DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Durchstrahlungsprüfung mit digitalen Aufnahmemedien an Schweißnähten

Hansgeorg Thiele, RADIS GmbH, Johanniskirchen;
Hans-Jürgen Friemel RADIS GmbH, Johanniskirchen
Kontakt: Dr.-Ing. Hansgeorg Thiele

Zusammenfassung:

Die neuen verfügbaren Aufnahmemedien eröffnen jetzt auch die Anwendung der digitalen Aufnahmetechniken für einige Bereiche der Schweißnahtprüfung.

Flachdetektoren mit 50µm Pixelgröße eignen sich für Rund- und Längsnähte im unteren Wanddicken- und Durchmesserbereich bei Anwendung von Röntgenstrahlung. Zeilendetektoren mit 83µm Pixelgröße für Röntgenenergien bis 250 keV eignen sich ebenso wie Speicherfoliensysteme mit Scannerauflösungen bis 12,5µm für beliebige Energien für bestimmte Abmessungsbereiche. Es wurde eine einheitliche Bedienungssoftware entwickelt, die den einfachen Wechsel zwischen den Systemen, verbunden mit einer nahezu automatischen Dokumentation ermöglicht, so dass nach der Belichtung bereits die fertigen Prüfberichte zur Verfügung stehen.

Es wird über die Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen dieser Systeme im praktischen Einsatz berichtet. Die erzielbaren Bildgüten, die in den meisten Fälle den Anforderungen der Prüfklasse B nach DIN EN 1435 entsprechen, und die Empfindlichkeiten der Systeme werden miteinander und mit der Filmaufnahmetechnik verglichen.

Betrachtungen zur Wirtschaftlichkeit zeigen das hohe Potential dieser neuen Möglichkeiten in den geeigneten Anwendungsbereichen.

Eigenschaften der ausgewählten Systeme:

Eine Voraussetzung für die Auswahl aus den am Markt erhältlichen digitalen Aufnahmesystemen war, dass die Pixelgröße <= 83 µm ist, damit die Systeme für die Schweißnahtprüfung geeignet sind. Außerdem sollten die Systeme möglichst auch mobil angewendet werden können. Zwei der gewählten Systeme, der Hamamatsu C7942 Flachdetektor (s. Bild 1) und das Speicherfoliensystem mit dem tragbaren Scanner VistaScan von Duerr (s. Bild 2) in Kombination mit Fuji ST 6 Speicherfolien können für mobile und stationäre Prüfungen verwendet werden, während die NTB digitale Röntgen-Zeilen Kamera (s. Bild 3 and 4) nur in stationären Einrichtungen angewendet werden kann. Die technischen Daten der gewählten Systeme sind in Tabelle 1 zusammengestellt.


Bild 1:Flachdetektor Hamamatsu C7942

Bild 2: Scanner VistaScan für Speicherfolien

Bild 3: NTB digitale Röntgen-Zeilenkameras 80 - 400 mm Länge

Die Flachdetektoren und die Speicherfolien können für die Aufnahmen ähnlich wie Filmkassetten am Prüfstück angebracht werden. Die digitale Röntgen-Zeilen-Kamera benötigt zusätzlich einen Manipulator, da die Kamera und die Strahlenquelle starr miteinander gekoppelt werden müssen (s. Bild 4), so dass das Prüfstück durch das Strahlenbündel hindurch bewegt werden kann oder die Strahlenquelle-Zeilenkamera-Kombination entlang der Prüflänge gefahren werden kann (s. Bild 5).


Bild 4: Prinzip für die Anwendung einer Zeilen-Kamera

Bild 5: Manipulator zum Scannen von Längsnähten in Rohren mit größerem Durchmesser

Der in Bild 5 dargestellte Manipulator zum Scannen von Längsnähten in Rohren mit größerem Durchmesser hat z.B. eine Länge von 3 Metern. Für die Röntgen-Zeilenkamera wird ein sehr eng ausgeblendetes Strahlenbündel in Scanrichtung verwendet, so dass der Kontrast nicht durch Streustrahlung beeinflusst wird. Durch das er forderliche Scannen ist die benötigte Belichtungszeit allerdings größer als bei den beiden anderen Systemen.


