Tuev Sued Ultraschall Pruefung

Herkömmliche Ultraschalluntersuchung: Bei steilen Flankenwinkeln und inhomogenen Materialien stoßen diese Methoden an ihre Grenzen.

Im Fertigungsprozess, während des Betriebs oder durch Instandhaltungseingriffe können in Bauteilen Materialdefekte entstehen. Ob eine Anomalie tolerierbar ist, hängt von den spezifischen Fehlstelleneigenschaften – Art, Größe und Lage des Fehlers – sowie von den anzunehmenden Auswirkungen auf die Integrität des Bauteils und deren Relevanz im Anlagenbetrieb ab. Voraussetzung für eine qualifizierte Bewertung ist eine exakte und reproduzierbare Fehlerdiagnose auf Basis zerstörungsfreier Prüfverfahren. Der Einsatz komplexer Bauteilgeometrien und neuer Werkstoffkonzepte zeigt jedoch zunehmend die Grenzen konventioneller Prüfmethoden auf: Insbesondere Aussagen zur realen Fehlergröße sind mit herkömmlichen Ultraschallverfahren oft nicht möglich.

Vor diesem Hintergrund entwickelten Experten von TÜV SÜD Industrie Service in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZfP) Saarbrücken und dem Spin-Off I-Deal-Technologies ein erweitertes mechanisiertes Ultraschallsystem, das Materialdefekte präzise ermittelt und dreidimensional abbildet.

Die reale Fehlergröße im Schnittbild

In Kraftwerken und Industrieanlagen stellt die Untersuchung von Engspaltschweißnähten in dickwandigen Bauteilen besondere Anforderungen an die eingesetzte Technik und die Expertise des Prüfers: Steile Flankenwinkel und begrenzte Verfahrwege schränken die Prüfkopfführung ein, zudem verfügen austenitische und physikalisch inhomogene Verbundwerkstoffe häufig über stark schallstreuende Eigenschaften. Aus diesem Grund sind Ultraschalluntersuchungen bislang ausschließlich mittels so genannter Sonderprüfverfahren wie TOFD (Time of Flight Diffraction) oder Tandemprüfung durchführbar.

Auf Grundlage des Sampling-Phased-Array Prinzips (SPA) kombiniert das jetzt neu entwickelte Verfahren des TÜV den Einsatz von Gruppenstrahlertechnik und SAFT-Rekonstruktion. Damit können selbst schwer differenzierbare Defektgebiete präzise detektiert werden, etwa dann, wenn zwei oder mehrere Fehler in einer Materialstruktur übereinander liegen. Die Schweißnaht wird gewissermaßen transparent.

Zentrales Instrument des neu entwickelten Prüfsystems ist der Prüfmanipulator. Gemeinsam mit einem Konstruktionsexperten entwarfen Ingenieure von TÜV SÜD eine innovative Manipulator-Technik und setzten diese zunächst in ein

Tuev Sued Pruefsystem

Neuartiges Prüfsystem: Der rotierende Prüfkopf ermöglicht die tomografische Darstellung einer Imperfektion, etwa in einer Schweißnaht.

einfaches modulares Design um. Der Manipulator besteht aus einer Ultraschallkopfhalterung mit Koppelwasserzuführung, die den Prüfkopf in rotierender Bewegung um die Schweißnaht führt. In Echtzeit und bei hoher Prüfgeschwindigkeit ermöglicht das Verfahren einen exakten tomographischen Fehlstellennachweis im Schweißnahtvolumen.

In der Prüfpraxis ist damit eine deutliche Durchsatz-Steigerung von Prüflingen realisierbar, ohne dass die Diagnosequalität sinkt. Gleichzeitig stellten die Experten bei der Entwicklung des Manipulators hohe Anforderungen an die Handhabungseigenschaften des Manipulators: So muss der Prüfkopf spiellos führbar und seine Positionierung exakt reproduzierbar sein. Dies vorausgesetzt, ist eine präzise Ergebnisbewertung und ermöglicht einen Datenvergleich bei wiederkehrender Prüfung.

Herkömmlichen Prüfverfahren überlegen

Um erste Abschätzungen über das Potenzial der neuen Mehrkanal-Methode im Industrieanlagen- und Kraftwerksbetrieb treffen zu können, unterzogen die Experten das Gesamtprüfsystem experimentellen Vergleichstests. Untersucht wurde die Diagnose-Güte des erweiterten SPA-Verfahrens im Vergleich zur konventionellen Röntgenprüfung. Dazu testeten die Ingenieure speziell angefertigte Engspaltschweißungen aus den Werkstoffen Alloy 617 und Alloy-C-263 auf typische Fertigungsfehler wie Flanken-, Lagen- und Wurzelbindefehler sowie Poren und Heißrisse. Die definierten Werkstoffeigenschaften sowie das zugrunde gelegte Herstellungsverfahren der Eng­spalt­schweißungen entsprachen dabei dem in der Praxis verbreiteten Standard.

