Fehlergrößenbestimmung in Schweißnähten von Pipelines – Was ist wirklich möglich?

Prüfverfahren gemäß ASME im Rahmen der PVP Konferenz:
Konferenzname:
Juli 2004, San Diego, Kalifornien
PVP2004-2811

Abstract

Derzeit wird für Pipelines die Fehlerbewertungsmethode Fitness-For-Service (FFS) für Schweißnahtfehler verwendet. FFS basiert auf der Bruchmechanik und erfordert eine genaue Messung der Fehlerhöhe. Mit der Durchstrahlungsprüfung als Standard-Schweißnahtprüfverfahren für Pipelines können solche Messungen nicht durchgeführt werden. Doch mit einem neueren Ultraschallprüfverfahren könnte im Grunde die Fehlerhöhe gemessen werden. Anfänglich wurden Ultraschallamplitudenverfahren für die Messung der Höhe verwendet, doch diese haben sich als unzuverlässig erwiesen. Nun werden sie in Verbindung mit Beugungsverfahren, vor allem mit der Laufzeitbeugung (TOFD), eingesetzt. Dieser Artikel erläutert ältere Prüfversuche, hauptsächlich umfangreichere Studien zu Reaktorbehältern (wie PISC II) und veröffentlichte Studien zur Fehlergrößenbestimmung von Pipelines. Die beste Fehlergrößenbestimmung bei Reaktorbehältern lag mittels Beugungsverfahren in einem Millimeter-Bereich. Im Gegensatz dazu verwendet die automatisierte Ultraschallprüfung (AUT) von Pipelines Unterteilung nach Schweißzonen, fokussierte Prüfköpfe, dünneres Material und einfachere Analyseverfahren. Aktuelle Genauigkeiten von normalerweise + 1 mm (Terminologie undefiniert) korrelieren mit der Schallbündelgröße und den typischen Schweißlagen. Erwünschte Genauigkeiten von + 0,3 mm sind womöglich unerreichbar, auch durch zukünftige Verbesserungen durch die Forschung und Entwicklung für die Fehlergrößenbestimmung von Pipelines.

Einleitung

Fehler treten beim Schweißen unweigerlich auf, auch unter Berücksichtigung strengster Verfahren. In der Praxis empfiehlt es sich nicht alle Fehler durch Reparaturen zu beheben, daher müssen einige Akzeptanzkriterien angewendet werden, um festzulegen welche Fehler zu beheben sind und welche nicht. Dieser Umstand wurde mit dem Aufkommen hochfester Stähle zusehends immer wichtiger, denn Schleifen und erneutes Schweißen beschädigte häufig das kontrollierte Mikrogefüge, d.h. Reparaturen können mehr Schaden verursachen, als den eigentlichen Fehler zu beheben.

In den letzten Jahrzehnten hat man sich immer mehr von Verarbeitungskriterien wegbewegt, wonach über ein Prüfsystem erkannte Fehler nach Akzeptanzbereichen bewertet wurden, bis hin zu den Fitness-For-Service Kriterien (FFS), wonach Fehler basierend auf der Bruchmechanik (auch Engineering Critical Assessment (ECA) genannt) bewertet werden. FFS ermittelt anhand Materialhärte, Risswachstumsrate und Betriebszyklus der Komponenten die Lebensdauer und infolgedessen die anfängliche Fehlergröße im Akzeptanzbereich. Allgemeingültiges liegt den Berechnungen zu Grunde. Den Eingaben werden Fehlerunterteilungen nach Bruchzähigkeit, Risswachstumsrate und Fehlergrößenmessungen zugewiesen. Normalerweise lassen die FFS-Kriterien viel größere Fehler als Verarbeitungskriterien zu, was Ausschussraten und Kosten reduziert. Jedoch ist es für FFS-Kriterien wichtig die Fehlerhöhe, den Hauptfehlerparameter, genau und zuverlässig zu messen.

