Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (115)
- 7 Bauwerkssicherheit (35)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (31)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (31)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (31)
- 8.5 Röntgenbildgebung (16)
- 5 Werkstofftechnik (13)
- 7.4 Baustofftechnologie (12)
- 9 Komponentensicherheit (12)
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (11)
Für eine ganzheitliche Betrachtung der Sicherheit bei der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) ist es unvermeidlich neben der Technik auch den Prüfer und die Prüforganisation einzubeziehen. Die Prüfung der Unversehrtheit von Endlagerbehältern ist eine eine sicherheitstechnisch wichtige Anwendung. Die Betreiber der geplanten finnischen und schwedischen Endlager, Posiva und SKB, kapseln den radioaktiven Abfall in Kupferkanistern ein und deponieren die Kanister dann in Felsgestein in einer Tiefe von ca. 500m. Die Kanister bestehen aus einem zylinderförmigen Kupfermantel mit einem Deckel und einem Boden, die zusammen die Außenumhüllung ergeben sowie einer Gusseisenmatrix für die Brennstäbe. Alle Komponenten werden auf ihre Dichtheit bzw. strukturelle Unversehrtheit mittels zerstörungsfreier Prüfmethoden geprüft, um sicher zu stellen, dass im Material und in den Schweißnähten keine kritischen Defekte vorhanden sind, die zu Freisetzungen in die Umgebung führen könnten. Vier ZfP Methoden (Ultraschall-, Wirbelstrom- und radiographische Prüfung, und die visuelle Prüfung anhand einer Kamera) werden mechanisiert durchgeführt, die gewonnenen Daten werden von qualifizierten Fachleuten ausgewertet und bieten so die Möglichkeit, dass Fehler entstehen.
Das 'Human Factor'- Untersuchungskonzept besteht aus der Identifizierung potenzieller menschlicher Fehler, deren Ursachen und Präventionsmethoden. Mit Hilfe einer abgewandelten FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) wurden mögliche Risiken identifiziert, die die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten menschlicher Fehler bei
der Datenauswertung erhöhen. Einige dieser Risiken sind beispielsweise
Verantwortungsdiffusion beim 4-Augen-Prinzip, Übervertrauen in die Technik bei der automatischen Identifikation von Defekten sowie der Aufmerksamkeitsverlust bei dynamischer Bildbetrachtung. Deren Wirkung wird derzeit experimentell überprüft, um Ansatzpunkte für Optimierungen zu ermitteln und damit die Gesamtzuverlässigkeit des Systems zu verbessern.
3D Crack analysis in hydrogen charged lean duplex stainless steel with synchrotron refraction CT
(2016)
Hydrogen in metals can cause a degradation of the mechanical properties, the so-called hydrogen embrittlement. In combination with internal stresses, hydrogen assisted cracking (HAC) can occur. This phenomenon is not completely understood yet. To better characterise the cracking behaviour, it is important to gain information about the evolution of the 3D crack network. For this purpose samples of lean duplex stainless steel were loaded with hydrogen by means of electrochemical charging and investigated by means of synchrotron refraction CT and SEM fractography after uniaxial tensile loading. Synchrotron refraction CT is an analyser-based imaging (ABI) technique. It uses a Si (111) single crystal as analyser, which is placed into the beam path between sample and detector. According to Bragg’s law only incident x-rays within a narrow range around the Bragg-angle are diffracted from the analyser into the detector. Hence, the analyser acts as an angular filter for the transmitted beam. This filtering allows to turn the refraction and scattering of x-rays into image contrast. Refraction occurs at all interfaces, where the density of the material changes and is more sensitive to density changes than the attenuation. Therefore, it is possible to detect smaller cracks than with classical x-ray imaging techniques, like CT, with comparable spacial resolution. It also visualises the 3D structure of the cracks and gains quantitative information about their morphology and distribution. Since cracks introduced by HAC are usually very small and have a small opening displacement, synchrotron refraction CT is expected to be well suited for imaging this cracking mechanism and can be a valuable tool to characterise the formation and the evolution of a 3D crack network.
The initial focus of this research was on the development of a general workflow for the documentation and monitoring of historical stained glass windows using structured light scanning. Therefore windows from different churches, time periods and with different corrosion and damage phenomena were scanned before and after conservation measures. To evaluate the execution of the restoration measures the data was compared using 3D inspection software to examine the differences in geometry between the two scans. Various problems had to be solved, for example, how to deal with heavily reflective surfaces and the extreme contrast between light and dark surfaces, as seen in the borders between ‘Schwarzlot’ painting and plain glass. The application of materials for matting the surfaces, such as Cyclododecane spray, was impossible due to the high accuracy of the surface measurement required for 3D inspection. Regarding the contrast differences of the surfaces, the creation of exposure fusions and the use of polarization filters to reduce reflections were tested. In addition to the general problems encountered when recording translucent surfaces, the historical glasses caused additional problems in calculating surface comparisons. For example, the windows have to be moved and turned around several times, both during the conservation process and while scanning, causing deformations of the geometry due to the flexible lead rods allowing a certain degree of movement.
