„SCHALLEMISSIONSPRÜFUNG“

 

Theorie und Funktionsweise

Praxis


Die Schallemissionsprüfung (SEP) ist nicht neu. Schon seit Jahren werden mit ihr stationär betriebene oder auf Trailern montierte Druckgasbehälter geprüft. Das erspart gegenüber einer konventionellen Wasserdruckprüfung eine teure Demontage der Behälter und der Umwelt einen ebenso teuren Energieaufwand zur Trocknung sowie den hohen Wasserverbrauch durch die Druckprüfung selbst.

Die Schallemissionsprüfung ist im Grunde "ein Prüfverfahren das keines ist", denn die eigentliche Prüfung der Druckgasflasche ist die Druckprüfung mit dem Medium Gas.

Die Auswertung/Interpretation der dabei entstehenden Schallemissionen mit aufwändiger Elektronik und Datenverarbeitung dient zwar der Fehlererkennung bzw. deren Lokalisierung, die Fähigkeit der Druckgasflasche den Betriebsdruck zu erfüllen ist mit der Gasdruckprüfung im Prinzip aber schon bewiesen. Aber auch nur das.
Die Gasdruckprüfung alleine erlaubt keine Aussage über den tatsächlichen Zustand was verdeckte, nicht sichtbare Fehler betrifft. Dies ist auch der Grund weshalb bei der Wasserdruckprüfung eine genaue Inspizierung der inneren und äußeren Behälterwand notwendig ist.
Die Innenbesichtigung ist aber bei einer Gasdruckprüfung gar nicht möglich bzw. nicht vorgesehen.

Nur die Kombination aus Gasdruckprüfung und Schallemissionsauswertung erlaubt eine Beurteilung des Zustandes der Druckgasflasche und eine Voraussage der Betriebssicherheit für die angestrebte Prüffrist.
Um die technischen Möglichkeiten besser zu verstehen, nachfolgend einige Ausführungen zur Theorie und Funktionsweise der SEP (Text im dunklen Kasten). Der Vortrag stammt von Hartmut Vallen, Vallen-Systeme GmbH Icking (München) und ist ein Auzug von bereits veröffentlichtem Material zur Schallemissionsprüfung.

Zum Schluss folgt noch eine Praxisorientierte Beschreibung der SEP im Einsatz beim Gasproduzenten Messer Austria. In Zusammenarbeit mit dem TÜV-Österreich werden in der firmeneigenen Pilot-Anlage Druckgasflaschen wiederkehrend geprüft.

 

 

Theorie und Funktionsweise der SEP:

Wie Schallemission entsteht

Alle festen Materialien sind elastisch, d.h. sie dehnen oder stauchen sich unter Last und federn zurück, wenn man sie entlastet. Je höher die Last und Dehnung, umso höher die gespeicherte elastische Energie. Überwindet man die Elastizitätsgrenze, kommt es je nach Zähigkeit des Materials gleich zum Bruch (wenn sehr spröde) oder zur plastischen Verformung und nach entsprechender Dehnung zum Bruch.
Befindet sich in dem elastisch gedehnten Material ein Defekt, z.B. ein Schweißbindefehler, ein nicht- metallischer Einschluss, eine nicht vollständig verschweißte Gasblase, o. a., dann konzentrieren sich dort Spannungen und es entstehen Risse, die das Material lokal ruckartig entspannen. Es kommt zu einem kurzzeitigen Bewegungsstoß, einem Schallemissionsereignis, zur Ausbreitung einer elastischen Welle, die mit geeigneten Sensoren aufgenommen, verstärkt und analysiert werden kann.
Die Schallemissionsprüfung erkennt und interpretiert die akustischen Ereignisse aus solchen Rissvorgängen und kann sehr früh eine beginnende Schädigung in dem zu prüfenden Objekt erkennen, orten und anzeigen.
Ein kurzzeitiges, transientes Schallemissionsereignis, auch Burst oder Peak genannt, entsteht durch freigesetzte elastische Energie, einen lokalen Ruck, einen lokalen Bewegungssprung. Dieser lokale Ruck stößt die Umgebung an, die elastisch nachgibt und zurückfedert. So entsteht eine elastische Welle, die sich von der Quelle ausgehend fortbewegt - und auch nicht angehalten werden kann.
Mit einer relativ kleinen Zahl von Sensoren an festen Positionen kann eine Struktur zu 100% überwacht bzw. geprüft werden. Es ist nicht erforderlich, die Sensoren über das Prüfobjekt zu bewegen, um den Fehler zu suchen!

Die Schallemissionsprüfung verwendet (im Gegensatz zur Ultraschallmethode) keine akustische Anregung. Stattdessen muss das Prüfobjekt mechanisch belastet sein oder werden, damit bestehende Defekte wachsen bzw. sich bewegen und Schallemission erzeugen. Die Schallemissionsanalyse befasst sich mit Signalen, die durch den Defekt selbst entstehen und nicht beliebig reproduzierbar sind.