Wie zuverlässig erkennt das weiterentwickelte Ultraschallsystem Anomalien im Werkstoff-Volumen? Wie präzise sind Berechnung und Visualisierung identifizierter Fehlstellen? Wie hoch ist die Aussagekraft der Ergebnisse für die Differenzierung zwischen kritischen und unkritischen Befunden? Im Testverfahren bestätigte das SPA-System seine Überlegenheit im Vergleich zur Röntgen-Methode, indem es alle natürlichen sowie künstlich erzeugten Defekte ab einem Querschnitt von 0,2 x 0,2 mm zuverlässig und mit hoher Tiefenschärfe detektierte.

Ob sich das Verfahren jedoch in der breiten Prüfpraxis durchsetzen kann, hängt maßgeblich von der Reproduzierbarkeit der Prüfungen ab. Um das SPA-System zur Qualitätssicherung bzw. im Rahmen des industriellen Risikomanagements einsetzen zu können, muss es den Prüfer befähigen, vorliegende Testergebnisse zu stützen und uneindeutige Befunde zu klären. Auf diese Weise kann es auch als Kontrollinstrument für konventionelle Prüfverfahren herangezogen werden. Im Test entsprach das System den Anforderungskriterien: Wiederholte Untersuchungen unter exakt gleichen Bedingungen bestätigten, dass die erfolgte Prüfung bei permanent angebrachtem Nullpunkt reproduzierbar ist.

Das neue Verfahren

Gruppenstrahler und SAFT-Rekonstruktion
Auf Grundlage des Sampling-Phased-Array Prinzips (SPA) kombiniert das neue Verfahren den Einsatz von Gruppenstrahlertechnik und SAFT-Rekonstruktion(Synthetic Aperture Focusing Technique).  Dabei senden und empfangen die piezoelektrischen Elemente eines getakteten Gruppenstrahlers Ultraschallechosignale in zeitlich versetzter Abfolge, sodass ein oder mehrere Schwingerelemente divergente Kugelwellen aussenden, während die übrigen Elemente das am Fehler gebeugte oder reflektierte Signal aufnehmen.
Zur Bildrekonstruktion werden die Empfangssignale aus unterschiedlichen Prüfpositionen algorithmisch verrechnet und mittels Visualisierungssoftware zu einem dreidimensionalen Schnittbild zusammengefügt. Das Ergebnis ist eine exakte tomographische Volumendarstellung, die unabhängig von Einschallwinkel und definierter Fokustiefe Aufschluss über die reale Größe eines Fehlers und dessen Lage innerhalb des Bauteils gibt.

Die Ergebnisse aus der Entwicklungs- und Testphase zeigen, dass das Sampling-Phased-Array-Verfahren auch bei komplexen Bauteilgeometrien und stark schallstreuenden Werkstoffen einen differenzierten Fehlstellennachweis liefern kann. Es bildet damit eine qualifizierte Grundlage für die Beurteilung der Fehlerrelevanz – also ob es sich bei der identifizierten Anomalie um einen kritischen oder unkritischen Befund handelt. Wie sich ein Defekt auf die Funktionsfähigkeit eines Bauteils auswirkt und welche Restlebensdauer daraus abgeleitet werden kann, ist im nachfolgenden Analyseprozess zu klären.

Allein auf Grundlage technologischer Parameter ist eine qualifizierte Fehlerbewertung jedoch kaum zu leisten. In modernen Fertigungsverfahren werden neue Werkstoffe immer höheren thermischen, statischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt. Gleichzeitig müssen Betreiber von Kraftwerken und Industrieanlagen den steigenden Sicherheitsanforderungen des Gesetzgebers nachkommen und ökonomische Zielsetzungen im Blick behalten.

In diesem Spannungsfeld ist das weiterentwickelte SPA-Verfahren als geeignetes Instrument zur Fehlerdiagnose einsetzbar. Darüber hinaus erfordert eine verlässliche Risikobeurteilung jedoch die weitreichende Kompetenz des Prüfers: Erfahrungswissen und Objektkenntnis bilden eine grundlegende Voraussetzung dafür, Befunde korrekt interpretieren zu können, ihre Entstehungsursache und die Konsequenzen für den Anlagenbetrieb einzuschätzen sowie operative Maßnahmen zur Verhinderung einer Defektausweitung zu veranlassen.

TÜV SÜD Industrie Service, Hans Christian Schröder, Jörg Schenkel