Ultraschalluntersuchung in der Energiewirtschaft verstehen

Unter zerstörungsfreier Prüfung (NDT) versteht man die Prüfung von Materialien, um deren Integrität und Gebrauchstauglichkeit sicherzustellen, ohne dabei die Komponenten zu beschädigen. Es gibt verschiedene ZfP-Methoden, die von Inspektoren verwendet werden, aber eine der am häufigsten verwendeten Techniken in der Energiebranche ist die Ultraschallprüfung.

Ultraschallprüfungen (UT) nutzen das gleiche Prinzip wie Marinesonare. Wenn Sonar, ein Begriff, der ursprünglich als Akronym für „Sound Navigation Reading“ entstand, durch Wasser geht und auf ein Objekt trifft, wird ein Teil des Schalls zum U-Boot reflektiert und liefert eine Entfernungsmessung zum Objekt.

Vor dem Zweiten Weltkrieg inspirierte Sonar die ersten Ultraschallinspektoren dazu, nach Möglichkeiten zu suchen, das Konzept auf andere Anwendungen anzuwenden. Bereits 1929 führten sie Studien zur Verwendung von Ultraschallwellen zur Erkennung von Metallobjekten durch. In den 1940er Jahren entwickelten Inspektoren Ultraschalltechniken mit Einzelelement-Analog-Puls-Echo-Sonden.

Bei der analogen Technik wird Schall mithilfe eines Einzelelement-Ultraschallwandlers (Sonde) in ein Bauteil eingeleitet, der elektrische Impulse vom UT-Detektorgerät piezoelektrisch in mechanische Schallwellen umwandelt. Der Wandler wandelt Schall wieder in elektrische Impulse um, die auf einer Kathodenstrahlröhre angezeigt werden können. Eine Flüssigkeit oder ein Gel namens Koppelmittel wird verwendet, um Schall in das Teil zu übertragen. Die bei industriellen Inspektionen am häufigsten verwendeten Arten von Schallwellen sind Längsstrahlwellen (gerade Strahlenwellen) und Querstrahlwellen (Winkelwellen) mit UT-Frequenzen zwischen 1 MHz und 10 MHz.

Gerader Strahl. Wenn Prüfer eine gerade Strahlwelle (Abbildung 1) verwenden, werden Longitudinalwellen durch das Werkstück gesendet. Wenn der Schall auf einen internen Reflektor trifft, wird er aufgrund der Entfernung schneller zum Wandler zurückgeleitet als der Schall, der von der Rückwand des Teils zurückkehrt.

1. Analoge Geradestrahltechnik. Mit freundlicher Genehmigung: American Society for Nondestructive Testing (ASNT)

Winkelstrahl. Bei der Winkelstrahlprüfung wird der gleiche Wandlertyp verwendet, der jedoch auf einem Winkelkeil montiert ist, um den Schallstrahl in einem bekannten Winkel in das Teil zu übertragen. Eine Kombination aus Winkelstrahlwandler und Keil bewegt sich beispielsweise hin und her in Richtung einer Schweißnaht, sodass der Schallstrahl diese durchdringt. Wie beim geraden Strahl senden Reflektoren, die ungefähr senkrecht zum Schallstrahl ausgerichtet sind, den Schall zurück zum Wandler. Dies wird dann auf dem Bildschirm des UT-Detektorgeräts angezeigt.

Die fortschreitende Branche der zerstörungsfreien Prüfung (NDT) hat den aufkommenden Trend zu immer mehr digitalen Technologien beobachtet.

Phased-Array. Bei der Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT, Abbildung 2), einer gängigen digitalen Technik, wird ein Wandler mit mehreren Elementen verwendet, die einzeln aktiviert werden können, sodass Prüfer den Schallstrahl steuern können. Die resultierenden Daten bilden ein visuelles Bild durch das geprüfte Teil.

2. Vergleich der Techniken Ultraschallprüfung (UT) und Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT). Mit freundlicher Genehmigung: ASNT

Mit PAUT kann der Strahl Komponenten in geeigneten Winkeln abbilden. Dieser Prozess vereinfacht Inspektionen mit komplexer Geometrie. Die geringe Stellfläche des Wandlers und die Fähigkeit, den Strahl zu schwenken, ohne die Sonde zu bewegen, erleichtern die Inspektion von Komponenten, zu denen der Zugang begrenzt ist. Eine solche sektorale Abtastung ist typisch für Schweißnahtprüfungen. Die Möglichkeit, Schweißnähte mit mehreren Winkeln mit einer einzigen Sonde zu prüfen, erhöht die Wahrscheinlichkeit der Fehlererkennung.

Die elektronische Fokussierung ermöglicht die Optimierung der Strahlform und -größe am erwarteten Defektort. Die Fokussierung verbessert auch das Signal-Rausch-Verhältnis bei grobkörnigem Material. C-Scan-Bilder können dann sehr schnell erstellt werden. Obwohl die Technik effektiver ist als herkömmliche UT, sind Phased-Array-Systeme kostenintensive Geräte und erfordern zusätzliche Schulung und Kompetenz des UT-Personals.

