ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 3.09 3.10 4.04
Föld alatti csővezetékek hibáinak felderítése belső ellenőrzéssel Tárgyszavak: föld alatti csővezetékek; hibafelderítés; roncsolásmentes vizsgálatok; csőgörény; falvastagságmérés.
Nagynyomású csővezetékek biztonsági tervezése A nagynyomású vezetékeket Európában egységesen a 1594.sz. DIN EN szabvány szerint, a lehető legegyszerűbb biztonsági koncepció alapján tervezik és méretezik, ti. a cső falvastagságát a kazánképlet alkalmazásával, a fő terhelést képező belső nyomásra számítják ki, a kellő biztonsági tényezővel növelve. Ez a tényező lefedi a nem rendkívüli környezeti veszélyeket (közlekedés, talajtakarás stb.), de nincs benne meghatározott teherviselési tartalék a főterhelésen kívüli igénybevételekre, így a csőfal, többnyire korrózió okozta elvékonyodásának veszélyére sem. Csőhibák és kimutatásuk roncsolásmentes módszerei A csővezetékek szokásos felosztás szerinti hibafajtái: – anyagveszteség (anyaglehordás, csőfalvékonyodás), – repedések, repedés jellegű hibák, – anyaghibák a cső belső falán – a csőgeometria torzulásai. Ezek közül az anyagveszteség és a repedések a legsúlyosabbak, és többnyire korróziós eredetűek. Kimutatásukra és nagy nyomású vagy cseppfolyósított gázt szállító csővezetékek állapotának ellenőrzésére világszerte általános használatban vannak az áramló közeggel együtt haladó mérőkészülékek, amelyeknek a gyakorlat mindenütt állatnevet adott: – csőgörény, – Molch : barlanglakó kétéltű (sőt: molchen: csövet belül ellenőrizni), – pig: disznó (de kohászati öntecs is). Ezek a mozgó eszközök két alapelven működnek: – a mágneses tér szóródását (a mágneses fluxust), azaz a csőfal elvékonyodásának helyén kilépő mágneses erővonalakat (magnetic flux leakage, MFL) mérik, vagy – ultrahanghullámok visszaverődésének időeltolódását.
Mindkettő alkalmas a csőhibák helyének és méretének meghatározására de más-más pontossági igényekkel és feltételekkel. Általánosságban megállapítható, hogy a vizsgálóeszközök nagy biztonsággal ismerik fel a korróziós anyagvesztést, a hegesztéses anyaghiányt és a kerületi repedéseket. Ezzel szemben a hegesztési tartományban a megengedett pótlás ellenére hiányt jeleznek, továbbá nem biztosan vagy egyáltalán nem ismernek fel zárványokat (pl. salakot) és pórusokat, pórusfészkeket. Ez arra is vall, hogy a vizsgálócégek szakértelme nem lebecsülendő tényező a csőgörényekkel szerzett eredmények értelmezésekor. Magának a mérőfelszerelésnek és a kiértékelő szoftvernek a bőséges tapasztalatok birtokában történő folyamatos továbbfejlesztésével a mérési eredmények információtartalma és pontossága egyaránt nő. Emellett a hálózati szervizt nyújtó cégek már nem csupán a csővezetékek anyagveszteségeit és azok helyét mérik, hanem szolgáltatási kínálatuk kibővült a hálózati élettartam meghosszabbításának jegyében rendszeresen ismételt hibafelügyelettel, javítással és földrajzi információs rendszeren alapuló dokumentációval. A csővezetékek üzemeltetői a kínálati oldal biztosabb minősítése és a szolgáltató cégek összehasonlíthatósága érdekében egy közös kiadványban állították össze a vizsgálórendszerekkel szembeni fő követelményeiket és fogalmi meghatározásaikat. Az ultrahangos berendezések – előnye az eredmények pontossága, valamint repedések és rétegszétválás felismerése, ami a falvastagság közvetlen mérésének köszönhető, – hátrányuk viszont, hogy az ultrahang-érzékelő csőfalhoz való csatlakozása miatt nincs mód az ügyfelek folyamatos ellátására. Az UltraScan WM-eljárás Az UltraScan WM a csövek falvastagságának mérésére (Wanddickenmessung) szolgál. Az eljárást még a jelenlegi gyártó – a PII – egyik fúziós partnere, a Pipetronix dolgozta ki a karlsruhei kutatóközponttal együttműködve 1984–86-ban. (A fúzió 1999-ben jött létre a Pipeline Integrity International céggel.) A vizsgálati feladatot nehézzé teszi, hogy a berendezésnek több száz kilométeren át kell hibátlanul működnie és durva viszonyok közt (nagy nyomás, mozgás, hőmérséklet, rázkódások) nagy adattömeget megbízhatóan tárolnia egy későbbi értékelésig. Már az első próbafuttatás addig nem tapasztalt bőségű és pontosságú, jól reprodukálható adatokat szolgáltatott a csővezeték állapotáról. Az eszköz, a termékáramban szabadon mozogva, a cső teljes kerületén méri a falvastagságot az ultrahang visszaverődésének időmérése alapján (1. ábra). A csőfalat a szállított közegen át merőlegesen érő hanghullámok egy része a belső csőfelületről, a másik, a csőfalon áthaladó része a külső felületről visszaverődve jut az UltraScan érzékelőjébe. A két visszhang megérkezéséhez szükséges időkből a különböző hangsebességek ismeretében – meg lehet ha
tározni a falvastagságot, tehát a bekövetkezett anyagveszteséget, a két visszhangjel egybevetéséből pedig azt, hogy a vékonyodás kívül vagy belül ment-e végbe.
