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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bauteils. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Um Bauteile zerstörungsfrei auf das Vorhandensein von Fehlern, wie etwa Rissen, zu untersuchen, sind diverse Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt. Neben Magnetpulver- und Wirbelstromprüfverfahren kann ein Bauteil auch mittels Ultraschallwellen zerstörungsfrei geprüft werden.
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Für die zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten kommt die Beugungslaufzeittechnik (englisch: Time of Flight Diffraction Technique - TOFD) zum Einsatz, die in den Normen DIN EN 583-6, DIN EN 15617 und DIN EN ISO 10863 normiert ist.
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Es ist weiterhin bekannt, sogenannte Phased-Array-Prüfköpfe für eine zerstörungsfreie Prüfung zu verwenden, die sowohl ein lineares Array als auch ein Matrix-Array umfassen können. Prüfköpfe dieser Art weisen eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren auf, die auch als Einzelelemente bezeichnet werden. Mittels dieser wird eine Ultraschallwelle in ein zu prüfendes Bauteil eingekoppelt bzw. eingeschallt und ein reflektiertes Ultraschallsignal wird wieder empfangen. Dabei wird unter Verwendung einer zugehörigen Steuereinheit in der Regel eine Gruppe der Einzelelemente als Sender und eine weitere Gruppe als Empfängerelemente geschaltet. Rein beispielhaft sei im Zusammenhang mit Phase-Array-Ultraschallprüfköpfen auf die
DE 10 2011 108 730 A1 verwiesen.
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Die Anmelderin hat festgestellt, dass die Phased-Array-technik insbesondere für die zerstörungsfreie Überprüfung rotationssymmetrischer Bauteile, die eine Mehrzahl von auf einem oder mehreren Lochkreisen angeordneten Ausnehmungen, beispielsweise zylinderförmigen Bohrungen oder dergleichen aufweisen, nicht für sämtliche Bauteilbereiche zuverlässige Daten liefert. Es hat sich gezeigt, dass vor allem Fehler, die von außen betrachtet radial unter bzw. hinter Ausnehmungen in einem solchen Bauteil liegen, über die Phased-Array-Technik nicht zuverlässig detektierbar sind.
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Um zuverlässige Aussagen beispielsweise über eine Restlebensdauer von Bauteilen treffen zu können, ist es jedoch erforderlich, eine ganzheitliche Prüfung aller Bauteilabschnitte durchführen zu können.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen anzugeben, welches die Fehlerprüfung auch derjenigen Bereiche von Bauteilen genannter Art ermöglicht, die nach dem Stand der Technik nicht zugänglich sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bauteils auf insbesondere innere Fehler, umfassend folgende Schritte:
- a) ein rotationssymmetrisches Bauteil, welches mehrere bevorzugt zylindrische Ausnehmung, insbesondere Bohrungen, aufweist, die auf einem oder mehreren Lochkreisen angeordnet und bevorzugt zumindest im Wesentlichen äquidistant voneinander beabstandet sind, wird bereitgestellt,
- b) außerhalb des Bauteils werden ein als Ultraschall-Sender dienender Sendeprüfkopf und ein als Ultraschall-Empfänger dienender Empfangsprüfkopf beabstandet voneinander derart angeordnet, dass mit dem Sendeprüfkopf in einen Schattenbereich, der hinter einer der Ausnehmungen in dem Bauteil liegt, Ultraschallwellen eingestrahlt werden können, und Ultraschallwellen, die an wenigstens einem in dem Schattenbereich vorhandenen Fehler gebeugt werden, von dem Empfangsprüfkopf empfangen werden können, und
- c) unter Anwendung der Beugungslaufzeittechnik ermittelt wird, ob einer oder mehrere Fehler in dem Schattenbereich vorhanden sind.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht mit anderen Worten darin, das Ultraschallprüfverfahren der sogenannten Beugungslaufzeittechnik (TOFD), welches für die zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten bereits zum Einsatz kommt, anzuwenden, um in rotationssymmetrischen Bauteilen mit mehreren Ausnehmungen auch die von den Ausnehmungen „schattierten“ Bereiche abzutasten. Für die Ultraschall-Beugungslaufzeittechnik kommt nicht nur ein Prüfkopf als Sender und Empfänger zum Einsatz, sondern Sender und Empfänger sind separat und werden in einem Abstand voneinander angeordnet. Dies macht es, wie die Anmelderin festgestellt hat, möglich, hinter Ausnehmungen, bei denen es sich beispielsweise um eine Mehrzahl von Bohrungen auf einem oder mehreren Lochkreisen für eine flanschartig Verschraubung handeln kann, „zu gucken“. Eine zerstörungsfreie Überprüfung auf Fehler wird durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise daher auch in Bereichen möglich, die nach dem Stand der Technik als nicht prüfbar gelten. Im Ergebnis kann ein ganzheitliches Bild auch bei Vorhandensein mehrerer Ausnehmungen erhalten werden.
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Die Tatsache, dass die Beugungslaufzeittechnik (TOFD) nicht von dem Strahlwinkel oder der Reflexionsstärke abhängt, hilft dabei, dass Fehler detektierbar sind, die etwa mit der Phased-Array-Technik nicht gefunden werden können.
