Fehlernachweis und -größenbestimmung in elektronenstrahlgeschweißten Kupferbehältern mit Hilfe von PA-SAFT

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1 DGZfP-Jahrestagung 2013 Mo.3..2 Fehlernachweis und -größenbestimmung in elektronenstrahlgeschweißten Kupferbehältern mit Hilfe von P-SFT Rainer OEHM*, Daniel RCKROCK*, Gerhard REKOW*, arne LIPPONEN**, Hans-Joachim MONTG*, Jorma PITKÄNEN*** * M undesanstalt für Materialforschung u. prüfung, Kontakt: Rainer.oehm@bam.de ** VTT-Technical Research Centre of Finland, *** Posiva Oy Kurzfassung Für die Endlagerung von ausgebrannten rennstäben aus finnischen Kernkraftwerken sind Kupferbehälter vorgesehen, bei denen eine Elektronenstrahlschweißnaht für den sicheren Verschluss zwischen dem rohrförmigen Teil und dem Deckel sorgen soll. n Referenzfehlern und natürlichen Schweißnahtfehlern wurden umfangreiche Messungen mit einem Phased rray (P) Ultraschallprüfsystem durchgeführt. Die uswertung kann konventionell erfolgen. Es wurden jedoch HF--ilder gespeichert, die SFT- Rekonstruktionen zulassen. Die so erzeugten SFT-ilder mit ortsrichtiger Zuordnung der Echoquellen erleichtern die uswertung erheblich. ufgrund der Zylindergeometrie spart es viel Zeit, wenn der SFT-lgorithmus in Polarkoordinaten rechnet. ußerdem erhält man daraus direkt die Daten für das ild der bwicklung (Tiefe und Winkel). Der Signal-Rausch-bstand wird erheblich verbessert, so dass z.. eine 0.4 mm Querbohrung im SFT-ild deutlich detektiert werden kann, nicht jedoch im TD-ild. Für KSRs wird die direkte Größenbestimmung des Durchmessers gezeigt. Erwähnenswert weil interessant sind zusätzliche nzeigen im SFT-ild in zwei Fällen: 1) Die ilder von Querbohrungen sind z.t. von jeweils einem Kreisbogen umgeben. us dessen Radius und Winkelausdehnung ist zu schließen, dass er durch Umwegreflexionen zwischen der ohrung und der prüfkopfzugewandten Oberfläche verursacht wird. 2) n Nuten, die als künstliche Referenzen für rissartige Fehler dienen, zeigten sich kürzere bogenförmige nzeigen um die Winkelspiegelanzeige herum, die durch Schallwege mit Wellenumwandlung erklärbar sind. Die verwendete P-SFT Prüftechnik hat folgende Vorteile sie verwendet normale -ilder (HF) mit vielen Einschallwinkeln eines konventionell angesteuerten Phased rray Prüfkopfes sie liefert ortsgetreue ilder, hohe laterale Ortsauflösung und verbessertes SNR SFT in Polarkoordinaten spart Rechenzeit und erzeugt bwicklung Richtungsfilterung sehr einfach (z.. zur Unterdrückung der RW- nzeige) ist bei stark streuenden Materialien besser als konventionelle Technik Lizenz: 1

2 Fehlernachweis und -größenbestimmung in elektronenstrahlgeschweißten Kupferbehältern mit Hilfe von P-SFT Prüfaufgabe auteilgeometrie, Messanordnung, Werkstoff Kupfer: Grobkorn, Schallschwächung und Streuanteil kleines Signal/Rausch Verhältnisses (SNR), SFT ildgebung und Verbesserung des SNR P-SFT, Prinzip, esonderheiten Darstellung, uswertealgorithmus für Zylindergeometrie Ergebnisse Fehlernachweis und -größenbestimmung, eispiele zusätzliche Echos, Umwege und Wellenumwandlung R. oehm, D. rackrock, G. rekow, H.-J. Montag, M. Kreutzbruck, M erlin 1 J. Pitkänen, POSIV,. Lipponen, VTT hermetisch geschlossener Kupferbehälter für die Endlagerung von Kernbrennelementen Kernbrennelement im Gusseisernen Insert Drehtischmanipulator für Tauchtechnik Kupferzylinder Ø = 1 m, H= 5 m Kupferdeckel Testkörper und Prüfkopf ehälter und Testkörper 2 2

