Paul Hayes, Inhaber von Sinewave Solutions, verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Unterstützung von zerstörungsfreien Prüfungen in der Kernenergie, Energieerzeugung, Luft- und Raumfahrt sowie weiteren sicherheitskritischen Bereichen. Anhand seiner umfangreichen Praxiserfahrung und seiner Arbeit mit fortschrittlichen Ultraschalltechniken schildert Paul, wie die Phased-Array-Technologie und Hochkanal-Fehlerdetektoren wie das OmniScan™ X4 128:128PR* die Art und Weise, wie komplexe Inspektionen durchgeführt werden, neu gestaltet haben.

_{*Patent Pending}

Frage: Paul, kannst du schildern, wie sich die Ultraschallprüftechnologie im Laufe deiner Karriere entwickelt hat und welche Auswirkungen diese Veränderungen auf die Branchen hatten, in denen du tätig bist?

A: Ich arbeite seit Mitte der 1990er Jahre im Umfeld von Kernkraftwerken und anderen kritischen Industrien. Mein erster Job im Nuklearbereich war 1996 in Nine Mile Point, als wir noch ausschließlich mit konventioneller A-Scan-Ausrüstung arbeiteten. Wenn ich jetzt zurückblicke, ist es erstaunlich, wie viel wir mit so begrenzten Mitteln erreichen konnten und wie viele Dinge wir einfach nicht sehen konnten.

Die Entwicklung von der A-Scan- zur Phased-Array-Technologie und jetzt zu leistungsstarken 128:128-Plattformen wie dem OmniScan™ X4 128:128PR hat unsere Herangehensweise an die anspruchsvollsten Inspektionen in der Kerntechnik, Energieerzeugung, Luft- und Raumfahrt und sogar der additiven Fertigung grundlegend verändert.

Heute würde ich diese Anwendungen ohne eine solche Bildgebungsleistung nicht mehr angehen wollen.

Von der „Kunstform“ zur Bildgebung: IGSCC-Bewältigung mit Phased Array

Eine der ersten großen Herausforderungen in meiner Karriere war IGSCC (interkristalline Spannungsrisskorrosion). Diese Fehler sind bekanntermaßen schwer zu erkennen, insbesondere bei alten A-Scan-Geräten.

Im A-Scan zeigt sich eine IGSCC-Anzeige als ein scharfes, schmales Signal, das zum Verwechseln ähnlich mit der Geometrie aussehen kann. Die Risse befinden sich typischerweise direkt an oder nahe der Schweißwurzel von 304/316-Edelstahl, wo bereits von der Wurzel selbst deutliche Signale ausgehen. Sie hätten also ein starkes Signal von der Wurzel, und der einzige Hinweis auf einen möglichen Riss war eine winzige Verschiebung dieses Signals. Vielleicht hat sich das Echo leicht verschoben, vielleicht hat sich die Form nur minimal verändert.

Wir haben viel verpasst. Alle haben es getan.

Als wir erstmals mit der Phased-Array-Technologie arbeiteten, stellten wir eine signifikante Verbesserung der Fehlererkennung fest. Anstatt auf eine einzelne A-Scan-Kurve zu starren und zu versuchen, einen kleinen Ausschlag zu interpretieren, konnten wir tatsächlich das Schweißvolumen sehen – und zwar als Bild. Diese leichte Verschiebung der Wurzel, die man bei einem A-Scan völlig übersehen könnte, war im Bild plötzlich als „etwas, wo es nicht hingehört“ erkennbar.

Der andere große Faktor war Dynamikbereich. Frühe Phased-Array-Systeme hatten immer noch Einschränkungen, typischerweise bei 100 % oder 200 % Amplitudenbereich, wo die Anzeige bei lauten Schweißwurzeln gesättigt wurde. Man konnte die Signalstärke nicht ausreichend reduzieren, um zu erkennen, was tatsächlich geschah. Mit den heutigen 16-Bit-Systemen und erweiterten Amplitudenbereichen bis zu 800 %, wie sie bei modernen OmniScan-Plattformen verfügbar sind, kann man endlich auch große Signale kontrollieren:

• Reduzieren Sie das laute Geometriesignal auf dem Bildschirm.