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Als ganz besonders geeignet hat sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Auffinden von Rissen erwiesen, die von der Anmelderin im Bereich der Verschraubung von (Hohl-)Wellen insbesondere von S-Teilturbinen in Kernkraftwerken mit einem sogenannten „Stub shaft“ bzw. Zapfen beobachtet werden konnten. Für die Verschraubung befindet sich in der Hohlwelle eine Mehrzahl von axialen Gewindebohrungen, die äquidistant beabstandet zueinander auf einem zu der Rotationsachse der Hohlwelle koaxialen Lochkreis angeordnet sind. Infolge des Betriebes bilden sich im Bereich der Gewindebohrungen Risse, die sich ausgehend von der jeweiligen Bohrung sowohl radial nach außen als auch radial nach innen erstrecken. Während sich die radial nach außen erstreckenden Risse bzw. Rissabschnitte über die Phased-Array-Technik auffinden lassen, gilt dies nicht für die radial nach innen verlaufende Risse bzw. Rissabschnitte. Diese liegen in den vorliegenden als „Schattenbereiche“ bezeichneten Bereichen, die radial hinter bzw. unter den Bohrungen, also radial weiter innen als die Bohrungen liegen, und sich insbesondere an die jeweilige Bohrung anschließen, und welche bei der Phased-Array-Technik von den Bohrungen „abgeschattet“ werden.
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Es sei angemerkt, dass über die Beugungslaufzeittechnik (TOFD) nicht ausschließlich hinter Ausnehmungen liegende Schattenbereiche geprüft, sondern im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens selbstverständlich auch zusätzlich andere Bauteilbereiche mittels dieser Technik untersucht werden können.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in einem bereitgestellten Bauteil Schattenbereiche hinter mehreren Ausnehmungen zerstörungsfrei auf Fehler überprüft werden, wofür dann - je Ausnehmung, insbesondere Bohrung - die Schritte b) und c) durchgeführt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass Schattenbereiche hinter sämtlichen in einem Bauteil vorhandenen Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen geprüft werden.
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Damit mehrere Schattenbereiche auf einfache Weise geprüft werden können, kann während eines Prüfvorganges eine Relativbewegung von Bauteil sowie Sende- und Empfangsprüfkopf erfolgen. Entsprechend kann in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass der Sende- und Empfangsprüfkopf und das Bauteil relativ zueinander bewegt werden, bevorzugt der Sende- und der Empfangsprüfkopf und/oder das Bauteil eine Relativbewegung in Umfangsrichtung ausführen. Prinzipiell ist es sowohl möglich, dass Sende- und Empfangsprüfkopf an einer festen Position im Raum, also ortsfest gehalten werden, während das zu prüfende Bauteil bewegt wird, als auch umgekehrt oder sich sowohl Prüfköpfe als auch Bauteil insbesondere gegenläufig zueinander bewegen. Handelt es sich bei dem Bauteil um eine Welle, etwa Hohlwelle, kann für dessen Rotation die ohnehin im montierten Zustand vorgesehene drehbare Lagerung genutzt werden. Um den gesamten Umfang abzudecken, kann eine Rotation der Welle um 360° durchgeführt werden. Dann ist es insbesondere möglich, dass ein hinter Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen liegender ringförmiger Bereich des Bauteils via TOFD geprüft wird.
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Erfolgt eine Relativbewegung von Bauteil und Prüfköpfen, wird bevorzugt mittels wenigstens eines mit dem Bauteil in Kontakt stehenden Encoders die Position des Sende- und/oder Empfangsprüfkopfes relativ zu dem Bauteil erfasst.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in Schritt b) der Sende- und Empfangsprüfkopf derart angeordnet werden, dass Ultraschallwellen, die von dem Sendeprüfkopf in den Schattenbereich abgestrahlt werden zu einer Seite der vor dem Schattenbereich liegenden Ausnehmung propagieren, und Ultraschallwellen, die an wenigstens einem in dem Schattenbereich vorhandenen Fehler gebeugt werden und den Empfangsprüfkopf erreichen, zu der gegenüberliegenden Seite der vor dem Schattenbereich liegenden Ausnehmung propagieren. Der Sende- und der Empfangsprüfkopf werden in Schritt b) insbesondere in V-Durchschallung angeordnet.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil im montierten Zustand zerstörungsfrei auf Fehler überprüft wird. Insbesondere wird in Schritt a) des Verfahrens eine im montierten Zustand bevorzugt an beiden Stirnseiten verschlossene zylinderförmige Hohlwelle bereitgestellt.
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Der oder die Lochkreise, auf denen Ausnehmungen in dem Bauteil angeordnet sind, ist bzw. sind bevorzugt koaxial zu der Rotationsachse des Bauteils. Dabei ist unter der Rotationsachse diejenige Achse zu verstehen, in Bezug auf die Rotationssymmetrie vorliegt.
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In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Sende- und der Empfangsprüfkopf an einer gebogenen, insbesondere Kreisring- oder Kreisringsegment-förmigen Schiene bevorzugt über jeweils einen Prüfkopfhalter befestigt bereitgestellt werden. Eine Schiene einer solchen Form hat sich als besonders geeignete erwiesen, um wenigstens zwei Prüfkopfe in einem vorgegebenen Abstand voneinander an einem rotationssymmetrischen Bauteil, mit dem die Prüfköpfe für einen Abtastvorgang bevorzugt in Kontakt zu bringen sind, insbesondere für eine V-Durchschallung, zu halten. Die Schiene kann beispielsweise von einem Benutzer von Hand derart gehalten werden, dass die daran gehaltenen Prüfköpfe mit einem zu prüfenden Bauteil in Kontakt stehen, dies auch, wenn das Bauteil während einer Messung zur Abdeckung eines größeren Prüfbereiches bewegt, insbesondere rotiert wird.
