EMUS-Prüfung als Alternative und Ergänzung zur Wirbelstromprüfung von Rohrleitungen

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1 DGZfP-Jahrestagung 2017 More info about this article: EMUS-Prüfung als Alternative und Ergänzung zur Wirbelstromprüfung von Rohrleitungen Bernd HEUTLING 1, Hans-Joachim UEBRIG 2, Maksym AWERBUCH 2, Stefan KÖLLNER 2, Eckard KÖLLNER 2 1 GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh Niederlassung SLV Hannover, Hannover 2 Delta Test GmbH, Hambühren Kontakt heutling@slv-hannover.de Kurzfassung. Die Prüfung von Rohren und Rohrleitungen wird in vielen Fällen mittels der Wirbelstromprüfung manuell oder teil-mechanisiert durchgeführt. Aufgrund des Skineffekts ist die Leistungsfähigkeit des Wirbelstromverfahrens hinsichtlich der prüfbaren Wanddicke begrenzt, so dass zwar die Vielzahl der dünnwandigen Rohre von Wärmetauschern und Kondensatoren mit großer Detailgenauigkeit und Präzision geprüft werden kann. Sobald jedoch die Wanddicke größer wird, nimmt die Aussagefähigkeit der Wirbelstromtechnik sehr schnell ab. Daher wird immer versucht, aussagefähige Technologiealternativen zu finden, um auch dickwandigere Objekte wie z.b. Rohre und Rohrleitungen prüfen zu können. Dazu gehören das Ultraschall-basierte IRIS-Verfahren sowie die elektromagnetischen Fernfeld- und Impulswirbelstromverfahren. Alle weisen in bestimmten Bereichen besondere Vorzüge und in anderen auch Nachteile auf, so dass sich letztlich keine alleinige ideale Prüftechnik etabliert hat. In diesem Beitrag wird nun die praktische Anwendbarkeit eines optimierten Prüfsystems, das elektromagnetisch erzeugten Ultraschall nutzt, für die Prüfung von dickwandigen Prüfstücken wie Rohrleitungen untersucht und gegen die Leistungsfähigkeit anderer Prüftechnologien abgegrenzt sowie erste Ergebnisse von praktischen Einsätzen vorgestellt. Einführung In Industrieanlagen werden mit steigenden Ansprüchen an die Produktivität immer größere Anlagen, Aggregate und Leitungssysteme eingesetzt. Je nach Anlage und Betriebsbedingungen ergeben sich unterschiedliche Belastungen für die eingesetzten Komponenten, so dass sich nicht nur aus sicherheitstechnischen, sondern auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten (Verlängerung der Lebensdauer) die Notwendigkeit ergibt, die Komponenten auf ihren Zustand zu prüfen und dies idealerweise zerstörungsfrei. In der DIN EN [1] ist für metallische industrielle Rohrleitungen, insbesondere diejenigen, die gemäß der Druckgeräterichtlinie DGR bzw. PED [2] gefertigt und eingesetzt werden, ein Rahmen für die zerstörungsfreie Prüfung erstellt worden. Für Rohre und Rohrleitungen, die nicht in diesen Bereich fallen, können auch andere Prüfverfahren als in [1] beschrieben verwendet werden. Im vorliegenden Fall sollen die Lizenz: 1

2 zerstörungsfreien Untersuchungen von dickwandigen metallischen Rohren und Rohrleitungen betrachtet werden, die nicht der DGR [2] unterliegen. 1. Prüfobjekte Da je nach Anlagentyp und Beanspruchungsart unterschiedliche Belastungsprofile gelten können, ist das Feld hinsichtlich Werkstoffauswahl und Dimensionierung der Rohrleitungen sehr groß. Beispiele dazu wurden in früheren Beiträgen vorgestellt [3] und in Berichten umfassend dokumentiert [4], [5], [6]. Auch in diesem Beitrag soll als zusätzliches Ziel der Einsatz des Prüfverfahrens im Idealfall im Betrieb oder doch im abgeschalteten Zustand, in jedem Fall bei hohen Bauteiltemperaturen von 400 C und mehr sein. Dadurch ergeben sich naturgemäß unterschiedliche Möglichkeiten, diese Anlagen zerstörungsfrei zu prüfen, wobei jedes zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP-Verfahren) wieder andere Vor- und Nachteile bzw. