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Ultraschallprüfung bei hohen Temperaturen


Grundlagen: Wenn auch meistens bei normaler Umgebungstemperatur geprüft oder gemessen wird, gibt es doch viele Situationen, in denen ein heißes Material geprüft werden muss. Dies geschieht am häufigsten in der Prozessindustrie, wo heiße Metallrohre oder -kessel geprüft werden müssen, ohne die Produktion zum Kühlen abstellen zu können, aber auch bei der Fertigung, wenn heiße Werkstoffe, wie extrudierte Kunststoffrohre oder heißgeformter Kunststoff sofort nach der Herstellung geprüft werden, oder beim Prüfen von Metallbarren oder Gussteilen, bevor sie ganz abgekühlt sind. Herkömmliche Ultraschallprüfköpfe können bei Temperaturen bis ca. 50° C prüfen. Bei höheren Temperaturen können sie aufgrund von innerer Ablösung durch Wärmeausdehnung dauerhaft geschädigt werden. Soll Material geprüft werden, das heißer als ca. 50° C ist, sollten Prüfköpfe für hohe Temperaturen und spezielle Prüfverfahren eingesetzt werden.

Diese Anwendungsnotiz enthält als schnelle Referenz Informationen über die Auswahl von sehr hitzebeständigen Prüfköpfen und Koppelmitteln und über wichtige Faktoren bei deren Einsatz. Sie behandelt das Prüfen mit konventionellem Ultraschall von Werkstoffen bei Temperaturen bis ca. 500° C. In Forschungsbereichen, in denen höhere Temperaturen notwendig sind, werden hoch spezialisierte Wellenleitertechniken eingesetzt. Diese Anwendungsbereiche werden in dieser Notiz nicht behandelt.

1. Prüf- und Messköpfe
Die Prüf- und Messköpfe für hohe Temperaturen von Olympus können in zwei Gruppen unterteilt werden, Sender-Empfänger-Köpfe und Vorlaufstreckenköpfe. In beiden Fällen dient das Material des Vorlaufs (welcher bei SE-Prüfköpfen integriert ist) als Wärmeisolation zwischen dem aktiven Schwingerelement und der heißen Prüffläche. Aus Konzeptionsgründen gibt es keine Kontakt- oder Tauchtechnikköpfe für hohe Temperaturen im Standard-Produktangebot. Hitzebeständige SE-Köpfe und Vorlaufstreckenköpfe gibt es für die Dickenmessung und zur Fehlerprüfung. Wie bei jeder Ultraschallprüfung wird der beste Prüfkopf für eine gegebene Anwendung von spezifischen Testanforderungen bestimmt, wie Werkstoff, Dickenbereich und Temperatur, und bei der Fehlerprüfung auch durch Art und Größe der erwarteten Fehler.

(a) Messen der Dicke
Die häufigste Anwendung für Dickenmessung bei hohen Temperaturen ist Korrosionsüberwachung, d. h. das Messen der restlichen Metallwanddicke von heißen Rohren und Kesseln mit Dickenmesser wie den Modellen der Serie 38DL PLUS und 45MG. Die meisten Messköpfe für Korrosionsmessgeräte von Olympus sind hitzebeständig. Die gängigen Messköpfe der Serie D790 können auf Flächen bis 500° C eingesetzt werden. Eine komplette Liste der verfügbaren Sender-Empfänger-Messköpfe für die Korrosionsmessung findet man hier: SE-Messköpfe zur Korrosionsmessung.

Für die Präzisionsdickenmessung mit den Geräten der Reihe 38DL PLUS oder dem Modell 45MG mit Software für Einzelschwinger, kann in Anwendungen wie dem Messen von heißem Kunststoff jeder der Standard Microscan Messköpfe mit Vorlaufstrecke der Serie M200 (wie z. B. die Standard-Messköpfe des Geräts M202, M206, M207 und M208) mit einer hitzebeständigen Vorlaufstrecke ausgerüstet werden. Die Vorlaufstrecken DLHT-1, -2 und -3 sind für Oberflächentemperaturen bis 260° C geeignet. Die Vorlaufstrecken DLHT-101, -201 und -301 sind für Oberflächentemperaturen bis 175° C geeignet. Diese Vorlaufstrecken werden in der Tabelle der Vorlaufstreckenoptionen aufgelistet.