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Kommt eine gebogene Schiene zum Einsatz, wird sie besonders bevorzugt koaxial zu der Rotationsachse des Bauteils angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Radius der Schiene in Abhängigkeit eines Radius des Bauteils gewählt wird beziehungsweise ist. Der Radius der Schiene wird dann bevorzugt in Abhängigkeit des Außenradius des bevorzugt zylinderförmigen Bauteils gewählt, ist beispielsweise derart, dass er den Außenradius leicht überschreitet.
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Der Sende- und der Empfangsprüfkopf werden weiterhin bevorzugt in einem vorgegebenen Abstand voneinander und/oder mit definiertem Einschallwinkel an der Schiene gehalten, wobei der vorgegebene Abstand und/oder definierte Einschallwinkel bevorzugt in Abhängigkeit eines Radius des Bauteils und/oder der Positionen und/oder Größe von Ausnehmungen in dem Bauteil gewählt wird. Der Abstand und/oder Winkel wird für die Prüfung der Schattenbereiche zweckmäßiger Weise derart gewählt, dass eine Einschallung von Ultraschallwellen in den jeweiligen Schattenbereich mit dem Sendeprüfkopf und eine Detektion von in dem Schattenbereich gebeugten Wellen mit dem Empfangsprüfkopf ermöglichen. Mit anderen Worten wird der Abstand bevorzugt derart gewählt, dass der Sende- und der Empfangsprüfkopf in den jeweiligen Schattenbereich „blicken“, der unmittelbar hinter der jeweiligen Ausnehmung, insbesondere Bohrung liegt. Für die Prüfung anderer Bauteilbereiche können bequem andere Abstände und/oder Winkel gewählt werden.
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In Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass in Abhängigkeit der Dimensionierung des Bauteils und/oder der Position und/oder Größe von Ausnehmungen und/oder der Position des Sende- und/oder Empfangsprüfkopfes ein Blindabstand zu der jeweiligen Ausnehmung berechnet wird, der einen Blindbereich definiert, in dem Fehler in dem Schattenbereich nicht erfassbar sind, und der Blindabstand bevorzugt in eine Berechnung der Größe erfasster Fehler mit einbezogen wird. Da der Sende- und der Empfangsprüfkopf insbesondere von beiden Seiten schräg hinter die jeweilige Ausnehmung „blicken“, wird es in der Regel immer einen kleinen Bereich geben, der von der jeweiligen Ausnehmung weiter verdeckt, also „abgeschattet“ wird. Dessen Ausdehnung beginnend an der Ausnehmung radial nach innen wird vorliegend als Blindabstand bezeichnet. Wird ein Fehler in einem Schattenbereich, also hinter einer Ausnehmung bzw. radial weiter innen liegend als diese detektiert und ist bekannt, dass bei dem Bauteil betriebsbedingt Risse vorliegen, die sich von den Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen ausgehend radial nach innen ausdehnen, kann davon ausgegangen werden, dass der Riss sich auch über den Blindbereich erstreckt, was dann bei der Berechnung bzw. Schätzung der Risslänge berücksichtigt werden kann.
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Eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich ferner dadurch aus, dass das Bauteil zusätzlich mit wenigstens einem Phased-Array-Ultraschall-Prüfkopf zerstörungsfrei auf Fehler untersucht wird. Dabei kann bevorzugt die Puls-Echo-Methode angewendet werden. Besonders bevorzugt wird zumindest ein in Bezug auf die Rotationsachse des Bauteils radial weiter innenliegender Bereich des Bauteils unter Anwendung der der Beugungslaufzeittechnik geprüft und ein in Bezug auf die Rotationsachse radial weiter außen liegender Bereich unter Anwendung der Phased-Array-Technik. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass Bereiche, die vor Ausnehmungen in dem Bauteil, also radial weiter außen als Ausnehmungen liegen, mit wenigstens einem Phased-Array-Ultraschall-Prüfkopf auf Fehler untersucht werden. Die Prüfung weiterer Bauteilbereiche mit dieser Technik kann ebenfalls vorgesehen sein. Beispielhaft seien Bereiche genannt, die zwischen benachbarten Ausnehmungen liegen. Besonders bevorzugt werden für ein ganzheitliches Bild zumindest alle Bereiche eines Bauteils mittels der Phased-Array-Technik geprüft, die via TOFD nicht prüfbar sind und/oder umgekehrt. Auch können Bereiche sowohl mit TOFD als auch der Phased-Array-Technik geprüft werden. Dann kann auch eine Korrelation von Ergebnissen beider Messtechniken erfolgen. Beispielsweise können die Ergebnisse der TOFD-Messung herangezogen werden, um über die Phased-Array-Methode gefundene Fehlern und ggf. deren Größe zu verifizieren.
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Die zerstörungsfreie Prüfung mit wenigstens einem Phased-Array-Ultraschall-Prüfkopf kann beispielsweise vor oder auch nach einer TOFD-Prüfung erfolgen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine Prüfung von Schattenbereichen an mehreren verschiedenen, etwa zwei verschiedenen axialen Positionen erfolgt. In gleicher Weise kann alternativ oder zusätzlich eine Prüfung über die Phased-Array-Technik an mehreren verschiedenen axialen Positionen erfolgen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend
- - einen als Ultraschall-Sender dienenden Sendeprüfkopf, der ausgebildet ist, um Ultraschallwellen abzustrahlen,
- - einen als Ultraschall-Empfänger dienenden Empfangsprüfkopf, der ausgebildet ist, um Ultraschallwellen zu detektieren,
- - eine gebogene, insbesondere Kreisring- oder Kreisringsegment-förmige Schiene, an welcher der Sendeprüfkopf und der Empfangsprüfkopf gehalten sind.