kívül
falvastagság
csőfal mérőtávolság
belül
UltraScan érzékelő mm 9 mérőtávolság
6 0
400
800
1200
1600
2000
mm
mm
9
falvastagság
6 0
400
800
1200
1600
2000
mm
1. ábra Az UltraScan WM működési elve A PII a mérőeszköz piacra kerülése óta annak folyamatos továbbfejlesztésén dolgozik az alábbi területeken: – az érzékelőket hordozó rész rugalmasságának és a csőben szállított termék szennyezéseivel szembeni ellenállásának javítása, – az elektronika alkalmazása igen vékony falú csövek vizsgálatához, – az elektronika további miniatürizálása, ami szintén javíthatja és bővítheti a berendezés alkalmazását, – az adattároló kapacitásának növelése (ezáltal a vizsgálat kiterjesztése), – igen kis átmérőjű lyukkorrózió felismerése több érzékelő és megfelelő érzékelő fókusz alkalmazásával, – az ultrahang-jelfelvétel optimálása cseppfolyósított gáz áramló közegében. Az UltraScan MW egyik előnye a mágneses eljárásokkal szemben, hogy ezeknél pontosabb információkat ad a cső belső felületén hosszában futó, kis keresztmetszetű, ún. barázdakorrózióról. Kedvező továbbá az ultrahangos módszer használhatósága nagy falvastagság-ingadozásokra és az MFLrendszer méréshatárait túllépő csővezetékekre. A nagy pontosságú ultrahangos mérési adatokkal megbízhatóan végezhetők további, pl. a maximálisan megengedhető üzemi nyomásra, a korrózió előrehaladására és egyéb, ún. „pipeline-integrity”-programokra vonatkozó számítások.
Az UltraScan CD kifejlesztése A csővezetékek körkörös repedéseinek vizsgálatához régebben víznyomáspróbát használtak, vagy egy-egy kijelölt helyen leástak a fektetett csőig. Ez alól a nehézkes és vesződséges munka alól ad felmentést a PII-cég ultrahangos „csőgörénye”, amelynek fejlesztésekor két lényeges problémát kellett megoldani: – elég gyorsan reagáló elektronika kidolgozása, amely az áramló közeggel együtt haladva tudja feldolgozni az érzékelők adatait, – a 100 km-en összegyűlő, mintegy 2000 Gbyte adattömeg tárolásához intelligens adattömörítő algoritmusok megalkotása, amelyek menet közben előfeldolgozást végeznek releváns adatok elvesztése nélkül. Az UltraScan CD-rendszerben, amelynek sikeres próbamenete 1994-ben zajlott le, az ultrahanghullámok beesési szöge a csőfalon 45 fok. Ezáltal a hosszanti repedésekről az érzékelőre visszavert hanghullámokkal akár külső, akár belső repedések nagy érzékenységgel és pontossággal lokalizálhatók, és nagyság szerint ismerhetők a visszaverési időtartamok, ill. a rezgésamplitudók alapján. A poliuretán hordozóra erősített érzékelők – számuk maximálisan 894 – a csőben haladó eszközből állandóan lövellik a hanghullámokat a csőfalba, így valamelyik érzékelő bizonyosan „megtalálja” a repedést vagy más hibát. Az esetleges kimaradás ellen „redundancia” is véd: a cső minden szakaszán egy mérés az óramutató járásával megegyező, egy másik azzal ellentétes irányban halad. Az UltraScan CD-rendszer ma egyedül képes kimutatni a csőfalak legvékonyabb részeit és legkisebb repedéseit, köztük a kezdődő feszültségi repedéses korróziót. Az így feltárt sérülések helyét és méretét több mint 200 kiásott csőszakaszon ellenőrizték, és egyetlen hibajelzést sem találtak tévesnek. Az UltraScan WM és az Ultrascan CD eljárás (műszaki jellemzői az 1. és 2. táblázatban láthatók) kombinált alkalmazásának megbízhatóságát elismerte két német szövetségi tartomány műszaki felügyelete (TÜV Rheinland és a TÜV Bayern), és elfogadja a törvényesen előírt víznyomáspróba alternatívájaként. A csővezetékhibák felismerhetőségét a 3. táblázat adatai mutatják. 1. táblázat Az UltraScan WM műszaki jellemzői Hibafajta Felületi korrózió Lyukkorrózió mélységmérés nélkül Lyukkorrózió mélységméréssel Belső/külső fali hiba Feloldás 1 m/s-nél Feloldás Pontosság
