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Die Rekonstruktion von Materialfehlern aus gemessenen
HF-Bildern mit Hilfe der Synthetic Aperture Focussing
Technique (SAFT) ist ein bildgebendes Verfahren der
zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Die Auswertbarkeit
der gewonnenen Ergebnisse wird dabei maßgeblich durch
die Darstellung der mittels SAFT-Rekonstruktion zusammengestellten
Daten bestimmt, welche zunächst nur
in Form positiver und negativer Amplitudenwerte vorliegen.
Die Aufbereitung dieser Daten erfolgt durch Bildung der
Einhüllenden der Amplituden aus dem zugehörigen analytischen
Signal. Die Erweiterung dieses, nur im eindimensionalen
Fall eindeutig definierten, Konzepts auf
zweidimensionale Signalverläufe erfolgt dabei in Form einer
Mittelung über die Betragsquadrate aller möglichen
mit Single-Orthant-Spektren (SO-Spektren) zu bildenden
analytischen Signale. Es wird gezeigt dass dies
der Verwendung einer Approximation als separables Signal
entspricht und für den zweidimensionalen Fall eine
Möglichkeit vorgeschlagen Signale anhand ihrer partiellen
und totalen Hilberttransformationen auf Separabilität und damit Anwendbarkeit dieser Näherung zu testen.
Die Ergebnisse der so durchgeführten Bildverbesserung
werden am Beispiel einer zweidimensionalen SAFT-Rekonstruktion
an verschiedenen Reflektorarten dargestellt.
Up to now there is no sufficient technique to detect transverse cracks in austenitic and dissimilar welds which recently are of increasing interest in the integrity surveillance of nuclear power plants as well as in quality control of longitudinally welded pipes. Weld inspection by interpretation of single A-scans will lead to erroneous results due to effects caused by anisotropy and in worst case might leave flaws undetected. Therefore, imaging techniques such as the synthetic aperture focusing technique (SAFT) should be used. If the SAFT algorithm is applied on data taken from austenitic welds, the inhomogeneous, anisotropic structure of these welds has to be taken into account in order to properly attribute amplitudes measured in A-scans to the corresponding coordinates in the region of interest. While this has been investigated in the past, all attempts so far were limited to the imaging of longitudinal cracks which requires a less complicated setup than the imaging of transverse cracks. In this paper we give an outline of our attempts to reconstruct images of transverse cracks in different welds. For this purpose a SAFT program based on ray tracing and a layered structure weld model derived from an empirical model of grain orientations in welds are used. The results of the image reconstruction on experimental data are shown and compared to images obtained by assuming an isotropic homogeneous model. Root reflection and crack tip echo are clearly visible which allows an estimation of size and position of the crack with good accuracy.
Ultrasonic examination of anisotropic inhomogeneous austenitic welds is challenging, because of the columnar grain structure of the weld leads to beam skewing and splitting. Modeling tools play an important role in understanding the ultrasound field propagation and optimization of experimental parameters during the ultrasonic testing of austenitic welds as well as the interpretation of the test results. In this contribution, an efficient theoretical model based on the ray tracing concepts is developed to calculate the ultrasonic fields in inhomogeneous austenitic welds quantitatively. The developed model determines the ultrasound fields by taking into account the directivity of the ray source, the inhomogenity of the weld as well as ray transmission coefficients. Directivity of the ray source in columnar grained austenitic materials (including layback orientation) is obtained in three dimensions based on Lamb's reciprocity theorem. Ray energy reflection and transmission coefficients at an interface between two general columnar grained austenitic materials are calculated in three dimensions. The ray tracing model predictions on inhomogeneous austenitic weld material are compared against those from CIVA, a commercial non-destructive modeling and simulation tool. The ultrasonic modeling tools in CIVA are based on semi-analytical solutions. For beam propagation simulation, a so-called 'pencil method' is used, which involves modeling the probe as a set of individual source points, each radiating 'a bundle' of diverging rays into the medium and integrating those elementary contributions. Inhomogenity in the weld region is approximated by mapping the grain orientations on weld macrograph. Simulation results for ultrasonic field profiles for an austenitic weld are shown to be in good agreement with the corresponding experimental results.
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.