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Die Position des Sende- und/oder des Empfangsprüfkopfes kann an der Schiene frei verstellbar sein, wobei insbesondere Arretiermittel vorgesehen sind, über welche der Sende- und/oder der Empfangsprüfkopf jeweils in einer gewählten Position arretiert werden können. Bevorzugt sind der Sende- und/oder der Empfangsprüfkopf an der Schiene winkelverstellbar, etwa um eine Schwenkachse schwenkbar gehalten, um den Einschallwinkel bequem und zügig wählen bzw. verändern zu können.
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Auch ist es möglich, dass der Sende- und/oder der Empfangsprüfkopf an festgelegten Positionen an der Schiene positionier- und arretierbar ist. Die Positionen sind insbesondere vorab für ein Bauteil gegebener Geometrie oder auch mehrere Bauteile verschiedener Geometrien festgelegt worden und können dann während eines Messvorganges bequem und zügig gewählt werden. Es ist beispielsweise denkbar, dass für einen Bauteiltyp für den Sende- und/oder den Empfangsprüfkopf zwei verschiedene vorbestimmte Positionen und/oder Winkelausrichtungen an der Schiene vorgesehen und/oder markiert sind. Eine Position und/oder Winkeleinstellung kann dann beispielsweise der Untersuchung der Schattenbereiche dienen und eine weitere Position und/oder Winkeleinstellung der Untersuchung beispielsweise von Bereichen, die radial vor Ausnehmungen, also radial weiter außen als diese liegen. Auch können für verschiedene Bauteiltypen verschiedene festgelegte Positionen und/oder Winkeleinstellungen existieren, so dass die Vorrichtung sehr zügig und zuverlässig an eine andere Bauteilgeometrie anpassbar ist.
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Der Sende- und/oder der Empfangsprüfkopf sind weiterhin bevorzugt jeweils über einen insbesondere mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens gefertigten Prüfkopfhalter an der Schiene gehalten. Durch generative Fertigungsverfahren können besonders zügig geeignete Prüfkopfhalter hergestellt werden, wobei ein Höchstmaß an Flexibilität hinsichtlich der Formgebung besteht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in Weiterbildung ferner wenigstens einen insbesondere mit einem zu prüfenden Bauteil in Kontakt zu bringender Encoder, der ausgebildet ist, um die Position des Sende- und/oder Empfangsprüfkopfes relativ zu dem Bauteil zu erfassen. Mit einem Encoder kann in demjenigen Falle, dass Bauteil und Prüfköpfe eine Relativbewegung zueinander ausführen, etwa, um mehrere Schattenbereiche auf Fehler abzutasten, zuverlässig die jeweilige Relativposition erfasst werden.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung wenigstens einen Phased-Array-Ultraschall-Prüfkopf umfasst, so dass zusätzlich eine zerstörungsfreie Prüfung eines Bauteils über die Phased-Array-Methode möglich ist. Ist eine solcher Prüfkopf vorgesehen, umfasst die Vorrichtung weiterhin bevorzugt einen insbesondere mit einem zu prüfenden Bauteil in Kontakt zu bringenden, dem Phased-Array-Ultraschall-Prüfkopf zugeordneten Phased-Array-Encoder, der ausgebildet ist, um die Position des Phased-Array-Ultraschall-Prüfkopfes relativ zu dem Bauteil zu erfassen. Für den Phased-Array-Ultraschall-Prüfkopf kann ebenfalls ein Prüfkopfhalter vorgesehen sein, der bevorzugt ebenfalls mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens gefertigt wurde. Der Prüfkopfhalter kann einen Griff aufweisen, über welchen ein Benutzer den Prüfkopf bequem an eine gewünschte Position bringen und in dieser halten kann.
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Weiterhin kann die Vorrichtung wenigstens eine Speicher- und/oder Auswerteeinheit umfassen, mit welcher Messsignale, die mit den Prüfköpfen und/oder einem oder mehreren Encodern erfasst werden, gespeichert und/oder ausgewertet werden. Die Speicher- und/oder Auswerteeinheit kann beispielsweise ein Ultraschallgerät - gegebenenfalls in Verbindung mit einem Computer - umfassen oder durch ein solches gegeben sein.
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Es sei angemerkt, dass es prinzipiell möglich ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung neben dem an der Schiene gehaltenen Sende- und dem Empfangsprüfkopf und gegebenenfalls vorhandenen Phased-Array-Prüfkopf noch einen oder mehrere weitere Prüfköpfe umfasst, etwa, um durch gleichzeitige Messungen in kürzerer Zeit mehr Bauteilvolumen prüfen zu können. Dies gilt entsprechend auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
- 1 eine schematische Teilansicht eines „Stub shafts“ bzw. Zapfens einer Hohlwelle einer S-Teilturbine eines Kernkraftwerkes,
- 2 eine rein schematische teilweise geschnittene Darstellung einer Hohlwelle einer S-Teilturbine eines Kernkraftwerkes, auf die der „Stub shaft“ bzw. Zapfen aus 1 aufschraubbar ist,
- 3 eine rein schematische teilweise geschnittene Darstellung zur Veranschaulichung der Prüfung der Hohlwelle aus 2 mit der Phased-Array-Technik,
- 4 eine vergrößerte rein schematische teilweise geschnittene Darstellung zur Veranschaulichung der zerstörungsfreien Prüfung eines Schattenbereiches der Hohlwelle aus 2 via TOFD,
- 5 eine rein schematische Teilansicht auf die Stirnseite der Hohlwelle aus 2 mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung,
- 6 eine perspektivische Ansicht der Hohlwelle und Teilen der Vorrichtung aus 5, und
- 7 eine schematische perspektivische Ansicht eines Phased-Array-Prüfkopfhalters an der Hohlwelle aus 2.
