Innovative zerstörungsfreie Prüftechniken im ... · VGB PowerTech 4 l 213 Prüftechniken im Kesselbau In den VGB-Standards sind über viele Jahre Erfahrungen der Anlagenbetreiber,

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Prüftechniken im Kesselbau VGB PowerTech 4 l 2013

Autoren

Abstract

Innovative non-destructive testing in conventional boiler construction

The application of new materials with the known narrow welding process parameters in boiler construction requires ensured and con-stantly good weld quality by using optimised non-destructive testing (NDT) methods.The following paper introduces new testing techniques that allow the parallel erection, ex-ecution, and “non-destructive testing of welds. The ultrasonic testing method “Phased-Array” and the “Digital Radiography” were applied for the first time in industrial scale. Together with the plant operator, an independent inspection authority and the manufacturer qualified the previously mentioned NDT methods within an extensive qualification scenario.With the phased-array testing method it is possible to achieve quality-assured test results based on EN standards for pressure equipment with a minimum wall thickness of 6.3 mm (fer-ritic materials). Compared with conventional film technology, digital radiography offers an optimised NDT process for austenitic materials and therefore a significant reduction in testing time. The necessary restricted areas for ensur-ing radiation protection can be limited to a few meters. Therefore, it is possible to conduct erec-tion activities in the vicinity of the testing area.Both testing methods reduce the necessary erec-tion time substantially. Further advantages of these imaging testing methods are improved quality of documentation and test results. l

Innovative zerstörungsfreie Prüftechniken im konventionellen KesselbauJulian Mircea, Peter Mikitisin, Alfred Gaida und Hilmar Schinkel

Dr.-Ing. Julian MirceaPrüfaufsicht Stufe 3Babcock Borsig Steinmüller GmbHOberhausen/DeutschlandDr.rer.nat. Peter MikitisinGeschäftsführerTPW Prüfzentrum GmbHNeuss/DeutschlandDipl.-Ing. Alfred GaidaReferent QualitätssicherungSTEAG GmbHEssen/DeutschlandDipl.-Ing. Hilmar SchinkelLeiter QualitätsmanagementBilfinger Power Systems GmbHOberhausen/Deutschland

Bisherige Prüftechniken im Kesselbau

Die zerstörungsfreie Volumenprüfung von Rundschweißnähten an dünnwandigen Rohren (Wanddicke 6 bis 8 mm) im Kes-selbau wird heute ausschließlich mittels konventioneller Durchstrahlungsprüfung (RT) mit Isotopen durchgeführt. Hier-aus ergeben sich wegen der notwendigen Strahlenschutzmaßnahmen Einschrän-kungen für die Montagearbeiten auf der Baustelle. Diese ermöglichen nur Prüfzei-ten während der Nachtschicht. Schneller und genauer sind die Ultraschall-Phased-Array-Prüfung (UT-PA) und die Digitale Radiographie (DR).Bei der UT-PA Gruppenstrahlertechnik als bildgebendes Prüfverfahren sind die Feh-lerortung und -auffindbarkeit genauer als beim Einsatz der konventionellen Ultra-schallprüfung. Bei der DR wird durch die hohe Graustufendynamik eine große Re-gelbarkeit des dargestellten Schwärzungs- und Kontrastbereichs sowie dadurch eine bessere Fehlerauffindbarkeit und -inter-pretation als bei der konventionellen Ra-diographie erreicht.Beide Prüftechniken erlauben Schweiß- und Prüfarbeiten rund um die Uhr ohne Einschränkungen verbunden mit weniger Belastungen für das Personal sowie für die Umwelt. Voraussetzungen hierfür sind eine sehr gute Koordination und Organisation der Montage- und Prüfarbeiten. Um dieses Ziel erfüllen zu können, müssen die Baulei-tung und die zuständige Prüfaufsicht Hand in Hand arbeiten.In diesem Beitrag werden die oben ge-nannten Prüfverfahren und deren Anwen-dung unter realen Baustellenbedingungen vorgestellt. Erstmalig wurde eine große Anzahl von metallischen Schweißverbin-dungen mit diesen Prüfverfahren auf einer Baustelle in Deutschland geprüft. Mit dem Einsatz dieser Prüfverfahren konnten alle mitwirkenden Parteien (Anlagenbetreiber, Hersteller, Montagefirma und die unab-hängige Prüfstelle) einen wichtigen Zeit-gewinn erreichen.

Regelwerke und Prüfumfänge

Vor Einführung der harmonisierten Nor-men in Europa war die Normung für Druckgeräte im Wesentlichen auf natio-naler Ebene geregelt. Im weltweiten in-ternationalen Kraftwerksbau konnten die

Hersteller je nach Vertragsgestaltung die vertrauten nationalen Regelwerke ein-bringen (zum Beispiel die deutschen Stan-dards TRD [1] oder AD [2]). Oftmals wa-ren zusätzlich die für den Aufstellungsort des Druckgeräts geltenden Vorschriften und technischen Lieferbedingungen zu er-füllen (zum Beispiel dänische Regeln für Schweißarbeiten an Rohrleitungen).

Mit Einführung des „Neuen Konzepts“ (New Approach) wurde bereits am 7. Mai 1985 der Grundstein für die Harmonisie-rung des gemeinsamen europäischen Bin-nenmarktes gelegt und durch Schaffung übergreifender Normenausschüsse (CEN: Comité Europen de Normalisation) die Überführung nationaler technischer Re-geln in europäische Normen eingeleitet.