• Vermeiden Sie Sättigung

• Öffnen Sie die Ansicht um die Wurzel, um den tatsächlichen Fehler zu erkennen.

Für IGSCC hat diese Kombination aus hohem Dynamikumfang und tatsächlicher Bildgebung eine der schwierigsten Prüfungen im Nuklearbereich in etwas verwandelt, das wiederholbar, nachvollziehbar und deutlich weniger von „Kunst“ und Instinkt abhängig ist.

Schweißverbindungen zwischen ungleichen Metallen und Schweißauftragungen: HIER GLÄNZT 128:128 WIRKLICH

Wenn Sie mich fragen, welche Inspektionen in meiner gesamten Karriere am schwierigsten waren, Schweißverbindungen zwischen unterschiedlichen Metallen (DMWs) und Auftragsschweißungen ganz oben auf der Liste.

Bei einer typischen Schweißverbindung ungleicher Metalle im Nuklearbereich könnte Folgendes vorkommen:

• Edelstahlrohr

• Inconel-182-Butteringschicht

• Inconel-Schweißmetall

• Mehr Buttering

• Dann Kohlenstoffstahl

Jede Grenzfläche kann den Strahl biegen, ihn streuen oder Reflexionen erzeugen, die genau wie Risse aussehen. In der Anfangszeit verwendeten wir automatisierte A-Scan-Systeme bei einigen dieser Schweißnähte. Die Daten wirkten pixelig und verrauscht. Wir wussten zwar, dass „etwas“ da war, aber solange es nicht offensichtlich war, war es fast unmöglich, Vertrauen in das zu haben, was wir sahen.

Ich erinnere mich an einen Fall, bei dem die Daten während einer Abschaltung unsicher wirkten, und wir gingen mit dem Gedanken, dass vielleicht etwas da war, vielleicht aber auch nicht. Bei der nächsten Abschaltung trat an der Schweißnaht Flüssigkeit auf den Boden aus. Uns wurde klar, dass das, was wir für unbedeutend gehalten hatten, in Wirklichkeit ein Riss war.

Solche Erfahrungen sind demütigend.

Hier macht die moderne Phased-Array-Technologie einen großen Unterschied:

• Sie können größere, niederfrequente Sonden fokussieren, um mehrere Grenzflächen und die rauschbehaftete Inconel zu durchdringen.

• Die Möglichkeit, den Schall effizienter in der Tiefe zu fokussieren und die Empfindlichkeit an der Rissspitze zu verbessern, selbst wenn diese unter einem Overlay und mehreren Schichten von Schweißnaht und Auftragsschweißung liegt.

• Sie können mehrere Gruppen gleichzeitig ausführen – auf unterschiedlichen Fokustiefen, mit verschiedenen Winkeln, sogar mit unterschiedlichen Schrägwinkeln – und das alles, ohne erneut scannen zu müssen.

Bei Auftragsschweißungen wird es noch interessanter. Die Lösung für undichte DMWs in vielen Anlagen bestand einfach darin, sie mit einer Overlay-Schicht zu versehen: Eine dicke Inconel-Schweißschicht auf die ursprüngliche Schweißnaht und das Rohr auftragen. Strukturell funktioniert es, aber aus Sicht der Ultraschallprüfung haben Sie die Aufgabe deutlich anspruchsvoller gemacht. Jetzt könnte die Rissspitze 1,5 Zoll oder tiefer liegen, durch stark dämpfendes Material mit komplexen Grenzflächen.

Genau hier kommen die zusätzlichen Kanäle und die großen Aperturen eines Systems wie dem OmniScan X4 128:128PR wirklich zum Tragen:

• Sie können große Aperturen bei niedrigen Frequenzen mit genügend Energie betreiben, um Deckschichten zu durchdringen und trotzdem die Rissspitze zu erkennen.

