volumetrische vor-ort-prüfung von stumpf- geschweißten und

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AbstractMany of the defects that can get into the joint when welding polyethylene pipesin the field, such as airborne dust, grease, dirt, fingerprints or cold welds cannotbe detected by simply looking at the completed joint. In order to detect these typesof defect, a volumetric inspection technique is required.This paper describes a new phased array ultrasonic inspection system and associ-ated procedures that have been developed specifically for the on-site inspectionof butt fusion and electrofusion joints in polyethylene pipes. Also described are anumber of case studies where this system has been used, both in the field and ina factory environment, and the current work to develop international standardson the volumetric inspection of polyethylene pipe joints.

KurzfassungViele der Fehler, die in die Verbindungstelle beim Schweißen von Polyethylenroh-ren gelangen können, wie Staub aus der Luft, Fett, Schmutz, Fingerabdrücke, oderkalte Schweißstellen können nicht einfach nur durch das Betrachten der fertigenVerbindung entdeckt werden. Um diese Defekte ausfindig machen zu können, isteine volumetrische Prüftechnik notwendig.Die vorliegende Arbeit beschreibt ein neues Phased-Array-Ultraschallprüfsystemund die damit verbundenen Verfahren, die speziell für die Vor-Ort-Prüfung vonStumpfgeschweißten und Heizwendelgeschweißten Verbindungen bei Polyethy-lenrohren entwickelt wurden. Außerdem werden sowohl einige Fallstudien beschrie-ben, bei denen dieses System im Vor-Ort-Einsatz und in Fabrikumgebung verwen-det wurde, als auch das aktuelle Wirken an internationalen Normen für die volu-metrische Prüfung von Verbindungen bei Polyethylenrohren.

Volumetrische Vor-Ort-Prüfung von Stumpf-geschweißten und Heizwendelgeschweißten Verbindungen bei PolyethylenrohrenOn-site Volumetric Inspection of Butt Fusion andElectrofusion Joints in Polyethylene Pipes

1. EinleitungPolyethylen (PE) bietet bedeutende Vor-teile gegenüber anderen Werkstoffenwie Gusseisen, Stahl, Kupfer und Betonbeim Transport von Flüssigkeiten. Siekorrodieren nicht und haben eine län-gere Lebensdauer was dazu führt, dasssie weniger oft ausgetauscht werdenmüssen. Durch das geringe Gewicht unddie hohe Flexibilität sind sie günstigerin der Montage und sie haben einewesentlich geringere Leckage im Ver-gleich zu vollverschweißten Systemen.Ihre Verwendung in sicherheitskriti-schen Umgebungen, beispielsweise alsKühlwasser-Einlassleitungen in Kern-kraftwerken wird hingegen dadurch ver-hindert, dass es noch keine nachgewie-sen sichere und zerstörungsfreie Prüf-methode (ZfP) für die Schweißverbin-dungen gibt. Das aktuelle Verfahren zur Qualitätssi-cherung von Stumpfgeschweißten undHeizwendelgeschweißten Nähten wäh-rend der Montage sieht die Aufzeich-nung der verwendeten Schweißpara-meter, eine optische Prüfung derSchweißnaht und eine kurzzeitigeBeaufschlagung mit Wasserdruck vor.

1. IntroductionPolyethylene (PE) pipes offer signifi-cant advantages over other materialssuch as cast iron, steel, copper andconcrete for the transportation of flu-ids. They do not corrode and have alonger predicted service life leading toless frequent replacement, they areless expensive to install due to theirlight weight and flexibility, and theyhave significantly lower leakage ratesdue to having an all-welded system.However, their use in safety criticalenvironments, such as cooling waterintake pipework in nuclear power sta-tions, is being restricted by the lack ofa proven, reliable non-destructive test-

ing (NDT) method for the weldedjoints.The current practice for assuring thequality of butt fusion (BF) and electro-fusion (EF) joints in PE pipes duringinstallation is by recording the weldingparameters used, together with a visu-al inspection of the welded joint and ashort-term hydrostatic pressure test,supplemented by the destructive test-ing of joints on a sample basis using ashort-term test on specimens cut fromthe joint. However, visual inspection canonly examine the external surface of thepipe joint; it cannot provide evidence ofembedded flaws or cold welds. Also,previous work at TWI [1,2] has suggest-ed that the hydrostatic pressure test willonly cause BF and EF joints to fail if theycontain gross defects. In addition, if adefect exists in a welded joint there isonly a small chance that it will be includ-ed in a specimen that has been cut formechanical testing. Finally, mechanical-ly testing a joint and then replacing itwith one of unknown quality does notensure the integrity of the pipeline.Volumetric NDT can provide a completeanalysis of the whole joint and does not

Ergänzt wird dies durch eine zerstören-de Prüfung von Proben in Form einesKurzzeittests, welche aus den Schweiß-nähten herausgetrennt werden. Eineoptische Prüfung kann jedoch nur Auf-schluss über die Oberfläche einer Rohr-schweißnaht geben, Belege für das Vor-handensein von Fehlstellen oder kaltenSchweißstellen im Innern liefert sienicht. Bisherige Arbeiten am TWI [1, 2]deuten darauf hin, dass der Wasser-drucktest nur bei groben Mängeln zumVersagen von stumpfgeschweißten undheizwendelgeschweißten Nähten führt.Sollte die Verbindung einen Fehlerhaben, ist es zudem unwahrscheinlich,dass dieser sich auch in der für die