Für Druckgeräte stehen heute in Europa umfassende Normen zur Verfügung, die bereits über Neuausgaben den Status der oftmals mit vielen Fehlern versehenen Erstausgaben ersetzt haben. Nachfolgend ein Überblick der Basisnormen für Druck-geräte:

– DIN EN 12952 Wasserrohrkessel [3] – DIN EN 12953 Großwasserraum-

kessel [4] – DIN EN 13445 unbefeuerte

Druckbehälter [5] – DIN EN 13480 industrielle

Rohrleitungen [6].Die in diesen Basisnormen aufgeführten mitgeltenden Normen regeln zum Beispiel die Qualifikation von zerstörungsfreien Prüfverfahren und deren Durchführung. Prüfumfänge für zerstörungsfreie Prüfun-gen werden grundsätzlich über die oben angegebenen Normen geregelt und sind als Mindestanforderungen einzustufen.Im Kesselbau ist entsprechend EN 12952 [3] der Prüfumfang für die typischen Rohr-rundnähte für zum Beispiel: Verdampfer, Überhitzer, Eco etc. auf mindestens 10 % festgelegt (Ta b e l l e 1 ). Eine Staffelung des Prüfumfangs aufgrund besonderer schweißtechnischer Umgebungsbedingun-gen sowie Verarbeitungsanforderungen der neuen Werkstoffe im Kesselbau findet keine Berücksichtigung.Ausgehend davon, dass im Großdampf-erzeugerbau bei den heute üblichen Kessel-größen für das Druckteil der Schweißum-fang auf der Baustelle für Rohrrundnähte im Bereich von circa 35.000 Schweißnäh-ten liegt, beeinflussen erweiterte Prüf-szenarien durch Zusatzspezifikationen den Montageablauf wesentlich.

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VGB PowerTech 4 l 2013 Prüftechniken im Kesselbau

In den VGB-Standards sind über viele Jahre Erfahrungen der Anlagenbetreiber, Kesselhersteller und Überwachungsorga-nisationen dokumentiert. Bezüglich des Prüfumfangs für Rohrrundnähte spezifi-ziert die VGB-Richtlinie VGB-R 501 (neu Standard [7]) für die „Herstellung sowie Bau- und Montageüberwachung von Dampfkesseln“ den Prüfumfang für die zerstörungsfreie Schweißnahtprüfung nach der jeweiligen Werkstoffgüte und der Einbaulage (Tabelle 1).Zur Garantie eines abgesicherten Quali-tätsstandards sind die Mindeststandards der EN 12952 [3] keine ausreichende Ba-sis, zumal die neuen Werkstoffe aufgrund der teilweise sehr engen schweißtechni-schen Verarbeitungsfenster besonders für Handschweißungen unter Montagebedin-gungen ein erhöhtes Prüfniveau benötigen.Die nachfolgend vorgestellten modernen zerstörungsfreien Prüftechniken ermögli-chen dem Kesselhersteller eine durchgän-gige Einbindung der Prüfszenarien in den Montageablauf. Prüfungen können direkt nach der Montageausführung erfolgen. Die für den Montagefortschritt wichtigen Prüfergebnisse stehen mit der digitalen Röntgentechnik und der Phased-Array-Technik kurzfristig zur Verfügung.

Qualifizierungsszenario

Sowohl die europäischen harmonisierten Produktnormen für Druckgeräte, wie die DIN EN 12952 [3] für Wasserrohrkessel so-wie die bisherigen nationalen Regelwerke wie TRD [1], AD-2000 [2] oder die VGB-Richtlinien [7], sehen für die Erfüllung der Prüfumfänge an Schweißverbindungen die Anwendung der klassischen zerstörungs-

freien Prüfverfahren wie der Durchstrah-lungsprüfung nach DIN EN 1435 [8] oder der Ultraschallprüfung nach DIN EN 11666 [9] bzw. gemäß DIN EN 17640 [10] vor.Die Anwendung der UT-PA, wie sie im Nor-menentwurf E DIN EN ISO 13588 [12] dar-gestellt ist, oder der DR gemäß Norment-wurf E DIN EN ISO 17636-2 [12] findet zurzeit in keinem technischen Regelwerk Berücksichtigung. Darüber hinaus gibt es für die Anwendung der klassischen Ultra-schallprüfung an Rohrrundnähten weiter-gehende Einschränkungen:

– Gemäß DIN EN 12952-6 [3] ist die Ultra-schallprüfung bei ferritischen Werkstof-fen ab Wanddicken > 8 mm ohne Ein-schränkung anwendbar. Bei Wanddicken < 8 mm ist die Ultraschallprüfung „nach schriftlichen Anweisungen für das Prüf-verfahren des Herstellers durchzufüh-ren, durch das sichergestellt sein muss, dass die Sicherheit des Kessels nicht be-einträchtigt wird“ [DIN EN 12952-6 Abs. 9.4.2.1 Pkt. 12].

– Die Regelungen der VGB-Richtlinie VGB-R 501 [7] sind dahin gehend noch strin-genter, als dass die Ultraschallprüfung für ferritische Werkstoffe erst ab Wand-dicken von 15 mm vorgesehen ist.

Der Einsatz der innovativen Prüfverfahren der UT-PA und der DR machte daher eine Qualifizierung zum Nachweis der Eignung dieser Prüfverfahren für den geplanten Ein-satzzweck unter Beteiligung aller Parteien, das heißt Anlagenbetreiber, Hersteller, Montagefirma und der unabhängigen Prüf-stelle, unabdingbar. Die Qualifizierung der Prüfverfahren erfolgte in Anlehnung an die VGB-Richtlinie VGB-R 516 „Methodik für das Vorgehen bei der Qualifizierung von zerstörungsfreien Prüfungen“ [20].

