Komposit-Druckbehälter-Innenprüfung mit UT Phased-Array

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1 DGZfP-Jahrestagung 2017 More info about this article: Komposit-Druckbehälter-Innenprüfung mit UT Phased-Array Michel BLANKSCHÄN, Daniel BRACKROCK BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin Kontakt Kurzfassung. Komposit-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Faserverbund und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner). Das Schädigungsverhalten des Faserverbundwerkstoffes und der Barriereschicht ist in erster Linie von den komplexen Wechselwirkungen zwischen der Nennlast (Druck) und den anderen Lastaspekten (Temperatur, Feuchte etc.) abhängig. Die besonderen Werkstoffeigenschaften und deren Kombination erschweren die zuverlässige Beurteilung des Integritätszustands von Komposit-Druckgefäßen und vergleichbaren Komposit-Anwendungen. Aktuelle ZfP-Verfahren sind nicht oder nur bedingt für die Schadensüberwachung von Komposit-Druckbehältern geeignet. Ziel ist es daher, durch wiederkehrende Prüfungen Eigenschaftsänderungen der untersuchten Komposit-Druckbehälter qualitativ und ggf. quantitativ zu erfassen und zu bewerten. Im Vortrag wird die zum Einsatz gekommene teilautomatisierte Innenprüfung in Tauchtechnik vorgestellt. Die umfangreichen Untersuchungen wurden mit einem Phased-Array-Ultraschallgerät und einer speziellen Prüfkopfführung realisiert. Als Prüfobjekte kamen Komposit-Druckbehälter mit Testreflektoren und realistischen Schädigungen, sowie unterschiedlichen Liner Materialien als Referenz zum Einsatz. Es werden experimentelle Prüfergebnisse präsentiert, welche die Detektion von realistischen Fehlstellen an Komposit-Druckbehältern zum Ziel haben. 1. Einleitung Portable Druckbehälter, wie etwa Atemluftflaschen, sollen sowohl eine ausreichend hohe Festigkeit besitzen, um dem Innendruck standzuhalten, aber auch gasdicht und vor allem leicht sein. Deshalb werden häufig Faserverbundwerkstoffe mit anderen Leichtbaumaterialien wie Kunststoffen oder Aluminium kombiniert. So bestehen solche Druckbehälter aus einem gasdichten Liner aus Metall oder Polymeren und einem lasttragenden Faserverbund (CFK, GFK). Diese Materialpaarung erschwert eine zuverlässige Integritätsbeurteilung. Grund dafür sind die Grenzschichten zwischen den einzelnen Werkstoffen des Komposit-Materials, aber auch die besonderen Schallausbreitungseigenschaften im Faserverbund. Der Einsatz konventioneller Ultraschallprüftechniken ist für die Beurteilung des Zustands der Ummantelung und des Liners nicht geeignet. Auf Grund der Struktur der Faserwicklungen und der Polymermatrix kommt es zu Streuung und Absorption des Ultraschalls. Somit liefert die Prüfung in Kontakttechnik von außen keine aussagekräftigen Ergebnisse, wie später noch detailliert gezeigt wird. Der Einfluss des Faserverbunds kann bei einer Prüfung des Liners Lizenz: 1

2 von Innen umgangen werden. Dabei besteht aber das Problem einer sehr beschränkten bzw. unmöglichen Zugänglichkeit für eine Vielzahl herkömmlicher Prüfsysteme. Um dieses Problem zu lösen, war es Ziel der vorgestellten Untersuchungen, ein geeignetes Prüfsystem zu entwickeln und Parameter zu definieren, welche einen sicheren Schädigungsnachweis ermöglichen. Dabei stand die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und die Anwendung bei wiederkehrenden Prüfungen im Vordergrund. So sollen Eigenschaftsänderungen frühzeitig erfasst werden. 2. Verfahrensbeschreibung Die vorliegenden Testkörper waren Druckgefäße mit den Materialpaarungen Stahl Faserverbund, Aluminium Faserverbund und Kunststoff Faserverbund. Dabei reichten die Wandstärken der CFK/GFK-Faserverbundschichten von ca. 4 mm bis ca. 8 mm. Die Wandstärken der Liner betrugen 2 mm (Aluminium, Stahl) und 0,5 mm (PE). Es lagen Testkörper in unbenutztem, fehlerfreien, sowie im fehlerbehafteten, natürlich und künstlich gealterten Zustand vor. Zunächst erfolgte die Prüfung in konventioneller Kontakttechnik von außen. Das Messprinzip und den Versuchsaufbau zeigen die Abbildungen 1 und 2. An einem speziellen Testkörper des Faserverbundwerkstoffs wurde dessen Schallgeschwindigkeit bestimmt. Bei der anschließenden Prüfung war keine eindeutige Bewertung der Mantelfläche möglich, da das Signal zu viele Störanzeigen aufwies. Es ist davon auszugehen, dass diese von der Struktur der Faserwicklung stammen. Prüfkopf Manipulator Liner CFK/GFK- Ummantelung 500 Abbildung 1 Messprinzip Kontakttechnik 2