Für schwierige Anwendungen, in denen für bessere Durchdringung niederfrequente Messköpfe notwendig sind, können Videoscan Messköpfe mit austauschbarer Kontaktfläche mit entsprechender hitzebeständiger Vorlaufstrecke auch mit den Dickenmessern 38DL PLUS und 45MG eingesetzt werden, vorausgesetzt diese sind mit der Option HP (hohe Durchdringung) ausgerüstet. Die Messköpfe müssen dann anwendungsspezifisch konfiguriert werden. Die Standard-Vorlaufstrecken für diese Gruppe Messköpfe kann in Kontakt mit Flächen bis 480° C eingesetzt werden. Eine komplette Liste von Messköpfen und Vorlaufstrecken finden Sie hier: Messköpfe mit austauschbarer Kontaktfläche.

(b) Fehlerprüfung
Wie bei der Dickenmessung bei hohen Temperaturen werden auch zur Fehlerprüfung bei hohen Temperaturen üblicherweise Sender-Empfänger- oder Vorlaufstreckenprüfköpfe eingesetzt. Alle Standard Sender-Empfänger-Prüfköpfe von Olympus sind hitzebeständig. Fingertip- und Flush-Case-SE-Prüfköpfe sowie SE-Prüfköpfe mit erweitertem Bereich, deren Frequenz bei 5 MHz oder darunter liegt, können bis ca. 425° C und SE-Prüfköpfe mit höheren Frequenzen (7,5 MHz und 10 MHz) können bis ca. 175° C eingesetzt werden. Eine komplette Liste der Prüfköpfe dieser Kategorie finden Sie hier: SE-Prüfköpfe zur Fehlerprüfung.

Alle Videoscan Prüfköpfe mit austauschbarer Kontaktfläche können mit der passenden hitzebeständigen Vorlaufstrecke zur Fehlerprüfung dienen. Die für diese Gruppe von Prüfköpfen verfügbaren Vorlaufstrecken können in Kontakt mit Flächen bis 480° C eingesetzt werden. Eine komplette Liste von Prüfköpfen und Vorlaufstrecken für verschiedene Maximaltemperaturen finden Sie hier: Messköpfe mit austauschbarer Kontaktfläche.

Für die Prüfung von dünnen Werkstoffen eignen sich am besten die Vorlaufstreckenprüfköpfe der Serie V200 (vor allem V202, V206, V207 und V208), die alle mit hochhitzebeständigen Vorlaufstrecken ausgerüstet werden können. Die Vorlaufstrecken DLHT-1, -2 und -3 sind für Oberflächentemperaturen bis 260° C geeignet. Die Vorlaufstrecken DLHT-101, -201 und -301 sind für Oberflächentemperaturen bis 175° C geeignet. Diese Prüfköpfe und Vorlaufstrecken werden in der Liste der Vorlaufstreckenprüfköpfe aufgeführt.

Wir führen auch hitzebeständige Vorlaufkeile für den Einsatz mit Winkelprüfköpfen, und zwar die Serie ABWHT bis 260° C und die Serie ABWVHT bis 480° C. Detaillierte Informationen über die verfügbaren Größen erhalten Sie von der Vertriebsabteilung.

2. Koppelmittel
Die meisten gängigen Koppelmittel für Ultraschallprüfungen, wie Propylenglykol, Glyzerin und Gels, verdampfen schnell bei Kontakt mit Oberflächen von über ca. 100° C. Deswegen erfordert die Ultraschallprüfung bei hoher Temperatur spezielle Koppelmittel, die flüssig oder pastenförmig bleiben, ohne zu verkochen, zu verbrennen oder giftige Gase zu produzieren. Es ist wichtig den spezifischen Temperaturbereich des Koppelmittels zu kennen, und es nur in diesem Bereich einzusetzen. Der Einsatz von Koppelmitteln außerhalb ihres jeweiligen Temperaturbereichs kann die akustische Leistung verschlechtern oder sogar die Sicherheit gefährden.

Bei sehr hohen Temperaturen muss auch mit hitzebeständigen Koppelmitteln schnell gearbeitet werden, da sie leicht austrocknen oder fest werden und dann die Ultraschallenergie nicht mehr weiterleiten. Getrocknete Koppelmittelreste müssen vor der nächsten Messung von der Prüffläche und der Kontaktfläche des Prüfkopfs entfernt werden.

Bitte beachten, dass der Einsatz von normalem Koppelmittel bei hohen Temperaturen für Transversalwellen in der Regel nicht möglich ist, da sich die handelsüblichen Koppelmittel für Transversalwellen verflüssigen und die hohe Viskosität verlieren, die zum Weiterleiten von Transversalwellen nötig ist.