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Die 1 zeigt in rein schematischer Darstellung eine frontale Ansicht auf die obere Hälfte eines auch als „Stub shaft“ bezeichneten Zapfen 1, der stirnseitig auf die in den 2 bis 6 erkennbaren Hohlwelle 2 einer in den Figuren nicht weiter dargestellten S-Teilturbine eines Kernkraftwerkes aufschraubbar ist.
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Wie man in 1 erkennt, ist stirnseitig eine Mehrzahl von sich in axialer Richtung erstreckenden Durchgangsbohrungen 3 in dem Zapfen 1 vorgesehen, die auf einem in der 1 zu Veranschaulichungszwecken eingezeichneten Lochkreis L1 angeordnet sind. Die Durchgangsbohrungen 3 dienen im montierten Zustand der Verschraubung des Zapfens 1 mit der Hohlwelle 2. Der Zapfen 1 weist stirnseitig noch eine Mehrzahl von zylinderförmigen Ausnehmungen 4 auf, die auf einem weiteren Lochkreis L2 mit etwas größerem Radius als der Lochkreis L1 der Durchgangsbohrungen 3 angeordnet sind, und deren Durchmesser denjenigen der Durchgangsbohrungen 3 deutlich unterschreitet. Die zylinderförmigen Ausnehmungen 4 sind für Wuchtgewichte vorgesehen. Beide Lochkreise L1, L2 sind koaxial zu der Rotationsachse R der Welle 1, die in den 2 bis 5 senkrecht zur Zeichenebene steht.
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In der in 2 dargestellten Hohlwelle 2 sind zu den Durchgangsbohrungen 3 korrespondierende Gewindebohrungen 5 vorgesehen, die entsprechend ebenfalls auf dem Lochkreis L1 angeordnet sind, und in welche im montierten Zustand in den Figuren nicht dargestellte Schrauben eingeschraubt sind, die sich durch die Durchgangsbohrungen 3 erstrecken und deren Köpfe an dort vorgesehenen Anschlagflächen aufliegen, wie es von einer flanschartige Verschraubung hinlänglich bekannt ist.
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Wie die Anmelderin im Rahmen einer routinemäßigen Inspektion feststellen konnte, können sich betriebsbedingt im Bereich der Gewindebohrungen 5 in der Hohlwelle 2 für die Verschraubung mit dem „Stub shaft“ bzw. Zapfen 1, insbesondere im Bereich des Bodens der Gewindebohrungen 5, Risse bilden, welche von den Gewindebohrungen 5 ausgehen und eine Orientierung in radialer Richtung sowohl nach außen als auch nach innen aufweisen. Dies ist in der 2 beispielhaft für drei der Gewindebohrungen 5 gezeigt. Es sei angemerkt, dass in der 2 nur einige der in der Welle 2 stirnseitig vorgesehenen Gewindebohrungen 5, konkret nur fünf der Gewindebohrungen 5 beispielshaft dargestellt sind. Dabei sind die sich von der jeweiligen Gewindebohrung 5 aus radial nach außen erstreckenden Risse beispielhaft mit 6 bezeichnet und die sich von der jeweiligen Gewindebohrung 5 radial nach innen erstreckenden mit 7.
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Die Turbinenwelle 2 stellt eine sicherheitsrelevante, hoch beanspruchte Komponente dar, weshalb eine zerstörungsfreie Prüfung der Bereiche um die Gewindebohrungen 5 zum Nachweis der Rissfreiheit erforderlich ist. Dabei hat sich gezeigt, dass die radial nach außen verlaufenden Risse 6 mittels der Ultraschall-Phased-Array-Technik, bei welcher die Rissdetektion basierend auf Ausnutzung reflektierten Ultraschallsignals erfolgt, nachweisbar sind.
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Die 3, welche eine vergrößerte Teilansicht der Turbinenwelle 2 im Schnitt mit nur einer erkennbaren Gewindebohrung 5 zeigt, ist dies rein schematisch veranschaulicht. Für die zerstörungsfreie Prüfung über die Phased-Array-Technik ist an der Oberfläche der Turbinenwelle 2 ein Ultraschall-Phased-Array-Prüfkopf 8 angeordnet, der in der 3 rein beispielhaft in drei verschiedenen Prüfpositionen gezeigt ist. Der Ultraschall-Phased-Array-Prüfkopf 8 umfasst eine Mehrzahl von Einzelelementen 9, die jeweils als Ultraschall-Sender bzw. -Empfänger dienen können. In der 3 sind von der Mehrzahl der Einzelelemente 9 nur drei Stück rein beispielhaft angedeutet.
