Rice. 1. Prüfverfahren für die Schweißnahtfertigung von Edelstahl: Doppelte 2D-Matrix-Montage im TRL-Modus.

Normen, Standards und Verfahren wurden weiterentwickelt, um den Einsatz von Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) anstelle von Röntgenprüfung (RT) zur Prüfung austenitischer Schweißnähte zu ermöglichen. Die Verwendung von Dual-Array-(2D-)Sensoranordnungen, die vor fast 15 Jahren erstmals in Kernkraftwerken breite Anwendung fand, hat sich mittlerweile auch in der Öl- und Gasindustrie sowie in anderen Branchen verbreitet, in denen eine schnelle, zuverlässige und sichere Prüfung hochdämpfender austenitischer Schweißnähte erforderlich ist.
Die neuesten tragbaren Phased-Array-Geräte sind mit leistungsstarker, integrierter Software ausgestattet, die es ermöglicht, 2D-Matrix-Array-Scans schnell und effizient einzurichten, durchzuführen und auszuwerten, ohne dass Fokusdatendateien importiert werden müssen, die mit externen Rechnern oder Fernsteuerungssystemen mithilfe fortschrittlicher Software erstellt wurden. (PC-Software)
Moderne Prüftechnologien auf Basis von 2D-Array-Wandlern bieten überlegene Möglichkeiten zur Erkennung von Umfangs- und axialen Fehlern in Schweißnähten aus Edelstahl und ungleichen Metallen. Die standardisierte 2D-Doppelmatrix-Konfiguration deckt das Prüfvolumen von Edelstahlschweißnähten effektiv ab und erkennt sowohl flächige als auch großflächige Fehler.
Ultraschallprüfverfahren verwenden typischerweise zwei Arrays zweidimensionaler Matrizen, die auf austauschbaren, keilförmigen Bauteilen angebracht sind, deren Konturen dem Außendurchmesser des zu prüfenden Bauteils entsprechen. Es werden niedrige Frequenzen verwendet: 1,5 MHz für Schweißnähte unterschiedlicher Metalle und andere dämpfungsreduzierende Materialien, 2 MHz bis 3,5 MHz für homogene, geschmiedete Edelstahlsubstrate und Schweißnähte.
Die duale Sende-/Empfangskonfiguration bietet folgende Vorteile: keine oberflächennahe „Totzone“, Eliminierung von „Phantomechos“ durch interne Reflexionen im Keil und letztendlich eine höhere Empfindlichkeit und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (Rauschzahl) aufgrund der Faltung der Sende- und Empfangsstrahlen.
Betrachten wir nun die PA-UT-Methode zur Kontrolle der Herstellung von Schweißnähten aus austenitischem Edelstahl.
Bei der Fertigungskontrolle sollte anstelle der RT-Prüfung das gesamte Schweißnahtvolumen und die gesamte Wandstärke der Wärmeeinflusszone erfasst werden. In den meisten Fällen ist die Lötkappe vorhanden. Bei Schweißnähten aus Kohlenstoffstahl empfiehlt es sich, das Kontrollvolumen beidseitig mit Scherwellen zu beschallen. Die letzte Halbwelle dient üblicherweise dazu, Spiegelreflexionen von Fehlern an der Schweißnahtfase zu erfassen.
Bei niedrigeren Frequenzen kann ein ähnliches Scherwellenverfahren zur Prüfung der proximalen Schweißnahtfase von Edelstahlschweißnähten eingesetzt werden, ist jedoch für die Prüfung durch austenitisches Schweißgut hindurch nicht zuverlässig. Darüber hinaus befindet sich bei sogenannten CRA-Schweißnähten eine korrosionsbeständige Legierungsbeschichtung auf dem Innendurchmesser des Kohlenstoffstahlrohrs, wodurch die letzte Hälfte der Drahtbrücke des Querträgers nicht effektiv genutzt werden kann.
Betrachten wir nun die Methoden zur Probenerkennung mithilfe eines tragbaren Ultraschallmessgeräts und der zugehörigen Software, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Zwei 2D-Array-Wandler erzeugen P-Wellen-gebrochene Strahlen mit einem Einfallswinkel von 30 bis 85 Grad, die für eine vollständige Volumenabdeckung geeignet sind. Bei Wandstärken von 15 bis 50 mm gelten Frequenzen von 1,5 bis 2,25 MHz als geeignet, abhängig von der Dämpfung des Substrats.
Durch die Optimierung des Keilwinkels und der Konfiguration der Array-Sondenelemente lässt sich ein breites Spektrum an Brechungswinkelscans effizient und ohne störende Nebenkeulen erzeugen (Abb. 2). Die Ausdehnung des Keilknotens in der Einfallsebene wird minimiert, sodass der Strahlaustrittspunkt so nah wie möglich an der Schweißnaht positioniert werden kann.