Flachdetektor Hamamatsu C7942 NTB digitale Röntgen-Zeilen Kamera Speicherfolien System Fuji ST 6 mit mobilem Scanner VistaScan (Duerr)
Technik CMOS CMOS Speicherfolien
Pixelgröße 50 µm 83µm ab 12,5 µm (Scanner)/86 µm (Speicherfolie)
Pixelauflösung 12 bit 12 bit 12 bit
Außenabmessung 200x200x30 mm 80x34mm
Länge: 80 - 960 mm
Kassette: max.320x430 mm
Aufnahmegröße 120x120 mm max. 960 mm x (abhängig von der Scanlänge) max. 320x430 mm
Gewicht 3 kg 2 kg Folie (240x300) in der Kassette:1 kg / Scanner: 16 kg
Eigenschaft eben, starr linear, flach, starr flach starr / flexibel
Energiebereich 10 - 150 kV 10 - 250 kV keine Einschränkung
Scanzeit 440 ms 1 - 4000 ms pro Zeile 50 sec (240x300 mm)
Belichtungszeit 30 s 300 mm Scanlänge: 5min (z.B. 86 ms pro Zeile) 30 sec
Dateigröße 10 MB abhängig von Scanlänge ca.10 MB abhängig von der Größe
Einsatz mobil / stationär stationär mobil / stationär
Scangeschw. - 1-2 mm/sec -
Tabelle 1: Technische Daten der verwendeten digitalen Radiographie-Systeme

Erreichte Bildgütewerte

Um die Eignung der Systeme für die Schweißnahtprüfung zu beurteilen, wurde die erreichbare Bildgüte gemessen. Die erste Messreihe erfolgte mit Aluminium Stufenteilen mit einem Dickenumfang von 1 bis 50mm. Die Durchstrahlungsenergie wurde zwischen 55 KV und 130 KV verändert, indem sie alle 5mm erhöht wurde. Der Röhrenstrom betrug 2 mA, die Belichtungszeit 30 sec bei Flachdetektor und Speicherfolie. Vergleichbare Filmbelichtungen benötigen 60 bis 180 sec. Die Länge der verwendeten Zeilenkamera betrug 320 mm. Die Aufnahmen mit der Zeilenkamera benötigten etwas längere Belichtungszeiten als vergleichbare Filmaufnahmen. Am jeweils oberen Ende für den Dickenbereich einer Bildgütezahl wurde ein Drahtsteg aufgelegt. Die Aufnahmen wurden am Bildschirm nach Einstellung des jeweils optimalen Schwärzungs- und Kontrastbereiches sowie des optimalen Zoom Faktors ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Bild 6 dargestellt. Die Treppenkurve zeigt die Bildgüteanforderung nach DIN EN 1435 Bildgüteklasse B. In nahezu allen Bereichen werden mit den untersuchten Systemen die Bildgüten nach Prüfklasse B erreicht. Lediglich bei Wanddicken <5mm kann die Bildgüte um 1 BZ niedriger liegen. Entsprechend der Pixelgröße ergeben die Aufnahmen mit dem Flachde tektor die besten Werte. Die Ergebnisse der Zeilenkamera liegen im Durchschnitt um 1 BZ niedriger, aber immer deutlich über den Anforderungen der Prüfklasse B. Die mit dem Speicherfoliensystem erhaltenen Werte erfüllen genau die Anforderungen nach Prüfklasse B. Messungen mit Stufenkeilen aus Stahl ergaben ähnliche Ergebnisse. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass die gewählten Systeme für die Schweißnahtprüfung geeignet sind.


