Druck- und Berstproben mit begleitender Schallemissionsprüfung an Flüssiggasbehältern mit erhöhtem Schädigungsgrad

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1 Druck- und Berstproben mit begleitender Schallemissionsprüfung an Flüssiggasbehältern mit erhöhtem Schädigungsgrad DI Bock Karl, KKS-GmbH DI Schlosser Karl-Heinz, TÜV-Thüringen Zusammenfassung: Flüssiggasbehälter mit sehr weit fortgeschrittenen Materialfehlern, welche die Integrität der Behälter gefährden, stellen ein hohes Gefahrenpotential dar. Bei Gasdruckproben die mit dem Medium selbst durchgeführt werden, muss aufgrund der Schallemissionsmessdaten ein rechtzeitiger Abbruch der Druckprobe erfolgen können. Anhand eines Versuchsprogramms mit geschädigten Behältern wurde überprüft, ob die derzeitigen Abbruchkriterien ausreichen. Zu diesem Zweck wurden Versuchsbehälter mit natürlichen und künstlichen Fehlstellen herangezogen und diese im Rahmen von Druck- und Berstproben mit begleitender Schallemissionsmessung überprüft. 1. Einleitung Schallemissionsprüfungen an Flüssiggasbehältern werden in Österreich seit 1993 in größerem Umfang durchgeführt. Die Druckaufbringung erfolgt über spezielle Anlagen mit dem Medium selbst, wobei der Druck über die Gasphase aufgebracht wird. Zwingend vorgeschrieben ist die begleitende Schallemissionsanalyse, um während der Druckprobe die Integrität des Behälters beurteilen zu können. Die Prüfmethode hat sich mittlerweile bewährt, in Österreich wurden bis Ende 2002 ca Flüssiggasbehälter mittels Schallemissionsprüfung geprüft. 127

2 In Deutschland gibt es seit 1998 Probleme mit Spannungsrisskorrosion an Flüssiggasbehältern. An einigen Behältern traten meist bei der Befüllung Risse auf, was zu großen Gasverlusten und hohen Gefährdungen geführt hat. Mit der Schallemissionsprüfung ist man in der Lage, auch teilweise sehr weit fortgeschrittene Material- und Herstellungsfehler, welche die Integrität eines Behälter gefährden, rechtzeitig zu erkennen, sodass die Druckprobe zeitgerecht abgebrochen und der Behälter ausgesondert oder weiteren Prüfungen zugeführt werden kann. Das nachfolgend beschriebene Versuchsprogramm soll dies verdeutlichen. An Behältern mit natürlichen und künstlichen Fehlstellen wurden Berstproben durchgeführt und diese mittels Schallemissionsprüfung überwacht. Die Überprüfungen erfolgten im Mai 2002 in Österreich. 2. Versuchsbehälter Folgende Flüssiggasbehälter wurden bei der Untersuchung verwendet: Behälter 1 Inhalt 2700 l, Oberflurbehälter, lackiert, Bj. 1981, max. zul. Betriebsdruck 16.4 bar Behälter 2 Inhalt 2700 l, Oberflurbehälter, lackiert, Bj. 1980, max. zul. Betriebsdruck 16.4 bar Behälter 3 Inhalt 2700 l, Unterflurbehälter, bitumenbeschichtet, Bj. 1995, max. zul. Betriebsdruck 12.1 bar 3. Vorgeschichte der Behälter Behälter 1 und Behälter 2 Die beiden Oberflurbehälter wurden in Österreich ca. 15 Jahre lang als Flüssiggasbehälter betrieben, kamen im Jahre 1996 zum Eigentümer (Flüssiggasversorgungsunternehmen) zurück und wurden dort einer Röntgenprüfung unterzogen. Die Röntgenprüfung ergab Beanstandungen an den Rund- und Längsnähten der Behälter (Herstellungsfehler). Es wurden vor allem Wurzelfehler an den Rundnähten, sowie ein ca. 3,5 cm langer Riss im Wurzelbereich der Längsnaht von Behälter 2 festgestellt. Die Schweißnahtfehler wurden gemäß der Norm EN I als unzulässig eingestuft. Die Stoßstellen Längsnaht/Rundnaht wurden mit Ultraschall untersucht und der Riss in Behälter Nr. 2 ebenfalls verifiziert. Die Behälter wurden nicht mehr für den Betrieb zur Aufnahme von Flüssiggas freigegeben. Behälter 3 Der Unterflurbehälter wurde im Rahmen einer Serienuntersuchung mittels Schallemissionsprüfung an 33 Behältern, als jener mit den höchsten 128