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen hat. Eine weitere Eingrenzung hinsichtlich der Verwendbarkeit von ZfP-Verfahren ist die Wahl bzw. Vorgabe von Unregelmäßigkeiten, die detektiert werden sollen. Für die Abgrenzung der Eigenschaften der ZfP-Verfahren werden im Folgenden kurze prinzipielle Betrachtungen sowie für die bisher eingesetzte Wirbelstromprüfung und den nun angestrebten Einsatz der EMUS-Technologie durchgeführt. 2. Prüftechnologien DIN EN [1] gibt als verwendbare ZfP-Verfahren die Sichtprüfung (VT), Durchstrahlungsprüfung (RT), Ultraschallprüfung (UT), Eindringprüfung (PT) und Magnetpulverprüfung (MT) an. Als Bewertungsbasis wird die DIN EN ISO 5817 [8] vorgegeben, deren Fehlertypen in DIN EN ISO 6520 [9] festgelegt sind und die letztlich Zulässigkeitsgrenzen vor allem für die Sichtprüfung (VT) festlegt. Via der Transfernorm DIN EN ISO [10] können dann für andere ZfP-Prüfverfahren Zulässigkeitsgrenzen ermittelt werden. Eine detaillierte technische Betrachtung der ZfP-Prüfverfahren kann aus Gründen des großen Umfangs nicht erfolgen, daher soll lediglich kurz auf die Vorzüge und Einschränkungen der Verfahren eingegangen werden. Die Sichtprüfung (VT) ist das älteste und zugleich technisch einfachste Prüfverfahren. Sie sollte immer vor der Durchführung anderer Prüfverfahren durchgeführt werden, auch um bei Feststellung von unzulässigen Unregelmäßigkeiten kostenträchtige weitere Prüfungen zu vermeiden. Eine häufig angewendete Bewertungsgrundlage für die Bewertung von Schweißnahtunregelmäßigkeiten ist die DIN EN ISO 5817 [8]. Die Durchstrahlungsprüfung (RT) ist hinsichtlich des sicherheitstechnischen Aufwands (Kontrollbereich) sowie der rechtlichen Auflagen und natürlich auch des prüftechnischen Aufwands, u.a. hinsichtlich der Zugänglichkeit des Prüfbereichs mit Einschränkungen versehen. Als Ergebnis liefert die Durchstrahlungsprüfung im idealen Fall hoch aufgelöste Aufnahmen des gesamten durchstrahlten Prüfobjektvolumens, die eine Millimeter genaue Bewertung erlauben. Allerdings ist der Einsatz aufgrund der notwendigen Strahlenschutzmaßnahmen zusätzlich erschwert. Die Ultraschallprüfung (UT) liefert ebenfalls millimetergenaue Informationen über das gesamte durchschallte Volumen. Sie benötigt aber einen direkten ungehinderten Zugang zur Prüfstückoberfläche, die nahezu perfekt gereinigt sowie mit einem Koppelmittel flächig benetzt sein muss, damit es nicht zu Scheinanzeigen und Fehlprüfungen kommt. 2

3 Die Eindringprüfung (PT) kann ausschließlich zur Oberfläche hin offene Fehler detektieren mit Anzeigen, deren Größe nicht direkt auf die Fehlergröße schließen lassen. Sie ist allerdings nicht auf metallische Werkstoffe beschränkt, sondern ist bei fast allen nichtporösen Werkstoffen/Bauteilen einfach anwendbar. Der Reinigungsaufwand ist ebenfalls hoch. Die Magnetpulverprüfung (MT) ist ausschließlich bei deutlich ferromagnetischen Werkstoffen, also Eisen, Nickel und Kobalt sowie viele ihrer Legierungen, anwendbar. Die physikalischen Einschränkungen der MT-Technologie führen dazu, dass letztendlich nur Fehler, die sehr oberflächennah sind, sicher angezeigt werden. Auch hier ist es