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Eine Arbeitsgruppe der BAM in der Abteilung für Zerstörungsfreie Prüfung forscht seit 2011 an verschiedenen technischen Fragestellungen, die sich aus dem thermografischen Lösungsansatz ergeben. Zum Beispiel werden spezielle Prüfkörper aus GFK im Labor unter dem Gesichtspunkt untersucht, inwieweit (materielle) innere Strukturen und äußerlich nicht sichtbare Schäden mit Thermografie offenbart werden können. Hierbei werden verschiedene Anregungs- und Auswertungstechniken auf ihre Eignung für diese Problemstellung untersucht. Der folgende Beitrag erläutert einige technische Schwierigkeiten bei der praktischen Anwendung der geplanten Inspektionsmethode und stellt einen erfolgversprechenden Lösungsansatz vor.
Bei der Realisierung von Oberflächen-Schutz-System (OSS) auf Betonflächen ist die tatsächlich erreichte Dicke der Beschichtung ein wesentlicher Parameter, der über die Funktionalität und Langzeitstabilität der aufgetragenen Schicht entscheidet. Die Firma IBOS und die BAM haben in den letzten Jahren gemeinsam einen funktionstüchtigen Prototyp eines Messgeräts zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung für Bodenbeschichtungen entwickelt. Hierin wird die Abkühlkurve eines vorher erwärmten Bereichs berührungslos mit einer IR-Kamera erfasst und mit einem Modell verglichen, was die Bestimmung der Schichtdicke ermöglicht. Im Rahmen dieses Beitrags wird die Umsetzung der Methode unter Laborbedingungen und in der Praxis auf der Baustelle erläutert und diskutiert.
Der Beitrag beschreibt den Aufbau und die Entwicklung einer Heißluftquelle als Wärmequelle für die aktive Thermografie. Als Ausgangspunkt wird zunächst die Quellenlage betrachtet. In der Literatur über Thermografie spielt Heißluft als Wärmequelle nur in weniger als 0,1% eine Rolle, die Ursache dafür ist nicht bekannt. Es wird vermutet, dass dieser Erwärmungsmethode unterstellt wird, sie hätte Nachteile bezüglich Homogenität der Erwärmung sowie Leistungseintrag. In einer der raren Publikationen über einen Verfahrensvergleich schnitt die Heißluft-Thermografie jedoch nicht schlechter als die Vergleichsverfahren mit optischer Anregung ab, bei gleichzeitig deutlichem Zeitgewinn und geringerem technischen Aufwand.
Danach wird der fertige Versuchsaufbau mit seinen wesentlichen Komponenten dargestellt. Der Einfluss der Geometrie der Luftaustrittsdüse auf die erreichbare Wärmeverteilung an einem flachen Blech wurde an mehreren Düsen untersucht. Hierbei erwies sich eine langgestreckte Umlenkdüse mit einer Strahlumlenkung von etwa 20° als optimal zur Erzeugung einer möglichst homogenen Erwärmung.
Ein weiterer zu optimierender Parameter war die erreichbare Schaltdynamik des Heißgasstromes. Beim schnellen Schalten großer Volumenströme treten Druckstöße mit entsprechenden Temperaturänderungen auf. Hinzu kommt, dass der verwendete MFC (mass flow controller) bei großen Volumenströmen zum Einschwingen bei Schaltprozessen neigt.
Daher enthält der Aufbau einen offenen Bypass zur Stabilisierung des Volumenstroms. Mit dem so realisierten Messplatz wurde die Reproduzierbarkeit der erzielten Erwärmung durch mehrfache Wiederholungsmessungen über einen längeren Zeitraum untersucht. Hierzu wurde ein auch zu Validierungszwecken genutzter PVC-Block mit 13 mm Dicke jeweils für 60 s erwärmt und die Oberflächentemperatur des PVC-Blocks mit einer IR-Kamera aufgezeichnet. Bei jeweiligem Neuaufbau ohne Justierhilfe ergab sich eine Reproduzierbarkeit von etwa 22% bei 5 Versuchen. Unter Nutzung einer Justierhilfe (Schablone für Abstand in der Kamerasoftware) ließ sich die Reproduzierbarkeit auf 5% bei 7 Versuchen reduzieren.