Vollständige Matrixerfassung (FMC). FMC ist eine Datenerfassungsstrategie, die die Erfassung aller möglichen Sende-/Empfangskombinationen für einen PAUT-Wandler ermöglicht. PAUT-Systeme verwenden Sonden mit mehreren Elementen (typischerweise 16 bis 128), die von einem Computer auf kontrollierte Weise unter Verwendung eines bestimmten Verzögerungsgesetzes angeregt werden. Nach dem Empfang wird der Beitrag jedes Elements summiert, um einen Scan zu erstellen.

Bei FMC wird jedes Array-Element in einer Sonde nacheinander als einzelner Sender verwendet, während alle Array-Elemente als Empfänger verwendet werden. Durch die Erfassung und Speicherung von A-Scan-Signalen von jedem Sender-Empfänger-Paar im Array ist es möglich, Bilder für jeden bestimmten Fokusstrahl zu erzeugen und die neuesten Nachbearbeitungsalgorithmen von heute anzuwenden.

Während der Herstellungs-, Herstellungs- und/oder Betriebsphase eines Betriebs können Mängel auftreten. Die Arten von Fehlern, die während des Betriebs zu erwarten sind, unterscheiden sich von denen, die während der Herstellung oder Fertigung auftreten.

Herstellungs- und Fabrikationsfehler. Analoge Ultraschall- und Radiographieprüfungen (RT) sind zwei wichtige volumetrische ZfP-Methoden, die in der Fertigungs- und Fertigungsindustrie eingesetzt werden. Während die Erkennung und Größenbestimmung mit herkömmlicher Ultraschalluntersuchung möglich ist, liegen die mit diesen Methoden beobachteten Anzeichen und Fehler in 2D vor. Die Akzeptanzkriterien in NDT-Anforderungen in Material- und Komponentenspezifikationen beziehen sich normalerweise auf die zulässige Länge oder Flächengröße, z. B. darauf, dass keine Angabe größer als 1/8 Zoll oder 3,18 Millimeter ist. Es gibt vier Kategorien von Materialverarbeitungsfehlern:

Artikel, deren Mängel über die Akzeptanzkriterien hinausgehen, werden entweder ersetzt oder repariert und erneut untersucht. Sowohl UT als auch PAUT werden während der Herstellungs- und Fertigungsphase verwendet, obwohl UT die gebräuchlichere Methode ist.

Mängel im Betrieb. Im Gegensatz zu Herstellungs- und Fabrikationsfehlern entstehen Betriebsfehler durch thermisches Wachstum, zyklische Bewegung und aggressive Flüssigkeiten in den Rohrleitungssystemen einer Anlage. Flüssigkeiten können interkristalline Spannungsrisse erzeugen; Rohrleitungskorrosion; zyklische und thermische Risse; und Bauteil-, Material- oder Schweißnaht- und Wärmeeinflusszonenrisse (HAZ). Wenn Anlagen ausfallen, finden regelmäßige Wartungsarbeiten statt, um die Situation zu bewerten und zu beheben. Ultraschall (PAUT/FMC) ist die vorherrschende volumetrische ZfP-Methode zur Beurteilung von Fehlern im Betrieb. Damit verdrängt PAUT die RT als bevorzugte Untersuchungsmethode. Gründe hierfür sind unter anderem:

Während des anfänglichen Baus und der Herstellung einer Anlage oder Station implementieren Eigentümer, Regierungsbehörden und Versicherungsunternehmen ihre zugehörigen Standards, die in die Betriebsphase übernommen werden. Zu den wichtigen Codes und Standards der Energieindustrie des American National Standards Institute (ANSI) und der American Society of Mechanical Engineers (ASME) gehören ANSI B31.1 Power Piping, ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), Abschnitt I Power Boilers, ASME BPVC Abschnitt VIII ( Abteilung 1 und 2) Druckbehälter, ASME BPVC Abschnitt III Nuklearbau und ASME BPVC Abschnitt XI Nuklearbetrieb in Betrieb.

Standards werden von Freiwilligen aus der Branche erstellt und aktualisiert, darunter Benutzer, Regulierungsbehörden und Mitglieder von Berufsverbänden (Manager, Ingenieure und Techniker). Wenn die Branche technologische Fortschritte beobachtet, erkennen Freiwillige diese Verbesserungen und übernehmen sie in ihre Gesellschaftsstandards.

Kodizes sind von einer Regulierungsbehörde gebilligte Standards, die dann durch Verweis in Gesetze aufgenommen werden. Kodizes werden normalerweise in einem Gesetz oder einer Verordnung zitiert. Da Kodizes daher gesetzlich durchsetzbar sind, werden sie in technischen Spezifikationen, Angebotspaketen und Verträgen zitiert.