notwendig, die Oberfläche sorgfältig vorzubereiten, da nicht-ferromagnetische Schichten nur bis zu 50µm Schichtdicke erlaubt sind. Daher wird die MT-Prüfung zu den Oberflächenprüfverfahren gerechnet. Die Wirbelstromprüfung (ET) basiert auf dem Wechselspiel von Stromfluss und Magnetfeldern und ist auf alle leitfähigen Werkstoffe anwendbar. Ähnlich der MT-Technologie unterliegt die ET-Prüfung einer Reihe von physikalischen Einschränkungen, die das untersuchbare Volumen in Abhängigkeit vom Werkstoff und den Prüfparametern einschränken. Deshalb nimmt die ET-Prüfung eine Mischposition zwischen den Volumenverfahren UT sowie RT und den Oberflächenprüfverfahren MT und PT ein. Weitere Prüfverfahren wie die Dichtheitsprüfung (LT) oder Schallemissionsverfahren (AT) finden in der DIN EN keine Berücksichtigung, sind aber dennoch im Einsatz zu finden. 3. Prüfung mit Wirbelstrom Die Prüfung von metallischen Rohrleitungen wird in vielen Fällen mit der Wirbelstromprüfung durchgeführt, da Wirbelstrom eine Reihe von Anwendungsvorteilen bietet (s. Abschnitt 4). Grob vereinfacht wird bei der Wirbelstromprüfung durch den sinusförmigen Stromfluss durch einen Spulendraht ein magnetisches Feld, das sog. Primärfeld, induziert (Abb. 1). Ist die Spule nahe genug an einem elektrisch leitfähigen Objekt, dringt das magnetische Feld in das Material ein und induziert dort einen Strom. Aufgrund der Spulenanordnung (in sich rund und senkrecht zur Oberfläche des Prüfobjekts) ergeben sich geschlossene Stromflusslinien, die sog. Wirbelströme. Aufgrund des Skineffekts nimmt die Stromdichte mit steigendem Abstand von der Oberfläche ab. Die Wirbelströme induzieren wiederum ein magnetisches (Sekundär-)Feld, das dem Primärfeld entgegengerichtet ist. Das resultierende Gesamtfeld wird von einer Messspule gemessen. Abb. 1: Prinzip Wirbelstromprüfung Über den Einsatz von Absolut- und/oder Differenzsensoren können unterschiedliche Aspekte der Fehlerdetektier- und -bewertbarkeit berücksichtigt werden. Zum Beispiel die Tatsache, dass Differenzsensoren für abrupte Fehler sehr gute Fehlerdetektierbarkeiten auf- 3

4 weisen (Abb. 2), aber unvorteilhaft auf langsam einlaufende Fehlstellen reagieren. Absolutsensoren hingegen liefern nur kleine Signale für kleine Ungänzen (Abb. 3), erlauben aber die Nachverfolgung von sich langsam ändernden Oberflächenkonturen (Abb. 4), z.b. für die Wanddickenmessung. Abb. 2: Differenzsensor mit Bohrungssignal Abb. 3: Abhängigkeit der Signalform und -größe von Fehlerform und -lage Abb. 4: Absolutsensor mit Signal einer Wanddickenminderung 4

5 4. Möglichkeiten und Grenzen der Prüfung mit Wirbelstrom Der offensichtliche Vorteil der Wirbelstromprüfung ist, dass sie berührungslos funktioniert. Das bedeutet auch, dass die Wirbelstromprüfung sowohl hinsichtlich der Oberflächenvorbereitung Vorteile hat, da lediglich der Abstand zur Oberfläche konstant gehalten werden muss, als auch, dass Beschichtungen nur einen vernachlässigbaren Einfluss haben. Darüber hinaus kann auch bei höheren Temperaturen des Bauteils geprüft werden, da die Wärmestrahlung / -beeinflussung der Sensorik durch das heiße Prüfteil mit steigendem Abstand geringer wird. Der bereits angesprochene Skineffekt begrenzt jedoch die analysierbare Tiefe nach Gesetzmäßigkeiten, wie sie in der Fachliteratur [7] ausführlich erläutert und in Abbildung 3 gezeigt werden: je tiefer Ungänzen liegen, desto kleiner werden die resultierenden Wirbelstromsignale bis sie ab einer prüftechnisch und materialabhängigen Tiefe unauswertbar klein werden [7]. 