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Die Überprüfung der Dichtheit von Betonkonstruktionen (z.B. "Weiße Wannen") erfordert den Einsatz geeigneter Feuchtemessverfahren. Darüber hinaus ermöglicht die Kenntnis der Feuchtesituation in Betonbauteilen auch eine Abschätzung des Schädigungspotentials. So gilt es beispielsweise bei potentiell frostinduzierten Schädigungsprozessen zu untersuchen, ob im Beton der kritische Feuchtegehalt erreicht wurde. Zusätzlich gestattet eine differenzierte Ermittlung der Bindungszustände des Wassers im Beton auch Aussagen zum Hydratationsfortschritt. Aus den vorstehend genannten Gründen kommt der Feuchtemessung im Beton am Bauwerk und im Labor eine große Bedeutung zu. Zur Lösung dieses Prüfproblems werden zahlreiche Messverfahren auf dem Markt angeboten. Weiterhin befinden sich verschiedenste Messsysteme in der Entwicklung bzw. Erprobung.
Aufgrund der Vielfalt der Feuchtemessverfahren ist es für den Anwender oft schwierig, das geeignete Prüfverfahren zur Lösung seines speziellen Problems auszuwählen. So stehen neben den klassischen direkten Methoden auch vielfältige mehr oder minder moderne zerstörungsfrei bzw. zerstörungsarm arbeitende indirekte Messverfahren zur Verfügung. Nachfolgend wird basierend auf dem vom Verfasser in ausführlich dargestellten Sachstand ein allgemeiner Überblick über die Arten und die Leistungsfähigkeit der existierenden Feuchtemessverfahren in gestraffter Form gegeben. Dabei wird auf die speziellen Aspekte der Feuchtemessung in Betonen eingegangen.
Der Einsatz geführter Wellen für die
zerstörungsfreie Prüfung mit Ultraschall eröffnet neue Möglichkeiten,
räumlich ausgedehnte Bauteile mit begrenzter Zugänglichkeit
auf ihre Integrität zu prüfen und gewinnt daher
zunehmend an Bedeutung. Dieser Artikel behandelt die
physikalischen Grundlagen der Schallausbreitung. Deren Verständnis
bildet die Grundlage für die Entwicklung geeigneter
Prüfsysteme. An Beispielen werden verschiedene Möglichkeiten
zur Simulation der Schallausbereitung vorgestellt. Aktuelle
Lösungsansätze zur Prüfung von plattenförmigen Strukturen
und von Rohrleitungen werden beschrieben, wobei besonders
auf die Sensortechnik und die speziellen Anforderungen
an die Prüfhardware eingegangen wird. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Guided waves are widely used for non-destructive
testing using ultrasound. Recently, the method has become increasingly
important for integrity tests of spatially extended
components with limited accessibility. This article discusses the
basic physics of the sound propagation of guided waves. Their
understanding forms the basis for the successful development
of adapted inspection systems. Examples for simulating the
wave propagation using different methods are presented. Current
approaches for the inspection of plate-like structures and
pipelines are described with focus on sensor technology and the
specific requirement on the test hardware.
Für die zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen ist es neuerdings gelungen, mit laufzeitgesteuerten Ultraschall-Gruppenstrahlern Objekte in Betonbauteilen zu orten. Um eine Bündelung des Schallfeldes zu erreichen, konnten bisher bereits nach dem Prinzip der synthetischen Apertur durch sequenzielle Abtastung einer Bauteiloberfläche mit einem Prüfkopf große Strahlerflächen nachgebildet werden. Als alternative Methode zur Schallfeldbündelung bietet sich die Zusammenschaltung mehrerer Prüfköpfe zu Strahlergruppen an. Werden die einzelnen Prüfköpfe einer solchen Gruppe laufzeitgesteuert angeregt, kann schon während der Messung das Schallfeld geeignet geführt werden. Modellierte und experimentelle Schallfelder werden verglichen. Die Ortung eines Rohrkörpers im Beton wird demonstriert. An vielen Betonbauwerken, wie zum Beispiel Brücken, werden regelmäßig Inspektionen durchgeführt. Wünschenswert sind zerstörungsfreie Prüfverfahren, mit denen im Rahmen der Inspektionen auch von außen nicht sichtbare Fehler am Bauwerk festgestellt werden können, bevor diese zu schwerwiegenden Bauwerksschäden führen.
