AutorInnen: Khan Thran, Simon Slater
Relevanz von Hard Spots in Bezug auf kritische Bewertungen im Bereich Engineering
„Hard spots“ gibt es ... und wir wissen das. Von allen bestehenden Risiken, die Pipelines heute gefährden, sind „Hard Spots“ in den letzten Jahren zu einem der am stärksten untersuchten Risiken geworden. In diesem Artikel erklären Khan Thran und Simon Slater, wie ROSEN ExpertInnen Betreibern erfolgreich dabei helfen, die Bedrohung durch „Hard Spots“ zu bewältigen, indem sie einen rigorosen und strukturierten Ansatz verwenden, der auf dem Inline-Inspektionsservice RoMat DMG basiert.
Als „Hard Spot“ wird ein lokaler Bereich mit erhöhter Härte im Vergleich zum umgebenden Grundmetall bezeichnet [1]. Das Vorhandensein von „Hard Spots“, insbesondere in Kombination mit anderen Risiken wie geometrischen Anomalien, Herstellungsmerkmalen usw., hat erhebliche Auswirkungen und Relevanz für die Integritätsbewertung und die anschließende Reaktion. Bis vor kurzem hatte die Industrie nur ein recht rudimentäres Verständnis von „Hard Spots“. Die Bewertung dieser Risiken bringt gewisse Herausforderungen mit sich, unter anderem:
- Welche Arten von „Hard Spots“ gibt es und welche stellen tatsächliche Integritätsrisiken dar?
- Wie können wir das Vorhandensein von „Hard Spots“ bestätigen und ihre Art verstehen?
- Wie können wir die Integrität von „Hard Spots“ bewerten?
- Wie können wir uns auf die richtigen Merkmale konzentrieren und das Beste aus unserem Integritätsbudget machen?
- Wie gehen wir mit der Bedrohung durch „Hard Spots“ um? Welche Abhilfemaßnahmen sind angemessen?
Ermittlung verlässlicher Daten
Der erste Schritt in jedem Entscheidungsprozess sind zuverlässige Daten. Basierend auf Daten, die im Zeitraum von den 1960er Jahren bis Anfang der 2000er Jahre veröffentlicht wurden, sind Rohre, die vor 1970 hergestellt wurden, insbesondere A.O. Smith-Rohre mit Schweißnaht, dafür bekannt, dass sie besonders anfällig für „Hard Spots“ sind. Im Jahr 2021 gab es eine wesentliche Änderung der Gasvorschriften, CFR 49 192. Eine neu geschaffene Klausel, CFR 192.632 – Engineering Critical Assessment for Maximum Allowable Operating Pressure MAOP Reconfirmation, besagt ausdrücklich: „Wenn eine Pipeline Segmente aufweist, die aufgrund von Bewertungen, Leckagen, Ausfällen, der Herstellungshistorie oder anderen Informationen anfällig für Hard Spots sein könnten, muss das ILI-Programm ein Tool enthalten, das Hard Spots erkennen kann.“ Um dieses Problem anzugehen, kann der RoMat Dual MaGnetization (DMG)-Service von ROSEN, der auf der Standard-Magnetflusstechnologie basiert, als Ausgangspunkt für eine kohärente ganzheitliche Integritätsmanagementstrategie dienen. Da „Hard Spots“ im Vergleich zum umgebenden Metall unterschiedliche metallurgische Eigenschaften aufweisen – insbesondere die magnetische Permeabilität –, ermöglicht die Kombination einer vollständigen magnetischen Sättigung mit einer genau definierten niedrigeren Magnetisierung eine genaue und präzise Klassifizierung und Größenbestimmung von „Hard Spots“.
Die Durchführung einer Inline-Inspektion (ILI) ist nur die Spitze des Eisbergs. Um die richtige Maßnahme ergreifen zu können, ist es unerlässlich, die ILI-Ergebnisse zu verstehen und die verschiedenen Arten von Härtungsmaterialeigenschaften zu unterscheiden, die in der Pipeline vorhanden sein können.