5. Prinzip der EMUS-Prüfung Trotz der unstrittigen Vorteile der Wirbelstromprüfung in diesem Einsatzfall schränkt die begrenzte Analysetiefe die Einsetzbarkeit insbesondere bei größeren Wanddicken deutlich ein, denn sowohl für die Wanddickenprüfung als auch die Fehlerdetektion muss die Wanddicke durchdrungen werden können. Die Anforderungen ganze Wanddicke durchdringen (typisch bei UT, s.o.) und bei hohen Oberflächentemperaturen einsetzbar (gut möglich bei ET, s.o.), also im Idealfall berührungslos arbeitend, weisen auf den Lösungsansatz elektromagnetisch induzierter Ultraschall (EMUS) hin. Die EMUS-Prüfung ist seit Jahren bekannt und inzwischen durch die Entwicklung zuverlässiger EMUS-Wandler etabliert [10], [11], [12]. Daher wird hier nur ein kurzer, z.t. vereinfachender Überblick über die Technologie dargestellt. Abb. 5: Prinzipieller Aufbau eines EMUS-Wandlers [10] Die zentralen Bestandteile eines EMUS-Wandlers sind - ähnlich einem Wirbelstromsensor - eine Magnetisierungseinrichtung (bestehend aus Permanentmagneten oder Elektromagneten) und eine oder mehrere Spulen (Abb. 5). Mit Hilfe einer (Sende)Spule wird durch einen Stromimpuls ein Wirbelstrom in der Oberfläche des leitfähigen Prüfobjekts induziert. Dieser Wirbelstrom erzeugt mit seinem Magnetfeld eine Lorentz-Kraft 1) im Werkstoff, die wiederum eine gerichtete Schallwelle in der Metalloberfläche verursacht [10], [12]. Es gibt auch die Möglichkeit, den magnetostriktiven Effekt zu nutzen. Beide Phänomene wirken auf das Atomgitter des Bauteils, so dass die akustische Welle berührungslos direkt im Bauteil erzeugt wird [12]. 1) Die Lorentz-Kraft entsteht durch Wechselwirkung zwischen einem elektrischen Strom, der durch eine Wirbelstromspule induziert wird, und dem magnetischen Fluss (B 0) der Magnetisierungseinrichtung. 5

6 Im Empfangsfall wird durch die (zurückkehrende) Schallwelle die Oberfläche im Magnetfeld bewegt und generiert dadurch wiederum einen Wirbelstrom, der über sein Wechselfeld einen (Mess-)Strom bzw. eine Spannung in der (Mess-)Spule induziert, die der Ultraschallamplitude proportional sind [11]. Da es sich im vorliegenden Fall um den Einsatz eines kommerziellen Wandlers handelt, wird auf eine detaillierte Offenlegung des Sensoraufbaus verzichtet. 6. Praktische Applikation der EMUS-Technologie Die EMUS-Technologie hat seit ihrer ersten Vorstellung Ende der 1960er Jahre [10] eine ganze Reihe von Anwendungen aufzuweisen. Allein in der jüngeren Vergangenheit sind da zu nennen die Pipeline-Inspektion [10], die berührungslose Fehlerprüfung [11], die Prüfung von Plattierungen und Mischnähten [12], die Korrosionsprüfung von Gaspipelines [13] oder der Rissnachweis an GLARE-Komponenten [14]. Diese Aufstellung zeigt, dass es offensichtlich unterschiedliche Anforderungen, insbesondere hinsichtlich der Ungänzengröße und geometrie, an die Technologie gibt und es sich um ein etabliertes, wenn auch vielleicht weniger bekanntes ZfP-Verfahren handelt, für das es Lösungen zur Realisierung für unterschiedliche Anforderungen gibt. 7. Erste Ergebnisse der EMUS-Prüfung an dickwandigen Rohrleitungen Im hier vorgestellten Fall sind die ersten Untersuchungen im Rahmen von Vergleichsmessungen an dickwandigen Rohrleitungen in einer chemischen Anlage mit dem Ziel durchgeführt worden, Wanddickenmessungen