komprimiert. Die gespeicherten Messdaten werden off-line analysiert anhand der A-, B- und CScan- Darstellungen.


Bild
B-Scan-Beispiel eines Risses, 25 mm lang, 1 mm tief

Die für die Pipeline-Inspektion relevanten technischen Eigenschaften des UltraScan DUOTM Systems sind im Vergleich zu herkömmlichen Mess-Systemen in vielen Punkten deutlich besser - sie sind in jedem Fall mindestens gleich gut - vor allem was POD, POI sowie die Auflösung und Genauigkeit des Messverfahrens betrifft.

Die Bildung der virtuellen Sensoren und die Art der Anregung werden während eines Molchlaufs in einem definierten Zyklus variiert, um die verschiedenen Defekttypen zu treffen, und zudem laufend an die aktuellen Messbedingungen angepasst. Somit wird eine stabile Inspektionsqualität für alle Arten von Defekttypen erreicht.

Hier die wichtigsten Zahlen der UltraScan DUOTMDefekt-Spezifikation:

  • Kleinste detektierbare Rissgröße: 25 mm lang, 1 mm tief,
  • Lochfraß ab ca 5 mm Durchmesser detektierbar,
  • Auflösung für die Wanddicken-Messung: 0.1 mm
  • Direkte Wanddicken-Messung bis zu einer Mindest-Restwanddicke von ca. 1mm.

Die kompakten Abmessungen der Phased Arrays und der zugehörigen Elektronik, sowie der geringere Stromverbrauch haben bewirkt, dass der UltraScan DUOTMrelativ kurz gebaut ist und 1.5Dx90°-Bögen passieren kann.

Dank der Fähigkeit, verschiedenartige Messungen gemeinsam durchführen zu können (kombinierte CD und WM-Inspektion), und dank der hohen Molchgeschwindigkeit wird die Störung des regulären Pipeline-Betriebs durch die Inspektion gering gehalten.

Anmerkungen zu einigen besonderen Entwicklungszielen

Ein Mess-System, das in einer Pipeline eingesetzt wird, muss mit den dortigen extremen Bedingungen zurecht kommen. Deshalb wurden für die Entwicklung der Komponenten des UltraScan DUOTM folgende Rahmenbedingungen vorgegeben.

  • Geringer Stromverbrauch und geringe Wärmeentwicklung.
  • Kleine mechanische Abmessungen.
  • Widerstandsfähigkeit gegen starke mechanische Belastungen, hohe Temperaturen und aggressive chemische Einwirkungen vom Pipeline-Medium.
  • Hohe akustische Sende- und Empfangsleistung der einzelnen Sensor-Elemente.
  • Minimales elektrisches und mechanisches Übersprechen der einzelnen Signal-Kanäle.
  • Hohe Homogenität und Alterungsbeständigkeit der Arrays.

Das Mess-System besteht im Wesentlichen aus folgenden funktionalen Elementen:

  • Phased Array-Sensorblock
  • Multiplexer
  • Ansteuer-Elektronik für die Phased Arrays
  • Datenaufbereitungs-Elektronik

Mit dem jetzigen Entwicklungsstand des UltraScan DUOTMwurden folgende Ergebnisse erzielt:

  • Der gesamte Stromverbrauch eines Phased Array-Sensorblocks einschließlich Multiplexer und Ansteuer-Elektronik beträgt nur ca. 10 W
  • In der Konfiguration für eine 24"-Pipeline werden mehr als 5000 Sensor-Elemente angesteuert und ausgewertet (zum Vergleich: in einem konventionellen Inspektionsmolch werden ca. 500 Kanäle verwendet). Deshalb war ein hoher Grad an Miniaturisierung und Parallelisierung der Mess-Elektronik notwendig. Darüberhinaus war es notwendig, die Elektroniken für die Impulsauslösung und die Datenaufnahme möglichst nahe an den Phased Array-Sensorblöcken unterzubringen.
  • Das Signal/Rausch-Verhältnis ist deutlich über 30 dB, selbst bei kleinen virtuellen Sensoren.
  • Die Phased Arrays sind für die rauhen Umgebungsbedingungen in der Pipeline geeignet - für komplexe Baugruppen, die aus mehreren Schichten von geklebten und vergossenen Materialien bestehen, ist dies eine besondere Herausforderung. Sie wurden intensiven Langzeit-Tests unterzogen, bei denen sie aggressiven, zersetzenden Pipeline-Medien mit hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt wurden.

Lochfraß-Inspektion als Spezial-Anwendung

Für die Detektion von kleinen Lochfraß-Stellen ist es notwendig, die technischen Parameter des Mess-Systems so zu verändern, dass folgendes erreicht wird:

  • Schlankeres Schall-Bündel; dies wird erreicht durch kleinere virtuelle Sensoren mit passendem Fokus.
  • Kürzerer Sensor-Abstand auf dem Pipeline-Umfang; dies wird erreicht durch eine hohe Anzahl von virtuellen Sensoren mit genügend Überlappung.
  • Kürzerer Schuss-Abstand in axialer Richtung; dies wird erreicht durch Erhöhung des Verhältnisses zwischen "Pulswiederholfrequenz" und "Molchgeschwindigkeit".

Durch Optimierung dieser drei Parameter kann der UltraScan DUOTM-Inspektionsmolch ohne Hardware-Änderung auf eine spezielle Lochfraß-Inspektion eingestellt werden, bei der Lochfraß- Stellen von halber Ausdehnung im Vergleich zur Standard-Inspektion detektiert werden.

Zur Unterstützung der Interpretation der Messdaten, z.B. bei sehr kleinen aber tiefen Lochfraß- Stellen, können komplette A-Scans der Defekt-Umgebung zusätzlich herangezogen werden.

Schlussbemerkung

Das folgende Bild fasst die wichtigsten Defekte, die mit dem UltraScan DUOTM detektiert werden können, zusammen:


Bild
Unterschiedliche Ultraschall-Bündel für unterschiedliche Defekt-Typen

Ein Prototyp des UltraScan DUOTM Inspektionsmolches wurde bereits erfolgreich in der Test- Pipeline von GE Energy in Stutensee gefahren. Für kommerzielle Inspektionsprojekte steht das UltraScan DUOTM-System ab dem 4. Quartal 2004 zur Verfügung.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net