Angeregt durch experimentelle Arbeiten zur hochauflösenden Ultraschallprüfung mit fokussierenden Prüfköpfen wird mit Hilfe von Modellrechnungen der Einfluss verschiedener Schallfeld- und Reflektorparameter auf die Echohöhe untersucht. Von besonderem Interesse ist dabei das Verhalten typischer Testreflektoren wie der Kreisscheibenreflektor und die Querbohrung in "verformten" Schallfeldern, die durch Bauteilkrümmungen und Fokussierung entstehen können. Für solche Fälle lassen sich Abstandskurven (DAC) für verschiedene Reflektortypen rechnerisch erstellen und der experimentelle Aufwand erheblich reduzieren. Ein deutlicher Fortschritt wurde durch die Weiterentwicklung des Schallfeldmodells erreicht, das insbesondere für die Entwicklung neuer Typen von Gruppenstrahlerprüfköpfen unverzichtbar ist. Die Gültigkeit des Modells wird durch bisherige Messergebnisse bestätigt.
Zusammenfassung
Das vorgestellte Modell ist in der Lage, Schallfelder in eben oder zylindrisch begrenzten Bauteilen zu berechnen. Die Prüfköpfe können eine einheitliche oder eine aus Elementen zusammengesetzte Schwingerfläche besitzen, die zusätzlich gekrümmt sein darf. Die Einschallrichtung des Prüfkopfes gegenüber der Achse der Oberflächenkrümmung ist beliebig. Die Auswertung kann praxisgerecht und flexibel an die Fragestellung angepasst werden. Die kurzen Rechenzeiten erlauben ein interaktives Arbeiten z.B. für die Prüfkopfkonstruktion und -optimierung.
Im ersten Teil werden die Möglichkeiten des Modells demonstriert, und im zweiten Teil wird der Einfluß der Oberflächenkrümmung exemplarisch diskutiert. Dabei werden Modell- und Messergebnisse gegenübergestellt.
Es wird gezeigt, dass der Einfluss der Oberflächenkrümmung auf das Schallfeld u.U. erheblich sein kann. Eine hinreichende Verifikation des Modells vorausgesetzt, könnten Empfindlichkeitsfelder im Raum und Abstandskurven mit viel höherer Auflösung erzeugt werden, als dies durch Vergleichskörpermessungen möglich ist, und diese, die darüber hinaus auch sehr kostspielig sind, weitgehend ersetzen.
Ein Ziel der Arbeit bestand ursprünglich darin, ein Rechenmodell zur Ultraschallprüfung mit einer Evolutionsstrategie zu verknüpfen. Zunächst verlagerte sich der Schwerpunkt der Arbeit jedoch auf die Erarbeitung eines validierten und erprobten Modells, das den Anforderungen für die Verwendung der Evolutionsstrategie genügt. Aber selbst damit zeigte sich, dass ein Arbeiten mit der Evolutionsstrategie nicht ohne weiteres möglich ist. Daher wurde der Weg der iterativen Modellierung gewählt. Die Einschränkungen der verschiedenen Bewertungs- und Untersuchungsverfahren zur Fehlerdiagnose in der Ultraschallprüfung lassen in Abhängigkeit von der Prüfsituation nur eine fallweise Anwendung zu. Die erzielbaren Ergebnisse sind durch prinzipielle Grenzen, wie die orientierungsabhängigen Wechselwirkungen der Ultraschallwellen mit dem Fehler, in ihrer Genauigkeit stark begrenzt. Eine zuverlässige Bewertung ist meist durch die Zusammenfassung der Ergebnisse mit denen aus anderen ZfP- Verfahren und die Nutzung von a priori Informationen z. B. aus der Fertigungsgeschichte einer Komponente oder des Fehlerentstehungsmechanismus möglich. Die vorgeschlagene iterative Modellierung bietet dazu, wie die vorliegende Untersuchung zeigt, eine Möglichkeit. Die durch Einführung von a priori Informationen aufgestellten Fehlerhypothesen werden durch Modellrechnungen abgesichert oder wieder verworfen. Das Rechenmodell ermöglicht die Bewertung der Amplitude, der Laufzeit, der Echodynamik und des Anzeigenmusters, also aller auch bei anderen Diagnoseverfahren herangezogenen Bewertungskriterien. Die iterative Modellierung basiert auf drei Teilprozessen, der Analyse der möglichen Wechselwirkungen, der Separation dieser Wechselwirkungen in diverse Schallwege und schließlich der Synthese der auf den verschiedenen Wegen berechneten Signale zum Gesamtsignal. Die ersten beiden Teilprozesse müssen z. Zt. für