Prüfverfahren und Qualitätssicherung bei Durchflussmessern

Die Prüfverfahren und Qualitätssicherung bei Durchflussmessern spielen insbesondere bei kritischen Anwendungen eine wichtige Rolle, beispielsweise bei hohen Betriebsdrücken, gefährlichen oder aggressiven Medien sowie in sicherheitsrelevanten Anlagen.
Abhängig von den Einsatzbedingungen, den geltenden Vorschriften und den Anforderungen des Betreibers werden geeignete Prüfungen durchgeführt, um die Qualität, Festigkeit und Dichtheit der Bauteile sicherzustellen und mögliche Fertigungsfehler frühzeitig zu erkennen.

Dazu werden Messrohre, Gehäuse, Schweißnähte, Flansche und weitere Komponenten je nach Bauart und Einsatzbereich auf mögliche Materialfehler, Undichtigkeiten und Abweichungen von den geforderten Werkstoffeigenschaften geprüft. Hierfür kommen unterschiedliche zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP) zum Einsatz, die international als NDE (Non-Destructive Examination) oder NDT (Non-Destructive Testing) bezeichnet werden. Sie ermöglichen es, geeignete Fehler in Werkstoffen und Bauteilen zu erkennen, ohne diese zu beschädigen.

Ergänzend werden Druck- und Festigkeitsprüfungen, Werkstoffverwechslungsprüfungen sowie Prüfungen der technischen Sauberkeit durchgeführt. Letztere sind beispielsweise bei Durchflussmessern für Sauerstoffanwendungen von besonderer Bedeutung.
Welche Prüfungen erforderlich sind, hängt unter anderem vom Messprinzip, den verwendeten Werkstoffen, dem Betriebsdruck, dem Einsatzmedium und den geltenden technischen Regelwerken ab.

Die Auswahl geeigneter Prüfverfahren und die nachvollziehbare Dokumentation der Ergebnisse tragen dazu bei, Fertigungsfehler frühzeitig zu erkennen, die Einhaltung vorgegebener Qualitätsanforderungen nachzuweisen und einen zuverlässigen Betrieb der Durchflussmesser sicherzustellen.

Zu den Prüfverfahren gehören unter anderem:

• Farbeindringprüfung
  Prüfung auf oberflächenoffene Fehler wie feine Risse und Poren an metallischen Bauteilen und Schweißnähten.
• Ultraschallprüfung
  Erkennung innerer Materialfehler und geeigneter Schweißnahtfehler, beispielsweise Risse, Einschlüsse und Bindefehler.
• Röntgenprüfung
  Prüfung auf innere Fehler wie Poren, Lunker und Einschlüsse sowie bestimmte Schweißnahtfehler.
• Helium-Leckprüfung
  Nachweis und Bewertung kleinster Leckagen an Messrohren, Gehäusen, Schweißnähten und Dichtverbindungen.
• Magnetpulverprüfung
  Erkennung von Oberflächenrissen und oberflächennahen Fehlern in ferromagnetischen Werkstoffen.
• Druck- und Festigkeitsprüfung
  Überprüfung der Druckbeständigkeit und – je nach Prüfverfahren – der Dichtheit drucktragender Bauteile.
• PMI-Test und Werkstoffverwechslungsprüfung
  Identifizierung metallischer Werkstoffe und Überprüfung der Legierungszusammensetzung zur Vermeidung von Werkstoffverwechslungen.
• Öl- und Fettfreiheitsprüfung für Sauerstoffanwendungen
  Kontrolle der technischen Sauberkeit medienberührter Bauteile zur Begrenzung von Öl-, Fett- und anderen organischen Rückständen.