Ein weiterer zu klärender Punkt war der erzielbare Wärmeeintrag im Vergleich zu einer Anregung mit Blitzlampen. Hierzu wurde eine Messung mit 60 s Heißluftheizung direkt mit einer Evaluierungsmessung mit Blitzlampen am gleichen PVC-Probekörper mit 4 FBB an der Rückseite verglichen. Die Inhomogenität der Erwärmung wurde durch eine Phasenauswertung unterdrückt. Die Phasenauswertung gestattete den Nachweis aller 4 FBB, wobei das Signal zu Rausch-Verhältnis bei der Heißlufterwärmung deutlich besser war. Der direkte Vergleich der Temperaturkurven zeigt, dass bei 60 s Heizlufterwärmung ca. 4,5 mal mehr Energie als bei der Blitzanregung vom Probekörper absorbiert wurde. Hieraus lässt sich die eingekoppelte Heizleistung mit 100 mW/cm² abschätzen. Das entspricht in etwa dem Niveau, wie es auch mit bewegten Halogenstrahlern, bewegten IR-Strahlern oder der Sonne erreicht wird.
Diese Ergebnisse belegen, dass eventuell vorhandene Vorbehalte gegenüber einer Heißluft als Wärmequelle für die aktive Thermografie zumindest für thermisch langsame Materialien wie Kunststoffe oder mineralische Baustoffe unbegründet sind. Die Einsatzgrenzen bei der Untersuchung thermisch schnellerer Materialien wie Metalle steht noch aus, hier ist mit Abstrichen zu rechnen. Auf der anderen Seite lässt eine mögliche Düsenoptimierung noch deutliche Verbesserungen erwarten.
Die Anwendung von Polymerbeschichtungen im Bauwesen hat über die letzten Dekaden stetig zugenommen. Neben ästhetischen Aspekten sind vor allem die Verbesserung der Dauerhaftigkeit des Bauwerks und damit einhergehend die Verlängerung der Nutzungsdauer ausschlaggebende Gründe für die Wahl einer Beschichtung. Um die jeweiligen Bauteile vor Alterung, Verschleiß und Schädigung effektiv und zielsicher schützen zu können ist die Einhaltung der von den Herstellern vorgegebenen Mindestschichtdicken von essenzieller Bedeutung. Aus diesem Grund ist es notwendig die Schichtdicke der Beschichtung nach erfolgter Applikation zu überprüfen. Für den in diesem Zusammenhang anspruchs-vollen mineralischen Untergrund Beton stehen für die Baustelle bislang allerdings nur zerstörende Prüfverfahren zur Verfügung.
Aufbauend auf den Ergebnissen zur photothermischen Schichtdickenbestimmung von Polymerbeschichtungen im Rah-men des Forschungsprojektes IRKUTSK werden derzeit im WIPANO Projekt PHOBOSS weitreichende Untersuchungen durchgeführt, um diese zerstörungsfreie Untersuchungsmethode auf den Baubereich anzuwenden. Ziel des WIPANO Projektes PHOBOSS ist neben der Verfeinerung und Validierung der Mess-und Auswertungsmethodik die Erstellung eines Normenentwurfes welcher Rahmenbedingungen und Anforderungen für Messung und Messgerät enthalten soll.
Im Rahmen dieser Veröffentlichung werden Einblicke in das zur Schichtdickenbestimmung entwickelte Thermografie-verfahren gegeben. Die Funktionsweise des Verfahrens für die Messung von Oberflächenschutzsystemen wird anhand von Labor- und In Situ-Messungen illustriert und der für die Messungen verwendete Prototyp vorgestellt.
