WO2008031387A1 - Wirbelstrom-verfahren zur zerstörungsfreien qualitätskontrolle mechanisch verfestigter oberflächen austenitischer stahlrohre - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for non-destructive quality control, in particular by shot peening mechanically bonded surfaces of austenitic steel tubes, according to the preamble of claim 1.
- Austenitic steel tubes the z. B. are used as heat exchanger tubes in power plants, subject to high thermal and occasionally high chemical and mechanical stresses. Such steels are therefore characterized in particular by a high strength at elevated operating temperatures.
- the inner surface is cold worked by shot peening with similar material to the pipe inner wall, whereby deformation martensite formed and a grain refinement combined with an increased grain boundary density is achieved.
- the quality control of shot blasted tube inner surfaces of austenitic steel tubes is done so far usually via a destructive test indirectly via a hardness measurement on cut out of the tube samples.
- AIs quality criterion is z. B. specified that starting from the pipe inner surface to a depth of 40 microns, a hardness increase of 100 HV1 must be achieved.
- the disadvantages of such a quality inspection are obvious. The quality inspection of the pipes can only be carried out on a random basis outside the production chain of the pipe and, for reasons of a continuous production flow as possible. Possible quality deficiencies that occurred between the samples are therefore not recognized. Also quality defects after shot peening are not immediately recognized, which increases the rate of rework.
- the object of the invention is to provide a method for non-destructive quality control, in particular by shot blasting mechanically bonded surfaces of austenitic steel tubes, which on the one hand quality assured a 100% examination allowed and on the other hand can be integrated into a continuous manufacturing process.
- the main object is achieved by using the eddy current test for quality control and evaluating, as an identifying feature of the solidification, the eddy current signals of the ferromagnetic martensite produced during solidification.
- a time-varying magnetic field is impressed on an electrically conductive test body to be tested with a test probe arrangement via an applied alternating current, by means of which eddy currents are induced.
- the latter generate a magnetic opposing field which induces signal voltages in the probe assembly.
- This provides an output signal that is influenced in amplitude and phase by the material properties of the specimen.
- the amplitude and phase change of the eddy current signals correlates directly with the proportion of ferromagnetic martensite formed during the hardening of the austenite.
- the measured eddy current signals are changed differently in their amplitude and phase and can be assigned to the degree of solidification so clearly.
- the effect known as “skin effect” is utilized in that the penetration depth of the eddy current into the material increases with decreasing frequency, that is, the degree of solidification in the wall thickness direction can be determined and supplied to a threshold value calculation.
- the set frequencies between 6Hz and 8 kHz.
- the advantage of the eddy current test in comparison to the quality control over hardness measurements performed so far is that this test can be easily, easily and inexpensively integrated into the manufacturing process and allows a documented 100% control of the pipes.
- the test is carried out in the so-called spooling process. Any quality defects that have occurred will be detected promptly, so that corrective measures can be taken immediately. This significantly reduces the rework rate and reduces production costs.
- Another advantage is that it reduces the number of complaints and increases customer satisfaction.
- a control signal is derived from the comparison of the setpoint-actual measuring signals in the measuring and evaluation unit, the z. B. is fed to a sorting or marking, are sorted out in the not properly shot peened tubes or marked, which can then be fed to a rework station.
- a control signal is passed to the spherical radiating device which corrects the process parameters.
- a pipe 1 shot on the pipe inside is transported by a measuring coil 3 in the direction of the arrow 6, the actual values identifying the pipe 1 being passed on to a measuring and evaluation unit 5 in the form of measuring signals.
- the multi-frequency or M ultifrequenz- Wirbelstromprüfvon is used here, with which the degree of prefabrication can be determined in the wall thickness direction.
- the measurement signals of comparison measurements made on a reference tube 2 with a reference measuring coil 4 are stored as nominal values in the measuring and evaluation unit 5, so that a desired-actual comparison can be carried out.
- a control signal is derived in the measuring and evaluation unit 5, the z.
- a sorting or marking device not shown here. tion, in which not properly ball-blasted pipes are sorted out or marked, which can then be fed to a rework station.