Farbeindringprüfung von Durchflussmessern

Die Farbeindringprüfung (PT – Penetrant Testing) ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren (ZfP), um oberflächenoffene Fehler wie feine Risse, Poren und Undichtigkeiten an metallischen Bauteilen und Schweißnähten zu erkennen.
Bei der Prüfung wird die gereinigte Bauteiloberfläche mit einem speziellen Eindringmittel benetzt. Aufgrund der Kapillarwirkung dringt die Prüfflüssigkeit in vorhandene, zur Oberfläche offene Fehlstellen ein. Nach einer festgelegten Einwirkzeit wird das überschüssige Eindringmittel von der Oberfläche entfernt. Anschließend wird ein Entwickler aufgetragen, der das in den Fehlstellen verbliebene Eindringmittel wieder an die Oberfläche zieht.
Dadurch werden Fehler als deutlich sichtbare Anzeigen erkennbar. Je nach Prüfmittel erfolgt die Anzeige mit einem roten Kontrastmittel auf hellem Hintergrund oder durch fluoreszierende Eindringmittel unter UV-Licht.
Bei Durchflussmessern eignet sich die Farbeindringprüfung insbesondere zur Kontrolle von Schweißnähten, Messrohren, Gehäusen und anderen metallischen Bauteilen. Sie hilft dabei, Fertigungsfehler frühzeitig zu erkennen und die Qualität der Bauteile im Rahmen der herstellerseitigen Qualitätssicherung zu überprüfen.
Die Farbeindringprüfung erfasst ausschließlich Fehler, die zur Oberfläche hin offen sind. Unter der Oberfläche liegende Materialfehler können mit diesem Verfahren nicht zuverlässig erkannt werden. Voraussetzung für eine aussagekräftige Prüfung ist außerdem eine geeignete, saubere und für das Prüfmittel zugängliche Oberfläche.
Die Durchführung und Bewertung erfolgen nach den jeweils anzuwendenden technischen Regelwerken, beispielsweise der Normenreihe DIN EN ISO 3452.

Ultraschallprüfung von Durchflussmessern

Die Ultraschallprüfung (UT – Ultrasonic Testing) ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren (ZfP), um innere Materialfehler und Unregelmäßigkeiten in Bauteilen sowie gegebenenfalls Fehler an Schweißnähten zu erkennen, ohne das Werkstück zu beschädigen.
Bei der Ultraschallprüfung werden hochfrequente Schallwellen mithilfe eines Prüfkopfes in das zu untersuchende Bauteil eingeleitet. An Grenzflächen, Materialübergängen und Fehlstellen werden die Schallwellen teilweise reflektiert. Ein Empfänger erfasst die zurückkehrenden Schallsignale, deren Laufzeit und Intensität ausgewertet werden. Anhand dieser Signale lassen sich beispielsweise Risse, Poren, Einschlüsse und Bindefehler erkennen und hinsichtlich ihrer Lage und Ausdehnung beurteilen.
Für die Übertragung des Ultraschalls wird bei der konventionellen Kontaktprüfung üblicherweise ein geeignetes Koppelmittel zwischen Prüfkopf und Bauteil verwendet.
Bei Durchflussmessern kommt die Ultraschallprüfung insbesondere bei der Kontrolle von drucktragenden Gehäusen, metallischen Messrohren und Schweißverbindungen zum Einsatz. Sie kann helfen, innere Fehler zu erkennen, die bei einer reinen Sichtprüfung oder Farbeindringprüfung nicht feststellbar wären. Die Eignung des Verfahrens hängt unter anderem vom Werkstoff, der Bauteilgeometrie, der Wanddicke und der Zugänglichkeit der Prüfbereiche ab.
Ein wesentlicher Vorteil der Ultraschallprüfung besteht darin, dass sie innere Materialfehler erfassen kann und bei geeigneter Prüftechnik häufig nur den Zugang von einer Bauteilseite erfordert. Die Aussagekraft hängt jedoch von der verwendeten Prüftechnik, der Fehlerorientierung und der Beschaffenheit des Werkstoffs ab. Bestimmte Fehler können daher trotz Prüfung unentdeckt bleiben.
Die Durchführung und Bewertung der Ultraschallprüfung erfolgen nach den jeweils anwendbaren technischen Regelwerken, beispielsweise der DIN EN ISO 17640 für die Ultraschallprüfung von Schweißverbindungen oder der DIN EN ISO 16810 für allgemeine Grundsätze der Ultraschallprüfung.
Welche Norm anzuwenden ist, richtet sich nach Bauteil, Prüfaufgabe und vertraglichen Anforderungen.