Die Befragung zur Bestimmung relevanter Defekte in Faserverbundwerkstoffen im Rahmen des VITCEA-Projektes wird vorgestellt. Die so erhaltene "Hitparade" der Defekte kann als Ausgangspunkt für einen Fehlerkatalog dienen. Außerdem wird über die Herstellung von Überlastdefekten berichtet, welche sich an bestehende Normen (teilweise aus anderen Bereichen) anlehnt
In diesem Beitrag werden zerstörungsfreie Untersuchungen mittels aktiver Thermografie an Probekörpern aus CFK und GFK mit unterschiedlichen künstlichen Fehlstellen vorgestellt. Dabei wird die zeitliche und örtliche Temperaturverteilung nach der Erwärmung mit Blitzlampen oder mit einem Infrarot-Strahler mit einer Infrarot-Kamera erfasst. Zur späteren Rekonstruktion der Messdaten wurde ein numerisches Modell entwickelt. Dazu war die Bestimmung der thermophysikalischen und optischen Materialeigenschaften erforderlich, was in diesem Beitrag ebenfalls beschrieben wird. Die Ergebnisse der numerischen Modellierung werden mit den experimentellen Untersuchungen der aktiven Thermografie verglichen. Weiterhin werden die experimentellen Untersuchungen hinsichtlich der beiden Materialsysteme CFK und GFK und unter Berücksichtigung der Teiltransparenz des GFK-Materials sowie der unterschiedlichen Anregungsquellen bewertet.
Seit dem Beginn der Anwendung der aktiven Thermografie für die zerstörungsfreie Prüfung werden für die optische Anregung zwei alternative Anregungstechniken eingesetzt: die Puls- oder Blitzthermografie und die Lock-in-Thermografie.
Bei der Puls-Thermografie ist der Anregungspuls wesentlich kürzer als die Zeit, die für die Wärmediffusion in das Bauteil hinein benötigt wird. Die Auswertung der erfassten Abkühlsequenzen wird zurzeit im Wesentlichen mit zwei Verfahren durchgeführt. Für die Auswertung im Zeitbereich werden verschiedene Auswertungsmodi des TSR-Verfahrens (TSR: thermal signal reconstruction) und Verfahren zur möglichst frühzeitigen Detektion des Intensitäts- oder Temperaturkontrastes der Fehlstellen herangezogen. Alternativ kann die Auswertung im Frequenzbereich nach dem Verfahren der Puls-Phasen-Thermografie (PPT) erfolgen. Dabei wird die Abkühlsequenz als Überlagerung vieler Einzelschwingungen betrachtet (Fouriersynthese). Die entsprechenden Phasenkontraste können unter bestimmten Umständen zur Abschätzung der Fehlstellentiefe genutzt werden.
Bei der Lock-in Anregung wird das zu untersuchende Prüfobjekt periodisch mit einer bestimmten Frequenz erwärmt und die Wärmestrahlung von der Oberfläche zeitgleich mit der Infrarotkamera erfasst. Für jede Anregungsfrequenz ist daher eine Einzelmessung erforderlich. Die Auswertung bezieht sich in den meisten Fällen allein auf die Berechnung des Phasen- und Amplitudenbildes bei der Anregungsfrequenz. Diese Berechnung kann bereits während der Messung (on-line) oder erst nach der Erfassung der Thermogrammsequenz (off-line) erfolgen.
Gemäß dem Superpositionsprinzip, das wegen des linearen Charakters der Wärmeleitungsgleichung für alle Lösungen der Differentialgleichung gilt, besteht Äquivalenz zwischen einer monofrequenten Anregung bei Lock-in-Thermografie und einer entsprechenden Komponente gleicher Frequenz bei der Puls-Thermografie. Daher sollten die Puls-Thermografie und die Lock-in-Thermografie in den Phasenbildern für die gleichen Fehlstellen die gleichen Phasenkontraste ergeben. Die experimentelle Bestätigung dieser Äquivalenz für unterschiedliche Fehlstellenarten ist der Schwerpunkt dieses Beitrages. Mögliche Gründe für Abweichungen werden benannt und sind Grundlage für weitere Diskussionen.
Derzeitiger Stand von Wissenschaft und Technik:
Die Inspektion der Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) erfolgt derzeit durch Sichtinspektion von außen und wenn möglich auch von innen. Das die Wartung ausführende Personal muss sich hierfür von der Gondel aus abseilen oder die Inspektion von einer speziellen Plattform aus durchführen. Dazu muss die WEA für die Dauer der Inspektion außer Betrieb gesetzt werden. Kleinere Schäden am Rotorblatt können sofort ausgebessert werden. In Deutschland ist ein zweijähriges Wartungsintervall vorgeschrieben.
