Neue Rohrendenprüfung für nahtlose Stahlrohre

Thomas ORTH, Michael KAACK, Gert FISCHER, Willi WEINGARTEN, Salzgitter Mannesmann Forschung, Duisburg

Ashraf KOKA, Stefan NITSCHE, Norbert ARZT, Vallourec & Mannesmann Tubes, Düsseldorf

Kurzfassung. Die Stopfenstrasse bei Vallourec &Mannesmann (V&M), Rath stellt die 100%ige Prüfung des Rohrkörpers durch Prüfung der Rohre in einem Multiprüfblock und einer zusätzlichen Rohrendenprüfanlage sicher. Die Salzgitter Mannesmann Forschung (SZMF) wurde beauftragt die bestehende Endenprüfanlage zu erneuern. Bei der Realisierung wurden zahlreiche innovative Entwicklungen implementiert, die im Rahmen gemeinsamer Forschungsprojekte entstanden sind. Insbesondere wurden erstmalig GMR-Sonden in Verbindung mit einer Wavelet-Filterung eingesetzt.

Anlagenaufbau

1.1 Prüfaufgabe

V&M Deutschland fertigt in der Stopfenstrasse des Werks Rath nahtlose Stahlrohre im Abmessungsbereich 178 mm - 410 mm mit Wanddicken von 5 mm bis 50 mm. Um eine 100%-Prüfung des Rohrkörpers sicherzustellen werden zusätzlich zur Untersuchung des mittleren Bereiches der Rohre in einem Multiprüfblock zunächst beide Rohrenden über eine Länge von 1,20 m geprüft (Bild 1a). Diese Prüfung umfasst eine EMUS Wanddicken- und Dopplungsprüfung, deren Magnetkreis gleichzeitig zur DC-Streuflussprüfung auf Längsfehler genutzt wird (Bild 1b). Abhängig vom Prüfergebnis wird der Endenschnitt festgelegt und im nachfolgenden Aggregat realisiert. Ungeprüfte Enden werden so vermieden. Die Prüfanlage ist voll in den Produktionsfluss integriert.

a) b)

EMUS-Köpfe

Streuflußlineal

Bild 1: a) Rohrenden-Prüfanlage bei V&M in Rath b) Blick auf die Prüfköpfe

DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Poster 33

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In 2007 wurde die Hard- und Software der Prüfanlage unter Beibehaltung des bestehenden Magnetisierungssystems von SZMF komplett erneuert. Dabei bestand die Aufgabe die Ultraschall- und Streuflussprüfung gemeinsam in einer Bedienoberfläche zusammenzu-fassen und die Ergebnisse vorangegangener F&E Projekte zur Verbesserung der Prüf-möglichkeiten umzusetzen.

1.2 Highlights der Realisierung

In dieser Anlage werden erstmalig GMR-Sensoren zur Streuflussprüfung an Stahlrohren eingesetzt. Der Einsatz dieser neuartigen Sensoren gestattet erweiterte Auswertestrategien zur Innen-/Außenfehlertrennung.

Zur Erhöhung des Signal-Rauschabstandes werden moderne Signalprocessing-Techniken angewendet. In der Realisierung werden die einzelnen Streuflusssignale mit schnellen digitalen Signalprozessoren in Echtzeit verarbeitet. Die dazu notwendigen Hardwaremodule sind Eigenentwicklungen, die optimal auf die Prüfanforderungen ange-passt wurden. Eine adaptierte digitale Filterung auch der Ultraschall-Signale ist zurzeit Gegenstand der Entwicklung und wird nach Fertigstellung in die Anlage integriert.

Eine weitere Innovation lag in der Umsetzung einer mannlosen Bedienphilosophie. Dazu wurden Auswahl- und Einstellverfahren zur automatischen Bestimmung der Anlagen-parameter nach den Prüfanforderungen entwickelt. Zur Berücksichtigung der Anlagen- und Prüflosbedingungen wurde die Master-Datensatz-Funktionalität implementiert.

Als zusätzliche Prüffunktion werden die Ergebnisse einer Rohrschlagmessung aufgezeichnet, zusammen mit den Resultaten der Ultraschall- und Streuflussprüfung bewertet und in einer gemeinsamen Bedieneroberfäche visualisiert.

Dieser Beitrag zeigt die ersten Erfahrungen mit dem betrieblichen Einsatz der neuen Technologien und zeigt daraus abgeleitete zukünftige Prüfstrategien auf.