Wir führen zwei Arten hitzebeständiger Koppelmittel:

Koppelmittel G - für mittlere Temperaturen bis 315°C

Koppelmittel H - hoch hitzebeständiges Koppelmittel, das in offener Umgebung bis 510° C eingesetzt werden kann.

Bitte beachten, dass Koppelmittel für mittlere und hohe Temperaturen nur in gut gelüfteten Räumen eingesetzt werden dürfen, da die entstehenden Dämpfe sich eventuell selbst entzünden können. Genaueres erfahren Sie bei Olympus.

Eine komplette Liste der von Olympus geführten Koppelmittel inklusive genauere Angaben finden Sie in der Anwendungsnotiz über Ultraschallkoppelmittel.

3. Prüftechniken
Beim Erstellen eines Prüfverfahrens für hohe Temperaturen müssen immer folgende Faktoren berücksichtigt werden:

Arbeitszyklus: Alle hitzebeständigen Prüfköpfe sind für einen bestimmten Arbeitszyklus ausgelegt. Obwohl die Vorlaufstrecke das Innere des Prüfkopfs isoliert, wird doch bei längerem Kontakt mit sehr heißen Flächen erhebliche Wärme aufgebaut, die, wenn die Innentemperatur zu sehr steigt, auf die Dauer den Prüfkopf beschädigen kann. Für die meisten Sender-Empfänger-Prüfköpfe wird für Oberflächen zwischen ca. 90° C und 425° C ein Arbeitszyklus von maximal zehn Sekunden Kontakt mit der heißen Fläche empfohlen (5 Sekunden ist die Norm), gefolgt von mindestens 1 Minute Abkühlen in der Luft. Bitte beachten, dass dies nur ein Richtwert ist. Das Verhältnis von Kontaktdauer zu Abkühldauer wird am heißeren Ende des für einen Prüfkopf angegebenen Temperaturbereichs kritischer. Als allgemeine Regel gilt, wenn das Gehäuse des Prüfkopfs zu heiß zum Anfassen wird, hat die Innentemperatur des Prüfkopfs eine Schwelle erreicht, ab der er eventuell zu Schaden kommt. Der Prüfkopf muss abkühlen bevor weiter geprüft werden kann. Einige Prüfer kühlen die Prüfköpfe mit Wasser ab, um die Kühlung zu beschleunigen. Olympus hat jedoch keine offiziellen Richtlinien für die Wasserkühlung herausgegeben, der jeweilige Prüfer muss selber bestimmen, ob dieses Verfahren angemessen ist oder nicht.

Die Prüfgeräte der Serie Epoch von Olympus und alle Dickenmesser besitzen eine „Einfrierfunktion”, die das angezeigte A-Bild mitsamt dem Messwert auf dem Bildschirm erstarren lässt. Diese Funktion ist für Messungen bei sehr hoher Temperatur von Nutzen, weil der Prüfer einen Wert messen, und dann den Messkopf schnell wieder von der heißen Fläche abheben kann. Mit Dickenmessern sollte im Modus Fast Screen Update gearbeitet werden, um die Kontaktdauer zu reduzieren.

Ankoppeltechnik: Aufgrund der Anforderungen an den Arbeitszyklus einerseits und die Tendenz der Koppelmittel am oberen Ende ihres Temperaturbereichs zu verhärten oder sich zu verflüchtigen andererseits, muss der Prüfer schnell arbeiten. Für viele Prüfer besteht die beste Methode darin, einen Tropfen Koppelmittel auf die Messfläche des Prüfkopfs zu geben und dann den Prüfkopf fest auf die Prüffläche zu drücken, ohne ihn zu drehen oder zu reiben (was ihn unnötig abnutzen würde). Zwischen den Messungen müssen alle trockenen Koppelmittelreste vom Messkopf entfernt werden.

Verstärkungsaufschlag: Die Messgeräte der Serien 38DL PLUS und 45MG, wie auch alle Prüfgeräte der Serie Epoch, besitzen eine Funktion „Verstärkungsaufschlag”. Aufgrund der höheren Schallschwächung beim Messen bei hoher Temperatur ist es oft geraten, vor dem Messen die Verstärkung zu erhöhen.