Die Qualifizierung der UT-PA erfolg-te durch den Nachweis der Erkennbar-keit von sowohl künstlich eingebrachten Fehlern an Vergleichskörpern gemäß E DIN EN ISO 13588 [11] als auch erstma-lig an Schweißnähten mit realen Schweiß-nahtfehlern. Die Abmessungen der sowohl künstlich eingebrachten Fehler als auch der realen Schweißnahtfehler wurden hierfür im Vorfeld durch computertomo-

graphische Untersuchungen (CT-Aufnah-men) untersucht.Für ferritische Werkstoffe in Abmessungs-bereichen von DA 48 · 6,3 mm bis DA 61 · 8 mm konnte neben der Erkennbarkeit der künstlichen eingebrachten Fehler nach-gewiesen werden, dass reale kritische Schweißnahtfehler wie:

– Schlauchporen, – Flankenbindefehler, – Sternförmige Endkraterrisse und – Querrisse

eindeutig festgestellt werden können. Darüber hinaus ist hervorzuheben, dass die Fehlerarten „Flankenbindefehler“ und „sternförmiger Endkraterriss“ mittels ver-gleichender klassischer Durchstrahlungs-aufnahmen nach DIN EN 1435 [8] nicht detektiert werden konnten.Als zusätzliche Qualifizierungsmaßnahme wurde zwischen den beteiligten Parteien vereinbart, dass je Rohrabmessung zu Be-ginn der Prüftätigkeit 100 Schweißnähte sowohl mittels UT-PA als auch konventi-oneller Durchstrahlungsprüfung verglei-chend zu prüfen sind. Zur Qualifizierung der UT-PA wurde eine mindestens 95%ige Übereinstimmung in der Prüfaussage die-ser beiden Verfahren gefordert und nach-gewiesen.Abschließend wurde als weitere quali-tätssichernde Maßnahme zur laufenden Verifizierung der Prüfergebnisse der UT-PA eine baubegleitende konventionelle Durchstrahlungsprüfung an 5 % der UT-PA-geprüften Schweißnähte durchgeführt.Die Qualifizierung der DR erfolgte durch Vergleichsaufnahmen gegenüber der kon-ventionellen Durchstrahlungsprüfung an repräsentativen Schweißnähten aus sowohl ferritischen als auch austeniti-schen Werkstoffen mit realen, wie zuvor beschriebenen, Schweißnahtfehlern. Es konnte nachgewiesen werden, dass die DR ein zu 100 % übereinstimmendes Ergeb-nis mit der konventionellen Durchstrah-lungsprüfung liefert, sowohl hinsichtlich der Erkennbarkeit von Schweißnahtfehler als auch hinsichtlich der Bildgüte der Auf-nahmen.

Qualifikation Prüfpersonal

Ultraschall-Phased-ArrayDas eingesetzte Prüfpersonal war nach DIN EN 473 [13]/DIN EN ISO 9712 [14] qualifiziert und zertifiziert (UT-Stufe 2 mit Zusatzausbildung zur Gruppenstrahler-Technik der Ultraschallprüfung). Zusätz-lich zu den allgemeinen Kenntnissen zur Ultraschallprüfung von Schweißnähten musste das Personal mit der phasengesteu-erten Array-Technik vertraut sein und prak-tische Erfahrungen bei der Anwendung die-ser Prüftechnik nachweisen können. Eine besondere Schulung des Personals erfolgte an charakteristischen Teilen mit Schweiß-

Bild 1. Das tragbare Phased-Array-Ultraschall-prüfgerät Phasor XSTM.

Tab. 1. Vergleich Regelwerke für die Festlegung des Prüfumfangs.

Werkstoff Abmessung Prüfumfang RT Verfahren1

Da Wanddicke [mm]

EN 12952-6 [3] [%]

VGB 5012 [7] Rohre beheizt [%]

VGB 5012 [7] Rohre außen [%]

T91 < 76,1 – – –

T92 alle 10 25 100

VM12 SHC – – – –

Austenite

zum Beispiel Super 304H

< 76,1 10 25 25

alle – – –

13CrMo4-5 < 76,1 10 3 3

T24 alle – – –1 VGB sowie EN sehen eine Teildarstellung der Schweißnaht nach EN 1435 Bild 11 [8] vor (Ellipse).2 Spiegelnähte sowie die nach dem Einbau nicht mehr zugänglichen Nähte sind 100 % zu prüfen.3 Prüfumfang wird zwischen Hersteller, Besteller und Bauüberwacher abgestimmt.

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verbindungen einschließlich Freigabesze-nario für den Prüfeinsatz vor Ort [11].

Digitale RadiographieDas eingesetzte Prüfpersonal war nach DIN EN 473 [13]/DIN EN ISO 9712 [14] in einem relevanten Industriesektor qualifi-ziert und wie folgt zertifiziert:

– Prüfungsdurchführung: RT Stufe 1 und DR Stufe 1;

– Auswertung: RT Stufe 2 oder RT Stufe 2 FAS und DR Stufe 2;

– Prüfaufsicht: RT Stufe 3 und DR Stufe 2.

Zusätzlich war eine Belehrung im Rahmen der neuen Entwicklung der Röntgenver-ordnung für den technischen Umgang mit Röntgenstrahlen erforderlich. Um die Auswertung der DR-Bilder durchführen zu dürfen, war eine zusätzliche dokumentier-te Schulung als Bildauswerter (im Umgang mit der Bildauswertesoftware) erforder-lich.