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Für jede der drei Prüfpositionen ist jeweils ein Kreissektor 10 eingezeichnet, welcher einen Sektorscan in Umfangsrichtung veranschaulichen soll. Der mittlere Kreissektor 10 ist zur besseren Unterscheidung schraffiert. Für einen Sektorscan werden durch elektronisches Ansteuern von mehreren Einzelelementen 9 pro Prüfkopfposition Ultraschallsignale in einen definierten Zentralwinkelbereich gesendet bzw. empfangen und aufgezeichnet. In 3 veranschaulicht wird ein Überfahren des Prüfkopfes 8, bei dem mittels Sektorscan ein möglicher Fehler, der als Riss 6 von der Gewindebohrung 5 radial zur Außenoberfläche der Turbinenwelle 1 orientiert ist, erfasst wird. An der rechten der drei Prüfkopfpositionen kann der Prüfkopf 8 die Beugungssignale der Spitze des Risses 6 mit dem äußeren Zentralstrahl erfassen. An der linken Prüfkopfposition wird die Spitze des Risses 6 nahezu mit der senkrechten Zentralstrahlschallung erfasst. Diese Sektoreinschallung in Kombination mit einer Bewegung des Prüfkopfes 8 in Umfangsrichtung (und/oder einer Rotation der Welle 1) ermöglicht eine Analyse der Dynamik eines Fehlers in Umfangsrichtung. Zur Erfassung möglicher Fehlerverläufe in axialer Richtung kann der Phased-Array-Prüfkopf 8 um 90° gedreht angeordnet und ebenfalls in Umfangsrichtung um die Welle gedreht werden (und/oder umgekehrt). Für die zerstörungsfreie Prüfung werden von mehreren Einzelelementen 9 Ultraschallwellen mit fest definierten Schallwinkelbereichen in die Welle 2 eingekoppelt und an dem radial nach außen verlaufenden Riss 6 reflektierte Ultraschallwellen werden von mehreren als Empfänger geschalteten Einzelelementen 9 detektiert, so dass dieser aufgefunden werden kann.
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Anders stellt es sich für den radial nach innen verlaufenden Riss 7 dar. Dieser liegt - aus Sicht des Prüfkopfes 8 - hinter der Gewindebohrung 5, welche mit dem Prüfkopf 8 eingekoppelte Ultraschallsignale reflektiert und somit verhindert, dass Ultraschallsignale in den dahinter liegenden Bereich eingeschallt werden können. Aus diesem Grund wird der radial unter bzw. hinter der Gewindebohrung 5 liegende Bereich vorliegend als Schattenbereich 11 bezeichnet. Aufgrund der abschattenden Wirkung der Gewindebohrung 5 ist es nicht möglich, mittels der Phase-Array-Technik den radial nach innen verlaufenden Riss 7 zu detektieren.
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Dieser Problematik begegnet die vorliegende Erfindung damit, dass zur zerstörungsfreien Überprüfung der Schattenbereiche 11 hinter den Gewindebohrungen 5 in der Hohlwelle 1 die Ultraschall-Laufzeitbeugungstechnik (Time of Fligth Diffraction Technique, TOFD) zum Einsatz kommt.
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Bei dieser wird nicht nur ein Prüfkopf 8 verwendet, der als Sender und Empfänger dient, sondern es kommen ein separater Sender und Empfänger zum Einsatz, die mit abgestuften Vorlaufkeilen kombiniert werden können, um unterschiedliche Ultraschall-Einschallwinkel in der Welle 1 zu erreichen. Konkret werden, wie rein schematisch in den 2 und 4 gezeigt, ein als Ultraschall-Sender dienender Sendeprüfkopf 12 und ein als Ultraschall-Empfänger dienender Empfangsprüfkopf 13 beabstandet voneinander außen an der Welle 2 angeordnet und zwar derart, dass mit dem Sendeprüfkopf 12 in einen Schattenbereich 11 hinter einer Gewindebohrung 5 Ultraschallwellen eingestrahlt werden können und Ultraschallwellen, die an wenigsten einem in dem Schattenbereich 11 vorhandenen Riss 7 gebeugt werden, von dem Empfangsprüfkopf 13 empfangen bzw. detektiert werden können. Dabei ist ein Zusammenspiel aus Einschallwinkel und Prüfkopfabstand zu beachten, um eine gewünschte Fokustiefe zu definieren. In der 2 sind zu rein schematischen Veranschaulichungszwecken eine die vom Sendeprüfkopf 12 abgestrahlten Ultraschallsignale repräsentierende zentrale Linie 14 sowie der Zentralstrahl des Empfängers als mittlere Linie 15, welche die an einem Riss 7 in dem Schattenbereich 11 gebeugte und zum Empfangsprüfkopf 13 propagierende Ultraschallwelle repräsentiert, eingezeichnet. Die 4 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung zur erfindungsgemäßen zerstörungsfreien Prüfung des Schattenbereiches 11 der zentralen Gewindebohrung 5 via TOFD, wobei mehrere repräsentative Linien 14 bzw. 15 für den Sende- und Empfangsprüfkopf 12, 13 eingezeichnet sind, die jeweils den 6dB-Schalldruckabfall repräsentieren. Da der Zentralstrahl 15 des Empfangsprüfkopfes 13 und der Zentralstrahl 14 des Sendeprüfkopfes 12 die Spitze des Risses 7 schneiden, ist eine Detektion des Fehlers via TOFD problemlos möglich. Ein die in 4 zentrale Gewindebohrung 5, deren Schattenbereich 11 bei der in 4 gezeigten Position der Prüfköpfe 12, 13 geprüft werden kann, umgebender Bereich 16 ist ebenfalls in der Figur markiert.