In den 80er Jahren, mit der Einführung der FFS-Kriterien, war die Kernkraftindustrie in Untersuchungen der Fehlergröße führend. Mit der Einführung der automatisierten Ultraschallprüfung in der Gaspipeline-Industrie [1], wurde das AUT-Verfahren aufgrund der FFS-Kriterien bevorzugt. Seit der Verwendung von AUT und FFS in der Pipeline-Industrie wurden die Ausschussraten erheblich verringert. (Auch wenn dies teilweise an der AUT-Fähigkeit zur Durchführung der Verfahrenskontrolle liegt).

Jahrzehntelang war die Durchstrahlungsprüfung basierend auf Verarbeitungskriterien das Hauptprüfverfahren zur Schweißnahtprüfung. Neben den offensichtlichen Sicherheitsrisiken besteht ein wesentlicher Mangel der Durchstrahlungsprüfung in der Messunfähigkeit der Fehlerhöhe, wodurch die FFS-Methode als Option nicht in Frage kommt. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Ultraschallprüfung weiterverbreitet. Doch obwohl sie die Messung der Fehlerhöhe ermöglicht, ist dies in der Praxis eine schwierige Messung mit einem hohen Fehlerrisiko. Es gibt zwei Hauptverfahren basierend auf: Amplitude oder Beugung. Diese werden im Folgenden diskutiert.

Amplitude gegenüber Beugung

Amplitudenverfahren
Frühere Verfahren zur Fehlergrößenbestimmung basierten auf der Echoamplitude, und setzten sie in Korrelation mit einem entsprechenden maschinell hergestellten Reflektor, wie einer Kerbe oder einer Querbohrung. Jedoch hat sich diese Korrelation zwischen Fehlergröße und Amplitude als unzureichend erwiesen [2], angesichts der Anzahl Variablen des Materials, der Geräte und des Fehlers ist es auch nicht verwunderlich. Das Material weist mögliche Abweichungen der Schallgeschwindigkeit und Mikrostruktur auf, insbesondere Stähle. Das Gerät verfügt möglicherweise über Amplitudenvariationen aufgrund der Art des Impulsgenerators, der Frequenzbreite, Verkabelung und anderen inhärenten elektrischen Parametern.

Möglicherweise ist die größte Variable der Fehler selbst. Ultraschall ist äußerst empfindlich hinsichtlich der Fehlerausrichtung. Auch die Strahlendurchlässigkeit des Materials, Oberflächenrauheit, Krümmung und Stelle spielen eine Rolle. Konventioneller Ultraschall ist besonders unzuverlässig für vertikal ausgerichtete Fehler, aber geeignete Prüfwinkel scheinen die Amplitudenkriterien zu verbessern.[3] Die in Deutschland verwendete AVG-Methode vergleicht Fehleramplituden mit Fehleramplituden eines bekannten Reflektors [4]. Dies ergibt einen Fehler, der nicht kleiner ist, als ein maschinell hergestellter Reflektor, was nicht besonders nützlich ist für die FFS-Kriterien ist. Insgesamt sind Fehlergrößenbestimmungsverfahren mit Amplitudenverfahren gemäß FSS-Standards nicht zuverlässig.

Da die große Mehrheit an Fehlergrößen noch mit Amplitudenverfahren bestimmt werden, ob mit einem Echoabfall von 6 dB, 10 dB oder 20 dB [5], lauten ein paar allgemeine Empfehlungen von Experten aus diesem Bereich folgendermaßen: Erstens wird die Fehlergröße aller Fehler, die kleiner als der Strahl sind, als Strahlenbreite angegeben. Dies tritt auf, da kleine Fehler dazu neigen in alle Richtungen auszustrahlen, d.h. kleine Fehler können sich überall innerhalb des Schallbündels befinden. Jedoch sind kleine Fehler bezüglich des Mikrogefüges in den meisten Fällen unwichtig, sodass Hintergrunddaten von kleinen Fehlern begrenzt sind [6]. Zweitens scheinen kleine Fehler zu groß und große Fehler zu klein eingeschätzt zu werden [7]. Die Überdimensionierung kleiner Fehler ist einfach infolge der Ausstrahlung und der Schallbündelausbreitung in alle Richtungen zu verstehen. Die Unterdimensionierung großer Fehlern ist jedoch problematischer. Dies kann leicht auftreten, wenn der Fehler beispielsweise gekrümmt ist, und ein Schallbündel mit einem festgelegten Winkel an den Kanten vorbeiführt, was eine niedrige Amplitude und Größenmessung erzeugt. Vor allem bei der Unterdimensionierung von großen Fehlern, ist dies für die Formbeständigkeit kritisch.

