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Diese Publikation berichtet einführend über Grundlagen der Wirbelstromprüfung, um dann die derzeit geläufigen Verfahren zu erörtern. Es folgen die Prüfergebnisse der Impuls- Wirbelstromprüfung, wobei nur reine Fehlersignale ohne Einfluss von Störparametern untersucht werden. Ergänzungen durch Beispiele aus dem Bereich der kerntechnischen Qualitätssicherung.
Besonders in beweglichen Weichenteilen, wie z.B. Zungen und beweglichen Herzstückspitzen ist die Detektion von Rissen, die zum Bruch des Bauteils führen können, von außerordentlicher Bedeutung. Wegen der komplizierten geometrischen Randbedingungen muß der Schienenprüfzug hier seinen Prüfkopfträger anheben. Aus diesem Grund werden diese Bereiche regelmäßig durch eine manuelle Ultraschallprüfung überwacht. Da auch sehr kleine Anrisse im Oberflächenbereich interessant sind, soll das bereits vorhandene Prüfverfahren durch ein Wirbelstrom-Handprüfsystem so erweitert werden, daß eine sichere Detektion in den gefährdeten Bereichen möglich ist. Aufbau und Wirkungsweise des Wirbelstrom-Handprüfsystems werden erläutert.
Eine berührungslose Abtastung ist bei hoher Prüfgeschwindigkeit unabdingbar. Nur so kann ein Verschleiß der Wirbelstromsonde durch Abrieb verhindert werden.
Gleichzeitig wird eine Beschädigung der zu prüfenden Oberfläche vermieden.
Das Wirbelstromverfahren reagiert empfindlich auf Abstandsänderungen zwischen Wirbelstromsonde und Prüfoberfläche. Eine Trennung des Nutzsignals von dem stö-renden Abstandseffekt gelingt mit Hilfe der Phasenselektion in der Regel nur unzu-reichend. Dieses führt insbesondere bei unebenen Oberflächen zu einer Reduzie-rung der Prüfempfindlichkeit.
Abhilfe schafft eine geregelte Sondenführung, bei der der Abstand konstant gehalten wird.
Es wurden spezielle Sondenhalter nach zwei verschiedenen Verfahren der Ab-standsregelung entwickelt: Ein selbstregelndes System nach dem Luftkissenprinzip sowie ein elektrodynamischer Sondenhalter, angesteuert von einem elektronischen Regler.
Erst durch den Einsatz der geregelten Sondenführung wurde die Detektion kleinster Inhomogenitäten (Ø = 100 µm) innerhalb von Mulden möglich.
Die Wirbelstromprüftechnik ist eine hochempfindliche Prüfmethode, mit der kleinste Materialschäden in metallischen Prüfkörpern nachgewiesen werden können. Die Prüfung kann berührungslos und bei sehr hohen Prüfgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Dies sind beste Voraussetzungen für den Einsatz in automatischen Produktionsanlagen. Die Wirbelstromprüfung kann vielfach direkt in die Produktionslinie von Halbzeugen integriert werden. Zur Abdeckung der gewünschten Prüffläche werden je nach geforderter Prüfempfindlichkeit Durchlaufsensoren, Anordnungen von mehreren Tastsonden oder rotierende Sensoren eingesetzt. Die Entscheidung über das Vorhandensein einer unzulässigen Inhomogenität wird durch das Überschreiten einer festgelegten Signalschwelle festgestellt, wonach eine Aussortierung ausgelöst werden kann. Dieses einfache Kriterium versagt jedoch, wenn durch das Prüfteil Anzeigen hervorgerufen werden, die nach ihrer Herkunft unterschieden werden müssen. Beispielsweise könnte eine Prüfaufgabe so gestellt sein, daß in einem Prüfteil Poren geduldet werden, während rißartige Inhomogenitäten unzulässig sind. Anhand von Beispielen wird gezeigt, wie durch den Einsatz von speziellen Computeralgorithmen an flächenhaft gewonnenen Wirbelstrombildern eine Unterscheidung der Anzeigentypen durchgeführt werden kann.
Das Streckennetz der Deutschen Bahn unterliegt einer permanenten Überwachung. Nach der deutschen Vereinigung hat es sich in seinem zusammenhängenden Umfang nochmals deutlich vergrößert. - Grund genug, nach neuen und verbesserten Prüfverfahren zu suchen, um einerseits die größtmögliche Sicherheit des Schienenverkehrs zu erreichen und andererseits den Unterhalt des Schienennetzes möglichst wirtschaftlich zu gestalten. Seit vielen Jahren werden ZfP-Verfahren zur Prüfung eingebauter Schienen eingesetzt, wie zum Beispiel Ultraschall-Verfahren. Relativ jung ist dagegen der Einsatz von Wirbelstrom-Verfahren, der zur Zeit in großem Umfang in Laborversuchen erprobt wird. Hierbei ist die Bewertung betriebsbedingter Schädigungen hinsichtlich der Schadenstiefe und des Schädigungs-Schweregrades besonders wichtig.
Es wird über die Untersuchungen an typischen Schädigungen (wie Headchecks und Squats) berichtet und die Möglichkeiten, mit speziell angepaßten Wirbelstrom-Sensoren und Wirbelstrom-Verfahren eine möglichst gute Zuordnung zu Schadenstiefe und Schädigungs-Schweregrad vorzunehmen. Anhand der erreichten Ergebnisse wird außerdem über die eingesetzten bildgebenden Auswerteverfahren und intelligenten Signalverarbeitungsmethoden berichtet.
