Werkstoffprüfung für die Nuklearindustrie

Vor dem Hintergrund der Produktion, Speicherung und des Transports kritischer Medien wie Wasserstoff – der durch Versprödung erhebliche Anforderungen an Werkstoffe stellt – sowie LNG für globale Energieinfrastrukturen steigen die Anforderungen an Hochdruckbehälter, Rohrleitungen und sicherheitsrelevante Komponenten massiv. Anlagenbetreiber wie Evonik, Ineos, Air Liquide und Linde im Bereich Wasserstofftechnologien sowie Uniper und Shell im LNG-Umfeld fordern eine lückenlose, normkonforme Werkstoffprüfung mit höchster Datenintegrität. Gleichzeitig gelten vergleichbare Anforderungen in der Nuklearindustrie, wo sicherheitsrelevante Komponenten nur dann zugelassen werden, wenn Prüfungen nicht nur korrekt durchgeführt, sondern vollständig überwacht, dokumentiert und über Jahrzehnte nachvollziehbar archiviert werden.

Das Prüflabor GWQ mit Sitz in Moers ist eine Tochter der TÜV-Nord-Gruppe und Spezialist für die zerstörende und zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und verfügt aktuell über 50 Mitarbeiter. Das Unternehmen ist im Bereich der zerstörenden Werkstoffprüfung auf spezielle Anwendungsbereiche spezialisiert und unter anderem für Prüfungen im Bereich der Schweißtechnik (unter anderem AD 2000), Norsok-Standards (Offshore-Anwendungen), Gashochdruckanwendungen DVGW (zum Beispiel Verfahrensprüfung der Schweißnähte für Wasserstoffanbindungen und LNG-Terminals) zuständig. Seit etwa fünf Jahren erfüllt das Labor auch die Anforderungen des RCCM-Codes der Nuklearindustrie.

Für Framatome, ein französisches Unternehmen, das Kernkraftwerke entwickelt, baut und instand hält, führt GWQ neben den mechanisch technologischen sowie metallographischen Untersuchungen die klassische Werkstoffprüfung mit Zug- und Kerbschlagbiegeversuchen durch. Die verschiedenen Stahlgüten (Ferrit, Austenit und Duplex-Werkstoffe), die im Nuklearbereich Anwendung finden, werden für die jeweiligen Gefahrenbereiche Q1 bis Q3 geprüft. Ein aktuelles Projekt ist das Kernkraftwerk in Hinkley Point in Somerset, England, das aus zwei EPR-Reaktoren besteht.

Generell werden im Nuklearbereich nicht nur die Prüf- und Versuchsdaten, sondern auch das Restmaterial inklusive der geprüften Proben für mindestens 30 Jahre aufbewahrt. Die Bruchflächen der Proben werden speziell verpackt, vakuumiert und in einem Spezialdepot beim Kunden eingelagert. Hintergrund ist, dass im Falle von Störungen oder Problemen diese Rückstellmuster sowie Prüf- und Versuchsdaten zur Findung herangezogen werden können.

Nun wurde in der Vergangenheit bei internen Nachprüfungen seitens Framatome sowie EDF Energy festgestellt, dass Zugversuche und Kerbschlagbiegeversuche nicht normkonform durchgeführt wurden. „Bei der Pendelschlag-Werkprüfung hat ein Unternehmen vor Jahren falsche Zahlen weitergegeben. Deswegen schaut Framatome den Dienstleistern und Werkstoffprüflaboren genauer auf die Finger“, erklärt Wolfram Schütz, Geschäftsführer von Schütz+Licht Prüftechnik. Bei besagter Kerbschlagbiegeprüfung werden nun nicht nur der Arbeitsverbrauch in Joule beziehungsweise J/cm² ermittelt, sondern zusätzlich der Start- und Anstiegswinkel überwacht und dokumentiert.

Die Anforderungen an die Werkstoffprüfung sind massiv gestiegen: Das Unternehmen verlangt von den akkreditierten Prüflaboren genauere Ergebnisse, eine präzise Überwachung und Dokumentation der Versuche sowie ihre Reproduzierbarkeit. Das Prüflabor GWQ hat in enger Zusammenarbeit mit den Inspektoren sowie Kunden und Endkunden die Grundlagen über Jahre entwickelt und umgesetzt. Insbesondere die Erzeugung von sogenannten „Rohdaten“, also nicht veränderbaren Versuchsdaten aller Maschinen und Ergebnisparameter, stellten sich hier als Herausforderung dar. Die Lösung war eine aufwendige, manuelle Erzeugung im Nachgang. Im Zuge der Entwicklung wurden zusätzlich Features wie Kontrollfenster für Live-Geschwindigkeiten, Verfahrweg und deren jeweilige Umrechnungen entwickelt, um die Überwachungstätigkeit der Inspektoren zu erleichtern.

Eine weitere Vorgabe, insbesondere beim Zugversuch bei erhöhten Temperaturen (Warmzugversuch), war eine komplette Aufzeichnung der Aufheizraten. „Um die Anforderungen des RCC-M-Codes zu erfüllen, mussten wir das Konzept des Warmzugversuchs überdenken. Das Monitoring startet normalerweise erst beim Start des Zugversuches“, erklärt Laborleiter Michael Müller. Durch den Einsatz von zusätzlichen, extern kalibrierten Thermoelementen und einer entsprechenden Aufzeichnungsmöglichkeit konnte diese Anforderung ebenfalls umgesetzt werden.

