Analytische Chemie
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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.
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.
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.
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.
PLR Prüftechnik Linke & Rühe Magdeburg und die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Berlin haben in Zusammenarbeit mit anderen Partnern im Laufe der letzten Jahre verschiedene Wirbelstromsysteme zur Prüfung verlegter Schienen auf rissartige Fehler des Typs Head Checks entwickelt. Die Entwicklung dieser Systeme erfolgte mit dem Ziel, ein Hilfsmittel für die Planung von Schieneninstandhaltungsmaßnahmen zu schaffen. Die Systeme haben sich im praktischen Prüfeinsatz bewährt. Hierzu wurde regelmäßig auf den vorhergehenden Tagungen berichtet. Bei der Schieneninstandhaltung kommen unterschiedliche Typen von Schienenbearbeitungsmaschinen zum Einsatz, z. B. Schienenfräs- und Schleifzüge. Seit einiger Zeit wird von Seiten der Schienennetzbetreiber vermehrt ein Qualitätsnachweis nach erfolgter Schienenbearbeitung gefordert. Hierzu wurde ein Wirbelstromprüfsystem entwickelt, dass speziell an die Erfordernisse der Qualitätsüberwachung in Schienenbearbeitungsmaschinen angepasst ist. Das Prüfsystem wird vorgestellt und über erste Erfahrungen aus dem praktischen Einsatz wird berichtet.
Ausgehend von einer Machbarkeitsstudie im Jahr 1999 wurde von der BAM in Zusammenarbeit mit der DB AG und verschiedenen anderen Partnern ein Schienenprüfsystem zur Detektion und Bewertung von Schienenfehlern des Typs Head Checks entwickelt. Dieses Prüfsystem arbeitet nach dem Wirbelstromprinzip. Die Firma Prüftechnik Linke & Rühe GmbH aus Magdeburg fertigt und vertreibt seit geraumer Zeit verschiedene manuelle und zuggestützte Prüfsysteme, die auf dieser Entwicklung basieren. Seit Januar 2013 wird in Deutschland der Qualitätsnachweis nach der Schienenbearbeitung mittels Wirbelstromprüfung gefordert.
Im Laufe der Entwicklungsarbeiten wurden verschiedentlich benachbarte Themenfelder rund um die Prüfung auf Head Checks gestreift. Der Schwerpunkt dieses Vortrages liegt auf diesen erweiterten Möglichkeiten der magnetinduktiven Prüfung von verlegten Schienen. Hierbei wird sowohl auf die Verbesserung der Möglichkeiten des bestehenden Systems (z. B. durch Kopplung mit anderen Prüfverfahren) als auch auf mögliche Neuentwicklungen (z. B. durch Einsatz neuer Sensorik) eingegangen. Angestrebte Ziele sind z. B. die Verbesserung der Prüfaussage bei der Head Check Prüfung, Erweiterung der Prüfaussage auf andere Schienenfehlertypen oder die Bestimmung von Schieneneigenschaften wie Härte und Rauigkeit.
Composite-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Composite und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner). Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens solcher Composite-Druckgefäße wird in der BAM das interdisziplinäre Themenfeldprojekt COD-AGE durchgeführt. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung und Bestimmung des Alterungsverhaltens von Carbonfaser-Compositen (CFK) am Beispiel von Druckgefäßen, um eine bessere Vorhersage der Alterung und der sicheren Gebrauchsdauer zu ermöglichen.
Ein Schwerpunkt in diesem Projekt ist die Bereitstellung geeigneter ZfP-Methoden. Dabei geht es sowohl um versuchsbegleitende Prüfungen, als auch um die mögliche Entwicklung von Prüfeinrichtungen für den späteren praktischen Gebrauch. In diesem Vortrag werden Prüfsysteme und Prüfergebnisse der „konventionellen“ Wirbelstromprüfung vorgestellt. In einem ersten Schritt wurden Versuche an bereits geschädigten Druckgefäßen durchgeführt. Dabei wurden Druckgefäße mit den Materialpaarungen Stahl-CFK, Aluminium-CFK und Kunststoff-CFK untersucht. Die Dicken der CFK-Schichten reichten hierbei von ca. 4 mm bis ca. 8 mm. Anfangs wurden die Gefäße mit verschiedenen Sensoren von außen geprüft. Es konnten sowohl Beschädigungen des metallischen Liners, als auch Strukturen des CFK-Geflechts nachgewiesen werden. In einem zweiten Schritt wurden die Gefäße von innen geprüft. Hierbei bestand die besondere Herausforderung in der Prüfung eines Zylinders von 150 mm Durchmesser durch einen Zugang von nur 15 mm Durchmesser.
Mit den bei diesen Vorversuchen optimierten Prüfsystemen wurden dann begleitende Prüfungen bei Alterungsversuchen durchgeführt. In den Alterungsversuchen wurden Druckbehälter mit einem ca. 4 mm dicken Aluminiumliner und ca. 3,5 mm dicker CFK-Ummantelung untersucht. Typisches Einsatzgebiet solcher Flaschen sind Atemschutzgeräte bei der Feuerwehr. Die verschiedenen Prüfsysteme und die mit ihnen erzielten Ergebnisse werden vorgestellt.