Bild 6: erreichte Bildgütezahlen mit den angewendeten Systemen

Softwaresystem

Zur einfacheren Anwendung der verschiedenen Systeme wurde die Software einheitlich für alle Systeme entwickelt, so dass unter derselben Benutzeroberfläche (RADIS-System) die verschiedenen Systeme alle erforderlichen Funktionen für die Kalibrierung der Systeme, für die Belichtungssteuerung, die Bilddatenerfassung und -speicherung, die Bildbearbeitung, die Aufnahmeauswertung und die vollständige Prüfdokumentation bis hin zum Ausdruck des fertigen Prüfberichts zur Verfügung stellen (Bild 7).


Bild 7: Software Struktur des RADIS Systems


Bild 8:
Hauptfunktionen der RADIS System Software

Diese Software wird einheitlich für alle gewählten digitalen Aufnahmesysteme wie Speicherfolien-Scanner (RADIS 400), Fachdetektor (RADIS 401), Röntgenzeilenkamera (RADIS 402) angewendet. Um das gesamte System zu vervollständigen, wurde zusätzlich ein Filmscanner in das System eingebunden (RADIS 403), um auf die gleiche Weise bestehende Filmaufnahmen zu digitalisieren und zu verwalten. Unabhängig vom angeschlossenen Aufnahmesystem können die Aufnahmen auf jedem Rechner bearbeitet und ausgewertet werden. Die Hauptfunktionen des Software-Systems sind in Bild 8 dargestellt. Wenn die verschiedenen Aufnahmesysteme vollständig definiert sind (s. rechtes Fenster in Bild 8), wird das jeweils angeschlossene System über dieses Fenster ausgewählt. Aufnahmen, die mit dem gewählten System erstellt wurden, werden unabhängig davon, ob sie erneut geöffnet oder gerade neu erzeugt wurden, immer in der wahren Größe des Prüfstücks dargestellt (100% Zoomfaktor vorausgesetzt). Die SystemKalibrierfunktionen und der Start der Aufnahme (oder des Scannens im Fall des Speicherfolien-Systems werden über den Menüpunkt "Aufnahme" aktiviert. Die integrierten Bilddatei-Formate sind "bmp", "tif", "dig" und "RAW". Sie können über das Untermenü "Datei" geöffnet, gespeichert und ineinander umgewandelt werden. Die aktuellen Bildeinstellungen können gespeichert werden, so dass die Aufnahmen immer mit den gleichen, für eine Prüfaufgabe optimierten Einstellungen dargestellt werden, wenn eine Serie von gleichen Objekten aufgenommen werden soll.
Nach der Anzeige der Aufnahme auf dem Bildschirm, können verschiedene Bildbearbei-tungsfunktionen angewendet werden. Das Bild kann um verschiedene Winkel gedreht, gespiegelt oder invertiert werden und es können Markierungspfeile eingetragen werden.
In manchen Fällen kann die Erkennbarkeit von Details durch die Anwendung von Filter-funktionen oder einfärben verbessert werden. Diese Funktionen sind über die Untermenüs "Filter" und "Einfärben" erreichbar. Die Histogramm-Funktion erlaubt die Einstellung des dargestellten Schwärzung- und Kontrastbereiches. Die enthaltenen Zoom-Faktoren für die Vergrößerung oder Verkleinerung der dargestellten Aufnahmen oder Ausschnitte liegen bei Werten zwischen 25% und 600%.
Optimale Bedingungen für die Auswertung der Durchstrahlungsaufnahmen werden durch die Kombination von Zoom-Faktor und dargestelltem Schwärzungs- und Kontrastbereich erhalten. Bei der Anwendung dieser Funktionen bleiben die Originalaufnahmen aber unverändert. Die Einstellparameter werden für jedes Bild individuell in der Datenbank gespeichert.
Die Messfunktionen sind über das Untermenü "Messen" erreichbar. Es können die Grauwertkurve entlang einer mit dem Cursor gezogenen Linie, Abstände oder Fehlergrößen durch Markieren mit dem Cursor, die Wanddicke in der tangentialen Wandprojektion bei Rohren, wenn die Aufnahmegeometrie zum Bild vollständig eingegeben ist, und die Wanddickenabnahme senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung (z.B. bei Innenkorrosion inRohren) gemessen werden. Die gemessenen Wanddickenwerte werden in einer Liste angezeigt werden. Die Dokumentationsfunktion wird über das Untermenü "Dokumentation" aktiviert. Nach Aufruf der entsprechenden Erfassungsformulare können die vollständigen Informationen zum Prüfauftrag, zum Prüfobjekt und zu den Aufnahmedaten zu jeder Aufnahme eingegeben werden. Es können allgemeine