Using a rail-inspection train, the Deutsche Bahn's system of railroads is continuously checked for traffic-induced defects. Until now, only ultrasonic inspection was used. In addition, eddy-current inspection could successfully and efficiently be used to detect and evaluate certain surface cracks - so-called head checks. There have already been reports about laboratory tests which proved the general suitability of this test method [1,2]. The next step - described here - consisted of practical trials under real-life conditions. A test system which is able to fulfil the strict requirements (test speeds of up to 100 km/h, complex probe guidance, suppression of electrical and mechanical interference, recording of data, filtering and evaluation of data) was developed. As part of the rail-inspection train and as a manual system, this inspection system was successfully tested on the Deutsche Bahn's system of railroads under real-life conditions.
Zusammenfassung
Inhomogenitäten in supraleitenden Hohlraumresonatoren eines Linearbeschleunigers führen beim Betrieb zu einem lokalen Zusammenbruch der Supraleitung (Quench) und begrenzen dadurch die maximale Leistung des Beschleunigers. Es wurde ein Prüfsystem zur Qualitätsüberwachung der Niob-Bleche entwickelt, aus denen die Resonatoren gefertigt werden. Die Bleche werden mit dem Wirbelstromverfahren berührungslos abgetastet, wobei ein in der BAM entwickelter Sondenhalter nach dem Luftkissenprinzip verwendet wird. Mit dem Prüfsystem lassen sich Poren und Verun-reinigungen mit einer Ausdehnung ab ca. 80 µm sowohl an der Oberfläche als auch verdeckt nachweisen.
The market of the penetrant systems is increasing every year. A sensitivity of the penetrant systems is one of the main criteria for a customer. Therefore the importance of reliable result of the determination of penetrant systems sensitivity is increasing as well. It was established in our experiments that repeating the procedure of type testing in accordance with ISO EN 3452-2, in many cases one can obtain rather variable results for the sensitivity level. The goal of our investigations was to establish the principal factors, influencing upon the result of penetrant system type testing. Our results show that the values of the duration of such penetrant inspection technological stages as penetrant and developer applications may be considerably lower than the values recommended by ISO EN 3452-2 for the type testing. At the same time the character of the procedure's realisation of excess penetrant removal and developer application strongly influences upon the type testing results. Some recommendations for obtaining more reliable results of the determination of penetrant system sensitivity are worked out and proposed. ©2002 American Institute of Physics.
The development of non-destructive techniques (NDT) techniques for the in-service inspection of railroad wheels and gauge corners was the main activity of the NDT division VIII. 4 at BAM over the last 2 years. For such different components, two different inspection techniques were fundamentally chosen in order to fulfil the end-user requirements. Firstly the inspection of the wheelsrim and diskshould be carried out without dismantling the wheels and using ultrasonic techniques. On the other hand, the inspection of the railroad track surface at a train speed of about 70 km/h should be guaranteed using eddy current techniques. The above-mentioned tasks were a challenge for the lab staff. The accessibility for the wheel inspection was limited due to several impassable barriers such as sand tubes, etc. Eddy current application focused mainly on the detection of head check defects occurring at the gauge corner of the rail. Investigations carried out also showed, that other types of surface defects (e.g. Belgrospis, wheel burns, short-pitch corrugations, etc.) could easily be detected. Some aspects of the inspection system as well as an overview of test results are presented in the current contribution.
Die Empfindlichkeit von Eindring- und Magnetpulverprüfungen (PT, MT) hängt unter anderem von der Eignung und der Qualität der Prüfmittel ab (für PT bezeichnet als Eindringsystem). Die Ermittlung der Empfindlichkeit erfolgt an Kontrollkörpern mit natürlichen und künstlichen Inhomogenitäten durch Ermittlung der Anzeigenerkennbarkeit als Maß für die Eignung. Die europäischen Normen spezifizieren die Anforderungen an die Prüfmittel für Typen-, Chargen- und Betriebsprüfungen nach pr EN ISO 3452-2 für PT und EN ISO 9934-2 für MT. Dieser Beitrag beschreibt die Ermittlung der Empfindlichkeit von Prüfmitteln sowie deren Qualifizierung bei der Typenprüfung. Die vorgeschlagenen Verfahren wurden durch experimentelle Untersuchungen validiert, bei denen ein Bildverarbeitungssystem zur Ermittlung der Anzeigenerkennbarkeit verwendet wurde. Im Hinblick auf die Qualifizierung der Prüfmittel wird die Zuverlässigkeit der Verfahren diskutiert.
Das Streckennetz der Deutschen Bahn wird mit Hilfe eines Schienenprüfzuges ständig auf betriebsbedingte Schädigungen überwacht. Bisher wurde hier ausschließlich das Ultraschallprüfverfahren eingesetzt. In Ergänzung dazu könnte die Wirbelstromprüfung für den Nachweis und die Bewertung spezieller Oberflächenrisse - sog. Head Checks - erfolgreich und wirtschaftlich sinnvoll eingesetzt werden. Über Laboruntersuchungen, die die grundsätzliche Eignung dieser Prüftechnik zeigten, wurde bereits berichtet. Der nächste Entwicklungsschritt besteht in der praktischen Erprobung unter realen Einsatzbedingungen. Hierbei stellen die hohen Prüfgeschwindigkeiten von bis zu 28 m/s (entsprechend 100 km/h Fahrgeschwindigkeit des Prüfzuges) eine besondere Herausforderung dar. Es gibt zahlreiche Probleme zu bewältigen. Diese betreffen beispielsweise die Sondenführung, die Signalfilterung, die Datenerfassung und die Unterdrückung von Störeinflüssen. Über erste Erfahrungen wird berichtet.
