DE4116584A1 - Verfahren und vorrichtung zur zerstoerungsfreien feststellung von werkstoffkennwerten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Feststellung von Werkstoffzuständen zuzuordnenden Werkstoffkennwerten von Gegen­ ständen bzw. Komponenten.

Bei technischen Gegenständen, z. B. Kesseln, Druckbehälter, Rohrleitungen, Armaturen und dergleichen, die über längere Zeiträume Beanspruchungen z. B. thermischen oder/und mechanischer Art ausgesetzt sind, verändern sich vielfach die mechanisch-techno­ logischen Kennwerte der Werkstoffe, aus denen die Gegenstände bestehen. Durch die Änderungen der Werkstoffkennwerte kann die zuverlässige Funktion des jeweiligen Gegenstandes beeinträchtigt werden. Die Veränderung bestimmter mechanisch technologischer Kennwerte (z. B. Sprödigkeit) infolge von thermomechanischen Dauerbeanspruchungen wird auch als Zeitstandsschädigung bezeichnet. Das Ausmaß der Zeitstandsschädigung ist maßgebend für die Lebensdauer einer in einer Konstruktion eingesetzten Komponente bzw. eines Gegenstandes.

Bei Komponenten bzw. Gegenständen aus Stahl oder Eisen beruhen Zeitstands­ schädigungen vorwiegend auf folgenden Vorgängen im Werkstoff:

• a) Einformung von Perlit,
• b) Kornwachstum (Verminderung der Lebensdauer entsprechend der Hall-Petch-Be­ ziehung),
• c) Porenbildung,
• d) Porenkoagulation,
• e) Mikro- und Makrorißbildung.

Da es für die zerstörungsfreie Volumenprüfung thermomechanisch beanspruchter Kom­ ponenten derzeit noch keine Möglichkeit gibt, bedient man sich bis heute der ambu­ lanten Metallographie, die in der DIN 54 150 genormt ist. Sie liefert zumindest eine Aussage über das Gefüge und den Schädigungsgrad an der Oberfläche der Komponente.

Hierzu wird ein Abdruckverfahren eingesetzt. Zunächst wird die Oberfläche an der jeweils zu untersuchenden Stelle gereinigt, danach fein geschliffen und anschließend poliert. Sodann wird die polierte Oberfläche rückstandsfrei gereinigt, getrocknet und zur Beurteilung des Gefüges geätzt. Danach wird ein Abdruck von der Oberfläche herge­ stellt. Dieser Abdruck wird im Auflicht- oder Durchlicht-Verfahren makroskopisch und mikroskopisch untersucht und beurteilt.

Das Abdruckverfahren setzt einen hohen Aufwand voraus und beansprucht insbesondere dann viel Zeit, wenn zahlreiche Stellen des jeweiligen Gegenstands geprüft werden müssen.

Der Erfindung liegt im wesentlichen das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Feststellung von Werkstoffzuständen zu entwickeln, mit denen auf einfache Weise ohne die Erzeugung von Abdrücken für die Zeitstands­ schädigung typische Merkmale erfaßt werden können.

Verfahrensmäßig wird das Problem im wesentlichen dadurch gelöst, daß Ultraschall­ wellen im Dauerstrichbetrieb ein ausgewähltes Frequenzband mehrfach durchlaufen, in auswählbare Stellen des jeweils zu überprüfenden Gegenstandes eingeleitet und nach dem Durchlaufen des Gegenstandes empfangen werden und daß die empfangenen Ultraschallwellen mit den gesendeten Ultraschallwellen zur Feststellung von mindestens für einen einem Werkstoffzustand zuzuordnenden Kennwert charakteristischen Abweichungen verglichen werden. Dabei wird vorzugsweise mit einem Dauerstrichsignal ein Frequenzband im unteren Ultraschallbereich von 50 KHz bis 2 MHz durchfahren.

Es hat sich gezeigt, daß eine Kornvergrößerung im Werkstoff einen Einfluß auf die Ultraschallwellen hat. Durch das Kornwachstum werden die Ultraschallwellen weniger stark gedämpft, so daß im Vergleich zum kleineren Korn ein größeres Ultraschallsignal im Empfänger erzeugt wird. Die Porenbildung bewirkt eine Dämpfung, d. h. im Falle der Porenbildung steht ein kleineres Ultraschallsignal am Empfänger zur Verfügung. Eine sehr sorgfältige Oberflächenbearbeitung wie bei der ambulanten Metallographie ist für die Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens nicht notwendig. Mit einer einfachen Messung an Ort und Stelle kann zwischen verschiedenen Schädigungsklassen unterschieden bzw. eine bereits beginnende Schädigung erkannt werden.

Anhand der vorstehend erwähnten Messungen ist deshalb eine Aussage über die Restlebensdauer möglich. Das Verfahren läßt sich einfach und schnell anwenden. Es ist somit nicht nur eine Aussage über die Oberfläche des Prüflings, sondern auch über das gesamte Volumen möglich. Dies ist von besonderer Bedeutung, da die Zeitstands­ schädigung in der Regel über den Querschnitt der Komponente nicht konstant ist. Es können außerdem großflächige Bereiche abgetastet werden.