3 Schallemissionsintensitäten ausgeschieden. Eine nachfolgende Durchstrahlungsprüfung zeigte, dass bei den Rundnähten Durchfluss des Schweißmaterials im Sickenbereich vorhanden war. Die Schweißnahtfehler wurden gemäß der Norm EN I als unbedenklich eingestuft. 4. Prüfungsdurchführung und Auswertung der Prüfung An allen Behältern wurden die Flansche verschweißt, die Ventile entfernt und durch Metallpfropfen ersetzt. Öffnungen für die Füllstandsanzeiger wurden ebenfalls verschweißt. Diese Maßnahmen wurden deshalb durchgeführt, um die Dichtheit der Behälter bis zum Berstdruck zu gewährleisten. Für die Druckproben wurden die Behälter mit Wasser befüllt. An den Behältern wurden 8 Sensoren mit einer Resonanzfrequenz von 150 khz angebracht. Nach dem Anbringen der Sensoren auf der Behälteroberfläche wurde ein Systemcheck durchgeführt. Die Drucksteigerung erfolgte mittels Handpumpe und elektrischer Pumpe. Für die Auswertung der Schallemissionsprüfung wurden verschiedene Druckbereiche festgelegt, um die in den jeweiligen Druckbereichen auftretenden Messwerte der Signalaktivität und Intensität angeben zu können Behälter 1 Der Druck wurde vom Atmosphärendruck beginnend kontinuierlich bis zum Berstdruck von 60 bar gesteigert. Der Behälter verformte sich speziell im zylindrischen Teil. An den Rundnähten wurde die Verformung aufgrund der höherfesten Schweißnähte behindert. Beim Bersten trat schlagartig ein ca. 90 Zentimeter langer Riss (siehe Abb. 1) an der Unterseite des Behälters in Längsrichtung auf. Der Ausgangspunkt des Risses lag in der WEZ eines großen Schweißspritzers, welcher sich an der Innenseite des Behälters befand. Der Riss kam an einer Seite durch die Rundnaht zum Stillstand, auf der anderen Seite verlief er im Mantelblech. Die Bruchstelle zeigte im Ausgangspunkt des Risses Brucheinschnürung, die Trennflächen lagen im Winkel von ca. 45 zur Mantelfläche. Beachtlich ist, dass die Zeitdauer von 40 bar bis zum Berstdruck von 60 bar 30 Minuten beträgt. 129

4 Abb. 1: Ansicht der Berststelle von Behälter 1 1. Der erste Bereich 6-12,5 bar entspricht dem Prüfbereich bei einer Schallemissionsprüfung in Österreich. In diesem Prüfbereich ist der Behälterzustand aufgrund der Schallemissionsdaten als zulässig zu beurteilen. 2. Im Bereich 6 20,35 bar zeigte sich eine erhöhte Intensität der Signale (Grenzwerte: 2000 counts/18s, 70 db), dies ist einerseits auf die schlechte Schweißnahtqualität der Rundnähte und andererseits auf den erhöhten Druck zurückzuführen. 3. Im Bereich bar zeigte sich ab 26 bar ein sehr großer Anstieg der hitund countrate. 4. Von bar wurde der Druck abgesenkt und nochmals erhöht (Kaiser Effekt). Ab 30 bar ist ein starker Anstieg der hitrate erkennbar. 5. Im letzte Druckbereich von 42,5-60 bar ergaben sich durch die hohe Materialbeanspruchung extreme Messwerte. Überschr. Grenzwerte Diagramm Datei hits/bar counts/18s amplit. hits counts amplitude Nr. Titel Startdruck Enddruck (db) (db) THUER.ini (bar) (bar) THUERXX.ini 6 12, nein 2 x 2x 1 THUER9.pcx THUER002.dta 6 20, nein 8x 8x 2 THUER10.pcx THUER002.dta ja ja ja 3 THUER13.pcx THUER003.dta ja ja ja 4 THUER11.pcx THUER004.dta 42, ja ja ja 5 THUER12.pcx THUER006.dta Abb. 2: Schallemissionsmesswerte für Behälter 1 in den verschiedenen Druckbereichen 130

5 Behälter 2 An diesem Behälter wurden die Tests in 3 Abschnitten durchgeführt, wobei der Druck zwischen den Druckproben jeweils auf 0 bar abgesenkt und die Behälterwanddicke reduziert wurde. 1. Druckprobe: Prüfbereich: 5 40,5 bar Behälter in ursprünglichem Zustand mit Riss in Längsnaht und Wanddicke ca. 6,5 mm (siehe Abb. 3). Abbildung 3: Skizze des Risses in der Längsnaht von Behälter 2 2. Druckprobe: Prüfbereich: 2 41,75 bar Es wurde eine zusätzliche Fehlstelle eingebracht: Die Wanddicke wurde im Bereich der Längsnaht beim T-Stoß auf einer Fläche von ca. 90 x 50 mm auf 2 mm Restwand-dicke verringert. In diesem Bereich befand sich auch der 3,5 cm lange Riss in der Wurzel der Längsnaht (siehe Abb. 4 und 5). 131

6 Abb. 4: Röntgenbild des auf 2 mm reduzierten Wanddickenbereichs von Behälter 2 (Riss nur auf Betrachtungsgerät erkennbar) Abb. 5: Skizze des auf 2 mm reduzierten Wanddickenbereichs von Behälter 2 3. Druckprobe: Prüfbereich: 2 44,25 bar (Berstdruck). Es wurde noch eine zusätzliche Fehlstelle eingebracht: In dem auf 2 mm reduzierten Wanddickenbereich wurde eine Kerbe (Schleifscheibe) mit den Maßen 1x2x80 mm eingebracht. Die Restwanddicke betrug damit 1 mm (siehe Abb. 6). 132