3 Prüfkopf Testkörper Reibrad mit Wegaufnehmer Manipulator Abbildung 2 Messaufbau Kontakttechnik In einem nächsten Schritt wurde nun der Druckbehälter in Tauchtechnik von Innen geprüft. Die besondere Herausforderung bestand darin, den zylinderförmigen Druckbehälter durch einen Zugang von nur 15 mm Durchmesser zu prüfen. Dazu wurde der Behälter teilweise mit Wasser befüllt und seine Längsachse horizontal ausgerichtet. Die Füllmenge des Wassers war dabei ausreichend hoch, um eine konstante 10 mm Wasservorlaufstrecke zu gewährleisten. Mittels Manipulator wurde die Prüfkopfbewegung in Behälterlängsrichtung gesteuert. Für die Bewegung und Erfassung der Messdaten in Umfangsrichtung, wurde der Behälter drehbar gelagert und ein Reibrad mit Wegaufnehmer angebracht. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen den Messaufbau. CFK/GFK- Ummantelung Liner X Ankoppelwasser Abbildung 3 Messprinzip Tauchtechnik 3

4 Testkörper Reibrad mit Wegaufnehmer Prüfkopf in Prüfkopfführung Abbildung 4 Messaufbau Tauchtechnik Um das Einführen des Prüfkopfes in den Behälter zu ermöglichen, wurde eine spezielle Prüfkopfführung entwickelt. Diese besitzt einen Durchmesser von kleiner als 15 mm, angepasst an die Behälteröffnung, sowie eine Ausklapp- und Arretierfunktion für den Prüfkopf. Zum Einsatz kam ein Linear-Array mit 16 Elementen und einer Mittenfrequenz von 10 MHz, ausgerichtet für die Prüfung auf Fehler in Behälterlängsrichtung. Die Auswahl des Prüfkopfes erfolgte hauptsächlich wegen seiner geometrischen Abmessungen. Für die Prüfung wurden Sectorscans von 30 bis 50, sowie -30 bis -50 mittels Transversalwellen und zusätzlich eine unter 0 ausgesendete Longitudinalwelle verwendet. Die 0 -Einschallung diente dabei als Kontrolle der Ankopplung und der Ausrichtung des Prüfkopfes. Zudem wurde ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 8 MHz genutzt, um den Signal-Rausch- Abstand zu verbessern. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen den Unterschied in der Signalqualität mit und ohne Tiefpassfilter. Ursache für das um 6 db schlechtere Signal- Rausch-Verhältnis (Signal-Noise-Ratio SNR) liegt höchstwahrscheinlich in den Streueffekten bei höheren Frequenzen. SNR Abbildung 5 Signaldarstellung ohne Tiefpassfilter, SNR 5 db 4

5 SNR Abbildung 6 Signaldarstellung mit Tiefpassfilter, SNR 11 db Der Untersuchungsbereich betrug dabei 410 mm in X-Richtung und 360 in Umfangsrichtung. Dies entspricht dem zylindrischen Bereich der Druckgefäße, ohne Krümmungsbereiche der Endkappen. In dem untersuchten Bereich treten erfahrungsgemäß die häufigsten Schädigungen auf. 3. Ergebnisse Die Darstellung und Interpretation der Ultraschallsignale erfordert Erfahrung und genaue Kenntnisse zur Geometrie des Prüfobjektes. Mit Hilfe der 0 Longitudinalwelle wird die Prüfkopfausrichtung kontrolliert und eine Entfernungsjustierung vorgenommen. Im B-Bild ist deutlich die Grenzschicht Liner/Faserverbundwerkstoff, sowie mehrere ihrer Wiederholungsechos, im Darstellungsbereich zu erkennen. An ihr ist auch die Flaschenkontur erkennbar, wie in Abbildung 7 zu sehen. 5