Röntgenprüfung von Durchflussmessern

Die Röntgenprüfung (RT – Radiographic Testing) ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren (ZfP), um innere Fehler in Bauteilen und Schweißnähten zu erkennen, ohne das Werkstück zu beschädigen. Sie ist insbesondere bei drucktragenden Komponenten und sicherheitsrelevanten Schweißverbindungen von Bedeutung.
Bei der Röntgenprüfung wird das zu untersuchende Bauteil mit ionisierender Strahlung durchstrahlt. Als Strahlenquelle dienen beispielsweise ein Röntgengerät oder – je nach Prüfaufgabe – eine geeignete andere Quelle ionisierender Strahlung.
Die Strahlung durchdringt das Material und wird abhängig von dessen Dicke, Dichte und innerer Beschaffenheit unterschiedlich stark abgeschwächt. Ein Detektor oder ein Röntgenfilm zeichnet diese Unterschiede auf. Dadurch können innere Unregelmäßigkeiten als Kontrastunterschiede im Röntgenbild sichtbar werden.
Mit der Röntgenprüfung lassen sich unter anderem Poren, Lunker, Einschlüsse und bestimmte Risse oder Schweißnahtfehler erkennen. Wie gut ein Fehler nachweisbar ist, hängt unter anderem von seiner Größe, Lage und Orientierung zur Strahlungsrichtung sowie von der Bauteilgeometrie ab. Bei Durchflussmessern wird die Röntgenprüfung insbesondere zur Kontrolle von Schweißnähten an Messrohren, und anderen drucktragenden Bauteilen eingesetzt. Sie ermöglicht es dem Hersteller, die Fertigungsqualität zu überprüfen und mögliche innere Fehler frühzeitig zu erkennen.
Je nach Bauteil und Prüfanforderung können digitale Röntgendetektoren oder konventionelle Röntgenfilme verwendet werden. Ein Vorteil der Röntgenprüfung ist die bildliche Dokumentation der untersuchten Bereiche. Im Gegensatz zur Farbeindringprüfung können auch bestimmte innere Materialfehler erkannt werden. Die Durchführung und Bewertung erfolgen nach den jeweils anwendbaren technischen Regelwerken, beispielsweise der DIN EN ISO 17636-1 für die Durchstrahlungsprüfung von Schweißverbindungen mit Röntgen- und Gammastrahlung mittels Film oder der DIN EN ISO 17636-2 für die digitale Durchstrahlungsprüfung.
Welche Norm und Prüftechnik geeignet sind, hängt von der Bauteilgeometrie, dem Werkstoff, der Prüfaufgabe und den geforderten Qualitätsanforderungen ab.

Helium-Leckprüfung von Durchflussmessern

Die Helium-Leckprüfung (Helium-Lecktest) ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren (ZfP) um selbst kleinste Leckagen von Durchflussmessern und ihren drucktragenden Bauteilen zu erkennen, ohne das geprüfte Bauteil zu beschädigen.
Bei der Helium-Leckprüfung wird Helium als Prüfgas verwendet. Das Edelgas ist chemisch inert, nicht brennbar und aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften für die empfindliche Lecksuche geeignet. Je nach Prüfaufgabe wird das Bauteil mit Helium beaufschlagt oder in einer Prüfkammer evakuiert. Ein spezieller Helium-Leckdetektor weist austretendes Helium nach und bestimmt die Leckrate. So lassen sich Undichtigkeiten lokalisieren und hinsichtlich ihrer Größe bewerten.
Je nach Bauart und Prüfanforderung kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz.
Bei der Vakuummethode wird das Prüfteil evakuiert und Helium von außen an mögliche Leckstellen gebracht.
Bei der Überdruckmethode wird das Bauteil mit Helium oder einem heliumhaltigen Prüfgas beaufschlagt und austretendes Gas mit einem geeigneten Detektor erfasst.
Bei der Prüfung in einer geschlossenen Prüfkammer kann außerdem die gesamte Leckrate einer Baugruppe bestimmt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Helium-Leckprüfung ist ihre hohe Empfindlichkeit. Sie eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen sehr geringe Leckraten sicher erkannt werden müssen. Allerdings weist sie Undichtigkeiten und keine allgemeinen Materialfehler wie Risse oder Einschlüsse unabhängig von deren Dichtheitswirkung nach. Die zulässige Leckrate und die Prüfbedingungen müssen deshalb passend zur Anwendung festgelegt werden.
Die Durchführung und Bewertung erfolgen nach der jeweiligen Prüfaufgabe und den anwendbaren technischen Regelwerken, beispielsweise der DIN EN 1779/EN 13185 zur Dichtheitsprüfung, sowie den Vorgaben des Herstellers oder den vereinbarten Abnahmekriterien des Anwenders.