• Sie können schräge und fokussierte Gruppen einrichten, um Risse zu erkennen, die außerhalb der Achse liegen oder ungewöhnlich orientiert sind.

• Sie können automatisierte Overlay-Prüfungen mit Phased-Array-Technologie statt manuellen Methoden durchführen, worauf immer mehr Anlagen setzen.

Viele Kernkraftwerke ziehen manuelle Inspektionen von Overlays gar nicht mehr in Betracht. Es ist automatisiert und nutzt Phased-Array-Technologie, weil die Bildgebung und die Abdeckung einfach viel besser sind.

Schrägwinkel: Unterscheidung von Geometrie und Rissen in Echtzeit

Eine der unterschätzten Fähigkeiten, die bei Systemen mit mehr Pulsern, wie dem 128:128PR, besonders leistungsstark wird, sind Schrägwinkel.

Bei der Schweißnahtinspektion kämpfen wir mit vielen geometrischen Gegebenheiten, die einen Riss vortäuschen können. Um den Unterschied festzustellen und zwischen echten und unechten Anzeigen zu unterscheiden, haben wir eine Reihe von Regeln, fast wie ein Ablaufdiagramm: Kann man sie zuerst von beiden Seiten der Schweißnaht sehen, dann – liegt sie an einer verdächtigen Stelle, zeigt sie eine Durchgangstiefe und ein „Wandern“, kann man sie mit verschiedenen Winkeln sehen, hält sie einen Schrägwinkel? … Ein festgelegter Schrägwinkel aus einer Matrixanordnung bei +/- einem festen Grad wird zu einem wichtigen Bestätigungswerkzeug. Mehr Elemente in passiver Richtung ermöglichen einen größeren Lenkbereich. Mehr Elemente erfordern auch mehr Kanäle. Diese Schwenkmöglichkeiten auf der passiven Achse können helfen bei:

• Rauschende Wurzeln

• Senkbohrungen (interne Bearbeitung am Innendurchmesser)

• VERSATZ zwischen Rohren

• Stützringe / Stützplatten

Aus der reinen Frontperspektive der Sonde betrachtet, können all diese Merkmale starke, saubere Reflektoren erzeugen – genau dort, wo man nach Rissen sucht, insbesondere am Innendurchmesser. Im Laufe der Jahre wurden viele Rohre herausgeschnitten, weil eine laute Schweißwurzel oder Senkbohrung mit herkömmlichen Methoden wie ein Riss aussah.

Schrägwinkel verändern die Spielregeln.

Beim Einsatz von Schrägwinkeln steuert man den Prüfstrahl nicht nur in die Hauptrichtung, sondern auch seitlich. Mit einer Phased-Array-Einheit mit hoher Impulserzahl können Sie:

• Konstruieren Sie Sonden, die in passiver Richtung breiter sind (mehr Elemente seitlich).

• Halten Sie nach vorne gerichtete Abdeckung aufrecht und halten Sie Schrägabdeckung gleichzeitig aufrecht

• Scannen bei Nullgrad (Vorwärtsrichtung) sowie mit positiven und negativen Schrägwinkeln als separate Gruppen in einem einzigen Scan

Deshalb ist das wichtig:

• Geometrische Merkmale wie Senkbohrungen, Fehlpassungen und Stützringe sind stark von der Ausrichtung abhängig. Beim Scannen mit einem schrägen Winkel prallt der Strahl an diesen Oberflächen ab und liefert kein starkes Signal.

• Risse, hingegen weisen Facetten in viele Richtungen auf. Bei Schrägstellung fängt einer dieser Winkel die Facette auf und erzeugt eine starke, charakteristische Antwort. Ein echter Riss bleibt auch bei Schrägwinkeln definitiv detektierbar

Wenn Sie ein verdächtiges Signal beim Blick nach vorne haben, aber nichts bei Ihren Schrägwinkeln, liegt es wahrscheinlich an der Geometrie.