Die Betriebsüberwachung der Radscheiben von Schienenfahrzeugen kann besonders wirt-schaftlich durchgeführt werden, wenn die Prüfung im eingebauten Zustand erfolgen kann. Hierzu kann z. B. eine Oberflächenprüfung nach dem Wirbelstromverfahren eingesetzt werden. Als Optimierungskriterien für die Sondenkonstruktion werden eine sehr hohe Prüfempfindlichkeit gegenüber kleinen Rissfehlern und eine gute Handhabbarkeit bei erschwerter Zugänglichkeit der Prüffläche gefordert. Hierzu wurde eine neuartige Wirbel-stromprüfsonde entwickelt. Die Besonderheit besteht darin, dass der Nachweis von sehr kurzen Rissen bei einer gleichzeitig großen Sensorspurbreite möglich ist. Der Zeitaufwand für die Radscheibenprüfung wird damit gegenüber dem bisherigen Stand der Technik um 2/3 reduziert.
Kurzfassung
Es wurde eine Prüftechnologie basierend auf dem Wirbelstromverfahren entwickelt, mit der es möglich ist, oberflächennahe Fehler in Schienen zu detektieren und zu bewerten.
Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass Fahrkantenfehler (Head Checks) mit Risstiefen bis zu 10 mm bewertet werden können. Darüber hinaus werden weitere Inhomogenitäten und Fehler wie z. B. Schleuderstellen, Belgrospi's und Squats detektiert.
Für die Anwendung der Prüftechnologie kommen 4 Anwendungsgebiete in Frage:
Ausrüstung von Schienenprüfzügen,
Manuelle Schienenprüfung,
Ausrüstung von Schienenschleifzügen,
Ausrüstung von stationären Schienenprüfständen.
Die Prüftechnik befindet sich zur Zeit in der Erprobungsphase. Der Schienenprüfzug der Deutschen Bahn AG wird in Kürze mit einem achtkanaligen Prüfsystem ausgerüstet.
Ebenfalls im Erprobungseinsatz befindet sich ein Handprüfsystem zur manuellen Schienenprüfung.
Apparently that the type testing procedure should be conducted under the conditions ensuring reproducibility of its outcomes. We investigated various factors effecting upon the reproducibility. To obtain quantitative characteristics of indications visibility the image-processing hard-and software were used. It was established that there are two main groups of these factors. The first depends on the differences between various test panels, which are used for type testing. The second one concerns the reproducibility of some stages of penetrant testing procedure (excess penetrant removing and developer application). The recommendations to increase the reproducibility of type testing are developed and illustrated experimentally.
The determination of penetrant system sensitivity as a part of type testing should be conducted ensuring reproducibility of the result. We investigated some factors effecting the reproducibility. To obtain quantitative characteristics of indications visibility, an image processing system was used [1]. We used 3 different sets of reference blocks (rb1, rb2, rb3) corresponding to type 1 of EN ISO 3452-3 [2]. Two fluorescent penetrants with different sensitivities and the same wet solvent developer were used.
It was established that the reproducibility of type testing is influenced by mainly two principal factors. First there are the differences between reference blocks. Second one concerns the reproducibility of penetrant testing procedure, especially excess penetrant removal and developer application.
According to EN ISO 3452-3 a reference block for determination of sensitivity level of fluorescent penetrants consists of a set of three nickel-chrome plated panels with 10, 20 and 30 µm plating thickness. Transverse cracks are made in each panel by stretching the panels in the longitudinal direction and width to depth ratio of the cracks should be approximately 1/20. Each panel presents a certain sensitivity level, which is characterised by the level of visibility of the indication. The highest level 3 corresponds to the panel with 10 µm thickness plating. Each panel is cut longitudinally (perpendicular to the crack) so that 2 sheets (panels A and B) with nearly the same cracks will be produced. These panels A and B of a reference block are used for relative evaluation, for example to compare sensitivities of two penetrants. It is considered that the application of the same penetrant to both panels with subsequent adequate development results in the same visibility of the indications on these panels.
Quantitative correlations between the abilities of the reference blocks used for determining of the sensitivity were obtained in our investigations. We used the relations between the measured values of light-fluxes from the indications of similar comparing areas on two panels. These indications correspond to certain cracks parts of the same total length on both comparing areas. The relations of the steps between the panel are responsible for the definition of the sensitivity groups. From our investigations it follows that the steps of the different sets are different. Besides it was established that the indications visibility for the same penetrant applied on different reference blocks might have a considerable difference depending on the penetrant sensitivity: the higher penetrant sensitivity, the smaller is such a difference between the steps 30/20 and 20/10. For example, for rb3 the relations 30/20 and 20/10 for lower sensitive penetrant (I1) reached factor 3 comparing with factor 2 for higher sensitive penetrant (I2).
Some results of the comparison between the 3 sets (rb1, rb2, rb3) investigations are summarised in Table 1 with rb1 as a reference.