Erbringung des RoMat DMG-Service
Der Einsatz von RoMat DMG kann etablierte Integritätsmanagementprozesse unterstützen und die beabsichtigten behördlichen Leitlinien in Bezug auf das Vorhandensein von „Hard Spots“ im Rahmen der MAOP-Bestätigung berücksichtigen. Der Service basiert auf einem Rahmenwerk mit RoMat DMG als Eckpfeiler, wie in Abbildung 1 unten dargestellt.
Der Ansatz beginnt mit einer Anfälligkeitsanalyse, deren Ziel es ist, verfügbare Daten zur Pipeline abzufragen und Diagnosegrafiken zu erstellen, um Bereiche mit erhöhter Anfälligkeit zu identifizieren. Wenn bereits ILI-Informationen über Risse, Metallverlust, Beschichtungszustand usw. verfügbar sind, können diese Daten abgeglichen werden, um der Anfälligkeitsbewertung mehr Inhalt zu verleihen.
Datenauswertungsprozess
Nach der Inline-Inspektion mit RoMat DMG wird durch die Datenauswertung eine Merkmalliste erstellt, die die gemeldeten „Hard Spots“ und die dazugehörigen Details enthält. Diese Liste wird in einem iterativen Prozess zwischen Evaluierungs- und Integritätsingenieuren überprüft. In dieser Phase werden die ILI-Ergebnisse aus einer Integritätsperspektive abgefragt und anschließend mit anderen verfügbaren Informationen integriert. Dieser Prozess ermöglicht ein gründliches Verständnis der gemeldeten Daten und steigert so den Mehrwert der Integritätsbewertung.
Nach der Lieferung eines Abschlussberichts sind Ausgrabungen vor Ort von entscheidender Bedeutung, wenn es darum geht, das ILI-System zu validieren und die Gefahr von „Hard Spots“ zu untersuchen/zu beheben, falls erforderlich. Daher wird eine priorisierte Merkmalliste des Engineering-Teams für Integrität in den RoMat DMG-Dienst integriert, um die Betreiber bei der Auswahl der Grabungsstellen zu unterstützen. Die Ergebnisse aus dem Feld werden den ILI-Anbietern zur Verfügung gestellt, was eine kontinuierliche Systemverbesserung in Bezug auf die Erkennungswahrscheinlichkeit (POD), die Identifikationswahrscheinlichkeit (POI) und die Größenbestimmung ermöglicht. Die Integration von Erkenntnissen aus der Praxis in die ILI-Signaldaten hilft auch bei der Definition dessen, was eine Bedrohung darstellt und wie „Hard Spots“ effektiv bewältigt werden können.
Fortschritte in der DMG-Technologie
Unser Verständnis von „Hard Spots“ und der DMG-Technologie ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass wir drei verschiedene Arten von härtenden Materialmerkmalen erkennen und identifizieren können, wie unten erläutert. Die folgenden Abbildungen zeigen Beispiele für die Fehlstellentypen, die der Industrie bekannt sind und die die Grundlage für die Entwicklung des RoMat DMG-Dienstes bildeten. Die Härte dieses Fehlstellentyps reicht von 220 HBW bis 400 HBW.
Umfangreiche Validierungsbemühungen haben zu einer Sensibilisierung und Charakterisierung von zwei weiteren Arten von härtenden Materialmerkmalen geführt. Die folgenden Merkmale – in der Abbildung unten dargestellt – wurden von RoMat DMG gemeldet und unterscheiden sich von dem, was wir erwartet hatten, da sie durchweg ein einzigartiges umlaufendes „Sägezahn“-Muster auf der Innenfläche aufweisen, während auf der Außenfläche keine Anzeichen zu erkennen sind.
Die an der Innenfläche dieser Merkmale gemessene Härte liegt zwischen 190 HBW und 240 HBW. Die innere Härte dieser Merkmale ist zwar im Vergleich zu unlegiertem Metall erhöht, liegt jedoch deutlich unter dem von API 5L [1] für „hard-spot defects“ vorgeschlagenen Schwellenwert von 327 HBW.