Prüftechnik

Ultraschall-Phased-ArrayBei der konventionellen Ultraschallprü-fung werden für eine Prüfaufgabe mehre-re Prüfköpfe mit unterschiedlichen festen Einschallwinkeln eingesetzt. Ein fester Einschallwinkel bedeutet feste Schallfeld-eigenschaften. Je komplizierter die Geo-metrie des Bauteils, desto mehr Prüfköpfe unterschiedlicher Art müssen eingesetzt werden. Dadurch werden auch unter-schiedliche Prüflängen (Prüffahrten) be-nötigt.

Die Phased-Array-Technik bietet die Mög-lichkeit, durch eine geeignete Elektronik die Einzelelemente des Prüfkopfs anzusteu-ern und dadurch das Schallfeld je nach An-wendung zu verändern. Ein Phased-Array-Prüfkopf ersetzt mehrere konventionelle Prüfköpfe. Der Prüfkopf besteht aus einem Ultraschallschwingquarz, der in mehrere Streifen geschnitten wird, somit wird der

Phased-Array-Prüfkopf in mehrere Einzel-elemente unterteilt. Jedes Element kann senden und empfangen. Die ansteuernde Elektronik ermöglicht das Schwenken und Fokussieren des Schallfelds.

Digitale RadiographieDie DR ist die moderne Form des konven-tionellen Röntgens (RT). Im Unterschied zum herkömmlichen Röntgen gibt es keine direkte Filmbelichtung. Die durch das zu untersuchende Objekt tretende Röntgen-strahlung wird stattdessen mit einem elek-tronischen Sensor (Flachdetektor) oder ei-ner Speicherfolie gemessen und anschlie-ßend in digitale Signale umgewandelt.Digitale Röntgensysteme verfügen über eine große Dynamik, so dass Über- als auch Unterbelichtung in einer großen Varianz kaum möglich sind. Trotzdem muss der Prüfer sorgfältig darauf achten, dass die Expositionsparameter richtig gewählt wer-den. Die hohe Empfindlichkeit der heuti-gen DR-Systeme ermöglicht eine deutliche Strahlen- bzw. Dosisreduktion von bis zu 95 % gegenüber der bisherigen konventi-onellen Röntgenprüfung (RT).Die direkte DR mithilfe eines Flat-Panel-Detektors hat keine bewegten Kompo-nenten. Hier treffen die Röntgenstrahlen zunächst auf Szintillatoren. Eine Matrix aus Fotodioden wandelt die Lichtquanten in digitale Signale um. Diese werden dann an einen Computer weitergeleitet, so dass „wenige Sekunden“ nach der Aufnahme das Röntgenbild auf dem Bildschirm des angeschlossenen Notebooks erscheint. Das Röntgenbild wird auf der Festplatte gespei-chert und kann durch den Prüfer oder die Prüfaufsicht bereits während der Prüfung beurteilt und später weiter bearbeitet wer-den. Das digitale Verfahren hat den großen Vorteil, dass die gewonnenen Informatio-nen gespeichert, nachträglich bearbeitet, jederzeit wiedergegeben und an andere Stellen (Kollegen, Baustelle, Büros) wei-tergegeben werden können. Die DR be-

schleunigt den praktischen Arbeitsablauf (zum Beispiel im Kraftwerk) enorm und bietet zusätzlich eine direkte Anbindungs-möglichkeit an bestehende Auswerte- und Archivierungssysteme.

Vorteile beider Prüftechniken gegenüber konventioneller Prüftechnik

Ultraschall-Phased-ArrayDie Ta b e l l e 2 zeigt die Vorteile der Phased-Array-Technik gegenüber konven-tioneller Ultraschall-Prüftechnik unter realen Randbedingungen. Zusätzlich er-möglicht die bildgebende Phased-Array-Technik eine moderne und vollständige Dokumentation der Prüfergebnisse: A-, B-, C- und S-Bilder der Anzeigen, Prüfpa-rameter etc.

Digitale Radiographie (DR)Der Vorteil der DR liegt im Ablauf der prak-tischen Durchführung. Bei der konventio-nellen Methode muss das Röntgenbild zeit-verzögert nach der Aufnahme entwickelt werden. Durch die DR stehen die Bilder so-fort zur Verfügung und es werden keine zu-sätzlichen Mitarbeiter als Boten gebraucht. Das Röntgenbild steht an jedem PC bzw. Notebook im Netzwerksystem zur Verfü-gung, im Gegensatz zum normalen Rönt-genbild auch mehrmals. Die einmal aufge-nommenen Bilder werden revisionssicher gespeichert und können an einer Worksta-tion digital nachbearbeitet werden, sodass auf Wiederholungsaufnahmen verzichtet werden kann. Durch das revisionssichere Speichern der Röntgenbilder gehen keine Röntgenbilder und insbesondere keine Ori-ginalbilder verloren.

Ein weiterer Vorteil ist der nur noch mi-nimale Platzbedarf für das Aufbewahren der Röntgenbilder. Nicht zuletzt benötigen digitale Röntgenbilder, je nach benutztem Prüfsystem und der aktuellen Prüfaufga-be, meistens weniger Strahlung (nur noch ca. 5 % im Vergleich zur konventionellen Prüfung), wodurch das Bauteil, aber auch die Umgebung einer geringeren Dosis aus-gesetzt wird. Zu guter Letzt ist die DR-Prü-fung auch umweltfreundlicher, da keine Chemikalien zur Film-Entwicklung benö-tigt werden (Ta b e l l e 3 ).