Die Streuflussprüfung

2.1 Das GMR-Sondenlineal

Bei der Realisierung des Sondenlineals wurden erstmalig GMR- Sensoren (Giant Magneto Resistance) eingesetzt. Diese Sensoren zeichnen sich aus durch: • hohes Signal-Rausch-Verhältnis • hohe Empfindlichkeit • Frequenzunabhängigkeit bis etwa 1 MHz • geringe Kosten

Bild 2: konzeptioneller Aufbau in 3 Sensorebenen und das fertige Sondenlineal

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Die Sonden wurden in 3 Ebenen mit je 16 Sensoren in dem Prüfkopf angeordnet (Bild 2). Eine Ebene ist möglichst dicht an der Oberfläche des Rohres und eine weitere Sensorebene in einem Abstand zum Rohr angebracht. In diesen beiden Ebenen ist die Detektionsrichtung tangential zur Rohroberfläche. Eine weitere Sensorebene detektiert die Feldkomponenten in senkrechter Richtung. Durch die Kombination von 3 Sensoren pro Prüfkanal lassen sich neue Auswertekonzepte realisieren.

Die Nichtlinearität der GMR-Sonden bei kleinen Feldern wurde charakterisiert und wird bei der Prüfung durch angepasste Algorithmen kompensiert. Wie üblich werden anschließend auch hier kleine Fluktuationen in den Sensorempfindlichkeiten abgeglichen.

2.2 Innen- Außenfehlertrennung

Zur Trennung von Innen- und Außenfehlern werden zu jedem Zeitpunkt die Signale der 3 Sensoren pro Prüfkanal ausgewertet (Bild 3). Da sich beide Fehlertypen sowohl in ihrem Verhalten der tangentialen Streufelder Hx1 und Hx2 mit zunehmendem Abstand von der Rohroberfläche (Liff-off Gradient), als auch im Verhältnis ihrer tangentialen und senkrechten Feldkomponenten Hx1 und Hy unterscheiden, lässt sich so eine zuverlässige Trennung von Außen- und Innenfehlern mit der realisierten Sensoranordnung erreichen. Hier wird nicht die Wirkbreite der Fehler als Kriterium herangezogen, da dies bei der Trennung von schmalen Innenfehlern und flächenhaften Außenfehlern zu Schwierigkeiten führen kann.

Bild 3: Sensoranordnung und Signalverknüpfung zur weiteren Auswertung.

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Die Anordnung aus den zwei tangentialen Sensorebenen wird außerdem dazu verwendet, den Signaluntergrund zu unterdrücken (Bild 3 unten). Bei dem angewendeten Verfahren des ‚Lift-off Gradienten’ bleibt der Absolutsonden-Charakter erhalten. Gegenüber dem Verfahren der Differenzbildung benachbarter Sonden bleibt man so auch gegen sehr große Fehler empfindlich, deren Größe den Abstand der Sonden übersteigt.

2.3 Wavelet-Filterung

In vorausgehenden Forschungsarbeiten hat sich die Wavelet-Filterung als außerordentlich wirksames Mittel zum Entrauschen und zur Baseline-Unterdrückung erwiesen. Durch die digitale Analyse im Zeit- und Frequenzbereich kann hier eine sehr hohe selektive Filterwirkung erzielt werden. In der Prüfanlage wurden diese speziellen Filter mit Hilfe einer eigens auf die Anforderungen angepassten DSP-Hardware realisiert.

Die Ergebnisse einer Prüfung am Testrohr (219 mm x 10 mm) sind in Bild 4 darge-stellt. Oben sieht man das gefilterte Signal einer 5% Außennut, unten das Signal einer Innennut mit 12,5% Tiefe. In beiden Fällen sind Untergrund und Rauschen fast vollständig unterdrückt, während das Fehlersignal erhalten bleibt.

Die in den Diagrammen rot dargestellten Signale sind das Ergebnis der Klassifizierung nach Außen- und Innenfehler. Eine kleine Amplitude symbolisiert einen Außenfehler, währen eine große Amplitude für Innenfehler steht.

Bild 4: Signale einer 5% Außennut (oben) und einer 12,5% Innennut (unten).

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Die EMUS Wanddickenprüfung

Die Endenprüfanlage der Stopfenstrasse in Rath ist eine kombinierte Anlage. Das Magnetfeld, das zur elektromagnetischen Anregung des Ultraschalls benötigt wird, dient gleichzeitig auch zur Fehlerprüfung mit Streufluss. Bei der Erneuerung der Anlage wurden das Magnetsystem und das mechanische Konzept der EMUS-Schallköpfe übernommen.

Die Versorgungs- und Auswerteelektronik für eine 2-kanalige Wanddicken- und Dopplungsprüfung wurde dagegen von SZMF vollständig ersetzt. Bei diesen Arbeiten wurden umfangreiche Maßnahmen für eine effektive Entstörung getroffen. Um bei dieser kombinierten Anlage die Leistungsfähigkeit sowohl auf der Seite der Streuflussprüfung, als auch auf der Seite der EMUS-Prüfung zu erhöhen, wurde das Design der US-Prüfköpfe, die gleichzeitig die Polstücke der Streuflussprüfung sind, optimiert.

Ein typisches Signal, das bei der Anlage zur EMUS-Wanddicken- und Dopplungsprüfung zur Verfügung steht, ist in Bild 5 dargestellt. Zur weiteren Steigerung der Signalqualität gerade bei sehr dickwandigen Rohren und bei großer Dämpfung, ist auch im EMUS-Zweig eine Wavelet-Filterung der HF-Signale vorgesehen.