Anfang 2024 wurde beim Prüf-Dienstleister beschlossen, den Maschinenpark um eine weitere Universalprüfmaschine zu erweitern. In diese Prüfmaschine sollten die oben genannten Entwicklungsschritte implementiert und im Idealfall automatisiert erfolgen und weitere Verbesserungsideen sollten ebenfalls einfließen. Die Zugprüfmaschine sollte entsprechend modifiziert werden, um die Versuche regelkonform durchführen zu können und gleichzeitig alle relevanten Daten zu erzeugen, die die nuklearen Regelwerke verlangen. Die Wahl fiel auf den Prüfmaschinenhersteller Galdabini und Schütz+Licht Prüftechnik.

Die Anforderungen

Die Universalprüfmaschine Quasar 600 steht nun seit Januar im Prüflabor und wurde innerhalb von sechs Monaten zur Verfügung gestellt. Die Maschine deckt die Werkstoffprüfung in einer besonders hohen Detailtiefe ab, über verschiedene Bauteile und Baugruppen hinweg. Zusätzlich wurden Sensoren eingebaut, um die Aufheizraten des Ofens zu überwachen. Darüber hinaus wurde die Software der Maschine angepasst, die ursprünglichen Prüfparameter-Anzeigen im Display von drei auf acht erweitert und die Exportmöglichkeiten für Daten erhöht.

Ein Zugversuch erzeugt nun eine Vielzahl von Diagrammen, etwa Kraft/Weg-, Spannung/Dehnung- oder Geschwindigkeitszunahme-Diagramme. Durch das integrierte Monitoring ist nun nachvollziehbar, dass im Versuch Regeltechnik und Geschwindigkeit eingehalten wurden. Die Aufheizrate beim Warmzugversuch kann mittels 100-%-Überwachung den Nachweis erbringen, dass kein Überschwingen der Temperatur stattgefunden hat, dass also während des Aufheizvorgangs die Prüftemperatur nicht überschritten wurde. Die Sachverständigen können sämtliche relevanten Prüf- und Verfahrensdaten einsehen und auswerten. Das Monitoring kann auf alle Versuchsarten wie Druck-, Biege und zyklische Versuche adaptiert werden: Dabei wird für eine lückenlose Dokumentation jeder Tastendruck und jeder Versuchspunkt aufgezeichnet.

Als Dienstleister führen Prüflabore für ihre Kunden Prüfungen in engen Fristen und Zeitrahmen durch, da die Prüfergebnisse meistens am Ende einer Produktions- oder Prozesskette ermittelt werden. Bei Problemen mit Prüfmaschinen sind diese somit auf einen guten Support angewiesen. Längere Stillstände können zu hohen Folgekosten wegen Prozess- oder Produktionsstillständen führen. „Viele Hersteller von Prüfmaschinen machen ein Ticket auf und der Support meldet sich irgendwann. In unserer Branche kommt es aber auf Schnelligkeit an. Bei Schütz+Licht kann ich den Chef persönlich anrufen, wenn nötig auch nachts um drei Uhr“, sagt Müller. Der Maschinenhersteller Galdabini teilt diesen Servicegedanken und schickt bei Bedarf Techniker aus Mailand nach Deutschland.

Die Vorteile

Alle Mitarbeiter von GWQ können die Maschine bedienen, was die Betreiber auch unter Vertretungsgesichtspunkten zu schätzen wissen. Die Prüfmaschine punktet bei den Nutzern mit einer guten Bedienfähigkeit: „Die Software ist benutzerfreundlich und selbsterklärend – auch wenn neue Module hinzukommen“, erklärt Müller. Bei anderen Maschinen musste GWQ nach einem Update das Team erneut in der Benutzung schulen, weil nicht sofort klar war, wie man als Beispiel die Proben dokumentiert, Daten eingibt und Prüfpunkte startet und stoppt.

Ein weiterer Vorteil gerade für die Zusammenarbeit mit der französischen Framatome: Mit einer Taste kann die Sprache der Benutzeroberfläche umgestellt werden. „Der Sachverständige kann dann alle Schritte in seiner Muttersprache nachvollziehen“, schildert Müller. Außerdem ist es möglich, die Oberfläche individuell anzupassen. 

Insgesamt konnte GWQ mit der neuen Maschine zwei Welten vereinen: jene der normalen Prüfansprüche und jene der hochqualitativen und anspruchsvollen Nuklearindustrie. Daten können nun für jeden Kunden in der Qualität der Nuklearstandards aufgezeichnet werden. „Das bedeutet für unsere anderen Kunden einen Qualitätssprung und für uns einen Vorsprung gegenüber dem Wettbewerb. Wir haben unser Labor massiv weiterentwickelt.“

Bei Bedarf kann jeder Versuchsablauf nachvollzogen werden: Taucht in der Regeltechnik der Maschine ein unerwarteter Peak oder ein Fehlerwert auf, erlauben es die Daten, die Ursache zu finden. Sämtliche Fragen während der Prüfungen können auf Basis der umfangreichen Rohdaten beantwortet werden, die den Sachverständigen in vollem Umfang zur Verfügung gestellt werden – das wiederum verkürzt die Zeit, die für Fragen anfällt, und hilft auch bei Reklamationen, da man auf eine lückenlose Dokumentation verweisen kann.