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Ultraschallwellen, die von dem Sendeprüfkopf 12 in den Schattenbereich 11 eingeschallt werden, propagieren dabei zu einer Seite der vor dem Schattenbereich 11 liegenden Gewindebohrung 5 (vgl. die Linien 14) und Ultraschallwellen, die an einem oder auch mehreren Rissen 7 in dem Schattenbereich gebeugt werden und dem Empfangsprüfkopf 13 erreichen, propagieren zu der gegenüberliegenden, in den 2 und 4 rechten Seite der Gewindebohrung 5 (vgl. Linie(n) 15). Die Prüfköpfe 12, 13 sind derart angeordnet, dass eine sogenannte V-Durchschallung vorliegt.
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Die beiden Prüfköpfe 12, 13 sind Teil einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung, die rein schematisch in den 5 und 6 gezeigt ist. Die Vorrichtung umfasst neben den Prüfköpfen 12, 13 eine gebogene, vorliegend Kreisringsegment-förmige Schiene 17. Wie man insbesondere in 5 erkennt, ist der zu der Schiene 17 gehörige Radius leicht größer als der Außenradius rA der Hohlwelle 1, welcher in der 2 eingezeichnet ist und die Kreisringsegment-förmige Schiene 17 erstreckt sich vorliegend über einen Winkel von etwa 100°, also weniger als ein Drittel eines Vollkreises.
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An der Schiene 17 sind die beiden Prüfköpfe 12, 13 jeweils über einen mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens gefertigten Sende- bzw. Empfangsprüfkopfhalter 18, 19 voneinander beabstandet und in einem gehalten. Von jedem der beiden Prüfkopfhalter 18, 19 ist dabei einer der Prüfköpfe 12, 13 aufgenommen und zwar an dem radial nach innen weisenden Ende des jeweiligen Prüfkopfhalters 18, 19, sodass der jeweilige Prüfkopf 12, 13 mit der Oberfläche der Hohlwelle 1 in Kontakt kommt, wenn die Schiene 17 wie in den 5 bzw. 6 gezeigt, angeordnet ist. Die von den Haltern 18, 19 aufgenommenen Prüfköpfe 12, 13 sind in der 5 nicht erkennbar.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Encoder 20, welcher an dem Sende-Prüfkopfhalter 18 gehalten ist. Der Encoder 20 dient der Erfassung der aktuellen Position des von dem Sende-prüfkopfhalter aufgenommenen Sendeprüfkopfes 12 relativ zu der Hohlwelle 2, wenn die Prüfköpfe 12, 13 und die Hohlwelle 1 während eines Messvorganges eine Relativbewegung zueinander ausführen, worauf weiter unten noch eingegangen wird.
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Die beiden Prüfköpfe 12, 13 und der Encoder 20 sind mit einer zentralen Speicher- und Auswerteeinheit 21 der Vorrichtung über in den Figuren nicht dargestellte Kabel verbunden.
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Für eine zerstörungsfreie Prüfung der Hohlwelle 2 wird zunächst eine TOFD-Messung mit der Vorrichtung aus 5 durchgeführt, wobei hierzu die Schiene 17 mit den darin gehaltenen Prüfkopfhaltern 18, 19 und den beiden Prüfköpfen 12, 13 von Hand mantelseitig der Hohlwelle 2 nacheinander an mehreren vorgegebenen axialen Position angeordnet wird, wie es für eine Position in den 5 und 6 dargestellt ist. Die mehreren axialen Positionen, an denen die Schiene 17 mit den Prüfköpfen 12, 13 nacheinander angeordnet wird, ergeben sich aus fest definierten Turbinenschaufelpositionen. Allgemein wird pro Turbinenschaufelreihe vor (Dampfeintrittsseite) und hinter (Dampfaustrittsseite) den Schaufeln eine axiale Position gewählt, um den gesamten axialen Bereich der zu prüfenden Ausnehmungen, hier Gewindebohrungen 5, prüfen zu können. Die genauen axialen Positionen ergeben sich dabei aus dem konkreten Turbinendesign.
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Die Schiene 17 ist, wenn sie, wie in den 5 und 6 für eine axiale Position gezeigt, angeordnet ist, koaxial zu der Rotationsachse R der Welle 2. Es kann ein in den Figuren nicht dargestelltes Gerüst seitlich der Welle 2 vorgesehen sein, welches ein Benutzer begehen kann, um die Schiene 17 entsprechend zu halten.
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Die Prüfköpfe 12, 13 werden, wenn die Schiene 17 wie in den 5 und 6 gezeigt positioniert ist, aktiviert, so dass der Sendeprüfkopf 12 Ultraschallwellen emittiert und der Empfangsprüfkopf 13 aufzeichnet, und die Hohlwelle 2 wird um ihre Rotationsachse R einmal vollständig, also um 360° rotiert. Infolge der Relativbewegung von Prüfköpfen 12, 13 und Welle 2 in Umfangsrichtung werden nacheinander in alle Schattenbereiche 11 hinter den Gewindebohrungen 5 auf dem Lochkreis L1 Ultraschallwellen mit dem Sendeprüfkopf 12 eingeschallt und Ultraschallwellen, die an ggf. in dem jeweiligen Schattenbereich 11 vorhandenen, radial nach innen verlaufenden Rissen 7 gebeugt werden, können mit dem Empfangsprüfkopf 13 detektiert werden, so dass die Schattenbereiche 11 hinter allen Gewindebohrungen 5 nacheinander zerstörungsfrei auf Fehler geprüft werden. Es sei angemerkt, dass über die Abtastung während einer vollständigen Rotation der Welle 2 insbesondere ein hinter, also radial weiter innen als die Bohrungen 5 liegender ringförmiger Bereich geprüft wird.