auch bei hohen Temperaturen, im Idealfall während des Anlagenbetriebs, realisieren zu können. Beispielhaft werden hier die durchgeführten Wanddickenmessungen an korrosionsbelasteten Rohrbögen, hier als A und B bezeichnet, vorgestellt [15]. Die untersuchten Rohrbögen bestanden aus P265 G1 TH und wiesen Nennwanddicken von A: 12,7 mm und B: 21 mm bei 250 mm Außendurchmesser auf (Abb. 6). Es wurden an A bei ca. 80 C 29 und an B bei ca. 290 C 34 Messpunkte entlang der Rohrleitungsbögen und jeweils über den Abb. 6: Prüfobjekte A und B [15] Die Messungen wurden mit einem 3 MHz-Prüfkopf durchgeführt, die Justierung wurde an geräte-spezifischen Justierkörpern mit ebenen bzw. zylindrischen Oberflächen und 7 mm bzw. 6,1 mm Wanddicke durchgeführt. Die ermittelte Abweichung des EMUS- Messsystems betrug 0,57% bzw. 0,33% bei ca. 200 C Objekttemperatur. Die für die Justierung und anschließenden Messungen notwendigen Parameter wurden mit dem EMUS-System eigenen Softwarepaket zur Messung, Darstellung, Analyse und Dokumentation durchgeführt. 6

7 Obwohl das System scanfähig ist, also in der Lage ist, Bauteile messtechnisch durch Abfahren zu erfassen, wurden die hier gezeigten Ergebnisse durch Abtasten aufgenommen, Abb. 7: Justierung und Justierungsüberprüfung am Bauteil [15] In einem Vorversuch wurde bei 290 C Objekttemperatur an einem Rohrbogen (B) eine Vergleichsmessung mit einem konventionellen UT-Impuls-Echo-Messsystem durchgeführt (Abb. 8). Die Abweichungen erklären sich vor allem mit den Ankoppelproblemen des konventionellen UT-Systems auf der korrodierten Prüfobjektoberfläche (Abb. 8, rechts), zu deren Behebung die Messstellen leicht angeschliffen wurden, was zu anderen Wanddicken- Abb. 8: Ergebnisse einer Vergleichsmessung UT-Impuls-Echo-Verfahren und EMUS-Verfahren [15] Zum gewählten Messpunktbezeichnungssystem (Abb. 9) wurden dann Daten aufgenommen und analysiert (Abb. 10 und 11). Abb. 9: Prinzip des Messpunktbezeichnungssystems für die Datenaufnahme [15] 7

8 Abb. 10: Ergebnis EMUS-Prüfung von Rohrleitung A bei ca. 80 C [15] Abb. 11: Ergebnis EMUS-Prüfung von Rohrleitung B bei ca. 290 C [15] Nach Rücksprache mit Hersteller und Betreiber der Rohrleitung erklären sich die Abweichungen der Messwerte von den Sollwerten in den Abbildungen 10 und 11 wie folgt: an Umfangsposition 1 sind die Werte zu klein, weil es sich dabei um die Außenseite der Rohrbögen handelt, die betriebsbedingt erosiven Wanddickenverlusten unterliegen. An den anderen Umfangspositionen sind die gemessenen Wanddickenwerte zu groß, was die tatsächliche Wanddicke widerspiegelt; das liegt daran, dass in der Herstellung die Rohrbogenaußenseite stark gestreckt und damit verjüngt wird. Um die Sollwanddicke einzuhalten, wurde deshalb herstellerseitig von vornherein mit einer größeren Wanddicke gearbeitet, so dass das Übermaß an Wanddicke die streckungsbedingten Wanddickenverluste kompensiert. Daher indizieren die abweichenden Messwerte nicht einen Messqualitätsmangel, sondern spiegeln die tatsächlichen Gegebenheiten wider. Wie genau die realen Wanddickenwerte abgebildet werden, lässt sich besser am Vergleich der Messwerte des konventionellen UT-Messsystems mit dem EMUS-Messsystem ablesen (Abb. 8). Wie oben ausgeführt weichen die EMUS-Messwerte kaum von denen des konventionellen UT-Messsystems ab und sind sogar unter weniger optimalen Bedingungen, d.h. unbeschliffen, aufgenommen worden. 8

