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Progress in acoustical defect sizing NDT methods for the inspection of power-plant components
(2012)
The demand of improved NDT methods with proper visualization and sizing
capabilities is a persistent trend in maintenance and manufacturing quality inspection.
Especially when dealing with high quality standards in conjunction with safety-critical
components in the sector of energy and transportation quantitative NDT techniques are
vital to provide reliable quality control systems and a corresponding deeper insight into
the component structure for a further fracture-mechanical estimation. The paper thus
focuses the progress of the defect sizing capabilities of modern Ultrasonic Testing
(UT). In Ultrasonic Testing the SAFT-algorithm (Synthetic Aperture Focusing
Technique) currently experiences a renaissance. The method is based on combining the
data of different transducer positions with their corresponding varied propagating time
and it is currently applied in several industrial applications. SAFT enhances the SNR
and the spatial resolution and is thus a valuable tool when it comes to improved
defect detection and sizing. A tomographic-like data mapping is illustrated on several
examples, where adapted phased array systems were used for the inspection of turbine
components and also for a cladded mock-up of a nuclear reactor pressure vessel. In a
statistical investigation we also performed a comparison with other defect sizing
methods like TOFD (Time of flight diffraction).
Die Kombination der Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) mit der Tauchtechnik stellt eine besondere Herausforderung dar. Zwei für SAFT notwendige Bedingungen – die große Schallbündeldivergenz und die Kenntnis über den Ort des Senders bzw. des Empfängers, der für die phasenrichtige Überlagerung der Echosignale genau bekannt sein muss – lassen sich einfach erfüllen, wenn kleine, fast punktförmige Sensoren direkt auf der Oberfläche des Prüfobjektes ankoppeln. Diese Anordnung ist in der Regel nicht vereinbar mit den praktischen Ansprüchen an die Signalqualität und die Flexibilität der Prüftechnik.
Werden jedoch Prüfköpfe mit üblichen Abmessungen und zudem noch mit Vorlaufstrecken verwendet, dann ist die Bestimmung der Sensororte und der Schalllaufwege durch die brechende Fläche nicht mehr trivial, wenn man die für SAFT geforderte Genauigkeit in Rechnung stellt.
Etwas anderes, aber ein im Prinzip einfacher Weg zur räumlichen Lokalisation von Echoquellen ist die Auswertung des 2D Sektorscans eines Matrixarrays und dessen dreidimensionale Darstellung. Durch gezielte Steuerung des Arrays gelingt auf einfache Weise die ortsrichtige Zuordnung.
Defect sizing is required for a quantitative assessment of the quality and reliability of safety relevant components and materials using ultrasonic non-destructive testing. The SAFT (Synthetic Aperture Focussing Technique) and the TOFD technique (Time Of Flight Diffraction) are such promising sizing candidates, extracting more information from the raw ultrasound echo data and the corresponding crack tip response. In this work the phased array technique is used to inspect a clad mock-up model of a pressure vessel section. The full scale model contains artificial test reflectors which are located in the weld and in the cladding region as well. The defects—representing typical flaws at a very early stage—are analysed with different frequencies, beam angles and directions of incidence.
For the reconstruction of reflector indications a SAFT algorithm is applied to the phased array measurement results. Additionally the reflectors are analysed by means of the TOFD technique, using different beam angles at the same time. Both analysis methods are performed using different directions of incidence considering the complex cladding structure underneath the inner surface of the mock-up model. A direct comparison of the SAFT and TOFD techniques shows that, besides the clarity of the results, the detection and sizing capabilities of SAFT are far better.
The spatial resolution in ultrasonic testing as a wave phenomenon in nature is limited to a
certain fraction of the wavelength, usually defined to be close to the Rayleigh criterion. In case of
complicated reflector surfaces – such as stress corrosion cracking - this limitation prevents an exact
visualization of the defect shape. There exist a few approaches to improve the spatial resolution, whose
reconstruction quality all in common also depend on the achieved signal-to-noise ratio of the raw data. In this
work we present a specific SAFT analysis, in which a high number of different angles of incidence produce a
sufficiently high number of different reflections at the crack edges resulting in an improved SNR. In doing
so, we reconstruct a coherent crack structure. First investigations were made at artificially simulated crack
configurations with different contours and curvatures in flat and cylindrical test blocks. The measurements
results visualized by representative scans – show details of crack design and crack orientation. We also will
present a comparison of the SAFT analysis between modelling and phased array measurements.
Mit der Gruppenstrahlertechnik der Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung sind umfangreiche Untersuchungen an einer
plattierten Druckbehälter-Testwand durchgeführt worden. In der vorliegenden
Testwand mit einer Wanddicke von 149 mm befinden sich künstliche
Testreflektoren im Schweißnaht- und Plattierungsbereich, die mit Gruppenstrahler-
Prüfköpfen mit unterschiedlichen Frequenzen, Einschallwinkeln und
Einschallrichtungen nachgewiesen und in ihrem Anzeigenverhalten analysiert
wurden.
Zur Rekonstruktion der Reflektoranzeigen wurde ein SAFT - Algorithmus
verwendet, der die Variation der Einschallwinkel berücksichtigt. Zum Vergleich
sind die Reflektoren auch mit der TOFD - Technik analysiert worden. Ziel der
Untersuchungen war der direkte Vergleich der Eignung der SAFT- und TOFDTechnik
zur quantitativen Reflektorgrößenbestimmung.