Magnetpulverprüfung von Durchflussmessern

Die Magnetpulverprüfung (MT – Magnetic Particle Testing) ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren (ZfP), um oberflächenoffene und oberflächennahe Risse sowie weitere Unregelmäßigkeiten in ferromagnetischen Werkstoffen zu erkennen. Das Verfahren wird insbesondere bei der Prüfung von Stahlbauteilen und Schweißverbindungen eingesetzt.
Bei der Magnetpulverprüfung wird das zu untersuchende Bauteil magnetisiert. Befindet sich im Werkstoff ein Riss oder eine andere geeignete Fehlstelle, wird das Magnetfeld an dieser Stelle gestört. Es entsteht ein sogenanntes Streufeld, an dem sich aufgebrachte magnetische Prüfpartikel ansammeln. Die Fehler werden dadurch als sichtbare Partikelanzeigen erkennbar. Je nach Prüfverfahren kommen farbige Magnetpulver mit Kontrastmittel oder fluoreszierende Prüfpartikel zum Einsatz, die unter UV-A-Strahlung sichtbar gemacht werden. Bei Durchflussmessern kann die Magnetpulverprüfung beispielsweise zur Kontrolle von ferromagnetischen Gehäusen, Anschlussbauteilen und Schweißnähten verwendet werden. Sie unterstützt den Hersteller dabei, Risse und andere relevante Materialfehler bereits während der Fertigung oder im Rahmen der Qualitätskontrolle zu erkennen. Besonders geeignet ist das Verfahren für Bauteile aus magnetisierbaren Stählen.
Ein wesentlicher Vorteil der Magnetpulverprüfung ist ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber geeigneten Rissen, die bis an die Oberfläche reichen oder knapp darunter liegen. Das Verfahren ist jedoch auf ferromagnetische Werkstoffe beschränkt und eignet sich daher nicht für nichtmagnetische Werkstoffe wie austenitischen Edelstahl oder Aluminium. Für solche Materialien kommen beispielsweise die Farbeindringprüfung oder andere geeignete Prüfverfahren infrage. Die Durchführung und Bewertung erfolgen nach den jeweils anwendbaren technischen Regelwerken, beispielsweise der DIN EN ISO 9934-1 für die allgemeinen Grundlagen der Magnetpulverprüfung. Für die Prüfung von Schweißverbindungen kann außerdem die DIN EN ISO 17638 relevant sein. Welche Anforderungen gelten, hängt von Werkstoff, Bauteil, Prüfaufgabe und den vertraglich festgelegten Qualitätskriterien ab.