jeden Prüffall neu gelöst werden und erfordern wie die Modellbedienung Expertenwissen. Die im Rahmen dieser Untersuchung erfolgten Modellmodifikationen konnten gemeinsam mit der Modellverifikation die Zuverlässigkeit der Modellrechnungen deutlich steigern. Die Berechnungen können schnell und interaktiv durchgeführt werden. Die Rechenzeit für ein TD- Bild mit 50 A- Bildern beträgt üblicherweise ein bis fünf Minuten. Durch die Kombination des Rechenmodells mit der Evolutionsstrategie wurde der Versuch unternommen, die iterative Modellierung zu systematisieren. Diese Kombination würde die Lösung des inversen Problems, d.h. die Bestimmung der Ursache für die akustische Störung, ohne Durchführung einer mathematischen Inversion ermöglichen. Der Anwendung der Evolutionsstrategie mit der hier gewählten einfachen Qualitätsfunktion steht ein hoher Zeitbedarf entgegen, ein schnelles und interaktives Arbeiten ist nicht möglich. Die Praxis erfordert die Definition einer komplexen Qualitätsfunktion, die eine Bewertung des Anzeigenmusters ermöglicht und unempfindlich auf Störeffekte reagiert. Die besondere Schwierigkeit besteht darin die Erfahrungen und die "Phantasie" eines Experten in das Modell zu integrieren. Dieser Umstand beinhaltet noch ein großes Entwicklungspotenzial. Ein gegenwärtiger Einsatz der Evolutionsstrategie erscheint daher verfrüht. Inwieweit Probleme mit in den Messdaten enthaltenen Mehrdeutigkeiten und Störanzeigen von Testblockkanten und anderen Reflektoren zukünftig überwunden werden können, kann gegenwärtig noch nicht abschließend geklärt werden. Eine zuverlässige Bewertung von kritischen Befunden mit mehreren möglichen Ursachen kann derzeit nur mit Expertenwissen über den Weg der iterativen Modellierung erfolgen. Dies ermöglicht auf einfache Weise die Einführung der a priori Informationen und gestattet ein schnelles und interaktives Arbeiten.
Bewertung kritischer Befunde bei der Ultraschallprüfung an Schweißnähten mit Modellrechnungen
(2000)
Typische Probleme bei der Schweißnahtprüfung mit Ultrschall entstehen bei ferritischen Werkstoffen vor allem durch Anzeigen von der Nahtkontur, vor allem aus dem Wurzelbereich. Die klassischen Methoden der Unterscheidung formbedingter Anzeigen von Fehlern - z.B. durch Vergleich der A-Bilder von beiden Seten einer Stumpfnaht - können unterstützt werden durch die Modellierung derartiger Anzeigen im Zusammenhang mit hypothetischen Fehlern im wurzelnahen Bereich. Im Beitrag wird die Anwendung vereinfachender Modelle auf diese Problematik vorgestellt und an Beispielen demonstriert.
Die Ultraschallprüfung von großen Schmiedewellenrohlingen für den Turbinen- und Generatorbau mit Durchmesser bis zu 2000 mm ist nach wie vor eine Herausforderung für die Ultraschallprüfung, weil kleinste "Fehlstellen" nachgewiesen werden müssen. So sind Registriergrenzen in der Größenordnung von 1 mm Kreisscheibe in Wellenmitte durchaus gängige Praxis. Die Prüfung dieser Schmiedeteile wird derzeit meist manuell durchgeführt. Eine mechanisierte Ultraschallprüfung hat den Vorteil einer dem Prüffortschritt angepaßten reproduzierbaren Dokumentation und der Speicherung der Meßdaten in Form von A-Bildern. Bei der Verwendung der Gruppenstrahlertechnik mit deren Möglichkeit der elektronischen Schallfeldsteuerung, wie Änderung des Einschallwinkels oder Fokussierung des Schallbündels, kann eine Ultraschallprüfung des gesamten Querschnitts schnell, ortsgenau reproduzierbar und zuverlässig durchgeführt werden. Durch Speicherung der A-Bilder in einem Pixelnetz können für die Auswertung der Meßwerte Tomogramme d.h. Schnittbilder Quasi-Online erstellt werden. Durch Übernahme der Meßdaten in ein CAD-Auswerte-programm können die Ergebnisse z.B. dr können die Ergebnisse z.B. dreidimensional ortsgetreu dargestellt werden. Ein Vergleich der unterschiedlichen Ultraschallprüfergebnisse zwischen manueller und mechanisierter Prüfung wird an einer Beispielwelle vorgestellt.
