DE19724905A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung stumpfgeschweißter Kunststoffrohre - Google Patents

Description

Geschweißte Gasrohrleitungen und Druckwasserleitungen aus Kunststoff müssen nach dem Schweißen geprüft werden. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungs­ freien Prüfung von Schweißnähten an stumpfgeschweißten Kunststoffrohren.

In der Praxis werden Rohre mit einem Durchmesser bis zu 110 mm meist mit Elektro- Schweißfittings und Rohre mit einem Durchmesser größer 110 mm durch Heizele­ mentstumpfschweißen verbunden. Die Schweißnahtprüfung vor der Inbetriebnahme der Rohrleitungsanlage erfolgt nach Empfehlung der DIN 16 963 und der DVGW G 477 vorwiegend durch Beaufschlagung des gefüllten Rohrleitungssystems mit Wasser mit dem 1,3 bis 1,5-fachen des vorgesehenen Betriebsdruckes. Diese Druckprüfungen sind Kurzzeitprüfungen und sagen nur aus, daß die Rohrleitung im Moment dicht ist und den erforderlichen Druck aushält. Sie sagen aber nichts über die Güte der Schweißverbin­ dung aus. Deshalb verlangen die Betreiber von Rohrleitungssystemen für Gas, Druck­ wasser und aggressive Medien zusätzlich eine Prüfung der Schweißnähte auf Schweißfehler und Wanddickenversatz. Dazu stehen nach DVS-Merkblatt 2206 die Prüfungen mit Ultraschall, mit Röntgenstrahlen und neuerdings auch mit Computerto­ mographie zur Verfügung. Diese Verfahren sind für die Prüfung von Kunststoffrohren sehr problematisch und erfordern einen erheblichen Prüfaufwand. Sie erfordern viel Zeit und sehr erfahrenes Personal. Das Problem des Kunststoffrohrleitungsbaues ist die bisher kaum vorhandene Möglichkeit der zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoff­ schweißverbindungen auf Baustellen.

Die heute am Markt befindlichen Elektro-Schweißfittings sind mit Schweißindikatoren ausgestattet, die eine quantitative Aussage ermöglichen, daß der Schweißprozeß statt­ gefunden hat. Dies sind hauptsächlich Schmelzepfropfen, die aus einer dafür vorgese­ henen Öffnung des Schweißfittings austreten. Eine qualitative Aussage über eine ho­ mogene, gleichmäßige Verbindung der gesamten Schweißfläche ist aber nicht möglich. Die nach DIN-Normen und DVGW-Regelblättern vorgeschlagenen Prüfungen - Sicht­ prüfung der Schweißnaht, Prüfung mit Ultraschall für die Fehlersuche in der Fügeebe­ ne, Röntgenprüfung zum Feststellen eingeschlossener Fehler - sind bei Rohren im Rohrgraben schwer oder nicht mehr anwendbar. Beim Schweißen mit Elektro- Schweißfittings ist der Schweißindikator zu kontrollieren.

Diese Forderungen sind bei geschweißten Rohren im Rohrgraben schwer zu erfüllen, da das Rohr nicht mehr gedreht werden kann.

Die Kompliziertheit einer Ultraschallprüfung wird schon dadurch klar, daß nachzuwei­ sende Fehler nur mit der jeweiligen optimalen Prüftechnik und Geräteausrüstung zu finden sind. Die nachweisbare Fehlergröße ist von der Tiefenlage des Fehlers und von der anwendbaren Prüffrequenz abhängig. Mit zunehmender Tiefenlage nimmt die Nachweisempfindlichkeit ab. Obwohl sich Prüfverfahren und Prüftechnik ständig ver­ bessert haben, ist es noch immer sehr schwierig, diese ursprünglich für Metallhalbzeu­ ge entwickelten Prüfverfahren auch für Kunststoffe anzuwenden. Nur erfahrene Prüfer schaffen es tatsächlich mit großem Aufwand, einige Fehlerarten in Kunststoffschweiß­ konstruktionen nachzuweisen. Dafür werden spezielle Ultraschallgeräte benutzt die wegen der hohen Dämpfung der Schallwellen in Kunststoffen wesentlich höhere Schalldrücke benötigen als für Metalle.

Die Röntgenprüfung wird bei Kunststoffhalbzeugen mit langwelligen Weichstrahlröhren durchgeführt, deren Strahlung etwa im Bereich der medizinischen Strahlung liegt. Diese Röhren haben ein Berylliumfenster und arbeiten im Bereich von 8-10 kV. Mit dieser Prüftechnik können Inhomogenitäten, Dichteunterschiede sowie Poren und Lunker festgestellt werden. Solche Fehler kommen aber in heizelementgeschweißten Rohr­ stumpfnähten höchst selten vor, sondern höchstens Bindefehler. Diese Bindefehler sind mit der Röntgenprüfung nur sichtbar, wenn sie mindestens 0,1 mm dick sind und in Strahlrichtung eine Längenausdehnung von mindestens 5-10% der Wanddicke besit­ zen.