Jellemző adat Minimális mélység Minimális átmérő Minimális mélység Minimális átmérő Minimális mélység Megkülönböztetés Axiálisan Hibamélységmérésnél Korróziómélység becslésénél
Számérték 1,0 mm 10,0 mm 1,5 mm 20,0 mm 1,0 mm igen 3,3 mm 0,2 mm 0,5 mm
2. táblázat Az UltraScan CD műszaki jellemzői Felismerhető hibák
feszültségi repedéses korrózió, fáradásos repedések, repedésjellegű hibák a hosszanti tengelyen, a hosszanti hegesztés varrathibái, kötéshibák
A hiba helyzete a csőkerületen
hosszában ±15 fok kívül, belül, alapanyag, hosszanti varrat
Minimális kimutatható hibahossz
30 mm
Minimális kimutatható hibamélység
1 mm
Az érzékelők száma (a csőátmérőtől függően)
256–896 (repedésvizsgálat: 240–840, falvastagságmérés: 32–56)
Az érzékelők távolsága a kerület mentén
kb. 10 mm
Hosszanti feloldás
kb. 3 mm
Vizsgálati sebesség
≤1 m/s ajánlott
A csőgörény mérete
16–56 hüvelyk
Maximális vizsgálati hosszúság (egy menetben)
a vezeték nagyságától és a vizsgálati sebességtől függ
3. táblázat Csővezetékhibák felismerhetősége mágneses tér szóródása alapján A hiba jellemzése Külső/belső megkülönböztetés Korróziós anyagveszteség Gyártási fémveszteség Veszteség köztes falban Horzsolás Horpadás Barázda Szilánkosodás Tengelyirányú repedés Körkörös repedés Excentrikus bevonás Burkolás javítása Szerelvény Szelep T-elágazás Görbület Foltozás Fémtárgy a csőben Hegesztett toldás
Felismert hiba, % 95 99 90 <25 90 80 98 <25 0 90 95 95 100 100 100 90 90 90 90
A vizsgálati eredmények értékelése A csőhálózat-vizsgálatok alapvető igénye és gondja is az eredmények megbízhatóságára és a mérések pontosságára és határaira irányul.
Mivel a falvékonyodási hibák kijavítása a sérült szakasz kimetszésével vagy biztonsági bilinccsel roppant költséges, nagy megtakarítási lehetőségeket rejt a vékonyabb csőszakaszok stabilitásának és élettartamának becslése. A csökkent falvastagságú nagynyomású csővezetékek állapotának megítélésére szolgálnak – az empirikus és előzetes megítélésre alkalmas ASME/AISI B31G amerikai szabvány és – a végeselem-módszerrel (finite-element-method, FEM) végzett számítások. A csövek valamennyi jellemző adatát és a teljes terhelési spektrumot csak a FEM-számítások tartalmazzák. Az ASME/AISI B31G nem engedi meg többletterhelések, továbbá hegesztési varratok, görbületek, T-szakaszok stb. közelében levő falvékonyodások figyelembevételét. (Régi, bitumenburkolású csővezetékeken gyakran lép fel korrózió a javítóhegesztéseknél a gyenge minőségű utólagos hegesztés miatt.) Az amerikai szabvány számításait, mint a mérési adatok alapján a vezeték gyors minősítésére alkalmas módszert felhasználják a sürgős intézkedésekről, pl. kiásásról szóló döntéshozatalhoz. Gyakran készítenek továbbá ennek alapján a vizsgálati jegyzőkönyvhöz mellékelt ún. hibaértékelő görbét, amely az anyagveszteséget (-lehordást) úgy jellemzi, mint a lehordott területnek a teljes falvastagság %-ában kifejezett mélységét a cső irányába eső hosszának függvényében. Eszerint a görbe alatti terület csőhibái még elfogadhatók. Csőfalsérülési boxok és klaszterek (hibahalmazok) Az anyaglehordásoknak a csővizsgáló berendezések érzékelői által közvetített hosszából, szélességéből és maximális mélységéből kialakíthatók az ún. hibaboxok, ezek átfedéseiből és némi vándorlásaiból az összevont, nagyobb felületű, ún. klaszterek (2. ábra). Ez a hibafelület-korrekció képezi az ASME/AISI B34G szabvány szerinti állapotértékelés alapját. A maximális hibamélység mellett kimaradnak azonban a számításból az igen kis kiterjedésű, bár olykor mély hibák, azaz repedések, holott ezek jellemzők a régi