Wenn Sie eine Reaktion in Vorwärtsrichtung sehen und starke, konsistente Reaktionen in einem oder mehreren Schrägwinkeln feststellen, haben Sie es mit etwas zu tun, das sich wie ein Riss verhält.

Das 128:128-System bietet Ihnen die Kanalanzahl, um diese Skew-Gruppen ohne Kompromisse auszuführen. Sie müssen weder Setups tauschen, Konfigurationen neu laden noch die Schweißnaht erneut scannen. Sie können einen Live-Vergleich in Echtzeit durchführen zwischen:

• Unterschiedliche Winkel

• Unterschiedliche Fokustiefen

• Verschiedene Frequenzen

• Unterschiedliche Schrägrichtungen.

Alles in einem einzigen Durchgang.

Thermische Ermüdung und schräg verlaufende Risse: Zuverlässige Prüfabdeckung

Ein weiteres schwieriges Problem ist thermische Ermüdung. Diese Risse können in ungewöhnlichen Ausrichtungen auftreten, da sie durch eine Kombination aus thermischen Zyklen und mechanischer Belastung verursacht werden. Sie sind typischerweise immer noch oberflächenverbunden am Innendurchmesser, verlaufen aber nicht immer parallel oder senkrecht zum Rohr. Sie können außerhalb der Achse in ungewöhnliche Richtungen verlaufen.

Bei der herkömmlichen Scan mit einem Standard-X-Y-Scanner und nur einer Strahlrichtung kann man leicht direkt über einen thermischen Ermüdungsriss fahren und ihn übersehen. Wenn man zufällig genau den richtigen Punkt trifft, erhält man ein Signal. Wenn nicht, übersieht man es.

Wenn Sie Schrägstellung und mehrere Fokustiefen mit einem System wie dem OmniScan X4 128:128PR einbeziehen, können Sie:

• Erfassen Sie Off-Axis-Lagen effizienter

• Nutzen Sie Schrägwinkel, um das Volumen zu durchsuchen und Risse zu erfassen, die außerhalb der Hauptstrahlrichtung liegen.

• Optimieren Sie Ihre Fokustiefen, um sicherzustellen, dass Sie bei einer bestimmten Wandstärke weder über- noch unterfokussieren.

Es sind nicht nur mehr Daten; es sind zuverlässigere Daten. Nachdem Sie eine Zeit lang mit Schräggruppen und mehreren Fokustiefen gearbeitet haben, beginnen Sie darauf zu vertrauen, dass, wenn etwas vorhanden ist, einer dieser Winkel es erfassen wird.

Luft- und Raumfahrt, Additive Fertigung und rauschbehaftete Materialien

Außerhalb des Nuklearbereichs habe ich nun mit Luft- und Raumfahrtverbundwerkstoffen auf komplexen Kernen, Wabenstrukturen und mit additiver Fertigung gearbeitet. Das gemeinsame Thema? Rauschende, dämpfende und ungewöhnliche Materialien.

Einige dieser Materialien besitzen einen Schaumstoff- oder Wabenkern. Auf den ersten Blick würde man meinen, dass Ultraschall gar nicht durch dieses Material dringen kann. Mit dem richtigen Sondendesign und genügend Energie lassen sich aber brauchbare Daten gewinnen.

Auch hier zahlt es sich aus, mit 128 Kanälen zu arbeiten:

• Sie können breitere Tastköpfe konstruieren und diese trotzdem vollständig ansteuern.

• Sie können niedrigere Frequenzen für die Durchdringung wählen, ohne die Auflösung vollständig aufzugeben.

• Sie können pro Durchgang eine größere Fläche abdecken, was insbesondere in der Luft- und Raumfahrt von entscheidender Bedeutung ist, da Bauteile wie Flügelstrukturen lang sind und die Scandistanzen enorm.

