Wanddickenmessung bei Dampfkesselrohren mit EMAT-Messköpfen

In diesem Anwendungsbeispiel wird erläutert, wie die Wanddicke von Dampfkesselrohren mithilfe elektromagnetischer akustischer Messköpfe (EMATs) gemessen wird. In diesem Anwendungsbeispiel erfahren Sie alles über EMATs, einschließlich der Vorteile und Einschränkungen, der Funktionsweise und der Durchführung von Messungen mit Ultraschallmessgeräten und Prüfgeräten.

Bedeutung von EMATs zur Messung der Wanddicke von Dampfkesselrohren

Die sehr hohen Temperaturen in Dampfkesseln (über 800 °C) können zur Bildung eines besonders harten und spröden Eisenoxids, Magnetit genannt, an der Innen- und Außenseite von Stahlkesselrohren führen. Eine Oxidschicht an der Außenoberfläche von Rohren kann aus zwei Gründen zu Störungen bei der Wanddickenmessung mit üblichen Sender-Empfänger-Messköpfen führen, da die raue Oberflächenschicht ein vollständiges Ankoppeln verhindert und die Oxiddicke zur Stahldicke addiert wird.

Wie schon der Name andeutet, ist Magnetit magnetisch. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz von magnetostriktiven elektromagnetischen akustischen Messköpfen (EMATs), wie dem E110-SB. EMAT bieten verschiedene Vorteile gegenüber piezoelektrischen Sender-Empfänger-Prüfköpfen: Oxidschichten müssen nicht mehr entfernt werden, die Schichtdicke wird nicht mehr zur Wanddicke addiert und Messungen können schnell und ohne flüssiges Koppelmittel durchgeführt werden.

Die Haupteinschränkung von magnetostriktiven EMAT ist, dass sie nur funktionieren, wenn Zunder auf der Außenoberfläche des Kesselrohrs haftet. Außerdem ist die messbare kleinste Wanddicke und Messgenauigkeit nicht annähernd so gut wie mit Sender-Empfänger-Messköpfen und EMAT reagieren zudem relativ unempfindlich auf kleine Löcher. Aus diesen Gründen werden EMATs häufig für schnelle Wanddickenuntersuchungen zu Beginn eingesetzt, mögliche Fehlerstellen können dann anschließend mit Sender-Empfänger-Messköpfen genauer untersucht werden.

Theorie der Funktionsweise

Es werden zwei Arten von EMATs für die zerstörungsfreie Prüfung eingesetzt. EMATs, die die Lorentzkraft nutzen, erfordern keinen Zunder, aber sie benötigen eine sehr hohe Eingangsleistung. Magnetostriktive EMATs, wie z. B. E110-SB, erfordern einen Maßstab. Diese EMATs arbeiten jedoch mit sehr viel niedrigeren Leistungspegeln, was für tragbare Ultraschallmessgeräte und Prüfgeräte typisch ist.

Ein magnetostruktiver EMAT besteht aus einem starken Permanentmagneten und einer Spule, die sich wie ein Elektromagnet verhält, wenn sie durch einen Sendeimpuls vom Prüfgerät angeregt wird (siehe Abbildung 1). Der Permanentmagnet erzeugt ein magnetisches Feld lotrecht zur Zunderoberfläche (Bs in folgender Abbildung), wohingegen der Elektromagnet ein dynamisches Feld (Bd) erzeugt, das den Zunder aufgrund der von der Spule gesendeten Impulse radial nach außen und innen zieht (siehe Abbildung 2).

Durch diese Bewegung wird eine senkrecht einfallende Transversalwelle im Zunder erzeugt, die sich dann im Stahl ausbreitet. Im Grunde verhält sich der Zunder wie ein aktives Prüfkopfelement zur Erzeugung von Schallimpulsen. Die Frequenz der Schallimpulse ändert sich mit der Dicke der Oxidschicht. Bei einer dünnen Oxidschicht ist sie höher, bei einer dickeren Oxidschicht nimmt sie ab. Üblicherweise beträgt die Frequenz bei dünnen Zunderschichten ungefähr 5 MHz. Dieser Prozess kann auch umgekehrt werden, um eine Spannung in der Spule zu erzeugen, wenn das Echo der Transversalwelle im Zunder vibriert.