7 Abb. 6: Skizze des auf 2 mm reduzierten Wanddickenbereichs von Behälter 2 mit Kerbe Bei der 1. Druckprobe ergibt sich schon im Druckbereich zwischen 5 und 12,5 bar aufgrund der hohen Intensität der Signale ein negativer Schallemissionsprüfbefund. Der Druck wurde bis 40,5 bar erhöht, danach wurde die Druckprobe gestoppt und der Druck abgesenkt. Bei der 2. Druckprobe Schallemissionsprüfung ergab sich wie oben bis 12,5 bar aufgrund der hohen Intensität der Signale ein negativer Schallemissionsprüfbefund (trotz Kaiser Effekt). Ab 30 bar stieg die countrate stark an, ab 41 bar auch die hitrate, es begann eine plastische Verformung. Die Druckaufbringung wurde abgebrochen. Die Drucksteigerung bei der 3. Druckprobe ergab bis 41 bar Signale mit großer Intensität, danach war ein sprunghafter Anstieg aller Messwerte zu verzeichnen. Der Berstdruck betrug 44,25 bar, wobei in dem gekerbten Bereich ein ca. 3,5 cm langer Riss auftrat aus dem das Wasser ausströmte. 133

8 Abb. 7: Ansicht der Berststelle von Behälter 2 aus der Wasser ausströmt Überschr. Grenzwerte Diagramm Datei hits/bar counts/18s ampl. hits counts amplitude Nr. Titel Startdruck Enddruck (db) (db) (bar) (bar) THUER.ini 1. Druckprobe mit Wanddicke 6 mm THUERXX.ini 5 12, nein ja ja 6 TH116.pcx THU003.dta 5 20, nein ja ja 7 TH110.pcx THU003.dta 20 40, ja ja ja 8 TH111.pcx THU005.dta 2. Druckprobe mit Restwanddicke 2 mm nein ja ja 9 TH112.pcx TH004.dta 15 41, ja ja ja 10 TH113.pcx TH005.dta 3. Druckprobe mit Restwanddicke 2 mm und Kerbe 1 mm nein ja ja 11 TH114.pcx TH008.dta 41 44, ja ja ja 12 TH115.pcx TH009.dta Abb. 8: Schallemissionsmesswerte für Behälter 2 in den verschiedenen Druckbereichen Behälter 3 An diesem Behälter wurde eine Druckprobe bis 22,5 bar durchgeführt. Bis zu dem Prüfdruck von 10 bar ergibt sich anhand der Messwerte der Schallemissionsprüfung keine Beanstandung des Behälters. Zwischen 10 und 22,5 bar ergeben sich zu hohe Intensitäten. Aus diesem Grund wurde der Behälter auch ursprünglich 134

9 ausgeschieden und mittels Röntgen nachgeprüft. Das Röntgen der Schweißnähte zeigte Durchfluss des Schweißgutes im Wurzelbereich der Sickenrundnähte. Abb. 9: Ansicht von Behälter 3 Überschr. Grenzwerte Diagramm Datei hits/bar counts/18s ampl. hits counts amplitude Nr. Titel Startdruck Enddruck (db) (db) THUER.ini (bar) (bar) THUERXX.ini nein nein nein 13 THUUF12.pcx THUUF001.dta 2 22, nein ja ja 14 THUUF10.pcx THUUF001.dta Abb. 10: Schallemissionsmesswerte für Behälter 3 in den verschiedenen Druckbereichen 135

10 5. Zusammenfassung Bei den Berstproben an den verschiedenen Behältern hat sich gezeigt, dass mit der Schallemissionsprüfung in jedem Druckbereich eine kompetente Aussage über die Vorgänge im Werkstoff sehr rasch getroffen werden kann. Diese Versuche haben gezeigt, dass auch bei Behältern mit Restwanddicken von 1 mm aufgrund der Schallemissionssignale ein Abbruch der Prüfung durch das Prüfpersonal rechtzeitig erfolgt. Hauptaugenmerk bei der Schallemissionsprüfung ist auf das Abbruchkriterium und die qualifizierten Prüfer zu legen, welche nach ASNT TC 1A, oder EN 473 ausgebildet sein müssen und über langjährige Erfahrung verfügen sollen. Werden die Abbruchkriterien bei einer Prüfung erreicht, ist die Druckaufbringung unbedingt zu stoppen und der Behälter mit anderen ZfP-Verfahren nachzuprüfen. Die Versuche haben eindeutig gezeigt, dass die Schallemissionsprüfung Fehlstellen im Behälter schon in niedrigen Druckbereichen nachweist, während mit anderen statischen Prüfverfahren wie z. B. Wasserdruckprüfung oder Innenuntersuchung diese Werkstofffehler nicht oder nur sehr schwer nachweisbar sind. 136