Ich habe Situationen erlebt, in denen ein Flügelholm oder Radiusabschnitt früher mehrere Arbeitsschichten zum Scannen mit kleinen Schrittweiten und konventionellen Setups benötigte. Durch den Einsatz eines breiten Arrays, das von einer leistungsstarken Phased-Array-Einheit angesteuert wird, können wir die Scanzeiten reduzieren von:

• Vier Scan-Durchgänge des Scannens

• Die reine Scanzeit beträgt „fertig vor dem Mittagessen“

Das ist nicht nur eine technische Verbesserung; das ist eine Revolution beim Durchsatz für die Produktion.

Einige dieser Materialien sind noch zu anspruchsvoll und erfordern deutlich mehr Energie. Deshalb habe ich den T-800 entwickelt, der mit dem OmniScan kompatibel ist. Aber das ist ein anderes Thema für ein anderes Mal!

Ausfallzeit, Geschwindigkeit und echte wirtschaftliche Auswirkungen

Im Kernkraftwerk ist Zeit im Stillstand bares Geld, richtig viel Geld. Früh in meiner Karriere konnte uns ein durchschnittlicher Stillstand mit typischen UT-Prüfungen etwa einen Monat vor Ort halten. Mit der Etablierung der Phased-Array-Technologie als Standard dauerten dieselben Arbeitsschritte stattdessen 10 Tage bis 2 Wochen.

Ein großer Teil davon ist die Geschwindigkeit:

• Die Phased-Array-Prüfung kann das Schweißnahtvolumen deutlich schneller abdecken als eine konventionelle A-Scan-Prüfung.

• Automatisierte Phased-Array-Prüfung reduziert den Bedarf an manuellen Nachscans und Neuinterpretationen.

Ich habe erlebt, dass einzelne Schweißabschnitte, die früher 30–40 Minuten in Anspruch nahmen, jetzt in etwa 60 Sekunden gescannt werden. Zunächst befürchteten die Techniker, dass diese Geschwindigkeit sie arbeitslos machen würde. Tatsächlich mangelt es weiterhin nicht an Arbeit, aber die Anlagen beenden ihre Ausfälle schneller und gehen früher wieder ans Netz – mit hochwertigeren Daten und weniger Überraschungen.

Warum mehr Pulser wichtig sind

Letztendlich hat sich ein Prinzip während meiner gesamten Karriere als wahr erwiesen:

Die richtige Sonde löst die Aufgabe, aber man braucht das richtige Instrument, um diese Sonde zu betreiben.

Ein Gerät wie das OmniScan X4 128:128PR bietet Ihnen:

• Die Leistung und Kanäle zum Ansteuern der Sonden, die Sie tatsächlich für die härtesten Materialien benötigen: Edelstahl, Inconel, Auftragsschweißungen, Guss, additive Bauteile.

• Die Flexibilität, mehrere Fokaltiefen, Winkel, Frequenzen und Schwenkgruppen gleichzeitig für einen Live-Vergleich auszuführen.

• Die Abdeckung und Geschwindigkeit, um Scans, die sonst mehrere Schichten dauern würden, in Minuten zu erledigen und Anlagen dabei zu helfen, Stillstandszeiten zu verkürzen, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen.

• Mehr verfügbare Kanäle sind auch ein Multiplikator für die Leistungsfähigkeit der Sonden.

Wenn ich die schwierigsten Inspektionen meiner Laufbahn noch einmal durchführen könnte – IGSCC in alten Edelstahlrohren, Schweißnähte aus unterschiedlichen Werkstoffen, die später undicht wurden, Überzüge mit verborgenen Rissen, rauschende Kerne in der Luft- und Raumfahrt sowie dämpfende additive Bauteile –, würde ich auf jeden Fall jedes Mal die neuesten Phased-Array-Instrumente und ein OmniScan X4 128:128PR mitnehmen.

Moderne Phased-Array-Systeme haben Inspektionen nicht nur erleichtert.
Sie haben sie zuverlässiger, schneller und in vielen Fällen erstmals wirklich möglich gemacht.

— Paul Hayes, Inhaber von Sinewave Solutions