Vor einigen Jahren wurden zwei Ultraschall-Schienenprüfzüge mit einer zusätzlichen Wirbelstromprüftechnik nachgerüstet. In jüngster Zeit wurde ein neuer Schienenprüfzug fertig gestellt, der von vornherein für die Verwendung beider Prüftechniken entwickelt wurde. Die Wirbelstromprüftechnik ist speziell auf die Erkennung und Bewertung von Rollkontaktermüdungsschäden ausgerichtet, während die Ultraschallprüftechnik das für den Wirbelstrom unerreichbare Schienenvolumen prüft. Aus den Erfahrungen im Prüfbetrieb kann abgeleitet werden, dass die Kombination der Anzeigen beider Prüftechniken entscheidende Verbesserungen für die Schienenprüfung bringt. Beispielsweise können Fehler der Gruppe 2 durch die zusätzliche Anzeige von Head Checking mit Wirbelstrom sofort mit dem Zusatz "in besonderer Lage" versehen werden. Sie sind nach dem Regelwerk der DB damit der Fehlergruppe 1 gleichzustellen. Aber auch andere, in der Vergangenheit problematische Fälle, wie die Entscheidung, ob eine Laschenkammer mit Schweißung oder Schienenstoß vorhanden ist, lassen sich durch die zusätzlich verfügbaren Informationen der Wirbelstromsignale zuverlässig entscheiden. Beispiele anhand von realen Prüfergebnissen werden gezeigt.
Schienenprüfzüge mit Ultraschall- und Wirbelstromverfahren: Was bringt die kombinierte Auswertung?
(2006)
Wirbelstromprüfung an Eisenbahnschienen - Integration der Wirbelstromtechnik in Ultraschallprüfzüge
(2004)
Advantage of a combined ultrasonic and eddy current examination for railway inspection trains
(2006)
Some years ago two railway inspection trains (RIT) already equipped with ultrasound, had additional advanced eddy current techniques installed. Recently a new RIT, was equipped with a system that was designed, from the beginning, to employ a combination of these two techniques for non-destructive rail inspection. The eddy current technique has been developed to enable identification and evaluation of rolling contact fatigue (RCF) defects. The ultrasound technique is aimed at measurements in the rail bulk volume, which are not feasible using the eddy current technique. Experience gained from application has shown that clear improvement on rail inspection can be achieved. For example, following DB AG guideline defects which are classified as group 2 using ultrasound testing can be further labeled as "distinguished positions" if for example head checking can be identified in the same position using the eddy current technique i.e. the new technique is capable of identifying two fundamentally different types of defects occurring at the same location. Such defects can then be then classified as Group 1 equivalent according to the DB AG guideline. Furthermore,- problem cases in the past, such as the decision whether a weld or rail joint is present for a fishing table can be reliably determined using additional information from the eddy current technique. In this presentation examples will be provided to demonstrate application.
Das Schienennetz der DB und anderer Bahngesellschaften wird regelmäßig mit Schienenprüfzügen inspiziert. Die mit den Prüfzügen aufgenommenen Messdaten werden offline zu einem späteren Zeitpunkt ausgewertet. Um Prüfbefunde manuell nachprüfen und ggf. Reparaturmaßnahmen einleiten zu können, ist eine möglichst exakte Zuordnung der Befunde zum Prüfort notwendig. Theoretisch ist jeder Ort des Schienennetzes durch Streckennummer, Richtungskennzahl und Kilometrierung exakt beschrieben. In der Praxis treten jedoch bei der Zuordnung diverse Probleme auf: Die Kilometrierung wird während der Prüfung manuell erfasst, indem die Beschriftung der Kilometer- bzw. Hektometertafeln in das Prüfsystem eingegeben und deren Position beim Vorbeifahren per Tastendruck in die Messdaten 'eingeblitzt' wird. Die Hektometertafeln stehen jedoch nicht an der aufgedruckten Position, sondern sind am nächstgelegenen Mast montiert. Dagegen ist die Ungenauigkeit des manuellen 'Einblitzens' vernachlässigbar. Außerdem ist die Kilometrierung nicht immer eindeutig, da nach Umbaumaßnahmen Kilometersprünge (sowohl fehlende als auch doppelte Kilometer) auftreten können. Abhilfe verspricht der Einsatz des satellitengestützten GPS, vorausgesetzt, die Strecken sind exakt vermessen. Um eine ausreichende Positionsgenauigkeit auch bei schlechten Empfangsbedingungen zu erreichen, ist jedoch ein erheblicher Aufwand notwendig. Die Positionsgenauigkeit eines Standard-GPS-Empfängers genügt hier nicht. Es wird ein Verortungssystem hoher Positionsgenauigkeit auf der Basis des GPS vorgestellt, das sich derzeit in der Erprobung befindet.
Die steigenden Anforderungen im Schienenverkehr haben u. a. wachsende Betriebsbeanspruchungen für das Führungselement Schiene zur Folge. Auf Strecken mit hohen Belastungen wird dadurch die Entstehung von Rollkontaktermüdungsrissen, den sog. Head Checks, begünstigt. Für die Quantifizierung von Schäden im Hinblick auf eine optimierte Instandhaltung, setzt die DB AG daher seit einigen Jahren die Wirbelstromprüfung an Schienen ein. Es wurde ein Wirbelstromprüfsystem speziell für die Detektion und Bewertung von Head Checks auf der Schienenstahlsorte R260 entwickelt. Um den Instandhaltungsaufwand möglichst gering zu halten, unterliegen Eisenbahnschienen einer ständigen technologischen Weiterentwicklung durch die Hersteller. Durch Verbesserung der Schienenstahlsorten soll ein größerer Widerstand gegen die Bildung von Rollkontaktermüdungsrissen erreicht werden. Anhand von Streckenversuchen der DB AG in den letzten Jahren konnte festgestellt werden, dass tatsächlich eine Verminderung der Risswachstumsgeschwindigkeit erzielt wurde. Dafür zeigten sich im Vergleich zur Stahlsorte R260 abweichende Rissgeometrien, geringere Abstände zwischen den Ermüdungsrissen und somit eine größere Dichte des Rissfeldes. Die daraus resultierenden Folgen für die Ergebnisse der Wirbelstromprüfung werden hier erläutert. Praktische Prüferfahrungen an Schienenstahlsorten mit höherer Festigkeit werden vorgestellt.
