Die Vorteile der Phased-Array-Technologie

Ultraschalltechnologie wird seit vielen Jahren zur Prüfung von ERW-geschweißten Rohren an verschiedenen Stellen im Herstellungsprozess eingesetzt. ERW-Rohre werden hergestellt, indem ein Stahlband mithilfe von Formwalzen kalt in eine zylindrische Form geformt wird und anschließend ein hochfrequenter elektrischer Strom zwischen den Bandkanten fließt, wodurch die Temperatur des Stahls bis zu seinem Schmelzpunkt erhöht wird. Die Bandkanten werden zusammengedrückt, bis das geschmolzene Metall aus der Verbindung gedrückt wird und eine Schweißnaht bildet. Der Verbund entsteht ohne Füllmaterial. Diese Längsschweißnaht unterscheidet es vom nahtlosen Rohr. Während des Schweißvorgangs wird der Schweißgrat im Innen- und Außendurchmesser entfernt. An diesem Punkt des Prozesses können verschiedene Fehler auftreten, und die Ultraschallprüfung eignet sich gut zur Identifizierung von Prozessproblemen in der Schweißzone.

Im Gegensatz zum herkömmlichen Einzelelement-Ultraschall verwendet die Phased-Array-Technologie ein 3 Zoll breites Array mit 128 kleinen Wandlern, die elektronisch gepulst werden, um mehrere Schallstrahlen zu erzeugen, die einen Bereich von mehreren Zoll abdecken. Dadurch kann der gesamte Schweißbereich ohne mechanische Bewegung abgedeckt werden. Der Einsatz der Phased-Array-Technologie mit einem Wasserspalt zwischen Array und Rohr ermöglicht die Überwachung des Außendurchmessers durch Messung der Änderung im Wasserweg und gleichzeitig die Überwachung des Innendurchmessers durch Messung der Rohrdicke. Die Fähigkeit des Phased Array, die Länge des Arrays elektronisch abzutasten, bringt mehrere Vorteile mit sich:

Echomac® PA TW-Bildschirm zur Erkennung von Fehlern in geschweißten Rohren. Die Daten werden mithilfe von C-Scans und summierten A-Scans für Signale, die den Schwellenwert für Dickenschwankung und Defekterkennung überschreiten, präzise dargestellt. Außerdem wird eine Live-B-Scan-Ansicht angezeigt, die es dem Bediener ermöglicht, das System einfach auf die aktuelle Schweißposition auszurichten. Quelle: Magnetic Analysis Corporation

Beim Schweißvorgang können vielfältige Fehler in der Schweißnaht entstehen. Zu den typischen Mängeln zählen mangelnde Verschmelzung, Porosität, Eindring- und Hakenrisse. Mithilfe von Ultraschall wird die Schweißnaht auf solche Fehler untersucht. Längsfehler werden erkannt, indem Schall in einem für den Fehlertyp optimalen Winkel in die Schweißnaht eingestrahlt wird. Abhängig von der Rohrwandstärke können mehrere Wandler erforderlich sein, die sich auf den Innendurchmesser, den Außendurchmesser und die Wandmitte konzentrieren. Es können auch mehrere Winkel verwendet werden, aber jeder Winkel benötigt einen separaten Wandler, was eine komplexe Mechanik und ständige Eingriffe des Bedieners erfordert. Die Phased-Array-Technologie bietet die Möglichkeit, mehrere Schallstrahlen zu erzeugen, die auf verschiedene Bereiche der Schweißnaht und in verschiedenen Winkeln fokussiert sind. Die Möglichkeit, mehrere Schallstrahlen zu erzeugen, ermöglicht außerdem das Scannen der Schweißnaht und führt zu einer vollständigen Abdeckung.

Der Echomac® PA TW-Testkopf wird im Portalpositionierungssystem (Roboteralternative) gezeigt, um den Kopf zum Testen auf dem geschweißten Rohr zu platzieren. Quelle: Magnetic Analysis Corporation

Die Prüfung unmittelbar nach dem Schweißen stellt die Herausforderung einer sehr heißen Schweißnaht dar, eines Rohrs, das noch nicht perfekt rund ist und Vibrationen aufweist. Dies führt zu Problemen bei der Erzielung genauer Schallmessungen. Ultraschall erfordert ein flüssiges Koppelmedium und bei Verwendung von Wasser kann durch die Hitze der Schweißnaht Dampf entstehen. Die Schallübertragung in das Rohr erfolgt durch einen Prüfkopf mit einer geschlossenen Wasserkammer, die typischerweise Mühlenkühlmittel verwendet. Schall kann sich nicht durch Blasen ausbreiten, da sie die Schallübertragung beeinträchtigen. Um sicherzustellen, dass alle Blasen entfernt werden, muss der Prüfkopf so konstruiert sein, dass er den Dampf entlüftet und eine blasenfreie Kopplungskammer für die Schallübertragung bietet. Das Problem der unrunden Form führt dazu, dass die Wasserkammer nicht perfekt mit dem Rohr abdichten kann, in dem sich die Kopplungsflüssigkeit befindet. Ohne eine gute Abdichtung können sich Lufteinschlüsse in der Kammer bilden, die die Schallübertragung in das Rohr verhindern. Es müssen auch konstruktive Überlegungen angestellt werden, um einen ausreichenden Wasserfluss sicherzustellen. Die für ein Schweißwerk typischen Vibrationen erfordern, dass der Prüfkopf so konstruiert sein muss, dass der Array-Wandler senkrecht zum Rohr bleibt. Dies kann durch eine Reihe von Federn und Buchsen erreicht werden. Dasselbe Prüfsystem kann nach den Formatwalzen und vor der Trennsäge installiert werden. An diesem Punkt ist die Schweißnaht abgekühlt, das Rohr ist rund, aber der Ort der Schweißnaht ist noch nicht festgelegt. Das System muss in der Lage sein, den Prüfkopf an der Schweißstelle zu platzieren und anzupassen, wenn sich die Schweißnaht ändert. Ein wirtschaftlicher Ansatz besteht darin, einen Roboter einzusetzen und dem Bediener die Anpassung der Testkopfposition zu ermöglichen. Da die Phased-Array-Elektronik immer wirtschaftlicher wird, werden die Gesamtkosten der Phased-Array-Elektronik im Vergleich zu Einzelelementen erheblich reduziert. Die Phased-Array-Elektronik und die Wandler sind teurer, aber die Einsparungen bei der Mechanik machen die Gesamtkosten sehr vergleichbar. Der Einsatz von Phased-Array-Geräten zur Inspektion von ERW-Rohren bietet mehrere Vorteile:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Weiterentwicklung der Phased-Array-Technologie eine leistungsstarke Möglichkeit zur Identifizierung fehlerhafter Schweißnähte in Rohren bietet, indem sie dem Bediener einfach zu interpretierende Bilder bietet, mit denen er schnell die Arten von Fehlern bestimmen kann, die im Schweißprozess vorhanden sind. Diese Fähigkeit reduziert den Ausschuss und gewährleistet die Produktqualität für den Endkundeneinsatz in kritischen Anwendungen.

Michael Moist ist globaler Vertriebsleiter PA-UT für Magnetic Analysis Corporation.