Besondere Bedeutung kommt daher der Überprüfung des gesamten Volumens der Komponente zu, die mit der klassischen ambulanten Metallographie nicht möglich ist. Eine Überbewertung einer relativ hohen Zeitstandsschädigung in der Randfaser einer Komponente bei sonst unbeschädigtem Querschnitt wird somit ausgeschlossen. Auch eine Schädigung im Querschnitt bei intakter Randfaser wird im Vergleich zur ambulanten Metallographie erkannt.

Es hat sich gezeigt, daß mit Frequenzen innerhalb des Frequenzbands 50 KHz und 2 MHz das Kornwachstum und die Porenbildung erfaßt werden können.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform wird die Amplitudendifferenz zwischen den gesendeten und den empfangenen Ultraschallwellen für die Bestimmung des Kennwertes bzw. der Kennwerte ausgewertet. Es ist aber auch günstig, die Phasendifferenz zwischen den gesendeten und den empfangenen Ultraschallwellen für die Bestimmung des Kennwertes bzw. der Kennwerte und damit des Grads der Schädigung des Werkstoffes auszuwerten.

Für sich allein oder in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Maßnahmen können auch Integralwerte des Amplituden-Frequenz-Spektrums und/oder Korrela­ tionsfunktionen für die Bestimmung des Grades der Schädigung des Werkstoffs ausgenutzt werden.

In Kraftwerken werden Schweißnähte und andere kritische Bereiche mit dem oben beschriebenen Abdruckverfahren überwacht. Eine solche Überwachung ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls auf einfachere und schnellere Weise möglich. Darüber hinaus erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren das Scannen eines auswählbaren Bereichs eines Komponenten zur Feststellung kritischer Stellen oder Zonen mit erhöhtem Schädigungsgrad.

Eine Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens besteht erfindungsgemäß darin, daß ein Ultraschallsendewandler mit einem Oszillator verbunden ist, der von einem Sinusgenerator und einem einstellbaren Sägezahngenerator gespeist wird, wobei ein Ultraschallempfangswandler und der Ausgang des Oszillators mit einer Auswertanordnung verbunden ist.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung entnehmbaren bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Feststellung von Werkstoffzuständen und damit Werkstoffkennwerten von Komponenten oder Gegenständen enthält einen elektrischen Sinuswellengenerator (10), der ausgangsseitig mit einem Oszillator (12) verbunden ist. Ein weiterer Eingang des Oszillators (12) ist mit einem Sägezahngenerator (14) verbunden. Der Oszillator (12) erzeugt eine elektrische Schwingung im Frequenzband zwischen 50 KHz und 2 MHz, also im sogenannten unteren Ultraschallbereich. Mittels des Sägezahngenerators (14), der einstellbar ausgebildet ist, kann ein kleiner Bereich innerhalb dieses Frequenzbands ausgewählt und eingestellt werden. Der Ausgang des Oszillators (12) ist mit dem Eingang eines Ultraschallsendewandlers (16) verbunden, bei dem es sich uni einen Ultraschallkopf herkömmlicher Art handeln kann, der z. B. auf piezoelektrischer oder elektrodynamischer Grundlage arbeitet. Das letztere Verfahren hat den Vorteil, daß kein Ankopplungsmittel zwischen Ultraschallwandler und Prüfling notwendig ist.

Der Ultraschallsendewandler (16) ist auf die Oberfläche eines Gegenstands (18) ausgerichtet, der nur teilweise in der Zeichnung dargestellt ist. Bei dem Gegenstand (18) handelt es sich z. B. um ein Rohr in einer technischen Anlage wie Kraftwerk, Raffinerie. Dieses Rohr ist im Betrieb der Anlage insbesondere höheren Temperaturen und mechanischen Spannungen ausgesetzt, die z. B. durch ein unter Druck stehendes Medium verursacht werden. Durch die über längere Zeiträume andauernde Beanspruchung des Rohres kann eine Zeitstandsschädigung auftreten, die die Lebensdauer reduziert. Die Zeitstandsschädigung kann an mechanisch technologischen Kennwerten des Werkstoffs des Rohres festgestellt werden. Bei diesen Kennwerten handelt es sich um die Poren­ bildung sowie die Porenkoagulation, die Einformung von Perlit, das Kornwachstum und die Mikro- und Makrorißbildung.

Diese Veränderungen des Werkstoffs werden mittels der Einschallung einer Ultraschall­ welle im Dauerstrichbetrieb in dem oben erwähnten Frequenzband des unteren Ultraschallbereichs und mit der Auswertung der mit einem Ultraschallempfangswandler (20) empfangenen Ultraschallwellen festgestellt.

Der Ultraschallempfangswandler (20), der bei der Durchschallung auf die in der Zeichnung dargestellte Art auf der dem Ultraschallsendewandler (16) gegenüber­ liegenden Seite des Gegenstands (18) angeordnet sind, steht mit einem Verstärker (22) in Verbindung, dessen Ausgang an einen Eingang einer Auswertanordnung (24) angeschlossen ist. Ein weiterer Eingang der Auswertanordnung (24) ist dem Ausgang des Oszillators (12) verbunden. An die Auswertanordnung (24), beispielsweise einen Mikrocomputer, sind ein Monitor (26) und ein Speicher (28) angeschlossen.