Dr. Mike Troughton and Dr. Fredrik Hagglund, TWI Ltd, United Kingdom

Dr. Mike TroughtonProfil: www.fuegen-von-kunststoffen.de/?q=306933profile: www.joining-plastics.info/?q=306933

[email protected]

Dr. Fredrik HagglundProfil: www.fuegen-von-kunststoffen.de/?q=306934profile: www.joining-plastics.info/?q=306934

Fachbeiträge Peer-reviewed Papers

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mechanische Prüfung herausgetrenntenProbe befindet. Zu guter Letzt gewähr-leistet die Prüfung einer Verbindung nichtdie Intaktheit der gesamten Rohrleitungwenn sie letztendlich durch eine mitunbekannter Güte ersetzt wird. Die volumetrische ZfP kann eine voll-ständige Untersuchung der gesamtenSchweißnaht liefern und zerstört dabeinicht die völlig intakten Schweißnähte.Zudem ist es die einzige Methode, diedie Möglichkeit bietet, die Intaktheit allerSchweißnähte in einem PE Leitungssys-tem sicherzustellen. Jedoch muss nochnachgewiesen werden, dass durch dieZfP alle möglichen Arten von Fehlernnachgewiesen werden können, die dieIntaktheit der Rohrleitung reduziert.

2. Mögliche Fehler in stumpfge-schweißten und heizwendelge-schweißten Nähten in PE-RohrenDa PE-Rohre üblicherweise vor Ort ver-legt werden, ist die Wahrscheinlichkeitfür das Auftreten von Fehlern in den Ver-bindungen relativ hoch. Die möglichenFehler werden folgend aufgelistet:◾ Fehlausrichtung der Verbindungsstel-

le: eine axiale Fehlstellung der Roh-re beim Stumpfschweißen kann durchfalsche Klemmung in der Schweiß-vorrichtung oder durch eine Ovalitätder Rohre verursacht werden. EineFehlstellung beim Heizwendelschwei-ßen kann dadurch entstehen, dass dieRohre während des Schweißvorgangsnicht eingeklemmt waren. Glückli-cherweise können beide Mängeldurch die optische Begutachtung derSchweißnaht erkannt werden.

◾ Mangelhafte Vorbereitung der Roh-re: beim Stumpfschweißen kann fal-sches Abhobeln zu einer Stufe imRohrende führen, welche eine man-gelhafte Schweißnaht verursachenkann. Auch dies kann durch eine opti-sche Prüfung erkannt werden. Wennbeim Heizwendelschweißen die Ober-fläche der Rohre nicht abgeschabtworden ist, bevor es in die Muffegeschoben wird, sollte dies bei deroptischen Prüfung auffallen. Wennjedoch das Abschaben mangelhafterfolgte und nicht abgeschabte Berei-che übrig bleiben wird dies bei Prü-fung der Verbindung wahrscheinlichnicht auffallen.

◾ Unterschiedliche Fehler auf der Ober-fläche: diese Fehler können beim

Stumpf- und beim Heizwendelschwei-ßen auftreten. Sie können durch Fin-gerabdrücke verursacht werden, diebeispielsweise durch das versehent-liche Berühren der Rohrenden beimEntfernen der Späne nach dem Trim-men beim Stumpfschweißprozessoder beim Berühren des abgehobel-ten Rohrs beim Heizwendelschweiß-prozess entstehen können. AuchSchweiß- oder Regentropfen auf derSchweißoberfläche, wenn derSchweißvorgang nicht wasserge-schützt sein sollte, führen zu solchenFehlern. Diese Fehler können nichtdurch optische Prüfung erkannt wer-den.

◾ Partikel: in trockenen, windigen Umge-bungen wird Staub aus der Luft oderfeiner Sand von der PE-Rohroberflä-che angezogen. Beim Stumpfschwei-ßen können diese Partikel währenddes Schweißvorgangs auf diegeschmolzene Fläche oder auf dieHeizplatte gelangen. Beim Heizwen-delschweißen kann Schmutz auf dieabgehobelte Fläche gelangen, bevordas Rohr in die Muffe gelegt wurde.Dies passiert bevorzugt in schlammi-gen Gräben. Auch diese Fehler könnenicht durch optische Prüfung erkanntwerden.

◾ Zu kleine Schweißzone: beim Heiz-wendelschweißen können sich, wenndie Rohre nicht geklemmt wurden, dieRohrenden voneinander weg bewe-gen, was durch axiale Kräfte währenddes Schweißvorganges verursachtwird. Dies bedeutet, dass die Rohresich nicht vollständig in der Muffebefinden. Dieser Fehler kann nur durchoptische Prüfung entdeckt werden,wenn die Position der Muffe auf denRohren markiert wurde.

◾ Kalte Schweißstellen: Diese entstehendurch unvollständige oder nur teilwei-se Verschmelzung, verursacht durchunzureichendes Eindringen der Mole-külketten und durch Cokristallisationan der Grenzfläche. Dies führt zueinem Sprödbruchverhalten beimUnterziehen einer Festigkeitsprüfung.Kalte Schweißstellen können beimStumpfschweißen auftreten, wenn derSchweißprozess bei kalten und win-digen Bedingungen ohne passendeSchutzvorrichtung durchgeführt wirdund beim Heizwendelschweißenwenn eine große Lücke zwischen Rohrund Muffe durch beispielsweise Ova-

destroy perfectly good joints. It is there-fore the only method that has the poten-tial to ensure the integrity of theinstalled joints in a PE pipeline. Howev-er, in order to do this, the NDT techniquemust be proven to detect all possibletypes of flaws that reduce the integrityof the joint.