GMR-Sensor Arrays ermöglichen eine örtlich hoch aufgelöste Messung magnetischer Streufeldamplituden an Stahlbauteilen, bei der abhängig von der Größe der zu prüfenden Oberfläche erhebliche Datenmengen erzeugt werden.
Eine automatische Detektion von Rissen kann anschließend mittels digitaler Bildverarbeitung erreicht werden, welche hauptsächlich auf einer Kantenerkennung basiert. Diese wurde anhand einer Magnetometer-Messung getestet, die an einem zylindersymmetrischem Bauteil mit funkenerosiv eingebrachten Rissen geringer Tiefe durchgeführt wurde. Die erzielte Selektion der Defekte wird für eine angestrebte Rekonstruktion der Defektgeometrie benötigt.
High-precision magnetic field sensors are of increasing interest in non destructive testing (NDT). In particular GMR-sensors (giant magneto resistance) are qualified because of their high sensitivity, high signal-to-noise ratio and high spatial resolution. We performed magnetic flux leakage measurements of artificial cracks with a GMR-gradiometer and a 3-axes GMR-magnetometer. Cracks of a depth of 44 μm still could be detected with a sufficient high signal-to-noise ratio. A semi-analytic magnetic dipole model was used for swiftly predicting magnetic stray fields. The reliable reconstruction based on measurements of artificial rectangular-shaped defects is demonstrated.
Infolge der Betriebsbeanspruchung unterliegen Eisenbahnschienen an
ihrer Fahrkante sog. Rollkontakt-Ermüdung. Diese entsteht bevorzugt in Bögen
durch eine Kaltverformung des Schienenstahls und zeigt sich anfänglich in einer erhöhten
Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs. Im weiteren
Verlauf entstehen zahlreiche, flach in das Schieneninnere verlaufende Risse sog.
Head Checks. Diese Risse neigen ab einem gewissen Stadium dazu, in das Innere
der Schiene abzukippen, was im Endstadium zu einem Schienenbruch führen kann.
Seit einigen Jahren wird in Deutschland bei der DB AG das Wirbelstromverfahren
erfolgreich zur zerstörungsfreien Prüfung der Schädigungstiefe von Head Checks
eingesetzt. Hiermit wurde u. A. angestrebt, zuverlässige Planungsgrößen für den
Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz
ein weiteres Risswachstum wirkungsvoll unterbunden werden kann. Bereits bei einem
der ersten systematischen Einsätze der Wirbelstromprüfung an einer Bogenstrecke
mit hohem Betriebsaufkommen wurde auffällig, dass die Ermüdungsrisse
nicht gleichmäßig entlang des Bogens verteilt auftraten, sondern sich auf kurze Distanzen
Anhäufungen von Rissbefall mit intakten, unbefallenen Abschnitten abwechselten.
Solch wellenförmiges Auftreten von Head Checks wurde auch in den nachfolgenden
Prüfergebnissen der Wirbelstromprüfung vielerorts beobachtet. Aus der
Literatur war bekannt, dass sich die Ermüdungsrisse bevorzugt in verfestigten Materialzonen
bilden. Mit Hilfe von Härtemessungen konnte an verlegten und befahrenen
Schienen gezeigt werden, dass die unbefallenen Zonen etwa die Grundhärte des
Schienenwerkstoffes aufwiesen, während die mit Ermüdungsrissen befallenen Zonen
um ca. 10 25% erhöhte Härtewerte aufwiesen. Die Wirbelstromprüfung reagiert
sehr empfindlich auf Veränderungen der Materialeigenschaften. Somit lassen
sich Verfestigungen der o. g. Art leicht auch ohne jedes Vorhandensein von Ermüdungsrissen
bereits nachweisen. Im Zuge einer längerfristigen Beobachtung einer
neu gebauten Strecke konnte herausgefunden werden, dass sich nach einer gewissen
Betriebszeit wellenförmig verteilte Zonen mit Prüfsignalen, die auf Verfestigungen
schließen lassen auftraten. Im weiteren zeitlichen Ablauf bildeten sich Ermüdungsrisse
tatsächlich in den vorher bestimmten Stellen mit Verfestigung, während die
Zonen ohne diese Prüfsignale weitgehend rissfrei blieben. Diese Ergebnisse zeigen,
dass die Wirbelstromprüfung das Potential besitzt, mögliche Orte der Entstehung
von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen.
Betriebsbedingte Oberflächenschäden an Schienen, insbesondere rissartige
Ungänzen wie Head Checks, Squats und Belgrospis spielen bei der Gewährleistung
der Sicherheit des Fahrbetriebes eine zunehmend wichtige Rolle. Bei ungehindertem
Wachstum können diese Schäden bis zum Schienenbruch führen. Um dies zu verhindern,
werden diese Oberflächenschädigungen im Anfangsstadium durch Abarbeiten
der Schienen beseitigt. Häufig werden hierfür Schienenschleifzüge eingesetzt. Für die
effektive Planung dieser Instandhaltungsmaßnahmen wurde ein Wirbelstromprüfsystem
entwickelt, welches in der Lage ist, speziell für den Fehlertyp Head Checks, eine
Risstiefenbestimmung durchzuführen. Dieses wird seit einiger Zeit bei der manuellen
Prüfung (WPG Wirbelstromprüfgerät) und bei der Prüfung mit Schienenprüfzügen
erfolgreich eingesetzt. Das Wirbelstromprüfsystem wurde so modifiziert, dass es in einem
Schleifzug der Firma SPENO INTERNATIONAL SA integriert werden konnte.