Sowohl die 3D-Formbestimmung als auch die Thermografie sind Verfahren der Qualitätssicherung. Im vorgestellten Projekt wird versucht, die beiden Methoden zusammenzuführen.
Das Prinzip des für die Formbestimmung verwendeten 3D-Scanners beruht auf dem bereits bekannten Verfahren der Streifenlichtprojektion. Die Neuartigkeit des hier verwendeten 3D-Scanners besteht darin, dass nicht im sichtbaren, sondern im infraroten Spektralbereich gearbeitet wird. Dadurch wird es möglich, nicht die Reflexion, sondern die Wärmestrahlung des Prüfobjektes nach Absorption der eingebrachten Strahlung auszuwerten. Dies ermöglicht, auch optisch „nicht-kooperative“ Oberflächen zu erfassen. Die Anregung mit Wärmestrahlung stellt das Bindeglied zum Verfahren der aktiven Thermografie für die Detektion verdeckter Schäden dar. Bei letzterem Verfahren wird der Wärmestau über Defekten beim Eindringen der Wärme in die Tiefe des Materials gemessen. Dabei stellen Defekte eine Störung des 3D-Scan-Verfahrens dar, während umgekehrt unregelmäßig geformte Oberflächen das thermografische Verfahren erschweren, d.h. der Messeffekt eines der Verfahren ist ein Störeffekt für das jeweils andere Verfahren.
Es wird zum einen der Frage nachgegangen, inwieweit das 3D-Scan-Verfahren durch verdeckte thermische Defekte beeinträchtigt wird, und zum anderen die Möglichkeit untersucht, den vorhandenen 3D-Scanner auch für die aktive Thermografie einzusetzen. Es werden CFK-Proben mit künstlich eingebrachten thermischen Defekten untersucht und die Möglichkeiten und Grenzen der vorhandenen Messapparatur für die Defekterkennung aufgezeigt.
Aktuell wird die Ultraschallechotechnik für Holzbauteile genutzt, indem aus der Abschattung eines ansonsten stabilen Rückwandechos auf Auffälligkeiten im Holzbauteil geschlossen wird. Dabei werden Transversalwellen (Mittenfrequenz 50 kHz) mit der Polarisationsrichtung in Faserrichtung (L) angewendet. In einem 2012 abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde nun die direkte Abbildung von Streuern durch anisotrope SAFT-Rekonstruktion entwickelt.
Dazu werden flächig aufgenommene Ultraschallmessdaten mit automatisiert scannenden Druck- und Scherwellenköpfen erzeugt und auf Basis anisotroper Geschwindigkeitsverteilungen rekonstruiert. Benutzt werden die auch häufig für Beton eingesetzten trocken ankoppelnden Punktkontakt-Prüfköpfe. Da damit auch intensive Wellen an der Oberfläche erzeugt werden, entstehen im Material zusätzliche Kopfwellen, die ebenfalls bei der Rekonstruktion berücksichtigt werden.
Da die Wellengeschwindigkeiten in Holz individuell stark schwanken, wird eine interaktive Auswertetechnik zur Ermittlung der Materialkonstanten benutzt. Für die Messungen werden Druckwellen sowie Scherwellen in zwei Polarisationsrichtungen verwendet. Die Messungen erfolgen sowohl mit automatischen Scannersystemen als
auch mit einem linearen Prüfkopf-Array (kommerziell erhältlicher multistatischer Messkopf). Gezeigt werden Ergebnisse an Bauteilen mit künstlichen und realen Fehlstellen. Das Forschungsprojekt wurde gefördert vom Bundesamt für Bau- und Raumordnung (BBR, Zukunft Bau).
With increased usage of highly demanded, modern materials on safety
relevant parts (e.g. railway wheel sets, generator shafts, turbine disks, medical
implants, etc.) comprehensive analyses regarding the quality of the material are
requested. This gives a focus to non-destructive methods using ultrasound immersion
tank testing for classifying the degree of purity. Two autonomous standards,
ASTM E588 and SEP 1927, have been established for the definition, execution and
evaluation for this high resolution ultrasonic measurements on steel products.