Variation der Schallgeschwindigkeit: In allen Werkstoffen ändert sich die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur: Sie verlangsamt sich bei Erwärmung des Werkstoffs. Für ein genaues Messen der Dicke von heißen Werkstoffen muss folglich immer die Schallgeschwindigkeit nachjustiert werden. In Stahl verändert sich die Schallgeschwindigkeit ca. 1 % pro 55° C (der genaue Wert variiert ja nach Legierung). In Kunststoffen und anderen Polymeren ist diese Veränderung wesentlich größer und kann 50 % pro 55° C bis zum Schmelzpunkt erreichen. Steht für den gegebenen Werkstoff keine Grafik für das Verhältnis von Temperatur zu Schallgeschwindigkeit zur Verfügung, sollte die Schallgeschwindigkeit mittels eines Justierkörpers aus demselben Werkstoff bei der aktuellen Prüftemperatur justiert werden. Mit dem 38DL PLUS kann mit der Temperaturausgleichs-Software die Schallgeschwindigkeit automatisch auf die hohe Temperatur eingestellt werden. Das Gerät nutzt hierfür eine programmierte Temperatur-/Schallgeschwindigkeits-Konstante.

Nullpunkt-Nachjustierung: Beim Dickenmessen mit Sender-Empfänger-Messköpfen muss beachtet werden, dass sich die Nullpunktverschiebung des gegebenen Messkopfs bei Erwärmung ändert, da sich die Durchlaufzeit in der Vorlaufstrecke ändert. Deswegen muss, um die Messgenauigkeit aufrecht zu erhalten, der Nullpunkt öfters nachjustiert werden. Mit den Korrosionsmessgeräten von Olympus ist dies durch die automatische Nullung schnell und einfach: Nur die Tasten 2nd Function > DO ZERO drücken.

Erhöhte Schallschwächung: In allen Werkstoffen erhöht sich die Schallschwächung mit der Temperatur, wobei sich dies bei Kunststoffen mehr auswirkt als bei Metallen oder Keramik. In einer gewöhnlichen feinkörnigen Hartstahllegierung beträgt die Schallschwächung bei Raumtemperatur und bei 5 MHz ca. 2 dB pro 100 mm halber Schallweg (entspricht einem ganzen Schallweg von 50 mm in jeder Richtung). Bei 500° C erhöht sich die Schallschwächung auf ca. 15 dB pro 100 mm Schallweg. Dieser Effekt kann bei langen Schallwegen eine erhebliche Erhöhung der Geräteverstärkung bei der Prüfung bei hoher Temperatur erfordern. Auch DAC-Kurven oder TVG-Programme, die bei Raumtemperatur erstellt wurden, müssen angepasst werden.

Die Auswirkung der Temperatur auf die Schallschwächung bei Polymeren ist sehr materialabhängig, ist aber normalerweise das Mehrfache der oben angegebenen Zahlen für Stahl. Insbesondere können lange hitzebeständige Vorlaufstrecken bei Aufwärmen einen erheblichen Teil der Gesamtschallschwächung eines Tests ausmachen.

Winkelvariationen bei Vorlaufkeilen: Bei allen hitzebeständigen Vorlaufkeilen verlangsamt sich die Schallgeschwindigkeit im Vorlaufkeilmaterial bei Aufwärmung. Folglich erhöht sich der Einschallwinkel im Metall mit der Aufwärmung des Vorlaufkeils. Stellt dies bei einer Prüfung ein Problem dar, sollte der Einschallwinkel bei der aktuellen Betriebstemperatur überprüft werden. In der Praxis machen Temperaturschwankungen bei der Prüfung eine präzise Bestimmung des Einschallwinkels oft schwierig.

Olympus IMS
ProductsUsedApplications

Das EPOCH 650 ist ein außerordentlich leistungsstarkes Ultraschallprüfgerät, das für zahlreiche Anwendungen eingesetzt werden kann. Dieses intuitive und robuste Prüfgerät mit zusätzlichen Funktionen ist eine Fortführung des bekannten EPOCH 600.
Das 45MG ist ein Ultraschalldickenmesser mit Standardmessfunktionen und optionalen Softwarefunktionen. Dieses einzigartige Gerät ist mit der gesamten Palette von Olympus Einzelschwinger- und Sender-Empfängermessköpfen kompatibel, was dieses innovative Gerät zu einer Universallösung für nahezu jeden Anwendungsbereich in der Dickenmessung macht.
Das 38DL PLUS ist ein hochentwickelter Ultraschalldickenmesser. Es misst mit Sender-Empfängerschallkopf Korrosionen im Inneren von z. B. Rohren und besitzt eine THRU-COAT und Echo-Echo-Funktion. Es misst mit Einschwingermessköpfen dünne, sehr dicke oder mehrschichtige Werkstoffe sehr genau.
Das 27MG ist ein einfacher Ultraschalldickenmesser, der von einer Seite aus im Innern korrodierte oder erodierte Metallrohre und Teile genau misst. Er ist leicht, robust und ergonomisch, für Einhandbetrieb ausgelegt.
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