Hierüber wurde bereits berichtet (u.a. DACH-Tagung 2004 in Salzburg; ECNDT 2006
Berlin). Der Betrieb im Schleifzug ist für die Weiterentwicklung des Prüfsystems von
herausgehobener Bedeutung, da anhand des tatsächlich erzeugten Materialabtrages eine
laufende Verifikation der Prüfaussagen erfolgen kann. Für die Instandhaltungsmaßnahme
ergibt sich durch das integrierte Prüfsystem der Vorteil, während bzw. unmittelbar
nach Abschluss der Arbeiten eine objektive Dokumentation über das erzielte
Schleifergebnis erstellen zu können. Inzwischen sind einige Schleifzüge mit dem System
ausgerüstet worden. Anhand von Ergebnissen ausgewählter Schleifeinsätze werden
die Aspekte für die Optimierung der Schieneninstandhaltungsmaßnahmen, sowie auch
für die Weiterentwicklung des Prüfsystems selbst vorgestellt.
Ständige Betriebsbeanspruchungen der Eisenbahnschienen führen an den Rad-Schiene-Kontaktflächen zu Ermüdungserscheinungen des Materials. Infolgedessen entstehen unter anderem an bogenäußeren Schienenfahrkanten Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks. Zur frühzeitigen zerstörungsfreien Prüfung der Ermüdungsrisse wird das Wirbelstromverfahren eingesetzt. Neben der Detektion von Rissen, reagiert die Wirbelstromprüfung außerdem sehr empfindlich auf Veränderungen von Materialeigenschaften, wodurch sich Verfestigungen auch ohne jedes Vorhandensein von Ermüdungsrissen nachweisen lassen. Längerfristige Beobachtungen haben gezeigt, dass die Wirbelstromprüfung das Potential besitzt, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen.
Advantage of a combined ultrasonic and eddy current examination for railway inspection trains
(2007)
Some years ago, two railway inspection trains (RIT) already equipped with ultrasound, had additional advanced eddy current techniques installed. Recently, a new RIT was equipped with a system that was designed, from the beginning, to employ a combination of these two techniques for non-destructive rail inspection. The eddy current technique has been developed to enable identification and evaluation of rolling contact fatigue (RCF) defects. The ultrasound technique is aimed at measurements in the rail bulk volume, which are not feasible using the eddy current technique. Experience gained from application has shown that clear improvement on rail inspection can be achieved. For example, following Deutsche Bahn DB (German Rail) AG guideline, defects which are classified as group 2 using ultrasound testing can be further labelled as 'distinguished positions' if, for example, head checking can be identified in the same position using the eddy current technique. In other words, the new technique is capable of identifying two fundamentally different types of defects occurring at the same location. Such defects can then be classified as Group 1, equivalent according to the DB AG guideline. Furthermore, problem cases in the past, such as the decision whether a weld or rail joint is present for a fishing table, can be reliably determined using additional information from the eddy current technique. In this paper, examples will be provided to demonstrate application.
Die Rissbildung durch Rollkontaktermüdung, der Materialverschleiß oder die Bildung von Einzelfehlern – aufgrund solcher Schädigungsarten wird die Lebensdauer der Schiene signifikant verkürzt. Mit entsprechenden Methoden der ZfP können diese Schäden an Schienen erkannt und bewertet werden. Ein sehr geeignetes Verfahren zur Feststellung von Schädigungen und Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche ist die Wirbelstromprüfung. Die zerstörungsfreie Prüfung der Schienenoberfläche durch das Wirbelstromverfahren wurde ursprünglich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsrissen entwickelt. Anhand von Ergebnissen aus zahlreichen Prüfeinsätzen in den letzten Jahren wurde außerdem festgestellt, dass unter anderen auch Fehler wie Squats, Belgrospis, Eindrückungen oder Riffel in den Wirbelstromsignalen erkannt werden können. Aufgrund dieser Erfahrungen ist es möglich geworden, den Oberflächenfehlern in der Schiene ein charakteristisches Wirbelstromsignal zuzuordnen. Somit eröffnet sich die Möglichkeit die Wirbelstromprüfung an Schienen nicht ausschließlich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsris-sen zu verwenden, sondern auch zur Feststellung von Einzelfehlern oder Materialveränderungen in der Oberfläche. Zusätzlich besteht das Potential durch Ultraschall erfasste Anzeigen, wie z.B. Schweißnähte, Squats etc. mit der Wirbelstromprüfung zu bestätigen und die Aussagesicherheit und Qualität dieser Prüfmethoden noch zu erhöhen.
Mit der Wirbelstromprüfung ist die Bestimmung der Tiefe offener Risse in Metallen prinzipiell möglich und wird auch in unterschiedlichen Anwendungen durchgeführt. Hierbei haben die jeweiligen praktischen Prüfbedingungen jedoch erheblichen Einfluss auf die Qualität der Prüfaussage. Es werden einige grundlegende Effekte erläutert, die bei der Risstiefenbestimmung mit Wirbelstrom zu beachten sind. Ein spezieller Labormessplatz wird unter dem Aspekt möglicher Fehlbewertungen vorgestellt und Schlussfolgerungen für die praktische Anwendung werden gezogen. Anhand praktischer Beispiele aus der Schienenprüfung mit Wirbelstrom werden die Auswirkungen verschiedener Fehlereffekte bei der Risstiefenbestimmung gezeigt.