Begründung/Zielsetzung der Untersuchung:
Das bisher angewandte Verfahren der individuellen Nahinspektion aller Rotorblätter lässt nicht ohne weiteres auf den Offshore-Bereich übertragen. Allein der notwendige Umstieg von einem Boot auf eine fest stehende Plattform bei geringem Wellengang von 1 m Wellenhöhe veranschaulicht die Schwierigkeiten. Weitere typische Probleme sind eingeschränkte Zugänglichkeit bei Schlechtwetterlagen, lange Anfahrtswege und das schlecht kalkulierbare Risiko der Seekrankheit. Es besteht daher Bedarf an neuen Inspektionsmethoden, bei denen die WEA nicht direkt begangen werden muss. Ein entsprechendes Verfahren könnte auch im onshore-Bereich eingesetzt werden, um Wartungsintervalle zu optimieren und Stillstandszeiten zu minimieren.
Methode:
Thermografische Verfahren sind berührungslos und werden bereits zur Rotorblattinspektion eingesetzt, allerdings nur während der Fertigung und dicht am Rotorblatt. Weiterhin ist bekannt, dass Thermografiekameras auch auf Hubschraubern eingesetzt werden, z.B. zur Personensuche. Im Rahmen des Projektes soll untersucht und evaluiert werden, ob Thermografie auf größere Entfernungen zur Untersuchung von Rotorblättern geeignet ist. Gemäß Projektplan sind vor allem Laboruntersuchungen an geeigneten Probekörpern sowie Außenmessungen an WEA geplant. Damit soll das Potenzial der thermografischen Ferninspektion von Rotorblättern evaluiert werden.
Ergebnis:
1. Die Untersuchungen an Rotorblattausschnitten mit verschiedenartigen Fehlern im Labormaßstab belegten die Eignung der Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode für Rotorblätter.
2. Langzeituntersuchungen an einem Teilbereich eines Rotorblatts in einer Freiluftanordnung zeigten, dass messbare thermische Kontraste an inneren Strukturen oder an inneren Fehlern unter verschiedenartigen Wetterbedingungen entstehen können.
3. Bei Messungen an Rotorblättern im montierten Zustand, d.h. an einer intakten WEA, treten entsprechende thermische Kontraste ebenfalls auf. Allerdings ist die Nachweisbarkeit erschwert durch Reflexionen aus der Umwelt sowie durch Wind, der zu charakteristischen thermischen Streifenmustern auf den Rotorblättern führt. Bei Messungen an ruhenden Rotorblättern dominiert der erste Effekt, während der Wind kaum stört. Bei sich drehenden Rotorblättern ist die Situation umgekehrt, störende Reflexionen können korrigiert werden, aber der Wind beeinflusst die thermischen Kontraste beträchtlich, vor allem in nabenfernen Bereichen der Rotorblätter.
Schlussfolgerung/Anwendungsmöglichkeit:
Eine abschließende Evaluierung der Eignung der Thermografie als Ferninspektionsmethode für WEA-Rotorblätter konnte nicht vorgenommen werden. Ursache hierfür sind sowohl die vielfältigen Störfaktoren bei einer Freiluftmessung als auch das Fehlen einer geeigneten Referenzanlage, an der typische Rotorblattfehler und –defekte während des Betriebs systematisch beobachtet werden können. Die Schlussfolgerung ist daher, dass weitere Forschungsarbeit notwendig ist, um Möglichkeiten und Einsatzgrenzen einer thermografischen Ferninspektion angeben zu können.
Eine thermografische Rotorblattinspektion ist unter günstigen Witterungsbedingungen anwendbar und kann wahrscheinlich innere Defekte aufdecken, auch wenn der direkte Nachweis innerhalb des Projektes nicht geführt werden konnte. Wenn ein Rotorblatt-Thermogramm Auffälligkeiten aufweist, vor allem im Vergleich zu den beiden anderen Rotorblättern der gleichen Anlage, ist eine nähere Untersuchung der entsprechenden Stelle zu empfehlen. Das Auftreten solcher Kontraste, deren räumliche Ausdehnung und Ausprägung hängen jedoch von vielfältigen Faktoren ab und sind gemäß jetzigem Kenntnisstand noch nicht voll verstanden.