2. Potential flaws in butt fusionand electrofusion joints in PEpipesSince PE pipes are normally installedin the field there is a significant poten-tial for flaws to occur in the weldedjoints. The potential flaws that mayoccur are listed below.◾ Joint misalignment: axial misalign-

ment of the pipes in a BF weld canbe caused by incorrect clamping inthe welding machine or pipe ovali-ty. Angular misalignment in EF weldscan result if the pipes are notclamped during the welding process.Fortunately, both of these imperfec-tions can be detected by visualexamination of the welded joint.

◾ Poor pipe preparation: in BF welds,incorrect planing could result in astep at the pipe end, which wouldgenerate an irregular weld bead. Thisagain can be detected by visualexamination. In EF welds, if the pipesurface has not been scraped beforeinserting the pipe into the fittingthen this should be detected by visu-al examination. However, if thescraping has been carried out poor-ly, leaving unscraped areas then thiswould not be detected by visualexamination of the completed joint.

◾ Discrete planar flaws: these types offlaws can exist in both BF and EFjoints. They can be caused by finger-prints, i.e. touching the pipe endsaccidentally while removing swarfafter the end of the trimming stageduring the BF process or touchingthe scraped pipe surface during theEF process; perspiration falling onthe surfaces to be welded; or raindroplets, if the welding operation isnot protected from the weather.These types of flaw cannot bedetected by visual examination.

◾ Particulates: in dry, windy environ-ments airborne dust or fine sand isattracted to the surface of PE pipes.In BF welding, this can get on to themolten pipe ends during the heater

plate removal stage and can alsoget on to the heater plate itself. InEF welding, dirt can get on to thescraped pipe surface before the pipeis inserted into the fitting, especial-ly in wet and muddy trenches.Again, these types or flaw cannotbe detected by visual examination.

◾ Pipe under-penetration: in EF joints,if the pipes are not clamped duringthe welding operation they can movedue to axial loads, which means thatthey are not fully inserted into the fit-ting. This type of flaw can only bedetected by visual examination if theend of the EF fitting is marked on thepipes before welding.

◾ Cold welds: these are due to incom-plete or partial fusion caused byinadequate molecular chain pene-tration and co-crystallization at theinterface, resulting in a brittle fail-ure mode when subjected to a short-term mechanical test. Cold weldscan occur in BF joints if the weldingoperation is carried out in cold,windy conditions without adequateprotection of the welding operationand can occur in EF joints if there isan excessive gap between the pipeand fitting due to, for example, pipeovality, or if the heating cycle is ter-minated prematurely.

3. Development of phasedarray ultrasonic testing techni-ques for PE pipesThe BF and EF joint types require verydifferent inspection techniques. Thetechniques used for both types of jointsare shown in Figure 1.The inspection technique for EF jointsis a 0-degree linear scan, focusing onthe fusion zone between the fitting andthe pipe; see Figure 1(a). The most crit-ical factors for the inspection of EF jointsare the coverage and the resolution. Thefusion zone is normally located belowthe heating wire and sufficient resolu-tion for inspection between the turns ofwire is required. Generally, the resolu-tion increases with increasing frequen-cy. However, PE is a highly attenuatingmaterial and attenuation increasesapproximately with a power factor withfrequency [3]. Therefore, the frequencyneeds to be low for larger, thicker fit-tings to achieve sufficient propagationdistance of the sound. Fortunately, inlarger EF fittings, the wire diameter and


lität besteht, oder wenn der Heizzy-klus vorzeitig beendet wird.

3. Entwicklung von Phased-Array-Ultraschallunter-suchungsverfahren für PE-RohreDie Stumpf- und die Heizwendelschweiß-nahtarten erfordern sehr unterschiedli-che Untersuchungsmethoden. Die Ver-fahren, die für beide Schweißnahtartenverwendet wurden, sind in Bild 1 zusehen.Die Untersuchungsverfahren für Heizwen-delschweißverbindungen bestehen auseinem 0°-linear-Scan mit Bündelung aufdie Verbindungszone zwischen Muffe undRohr, (Bild 1a). Die entscheidenden Ein-flussfaktoren sind der Erfassungsbereichund die Auflösung. Die Verbindungszoneliegt normalerweise unter dem Heizdraht.Für eine Untersuchung zwischen denDrahtwindungen wird eine ausreichendhohe Auflösung benötigt. Allgemein steigtdie Auflösung mit steigender Frequenz.Jedoch ist PE ein sehr stark dämpfendesMaterial und die Dämpfung steigt unge-fähr mit einem Leistungsfaktor zur Fre-quenz [3]. Deshalb muss die Frequenz beigrößeren, dickeren Muffen niedrig sein,damit sich die Schallwellen ausreichendweit ausbreiten können. Glücklicherwei-se sind der Drahtdurchmesser und derDrahtabstand bei größeren Heizwendel-schweißmuffen ebenfalls größer, sodassdie Auflösung immer noch ausreichendist. Um die Verbindungszone von kleine-ren Rohren zu untersuchen, werden Son-den mit einer höheren Frequenz benötigt,da dort Drahtdurchmesser und Drahtab-stand wesentlich kleiner sind. Für die Untersuchung von Stumpf-schweißverbindungen werden zwei unter-schiedliche Verfahren verwendet, Sektor-Impuls-Echo und Kriechwellen, Bild 1b.Die Methoden ergänzen sich hinsichtlichdes Erfassungsbereichs. Die Sektor-