Faserverbundwerkstoffe wie kohlefaserverstärkte Kunststoffe CFK sind vergleichsweise schwer mit Ultraschall zu prüfen, weil die starke Dämpfung, der inhomogene Aufbau und die akustische Anisotropie die Wellenausbreitung behindern bzw. komplizieren. Die Folge ist, dass die Ansprüche an die Prüfung oft stark reduziert werden müssen. Die vorgestellte Prüftechnik nutzt die Möglichkeiten der räumlichen Fokussierung und des zweidimensionalen Winkelscans von Matrix Phased Array Prüfköpfen MPA in Kombination mit Echosignalüberlagerungsalgorithmen für eine substantielle Verbesserung der Auflösung und des Signal-Rausch-Verhältnisses. Sowohl bei der Ansteuerung des MPA als auch bei der Auswertung wird die Anisotropie des Werkstoffs berücksichtigt. Das MPA wird über die Oberfläche bewegt und an einer Anzahl von Messpunkten werden zweidimensionale Winkelscans durchgeführt. Das Ergebnis sind räumliche Echohöhenverteilungen, aus denen Schnittbilder oder auch Volumendarstellungen erzeugt werden können.
Anhand von Messungen an CFK-Platten mit Flachbodenbohrungen KSR 1 und 2 sollen die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen der Prüftechnik demonstriert werden. Weiterhin werden Untersuchungen an Impaktschäden gezeigt, die typischerweise bei Faserverbundwerkstoffen bei starken punktförmigen Belastungen auftreten.
Die übergeordnete Zielsetzung unserer Untersuchung bestand darin,
am Beispiel von Prüfungen mit Ultraschall eine belastbare Aussage zum Einfluss der Arbeitsbedingungen des Prüfers auf die Qualität der Ergebnisse von zerstörungsfreien Prüfungen zu ermitteln und Möglichkeiten zur Minimierung ungünstiger Einflussfaktoren aufzuzeigen.
Der Schwerpunkt der Untersuchung wurde auf die manuelle Ultraschallprüfung gelegt und der Faktor 'Zeitdruck' (in drei Stufen variiert) als die zu variierende physische Einflussgröße gewählt. Die Variation des Faktors Zeitdruck wurde gemäß dem Prozessmodell von der Erhebung psychologischer Faktoren, die das Individuum und die Organisation beschreiben, begleitet.
Die Ultraschallprüfungen erfolgten mit zehn Prüfern am Großbehälter und an Vergleichskörpern mit eingebrachten Testfehlern (Nuten, Risse). Die ausgewählten Fehler waren typisch für Prüfaufgaben, die bei wiederkehrenden Ultraschallprüfungen in Kernkraftwerken von den Prüfern zu lösen sind. Die Prüfaufgabe bestand darin, die in den vorgegebenen Prüfabschnitten vorhandenen Reflektoren aufzufinden und deren Amplituden, Ortskoordinaten und Längenerstreckungen zu ermitteln. Als Bewertungsmaßstab für die Qualität der Prüfaussage und für den Einfluss des menschlichen Faktors diente die Präzision der gemessenen Werte. Die Ergebnisse zeigen einen hohen Einfluss des menschlichen Faktors auf das Prüfergebnis und eine Einwirkung des Zeitdrucks besonders auf die Präzision der Messwerte. Hierbei war die Wirkung des individuell wahrgenommenen Zeitdrucks zusammen mit der psychischen Arbeitsbeanspruchung signifikant. Es wurde unter anderem herausgearbeitet, dass durch eine gute Vorbereitung auf die Prüfung, z.B. durch die sorgfältige Einweisung und ein vorgeschaltetes Fertigkeitstraining an Vergleichskörpern, die Zuverlässigkeit der Prüfergebnisse verbessert werden kann.
Insgesamt hatte der Faktor 'Organisation' neben der 'Erfahrung' einen hohen Einfluss auf das Leistungsvermögen der Prüfer.
Die Projektergebnisse wurden im Abschlussbericht des Forschungsvorhabens SR2514 dargestellt, es wurden drei Empfehlungen zur Vorbereitung und Einweisung der Prüfer, zur Stärkung der Verantwortung der Prüfaufsicht und zum 4-Augen-Prinzip formuliert. Die Empfehlungen wurden in der KTA- Regel 3201.4 'Komponenten des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren; Teil 4: Wiederkehrende Prüfungen und Betriebsüberwachung (RÄE Fassung 2010-11)', umgesetzt.