Die Schritte bei der Übernahme von Verbesserungen in Standards und Codes sind in allen technischen Gesellschaften ähnlich. Normalerweise wird ein „Code Case“ dem zuständigen Normenausschuss vorgelegt. In der Vergangenheit wurde UT-PAUT als Code Cases in verschiedene Standardgremien eingeführt, wie zum Beispiel:

N 659-2 ist ein Beispiel dafür, dass eine Gesellschaft einen Code-Fall „genehmigt“ hat, während eine Regulierungsbehörde teilweise anderer Meinung war. Code Case N 659-2 ermöglicht Ultraschall-ZfP-Methoden als Ersatz für Radiographietechniken. Die ASME-Ausschüsse hatten zunächst den Code Case N 659-2 genehmigt, aber nach ihrer eigenen Prüfung genehmigte die Nuclear Regulatory Commission den Code Case nur teilweise. Die Einhaltung der Bundesgesetze wird den Eigentümern von Kernkraftwerken auferlegt und vertraglich an alle Lieferanten und Subunternehmer der Kernkraftwerke weitergegeben.

Für NDT-Inspektoren ist eine Qualifikation und Zertifizierung erforderlich, um ordnungsgemäße UT-PAUT-Bewertungen in der Energie- und Prozessrohrleitungsindustrie durchzuführen. Die Normen für Stromleitungen (B31.1) und Prozessleitungen (B31.3) enthalten Abschnitte zu Design, Materialien, Maßanforderungen, Herstellung, Montage, Montage, Inspektion, Prüfung und Prüfung. Der Inspektionsabschnitt verweist auf ASME BPVC Abschnitt V Zerstörungsfreie Prüfung. Dadurch werden die Anforderungen im Tochterdokument vertraglich.

ASME BPVC Abschnitt V Artikel 1 (mit obligatorischem Anhang II) nennt die allgemeinen Anforderungen für die Qualifikation des NDT-Personals, einschließlich der Anforderungen für UT-PAUT-Personal. Außerdem enthält es die Dokumente SNT-TC-1A (Ausgabe 2016) der American Society for Nondestructive Testing (ASNT), geändert durch ASME V, Artikel 4, obligatorischer Anhang III; oder ANSI/ASNT CP-189 (Ausgabe 2016), geändert durch ASME V, Artikel 4, obligatorischer Anhang IV.

In den USA sind 92 Kernkraftwerke in Betrieb. In der Nuklearindustrie sind zerstörungsfreie Prüfungen vor und während des Betriebs erforderlich und müssen den implementierten Vorschriften entsprechen. ASME BPVC Abschnitt XI regelt Anlagensysteme im Reaktorsicherheitsbehälter, zu denen in vielen Anlagen ein Reaktor, ein Druckhalter, Dampferzeuger, Hauptdampfleitungen und Reaktorkühlmittelleitungen gehören. Um die Code-Anforderungen zu erfüllen, muss das UT-PAUT-Personal ASNT CP-189 einhalten, geändert durch die Anhänge VII und VIII von ASME BPVC Abschnitt XI.

Arbeitgeber, die das grundlegende UT-Personalqualifizierungsprogramm absolvieren, müssen CP-189 und Anhang VII befolgen. UT- und PAUT-Personal muss bei der Untersuchung der meisten Eindämmungskomponenten außerdem eine Qualifikation gemäß den obligatorischen Ergänzungen von Anhang VIII erwerben. In der Regel erhalten Mitarbeiter diese Zertifizierungen durch eine Qualifikation beim Electric Power Research Institute (EPRI). Die anderen Gebäude eines Kernkraftwerks, wie das primäre Nebengebäude und das Turbinengebäude, werden als „Balance of Plant“ (BOP) bezeichnet und unterliegen für UT- und PAUT-Prüfungen der ANSI B31.1.

Der analoge Ultraschall-Einzelelement-Geradstrahlwandler, der seit den 1940er Jahren hauptsächlich verwendet wurde, entwickelte sich zu einem computergesteuerten 64-128-Element-Wandler, der Fehlerbilder in Echtzeit lokalisieren, dimensionieren und erstellen kann. Die sorgfältigen Bemühungen von Freiwilligen und Berufsverbänden, neue und fortschrittliche Technologien in Standards und Codes zu integrieren, sind für die Transformation der Branche von entscheidender Bedeutung. Wenn Organisationen wie die ASNT neue Technologien in ihre Schulungsprogramme aufnehmen, um Code-Anforderungen zu unterstützen, sind die Mitarbeiter von UT-PAUT mit den neuesten Inspektionskenntnissen und -fähigkeiten ausgestattet.

—AM (Marty) Wenzig ist Fellow der American Society for Nondestructive Testing Inc. (ASNT) und Mitglied des Advocacy Committee der ASNT. Obwohl Wenzig inzwischen im Ruhestand war, war er ein hochqualifizierter ZfP-Inspektor, Ausbilder und Prüfer. Wenzig war von 1999 bis 2020 Präsident und CEO von Industrial Testing Laboratory Services.

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