Stellenwert der Schallemissionsprüfung (AT) bei der wiederkehrenden Überprüfung von metallischen Druckgeräten

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1 DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Mi.3.B.3 Stellenwert der Schallemissionsprüfung (AT) bei der wiederkehrenden Überprüfung von metallischen Druckgeräten Mächtig, aber nur im Zusammenspiel mit anderen zf-prüfverfahren Gert SCHAURITSCH, TÜV AUSTRIA SERVICES, Wien, Österreich Kurzfassung. Seit mehr als 25 Jahren wird in Österreich das Verfahren der Schallemissionstechnik bei der wiederkehrenden Überprüfung an Druckgeräten erfolgreich angewandt. Oftmals konnten hierbei beginnende Schädigungsmechanismen frühzeitig in einem Stadium erkannt werden, wo noch keine Gefährdung des sicheren Betriebes der Anlage zu befürchten war. Hierbei lieferte die Schallemissionsprüfung im Wesentlichen drei entscheidende Parameter: 1. Existieren aktiven Quellen, die auf das Wirken möglicher Schädigungsmechanismen hinweisen? 2. Welchen Grad an Intensität weisen diese Quellen unter dem aufgebrachten Belastungsregime auf? Und zuletzt vermutlich die wichtigste Aussage, 3. Wo genau befinden sich die festgestellten Quellen innerhalb der zu prüfenden Struktur? Zur genauen Abklärung war es jedoch zwingend erforderlich, mittels anderer zerstörungsfreier Prüfverfahren (VT, RT, UT, MT/PT), die genaue Ursache der Quellenentstehung zu ermitteln. Der Beitrag soll gerade diesen Aspekt der Integration der Schallemissionstechnik in das Gesamtbeurteilungskonzept der Anlageninstandhaltung beleuchten und demgemäß ist auch der Untertitel zu verstehen: Mächtig, aber nur im Zusammenspiel mit anderen zerstörungsfreien Prüfverfahren! Einleitung: In Österreich seit 1981 erfolgreich angewandt, ist die Schallemissionsprüfung (AT) als wiederkehrendes Prüfverfahren zur Zustandsbeurteilung von metallischen Druckgeräten nicht mehr wegzudenken. Begleitend zu pneumatischen oder hydraulischen Druckprüfungen, die im Regelfall bis zum 1,1fachen Auslegungsdruck der Druckgeräte geführt werden, ermöglicht die Schallemissionsprüfung eine integrale Prüfaussage über die Gesamtheit der zu prüfenden Struktur und erkennt bereits frühzeitig beginnendes Versagen. Dem gegenüber ist mit der Anwendung der herkömmlichen Wasserdruckprobe nur ein Totalversagen in Form von sichtbarer Verformung oder Leckage erkennbar. Auch eine Auslösung bzw. Verschärfung von mikroskopischen und damit unerkannten Schadensindikatoren ist bei Anwendung der herkömmlichen Wasserdruckprobe nicht auszuschließen. Alleine aus dieser Tatsache heraus überwiegen die Vorteile der Schallemissionsprüfung gegenüber der Wasserdruckprobe bei weitem. Da bei Anwendung der AT in den meisten Fällen die Drucksteigerung direkt mit dem Betriebsmedium durchgeführt werden kann, ist im Gegensatz zu einer herkömmlichen Wasserdruckprobe kein aufwändiges Reinigungs- und Trocknungsverfahren nach 1

2 Durchführung der Prüfung erforderlich. Dies weckt insbesondere das Interesse der Anlagenbetreiber an dem Einsatz der AT, da hierdurch eine optimierte Anlagenverfügbarkeit mit niedrigen Kosten zur Wiederinbetriebsetzung der Druckgeräte nach der Prüfung gewährleistet werden kann. All diese Vorteile sowie die positive Erfahrung mit der verfahrenstechnischen Anwendung der AT in der Praxis bewogen den Gesetzgeber zur Aufnahme der Schallemissionsprüfung in das nationale Regelwerk für die wiederkehrende Überprüfung an Druckgeräten (Druckgeräteübewachungsverordnung). Verfahrenstechnische Anwendungsgrenzen der AT: So wie auch bei anderen zerstörungsfreien Prüfverfahren hängt die Treffsicherheit und Genauigkeit der Aussage der AT von vielen Randbedingungen ab, dessen Relevanz dem Verfahrensanwender bei der täglichen Arbeit stets bewusst sein muss. Einige dieser Randbedingungen, wie Bauteilgeometrie, Fehlerart und Lage (siehe Bild 1) betreffen in erster Linie die Auswahl und den Applikationsumfang der erforderlichen Messtechnik. Die richtige Wahl als auch die Frage nach einem angemessenen Belastungsregime, um alle relevanten Schädigungsmechanismen während der Prüfung zu aktivieren und so für die AT hörbar zu machen, zeichnen maßgeblich für den Erfolg als auch den Misserfolg der ATAnwendung verantwortlich. Bild 1: Bauteilgeometrie, Fehlerart und Lage als maßgeblicher Indikator zur Abschätzung der erforderlichen Messtechnik Auch die Auswirkungen der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften auf die Auswertungs- und Beurteilungsparameter der AT sind bereits bei der Einsatzplanung im Vorfeld der eigentlichen Prüfung zu berücksichtigen. So muss z.b. bei zähen Druckbehälterstählen im unteren Festigkeitsbereich und rein plastischer Deformation mit duktilem Risswachstum mit wesentlich weniger Schallemission als bei Bruchvorgängen an spröden Einschlüssen gerechnet werden [1]. Diese Erkenntnis kann sogar zu der Aussage führen, dass im spezifischen Fall die Anwendung der AT nicht das geeignete Verfahren zur Beurteilung der zu prüfenden Struktur ist (siehe Bild 2). 2