Beugungsverfahren
Ende der 70er entwickelte M.G. Silk in Harwell [8] ein Verfahren zur Bestimmung der Größe (und Erkennung) von Fehlern, die sogenannte Laufzeitbeugung (TOFD). Dieses Verfahren verwendet gebeugte Ultraschallwellen mit niedriger Amplitude von den Fehlerenden für die Fehlergrößenbestimmung und dies hat sich als deutlich genaueres Amplitudenkriterium erwiesen. Das TOFD-Grundprinzip ist in Abbildung 1 dargestellt.
Das Beugungsphänomen ist in Ultraschallverfahren recht allgemein und es wurden einige andere Beugungsverfahren, mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen, entwickelt. Das Standard TOFD-Verfahren verwendet getrennte Sender und Empfänger auf jeweils einer Seite der Schweißnaht oder Komponente, sowie eine codierte Position und eine computergestützte Prüfdatenaufzeichnung. TOFD weist an AD und ID signifikante tote Zonen sowie Interpretationsprobleme auf. TOFD ist zudem auf eine kleinste messbare Fehlergröße beschränkt, häufig durch Schallbündelnachhall (ca. 3 mm für Pipelines). Nichtsdestotrotz waren die TOFD-Ergebnisse beeindruckend. Abbildung 2 zeigt einen Vergleich zwischen der Fehlergrößenbestimmung mit Amplitudenverfahren und TOFD der UKAEA Defect Detection Trials (DDT) [9].


Abbildung 1: TOFD-Verfahren





Abbildung 2: Amplitude gegenüber Beugung von Blech 1 (DDT) - oben: alle Fehlergrößenbestimmungsverfahren; unten: nur TOFD
Verschiedene andere Beugungsverfahren wurden entwickelt, einschließlich Rückstreubeugung und Schallköpfe für mehrere Modi. Andere Verfahren basierend auf Amplituden und Signalen wurden getestet: Frequenzanalysen [10], Mustererkennung via HOLOSAFT [11]. Allgemein wurden keine dieser letzteren Verfahren marktüblich, dennoch wird die Rückstreubeugung häufig verwendet.
Die Rückstreubeugung verwendet einen einzigen Schallkopf und erkennt gebeugte Signale. Dies macht das System viel einfacher und erlaubt eine manuelle Bedienung. Die physikalischen Eigenschaften der Rückstreubeugung sind jedoch schwächer als die der Beugung in Vorwärtsrichtung und die Identifizierung empfangener gebeugter Signale kann schwierig sein. Trotzdem bietet die Rückstreubeugung eine ähnliche Genauigkeit zu TOFD [12] und besitzt Vorteile bei der Größenbestimmung kleiner Fehler (bis auf 0,5 mm in Pipelines) mit kleineren toten Zonen.[13] Dieses allgemeine Verfahren ist in Abbildung 3 abgebildet.

Abbildung 3: Rückstreubeugung für Fehlergrößenbestimmung.