Mit dem Sägezahngenerator (14) wird ein charakteristischer Bereich für die Ultraschall­ wellen ausgewählt. Nach Mehrfachdurchstimmung wird das empfangene Signal in bezug auf die gesendeten Ultraschallwellen in der Auswertanordnung (24) hinsichtlich Amplitude und Phase ausgewertet. Aus der Amplitudendifferenz und/oder der Phasendifferenz und/oder den Integralwerten des Amplitudenfrequenzspektrums ist ein Rückschluß u. a. auf die Perliteinformung, die Porenbildung und die Porenkoagulation möglich.

Da die Porenbildung die Ultraschallwellen dämpft, während das Kornwachstum zu einer geringeren Dämpfung der Ultraschallwellen führt, werden die beiden Kennwerte in unterschiedlichen Frequenzbändern geprüft, um den gegenläufigen Einfluß zu elemi­ nieren. Es ist auch möglich, Korrelationsfunktionen zur Feststellung von Kennwerten her­ anzuziehen.

Die Einstellung und Kalibrierung des Oszillators (12), des Sägezahngenerators (14) und des Sinusgenerators (10) erfolgt vorzugsweise durch die Auswertanordnung (24).

Die Parametermessung, die Lage der Meßstellen am Gegenstand (18) und die Meßergebnisse werden in den Speicher (28) eingegeben. Bei späteren Messungen stehen diese Daten aus dem Speicher (28) zur Verfügung und liefern im Vergleich mit neuen Meßwerten in kurzer Zeit Informationen über die Veränderungen der Kennwerte des Werkstoffs im Zeitraum zwischen den beiden Messungen.

Die Integralwerte des Amplituden-Frequenz-Ganges zeigen für verschiedene Korngrößen deutliche Unterschiede, aus denen auf die Korngröße rückgeschlossen werden kann. Ebenso sind deutliche Unterschiede der Integralwerte des Amplituden-Frequenz-Ganges in Abhängigkeit von den eingeschlossenen Poren feststellbar. Je größer die Poren­ ausbildung ist, desto geringer sind die Integralwerte des Amplituden-Frequenz-Ganges. Demgegenüber sind die Integralwerte des Amplituden-Frequenz-Ganges bei kleinen Korngrößen geringer als bei großen Korngrößen.

Schließlich ist noch zu erwähnen, daß die Möglichkeit besteht, ein großes Frequenzband zu durchsteuern, um ausgewählte Frequenzfenster des Frequenzbandes zur Auswertung und Diskriminierung verschiedener zum Teil gegenläufiger Einflüsse heranzuziehen und auszuwerten.

Claims (10)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Feststellung von Werkstoffkennwerten von Gegenständen, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschallwellen im Dauerstrichbetrieb, ein ausgewähltes Frequenzband mehrfach durchlaufend, in auswählbare Stellen des jeweils zu prüfenden Gegenstands eingeleitet und nach dem Durchlaufen des Gegenstandes empfangen werden und daß die empfangenen Ultraschallwellen mit den gesendeten Ultraschallwellen zur Feststellung von mindestens für einen Kennwert charak­ teristischen Abweichungen verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Dauerstrichsignal ein Frequenzband im unteren Ultraschallbereich vorzugsweise zwischen 50 KHz und 2 MHz liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudendifferenz zwischen den gesendeten und den empfangenen Ultraschallwellen für die Bestimmung des Kennwertes bzw. der Kennwerte ausgewertet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz zwischen den gesendeten und den empfangenen Ultraschallwellen für die Bestimmung des Kennwertes bzw. der Kennwerte ausgewertet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integralwerte des Amplituden-Frequenz-Ganges zwischen den gesendeten und den empfangenen Ultraschallwellen für die Bestimmung des Kennwertes bzw. der Kennwerte ausgewertet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Korrelationsfunktionen zwischen den gesendeten und den empfangenen Ultraschallwellen für die Bestimmung des Kennwertes bzw. der Kennwerte ausgewertet werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in zeitlichen Abständen ermittelten Kennwerte, die von der jeweils gleichen Stelle des Gegenstandes erhalten wurden, miteinander für die Bestim­ mung des Grads der Abweichung verglichen werden.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte oder nahezu gesamte Volumen des Gegenstandes oder einer Komponente zur Vermeidung einer Überbewertung von Randbereichen bzw. -fasern des Gegenstandes bzw. der Komponenten geprüft wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein großes Frequenzband durchgesteuert wird und zur Auswertung und Diskriminierung verschiedener zum Teil gegenläufiger Einflüsse ausgewählte Frequenzfenster des Frequenzbandes herangezogen werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallsendewandler (16) mit einem Oszillator (12) verbunden ist, der von einem Sinusgenerator (10) und einem einstellbaren Sägezahngenerator (14) gespeist wird, und daß ein Ultraschallempfangswandler (20) und der Ausgang des Oszillators (12) mit einer Auswertanordnung (24) verbunden sind.