Impuls-Echo-Methode verwendet alle Ele-mente in der Sondenanordnung, um eineÖffnung zu erzeugen. Das Schallbündelwird um einen gewissen Winkelgeschwenkt, um einen Großteil derSchmelzzone abzudecken, mit Ausnah-me weniger Millimeter hin zur Außensei-te. Das Kriechwellenverfahren wurde ent-wickelt, um den Bereich bis zur Außen-seite abzudecken, welcher vom Sektor-Impuls-Echo-Verfahren nicht abgedecktwird. Für die Kriechwellenverfahren wirdein Sektor-Scanner mit großen Winkelnverwendet, welcher Druckwellen erzeugt,die sich sofort unter die zu untersuchen-de Oberfläche ausbreiten, um Fehler aufder Oberfläche und Fehler in Oberflächen-nähe (beispielsweise innerhalb wenigermm unterhalb der Außenseite) zu erken-nen.

4. Entwicklung des PrüfsystemsEin Phased-Array-Ultraschallprüfsystembesteht aus einer Vielzahl von Kompo-nenten:◾ einer Phased-Array-Sonde, die den

Ultraschall erzeugt und die von jederFehlstelle reflektierten Schallwellenauffängt,

◾ einem Winkelprüfkopf, der den Ultra-schall im richtigen Winkel und mit

•

Bild 1: (a) Linear Scan für Heizwendelschweißverbin-dungen; (b) Sektor (hell) Kriechwellen (dunkel) Scans fürStumpfschweißverbindungen

Figure 1: (a) Linear scan for EF joints; (b) Sector (light)and creeping wave (dark) scans for BF joints

Tabelle 1: Eigenschaften der Sonden Table 1: Properties of the probes

Verbindung Größe des Rohrs Frequenz der Sonde, MHz Anzahl der ElementeJoint Type Pipe size Probe frequency, MHz No. of probe elements

Stumpfgeschweißt kleinbutt fusion joint small 4 32

großlarge 2 64

Heizwendelgeschweißt kleinelectrofusion joint small 5 128

großlarge 3.5 128

the wire spacing are also normallylarger so the resolution is still suffi-cient. For smaller pipes both the wirediameter and spacing get smaller, anda probe with a higher frequency isrequired to be able to inspect thefusion zone. For the inspection of BF joints two dif-ferent techniques are used; sectorpulse-echo and creeping wave; see Fig-ure 1b. The techniques are complemen-tary in terms of coverage. The sectorpulse-echo technique uses all the ele-ments in the probe array to create anaperture, sweeping the beam over arange of angles to cover most of thefusion zone, except for a few millime-tres close to the outer surface. Thecreeping wave technique is designedto cover the region close to the outersurface, which is the part of the weldnot covered by the sector pulse-echotechnique. The configuration for thecreeping wave technique uses a highangle sector scan, producing compres-sion waves propagating immediatelyunder the inspection surface, to detectsurface-breaking and near-surfacedefects (i.e. within a few millimetresof the outer surface).

4. Development of the inspecti-on systemA phased array ultrasonic inspection sys-tem consists of a number of components:◾ A phased array probe, which produces

the ultrasonic signal and detects thereflected signals from any flaw in thejoint.

◾ A probe wedge, which ensures thatthe ultrasound is transmitted from theprobe into the PE pipe or fitting at thecorrect angle and with the minimalloss of energy.

◾ A probe holder, which ensures goodcontact between the probe wedgeand the PE pipe/fitting around thewhole circumference of the joint.

◾ A scanner, which carries the probeassembly around the pipe joint with-out any movement in the axial direc-tion and records its circumferentialposition.

◾ A flaw detector, which sends electri-cal signals to the probe elements andanalyses the returning signals.

4.1 Phased array probesAs mentioned previously, PE is a high-ly attenuating material for ultrasoundand therefore the probes have to bedesigned specifically for this material.It was found that, in order to inspectBF and EF joints of diameters between90 mm and 800 mm, a minimum offour different probes are required(Table 1).

4.2 Probe wedgesTo perform the inspection on plasticpipes, novel membrane water wedgeshave been designed and manufactured.The advantages of using a water wedgeare low attenuation and a velocity ratioenabling the steering of angled beams.



minimalem Energieverlust in das PE-Rohr oder in die Muffe leitet,

◾ einer Sonden-Halterung, die den ord-nungsgemäßen Kontakt zwischendem Winkelprüfkopf und dem PE-Rohr/der Muffe entlang des gesam-ten Umfangs sicherstellt,

◾ einem Scanner, der die Baugruppeohne jegliche Axialbewegung entlangder Verbindung der Rohre führt unddie Position entlang des Umfangsspeichert,

◾ einem Prüfgerät, welches elektrischeSignale an die Sondenelemente sen-det und die zurückkehrenden Signa-le auswertet.