Vorteile der mobilen DR: – DR hat eine wesentlich größere Grau-

stufendynamik (10 bis 16 Bit) gegenüber dem Film

– Dadurch große Regelbarkeit des dar-gestellten Schwärzungs- und Kontrast-bereichs

– Erheblich gemindertes Risiko einer Fehl-belichtung

– Betrachtung und Bearbeitung mit Com-putern sofort nach dem Erstellen

– Sofortige Aussagefähigkeit vor Ort – Möglichkeiten der digitalen Speicherung

Tab. 2. Vorteile der Phased-Array-Technik.

Randbedingungen Vorteile für die Prüfung

Viele Prüffunktionen bei entsprechenden Prüfaufgaben – Reduzierung der Prüfkopfanzahl

Komplexe Prüfgeometrie – Anpassung der Einschallwinkel an die Prüfgeometrie– nur ein Prüfkopf für die benötigten Einschallwinkel

Schwer zugängliche Komponenten – geringe Abmessungen des Prüfkopfsystems

Eingeschränkter Scanbereich – Kleines Prüfkopfsystem, Reduzierung der Prüflänge bei Schweißnahtprüfungen, d.h. Einsparung von Material.

Kurze Prüfzeiten – Reduzierung der Anzahl der Prüffahrten

Tab. 3. Vergleich der Bildkriterien zwischen einem Film-Folien-System (FFS) und einem Detektorsystem.

FFS Speicherfolie Detektor

Dynamikbereich 1:10 bis 1:30 1:10.000 1:10.000

Auflösungsvermögen 2,5 – 12 Lp/mm 2,5 – 10 Lp/mm 2,5 – 10 Lp/mm

DQE (detective quantum efficiency) 20 bis 30 % 20 bis 25 % bis 60 %

Pixelgröße 5 bis 10 µm ~ 50 µm ~ 50 µm

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– Verkürzte Belichtungszeiten (zum Beispiel 15 s DR anstatt 900 s Se75)

– Keine Chemie, weniger Bleiabschirmung – Geringere Strahlendosis – Hohe Ortsauflösung – Zoomen und Messen in der Bildebene – Filtern zu Analysezwecken – Anzeige des Graustufenverlaufs – Ausschneiden von interessanten

Bereichen (ROI) – Archivierung auf Datenträgern bzw.

Netzwerk – Weltweite Verfügbarkeit der

Röntgenbilder – Halbautomatisches Prüfprotokoll

Nachteile der mobilen DR: – hohe Anschaffungskosten – Handhabung benötigt erfahrene, sensi-

bilisierte Prüfer mit EDV-Kenntnissen

Heutige Detektoren sind in fast allen Belan-gen einem Film-Folien-System gleichwer-tig beziehungsweise überlegen. Der ver-meintliche Nachteil heutiger Detektoren, die Pixelgröße, wird bei der Verwendung einer modernen Röntgenquelle mit klei-nem Brennfleck durch die Möglichkeit der Bildvergrößerung nahezu kompensiert.

Praktische Durchführung

Ultraschall-Phased-Array [15]GeräteEs wurde das tragbare Phased-Array Ul-tra schallprüfgerät Phasor XSTM eingesetzt, Hersteller GE Measurement & Control in Hürth, das gleichzeitig ein konventionel-les Prüfgerät nach Industriestandard ist (B i l d 1 ) [2]. Es hat ein bewährtes und

robustes Design für den Einsatz in industri-eller Umgebung. Das Gerät hat einen farbi-gen Bildschirm für die Echtzeitdarstellung von B-Bild und Sektorbild mit oder ohne A-Bild des ausgewählten Strahls. Die Voll-bilddarstellung und die Speicherung aller Bildschirminhalte (Sektorbilder, A-Bilder, B-Bilder), der Messwerte und der Parame-ter der aktuellen Geräteeinstellung sind möglich. Die Erstellung von Bildern und Protokollen im JPEG-Format und Speiche-rung erfolgt auf SD-Speicherkarte [16].

PrüfköpfeVerwendet wurden Prüfköpfe mit Trans-versalwellen. Es wurden sowohl die so genannten „Scribeline Probes“ als auch die MWB4PA16-Prüfköpfe (Hersteller GE) eingesetzt, beide mit 16 Elementen B i l d 2 ). Die bewährte Bauart MWB hat sich unter Baustellenbedingungen durch-gesetzt. Die Anpassung der Prüfköpfe an gekrümmte Prüfflächen erfolgt nach DIN EN ISO 17640 [10]. Der Spalt zwi-schen Prüffläche und Prüfkopfschuh darf nicht mehr als 0,5 mm betragen. Es sind Phased-Array-Winkelprüfköpfe mit einer Frequenz von 4 und 5 MHz eingesetzt worden. Der Winkelscan wurde zwischen Winkel-Anfang 40° und Winkel-Ende 70° durchgeführt.

Zu prüfendes VolumenDas Prüfvolumen umfasst die Schweißnaht und den Grundwerkstoff an beiden Seiten der Schweißnaht über eine Breite von min-destens 10 mm sowie die gesamte Breite der Wärmeeinflusszone. Die Prüfung wur-de unter festem Abstand zur Schweißnaht von beiden Seiten durchgeführt. Der Ab-stand und die Anzahl der Abstände wurden in Abhängigkeit von Nahtvorbereitung und

Wanddicke vor der Prüfung berechnet, um die 100%ige Abdeckung des Prüfvolumens sicherzustellen. Das B i l d 3 zeigt zum Bei-spiel die 100-%-Abdeckung des Prüfvolu-mens für die Wanddicke 6,3 mm bei einem Abstand von 6,92 mm.