Schallemission entsteht in dem Moment, wenn der Defekt ein Stückchen wächst, oder wenn sich Rissufer reiben, z.B. wenn sich ein Riss bei Entlastung wieder schließt. Damit Schallemission entsteht, muss das Prüfobjekt meist über das normale Maß hinaus mechanisch belastet werden.
Die Schallemissionsanalyse bietet sich daher insbesondere dort an, wo ein Bauteil zur Prüfung ohnehin über das normale Maß hinaus belastet wird, z.B. bei der Druckprüfung von Behältern.
Die Schallemission "hört" die Defekte (nur) im Moment des Entstehens, was hier mit Echtzeitfähigkeit ausgedrückt sein soll. Auf Grund dieser Echtzeitfähigkeit kann die Schallemissionsprüfung auch zur Überwachung der Druckprüfung eingesetzt werden, um rechtzeitig vor einer beginnenden Zerstörung und einer Gefahr für Umwelt oder Prüfobjekt zu warnen.

 


 

 

Soweit die Theorie und nun zur Praxis:

In Herzogenburg, ca. 60km westlich von Wien werden, in Zusammenarbeit mit dem TÜV- Österreich, Gasflaschen nach dem Schallemissionsverfahren geprüft. Wie bei der schon bekannten Ultraschallprüfung gibt es auch bei diesem Verfahren große (Kosten-)Vorteile gegenüber der klassischen hydraulischen Prüfung mit Wasser (Wasserdruckprüfung). Der Druckgasbehälter wird nicht mit dem feuchten Medium „Wasser“ kontaminiert, was eine kostspielige Nachbehandlung des Flascheninneren erspart. Im Vergleich zur Ultraschallprüfung wird aber noch ein weiterer Vorteil offensichtlich.

Die Schallemissionsprüfung setzt als Grundlage eine Druckbeaufschlagung mit einem Gasförmigen Medium voraus, wodurch sich die eigentliche Prüfung schon beim Füllen der Gasflasche anbietet. Messer Austria betreibt gleich 2 spezielle Prüfräume mit der Möglichkeit jeweils 12 Gasflaschen gleichzeitig zu Prüfen.

Die Gasflaschen (Fülldruck 200bar) werden während der Prüfung bis auf einen Druck von 280bar gefüllt. Damit liegt man um 20bar unterhalb des Prüfdrucks bei der herkömmlichen Wasserdruckprüfung. (Der Berstdruck einer technisch einwandfreien 200bar Gasflasche liegt bei etwa 600bar)
Der Vorgang der Druckbeaufschlagung dauert bei einer 50l-Flasche in etwa 45-60 min. Da theoretisch jederzeit bei einer fehlerhaften Gasflasche ein kritischer Berstdruck erreicht werden kann wird sehr behutsam und vorsichtig der Druck erhöht. Dies geschieht aber auch um störende Strömungsgeräusche durch das druckübertragende Medium (dem Gas) zu vermeiden.
Die Prüfräume sind zur Sicherheit entsprechend massiv ausgeführt und dürfen während der Prüfung vom Prüfpersonal nicht betreten werden. Zur Ableitung einer beim Bersten entstehenden Druckwelle ist der Prüfraum nach oben hin offen. Die Deckenkonstruktion ist daher in einer Gitterbauweise ausgeführt welche das Ableiten ermöglicht. Bei Anzeichen eines Versagens der Gasflasche wird die Prüfung sofort gestoppt und die Gasflasche druckentlastet.

Die Auswertung der Schallemissionen ist elektronisch sehr aufwändig. So müssen anfallende Umgebungsgeräusche sowie andere störende äußere Einflüsse von den eigentlichen Peaks des Prüflings unterschieden und herausgefiltert werden. Die Empfindlichkeit der Sensoren ist sehr hoch. Um die Schallsensoren und Messsysteme zu kalibrieren wird eine Bleistiftmine der Härte H2 mit 0,5 mm Durchmesser und 3mm Länge gegen den Druckgasbehälter gedrückt bis diese bricht. Das ergibt dann einen deutlichen Peak im Messprotokoll der als Referenz dient. Der Bleistiftminentest ist eine effektive Methode zur Kalibrierung des Messsystems und auch explizite Vorgabe des Regelwerkes.

Für die unterschiedlichen Gasflaschentypen und Bauweisen (diverse Volumen, mit oder ohne Fußring, Vergüteter oder normalisierter Stahl usw.) gibt es unterschiedliche Schallcharakteristika die bei der Prüfung und Auswertung berücksichtigt werden müssen.
Um eine einwandfreie Ortung des gemessenen Fehlers zu gewährleisten sind an jeder Gasflasche zwei Schallsensoren angebracht. Einer im oberen und einer im unteren Bereich der Gasflasche.
Ist der erforderliche Prüfdruck erreicht wird dieser etwa 2min unter fortlaufender Überwachung gehalten. Nach Ablauf der Standzeit bei Prüfdruck, wird die Gasflasche auf den realen Betriebsdruck von 200bar entspannt. Alle fehlerhaft beurteilten Gasflaschen werden druckentlastet und vom weiteren Betrieb ausgeschlossen. Gasflaschen bei denen keine sicherheitsrelevanten Mängel entdeckt werden konnten stehen nun, fertig gefüllt und betriebsbereit, zur Auslieferung an den Kunden bereit.

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