The inspection of austenitic and dissimilar welds using ultrasound demands for sophisticated testing techniques. The application of reconstruction methods like the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) on the measurement results provides an appropriate approach for defect characterization and sizing. Nevertheless, the reconstruction algorithm has to consider the aniso-tropic wave propagation inside the inhomogeneous weld material. In recent years the detection of transverse cracks has become increasingly important for ensuring the structural integrity of pipes in the primary circuit of nuclear power plants or longitudinally welded, cladded pipes. However, relia-ble inspection techniques are hardly available. In this particular case, it is expected that the compar-atively long propagation path of the ultrasonic wave field inside the inhomogeneous weld material enhances the effect of anisotropy and influences the accuracy and the signal-to-noise-ratio of the reconstruction result. In this contribution we suggest an advanced ultrasonic testing technique for detecting and sizing of transversal cracks in austenitic and dissimilar welds. The method applies a SAFT reconstruction algorithm considering the anisotropy and the inhomogeneity. A V-arrangement of the transducers in pitch-catch technique is chosen to avoid a direct coupling on the weld face. The reconstruction algo-rithm is based on an extended 3-dimensional weld model and uses a ray-tracing approach for de-termining the wave propagation paths. Along with the reconstruction algorithm the transducer set-up and experimental results of different specimens with artificial transverse flaws are presented. The availability of the proposed method for crack sizing is assessed in comparison to conventional testing techniques.
Die Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) ist ein Verfahren zur Verarbeitung von HF-Bildern, die an unterschiedlichen Prüfkopfpositionen aufgenommen wurden. Es wird in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung genutzt, um eine Abbildung von Materialfehlern innerhalb des Gebietes zu erstellen, auf das die Rekonstruktion angewandt wird. Die nach Abschluss der SAFT-Rekonstruktion zusammengestellten Informationen über Reflektoren liegen zunächst nach wie vor in Form von HF-Daten vor. Die Interpretierbarkeit der SAFT-Bilder ist im Allgemeinen davon abhängig, wie diese Daten vor der endgültigen Darstellung aufbereitet werden. Die Bildung der Amplitudeneinhüllenden aus dem zugehörigen analytischen Signal stellt eine Möglichkeit einer solchen Aufbereitung nach Anwendung des SAFT-Algorithmus dar. Sie ist jedoch nur im eindimensionalen Fall eindeutig definiert. In diesem Beitrag wird das Konzept der analytischen Signale mit single-orthant-Spektren aufgegriffen, um eine Detektion der Einhüllenden an mehrdimensionalen HF-Daten durchzuführen. Dabei wird über die Betragsquadrate aller möglichen nach dieser Definition zu bildenden analytischen Signale gemittelt. Es wird gezeigt, dass die Anwendung des beschriebenen Verfahrens einem Separationsansatz entspricht. Außerdem wird eine Möglichkeit aufgezeigt die Gültigkeit dieses Ansatzes anhand der totalen und partiellen Hilberttransformationen des Signals im konkreten Fall zu überprüfen. Die Ergebnisse dieser Methode zur Verbesserung von SAFT Bildern werden unter Verwendung synthetischer und experimenteller Daten an rekonstruierten Abbildungen verschiedener Reflektorarten beispielhaft dargestellt.
The Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) is an algorithm applied in non-destructive ultrasonic testing which provides an image of flaws within a specimen. The image is reconstructed from A-scans measured at different positions. Reliable evaluation of the images obtained by the SAFT-algorithm, however, depends on the representation of the reconstructed data, which is initially given in terms of positive and negative local values only. A suitable way of processing this data for evaluation is to calculate the envelope, which can be achieved by means of the analytic signal. The extension of this concept to the multidimensional case is neither trivial nor unique and although extensive work on this subject has been carried out in the past, a correct envelope calculation in multidimensional data remains difficult since it depends on an additional condition, namely the separability of the signal. In this paper, the concept of analytic signals with single-quadrant spectra is applied to process 2-dimensional data obtained by the SAFT-algorithm. Furthermore, we present a procedure to overcome the limitations of that approach by selecting local magnitude values from a number of rotated frames after evaluating the signals separability in each frame, which is briefly validated against synthetic and experimental data.