VergleichskörperDer Vergleichskörper wurde aus gleichem Werkstoff (mit gleicher Wärmebehand-lung, falls erforderlich) sowie gleichem Durchmesser und gleicher Wanddicke wie der Prüfgegenstand gefertigt. Der Ver-gleichskörper wurde sowohl für die Entfer-nungsjustierung als auch für die Empfind-lichkeitsjustierung nach der Time-Correc-ted-Gain(TCG)-Methode angewendet.

Die Bezugsreflektoren waren Rechtecknu-ten mit einer Tiefe von 1 mm und einer Brei-te von 0,2 mm gemäß DIN EN ISO 13588 [11 ]. Die Länge der Nuten beträgt 6 mm. Die Rechtecknuten wurden mittels Funk-erosion hergestellt. Die erforderlichen Maße wurden mittels CT-Messungen be-stätigt (B i l d 4 ).

EmpfindlichkeitsjustierungDie Empfindlichkeitsjustierung wurde nach der Time-Corrected-Gain (TCG)-Me-thode (zeitabhängige Verstärkung, Tiefen-ausgleich) durchgeführt. Der Tiefenaus-gleich kompensiert die natürliche Abnah-me der Echoamplitude mit zunehmendem Abstand. Der Tiefenausgleich muss sowohl die natürliche Amplitudenabnahme durch die Entfernungsgesetze und Schallschwä-chung als auch die Änderung der Echo-amplitude aufgrund des Einschallwinkels kompensieren. Dazu muss die Echoamp-litude jedes Bezugsreflektors mit jedem Winkel erfasst werden. Die TCG-Kurve wurde auf 80 % Bildschirmhöhe der Echo-

a) b)

Bild 2. Phased-Array-Winkelprüfköpfe. a) MWB4PA16 b) Scribeline Probe

-6,92 mm

30,0 °C

Bild 3. 100 % Abdeckung des Prüfvolumens.

Bild 4. CT-Aufnahme einer Rechtecknute.

a) b) c)

Bild 5. Aufnahme der TCG-Kurve.

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amplitude für jeden Bezugsreflektor (inne-re und äußere Nuten) aufgenommen. Drei Punkte wurden aufgenommen, Position A, B, C im B i l d 5 .

Digitale Radiographie [17]Das Gesamtsystem zur DR von Schweiß-nähten an Rohrverbindungen besteht aus den Einzelkomponenten Röntgengenera-tor, Röntgenröhre, Bildwandler (Detek-tor), Bedienrechner für den Prüfer, Bild-wiedergaberechner für Prüfaufsicht/NoBo sowie den Strahlenschutzvorrichtungen. Der Aufbau der Komponenten muss unter Berücksichtigung der örtlichen Gegeben-heiten auf der Baustelle entsprechend der Anleitung vorgenommen werden. Die In-betriebnahme und Bedienung des Systems dürfen nur durch entsprechend zugelas-senes Personal erfolgen. Die Maßnahmen zum Arbeitsschutz – insbesondere des Strahlenschutzes – sind dabei unbedingt zu beachten.

Der Röntgengenerator mit dem Bedienpa-nel der Röhre und dem Anschlusskabel der Röhre befindet sich auf einem Transport-wagen (a), der von einer Person bewegt werden kann (B i l d 6 ). Am Bedienpanel des Transportwagens werden alle Para-meter (Spannung, Strom, Belichtungszeit usw.) der Röntgenröhre (b) nach Herstel-lerangaben eingestellt. Die Inbetriebnah-me des Röntgengenerators und dessen Bedienung dürfen nur durch speziell auto-risiertes Personal vorgenommen werden. Das 20 m lange Verbindungskabel vom Röntgengenerator zur -röhre besteht aus einem ummantelten Bündel mit Stromlei-tung, Kühlmittelvorlauf, Kühlmittelrück-lauf und Erdungskabel.

Die einpolige Metall-Keramik-Röntgenröh-re ist für die industrielle Röntgenprüfung bis hin zu Stahlteilen ausgelegt. Sie hat im Vergleich zu konventionellen bipolaren Röhren kleine Abmessungen und ein gerin-ges Gewicht. Der einstellbare Kollimator der Röntgenröhre grenzt die austretende Röntgenstrahlung auf einen definierten Bereich ein. Der Detektor mit Schutzum-mantelung (c) und markierter Belich-tungsfläche dient der digitalen Erfassung der Röntgenstrahlen, die die Schweißnaht durchdringen. Der Detektor wird an das Interface (Blackbox) angeschlossen. Das Interface (d) dient als Kommunikations-schnittstelle zwischen dem Detektor und dem Bedienrechner des Prüfers. Dies ist erforderlich, weil die maximal zulässige

Kabellänge für den Datenbus des Detek-tors nur 10 m beträgt. In der Praxis sind jedoch größere Distanzen und gegebenen-falls eine Funkanbindung (WLAN) zur Da-tenübertragung erforderlich. Ferner wird das Interface zur Stromversorgung des Detektors benötigt. Das Gehäuse ist gegen Spritzwasser und Staub geschützt.Beim Computer zur lokalen Bedienung des Röntgensystems vor Ort durch den Prüfer handelt es sich um ein Notebook. Über ein spezielles Interface ist dieser Bedien-rechner mit dem Detektor verbunden. Die Software des Notebooks zeigt anhand vor-eingestellter Parameter unmittelbar nach dem Röntgenvorgang das Röntgenbild an und übermittelt dieses gleichzeitig an ein Speichermedium oder falls gewünscht an den Bildwiedergaberechner der Prüfauf-sicht zur Freigabe. In der Praxis handelt es sich beim Bedienrechner um ein stoßge-schütztes und witterungsunempfindliches Gerät.

