Die Rolle der robotergestützten Inline-Inspektion heute und morgen

Die Technologie der robotergestützten In-Line-Inspektion (ILI) gewinnt im Pipeline-Sektor zunehmend an Bedeutung, da sie wichtige Informationen liefert, insbesondere für Pipelines, die mit herkömmlichen ILI-Methoden nicht inspiziert werden können. Markus Ginten, Head of Challenging Diagnostics bei ROSEN, erörtert im Detail die spezifischen Vorteile robotergestützter Inspektionswerkzeuge, die sie für die Gesamtbeurteilung von Pipelines attraktiv machen, sowie die Rolle dieser Tools für die Zukunft der Branche.

Bedeutung der Inline-Inspektion

Verschiedene Datenquellen bilden die Grundlage für ein solides Integritäts-Engineering und -Management als Schlüssel zum sicheren Betrieb von Pipelines. Dazu gehören beispielsweise die direkte Bewertung, oberirdische Messverfahren und die wohl aussagekräftigste Methode, die Inline-Inspektion (ILI). Alternativen wie die hydrostatische Prüfung, bei der eine Pipeline mit Wasser gefüllt und bis zu einem vordefinierten Grenzwert oberhalb des maximalen Betriebsdrucks (MOP) unter Druck gesetzt wird, sind oft weniger aussagekräftig und/oder kostenintensiv.

Herkömmliche Inline-Inspektionstechnologien wurden über Jahrzehnte hinweg entwickelt, beginnend in den späten 1960er/Anfang der 1970er Jahre, mit so genannten niedrig auflösenden Werkzeugen zur Erkennung und groben Klassifizierung von Metallverlustanomalien. Mit konventionellen oder freischwimmenden Werkzeugen bezeichnet die Industrie Werkzeuge, die durch das Rohrleitungsprodukt angetrieben werden. Die transportierte Flüssigkeit, entweder Gas oder Flüssigkeit, erzeugt einen Differenzdruck über die Dichtungsebene(n) des Inspektionswerkzeugs, was zu dessen Vorwärtsbewegung führt. Konventionelles ILI erfordert bestimmte Randbedingungen. Dies sind im Großen und Ganzen das Vorhandensein von Start- und Empfangsfallen, eine geeignete mechanische Rohrleitungskonstruktion und die Betriebsbedingungen. Heutzutage können diese ILI-Werkzeuge nicht nur Defekte wie Verformungen, Metallverlustkorrosion und Risse im Grundmaterial und in den Schweißnahtbereichen erkennen und genau bemessen, sondern auch die mechanischen und Materialeigenschaften von Rohrleitungen charakterisieren - alles entscheidende Informationen für Integritätsmanagementprogramme.

Bedarf der Industrie an robotergestützter ILI

Schätzungen aus der Industrieforschung zufolge sind etwa 40 % der Pipelines weltweit nicht molchbar und können nicht mit herkömmlichen ILI-Tools inspiziert werden. Dies führte Anfang der 2000er Jahre zur Entwicklung von robotergestützten (selbstfahrenden) Lösungen. In den folgenden Jahren und Jahrzehnten führten Ausfälle zu einer weiteren Steigerung der Nachfrage nach robotergestützten Pipeline-Inspektionen. Insbesondere Fehler, die auf fehlende Informationen und Aufzeichnungen zurückzuführen sind, um die richtigen Entscheidungen zur Integrität zu treffen, veranlassten die Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration (PHMSA), den Kodex zu überarbeiten und die Rückverfolgbarkeit, Überprüfbarkeit und Vollständigkeit (TVC) von Pipeline-Informationen vorzutreiben. Natürlich ist die Informationslücke bei älteren Pipelines, die zu einer Zeit entworfen und gebaut wurden, als die Dokumentationsanforderungen viel niedriger waren und konventionelle ILI nicht vorgesehen waren, noch größer.