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Es sei weiterhin angemerkt, dass aufgrund der Tatsache, dass der Sende- und der Empfangsprüfkopf 12, 13 von beiden Seiten schräg hinter die jeweilige Bohrung 5 „blicken“, es immer einen kleinen, sich radial nach innen unmittelbar an die jeweilige Bohrung anschließenden, in dem jeweiligen Schattenbereich 11 liegenden „Blindbereich“ geben wird, der von der Gewindebohrung 5 weiterhin verdeckt, also „abgeschattet“ wird. Dessen Ausdehnung beginnend an der jeweiligen Bohrung 5 radial nach innen wird vorliegend als Blindabstand bezeichnet, der insbesondere in Abhängigkeit der Dimensionierung der Welle 2 und/oder der Position und/oder Größe der Gewindebohrungen 5 und/oder der Position des Sende- und/oder Empfangsprüfkopfes 12, 13 berechnet und ggf. bei einer Berechnung der Größe erfasster Risse 7 mit einbezogen wird.
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Im Anschluss an die TOFD-Messung der Schattenbereiche 11 können - ebenfalls via TOFD - weitere Bereiche zerstörungsfrei auf Fehler geprüft werden, etwa Bereiche, die radial vor den Gewindebohrungen 5, also radial weiter außen als diese liegen. Hierzu wird der Abstand der beiden Prüfköpfe 12, 13 bzw. der beiden diese tragenden Prüfkopfhalter 18, 19 an der Schiene 17 verändert, etwa reduziert, und/oder der Einschallwinkel beider Prüfköpfe 12, 13 wird durch Vorlaufkeile etwa erhöht, wodurch die Prüfköpfe 12, 13 auf eine radial weiter außen liegende Stelle „blicken“ (die Fokustiefe des Zentralstrahls wird verringert) und die Welle 2 wird erneut um 360° rotiert, während Ultraschallwellen mit dem Sendeprüfkopf 12 emittiert und mit dem Empfangsprüfkopf 13 aufgezeichnet wird. Hierdurch wird ein ringförmiger Abschnitt der Welle 2 geprüft, der die Bohrungen 5 umgreift. An der Schiene 17 können Positionen für den Sende- und Empfangsprüfkopfhalter 18, 19 festgelegt sein, die zu unterschiedlichen Prüfbereichen, etwa unterschiedlichen radialen Positionen korrespondieren.
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Im Anschluss an die TOFD-Messung der Schattenbereiche 11 sowie ggf. weiterer Bauteilbereiche kann die Welle 2 zusätzlich mittels eines Ultraschall-Phased-Array-Prüfkopfes 8, wie er schematisch in der 3 gezeigt ist, geprüft werden. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel kommt ein Ultraschall-Phased-Array-Prüfkopf 8 zum Einsatz, der - in Analogie zu den Prüfköpfen 12, 13 - von einem über ein Rapid-Prototyping-Verfahren gefertigten weiteren Prüfkopfhalter 22, der in einer schematischen perspektivischen Ansicht in 7 gezeigt ist, aufgenommen ist. Der Prüfkopfhalter 22 weist einen Griff 23 auf, über den ihn ein Benutzer bequem und sicher außenseitig an der Welle 2 positionieren kann. Über ein Kabel 25 ist der von dem Prüfkopfhalter 22 aufgenommene Ultraschall-Phased-Array-Prüfkopf 8 in hinlänglich bekannter Weise mit einer in den Figuren nicht erkennbaren Phased-Array-Speicher- und Auswerteeinheit verbunden. Auch für die Phased-Array-Messung wird die Welle 2, um den gesamten Umfang abdecken zu können, rotiert. Mit einem dem Phased-Array-Prüfkopf 8 zugeordneten, an dem Phased-Array-Prüfkopfhalter 22 gehaltenen Phased-Array-Encoder 24 wird dabei der Weg aufgenommen. Der Phase-Array-Prüfkopf 8 wird, damit die Messorte der Phased-Array-Messung mit denjenigen der TOFD-Messung zusammengeführt werden können, an einer vorgegeben Startposition und an denselben axialen Positionen wie die der TOFD-Prüfung angeordnet. Die Ergebnisse der TOFD- und der Phased-Array-Messungen können anschließend korreliert werden.
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Im Ergebnis kann die Welle 2 zuverlässig auf Fehler überprüft werden, insbesondere auch im besonders sicherheitsrelevanten Bereich der Gewindebohrungen 5, und es kann ein zuverlässiger und sicherer Betrieb der Turbine und somit des diesem umfassenden Kernkraftwerkes gewährleistet werden.
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Es sei angemerkt, dass es selbstverständlich auch möglich ist, dass der „Stub shaft“ bzw. Zapfen 1 auf die vorstehende beschriebene Weise zerstörungsfrei auf Fehler geprüft wird, wobei dann via TOFD insbesondere radial hinter der Durchgangsbohrungen 3 liegende Bereiche geprüft werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011108730 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 583-6 [0003]
- DIN EN 15617 [0003]
- DIN EN ISO 10863 [0003]