4.1 Phased-Array-SondenWie schon zuvor erwähnt ist PE ein imUltraschallbereich hochdämpfendesMaterial. Deshalb müssen die Sondenspeziell für diesen Werkstoff konstruiertwerden. Es stellte sich heraus, dass fürStumpf- und HeizwendelgeschweißteRohre mit Durchmessern zwischen 90mm und 800 mm mindestens vier ver-schiedene Sonden benötigt werden(Tabelle 1).

4.2 WinkelprüfkopfUm die Prüfung auf Kunststoffrohrendurchführen zu können, müssen neuar-tige, wassergefüllte Winkelprüfköpfe miteiner Membran entwickelt und herge-stellt werden. Die Vorteile eines wasser-gefüllten Winkelprüfkopfs sind die gerin-ge Dämpfung und ein Geschwindig-keitsverhältnis, das die Lenkung desSchallbündels entlang eines Winkelsermöglicht. Einige der zusammenge-bauten Prüfkopf/Vorlaufkeil-Einheitensind in Bild 2 dargestellt. Für das Stumpfschweißen wurde derWinkel der Vorlaufkeile optimiert, umdie elektronische Steuerung durch dieSondenelemente zu minimieren. Für dasHeizwendelschweißen werden 0°-Vor-laufkeile benötigt. Die Membran bestehtaus einem flexiblem Material, die sichdem Rohr anpasst und die das Wasserinnerhalb des Vorlaufkeils hält.

4.3 Scannersystem undSondenhalterungDas Scannersystem, welches speziell fürdie Prüfung von Schweißnähten von PE-Rohren entwickelt und hergestellt wur-de, ist anpassungsfähig und kann anverschiedene Rohrgrößen und Schweiß-arten angepasst werden. Es umfasst

eine Hauptplatte, die durch Glieder umdas Rohr in Position gehalten wird undeinen Verstellmechanismus (Bild 3). DieHauptplatte umfasst den Inkrementral-geber, der die Winkeländerung um dieVerbindungssteller herum erfasst undaußerdem stützt sie die Probenhalte-rung. Die Prüfkopf/Vorlaufkeil-Einhei-ten verwenden dieselbe Probenhalte-rung für beide Verbindungsarten, beiRohrdurchmessern über 90 mm.

4.4 PrüfgerätFür die Phased-Array-Ultraschallprü-fung werden Prüfgeräte verwendet, wel-che Hardware und Software beinhalten,um die Prüfungen durchzuführen. Für

Some of the probe/wedge assembliesare shown in Figure 2.For the BF welds, the angle of thewedges was optimised to minimize theelectronic steering by the probe ele-ments. For the EF welds, 0° wedges arerequired. The membrane is a flexiblematerial adapting to the pipe and fit-ting surfaces, and contains the water inthe wedge.

4.3 Scanning system and probeholdersThe scanning system, specificallydesigned and manufactured for inspect-ing PE pipe joints, is flexible and adapt-able for the different pipe sizes and joint

types. It comprises a main plate that isheld in position around the pipe by sev-eral links and an adjustment mecha-nism (Figure 3). The main plate containsthe encoder, which records the circum-ferential position around the joint, andalso the support for the probe holders.The probe/wedge assemblies for the twodifferent joint configurations use thesame probe holder, for all pipe diame-ters above 90 mm.

4.4 Flaw detectorPhased array ultrasonic testing usesarray controllers containing hardwareand software to conduct the inspections.For on-site deployment, a number ofportable systems are available. The basicrequirements for a flaw detector suit-able for inspecting PE pipe joints is aninstrument supporting 128 elementphased array transducers, addressing32 elements at the same time.

5. Assessment of the inspectionsystem5.1 In the laboratoryFor the inspection system to be valuableto the industry, all relevant defects needto be detected. For this reason, the sys-tem and associated procedures havebeen evaluated in the laboratory on over200 welded PE pipe joints, with diam-eters between 180 and 710 mm, con-taining artificial flaws. The reason forusing artificial flaws was because, inorder to determine the limits of detec-tion of the NDT technique and to deter-mine the critical size or concentrationof flaw that reduces the joint integrity,it is necessary to know the exact loca-tion, size and quantity of each flaw type.

The artificial flaws used were:◾ Aluminium discs, 25 μm thick, to sim-

ulate discrete planar flaws. Previouswork at TWI has shown that, as far asultrasonic NDT is concerned, thinmetallic discs are good simulations ofreal lack of fusion in PE pipe joints [4].

◾ Micronised talc, particle size < 45 μm,to simulate fine particulates.

◾ Graded silica sand, particle size 150-300 μm, to simulate coarse particu-lates.

Figures 4 and 5 show ultrasonic imagesof a 225 mm EF joint containing a 2 mmdiameter aluminium disc and where thepipe has not been fully inserted into thecoupler (pipe under-penentration),

Bild 2: Prüfkopf/Vorlaufkeil Einhei-ten: (a) und (b) 5-MHz-Sonde ineinem 0°-Vorlaufkeil mit Wasserund Membran, für die Prüfung vonHeizwendelschweißverbindungenmit kleinen Durchmessern (c) und(d) 4-MHz-Sonde in einem Vorlauf-keil mit Winkel, für die Prüfung vonStumpfschweißverbindungen mitkleinen Durchmessern

Figure 2: Probe/wedge assemblies:(a) and (b) 5 MHz probe in a 0°membrane water wedge, used forthe inspection of small diameter EFjoints; (c) and (d) 4 MHz probe in anangled water wedge, used for theinspection of small diameter BFjoints

Bild 3: Das Scansystem: (a) für Heiz-wendelschweißverbindungen (b) fürStumpfschweißverbindungen

Figure 3: The scanning system : (a)for EF joints ; (b) for BF joints


die Implementierung vor Ort steht eineVielzahl von tragbaren Geräten zur Ver-fügung. Damit ein Prüfgerät für die Prü-fung von PE-Rohren verwendet werdenkann, müssen die Phased-Array-Senso-ren 128 Elemente besitzen und 32 Ele-mente gleichzeitig adressieren können.