Um den vermehrten Einsatz von mechanisierten Prüfeinrichtungen bei der Ultraschallprüfung in der Ausbildung Rechnung zu tragen, ist es wünschenswert, dieses Themenfeld bereits zu einem frühen Zeitpunkt in die Ultraschallkurse zu integrieren. Aus diesem Grund wurde für die Ausbildung bei der DGZfP in Zusammenarbeit mit der BAM ein teilmechanisiertes Ultraschall-Prüfsystem entwickelt.
Das System basiert auf einem handelsüblichen Ultraschallgerät für die Handprüfung und einem Netbook-Computer. Die berührungslose Positionserfassung wird über den Blenden-Ausgang des Ultraschallgerätes getriggert und die Daten werden mittels Infrarot- und Bluetoothtechnik übertragen. Dies ermöglicht einen kompakten und portablen Aufbau mit kurzen Einrichtzeiten, der sich im Rahmen einer Lehrveranstaltung effektiv einsetzen lässt. Die Ergebnisdarstellung erfolgt mit C-Bildern.
An einfachen Übungsstücken können die Kursteilnehmer, dicht an die Handprüfung angelehnt, die Methoden und Randbedingungen einer mechanisierten Prüfung erfahren.
SAFT-Rekonstruktion für die Querfehlerprüfung in austenitischen Schweißnähten und Mischnähten
(2013)
Die Untersuchung austenitischer Schweißnähte ist eine Herausforde-rung für die zerstörungsfreie Prüfung mit Ultraschall, bei der die Anwendung her-kömmlicher Prüftechniken häufig keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefert. Die Ursache dafür ist das inhomogen-anisotrope Gefüge im Schweißnahtbereich, das zu einer Verzerrung des Schallfeldes und damit zu Schwierigkeiten bei der Auffindbarkeit und bei der Größenbestimmung von Fehlern führt. Eine neue Her-ausforderung ist die Detektion von Querfehlern in Rohrleitungen des Primärkreises von Kernkraftwerken, aber auch in längsnahtgeschweißten, plattierten Rohrleitun-gen, die zunehmend an Bedeutung gewinnt. Dabei können die Prüfköpfe auf Grund einer unbeschliffenen Decklage meist nicht direkt auf die Naht aufgesetzt werden. Vielmehr muss eine SE-Anordnung der Köpfe verwendet werden, bei der durch die längeren Schallwege der negative Einfluss des austenitischen Gefüges noch ver-stärkt wird.
Im vorliegenden Beitrag wird eine RT-SAFT-Prüftechnik vorgeschlagen, mit der die Fehlerdetektion deutlich verbessert werden konnte. Dabei wurde die SAFT-Rekonstruktion mit einem Ray-Tracing-Ansatz zur Bestimmung der Schalllaufwege und -laufzeiten und mit einem Schweißnahtmodell kombiniert. Das Schweißnaht-modell repräsentiert die Kornorientierung und die elastischen Konstanten in einer diskretisierten Form und macht so die komplexe Nahtstruktur für die Berechnung zugänglich.
Die Aufnahme der Messdaten erfolgt mit zwei Gruppenstrahlerprüfköpfen in V-Anordnung, die beidseitig der Schweißnaht geführt werden sind.
Im Beitrag werden die Prüfanordnung und das Rekonstruktionsverfahren vor-gestellt und die Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen an austenitischen Schweißnähten und Mischnähten mit künstlich eingebrachten Testfehlern präsen-tiert. Die Ergebnisse der direkten Fehlergrößen- und -lagebestimmung werden mit den Resultaten konventioneller Prüftechniken verglichen.
Der Nachweis von Rissen an Oberflächen hat wegen der großen sicherheitstechnischen Relevanz dieses Bereiches auch in der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall an Bedeutung gewonnen. Mit der Beschreibung der Ausbreitung von Longitudinalwellen an der Oberfläche wurden der Effekt des streifenden Einfalls von LongitudinaIwellen und die Schallfeldverteilung von Longitudinalwellen-Winkelprüfköpfen im Nahfeld berechnet.
Das Verarbeitungsverhalten kaltgewalzter, nichtrostender austenitischer Feinbleche wird entscheidend durch die Größe der Körner im Mikrogefüge beeinflusst. Um die Rekristallisationsglühung auf eine bestimmte Korngröße hin steuern zu können, ist eine kontinuierliche zerstörungsfreie Kontrolle der Korngröße im Kaltband nach der Glühung erforderlich.