In vielen Bereichen der Technik haben Konstruktionen unter Einsatz von CFK-Bauteilen und Komponenten die klassischen Metalle abgelöst. Die zerstörungsfreie Prüfung solcher CFK-Bauteile gewinnt somit zunehmend an Bedeutung. Ein mögliches Prüfverfahren ist dabei die Wirbelstromprüfung. Aufgrund der relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit von CFK-Komponenten kommt hierbei häufig die sogenannte HF-Wirbelstromprüfung zum Einsatz.
In verschiedenen Untersuchungen der BAM konnten jedoch auch mit Wirbelstromprüfsystemen in niedrigen Frequenzbereichen gute Ergebnisse erzielt werden. Um die Möglichkeiten und Grenzen dieser konventionellen Wirbelstromprüfung auszuloten, wurden Messungen an Versuchskörpern durchgeführt, welche bereits bei der Validierung der Blitz- und Lock-in-Thermografie für neue Verfahrensnormen erfolgreich eingesetzt wurden. Ein Typ dieser Versuchskörper sind Flachproben aus CFK von 6 mm Dicke. In diesen wurden Flachbodenbohrungen mit Durchmessern zwischen 4 mm und 24 mm eingebracht. Die Restwandstärken liegen zwischen 0,06 mm und 3,66 mm. Ein weiterer CFK-Versuchskörper hat die Geometrie eines Stufenkeiles. Bei verschiedenen Stufenkeilen sind Wanddicken zwischen 1,4 mm und 5,4 mm realisiert worden. In diesen wurden künstliche quadratische Delaminationen mit Kantenlängen zwischen 2 mm und 20 mm eingebracht. Die Ergebnisse der Wirbelstromprüfung werden denen der aktiven Thermografie gegenübergestellt.
Zur Nachbildung von Kompositwerkstoffen wurden die flachen Versuchskörper mit geeigneten Versuchskörpern aus Aluminium und Stahl kombiniert. Die Wirbelstromprüfungen wurden mit einem handelsüblichen Prüfgerät im Frequenzbereich zwischen 500 Hz und 3 MHz und entsprechend angepassten Sensoren durchgeführt.
Composite-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Composite und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner). Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens solcher Composite-Druckgefäße wird in der BAM das interdisziplinäre Themenfeldprojekt COD-AGE durchgeführt. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung und Bestimmung des Alterungsverhaltens von Carbonfaser-Compositen (CFK) am Beispiel von Druckgefäßen, um eine bessere Vorhersage der Alterung und der sicheren Gebrauchsdauer zu ermöglichen.
Ein Schwerpunkt in diesem Projekt ist die Bereitstellung geeigneter ZfP-Methoden. Dabei geht es sowohl um versuchsbegleitende Prüfungen, als auch um die mögliche Entwicklung von Prüfeinrichtungen für den späteren praktischen Gebrauch. In diesem Vortrag werden Prüfsysteme und Prüfergebnisse der „konventionellen“ Wirbelstromprüfung vorgestellt. In einem ersten Schritt wurden Versuche an bereits geschädigten Druckgefäßen durchgeführt. Dabei wurden Druckgefäße mit den Materialpaarungen Stahl-CFK, Aluminium-CFK und Kunststoff-CFK untersucht. Die Dicken der CFK-Schichten reichten hierbei von ca. 4 mm bis ca. 8 mm. Anfangs wurden die Gefäße mit verschiedenen Sensoren von außen geprüft. Es konnten sowohl Beschädigungen des metallischen Liners, als auch Strukturen des CFK-Geflechts nachgewiesen werden. In einem zweiten Schritt wurden die Gefäße von innen geprüft. Hierbei bestand die besondere Herausforderung in der Prüfung eines Zylinders von 150 mm Durchmesser durch einen Zugang von nur 15 mm Durchmesser.
Mit den bei diesen Vorversuchen optimierten Prüfsystemen wurden dann begleitende Prüfungen bei Alterungsversuchen durchgeführt. In den Alterungsversuchen wurden Druckbehälter mit einem ca. 4 mm dicken Aluminiumliner und ca. 3,5 mm dicker CFK-Ummantelung untersucht. Typisches Einsatzgebiet solcher Flaschen sind Atemschutzgeräte bei der Feuerwehr. Die verschiedenen Prüfsysteme und die mit ihnen erzielten Ergebnisse werden vorgestellt.
In verlegten Eisenbahnschienen entstehen durch Rollkontaktermüdung rissartige Oberflächenschädigungen. Der geschädigte Bereich wird im Rahmen der Schieneninstandhaltung regelmäßig abgetragen, um zu verhindern, dass durch unkontrolliertes Risswachstum schwerwiegende Schienenschäden entstehen. Hierzu werden u. A. Schienenschleifzüge eingesetzt.
Früher wurde das Schleifergebnis einer Sichtprüfung unterzogen. Es kommt jedoch vor, dass Risse in der Oberfläche beim Schleifen zugeschmiert oder durch Schleifriefen maskiert werden, so dass diese nicht mehr sichtbar obwohl noch vorhanden sind.
An der BAM wurde ein Wirbelstromprüfsystem entwickelt, das sowohl zur Planung als auch der Qualitätskontrolle der Schieneninstandhaltung genutzt wird. Dieses System ist in der Lage, Schädigungen zu detektieren und deren Schädigungstiefe zu bestimmen, selbst dann, wenn optisch keine Schädigung zu erkennen ist.
Seit 2013 ist die Qualitätskontrolle mit Wirbelstromprüfsystemen bei der Schienenbearbeitung fest im Regelwerk der DB verankert.