Datensätze zu Aufnahmeparametern definiert werden, die jeweils einer neuen Aufnahme mit gleichen Parametern automatisch zugeordnet werden können.
Direkt nach der Belichtung oder später nach erneutem Öffnen des Bildes kann die Schweißnahtauswertung und Bewertung mit Hilfe des Auswertefensters erfolgen (s. Bild 9). Nach der Auswertung kann sofort der vollständige Prüfbericht ausgedruckt werden (s. Bild 10). Das Berichtsformular ist als WORD-Dokument definiert und kann vom Anwender selbst geändert oder angepasst werden.


Bild 9:
Software Struktur des RADIS Systems

Bild 10:
Hauptfunktionen der RADIS System Software

Anwendungsbereiche und Grenzen

Die Anwendungsbereiche und Grenzen für die verschiedenen Systeme müssen anhand der max. durchstrahlbaren Wanddicke und der Geometrie der Prüfobjekte diskutiert werden.
Aus den maximal erlaubten Durchstrahlungsenergien (s. Tabelle 1) ergeben sich für die durchstrahlbare Wanddicke bei den verschiedenen Systemen folgende Werte (s. Tabelle2):


Flachdetektor NTB Zeilen-Kamera Speicherfolien-System
Aluminium-Nähte max. 70 mm keine Beschränkung keine Beschränkung
Stahl-Nähte max. 15 mm max. 40 mm keine Beschränkung
Tabelle 2: Anwendungsbereiche der verschiedenen digitalen Aufnahmesysteme

Aufgrund seiner Größe (s. Tabelle 1) ist der Flachdetektor zunächst anwendbar für alle Rundnähte mit Durchmessern bis zu 89 mm (Ellipsenaufnahmen). Ein Beispiel ist in Bild 9 dargestellt (Stahl-Rundnaht 21,3 x 1,6 mm, 110 kV, Belichtungszeit 30 s, optimierter Schwärzungs- und Kontrastbereich, Zoom 250%, 1mm Bohrungen, 1mm tief).
Für Längsnähte gibt es ebenfalls keine Einschränkungen für den in Tabelle 2 angegebenen Dickenbereich. Bei der Anwendung für Rundnähte mit größerem Durchmesser bestehen Unterschiede zu den Aufnahmeanordnungen für Filmaufnahmen, weil der Detektor starr und eben ist und nicht an die Rohrkrümmung angepasst werden kann. Betrachtet man die geometrischen Bedingungen wie in Bild 11 dargestellt, kann daraus abgeleitet werden, dass der Flachdetektor auch für Rundnähte mit Durchmessern von >=400 mm angewendet werden kann.


Bild 11: Geometrische Betrachtung bei der Aufnahme von Rundnähten mit dem Flachdetekor

Die aktive Länge des Detektors ist 120 mm. Aus der Nahtkrümmung resultiert ein max. Abstand zwischen Detektoroberfläche und Naht von 10 mm an den Aufnahmerändern, so dass dieser Abstand vernachlässigt werden kann, vorausgesetzt die Bedingungen für die geometrische Unschärfe werden auch an diesen Punkten eingehalten. Dieser Abstand zwischen Detektor und Schweißnahtoberfläche wird um so kleiner je größer der Nahtdurchmesser wird.
Als Beispiel zeigt Bild 12 die Aufnahme einer Rundnaht mit der Abmessung 400x18 mm mit dem Flachdetektor. Die Abbildung der Bohrungen an beiden Aufnahmeenden zeigen deutlich, dass keine erkennbare Verzerrung im Vergleich zu den Bohrungen in Aufnahmemitte aufritt.