3 SPRÖDE WERKSTOFF AMPLITUDE ENERGIE HITS bzw. EVENTS KRITISCHE FEHLER / BIG BANG ZÄH Bild 2: Auswirkung unterschiedlicher Zähigkeitseigenschaften auf maßgebliche Schallemissionsparameter Durchführung der AT im Rahmen der wiederkehrenden Prüfung an Druckgeräten: Erlaubt die kritische und sachkundige Beurteilung der vorgenannten Entscheidungskriterien die Anwendung der AT, so erfolgt die Prüfdurchführung im Zuge eines vordefinierten Belastungsregimes im Regelfall bis zum 1,1-fachen Auslegungsdruck des zu prüfenden Druckgerätes. Die Wahl des Belastungsregimes orientiert sich maßgeblich an dem Ziel, möglichst alle relevanten Schadensmechanismen im Zuge der Prüfung zu aktivieren und so für die AT hörbar zu machen. So können Abschnitte mit kontinuierlicher Belastungssteigerungen durch Druckhaltephasen unterbrochen werden. Auch kontrollierte und geregelte Druckabsenkung innerhalb des Belastungsregimes können zweckmäßiger Weise eingesetzt werden, um gewisse Schadensmechanismen zu aktivieren (z.b. Rissuferreibung durch Schließen und Öffnen eines Risses bei Druckentlastung und anschließender Wiederbelastung). Wesentlich hierbei ist, dass während des gesamten Belastungsregimes vorher festgelegte Alarm- und Abbruchkriterien ständig und on-line überwacht werden und somit im Falle des Eintretens, die damit verknüpften Handlungen unverzüglich gesetzt werden können. Die strikte Einhaltung dieser Vorgangsweise, die zwischenzeitlich in den meisten nationalen und internationalen Normen und Regelwerken Einzug gefunden hat, gewährleistet eine frühe Erkennung beginnender Schadensmechanismen und unterstützt somit maßgeblich die sichere Abwicklung der Prüfung. Die mit Erreichung der Unterbrechungs- und Abbruchkriterien verknüpften Handlungen folgen hierbei im wesentlichen folgendem Prozedere Belastungssteigerung verlangsamen Belastungssteigerung unterbrechen Beobachtung der AT-Aktivitäten in der Druckhaltephase Begehung des Druckgerätes (VT) unter Umständen erst nach erfolgter Druckabsenkung Probeortungen am Quellort mittels Kalibrierquelle Quellenzuordnung (örtliche Lage, Ursache) Nachprüfung mit anderen zerstörungsfreien Prüfverfahren (VT, MT/PT, UT, RT, ambulante Metallographie, etc.) 3