Druck- und Festigkeitsprüfung von Durchflussmessern

Die Druck- und Festigkeitsprüfung ist ein wichtiges Verfahren der Qualitätssicherung bei der Herstellung von Durchflussmessern. Sie dient dazu, die Druckbeständigkeit und Dichtheit drucktragender Bauteile zu überprüfen und sicherzustellen, dass diese den vorgesehenen Betriebsbedingungen standhalten.
Bei der Druckprüfung wird das zu prüfende Bauteil mit einem festgelegten Prüfdruck beaufschlagt. Häufig wird dafür eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, verwendet (hydrostatische Druckprüfung). Alternativ kann eine Prüfung mit Gas erfolgen, sofern dies für die konkrete Anwendung zulässig und sicherheitstechnisch abgesichert ist. Während der Prüfung werden der Druckverlauf und das Bauteil auf unzulässige Druckverluste, sichtbare Leckagen oder andere Auffälligkeiten kontrolliert. Die Prüfbedingungen richten sich nach den geltenden technischen Regelwerken und den Herstellervorgaben.
Die Festigkeitsprüfung dient dazu, nachzuweisen, dass ein drucktragendes Bauteil der festgelegten Prüfdruckbelastung standhält, ohne unzulässig nachzugeben oder zu versagen. Je nach Prüfanforderung können zusätzlich Verformungen oder weitere relevante Veränderungen bewertet werden. Eine bestandene Druckprüfung bestätigt jedoch nicht automatisch, dass das Bauteil frei von sämtlichen Materialfehlern ist.
Grundsätzlich ist zwischen einer Festigkeitsprüfung und einer Dichtheitsprüfung zu unterscheiden.

• Die Festigkeitsprüfung bewertet, ob das Bauteil der vorgesehenen Druckbelastung standhält.
• Die Dichtheitsprüfung untersucht dagegen, ob Flüssigkeit oder Gas unzulässig aus dem Bauteil austritt.

Je nach Prüfaufgabe können beide Aspekte gemeinsam oder mit getrennten Prüfverfahren bewertet werden. Die Druck- und Festigkeitsprüfung kann keine umfassende Prüfung auf innere Materialfehler ersetzen. Zur Erkennung von Rissen, Poren oder Einschlüssen können ergänzend Verfahren wie die Röntgenprüfung, Ultraschallprüfung, Magnetpulverprüfung oder Farbeindringprüfung erforderlich sein.
Die Prüfdrücke, Haltezeiten und Abnahmekriterien müssen entsprechend der Bauart, dem zulässigen Betriebsdruck und den anzuwendenden Normen oder Regelwerken (z.B. AD2000 Merkblatt HP30) festgelegt werden.

PMI-Test und Werkstoffverwechslungsprüfung bei Durchflussmessern

Der PMI-Test (Positive Material Identification) ist ein zerstörungsarmes beziehungsweise in der Regel zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Überprüfung der Werkstoffzusammensetzung metallischer Bauteile. Die Prüfung wird auch als >Werkstoffverwechslungsprüfung bezeichnet und dient dazu, Werkstoffe eindeutig zu identifizieren und Verwechslungen bei der Fertigung, Montage oder Wareneingangskontrolle zu vermeiden. International wird sie im Zusammenhang mit der zerstörungsfreien Prüfung häufig den Verfahren NDT (Non-Destructive Testing) oder NDE (Non-Destructive Examination) zugeordnet.
Bei der Herstellung von Durchflussmessern kann eine Verwechslung verschiedener Edelstahl- oder Nickellegierungen die Korrosionsbeständigkeit, die mechanischen Eigenschaften und damit die Betriebssicherheit der Geräte beeinträchtigen.
Für den PMI-Test kommen vor allem zwei Messverfahren zum Einsatz:

• Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA beziehungsweise XRF)
  Bei der Röntgenfluoreszenzanlayse nach DIN 51001 wird das Material mit Röntgenstrahlung angeregt.
  Die dabei entstehende charakteristische Fluoreszenzstrahlung ermöglicht die Bestimmung vieler Legierungselemente, beispielsweise Chrom, Nickel und Molybdän.
• Die optische Emissionsspektrometrie (OES)
  Bei der Emisstonsspekirometrie (OES) nach DIN 51008 wird zwischen der Oberfläche und dem Testgerat ein Lichtbogen gezündet, dessen Spektrum Aufschluss auf die Legierungselemente gibt. Sie kann – abhängig vom Gerät und Prüfverfahren – auch Elemente wie Kohlenstoff bestimmen, was mit vielen tragbaren XRF-Geräten nicht zuverlässig messbar sind.
  Charakieristisch ist eine auf dem Werkstiick verbleibende Brandmarke.