9 8. Ausblick Die bekanntermaßen guten Messwertqualitäten von EMUS-Systemen wurden in den ersten Prüfungen unter rauen industriellen Prüfbedingungen, insbesondere bei erhöhten Prüftemperaturen von bis zu 300 C, bestätigt. Diese Einsatzfähigkeit wird in der nahen Zukunft weiter untersucht und abgesichert werden, so dass die Prüfung von großen Wanddicken bei zu erwartenden Korrosionsschädigungen bzw. -abträgen routinemäßig bei hohen Bauteilbzw. Prüftemperaturen durchgeführt werden kann. Dadurch sollen die Prüfzeiten in Zukunft stark reduziert werden, indem die Abkühlzeiten vermieden werden und stattdessen bei Temperaturen von ca. 300 C und höher geprüft werden kann. Referenzen [1] DIN EN : 2014, Berichtigung : metallische industrielle Rohrleitungen Teil 5: Prüfung; Beuth-Verlag [2] Richtlinie 2014/68/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 15. Mai 2014 zur Harmonisierung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten über die Bereitstellung von Druckgeräten auf dem Markt (Neufassung) [3] Heutling, Bernd; Awerbuch, Maksym; Köhler, André; Neggers, Rien; Uebrig, Achim: Hochtemperatur-Wirbelstromprüfung an Rohrleitungsbögen und deren Schweißnähten ; DGZfP-Jahrestagung 2013; Dresden; 2013 [4] Delta Test GmbH: Delta Test-Prüfspezifikation DT-OFR /06 Rev.01- Prüfung von Weldolets auf Oberflächenrisse an der Außenseite ; 03/2006 [5] Delta Test GmbH: Qualifizierungsbericht Qualifizierungsbericht DT-QB/Nr Rev.00 Qualifizierung einer Wirbelstromprüftechnik mit Tastsonde zur Oberflächenprüfung von Schweißnähten und Grundwerkstoff an ferritischen Rohrleitungsbögen von außen ; 09/2012 [6] Delta Test GmbH: Prüfbericht Report of Eddy Current Inspection DT-No.: Shell Moerdijk MLO Bend testing 500 C [7] Stroppe, Heribert; Schiebold, Karlheinz: Wirbelstrom-Materialprüfung, Castell-Verlag, ISBN [8] DIN EN ISO 5817 : Schweißen Schmelzschweißverbindungen an Stahl, Nickel, Titan und deren Legierungen (ohne Strahlschweißen) Bewertungsgruppen von Unregelmäßigkeiten ; 2014 [9] DIN EN ISO 6520 : Schweißen und verwandte Prozesse - Einteilung von geometrischen Unregelmäßigkeiten an metallischen Werkstoffen - Teil 1: Schmelzschweißen ; 2007 [10] Niese, Frank: EMUS-Wanddickensensor für die Pipeline-Inspektion mit integrierter Wirbelstromund Streuflussprüfung; Dissertation Universität Saarbrücken; 2010 [11] Waschkies, Thomas; Licht, Rudolf; Valeske, Bernd; Gebhardt, Wolfgang; Hübschen, Gerhard: Kombination von Luftultraschall- und EMUS-Technik zur berührungslosen Fehlerprüfung; DACH- Jahrestagung 2012; Graz; 2012 [12] Hübschen, Gerhard: Elektromagnetische Ultraschall (EMUS-) Wandler zur Erzeugung horizontal polarisierter Transversalwellen; Kapitel 5 aus "Ultraschallprüfung von austenitischen Plattierungen, Mischnähten und austenitischen Schweißnähten" Eberhard Neumann et al [13] Willems, H.; Niese E, F.; Sickinger, T.S.; Barbian, O.A.: Ein neues Prüfsystem für die Korrosionsprüfung von Gaspipelines mit kombinierter Ultraschall-, Wirbelstrom- und Streuflussmessung; DGZfP-Jahrestagung 2010; Erfurt; 2010 [14] Hübschen, Gerhard; Salzburger, Hans-Iürgen; Meier, Theodor; Bisle, Wolfgang: Trockene Ultraschallprüfung zum Rissnachweis an Lap Joints von Flugzeugkomponenten - Erste Erfahrungen zur Anwendung geführter SH-Wellen und EMUS-Prüfköpfen an GLARE-Komponenten; DGZfP-Jahrestagung 2004; Salzburg; 2004 [15] DeltaTest GmbH: Final Inspection Report - Ultrasonic EMUS Inspection; internal report;