5. Beurteilung des Prüfsystems5.1 Im LaborUm das Prüfsystem in der Industrie ein-setzen zu können, müssen alle relevan-ten Fehler entdeckt werden. Deshalbwurden das System und die damit ver-bundenen Abläufe im Labor an über200 geschweißten PE-Rohrverbindun-gen, mit Durchmessern zwischen 180mm und 710 mm mit künstlich erzeug-ten Fehlern ausgewertet. Mithilfe derkünstlich erzeugten Fehler können dieGrenzen der ZfP ermittelt werden unddie kritische Größe als auch die Kon-zentration von Fehlern bestimmt wer-den, die Einfluss auf die Stabilität derVerbindung haben. Es ist notwendig,die genaue Position, die Größe und dieAnzahl jedes Fehlertyps zu wissen.Die künstlich erzeugten Fehler waren:◾ Aluminiumplättchen mit 25 µm

Dicke, um flache Fehler nachzustel-len. Vorherige Arbeiten am TWIhaben gezeigt, dass dünne Metall-plättchen bei zerstörungsfreier Ultra-schallprüfung echte Fehler in PE-Schweißverbindungen gut nachbil-den [4].

◾ Zerkleinerter Talk, Partikelgröße < 45µm, um feine Schmutzpartikel zusimulieren,

◾ Quarzsand, Partikelgröße 150 µm bis300 µm, um grobe Schmutzpartikelzu simulieren.

Bild 4 und 5 zeigen Ultraschallbildereiner 225 mm Heizwendelschweißnaht,die ein 2 mm Aluminiumplättchen ent-hält und bei der das Rohr nicht voll-ständig in das Verbindungsstück gelegtwurde (zu geringe Eindringtiefe insRohr). Beide Fehlerarten können klarerkannt werden. In Bild 6 sind eine Standard-450-mm-Heizwendelschweißnaht und eine kal-te Verschweißung zu sehen, bei der dieHeizzeit um 50% im Vergleich zur Emp-fehlung des Herstellers reduziert wur-de. Es zeigte sich, dass die Linie ober-halb der Heizdrähte die Grenze derSchmelzzone der Heizwendelschweiß-muffe bildet [5]. Der Abstand zwischender Grenze der Schmelzzone und dem

zone boundary indication and the indi-cations from the heating wire can there-fore be used to detect cold welds [5-7].Figure 7 shows an ultrasonic image ofa 225mm EF joint containing sand con-tamination and Figure 8 shows a sectorpulse-echo image from a 355mm BFjoint containing a 4 mm planar flaw atthe fusion interface. Again, both of theseflaw types can be detected.

The results of the trials in the laborato-ry showed that the inspection systemcould detect the following defects con-sistently, in both BF and EF joints:◾ Planar flaws, lack of fusion and voids,

down to 1mm diameter.◾ Fine and coarse particulates.◾ Cold welds.◾ Pipe under-penetration in EF joints.The impact of these defects on both theshort and long-term performance of thejoint was also assessed using mechan-ical testing, in order to develop flawacceptance criteria.

5.2 In the factoryPE pipework that was to be installedin a UK power station was inspectedin the factory in Rotherham, UK beforebeing delivered. The pipes had diame-ters between 450 and 630 mm andwall thicknesses between 36 and 60mm. In total, 88 butt fusion weldedjoints were inspected (Figure 9).Figure 10a shows a sector scan imageat one location around one of the pipeswhere there was an indication in thejoint. The circumferential position ofthe indication was marked on the pipeand the joint was subsequently cut outand the section containing the weldwas trimmed in a butt fusion machine.The shavings were then analysed forany imperfections at the location of theindication. Figure 10b shows a photo-graph of the shaving at the location ofthe indication, revealing a flaw in thejoint.

5.3 In the fieldInspections have been carried out in thefield in the UK and overseas. Figure 11ashows the equipment being used toinspect a 710 mm EF joint in North Wales,for a pipeline being installed for a hydro-electric power station and Figure 11bshows an inspection being carried outon a 250 mm EF joint in a gas pipelinein Sheffield, UK.