Bild 12: Digitale Durchstrahlungsaufnahme einer Rundnaht (Aluminium 400x18 mm, Einwanddurchstrahlung, 60 kV, 30s, 1mm Bohrungen, 1mm tief, Zoom 250%)

Die digitale Röntgen-Zeilenkamera ist hauptsächlich für Längsnähte in der Rohrherstellung mit Wanddicken nach Tabelle 2 anzuwenden. Die erforderlichen Belichtungszeiten sind größer als beim Flachdetektor und beim Speicherfoliensystem (s. Tabelle 1). Die Belichtungszeit für das Abscannen eines 300 mm langen Längsnahtbereichs eines Stahlrohrs der Abmessung 21,3x1,6 mm in einer Fertigungslinie für Wärmetauscherrohre mit 110 kV benötigte z.B. 5 min bei einer Integration von 16 Bildern. Da das System nur in Verbindung geeigneten Manipulatoren angewendet werden kann, ist es allerdings nur in stationären Einrichtungen einsetzbar.
Der Anwendungsbereich für das Speicherfoliensystem ist weder durch geometrische Bedingungen noch durch Begrenzungen der Durchstrahlungsenergie eingeschränkt. Jedoch ist die Bildqualität etwas niedriger als bei den anderen Systemen.

Anwendung von Speicherfolien für die Prüfung von Rohrbodeneinschweißungen in Wärmetauschern

Ein neuer Anwendungsbereich für die Speicherfoliensysteme wird zur Zeit in einem Pilotprojekt in der Produktion von Wärmetauschern aus Aluminium untersucht. Die Prüfobjekte sind die Rohr-Rohrbodenschweißnähte im Wärmetauscherboden (s. Bild 13). Ähnliche Aufnahmen wurden bisher an Rohrböden aus Stahl unter Verwendung eines speziellen Ir 192-Arbeitsgerätes und gelochten Filmen hergestellt.
Die Filme sollen jetzt durch Speicherfolien ersetzt werden. Durch Aluminium als Werkstoff ist eine niedrige Durchstrahlungsenergie erforderlich, so dass eine Minifokus-Stabanodenröhre verwendet wird. Das Aufnahmeprinzip ist in Bild 15 dargestellt. Es wird eine kleine Speicherfolie (100x100 mm) in einer geeigneten Kassette verwendet, die in der Mitte gelocht ist. Der Lochdurchmesser ist an den Anodendurchmesser der Stabanode angepasst. Die Kassette mit der Speicherfolie wird auf der Schweißnaht positioniert. Die Stabanode wird in das zu prüfende Rohr eingeschoben und durch einen Ausgleichskörper zentriert. Die Durchstrahlungsrichtung ist rückwärts gerichtet. Zur Bildgüteprüfung wird ein Bildgüteprüfkörper, wie in Bild 14 dargestellt, verwendet. Dieser Bildgüteprüfkörper enthält Nuten und Bohrlöcher als künstliche Fehler. Die Testfehler haben folgende Abmessungen: Nutenbreite und -tiefe = 0,5 / 1,0 / 1,5 mm, Lochdurchmesser und -Tiefe ebenfalls = 0,5 / 1,0 / 1,5 mm. Die Testfehler werden zur Schweißnaht hin positioniert. Die geforderte Bildqualität ist erreicht, wenn alle Testsfehler auf der Aufnahme zu erkennen sind. Die Brennfleckgröße beträgt 50 µm. Die Aufnahmen werden mit 90 kV, 1 mA und einer Belichtungszeit von 15 sec belichtet.


