Schallemissionsprüfung: Schäden an Druckbehältern früh erkennen

Druckbehälter, Rohrleitungen und Apparate in der Prozessindustrie stehen dauerhaft unter mechanischer, thermischer und chemischer Beanspruchung. Betreiber von Druckgeräten unterliegen deshalb der Pflicht zur wiederkehrenden Prüfung: Das Gesetz über überwachungsbedürftige Anlagen und die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) fordert, Mängel und Materialermüdung rechtzeitig zu erkennen und Beschäftigte wie Umfeld zu schützen. Aus diesen Vorgaben ergeben sich konkrete Anforderungen an Prüfumfang, Prüffristen und Dokumentation für Druckanlagen und ihre Teile. Hier spielt die Schallemissionsprüfung zunehmend eine Rolle.

Zu den etablierten zerstörungsfreien Prüfverfahren zählen Sicht-, Ultraschall-, Röntgen-, Druck- und Leckage-Prüfungen, die jeweils bestimmte Fehlerarten und Bauteilbereiche abdecken. Ihr gemeinsamer Nachteil: Sie erfassen den Zustand punktuell oder abschnittsweise und setzen häufig voraus, dass die Anlage entleert, gereinigt und zugänglich gemacht wird.

Ergänzend gewinnt daher die Schallemissionsprüfung (SEP) an Bedeutung, weil sie Risse und Rissbildung, Korrosion, Leckagen, plastische Verformung sowie Reibung nicht nur detektiert, sondern auch am Bauteil lokalisiert – und das über die gesamte überwachte Struktur hinweg. Damit lassen sich Schäden erkennen, bevor sie ein kritisches Stadium erreichen.

Für Anlagenbetreiber bedeutet das einen zusätzlichen Handlungsspielraum: Instandsetzungen können geplant statt reaktiv erfolgen, Stillstandszeiten verkürzen sich und die Bewertung des Bauteilzustands beruht auf messbaren Kenngrößen statt auf Erfahrungswerten.

Funktionsprinzip: Das Bauteil erzeugt den Schall selbst

Anders als bei der Ultraschallprüfung, bei der eine Schallwelle gezielt in das Material eingeleitet wird, setzt die SEP das Material des Behälters unter Last. In der Regel wird dazu das Eigenmedium – etwa ein Gas oder eine Flüssigkeit – bis zum gewünschten Prüfdruck eingeleitet. Das Gerät muss dafür häufig nicht entleert werden, was den zeitlichen, organisatorischen und wirtschaftlichen Aufwand deutlich reduziert.

Unter Druck geben Schäden wie Risse oder Leckagen Schallwellen im Ultraschallbereich in die Behälterwandung ab. Piezoelektrische Sensoren erfassen diese Signale: Ihre Kristalle aus Quarz oder Keramik erzeugen bereits bei kleinsten mechanischen Einwirkungen durch Druck oder Zug eine elektrische Spannung, die der Sensor als Messsignal ausgibt. Das Mess-System filtert daraus charakteristische Merkmale heraus – die maximale Amplitude als Moment des höchsten Schalldrucks, die Signalenergie, die Zeit von der Erkennung bis zum maximalen Ausschlag sowie die Signaldauer. Auf dieser Grundlage werden die Signale beurteilt und ausgewertet.

Da der Schall die einzelnen Sensoren zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreicht, lässt sich die Quelle über die Laufzeitdifferenz genau orten. Die Ortung ist entscheidend für die Bewertung: Ein Behälter dehnt sich unter Prüfdruck und kann dabei auf seinen Auflagern scheuern – auch dieses Geräusch nehmen die Sensoren wahr. Lässt es sich eindeutig zuordnen, ist schnell klar, dass kein Riss an einer kritischen Stelle wie einer Schweißnaht vorliegt. Durch die Platzierung ausreichend vieler Sensoren lässt sich der Behälter während der Prüfung zu 100 Prozent überwachen.

Einflussgrößen, Normen und Bewertungskriterien

Umgebungsgeräusche, Werkstoff, Wandstärke, Geometrie und Medium wirken sich unmittelbar auf das Prüfergebnis aus. Störgeräusche aus Leckagen können von Beginn an vorhanden sein oder erst unter Druckeinwirkung entstehen; ebenso müssen Auflagergeräusche und der Schall benachbarter Maschinen erkannt und abgegrenzt werden. Vor der Prüfung sind deshalb Ventile und Dichtungen zu kontrollieren und bei Bedarf nachzuziehen oder zu erneuern – andernfalls übertönen austretende Medien die deutlich leiseren Geräusche des Risswachstums.

Auch die Erkennung von Korrosion ist anspruchsvoll: Der chemische Prozess und das Abplatzen von Materialschichten sind zwar hörbar, aber leise. Sensoren mit niedriger Resonanzfrequenz erfassen diese Begleitgeräusche, reagieren dafür jedoch empfindlicher auf Umgebungseinflüsse wie Wind und Regen. Die Wandstärke bestimmt zusätzlich die Schallausbreitung: In dünnem Material breitet sich der Schall nahezu zweidimensional in X- und Y-Richtung aus, bei mehreren Zentimetern Wanddicke dagegen dreidimensional. Der Schall verläuft sich dann schneller, Reflexionen und Interferenzen nehmen zu – mehr Sensoren und eine sorgfältig geprüfte Ankopplung sind erforderlich. Flüssige Medien wie Wasser oder Öl dämpfen die Schallwelle stärker als gasförmige Inhalte und erhöhen den Sensorbedarf ebenfalls.

Keine konkreten Richtwerte

So unterscheidet sich die SEP deutlich von der Ultraschallprüfung, bei der Wanddicke und Echo- beziehungsweise Amplitudenhöhe über die Zulässigkeit einer Fehleranzeige entscheiden. Für die Schallemissionsprüfung bestehen keine konkreten Grenzwerte. Die Normen legen fest, welche Werte aufzuzeichnen und nach welchen Parametern die Signale zu beurteilen sind. Statt Schwellenwerten nennen sie Beispielwerte; hohe Amplituden mit hoher Energie gelten als wichtiger Anhaltspunkt und erfordern eine genauere Betrachtung.

Konkrete Richtwerte und interne Bewertungskriterien muss daher jede Prüforganisation selbst erarbeiten. Ein zugelassener Prüfbetrieb, dessen Personal nach EN ISO 9712:2022 qualifiziert ist, organisiert die Prüfung, hinterlegt in der Prüfsoftware ein Behältermodell mit den Sensorpositionen und dokumentiert die Ergebnisse. Eingesetzt wird die SEP als Sonderprüfverfahren für die Innenbesichtigung im Rahmen der inneren Prüfung oder für die hydrostatische Festigkeitsprüfung – und darüber hinaus als dauerhaftes Monitoring beanspruchter Bauteile und Strukturen.

Quelle: Fachzeitschrift „Chemie Technik“

Foto: Mey (KI)