Der hohe technische Aufwand der Röntgenprüfung und die ebenfalls geringe Fehlerer­ kennbarkeit bei Kunststoff-Schweißverbindungen stehen in einem schlechten Verhält­ nis. In der DVS 2206 werden deshalb mehrere Prüftechniken nebeneinander empfoh­ len, was den Prüfaufwand in Zeit und Kosten erheblich vergrößert.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches, schnelles und praxisnahes Prüfverfah­ ren zur zerstörungsfreien Prüfung von Rohrstumpfnähten an Kunststoffrohren zu schaffen, das auch auf Baustellen und in Rohrgräben einsetzbar ist, mit geringem Prüfaufwand arbeitet und das schon ein aussagefähiges Prüfergebnis über die Qualität der Schweißnaht unmittelbar während des Schweißvorganges liefert, dieses Prüfer­ gebnis visuell dokumentiert und es einem Prüfer aber auch nachträglich gestattet an einer Rohrschweißverbindung, insbesondere einer Elektromuffenschweißverbindung Schweißfehler zu erkennen.

Das erfindungsgemäße Prüfverfahren basiert auf Wärmeausbreitungsvorgängen in der Schweißzone und darauf, daß Fehlstellen einer Verbindung oder auch ein verminderter Querschnitt infolge Wanddickenversatz einen gestörten Wärmedurchgang durch den Querschnitt hervorrufen. Bei einer korrekten Schweißverbindung entsteht ein gleich­ mäßiges Wärmefeld am Umfang einer Elektromuffe mit zur Schweißzone parallel ver­ laufenden Isothermen. Der Schwerpunkt der kritischen Rohrschweißverbindungen liegt bei den Elektromuffenschweißverbindungen. Dort werden schwerwiegende, unkontrol­ lierbare und äußerlich nicht sichtbare Fehler gemacht.

Bei der modernen Heizelementstumpfschweißtechnik sind Bindefehler nahezu ausge­ schlossen, da die Schweißmaschine einen Technologieplan abarbeitet und den Schweißvorgang sofort unterbricht, wenn ein Prozeßschritt fehlerhaft ist. Fehler beim Heizelementstumpfschweißen entstehen hauptsächlich nur durch unzulässigen Wand­ dickenversatz. Eine visuelle Prüfung der Schweißnaht ist hier besser möglich, als beim Schweißen mit Elektroschweißmuffen.

Das Prüfverfahren zeigt erfindungsgemäß ein Isothermenbild wie eine Thermokamera, in dem wärmeempfindliche reversible oder irreversible Umschlagstoffe wie Thermocolo­ re oder Stoffe mit einem genau definiertem Schmelzpunkt ein Isothermenbild während der Schweißung abbilden. Die wärmeempfindlichen Umschlagstoffe können entweder direkt auf dem gesamten Umfang der Elektroschweißmuffe aufgebracht sein oder sie sind auf einem Indikatorträger aus Folie, Papier oder Vlies aufgebracht und dieser Indi­ katorträger mit dem Umschlagstoff wird mit einem dünnen Klebstoffilm oder selbstkle­ bend am gesamten Muffenumfang über den Heizwendeln aufgelegt. Durch den Schweißvorgang zeichnen sich nun auf der am gesamten Muffenumfang angebrachten Umschlagstoffbeschichtung oder dem Indikatorträger über den Heizwendeln rechts und links Isothermenfronten ab.

Sind diese Isothermenfronten parallel und gleich breit ist die Schweißung korrekt ver­ laufen und fehlerfrei und die Schweißbindung kann als gut bewertet werden. Die Breite der Isothermenfronten ist dabei ein Maß für die eingebrachte Energie.

Bei fehlerhafter Schweißung, z. B. bei einem unsauber geschnittenem Rohrende im Muffenstoß, sind die Isothermenfronten zu beiden Seiten der Heizwendel ungleich und die Schweißung kann durch den Schweißer sofort und vor Ort als fehlerhaft erkannt werden.

Das erfindungsgemäße Prüfverfahren zeichnet sich auch dadurch aus, daß die Prüfung jederzeit durch ein zweites Aufheizen der Elektroschweißmuffe mit einem definierten Prüfstrom, der ein Erweichen der Schweißverbindung aber ausschließt wiederholt wer­ den kann.

Der Indikatorträger wird nach erfolgter Schweißung vorsichtig und zusammenhängend vom Umfang der Elektroschweißmuffe abgenommen und kann den Schweißunterlagen als visueller Beleg für eine fehlerlose Schweißung beigefügt werden.

Zum Prüfen von Heizelementstumpfschweißnähten wird das Prüfverfahren in modifi­ zierter Form eingesetzt.