6 Tiefe Z [mm] Versatz [ ] Tiefe Z [mm] 16 Grenzschicht Liner/Faserverbundwerkstoff Wiederholungsechos Messachse X [mm] 420 Abbildung 7 B-Bild der 0 Longitudinalwelle Der in den Abbildungen 8 und 9 untersuchte Prüfkörper weist eine, durch den Betrieb entstandene Schädigung im Aluminium-Liner auf. Diese konnte bei der Prüfung auf quer zur Behälterlängsachse orientierte Fehler zunächst nicht nachgewiesen werden, siehe Abbildung 8. Jedoch reflektiert sie deutlich erkennbar bei der Prüfung auf Längsfehler, was Abbildung 9 verdeutlicht. Hierbei wurde die Einschallrichtung um 90 gedreht. Die B-C- Bilder zeigen jeweils die Signale des -45 Einschallwinkels. A-Bild: keine Anzeigen Messachse X [mm] Abbildung 8 Prüfung auf Fehler quer zur Behälterlängsachse, Versatz

7 Tiefe Z [mm] Versatz [ ] Reflektor A-Bild: Reflektoranzeige Reflektor Messachse X [mm] Abbildung 9 Prüfung auf Fehler in Behälterlängsrichtung, Versatz Auch die im Scan ermittelte Reflektorposition entspricht dem, auf dem Prüfkörper gekennzeichneten Schädigungsbereich, siehe Abbildung 10. Dieser stammt aus Referenzuntersuchungen mittels Röntgen-Computertomografie (CT). Die Untersuchungen der anderen Prüfkörper lieferten vergleichbare Ergebnisse, sowohl für Polyethylen (PE) als auch für Stahl als Liner Material. Es konnten alle künstlich in einen 0,5 mm PE-Liner eingebrachten Testreflektoren (drei jeweils 10 mm lange Nuten, 0,4 0,5 mm tief) im Scan detektiert und zugeordnet werden. Abbildung 11 zeigt den Vergleich zwischen dem B-C-Bild aus dem Scan und einem Foto der Testreflektoren, bezeichnet als Re1, Re2 und Re3. Zur Darstellung wurden hier die Messdaten der Einschallwinkel 30, 40 und 45 überlagert. 7

8 Versatz [ ] Abbildung 10 Schädigungsbereich 12 Messachse X [mm] 52 Abbildung 11 Testreflektoren in PE-Liner, links Foto des teilweise aufgeschnittenen Testobjektes, rechts B- C-Bild, Versatz Durch die beschriebene Vorgehensweise konnten alle, aus vorhergehenden Prüfungen mittels Röntgen-Computertomografie bekannten, Schädigungen an den Druckbehältern nachgewiesen werden. Die Bestimmung der Reflektorposition ist bei diesem Parametersetup nicht eindeutig und hängt von der jeweiligen Einschallrichtung ab. Im positiven Winkelbereich stimmt die ermittelte Reflektorposition in guter Näherung mit der tatsächlichen Position überein. Im negativen Winkelbereich gibt es dagegen Abweichungen von ± 5 mm im Mittel. Stellt man den kompletten Einschallwinkelbereich des Sectorscan als B-C-Bild dar, kommt es so zu einer scheinbaren Verschiebung der Reflektorposition. Im Rahmen des Projekts wurden weitere interdisziplinäre Untersuchungen mittels Röntgenrefraktion, Wirbelstrom, aktiver Thermographie und Schallemissionsverfahren vorgenommen. Diese lieferten vergleichbare Ergebnisse und bestätigten die Position der Schädigungsbereiche erneut. 8

9 4. Weiterführende Untersuchungen Wie bereits unter Abschnitt 2 aufgeführt, verbesserte sich der Signal-Rausch-Abstand durch die Verwendung eines Tiefpassfilters. In nachfolgenden Untersuchungen soll die Signalqualität und somit die Auffindwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit des verwendeten Frequenzspektrums analysiert werden. Hierzu könnte der Einsatz anderer Prüfköpfe mit unterschiedlichen Nennfrequenzen diskutiert werden. Konstruktive Probleme ergeben sich dabei jedoch durch die Geometrie der Druckbehälteröffnung, welche die Auswahl der möglichen Prüfköpfe beschränkt. Ebenfalls, könnte die Variation der Impulsform untersucht werden, um im Bauteil das gewünschte Frequenzspektrum zu erzeugen. Dadurch wären weitere Optimierungen der Signalqualität und des SNR möglich, da bei geringen Frequenzen die Streuungs- und Dämpfungswirkung der Faserwicklungen reduziert werden. 9