Aufbau der KomponentenDurch den Teamleiter werden nach voran-gegangener Kalibrierung und einem Test des Systems nach Herstellerangaben die mobilen Komponenten vor Ort aufgebaut und in Betrieb genommen. Der Flächen-detektor wird hinter dem Prüfobjekt fixiert (B i l d e r 7 a und 7 b ) und der Röhrenkopf für die Prüfung justiert. Beide Geräte sind über die Blackbox mit dem Notebook über LAN bzw. WLAN verbunden (B i l d 7 c ). Über das Notebook kann die gewünschte Spannung eingestellt und eine Röntgen-aufnahme ausgelöst werden. Innerhalb von Sekunden ist das digitale Röntgenbild auf dem Bildschirm sichtbar, kann vom Prüfer freigegeben und anschließend mit allen notwendigen Parametern (zum Bei-spiel Datum, Rohr-Nr., Naht-Nr., Winkel usw.) automatisch gespeichert oder mit-

tels Internet an die Prüfaufsicht gesendet werden.

Bewertungskriterien und Ergebnisse [15, 17, 18]

Bewertungskriterien Ultraschall-Phased-ArrayZur Auswertung der UT-PA Prüfergebnisse wurden folgende Schwellenwerte für An-zeigen festgelegt [2, 4 und 5]:Beobachtungsgrenze: –12 dBRegistriergrenze: –6 dBZulässigkeitsgrenze: –6 dB für Länge > Wanddicke und 0 dB für Länge < Wand-dicke.Nicht voneinander trennbare Echoanzei-gen (Anzeigenscharen) wurden grundsätz-lich als „unzulässig“ bewertet.

Bewertungskriterien Digitale RadiographieFür die Bewertung der DR wurden die DIN EN ISO 5817 [19] Bewertungsgrup-pe B und DIN EN 12952-6 [3] Tabelle 9.4-1 herangezogen, wobei jeweils die schärfe-ren Bewertungskriterien aus beiden Nor-men galten.

Ergebnisse der Ultraschall-Phased-Array-PrüfungDie vereinbarte Qualifizierungsmaßnahme wurde erfolgreich abgeschlossen. Die vor Beginn der Prüftätigkeiten geforderte ver-gleichende Prüfung mittels UT-PA und kon-ventioneller Durchstrahlungstechnik (RT) an 100 Schweißnähten des zu prüfenden Bauteils zeigte eine 97%ige Übereinstim-mung dieser Prüfverfahren.Die baubegleitende konventionelle RT an 5 % der UT-PA geprüften Schweißnähte als abschließende qualitätssichernde Maßnah-me wurde ebenfalls erfolgreich abgeschlos-sen. Eine Übereinstimmung der Prüfergeb-nisse von 100 % zwischen der UT-PA und der konventionellen RT wurde erreicht. Darüber hinaus wurden mittels der UT-PA unzulässige Schweißnahtfehler detektiert, die durch die konventionelle RT nicht ge-funden werden konnten. Ein Beispiel hier-für ist ein Endkrater in der Wurzel, der wie das B i l d 8 zeigt, mit einem Einschallwin-kel von 59° optimal getroffen wurde.

b)a) c) d) e)

BlackBox

HotSpot

Befunden &archivieren

Bild 6. Aufbau der Komponenten für die DR-Prüfung.

a) b) c)

Bild 7. DR-Einrichtung und Prüfung im Kesselbereich.

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Tab. 4. Gegenüberstellung der Prüfergebnisse DR vs. RT.

Lfd.-Nr.

Naht-Nr. Rohr- abmessung

Werkstoff Auswertung DR

Auswertung Konventionelle RT

1 S 122 N8 Ø 57,0 x 4,0 16Mo3 ne 5013, 2016 [19]

ne [19] 5013, 2016

2 S 122 N8 N Ø 57,0 x 4,0 16Mo3 ne 2011, 515 [19]

ne [19] 2011, 515

3 HFP BBS097 Ø 44,5 x 6,3 P91 ne 2016 [19]

ne [19] 2016

4 HFP BBS094 Ø 44,5 x 6,3 P91 ne 401 [19]

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5 Testnaht Kunde Ø 44,5 x 6,3 T24 ne Endkrater in

Wurzelbereich

ne Endkrater in

Wurzelbereich

Ergebnisse Digitale RadiographieDie durchgeführten vergleichenden Durch-strahlungsprüfungen zeigten eine 100%ige Übereinstimmung beider Röntgen-Prüf-techniken. Die entsprechende Auswertung ist in der Ta b e l l e 4 mit den zugehörigen DR- und RT-Bildern, dargestellt. B i l d 9 zeigt exemplarisch die bessere Qualität der DR-Aufnahme und die Übereinstimmung der Ergebnisse.

Fazit

Im Rahmen der Qualifizierungsmaßnahme konnte die Gleichwertigkeit in der Prüfaus-sage beziehungsweise sogar eine bessere Fehlererkennbarkeit der zuvor beschrie-benen innovativen Prüfverfahren UT-PA und DR gegenüber den bisherigen kon-ventionellen Prüftechniken nachgewiesen werden. Die praktische Umsetzung dieser Prüfverfahren zeigte im Hinblick auf den Montagefortschritt ein wesentliches Po-tenzial zur Verkürzung der Prüf- und Mon-

tagezeiten. Insbesondere die Möglichkeit der parallelen Durchführung von Monta-ge- und Prüftätigkeiten ohne zeitlichen Verzug und gegenseitige Behinderungen ermöglichten einen wesentlichen Zeitge-winn.