4 Es ist gut zu erkennen, dass eine ordnungsgemäß durchgeführte Schallemissionsprüfung hauptsächlich für die Beantwortung der, im Vorwort zitierten, Fragestellung - Aktivitäten vorhanden ja/nein? - Wenn ja, wie intensiv ist ihr Verhalten unter Belastung? - Örtliche Lage der Aktivitäten? verantwortlich zeichnet. Zur Beurteilung der genauen Herkunft und damit verbunden die Feststellung einer möglichen Schadensindikation, ist die Anwendung weiterer zerstörungsfreier Prüfverfahren unerlässlich. In nachfolgendem Anwendungbeispiel aus der Praxis ist das Zusammenspiel der einzelnen Verfahrenstechniken zur Befundung des Druckgerätes anschaulich dargestellt. Praxisbeispiel: Im Zuge der wiederkehrenden Überprüfung an einem Gasreiniger einer CO 2 -Anlage war die Schallemissionsprüfung im Zuge einer Drucksteigerung mit dem Betriebsmedium (CO 2 ) durchzuführen. Es handelte sich hierbei um ein isoliertes, stehendes Druckgerät aus dem Werkstoff (Austenit) mit den Auslegungsdaten p s =12 bar, t=550 C. Bild 3: isolierter Gasreiniger einer CO 2 -Anlage Bei der Schallemissionsprüfung wurden massive Aktivitäten mit hoher Intensität im Bereich des Kalatysatorrostes und des unteren Bodens festgestellt, die eine Erfüllung des Abbruchkriteriums durch die aufgezeichneten Schallemissionsergebnisse bei 13,7 bar verursachten. In Bild 4 ist die örtliche Lage der festgestellten Quellen in der zylindrischen Abwicklung des Druckgerätes grafisch dargestellt. 4

5 Bild 4: Auswertung der Schallemissionsprüfung während der Drucksteigerung zwischen 7 und 13,7 bar In der Folge wurde das Druckgerät entlastet, im unteren Bereich die Isolierung entfernt und intensiven zerstörungsfreien Nachuntersuchungen unterzogen. Eine visuelle Besichtigung von innen und von außen, eine Farbeindringprüfung von außen, eine Ultraschallprüfung sowie eine Durchstrahlungsprüfung im lokalisierten Bereich verliefen im Wesentlichen ohne Befund. Erst die Ausarbeitung von Gefügeabdrücken (ambulante Metallographie) brachte das tatsächliche Ausmaß der Schädigung zur Ansicht (Bild 5). Bild 5: Gefügeabdrücke aus dem Mantelblech von außen zwischen unterem Boden und Katalysatorrost Eindeutig ist in dem austenitischen Gefüge die fortschreitende Zeitstandsbeanspruchung und Gefügeschädigung zu erkennen. Mikroporenketten und Mikrorisse verlaufen transkristallin über viele Körner hinweg. Zusätzlich bewirkt eine starke Karbidbelegung an den Korngrenzen eine hohe Versprödung des Werkstoffes. Auf Grund des vorliegenden Schädigungsgrades war der weitere Betrieb des Druckgerätes nicht 5

6 verantwortbar und es musste daher die Außerbetriebsetzung des Druckgerätes veranlasst werden. Abschließend kann festgestellt werden, dass erst die ambulante Metallographie das kritische Schallemissionsergebnis bestätigen konnte. Der Auswahl und dem Einsatz des best geeigneten Prüfverfahrens zur Auffindung der spezifischen Fehlerlage kommt hiermit besondere Bedeutung zu und erfordert entsprechende metallurgische und verfahrenstechnische Kenntnisse in den jeweils angewandten Prüfverfahren. Zusammenfassung: Wie beschrieben werden konnte, ist die Schallemissionsprüfung ein ideales Verfahren zur Bestimmung und Eingrenzung kritischer Zonen in einer belasteten Struktur und weist ein hohes Früherkennungspotential für vorhandene Schädigungen auf. Sie ermöglicht damit eine aufwandsoptimierte Anwendung weiterer zerstörungsfreier Prüfverfahren zur sicheren Identifikation von vorhandenen Schadensbildern und unterstützt somit eine ganzheitliche Beurteilungsphilosophie bei der wiederkehrenden Überprüfung von Druckgeräten. Eine ausreichend sichere Identifikation von Schadensbildern ausschließlich auf Basis der Schallemissionsergebnisse ist jedoch auf Grund des hohen Interpretationsbedarfs im Hinblick auf die Erkennung von Fehlerarten durch die vorhandenen Schallemissionsergebnisse derzeit nicht zweckmäßig. Zusätzlich erfordert die Auswahl und der Einsatz der geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahren zur Nachprüfung der Schallemissionsergebnisse ein hohes Maß an Kenntnis über Werkstoff, Auslegung und Betrieb des zu prüfenden Druckgerätes sowie über mögliche Schadensarten und deren Nachweisbarkeit. Dennoch ist die Schallemissionsprüfung nach dem Stand der Technik in der Lage, das breite Spektrum der zerstörungsfreien Prüfmethoden im Dienste der Anlagensicherheit durchaus positiv zu erweitern und hat somit heute ihren berechtigten und wichtigen Platz innerhalb der Anlageninstandhaltung eingenommen. Referenzen [1] Charakterisierung der Druckprüfung und der Schallemissionsuntersuchung im Vergleich zu anderen zerstörungsfreien Prüfungen Franz Rauscher, TU-Wien anlässlich der DACH-Jahrestagung 2004, Salzburg 6