Bild 5: Prüfsignal der EMUS-Wanddicken- und Dopplungsprüfung (A-Scan)

Schon jetzt kann die Auswertung und damit eine Wanddickenmessung mit hoher

Auflösung und hoher Reproduzierbarkeit durchgeführt werden. Zur Überprüfung der Reproduzierbarkeit wurden Versuche an einem außen und innen abgedrehten Rohrstück gemacht. Trotz sorgfältiger Bearbeitung war der Testkörper nicht vollständig zylindrisch. Es wurden leichte Schwankungen der Wanddicke gemessen, die aber unterhalb von 0,1 mm blieben.

Die Ergebnisse der Wanddickenmessung mir der Anlage sind in Bild 6 dargestellt. Das Diagramm zeigt die gemessene Wanddicke für ca. 3,5 Umläufe des Rohres, wobei der Bereich auf der Abszisse des Diagramms 0,1 mm ist. Die grüne und die rote Kurve sind jeweils das Maximum und das Minimum der gemessenen Wanddicken in je einem Segment von 1/64tel des Rohrumfangs.

Man sieht, dass die Reproduzierbarkeit von Umlauf zu Umlauf deutlich besser als 0,1 mm ist. Nach Spezifikation war eine Messauflösung von 0,01 mm zu realisieren, was dazu führt, dass in Bild 6 die Digitalisierungssprünge deutlich zu erkennen sind.

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Bild 6: Ergebnis der EMUS-Wanddickenmessung an einem abgedrehten Prüfkörper.

Hard- und Software der Anlage

Die gesamte Hardware der Prüfanlage, insbesondere die speziellen DSP-Boards zur Filterung der Signale sind von SZMF entwickelt worden. Gleiches gilt für die zugehörige Software, die sämtliche Funktionen zur Steuerung, Parametrierung, Aus- und Bewertung der Signale sowie die Visualisierung der Ergebnisse übernimmt.

Sämtliche Parameter der Prüfanlage sind von der Bedienoberfläche her zugänglich und erlauben so eine sehr variable Einstellung der Prüfung. Um die Bedienung aber trotz der Vielzahl von Parametern handhabbar zu machen, wurden zahlreiche Abgleich- und Einstellautomatismen implementiert. Dadurch wird der Bediener entlastet und notwendige Eingriffe auf ein Minimum reduziert. Eine automatische Anlagenparametrierung nach Informationen aus dem Prüfleit-System ist mit Hilfe gemeinsam entwickelter Algorithmen implementiert worden. Einem vollständig mannlosen Betrieb stehen zurzeit lediglich die mechanischen Einstellungen der Anlage und deren Überprüfung entgegen.

Anlagenparameter, die unabhängig vom Prüflos einzustellen sind, werden aus dem Master-Datensatz geladen. Sie werden dort nach Vorgabe oder auf Grund von Abgleich-prozeduren abgelegt. Bild 7 zeigt die Einstellmaske zur Wanddickenmessung. Die Parameter, die aus dem Master-Datensatz gelesen werden, sind gelb unterlegt.

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Bild 7: Screenshot der Einstellmaske zur Wanddickenmessung.

Bild 8: Ergebnis der Fehlerdetektion und Klassifizierung für einen Innentestfehler.

Bild 8 zeigt das Ergebnis der Streuflussprüfung im Falle einer Innennut. Diese Maske dient als Hilfe und Kontrolle der Anlageneinstellung. Eine Überschreitung der Fehlerschwelle ist bei 7 von 16 Sonden gegeben und die Testnut wird richtig als Innenfehler klassifiziert. Auch die Ergebnisse der Sonden-Eigenüberwachung und Messung der Sondentemperatur werden angezeigt.

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Im Prüfmodus werden die Ergebnisse der Wanddicken-, Dopplungs- und Streuflussprüfung als PRG (Proportionalregistrierung) und in einer C-Scan-Darstellung über die Prüflänge visualisiert (Bild 9). Zusätzlich werden die Exzentrizität und der Rohrschlag bestimmt und angezeigt. Die Form der Darstellung und die Auswahl der angezeigten Diagramme sind frei wählbar.

Bild 9: Darstellung der Ergebnisse einer Prüfung an einem Produktionsrohr bei V&M Rath.

Zusammenfassung

Die Rohrendenprüfanlage der Stopfenstrasse bei V&M, Rath wurde von SZMF erneuert. Dabei flossen zahlreiche innovative Technologien ein, die im Rahmen gemeinsamer Forschungsprojekte entwickelt wurden. Insbesondere der erstmalige Einsatz von modernen GMR-Sonden in Verbindung mit einer außerordentlich selektiven Wavelet-Filterung führte zu einer deutlichen Verbesserung der Prüfempfindlichkeit. Die Anlage ist seit März 2007 bei V&M in Betrieb.

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