Die Kombination aus UT-PA und DR bietet allen beteiligten Parteien im Kesselbau die Möglichkeit zur Beschleunigung von Mon-tagearbeiten bei gleichzeitiger Verbesse-rung der Prüfaussage. Hierdurch wird es möglich, an sich konkurrierende Anforde-rungen (Termine gegenüber Qualität) in Einklang zu bringen.

Lediglich die Formalismen hinsichtlich fehlender bzw. rückschrittlicher Normung stellen Stolpersteine für den großflächi-gen Einsatz dieser innovativen Prüftech-niken dar. Insbesondere die europäischen Produktnormen für Druckgeräte wie die EN 12952 [3] für Dampfkesselanlagen sowie die EN 13480 [6] für industrielle Rohrleitungen und die EN 13445 [5] für Druckbehälter bedürfen in dieser Hinsicht

einer Aktualisierung und Anpassung an den zurzeit verfügbaren Stand der Prüf-technik. Ebenso ist es erforderlich, die prüftechnischen Durchführungsnormen DIN EN ISO 13588 [11] (Prüftechnik UT-PA) und DIN EN ISO 17636-2 [12] (Prüf-technik DR) über den jetzigen Status einer Vornorm endgültig hinaus zu heben und in Kraft zu setzen.

Sowohl Kraftwerksbetreiber als auch Kes-selhersteller müssen den Normengremien neue Impulse geben, um die Anwendung dieser Prüfverfahren in absehbarer Zu-kunft im Kesselbau etablieren zu können.

Literatur[ 1] TRD Regelwerk – Technische Regeln für

Dampfkessel.[ 2] AD 2000 Regelwerk – Merkblätter der „Ar-

beitsgemeinschaft Druckbehälter“.[ 3] DIN EN 12952 Teil 1 bis 6 – Wasserrohr-

kessel und Anlagenkomponenten.[ 4] DIN EN 12953 – Großwasserraumkessel.[ 5] DIN EN 13445 – Unbefeuerte Druckbehäl-

ter.[ 6] DIN EN 13480 – Metallische industrielle

Rohrleitungen.[ 7] VGB-R 501 H – Richtlinie – Herstellung so-

wie Bau- und Montageüberwachung von Dampfkesselanlagen, VGB PowerTech, Es-sen, 2003.

[ 8] DIN EN 1435 – Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Durchstrah-lungsprüfung von Schmelzschweißverbin-dungen.

[ 9] DIN EN ISO 11666 – Zerstörungsfreie Prü-fung von Schweißverbindungen – Ultra-schallprüfung – Zulässigkeitsgrenzen.

[10] DIN EN ISO 17640 – Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißverbindungen – Ult-raschallprüfung – Techniken, Prüfklassen und Bewertung.

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[11] E DIN EN ISO 13588 – Entwurf, Ausgabe November 2010: Zerstörungsfreie Prü-fung von Schweißverbindungen – Ultra-schallprüfung – Verwendung von (halb-)automatisierter phasengesteuerter Array-Technologie.

[12] E DIN EN ISO 17636-2 – Entwurf, Ausgabe November 2010 – Zerstörungsfreie Prü-fung von Schweißverbindungen – Durch-strahlungsprüfung – Teil 2: Röntgen- und Gammastrahlungstechniken unter Anwen-dung digitaler Detektoren.

[13] DIN EN 473 – Zerstörungsfreie Prüfung – Qualifizierung und Zertifizierung von Per-sonal der zerstörungsfreien Prüfung.

[14] DIN EN ISO 9712 – Zerstörungsfreie Prü-fung – Qualifizierung und Zertifizierung von Personal der zerstörungsfreien Prü-fung.

[15] UT-PA-01 – Prüfanweisung – Phased-Ar-ray-Ultraschallprüfung (Gruppenstrahler-Technik der Ultraschallprüfung) von fer-ritischen Schweißverbindungen,Babcock Borsig Steinmüller GmbH, 2012.

[16] Phasor XSTM Bedienungsanleitung, GE Sensing & Inspection Technologies, Aus-gabe 5, 2008.

[17] RT-DR-01 – Prüfanweisung – Digita-le Röntgenprüfung, TPW Prüfzentrum GmbH, 2012.

[18] RT-DR-QB-01 – Qualifizierung der Digi-talen Röntgenprüfung als Ersatz für die konventionelle RT-Prüfung, Qualifizie-rungsbericht, Babcock Borsig Steinmüller GmbH, 2012.

[19] DIN EN ISO 5817 – Schweißen – Schmelz-schweißverbindungen an Stahl, Nickel, Ti-tan und deren Legierungen (ohne Strahl-schweißen) – Bewertungsgruppen von Unregelmäßigkeiten.

[20] VGB-Richtlinie VGB-R 516 – Richtlinie Methodik für das Vorgehen bei der Quali-fizierung von zerstörungsfreien Prüfungen (VGB-ENIQ-Richtlinie), VGB PowerTech, Essen, 2010. l

Endkrater in der Wurzel mittels UT-PA Endkrater in der Wurzel mittels UT-PA

RT-Aufnahme Bild A RT-Aufnahme Bild B RT-Aufnahme Bild C

a) b)

c) d) e)

Bild 8. Gegenüberstellung eines Prüfergebnisses mittels UT-PA und RT.

Naht-Nr. HFP BBS097-Digitale Aufnahme mit Detektor

Naht-Nr. HFP BBS097-Konventionelle Aufnahme

Se 75

b)a)

Bild 9. DR-Aufnahme vs. RT-Aufnahme.

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