Vorteile und Ausblick

Robotische Tools bieten gegenüber konventionellen Tools verschiedene Vorteile, wie z. B. Flexibilität beim Ein- und Ausfahren, Manövrierfähigkeit in schwierigen mechanischen Konfigurationen und Unabhängigkeit von Pipeline-Produkten als Antriebsmittel. Dadurch sind sie vielseitiger und können in vielen nicht molchbaren Pipelines eingesetzt werden.

Weitere Vorteile, von denen auch molchbare Pipelines profitieren können, sind die kontrollierte Geschwindigkeit und die Fähigkeit, in jede Richtung zu starten, zu stoppen und sich zu bewegen. Die kontrollierte Geschwindigkeit trägt im Allgemeinen zu einer höheren Datenqualität bei. Gleichzeitig ermöglichen die anderen Aspekte die Erfassung verschiedener Perspektiven und tieferer Einblicke, beispielsweise in komplexe Merkmale wie Schweißnähte. Darüber hinaus könnten Pipelines, die mit hohen Durchflussraten betrieben werden, ohne Reduzierung des Produktflusses während der Inspektion inspiziert werden, wodurch die Gewinne der Betreiber maximiert würden.

Nach mehr als 20 Jahren Entwicklung befindet sich die Technologie noch in einem frühen Stadium, obwohl es heute bereits eine Vielzahl von Anwendungen gibt. Einschränkungen beim Inspektionsbereich und bei der Vorbereitung der Pipeline-Inspektion sind unmittelbare Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt.

Inspektionsbereich: Heute wird ein robotergestütztes Tool entweder über ein Kabel (Tether) oder über Batterien mit Strom versorgt. Beide Lösungen sind in Bezug auf den Inspektionsbereich etwas eingeschränkt. Ein Kabel verursacht Reibungskräfte, die sich insbesondere in Pipelines mit einer höheren Anzahl von Bögen ansammeln. Da Strom für die Sensoren, die Elektronik des Tools und die Antriebseinheit benötigt wird, reicht die Batteriekapazität nur für kürzere Inspektionsbereiche aus. Daher sind Alternativen erforderlich. Es gibt zwar grundlegende Konzepte zur Erweiterung der Inspektionsreichweite, doch es wird noch einige Zeit dauern, bis diese in die Praxis umgesetzt werden können.

Vorbereitung der Pipeline: Eine angemessene Sauberkeit der Pipeline ist Voraussetzung für die Erfassung hochwertiger Daten. Besonders nicht molchbare Pipelines sind oft schwer zu reinigen. Zwar gibt es heute einige grundlegende Maßnahmen, doch es gibt sicherlich noch Verbesserungsmöglichkeiten.

In der heutigen Industrie werden Systeme eingesetzt, die vom Bediener des Tools gesteuert werden. Es ist denkbar, dass in ferner Zukunft autonome Systeme eingesetzt werden, die auf der Grundlage von (maschinellen Lern-)Algorithmen eigene Entscheidungen treffen. Solche Systeme könnten dauerhaft in Pipelines verbleiben, um den Zustand der Pipeline zu überwachen, anstatt nur „Momentaufnahmen“ zu machen. Um das volle Potenzial der robotergestützten ILI auszuschöpfen, sind kontinuierliche Inspektionserfahrung und Partnerschaften mit Pipeline-Betreibern, die unsere Bemühungen unterstützen, von entscheidender Bedeutung. Wie der Robotiker Rodney Brooks einmal sagte, ist praktische Erfahrung der beste Weg, um alle interdisziplinären Aspekte der Robotik kennenzulernen.