Bild 4: Ultraschallbild einer 225-mm-SDR11-HM-Verbindung, miteiner 2-mm- Aluminiumscheibe ander Grenzfläche der Verschmelzung

Figure 4: Ultrasonic image of a 225mm SDR11 EF joint containing a 2mm aluminium disc at the fusioninterface

Heizdraht kann wiederum verwendetwerden, um kalte Schweißnähte zuidentifizieren [5–7].Bild 7 zeigt ein Ultraschallbild einer225-mm-Heizwendelschweißnaht mitVerschmutzungen durch Sand. Bild 8zeigt ein Sektor-Impuls-Echo-Bild einer355- mm-Stumpfschweißnaht miteinem 4 mm großen, flachen Fehler ander Grenzfläche. Auch diese beiden

respectively. Both types of flaw canclearly be detected. Figure 6 shows images from a standard450 mm EF joint and a cold weld, wherethe heating time was reduced to 50%of the manufacturers recommended val-ue. The line indication above the heat-ing wires has been shown to be theboundary of the melt zone in the EF fit-ting [5]. The distance between the melt

Bild 5: Ultraschallbild einer 225-mm-SDR11-Heizwendelschweißver-bindung mit zu geringer Eindring-tiefe ins Rohr

Figure 5: Ultrasonic image of a 225mm SDR11 EF joint with pipeunder-penetration

flacher Fehler an derSchmelzgrenzflächeIndication from planar flaw atfusion interface

RohrPipe

Indication from inside of EF fitting due to pipeunder-penetration

Inneres einer HM Verbindung mit zu geringerEindringtiefe in das Rohr

HeizdrahtIndications fromheating wire

HM MuffeEF fitting

kalte Stelle imInnern

Internal cold zone



Fehlerarten können erkannt werden.Die Ergebnisse des Testlaufs im Laborhaben gezeigt, dass das Prüfsystem fol-gende Fehler beim Stumpf- und Heiz-wendelschweißen zuverlässig erkennt:◾ flache Fehler, fehlerhafte Verschmel-

zung und Poren bis zu 1 mm Durch-messer,

◾ feine und grobe Schmutzpartikel◾ kalte Schweißstellen,◾ zu geringe Eindringtiefe beim Heiz-

wendelschweißen.Die Auswirkungen dieser Fehler aufdas kurzeitige und das langfristige Ver-halten der Verbindung wurden eben-falls durch mechanische Prüfung beur-teilt, auch um Kriterien für Fehlertole-ranzen entwickeln zu können.

Bild 7: Ultraschallbild einer 225-mm-SDR11-Heizwendelschweißver-bindung, die Quarzsand enthält

Figure 7: Ultrasonic image of a 225mm SDR11 EF joint containing gra-ded silica sand

Bild 6: Ultraschallbilder (a)einer Standard 450-mm-SDR17-Heizwendelschweiß-verbindung; (b) einer 450-mm-SDR17-Heizwendel-schweißverbindung, bei derdie Hitze um 50% reduziertwurde, was zu einer kaltenSchweißstelle führte

Figure 6: Ultrasonic imagesof: (a) a standard 450 mmSDR17 EF joint (b) a 450 mmSDR17 EF joint where theheating time was reduced by50%, resulting in a cold weld

Bild 8: Ultraschallbild einer 355-mm-SDR11-Stumpfschweißverbin-dung, die einen 4 mm großen, fla-chen Fehler an der Grenzfläche derSchweißung enthält

Figure 8: Ultrasonic image of a 355mm SDR11 BF joint containing a 4mm planar flaw at the fusion inter-face

Grenze derSchmelzzoneIndication from boundary of melt zone

Sand an der Grenzflächeder Schweißung

Indication from sand atfusion interface

5.2 Im WerkPE-Rohrleitungen, welche in einemKraftwerk im Vereinigten Königreichinstalliert werden sollten, wurden imWerk in Rotherham geprüft bevor sieausgeliefert wurden. Die Rohre hatteneinen Durchmesser zwischen 450 mmund 630 mm und eine Wanddicke zwi-schen 36 mm und 60 mm. Insgesamtwurden 88 stumpfgeschweißte Verbin-dungen geprüft (Bild 9).Bild 10a zeigt ein Sektor-Scan-Bild aneiner Stelle an einem Rohre, bei dem eseinen Hinweis für einen Fehler in derVerbindung gab. Die Position des mög-lichen Fehlers am Umfang wurde aufdem Rohr markiert und die Verbindungwurde anschließend herausgetrennt und

Figure 12 shows the locations of someof the 30 BF and EF joints that wereinspected in Milan city centre. The pipediameters ranged from 90 to 315 mm.After completion of the inspections,some of the joints were cut out and sec-tioned based on the inspection reports.Figure 13 shows a typical correlationbetween the section and the ultrason-ic image.

6. Standards DevelopmentThe work carried out by TWI on thedevelopment of phased array ultra-sonic inspection techniques for PEpipes is being used as input into twonew ISO Technical Reports being devel-oped in the Working Group ISO/TC138/

SC5/WG17 (Plastics Pipes, Fittings andValves – Alternative Test Methods). Thedraft Technical Report ISO/DTR 16943(Inspection of electrofusion socketjoints using the phased array ultrason-ic testing method) was approved inNovember 2014 and should be pub-lished this year, and the draft Techni-cal Report on the inspection of buttfusion joints using the phased arrayultrasonic testing method is currentlybeing reviewed by the Working Group.In addition, TWI is providing input intothe ASME BPV Code Section III Manda-tory Appendix XXVI (Rules for con-struction of Class 3 buried polyethyl-ene piping) on the NDT of PE pipejoints.

flacher Fehler an der Gren-zfläche der Schweißung

Indication from a planar flaw atthe fusion interface

innere SchweißraupeIndication from the internal weld

bead


in der Stoßschweißmaschine abgeho-belt. Die Späne wurden dann auf allemöglichen Fehler an der auffälligen Stel-le untersucht. Bild 10b zeigt ein Fotodes Spans der auffälligen Stelle, jetzt istder Fehler in der Verbindung zu erken-nen.