Abbildung 1: Querschnitt eines typischen EMAT.

Abbildung 2: Methode einer Schallwellenerzeugung.

Da der Zunder selbst das Messkopfelement bildet, wird die Ankopplung durch die Rauheit des Zunders nicht erschwert und bei der Dickenmessung bleibt die Zunderschicht unberücksichtigt. Der EMAT erzeugt eine Transversalwelle. Demzufolge muss das Gerät auf die Schallgeschwindigkeit der Transversalwelle von ca. 3,240 m/s für herkömmlichen Kohlenstoffstahl kalibriert werden. Die typische Messgenauigkeit mit dem E110-SB EMAT beträgt ± 0,25 mm mit einer messbaren Mindestdicke von 2 mm, je nach Materialeigenschaften.

EMAT - Aufbau und Messverfahren zur Messung der Wanddicke in Dampfkesselrohren

Die Qualität von Ultraschallechos in EMAT-Anwendungen ist abhängig vom Prüfteil und von der Konsistenz der Oxidschicht, die sich auf einem bestimmten Kesselrohr von Stelle zu Stelle ändern kann. Werden an einer Stelle keine Echos erhalten, messen Sie die Stelle daneben. Der E110-SB Messkopf verfügt über einen einstellbaren Abstand für die Strecke zwischen Ankoppelfläche und Oberfläche des Kesselrohrs. In vielen Fällen hilft der einstellbare Abstand, das Echo zu optimieren.

Je nach Gerät gibt es zwei Möglichkeiten, den EMAT einzurichten:

1. Ultraschalldickenmessgerät

Der E110-SB Messkopf wird mit dem 39DL PLUS Dickenmessgerät in Verbindung mit einem 1/2XA/E110 Adapter verwendet, der zur Messkopferkennung dient und einen zusätzlichen Hochpassfilter bereitstellt, wodurch eine klares Signal erreicht wird. Wenn der Adapter eingesteckt ist, wählt das Messgerät automatisch die EMAT-Standardeinstellung DEFM1-EMAT/E110.

Um die Genauigkeit zu optimieren, sollte, wie bei jedem Dickenmessgerät, eine Zweipunktjustierung/Nullpunktjustierung der Schallgeschwindigkeit mit einem dicken und einem dünnen Referenz-Standard mit bekannter Dicke durchgeführt werden. Falls ein solcher Standard nicht verfügbar ist, sind die Standardeinstellungen als Ausgangspunkt meistens ausreichend.

Geräteverstärkung und Echounterdrückung können bei Bedarf eingestellt werden, um die Echoerkennung zu optimieren. Mit der EMAT-Standardkonfiguration zeigt das Dickenmessgerät 39DL PLUS eine gleichgerichtete Vollwellendarstellung. Abbildung 3 zeigt eine typische Wellenformanzeige.

Abbildung 3: Typische gleichgerichtete Wellenform mit EMAT. Um eine detaillierte Darstellung der Wellenform zu erhalten, wählen Sie die Menüoption HF-Anzeige. Dies kann unter schwierigen Messbedingung nützlich sein. Abbildung 4 zeigt eine typische HF-Wellenform aus einer EMAT-Messung.

Abbildung 4: Typische HF-Wellenform mit EMAT.

2. Ultraschallprüfgerät

Abbildung 5 zeigt eine typische EMAT-Startkonfiguration und Wellenform für ein Prüfgerät der EPOCH Serie, wie z. B. das EPOCH 6LT oder EPOCH 650 Gerät. Beachten Sie, dass Bandpassfilter immer zum Filtern des niederfrequenten Rauschens der EMAT verwendet werden müssen. Da sich die Frequenz der Transversalwelle mit der Dicke der Oxidschicht ändert, sollte die Frequenz des Rechteckimpulses des EPOCH Prüfgeräts bei Bedarf angepasst werden, um so das Echo zu optimieren.

Abbildung 5: Allgemeine Parameter: Schallgeschwindigkeit, 0,1280 Zoll/µs; Null: 0,650 µs; Energie: 400 V; Dämpfung: 50 Ω; Impulsfrequenz: 5,0 MHz; Filter: 1,5 MHz – 8,5 MHz.