Markus Ginten, Head of Challenging Diagnostics, ROSEN Group

Rolle bei der Energiewende

Auf unserem Weg zu Netto-Null-Emissionen wird ein Teil der Pipeline-Infrastruktur für den Transport von Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) genutzt werden. Die Inspektion solcher Pipelines ist mit gewissen Herausforderungen verbunden, die durch robotergestützte ILI überwunden werden können. Einige Beispiele:

Für die Umwidmung bestehender Pipeline-Infrastruktur für den Transport von Wasserstoff sind genaue Inspektionsdaten zu Rundschweißnähten erforderlich. Ein herkömmliches Inspektionswerkzeug fährt mit relativ hoher Geschwindigkeit an jeder Rundnaht vorbei und hat nur einen Versuch, um die Daten zu erfassen. Daher und aufgrund der mechanischen Auswirkungen der Schweißnaht auf die Sensorträger ist die Qualität der Rundnahtdaten, die mit herkömmlichen ILI-Tools gewonnen werden, eher begrenzt. Robotergestützte ILI-Tools hingegen können an jeder Rundnaht anhalten und den Bereich mit hoher Präzision scannen.
Wasserstoff hat eine extrem niedrige Dichte und ist daher stark komprimierbar. Folglich ist die Inspektion einer Wasserstoff-Pipeline mit einem herkömmlichen ILI-Tool wahrscheinlich mit einem eher dynamischen Geschwindigkeitsprofil verbunden, was zu einer Verschlechterung der Datenqualität führen kann. Dieses Phänomen ist von der Inspektion von Erdgas-Pipelines bekannt, bei denen Randbedingungen eingehalten und Maßnahmen ergriffen werden müssen, um angemessene Geschwindigkeitsprofile zu gewährleisten. Bei Wasserstoff wird es noch schwieriger sein, angemessene Geschwindigkeitsprofile zu erreichen. Robotergestützte ILI-Tools bewegen sich jedoch unabhängig von den Produkten in der Pipeline und bewegen sich immer mit optimaler Geschwindigkeit.
Pipelines, die CO₂ transportieren, werden in der Regel bei vordefinierten Drücken und Temperaturen betrieben. Es ist wichtig, dass ein ILI-Tool keinen zusätzlichen Druck oder Temperaturänderungen außerhalb des zulässigen Bereichs verursacht. Darüber hinaus unterliegen Cups and Discs herkömmlicher ILI-Tools bei der Inspektion von CO₂-Pipelines einem hohen Verschleiß. Während die Inspektion von CO₂-Pipelines mit herkömmlichen Tools im Allgemeinen möglich ist, gibt es Fälle, in denen robotergestützte Inspektionstools die bessere Wahl sind.

Auswirkungen auf die Belegschaft

Der Aufstieg der Robotertechnologie wirft Fragen zur Rolle menschlicher Arbeitskräfte in einer zunehmend automatisierten Welt auf. Zwar ist es im Allgemeinen richtig, dass die Robotertechnologie den Automatisierungsgrad erhöht, doch bei der robotergestützten ILI sehen wir heute einen höheren Grad an Interaktion mit den Außendiensttechnikern als bei der konventionellen ILI. Dies wird auch in absehbarer Zukunft so bleiben. Der Betrieb von robotergestützten ILI-Tools ist mit spannenden Möglichkeiten für Fachkräfte in den Bereichen Programmierung, Steuerung, Wartung und (Lebens-/Vor-Ort-Daten-)Analyse verbunden. In diesem Sinne können robotergestützte ILI-Tools auch als kollaborative Roboter – oder einfach als Cobots – verstanden werden.

Schlussfolgerung

Die robotergestützte ILI spielt heute eine bedeutende Rolle in der Pipeline-Branche. Sie liefert wertvolle Informationen, vor allem für nicht molchbare Pipelines, die mit herkömmlicher ILI nicht inspiziert werden können. Robotergestützte Tools weisen bestimmte Vorteile auf, die sie für die Pipeline-Inspektion im Allgemeinen attraktiv machen. Ihre Fähigkeiten ermöglichen eine verbesserte Datenleistung als Grundlage für bessere Entscheidungen im Bereich des Integritätsmanagements.