Eine weitere Gruppe von Merkmalen, über die RoMat DMG berichtet hat, weist sowohl auf der Außen- als auch auf der Innenfläche deutliche „Hard Spots“ auf, wie in der folgenden Abbildung dargestellt; diese sind durchgehend.
Die an der Außenfläche dieser Merkmale gemessene Härte kann an der Innenfläche Maximalwerte von bis zu 350 HBW und 240 HBW erreichen. Auf der Grundlage der gemessenen Härte und Abmessungen sollten diese Merkmale gemäß den in API 5L [1] definierten Kriterien als „hard-spots defects“ (Fehler an harten Stellen) eingestuft werden.
Die Risiken von „hard spots“ angehen
Bevor geeignete Abhilfemaßnahmen erörtert werden, ist es wichtig, die potenziellen Risiken im Zusammenhang mit „Hard Spots“ zu berücksichtigen. „Hard Spots“ entstehen in der Regel während des Herstellungsprozesses (lokalisierte Abschreckung/Reparaturen von Schweißnähten); daher haben sie wahrscheinlich die Abnahme im Werk und die hydrostatische Prüfung bei der Inbetriebnahme überstanden. Dementsprechend ist die Annahme verlockend, dass „Hard Spots“ ungefährliche, stabile Defekte sind und daher eine latente Gefahr darstellen.
Anfälligkeit für Risse durch Wasserstoff
Eines der Hauptprobleme im Zusammenhang mit „Hard Spots“ ist die Anfälligkeit für Risse durch Wasserstoff. Wasserstoff kann sich auf der Innenfläche des Rohrs aus dem transportierten Produkt oder auf der Außenfläche aus dem umgebenden Boden oder der chemischen Reaktion aufgrund des kathodischen Schutzsystems befinden. Daher sind bei Pipelines, die Produkte transportieren, die keine Wasserstoffquelle enthalten, und bei denen keine Wechselwirkungen auftreten, interne Härtungsmerkmale weniger wahrscheinlich eine Gefahr. Da Erdgas zunehmend durch Wasserstoff ersetzt wird, muss die Gefahr durch die Verfestigung von Materialien im Inneren mit zunehmender Reife dieses Themas berücksichtigt werden.
Externe Härtungsmerkmale können in Kombination mit anderen Risiken, wie z. B. Schäden durch Dritte, Oberflächenfehler usw., die Schwere solcher Risiken aufgrund von Spannungskonzentration und Stahlversprödung erhöhen. Daher können DMG-Ergebnisse mit anderen ILI- und Felddaten abgeglichen werden, um mögliche Übereinstimmungen von „Hard Spots“ mit anderen Risiken zu ermitteln. Darüber hinaus können Informationen über die Ablösung von Beschichtungen aus der EMAT-Inspektion dabei helfen, Bereiche zu lokalisieren, in denen Wasserstoff in die Stahlmikrostruktur eindringen kann. Bei Vorhandensein von „Hard Spots“ können diese Bereiche anfällig für Risse werden. Abbildung 6 unten zeigt die Ausrichtung der DMG- (oberes Bild) und EMAT-ILI-Ergebnisse (mittleres Bild) zusammen mit den Rohrbuchinformationen (unteres Bild). Diese Übung erleichtert die Identifizierung von interagierenden Merkmalen, falls vorhanden, und den entsprechenden Rohreigenschaften.
Was sind die geeigneten Reaktionskriterien?
Derzeit gibt es nur begrenzte regulatorische Leitlinien für eine angemessene Reaktion in Bezug auf Akzeptanzkriterien oder Abhilfemaßnahmen. Gemäß API 5L sind „Hard Spots“ mit einer Härte von mehr als 327 HBW als Defekt zu klassifizieren. Folglich verlassen sich viele Betreiber auf diesen Fertigungsstandard und verwenden die von DMG gemeldete Härte von 277 HBW [2] als Schwellenwert für Untersuchungen vor Ort und den anschließenden Austausch, wenn durch Messungen vor Ort eine Härte von mehr als 327 HBW bestätigt wird. Welche Kriterien gelten jedoch als angemessene Reaktionskriterien für Merkmale mit einer von ILI gemeldeten Härte unter 277 HBW oder einer gemessenen Härte unter 327 HBW?