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Abstract
Verfahren zur zerstörungsfreien Qualitätskontrolle durch Kugelstrahlen mechanisch verfestigter Oberflächen austenitischer Stahlrohre, bei dem der Grad der Verfestigung identifizierender Merkmale ermittelt und mit denen eines Referenzrohres verglichen werden dadurch, dass zur Qualitätskontrolle die Wirbelstromprüfung verwendet wird und als identifizierendes Merkmal der Verfestigung die Wirbelstromsignale des bei der Verfestigung entstehenden ferromagnetischen Martensits ausgewertet werden.
Description
WIRBELSTROM-VERFAHREN ZUR ZERSTÖRUNGSFREIEN QUALITÄTSKONTROLLE MECHANISCH VERFESTIGTER OBERFLÄCHEN AUSTENITISCHER STAHLROHRE
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Qualitätskontrolle, insbesondere durch Kugelstrahlen mechanisch verfestigter Oberflächen austenitischer Stahlrohre, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Austenitische Stahlrohre, die z. B. als Wärmetauscherrohre in Kraftwerken verwendet werden, unterliegen hohen thermischen und fallweise hohen chemischen und mechanischen Beanspruchungen. Derartige Stähle zeichnen sich deshalb insbesondere durch eine hohe Festigkeit bei erhöhten Einsatztemperaturen aus.
Zur Verbesserung des Oxidationsverhaltens, insbesondere zur Begünstigung des Aufbaus chromreicher Oxidschichten anstelle eisenreicher Oxidschichten, wird die Innenoberfläche durch Kugelstrahlen mit artgleichem Werkstoff an der Rohrinnenwand kaltverformt, wodurch Verformungsmartensit gebildet und eine Kornfeinung verbunden mit einer erhöhten Korngrenzendichte erzielt wird.
Diese Effekte bewirken einerseits eine Erhöhung der Härte, die zur Prozesskontrolle herangezogen wird, und erhöhen außerdem die Diffusionsgeschwindigkeit von Chrom im oberflächennahen Bereich im Rohrinnern. Diese Vorteile können beispielsweise bei Rohren die als Überhitzerrohre im Kessel kohlebefeuerter Kraftwerke eingesetzt werden genutzt werden.
Die Qualitätskontrolle von kugelgestrahlten Rohrinnenoberflächen austenitischer Stahlrohre geschieht dabei bislang üblicherweise über eine zerstörende Prüfung indirekt über eine Härtemessung an aus dem Rohr herausgeschnittenen Proben.
Die Härtesteigerung in den verfestigten Werkstoffen wird dabei als Kriterium für den Grad der Verfestigung herangezogen.
AIs Qualitätskriterium wird z. B. vorgegeben, dass ausgehend von der Rohrinnenoberfläche bis zu einer Tiefe von 40 μm eine Härtesteigerung von 100 HV1 erreicht sein muss. Die Nachteile einer solchen Qualitätsprüfung liegen auf der Hand. Die Qualitätsprüfung der Rohre kann nur außerhalb der Fertigungskette des Rohres und aus Gründen eines möglichst kontinuierlichen Fertigungsflusses auch nur stichprobenartig durchgeführt werden. Mögliche Qualitätsmängel, die zwischen den Stichproben aufgetreten sind, werden daher nicht erkannt. Auch Qualitätsmängel nach dem Kugelstrahlen werden nicht sofort erkannt, wodurch die Quote der Nacharbeit steigt.
Die zerstörende Qualitätsprüfung über Härtemessungen ist deshalb einerseits sehr zeit- und kostenaufwendig, andererseits unter Fertigungs- und Qualitätssicherungsaspekten verbesserungswürdig.