The determination of magnetic distortion fields caused by inclusions hidden in a
conductive matrix using homogeneous current flow needs to be addressed in multiple tasks of
electromagnetic non-destructive testing and materials science. This includes a series of testing
problems such as the detection of tantalum inclusions hidden in niobium plates, metal inclusion in
a nonmetallic base material or porosity in aluminum laser welds. Unfortunately, straightforward
tools for an estimation of the defect response fields above the sample using pertinent detection
concepts are still missing. In this study the Finite Element Method (FEM) was used for modeling
spherically shaped defects and an analytical expression developed for the strength of the response
field including the conductivity of the defect and matrix, the sensor-to-inclusion separation and the
defect size. Finally, the results also can be useful for Eddy Current Testing problems, by taking the
skin effect into consideration.
High speed non-destructive rail testing with advanced ultrasound and eddy-current testing techniques
(2009)
Today the rails face increased exposure to heavy loads, higher speeds and a very dense overall traffic. A continued development of testing methods for the rail inspection trains became necessary to match the modern needs for a fast detection and detailed classification of defects. To guarantee the safe operation of rail traffic non-destructive inspection techniques with combined ultrasound and eddy current testing methods are used to detect damages on rails. One of the main actual challenges of automated rail testing is the high inspection speed which is very close to the physical limits. To overcome these limits digital signal processing algorithms have to be used which maintain resolution and detection quality independent of operation speed. This paper presents a recently developed state of the art rail inspection system which uses advanced ultrasonic and eddy current testing techniques. Testing results are shown in a newly developed so called Glassy-Rail-Diagram which is capable to present data with a fixed resolution independent of inspection speed.
Ein Impuls-Wirbelstromprüfsystem mit rechnergestützter Erfassung und Auswertung der Meßsignale
(1982)
Inservice Inspection of Pressure Vessels with Special Emphasis on the Surface and Near Surface Areas
(1996)
High speed non-destructive rail testing with advanced ultrasound and eddy-current testing techniques
(2009)
Die zerstörungsfreie Oberflächenprüfung an verlegten Eisenbahnschienen mit Wirbelstrom hat in den letzten Jahren durch ständige Weiterentwicklung und Verifizierung enorm an Bedeutung gewonnen. Es wurde u.a. angestrebt zuverlässige Planungsgrößen für den Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz Risswachstum unterbunden werden kann. Die Ursache für das Wachstum von Rissen in der Schiene liegt in der Materialermüdung des Werkstoffes infolge der Betriebsbelastungen im RadSchiene-Kontakt. Nach einer gewissen Beanspruchungsdauer kommt es an den Kontaktflächen der Fahrkante zu einer Kaltverfestigung des Schienenstahls. Durch fortschreitende Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs der gehärteten Schicht wird der Werkstoff spröde und es bilden sich feine Risse aus. Die Risse wachsen anfangs unter einem flachen Winkel in das Schieneninnere hinein, neigen dann aber ab einem gewissen Stadium dazu in das Innere des Schienenkopfes abzukippen, was im Extremfall zu einem Schienenbruch führen kann. Diese Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks, entstehen bevorzugt in der Fahrkante von bogenäußeren Schienen. Die Anwendung der Wirbelstromprüfung an der Schiene wurde bisher zur Ermittlung der Schädigungstiefe dieser Rollkontaktermüdungsrisse eingesetzt. Das Wirbelstromverfahren besitzt die Eigenschaft, sehr empfindlich auf alle Veränderungen der Materialeigenschaften an der Oberfläche zu reagieren. Daher wurde festgestellt, dass sich neben der Detektion von Rissen auch Fehler wie Eindrückungen oder Schlupfwellen, bis hin zu Materialveränderungen durch Schweißen oder Aufhärtungen in der Schienenoberfläche bestimmen lassen. Die Wirbelstromprüfung besitzt daher das Potenzial, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen. Ziel ist es, die rissgefährdeten Zonen schon im Zustand der Kaltverfestigung zu identifizieren. Dadurch können sich neue Aspekte für die präventive Schieneninstandhaltung ergeben.
Die zerstörungsfreie Oberflächenprüfung an verlegten Eisenbahnschienen mit Wirbelstrom hat in den letzten Jahren durch ständige Weiterentwicklung und Verifizierung enorm an Bedeutung gewonnen. Es wurde u.a. angestrebt zuverlässige Planungsgrößen für den Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz Risswachstum unterbunden werden kann. Die Ursache für das Wachstum von Rissen in der Schiene liegt in der Materialermüdung des Werkstoffes infolge der Betriebsbelastungen im Rad-Schiene-Kontakt. Nach einer gewissen Beanspruchungsdauer kommt es an den Kontaktflächen der Fahrkante zu einer Kaltverfestigung des Schienenstahls. Durch fortschreitende Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs der gehärteten Schicht wird der Werkstoff spröde und es bilden sich feine Risse aus. Die Risse wachsen anfangs unter einem flachen Winkel in das Schieneninnere hinein, neigen dann aber ab einem gewissen Stadium dazu in das Innere des Schienenkopfes abzukippen, was im Extremfall zu einem Schienenbruch führen kann. Diese Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks, entstehen bevorzugt in der Fahrkante von bogenäußeren Schienen. Die Anwendung der Wirbelstromprüfung an der Schiene wurde bisher zur Ermittlung der Schädigungstiefe dieser Rollkontaktermüdungsrisse eingesetzt. Das Wirbelstromverfahren besitzt die Eigenschaft, sehr empfindlich auf alle Veränderungen der Materialeigenschaften an der Oberfläche zu reagieren. Daher wurde festgestellt, dass sich neben der Detektion von Rissen auch Fehler wie Eindrückungen oder Schlupfwellen, bis hin zu Materialveränderungen durch Schweißen oder Aufhärtungen in der Schienenoberfläche bestimmen lassen. Die Wirbelstromprüfung besitzt daher das Potenzial, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen. Ziel ist es, die rissgefährdeten Zonen schon im Zustand der Kaltverfestigung zu identifizieren. Dadurch können sich neue Aspekte für die präventive Schieneninstandhaltung ergeben.