Der gemessene Werkstoff wird mit den vorgegebenen Materialspezifikationen, Werkstoffzeugnissen oder Bestellanforderungen verglichen. Dadurch lässt sich überprüfen, ob beispielsweise der vorgesehene Edelstahl oder eine bestimmte Nickellegierung tatsächlich verwendet wurde.
Ein wesentlicher Vorteil des PMI-Tests ist die schnelle Identifizierung vieler metallischer Werkstoffe direkt am Bauteil. Tragbare Röntgenfluoreszenzgeräte ermöglichen häufig eine Prüfung vor Ort, ohne dass eine Materialprobe entnommen werden muss.
Das Verfahren ersetzt jedoch nicht automatisch eine vollständige Werkstoffanalyse oder die Prüfung aller mechanischen Eigenschaften. Insbesondere kann ein XRF-Test den Kohlenstoffgehalt vieler Stähle nicht zuverlässig bestimmen. Für die Unterscheidung bestimmter Werkstoffgüten kann deshalb ein geeignetes ergänzendes Verfahren erforderlich sein.
Die Durchführung und Bewertung des PMI-Tests richten sich nach der Prüfaufgabe, den Werkstoffanforderungen und den vertraglich festgelegten Regelwerken.

Öl- und Fettfreiheitsprüfung von Durchflussmessern für Sauerstoffanwendungen

Die Öl- und Fettfreiheitsprüfung ist ein wichtiger Bestandteil der Qualitätssicherung bei der Herstellung von Durchflussmessern, die für den Einsatz mit Sauerstoff vorgesehen sind.
Sie dient dazu, Verunreinigungen durch Öle, Fette, Schmiermittel und andere organische Rückstände auf medienberührten Oberflächen zu vermeiden beziehungsweise nach einer geeigneten Reinigung zu kontrollieren.
Sauerstoff stellt besondere Anforderungen an die Reinheit von Rohrleitungen, Armaturen und Durchflussmessern. Öl- und Fettrückstände können in sauerstoffangereicherten Umgebungen die Entzündung begünstigen und bei geeigneten Druck-, Temperatur- und Strömungsbedingungen zu Bränden oder heftigen Reaktionen führen. Deshalb müssen Durchflussmesser für Sauerstoffanwendungen entsprechend den festgelegten Anforderungen gereinigt, vor erneuter Verunreinigung geschützt und gegebenenfalls auf ihre Sauberkeit geprüft werden.
Die Prüfung erfolgt abhängig von Bauteil, Reinigungsverfahren und geforderter Reinheitsklasse mit geeigneten Methoden. Dazu zählen beispielsweise die Sichtprüfung unter geeigneten Lichtbedingungen, die Kontrolle von Spül- oder Extraktionsflüssigkeiten sowie analytische Verfahren zur Ermittlung extrahierbarer organischer Rückstände.
Bei entsprechenden Anforderungen können beispielsweise gravimetrische Verfahren oder instrumentelle Analysen eingesetzt werden. Eine reine Sichtprüfung reicht nicht aus, um sämtliche unsichtbaren Öl- und Fettrückstände zuverlässig auszuschließen.
Nach der Reinigung müssen die Komponenten so gehandhabt, verpackt und gelagert werden, dass eine erneute Kontamination (zB. durch das Fett an den Händen) vermieden wird.
Je nach Anforderung werden die Reinigung und die Prüfung dokumentiert, um die Rückverfolgbarkeit und die Einhaltung der festgelegten Sauberkeitsanforderungen nachzuweisen.
Die Anforderungen an die Sauerstoffreinheit richten sich nach dem Einsatzbereich, dem Sauerstoffdruck, der Werkstoffauswahl und den geltenden technischen Regelwerken. Für die Aufbereitung und Reinigung von Komponenten für Sauerstoffanwendungen ist beispielsweise die DIN EN ISO 23208 relevant. Ergänzend können die Anforderungen des Anlagenbetreibers, des Durchflussmesserherstellers und einschlägiger Regelwerke für Sauerstoffsysteme gelten.