3 kleiner Prüfkopf bzw. Einzelelement große Divergenz des Schallbündels geringe Empfindlichkeit und SNR (fast) keine Richtungsinformation Gruppenstrahlerprüfkopf normale Divergenz und Empfindlichkeit und Richtungsinformation Winkelbereich durch Schwenken des S Phased rray SFT 3 kleiner Prüfkopf bzw. Einzelelement große Divergenz des Schallbündels geringe Empfindlichkeit und SNR (fast) keine Richtungsinformation Gruppenstrahlerprüfkopf Schwenkwinkelbereich ist vergleichbar mit der Divergenz des Einzelelements Phased rray SFT 4 3

4 Gruppenstrahlerprüfkopf an jedem Messpunkt wird das Schallbündel geschwenkt Prüfkopfbewegung zusammengesetzte Reflektorfläche, Kreise markieren nur den Ort einzelner Teile Phased rray SFT 5 Rekonstruktion der Reflektoroberfläche s,α mplitudenkorrekturfunktion Schallweg, Einschallwinkel Phased rray SFT 6 4

5 Schweißnahtbereich 45,5 auteilskizze Scan in Umfangsrichtung, Lineararray 128 El. der auteilkrümmung angepasst, 3.5 MHz, pitch 1 mm, Schwenk bis ± 40, c = 4700 m/s Deckel Zylinder Spurversatz ehälter und Testkörper 7 Prüfkopf Fahrt in Umfangsrichtung - a + a ROI ildbereich SFT Rekonstruktion in kartesischen Koordinaten 7 Punktreflektoren auf einem Radius Tiefe / Radius das ild zeigt die bwicklung Winkel Rücktransformation in kartesische Koordinaten Für die Zylindergeometrie ist die SFT -Rekonstruktion in Polarkoordinaten um vielfaches schneller Darstellung in kartesischen Koordinaten kustische und elektromagnetische Rekonstruktionsalgorithmus und Darstellung, Simulation 8 5

6 Querbohrungen Fahrt in Umfangsrichtung Linear rray Deckel Zylinder Spurversatz Fahrweg (ogenmaß) mm Spurhöhe mm, Radius mm SFT - ild: bwicklung, Fahrweg [ ] Ergebnisse, Querbohrungen 9 H 13 Ø 1 3 mm Fahrt in Umfangsrichtung H 12 Ø 0,52 d H 11 Ø 0,4 H 13 Ø Querbohrung H 12 Ø 0, H 11 Ø 0, Deckel Zylinder sonstige nzeigen aus der Schweißnaht -5 SFT - ild -ild und TD-ild bei a = 0 kustische und elektromagnetische Ergebnisse, Querbohrungen 10 6

7 Fahrt in Umfangsrichtung 4,6 FR9 FR8 4,5 4,7 FR FR8 Linear rray l = 4.7 / 3.5 = 1.33 mm PL 100 Ergebnisse, Kreisscheibenreflektoren 11 2,1 FR3 12,0 FR3 Fahrt in Umfangsrichtung 1,7 FR2 FR2 7,5 FR2 ild, a = 0 4, FR8 Linear rray 2,0 FR1 9,0 FR1 PL 100 SFT - ild TD ild, a = 0 Ergebnisse, Kreisscheibenreflektoren 12 7