Die Leistung eines standardmäßigen 2,25-MHz-10x3-Dual-Array-Antennensystems im TRL-Modus wurde an einer Schweißnaht aus 25 mm dickem Edelstahlblech (304) untersucht. Die Prüfkörper wiesen eine typische V-förmige Neigung und einen „wie geschweißt“-Oberflächenzustand auf und enthielten reale und gut dokumentierte Schweißnahtfehler parallel zur Schweißnaht.
Rice. 3. Kombinierte Phased-Array-Daten für ein Standard-2,25-MHz-10 x 3-Dual-Array (TRL)-Array auf einer 304-Edelstahlplattenschweißung.
Abbildung 3 zeigt Bilder der kombinierten PAR-Daten für alle Brechungswinkel (von 30° bis 85° LW) entlang der gesamten Schweißnahtlänge. Die Datenerfassung erfolgte mit geringer Verstärkung, um eine Sättigung stark reflektierender Defekte zu vermeiden. Die 16-Bit-Datenauflösung ermöglicht geeignete Einstellungen der Verstärkung für verschiedene Defekttypen. Die Datenauswertung wird durch die korrekte Positionierung des Projektionsverschlusses erleichtert.
Abbildung 4 zeigt ein Bild eines einzelnen Defekts, das mit demselben zusammengeführten Datensatz erstellt wurde. Überprüfen Sie das Ergebnis:
Wenn Sie den Schweißstopfen vor der Inspektion nicht entfernen möchten, kann eine andere Inspektionsmethode zur Erkennung axialer (quer verlaufender) Risse in Rohrschweißnähten verwendet werden: Eine einzelne Array-Prüfsonde kann im Impuls-Echo-Modus verwendet werden, um den Schweißstopfen zu „neigen“. Schallstrahl von unten. Da sich der Schallstrahl hauptsächlich im Substrat ausbreitet, können Scherwellen zuverlässig Defekte auf der der Schweißnaht zugewandten Seite erkennen.
Idealerweise sollten Schweißnähte in vier Strahlrichtungen geprüft werden (Abbildung 5). Hierfür werden zwei symmetrische Keile benötigt, die aus entgegengesetzten Richtungen – im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn – geprüft werden. Abhängig von Frequenz und Größe der einzelnen Elemente des Arrays lässt sich die Keilanordnung optimieren, um Brechungswinkel von 40° bis 65° relativ zur Scanachse zu erzielen. Mehr als 50 Strahlen treffen auf jede Suchzelle. Ein hochentwickeltes US-PA-Gerät mit integriertem Rechner kann die Definition von Fokussierungsgesetzen mit unterschiedlichen Schrägstellungen problemlos verarbeiten, wie in Abbildung 6 dargestellt.
Üblicherweise wird eine zweizeilige Prüfsequenz verwendet, um den gesamten Prüfbereich abzudecken. Die axialen Positionen der beiden Scanlinien werden anhand der Rohrwandstärke und der Breite der Schweißnahtspitze bestimmt. Die erste Scanlinie verläuft so nah wie möglich am Schweißnahtrand und deckt Fehler an der Schweißnahtwurzel auf. Die zweite Scanlinie vervollständigt die Abdeckung der Wärmeeinflusszone (WEZ). Der Basisbereich des Prüfkopfes wird so optimiert, dass der Austrittspunkt des Prüfstrahls möglichst nahe am Scheitelpunkt liegt, ohne dass es zu signifikanten internen Reflexionen im Keil kommt.
Dieses Prüfverfahren hat sich als sehr effektiv bei der Erkennung von axialen Fehlstellen erwiesen. Abbildung 7 zeigt eine Phased-Array-Aufnahme eines axialen Risses in einer Edelstahlschweißnaht: Es wurden Fehlstellen in verschiedenen Neigungswinkeln festgestellt, und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) konnte beobachtet werden.
Abbildung 7: Kombinierte Phased-Array-Daten für axiale Risse in Edelstahlschweißnähten (verschiedene Schweißwinkel und Neigungen): konventionelle Projektion (links) und Polarprojektion (rechts).
Die Vorteile der modernen PA-Ultraschallprüfung als Alternative zur Radiographie gewinnen in der Öl- und Gasindustrie, der Energieerzeugung, der Fertigungsindustrie und anderen Branchen, die auf die zuverlässige Prüfung von austenitischen Schweißnähten angewiesen sind, zunehmend an Bedeutung. Ebenso tragen vollintegrierte PA-Ultraschallprüfgeräte, leistungsstarke Firmware und 2D-Array-Prüfköpfe dazu bei, diese Prüfungen kostengünstiger und effizienter zu gestalten.
Guy Maes ist Vertriebsleiter für Ultraschall bei Zetec. Er verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Entwicklung und Implementierung fortschrittlicher Ultraschallmethoden, der Kompetenzbeurteilung und der Softwareentwicklung. Für weitere Informationen rufen Sie (425) 974-2700 an oder besuchen Sie www.zetec.com.
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