Mechanische Belastung wie z. B. der Rollkontakt zwischen den Rollen und Lagerringen eines Wälzlagers oder der Rad-Schiene-Kontakt bei der Eisenbahn führen bei ferritischen Stählen zu einer Aufhärtung der Oberfläche. Die mit der Aufhärtung verbundene Versprödung begünstigt die Entstehung von Ermüdungsrissen. Zur Risstiefenbestimmung mit dem Wirbelstromprüfverfahren werden in der Regel Kalibrierkörper mit künstlichen Testfehlern aus dem Grundwerkstoff des Prüfteils verwendet. Die betriebsbedingte Aufhärtung der Prüfteiloberfläche bleibt bei der Kalibrierung unberücksichtigt. Die lokale Aufhärtung der Oberfläche führt zu einem ortsabhängigen Offset des Wirbelstromsignals in Richtung der Rissanzeigen und somit zu einer Überbewertung der Risstiefe. Bei einzelnen Rissen lässt sich der Effekt kompensieren, in dem das Wirbelstromgerät neben jedem Riss abgeglichen bzw. die Differenz zwischen dem Offset und der Rissanzeige berechnet wird. In der Realität liegen die Ermüdungsrisse jedoch oft so dicht nebeneinander, dass auf Grund der Überlagerung benachbarter Rissanzeigen weder ein Abgleich zwischen den Rissen noch eine Bestimmung des Offsets möglich ist. Finite-Elemente-Berechnungen ermöglichen es, die in der Realität stets kombiniert auftretenden Wirbelstromsignale der Ermüdungsrisse und der Oberflächenaufhärtung getrennt zu simulieren, um Erkenntnisse für eine Verbesserung der Risstiefenbestimmung zu erlangen.
Zunehmend werden hochpräzise Magnetfeldsensoren in der
Materialprüfung verwendet. Aus dem Zoo der Magnetfeldsensoren eignen sich
GMR-Sensoren (Giant Magneto Resistance) aufgrund ihrer hohen Feld-
Empfindlichkeit, ihrem hohen Signal-Rausch-Verhältnis sowie ihrer kleinen
Sensorflächen (verbunden mit einer hohen Ortsauflösung) hierfür im Besonderen.
Mit GMR-Sensoren wurden Risse untersucht und konnten mit einer Tiefe ≤ 50 µm
noch mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis aufgelöst werden. Die an
Prüfkörpern mit künstlich eingebrachten Defekten gemessenen Streufeldsignale
wurden anhand von analytischen Lösungen verifiziert. Anhand der analytischen
Lösungen wurden auch Defektparameter zu den aufgezeichneten Signalen
rekonstruiert.
Der Schrein der Heiligen Drei Könige im Kölner Dom ist einer der
bedeutendsten Goldschmiedearbeiten des Mittelalters in Europa. Der Schrein übertrifft
heute mit seiner Größe und künstlerischen Qualität alle noch erhaltenen Reliquiare
des Mittelalters. Diese kunstvoll verkleidete Truhe (2,10 Meter lang, 1,10
Meter breit und 1,51 Meter hoch) wiegt 515 Kilogramm, denn sie ist reich verziert
mit Goldblechen, vergoldeten Figuren und Blechen aus Silber und Kupfer, über 300
Gemmen, sowie 1741 Edelsteinen und Perlen.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin unterstützte das
Rheinische Landesmuseum Bonn und die Kölner Dombauverwaltung bei den Untersuchungen
des Schreins der Heiligen Drei Könige mit dem Wirbelstromprüfverfahren.
Mit Hilfe von Leitfähigkeitsmessungen auf Basis des Wirbelstromverfahrens
konnte die gesamte Metalloberfläche des Dreikönigenschreins untersucht
werden. Durch Vergleich der Messwerte mit den zuvor untersuchten Fragmenten
konnten die unterschiedlichen Legierungen der Beschläge und Figuren des Schreins
identifiziert werden. Die besondere Schwierigkeit hierbei bestand darin, dass es sich
überwiegend um sehr dünne Bleche verschiedener Legierungen handelt, die eine
stark ausgebildete Reliefstruktur haben und die vergoldet wurden. Mit den Ergebnissen
ist der Nachweis gelungen, dass es schon im frühen 19. Jahrhundert eine äußerst
überzeugende kopistische Technik bei der Herstellung von Prägewerkzeugen gab.
Die Ergebnisse der Wirbelstromprüfung waren für die rheinländischen Kunsthistoriker
argumentativ von großer Bedeutung.
The findings indicate that rolling contact fatigue with consecutive head checks develops preferentially in rail sections that have experienced operational work-hardening. Such hardening can be identified by instruments measuring the increased hardness values with respect to the base material. Eddy current testing was initially introduced with the aim to detect head checks and determine their damage depth. Because the material texture influences eddy current flow in the test objects very strongly, variations in hardness can easily be visualised using this method. Thus, in principle, it is possible to predict places where head checks will emerge later. This knowledge may be very helpful in improving our understanding of head check emergence under real conditions. This knowledge may also help in developing new and effective precautionary maintenance strategies.