8 Fahrt in Umfangsrichtung, Q F 22-27, ohne Schweißnaht d=5 d=3 d=2 d=5 d=3 d= F 27 F26 F25 F24 F23 F22 SFT-ild: bwicklung kustische und elektromagnetische Ergebnisse, Querbohrungen 13 Fahrt in Umfangsrichtung, Q F 22-27, ohne Schweißnaht Einschallwinkel a = -40 bis 40 d=5 d=2 d=5 d=3 d=2 Einschallwinkel a = -40 bis 0 28 F 27 F26 F25 F24 F23 F22 16 SFT-ild: bwicklung kustische und elektromagnetische Ergebnisse, Querbohrungen 14 8

9 Fahrt in Umfangsrichtung, Nuten NR1-NR7 2, , 6 4,9 NR6 NR5 NR4 NR3 NR7 NR6 NR5 NR4 NR3 NR2 NR1 SFT-ild: bwicklung, Testreflektoren Nuten NR1-NR7 Ergebnisse, bgerundete Nuten 15 Fahrt in Umfangsrichtung, Nuten NR5 NR3 NR5,NR4,NR3, -40 bis +40 NR5,NR4,NR3, -40 bis -10, +10 bis +40 NR7 NR6 NR5 NR4 NR3 NR2 NR1 SFT-ild: bwicklung, Testreflektoren Nuten NR5 NR3 Ergebnisse, bgerundete Nuten 16 9

10 Fahrt in Umfangsrichtung, Nuten NR1-NR7 2, , 6 4,9 NR6 NR5 NR4 NR3 trans 20, 67 mm long 20, 67 mm Schwenkwinkel 40 long ildpunkt 40, 103 mm LLT-Weg? bschätzung anhand der Skizze s Long = 103 mm Schalllaufweg a Long = 206 mm a Long = a1 Long + C L /C T * a2 Trans NR7 NR6 NR5 NR4 NR3 NR2 NR1 a Long = * 67 = 210 s Long = 105 mm SFT-ild: bwicklung, Testreflektoren Nuten NR1-NR7 Ergebnisse, bgerundete Nuten 17 SFT ild realer Fehler Schwenkwinkel -40 bis +40, Stp 2 Deckel Zylinder Messpunkteabstand 0.2 mm Messpunkteabstand 2.0 mm l = 4.7 / 3.5 = 1.3 mm kustische und elektromagnetische Ergebnisse, reale Fehler im Schweißnahtbereich 18 10

11 1 Ergebnisse, Einsatz aus Stahlguß mit Q Reihe d = 1 mm 19 Fehlernachweis und -größenbestimmung in elektronenstrahlgeschweißten Kupferbehältern mit Hilfe von P-SFT Zusammenfassung * Die Urdaten der Prüftechnik sind normale ortszugeordnete -ilder (HF) mit einer größeren nzahl von Einschallwinkeln eines konventionell angesteuerten Phased rray Prüfkopfes, die in üblicher Weise ausgewertet werden können. * Die VerSFTung liefert vergleichsweise leicht zu interpretierende ilder; wegen der ortsgetreuen Zuordnung der Echoquellen wegen der erheblich verbesserten Ortsauflösung und wegen des erheblich verbesserten Signal / Rausch Verhältnisses im Vergleich zur konventionellen uswertung. * Die npassung des SFT lgorithmus an Polarkoordinaten bewirkt bei der gegebenen auteilgeometrie eine sehr große Rechenzeitersparnis und eine einfache Darstellung der ringförmigen ildbereiche als bwicklung. * Prinzipbedingt werden die Signale nebeneinander liegender Ortsfrequenzbänder (Schallbündeldivergenz um den jeweiligen Einschallwinkel) getrennt voneinander gemessen. Dadurch ist eine nachfolgende Richtungsfilterung sehr einfach realisierbar (z.. zum unterdrücken der RW). * Die genannten Eigenschaften der Prüftechnik sind gerade bei Werkstoffen mit erhöhter Schallschwächung und streuung, wie sie hier vorliegen besonders vorteilhaft. kustische und elektromagnetische R. oehm, D. rackrock, G. rekow, H.-J. Montag, M. Kreutzbruck, M erlin J. Pitkänen, POSIV,. Lipponen, VTT 20 11