Bild 14: Bildgüteprüfkörper für die Prüfung von Rohrbodennähten in Wärmetauschern

Bild 13:
Rohrbodennähte in einem Wärmetauscher


Bild 15: Prüfprinzip für die Beurteilung von Rohrbodennähten in einem Wärmetauscher

Bild 16:
Digitale Durchstrahlungsaufnahme mit Speicherfolien einer Rohrbodennaht

Bild 16 zeigt als Beispiel eine erhaltene digitale Aufnahme (Zoom 250%). Die Bildgüte ist vollständig erfüllt. Alle Testfehler sind zu erkennen. Die Speicherfolien können vielfach wiederverwendet werden, so dass ein erheblicher wirtschaftlicher Vorteil bei der Verwendung dieser digitalen Technik zu erreichen ist.

Betrachtung zur Wirtschaftlichkeit

Eine Kostenberechnung unter Berücksichtigung der Vollkosten für die Durchstrahlungsprüfung in einem Wärmetauscherproduktionsbetrieb zeigte, dass die Anwendung eines Flachdetektorsystems im Vergleich zur Filmaufnahmetechnik trotz der relativ hohen Gerätekosten erhebliche Kosteneinsparungen ergeben kann.


1000 Aufnahmen/Jahr 2000 Aufnahmen/Jahr 3000 Aufnahmen/Jahr
Filme (Format 10x48cm) 33,42 ?/Aufn. 30,06 ?/ Aufn. 28,27 ?/ Aufn.
digitale Aufnahmen mit Hamamatsu Flachdetektor 35,94 ?/ Aufn. 21,98 ?/ Aufn. 17,33 ?/ Aufn.
Tabelle 3: Ergebnisse eines Kostenvergleichs Flachdetektor - Filmaufnahmen

Dabei wurden für die Berechnung folgende Hauptunterschiede zwischen Film- und digitalen Aufnahmen berücksichtigt:

  • Kosten für Filmmaterial und Chemikalien
  • Kosten für die Chemikalienentsorgung
  • Filmverarbeitungszeit (Personalkosten)
  • Kosten für die Filmarchivierung
  • Kosten für die Dokumentation (Personalkosten)
  • Anschaffungskosten für das Detektorsystem (Abschreibung: 5 Jahre)
  • Wartungsvertrag für das Detektorsystem und das Softwaresystem

Die Unterschiede in der Belichtungszeit wurden nicht berücksichtigt, da sich die Gesamtprüfzeiten pro Schweißnaht einschließlich der Einrichtzeit nicht wesentlich unterscheiden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 wiedergegeben. Der Breakeven-Punkt liegt in diesem Fall bei etwa 1300 Aufnahmen pro Jahr (bezogen auf ein RADIS-401-System).

Schlussfolgerung

Erste Pilotprojekte zur Anwendung von digitalen Aufnahmemedien zeigten, dass die ausgewählten und zum RADIS-System zusammengestellten Systeme in Bezug auf die geforderte Bildgüte für die Schweißnahtprüfung geeignet sind. Die entwickelte RADIS Software verbindet alle Systemkomponenten unter einer einheitlichen Benutzeroberfläche und stellt sehr einfache Kalibrierfunktionen für die Systemkomponenten zur Verfügung. Beispiele für praktische Anwendungen und eine Kostenkalkulation zeigen das große Einsatzpotential der neuen Systeme. Ein weiterer großer Vorteil der digitalen Systeme sind die Möglichkeiten zum Zoomen, zur Einstellung des dargestellten Schwärzungs- und Kontrastbereichs bei der Aufnahmenbetrachtung sowie die Messmöglichkeiten bei der Auswertung der Schweißnahtaufnahmen, so dass die Anzeigenausdehnungen sofort und unabhängig vom aktuellen Zoom-Faktor ermittelt werden können.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net