Die Priorisierung sollte auf die Härtung von Materialeigenschaften gelegt werden, die mit anderen Risiken interagieren, sowie auf Eigenschaften, die sich in Bereichen mit ablösender Beschichtung und einer Wasserstoffquelle befinden. Neben dem Herausschneiden und Ersetzen eines Rohrabschnitts gibt es weitere verfügbare Optionen zur Schadensminderung, wie die Installation einer Manschette vom Typ B, das Ausschleifen der Merkmale und die Überwachung. Letztendlich hängen die Reaktionsmaßnahmen von der Risikotoleranz des Betreibers und seinen IMP-Verfahren ab. Der auf die individuellen Bedürfnisse des Kunden zugeschnittene ROSEN-Servicerahmen RoMat DMG unterstützt den Betreiber dabei, Unsicherheiten zu bewältigen, die Vorteile der Inline-Inspektion zu maximieren und die Risiken nach Bedarf zu minimieren.
Durch die Kombination mehrerer Technologien kann RoMat DMG außerdem Metallverluste (RoCorr MFL-Service), Nennweiten (RoMat PGS-Service) und Kartierungsdaten erfassen. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel des RoMat PGS-Service, wobei jeder Datenpunkt die gemessene Streckgrenze (YS) eines einzelnen Rohrs entlang der Pipeline darstellt und die Farbkodierung zur Veranschaulichung der verschiedenen identifizierten Populationen verwendet wird. Die vom RoMat-DMG-Dienst gemeldeten Daten zu „Hard Spots“ wurden mit diesen Populationen überlagert, wobei ihre Standorte durch die gestrichelten vertikalen Linien dargestellt werden. Alle gemeldeten „Hard Spots“ bis auf einen sind in Population „A1“ enthalten. Dieses Beispiel zeigt, wie die Integration mehrerer Datensätze Risikofaktoren und integritätsgefährdende Risiken aufdecken kann, die populationsspezifisch sind, und so das Integritätsmanagement in Zukunft unterstützt.
Fazit
Im Rahmen ihres Integritätsmanagementplans und/oder ECA-Ansatzes für die MAOP-Bestätigung verlassen sich die Betreiber auf ILI-Systeme, um Anomalien in Pipelines genau zu erkennen, zu klassifizieren und zu bemessen. Darüber hinaus ist es ebenso wichtig, die Fähigkeiten und Grenzen von ILI sowie die Anfälligkeit für Risiken zu verstehen. RoMat DMG ist in der Lage, „Hard Spots“ und andere Arten von härtendem Material zu unterscheiden, wobei die Technologie kontinuierlich verbessert und weiterentwickelt wird.
Datenintegration liefert ein umfassendes Bild
Die DMG-Technologie wird zweifellos weiter ausreifen und den Anforderungen des Schutzes vor der Bedrohung durch „Hard Spots“ gerecht werden, insbesondere da die Regulierungsbehörden aktualisierte und umfassende Leitlinien für den sicheren Betrieb von Pipelines bereitstellen. Darüber hinaus ist die Identifizierung von „Hard Spots“ im Pipeline-System für jedes IMP von entscheidender Bedeutung, aber nur ein Teil des Gesamtbildes. Letztendlich liefert die Datenintegration ein umfassenderes Bild der potenziellen Bedrohung durch „Hard Spots“ im Speziellen – und der Integrität von Assets im Allgemeinen – zum Zweck der MAOP-Verifizierung.
Referenzen
[1] API 5L, 46. Auflage, April 2018, Abschnitt 9.10.6: „Jede harte Stelle, die größer als 50 mm (2,0 Zoll) in einer beliebigen Richtung ist, wird als Defekt eingestuft, wenn ihre Härte 35 HRC, 345 HV10 oder 327 HBW übersteigt, basierend auf einzelnen Eindrücken.
[2] Bei der RoMAT DMG-Toleranz von ± 50 HBW für Rohrkörpermerkmale könnte die untere Grenze von 327 HBW 277 HBW von ILI betragen