5.3 Vor OrtEs wurden Vor-Ort-Prüfungen im Verei-nigten Königreich und in Übersee durch-geführt. Bild 11a zeigt die Ausrüstungzur Prüfung einer 710-mm-Heizwendel-schweißverbindung im Norden vonWales für eine Rohrleitung eines Was-serkraftwerks und Bild 11b zeigt einePrüfung an einer 250-mm-Heizwendel-

Bild 9: Prüfung einer 630-mm-stoßgeschweißten-Ver-bindung von PE-Rohren imWerk

Figure 9: Inspection of 630mm butt fusion joints in PEpipes in the factory

Bild 10: (a) Sektor-Scan Bildeiner der Stumpfschweißun-gen mit Hinweis auf einenFehler in der Verbindung, (b)Foto eines Querschnittesdurch die Verbindung an derdurch den Ultraschall ent-deckten Stelle

Figure 10: (a) Sector scanimage of one of the BFwelds indicating a defect inthe joint; (b) photograph ofa section through the jointat the location of the ultra-sonic indication

Bild 11: Vor-Ort-Prüfungenin: (a) Nord Wales und (b)Sheffield, UK

Figure 11: Field inspectionsin: (a) North Wales and (b)Sheffield, UK

Literatur References

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schweißte Verbindungen von PE-Roh-ren mit Außendurchmessern von 90 mmbis 800 mm und Wanddicken von 8 mmbis 65 mm in Laborversuchen und in Vor-Ort-Prüfungen entwickelt und ausge-wertet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zei-gen, dass:◾ sowohl Heizwendel- also auch

Stumpfschweißverbindungen erfolg-reich vor Ort geprüft werden können,ausgegraben oder in den Gräben.

◾ eine erste Auswertung einer jedenVerbindung unmittelbar nach derPrüfung erfolgen kann und mansomit sofortige Rückmeldung erhält,um Verbindungen auf dieser Grund-lage außer Betrieb nehmen zu kön-nen.

◾ eine hervorragende Korrelation zwi-schen den Prüfergebnissen und denanschließend herausgetrennten Pro-ben besteht.

7. ConclusionsA phased array ultrasonic NDT systemfor the inspection of both EF and BFjoints in PE pipes, with outer diametersranging between 90 and 800mm, andwall thicknesses between 8 and 65mm,has been developed and evaluated, bothin laboratory trials and during on-siteinspections. The results of this work haveshown that:

◾ Both EF and BF joints in PE pipes canbe successfully inspected on-site inexcavations or in trenches.

◾ Initial analysis of each joint can begiven immediately after inspection forimmediate feedback and joints canbe taken out of service based on thisanalysis.

◾ There is excellent correlation betweeninspection results and the subsequent-ly sectioned samples.

Bild 12: Rohrleitungen,die an zwei unterschied-lichen Ausgrabungsstel-len in Mailand geprüftwurden

Figure 12: Pipelines thatwere inspected at twodifferent excavations inMilan city centre

Bild 13: (a) Fotoeiner gebroche-nen Verbindungeiner 315-mm-Heizwendel-schweißung; (b)CScan Bild der-selben Stelle vordem Trennen (a)

Figure 13: (a)Photograph ofthe fracturedinterface of a315 mm EF joint;(b) C-scan imageof the same areabefore sectio-ning

schweißverbindung einer Gaspipelinein Sheffield, UK.Bild 12 zeigt einige von 30 Stellen inMailand wo Stumpf- und Heizwendel-schweißverbindungen geprüft wurden.Die Durchmesser der Rohre betragenzwischen 90 mm und 315 mm. Nach derPrüfung wurden einige Verbindungenauf Grundlage von Prüfberichten heraus-getrennt und Querschnitte gemacht. Bild13 zeigt eine typische Übereinstimmungzwischen herausgetrenntem Elementund dem Ultraschallbild.

6. Entwickeln von NormenDie Arbeit des TWI über die Entwicklungvon Phased-Array-Ultraschallprüfverfah-ren für PE-Rohre wird als Vorlage für zweineue ISO-Fachberichte verwendet, wel-che in der Arbeitsgruppe ISO/TC138/SC5/WG17 (Kunststoffrohre, Muffen und Ven-tile – Alternative Prüfverfahren) erarbei-tet werden. Der Entwurf des FachberichtsISO/DTR 16943 (Prüfung von heizwen-delgeschweißten Verbindungen mit demPhased-Array-Ultraschallprüfverfahren)wurde im November 2014 verabschiedetund sollte in diesem Jahr veröffentlichtwerden. Der Entwurf des Fachberichtsüber die Prüfung stumpfgeschweißterVerbindungen mit dem Phased-Array-Ultraschallprüfverfahren wird derzeit vonder Arbeitsgruppe überprüft. Darüberhinaus leistet das TWI einen Beitrag fürdie „ASME BPV Code Section III Manda-tory Appendix XXVI“ (Regeln für den Bauvon unterirdischen Klasse-3-Polyethylen-Rohren) für die ZfP von PE-Rohrverbin-dungen.

7. ZusammenfassungEs wurde ein Phased-Array-Ultraschall-prüfsystem zur ZfP für sowohl Heizwen-delgeschweißte als auch Stumpfge-

volumetrische vor-ort-prüfung von stumpf- geschweißten und

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