The propagation of ultrasonic waves and the resulting sound field are strongly
dependent on the acoustical properties of the inspected material and the geometry
of probes and specimen. The definition of the measurement setup and the evaluation
methods appear to differ significantly in the given standards. ASTM E588 and
SEP 1927 prescribe the requirement for surface roughness and probe selection, are
using threshold based methods for cleanliness detection, but differ in computation
for the degree of purity. This has been the motivation for a comparison between
both standards with the main focus on amplitude depth dependency and overall spatial
resolution taking the influence of different material characteristics, geometry of
the specimen and sound fields into account.
A performance comparison between the use of non-focusing and focusing probes
respective to the threshold based detection will be presented in this contribution. In
addition, the usage of complex reconstruction algorithms (e.g. SAFT, echo tomography)
is compared with the traditional approaches of inclusion detection and
estimation of the degree of purity
One essential step on the way towards accurate quantitative simulation of radiographic testing is an accurate description of the utilized energy spectrum of X-ray photons. For use in general purpose simulation tools, the spectra of X-ray tubes have to be described by a model covering at least the intended range of applications. This range includes transmission tubes as well as direct beam tubes with varying angles of incidence and emission, for a number of typical target materials. In radiographic testing acceleration voltages frequently reach up to 450 kV for direct beam targets and up to 225 kV for transmission targets, with even higher voltages available or being developed. Currently used models are unable to cover the whole range of configurations.
Here a model is presented that employs a unified approach for simulating the photon energy spectra for transmission and direct beam targets composed of arbi-trary homogeneous materials. In order to achieve this, a detailed model of electron transport within the target is employed. The validity of the developed model is shown through comparisons with Monte Carlo simulations as well as measurements for a number of different configurations.
Attenuation of ultrasonic signals in concrete has the potential to carry much information about the microstructure of the material. In this work a series of concrete specimens of varying porosities and pore size distributions were internally imaged with x-ray computed tomography (CT), and then subsequently examined with throughtransmission ultrasound. The CT images were used to quantify both capillary porosity of cement paste as well as internal interfaces that are likely to produce elastic wave scattering. Ultrasound signals were represented as a diffusion process such that absorption and scattering attenuation could be isolated. As implemented, the diffusion model was a poor predictor of capillary porosity, while diffusivity was a reasonable predictor of scattering interfaces. Diffusivity was found to scale extremely well with small scale porosity, which made it a good predictor of compressive strength.
Using the Modular Reliability Model the three different main influencing elements, i.e. intrinsic capability (IC), application parameters (AP) and the human factors (HF), are, in the first instance, investigated separately. The intrinsic capability stands for the pure physical-technological process of the signal detection caused by the waves or the rays from a material defect in the presence of noise (driven by the material and the devices). This intrinsic capability is the upper bound of the possible reliability. Already when measuring this intrinsic capability for thick walled components the original one-parameter POD must be extended to a multiparameter POD, where, in addition to the defect size, a number of additional physical parameters, such as the grain size distribution (or attenuation), defect depth, and angle or surface roughness, must be considered. For real life cycle assessments it is necessary to evaluate the signal response from real defects. The industrial application factors, e.g. coupling conditions, limited accessibility, heat and environmental vibrations, diminish the reliability. The amount of reduction can be determined quantitatively, if the underlying conditions are controlled. In case they are not controlled it is necessary to count for a fluctuation in the reliability in the field anyway. The third group of important influencing factors are the human factors, which do not only cover the individual performance capability of the inspectors but also the design of the working place,the procedure, the teamwork quality, interaction with systems, the organization, and finally, the relationship between the companies involved in the inspection process and to which extend the responsible parties are aware of it. When comparing an “ideal inspection” with a “real inspection” it is worth while to look how the existing practices, rules and standards support reliable testing and where the “delta” is. In the context of vigor, with respect to the industrial end user, it needs to be shown how the level of reliability of NDE, influenced by the different factors, has an impact on acceptance or rejection of safety critical parts.
A round robin test on flash thermography was organized within the scope of a standardization research project. This test gives information on reliability, comparability and efficiency of different testing situations. Data recorded on metal and CFRP test specimens with flat bottom holes (FBH) were analysed by evaluating the detectability and by calculating the signal-to-noise ratio (SNR) of the defect signatures as a function of defect parameters. For the investigation of the influence of material properties on the spatial resolution as well as on penetration depth, test specimens made of steel and copper with crossed notches and a notch ramp were constructed and investigated. Here, the minimum resolvable notch distance and the maximum detectable depth of the ramp were analysed.