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 Fehlerfrei ausgeführte Elektroschweißmuffenschweißverbindung im Längsschnitt,

Fig. 2 Thermobild einer fehlerfrei ausgeführten Elektroschweiß­ muffenschweißverbindung,

Fig. 3 Fehlerhaft ausgeführte Elektroschweißmuffenschweißverbindung,

Fig. 4 Thermobild einer fehlerhaft ausgeführten Elektroschweißmuffen­ schweißverbindung.

Beim Heizwendelschweißen wird die der Elektroschweißmuffe zugeführte Energie von einem rechnergestützen Befehlssystem vollautomatisch geregelt und dosiert. Die In­ formationen für die fittingspezifischen Schweißparameter erhält das System unter Be­ rücksichtigung der Umgebungstemperatur von einem Barcode, der auf der Elektro­ schweißmuffe angebracht ist, und dessen Informationen mittels eines Laserstiftes in den Rechner eingelesen werden. Entsprechend der Symmetrie der Heizwendel beider Muffenseiten und der exakten Dosierung der elektrischen Energie durch das Steuerge­ rät entsteht beim und nach dem Heizvorgang in einer einwandfrei und fehlerfrei ausge­ führten Elektroschweißmuffenschweißverbindung (Fig. 1) ein symmetrisches Wärme­ feld. Dieses Wärmefeld ist thermographisch exakt nachweisbar, es verläuft ringförmig parallel zu den Stirnflächen der Elektroschweißmuffe. Seine Maximaltemperatur an der Elektroschweißmuffenoberfläche wird auf Grund der Wärmeleitfähigkeit erst nach Ab­ schluß der Heizzeit erreicht.

Das Wärmebild wird durch einen mit Tristearinpulver beschichteten Indikatorpapierstrei­ fen aufgezeichnet, welcher in engem Kontakt um die Muffe herumgelegt oder aufge­ klebt ist. Das Pulver besitzt einen Schmelzpunkt von 69°C.

Es entstehen auf dem Indikatorpapier zwei parallele Schmelzstreifen, deren Ränder die Isothermen von 69°C darstellen (Fig. 2). Unregelmäßigkeiten in der Schweißverbin­ dung, wie schräge Rohrstirnflächen (Fig. 3), eine unterschiedliche Einschubtiefe der Rohre in der Elektroschweißmuffe oder ein Verkanten der Rohre während der Heizzeit in der Muffe, führen zu ungleichen Wärmeverhältnissen in der Elektroschweißmuffe. Sie bilden sich auf deren Oberfläche als unsymmetrische Wärmefelder ab und kennzeich­ nen damit diese Fehler.

Der Indikatorstreifen einer solchen Schweißverbindung zeigt diese Unsymmetrie durch die unsymmetrisch verlaufenden Schmelzstreifen (Fig. 4).

Claims (3)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung stumpfgeschweißter Kunststoffrohre, dadurch gekennzeichnet, daß wärmeempfindliche reversible oder irreversible Um­ schlagstoffe wie Thermocolore oder Stoffe mit einem genau definiertem Schmelz­ punkt ein Isothermenbild während der Schweißung abbilden, daß die wärme­ empfindlichen Umschlagstoffe direkt auf dem gesamten Umfang der Elektro­ schweißmuffe aufgebracht sind oder auf einem Indikatorträger aus Folie, Papier oder Vlies aufgebracht sind und diese Indikatorträger mit oder ohne einem Klebstoffilm oder selbstklebend am gesamten Muffenumfang über den Heizwendeln aufgelegt sind, daß sich beim nachfolgenden Elektromuffenschweißen auf der Umschlagstoff­ beschichtung oder dem Indikatorträger mit Umschlagstoff über den Heizwendeln rechts und links Isothermenfronten abbilden, deren Parallelität Aufschluß über eine gute oder fehlerhafte Schweißung geben, daß parallel verlaufende und gleich breite Isothermenfronten eine fehlerfreie Schweißverbindung kennzeichnen und daß geo­ metrisch ungleiche Isothermenfronten eine fehlerhafte Schweißverbindung kenn­ zeichnen, wobei die Breite der Isothermenfronten ein Maß für die eingebrachte Energie ist.

2. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung stumpfgeschweißte Kunststoffrohre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prüfung beliebige Zeit nach dem Schweißen er­ folgen oder wiederholt werden kann, indem die Elektroschweißmuffe mit einem defi­ nierten Prüfstrom so erwärmt wird, daß ein Erweichen der Schweißverbindung aus­ geschlossen wird, aber ein mit den Umschlagstoffen sichtbar machbares Tempera­ turfeld auf der Elektroschweißmuffenaußenfläche entsteht.

3. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung stumpfgeschweißter Kunststoffrohre nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikatorträger nach erfolgter Schweißung vom Umfang der Elektroschweißmuffe abgenommen und als Beleg für eine fehlerlose Schweißung den Schweißunterlagen beigefügt werden kann.