vezetékek rideg szerkezeti anyagaira. Ezek a vezetékek ritkán törnek, csak repedeznek, sokszor rejtett szivárgást okozva. Ezért, ha az ASME/AISI-számítás 60%-os falvastagság-csökkenést eredményez, feltétlenül intézkedésre: a katódos védelem ellenőrzésére, a vezeték kiásására, FEMszámítás elvégzésére stb. van szükség. Az elmondottak korrekciójaképpen kidolgozott RSTRENG (remaining strength) minősítő módszernek mind az egyszerűsített, mind teljes (full) változatában nagyobb az elfogadhatóság szilárdsági kritériumaként választott „flow stress” érték. A csőhiba kontúrját
klaszter
valós profil
box folyási sebesség
ASME B 31G L = a klaszter hossza
egyszerűsített Rstreng folyási sebesség + 69 N/mm2 L = a klaszter hossza
részletes Rstreng
folyási sebesség + 69 N/mm2 az effektív hossz meghatározása a korróziós profilok kombinációjából számított minimális nyomás alapján
effektív mélység
A1 A2
A1 és A2 felület
2. ábra A hibakontúr meghatározása az ASME/AISI B31G szabvány és a RSTRENG-módszer alapján
– az ASME-szabvány derékszögű felületként definiálja, amelynek oldalai a maximális hibamélység 0,8-szorosa és a klaszter maximális hossza a csőkeresztmetszeten, – a Rstreng-eljárás ennél pontosabban: a hosszanti profil lehetséges kombinációihoz tartozó minimális nyomással határozza meg. Mivel a mágneses fluxus módszerével nem lehet kielégítően meghatározni az anyaglehordás profilját, további korrekciós lehetőségként a hosszúságon alapuló nyomásbecsléssel (length adaptive pressure assessment) kifejlesztettek egy értékelő eljárást, amely szintén a klaszter boxaiból kiindulva, de a RSTRENG-hez képest komplexebb módon számítja ki a hibaprofilt a vizsgálati berendezés mérési adataiból. Ezáltal a csővezeték állapotának voltaképpen ASME/AISI-alapú megítélése kevésbé „konzervatív” (részben kevésbé szigorú) és jobban megfelel a vezetékek kiesésével szembeni biztonság nyújtására hivatott német szabályozásnak, amely FEM-elemzésre épül. A „konzervativitást” számadatokkal jellemezve egy 920 mm-es külső átmérőjű, 13 mm falvastagságú, 55 bar maximális nyomásra méretezett acélcső esetében a szabvány szerinti minősítés lecsökkenti a megengedett nyomást 53,2 bar-ra, a FEM-számítás pedig megerősíti az eredeti értéket. Korrózió előrejelzése A csővezetékek belső ellenőrzésének eredményeit egyeztetni kell a katódos védelem állapotának vizsgálati adataival. Bizonyos esetekben, pl. ha – nem kielégítő a védőfeszültség, – a vezeték burkolata alatt szulfátredukáló baktériumok mutathatók ki, – elválik a polietilén köpeny, – hiányoznak a katódos védelemre vonatkozó friss adatok, meg kell állapítani az aktuálisan még megengedhető korróziós anyaglehordás várható előrehaladását, vagyis korróziós prognózist kell készíteni, arra az esetre, ha a felfedezett hibahelyek azonnali kezelése valamilyen okból nem gazdaságos. A korróziós prognózishoz a vezeték környezeti feltételeitől (talajminőség, idegen tárgyak, helyi elem képződése stb.) és a burkolat fajtájától és minőségétől függő korróziósebességet lehet levezetni. Ezek és egyéb rendszeres vizsgálati adatok birtokában minden korrózióval megtámadott vagy annak kitett helyre meg lehet határozni a kritikus anyaglehordás időpontját. (Dr. Boros Tiborné) Wolf, T.: Rohrleitungsinspektionen mit dem UltraScan. = Erdöl Erdgas Kohle, 117. k. 11. sz. 2001. p. 518–521. Weenker, M.: Fragen der Sicherheitsphilosophie bei der Bewertung von Wanddickenverschwächungen. = 3R international, 40. k. 10–11. sz. 2001. p. 651–654. Hoffmann, U.: Erfahrungen bei der Bewertung von Wanddickenverschwächungen im Ergebnis von Molchinspektionen. = 3R international, 40. k. 10–11. sz. 2001. p. 646–650.