Zwar sind grundsätzlich zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Qualitätskontrolle gestrahlter Oberflächen bekannt (US 4,893,490, DE 36 15560 A1 , DE 100 55 974 C1 , DE 103 32 713 B3), diese geben aber keine Angaben über Möglichkeiten den Grad der Verfestigung in Wanddickenrichtung zu ermitteln und sind schwer oder gar nicht in den laufenden Ferti- gungsprozess integrierbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Qualitätskontrolle insbesondere durch Kugelstrahlen mechanisch verfestigter Oberflächen austenitischer Stahlrohre anzugeben, welches einerseits qualitätssicher eine 100%-ige Prüfung erlaubt und andererseits in einen kontinuierlichen Fertigungsprozess integrierbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Hauptaufgabe dadurch gelöst, dass zur Qualitätskontrolle die Wirbelstromprüfung verwendet wird und als identifizierendes Merkmal der Verfestigung, die Wirbelstromsignale des bei der Verfestigung entstehenden ferromagnetischen Martensits ausgewertet werden.
Bei der an sich bekannten Wirbelstromprüfung von Werkstoffen wird einem zu prüfenden, elektrisch leitfähigen Prüfkörper mit einer Prüfsondenanordnung über einen angelegten Wechselstrom ein zeitlich veränderliches Magnetfeld aufgeprägt, durch das Wirbelströme induziert werden.
Letztere erzeugen ein magnetisches Gegenfeld, das Signalspannungen in der Prüfsondenanordnung induziert. Diese liefert ein Ausgangssignal, das in Amplitude und Phase durch die Materialeigenschaften des Prüfkörpers beeinflusst wird.
Bei umfangreichen Untersuchungen zum Einsatz der Wirbelstromprüfung bei der Qualitätskontrolle kugelgestrahlter Oberflächen an austenitischen Stahlrohren hat sich überraschend herausgestellt, dass die Amplituden- und Phasenveränderuπg der Wirbelstromsignale unmittelbar mit dem Anteil des bei der Verfestigung des Austenits entstehenden ferromagne- tischen Martensits korreliert. Je nach Größe des Martensitanteils werden dabei die gemessenen Wirbelstromsignale in ihrer Amplitude und Phasenlage unterschiedlich verändert und lassen sich so eindeutig dem Grad der Verfestigung zuordnen.
Unter vorteilhafter Verwendung des Mehrfrequenz-Wirbelstromverfahrens ist es danach möglich, nicht nur eine GUTVSCHLECHT-Aussage bei der Auswertung der gemessenen Signale zu erhalten, sondern es ist ebenfalls möglich, eine quantitative Charakterisierung im Sinne einer Schwellwerteinhaltung durchzuführen, was die Nacharbeitsquote zusätzlich senkt.
Hierbei wird der unter „Skin-Effekt" bekannte Effekt ausgenutzt, dass die Eindringtiefe des Wirbelstroms in den Werkstoff mit kleiner werdender Frequenz zunimmt, d. h., es ist der Grad der Verfestigung in Wanddickenrichtung ermittel- und einer Schwellwertberechnung zuführbar.
Vorteilhaft liegen die eingestellten Frequenzen zwischen 6Hz und 8 kHz.
Der Vorteil der Wirbelstramprüfung im Vergleich zur bislang durchgeführten Qualitätskontrolle über Härtemessungen liegt darin, dass diese Prüfung einfach, problemlos und kostengünstig in den Fertigungsprozess integrierbar ist und eine dokumentierte 100%-ige Kontrolle der Rohre zulässt. Hierbei erfolgt die Prüfung im so genannten Spulendurchlaufverfahren. Eventuell aufgetretene Qualitätsmängel werden zeitnah detektiert, so dass Abhilfemaßnahmen unmittelbar eingeleitet werden können. Wodurch die Nacharbeitsquote deutlich verringert und die Fertigungskosten gesenkt werden.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass so die Zahl der Reklamationen gesenkt und die Kundenzufriedenheit gesteigert wird.
Zur Beurteilung der gemessenen Wirbelstromsignale ist es erforderlich, diese mit den Signalen eines Referenzrohres zu vergleichen. Hierzu wird zunächst ein Abgleich der Härtemessungen mit den charakteristischen Wirbelstromsignalen an Gutrohren vorgenommen und
diese Referenzsignale mit den ermittelten Schwellwerten einer Mess- und Auswerteeinheit zugeführt.
Um Einflüsse, beispielsweise aus unterschiedlicher Legierungszusammensetzung oder elektrischer Leitfähigkeit, auf die Wirbelstromsignale auszugleichen, ist es vorteilhaft, zunächst an verschiedenen Chargen Referenzmessungen durchzuführen und den daraus gebildeten Mittelwert als Vergleichssignal heranzuziehen. Mit der Mittelwertbildung können die üblichen Schwankungsbreiten der das Werkstück charakterisierenden Merkmale besser erfasst werden, wodurch die Aussagegenauigkeit der Messergebnisse verbessert wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird aus dem Abgleich der Soll-Ist-Mess- signale in der Mess- und Auswerteeinheit ein Steuersignal abgeleitet, das z. B. einer Sortieroder Markiereinrichtung zugeleitet wird, in der nicht ordnungsgemäß kugelgestrahlte Rohre aussortiert oder markiert werden, die dann einer Nacharbeitsstation zugeführt werden können.
In einer weiter verbesserten Ausführung des Verfahrens wird bei einer festgestellten Abweichung der Ist-Werte von den Soll-Werten ein Steuerungssignal an die Kugelstrahleinrichtung geleitet, das die Prozessparameter korrigiert.
Das erfϊndungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand einer schematischen Darstellung in der einzigen Figur näher erläutert.
Im Prüfabschnitt einer nicht näher dargestellten Fertigungsstraße wird ein an der Rohrinnenseite kugelgestrahltes Rohr 1 durch eine Messspule 3 in Richtung des Pfeils 6 transportiert, wobei die das Rohr 1 identifizierenden Ist-Werte in Form von Messsignalen an eine Mess- und Auswerteeinheit 5 weitergegeben werden.
Vorteilhaft wird hier das Mehrfrequenz- oder M ultifrequenz- Wirbelstromprüfverfahren eingesetzt, mit dem der Vorfertigungsgrad in Wanddickenrichtung ermittelt werden kann.
Die Messsignale von an einem Referenzrohr 2 mit einer Referenz-Messspule 4 durchgeführten Vergleichsmessungen werden als Soll-Werte in der Mess- und Auswerteeinheit 5 abgespeichert, so dass ein Soll-Ist-Abgleich vorgenommen werden kann.
Aus dem Abgleich der Soll-Ist-Messsignale wird in der Mess- und Auswerteeinheit 5 ein Steuersignal abgeleitet, das z. B. einer hier nicht dargestellten Sortier- oder Markiereinrich-
tung zugeleitet wird, in der nicht ordnungsgemäß kugelgestrahlte Rohre aussortiert oder markiert werden, die dann einer Nacharbeitsstation zugeführt werden können.
Bezugszeichenliste
Claims
1. Verfahren zur zerstörungsfreien Qualitätskontrolle, insbesondere durch Kugelstrahlen mechanisch verfestigter Oberflächen austenitischer Stahlrohre, bei dem der Grad der Verfestigung identifizierender Merkmale ermittelt und mit denen eines Referenzrohres verglichen werden dadurch gekennzeichnet, dass zur Qualitätskontrolle die Wirbelstromprüfung verwendet wird und als identifizierendes Merkmal der Verfestigung die Wirbelstromsignale des bei der Verfestigung entstehenden ferromagnetischen Martensits ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Qualitätskontrolle kontinuierlich durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass für die Wirbelstromprüfung das Mehr- oder Multifrequenz- Verfahren eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Beurteilung der gemessenen Wirbelstromsignale anhand von zuvor ermittelten Schwellwertsignalen erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, dass die eingestellten Frequenzen zwischen 6 Hz und 8 kHz liegen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5 dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Abgleich der Soll-Ist-Messsignale ein Steuersignal abgeleitet wird, welches der Steuerung einer Sortier- oder Markiereinrichtung zugeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6 dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Abgleich der Soll-Ist-Messsignale ein Steuersignal abgeleitet wird, welches zur Steuerung der Prozessparameter der Kugelstrahleinrichtung verwendet wird.
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