Studien zur Fehlergrößenbestimmung bei Reaktorbehältern
Während viele Industrien ein Interesse an den Möglichkeiten der Fehlergrößenbestimmung [14] zeigten, wurden in der Kernkraftindustrie wichtige Studien zur Festlegung der Fehlererkennung und Größenbestimmung durchgeführt. Zwei Hauptringversuche waren PISC II und DDT. Insbesondere die PISC II Studie war global ausgerichtet, wobei rund 50 Teams vier Komponenten mit ungefähr 200 Fehlern prüften [7]. Die Größe und der Umfang dieser Studie ermöglichte gute statistische Ergebnisanalysen, Genauigkeiten der Fehlergrößenbestimmung und Fehleranalysen. Nicht überraschend war der am schwierigsten aufzufindende Fehler ein glatter Riss. Doch weil einige neue Verfahren geprüft wurden, zeigte die Fehlergrößenbestimmung einige Durchbrüche. Die PISC II Studie war die erste öffentliche TOFD-Studie und die Ergebnisse waren vielversprechend [15]. Die Gesamtgenauigkeit der Fehlergrößenbestimmung des UKAEA Risley Untersuchungsteams lag bei einigen Millimetern bei Blechen mit einer Dicke von mehreren Hundert Millimetern (z. B. ~ 1 %).

Es gibt deutliche Unterschiede zwischen diesen Studien mit Reaktorbehältern und den aktuellen Studien zur Größenbestimmung bei Pipelines:
1. Die PISC II Studie war äußerst umfangreich, und ermöglichte wesentliche parametrische Studien.
2. Reaktordruckbehälter sind eine Größenordnung dicker als Pipelines, aber die Ultraschallfrequenz in Pipelines kann aufgrund der Schallschwächung in Stahl nicht entsprechend erhöht werden .
3. In der Kernkraftindustrie werden TOFD-Rasterprüfungen und SAFT-Technik (Synthetic Aperture Focusing) verwendet, was etwas verbesserte Genauigkeiten im Gegensatz zu linearen TOFD-Prüfungen in der petrochemischen Industrie liefert.
4. Neue Technologien wurden entwickelt (einschließlich einer besseren Handhabung, Verarbeitung und Anzeige von Prüfdaten, und Phased-Arrays). Die physikalischen Eigenschaften von Phased-Arrays ändern sich nicht. Sie ermöglichen optimierte Prüfungen mit mehreren Winkeln.
5. Für Pipelines werden häufig hochfokussierte Prüfköpfe verwendet, was die Schallbündelgröße reduziert, das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und störende geometrische Reflexionen minimiert.
6. Fehler in Pipelines (d) haben normalerweise die gleiche Höhe wie die Ultraschallwellenlänge (λ), was theoretische Analysen erschwert.
7. Für die PISC Studie wurden glatte Oberflächen verwendet, doch Pipelines besitzen häufig geometrische Reflektoren an Wurzellage und Übergang.
8. Die erforderliche Qualität (z. B. Aufbringen von Zeit und Geld) für Reaktorbehälter ist allgemein deutlich höher als für Pipelines. Steigrohre und Stahltrossen von Offshore-Bohrplattformen können eine Ausnahme bilden.
Nichtsdestotrotz sind allgemeine Schlussfolgerungen der Studien bez. Reaktorbehälter auch auf Pipelines anwendbar. Die Erkennung und Größenbestimmung von Fehlern mittels Impuls-Echo-Verfahren ist jedoch beschränkt. TOFD eignet sich zur Fehlergrößenbestimmung (und Erkennung) unter den meisten Umständen, aber idealerweise sollten TOFD und Impuls-Echo zusammen verwendet werden[15]. Die Größenbestimmung kann bis auf einige wenige Millimeter (noch besser bei Pipelines) genau erfolgen.

Verfahren und Terminologie zur Fehlergrößenbestimmung bei Pipelines
Anders als die höchst kostspieligen PISC II Versuche, neigen Studien zu Pipelines dazu, kürzer und fragmentierter zu sein. Einzelheiten zu Prüfmethoden fallen eher karg aus und die Prüfdatenmenge ist beschränkt. Leider enthalten viele Pipeline-Zulassungen und Größenbestimmungsstudien firmeneigene Informationen und können nicht veröffentlicht werden. Die folgende Auflistung enthält einige der veröffentlichten Ergebnisse.

Anders als mit der präzisen Metallografie im Rahmen von PISC II Verfahren müssen Pipeline-Betreiber während Analyseverfahren die Rohre häufig zerschneiden, um eine ungefähre Fehlergröße zu erhalten oder die Schweißnähte einfrieren und brechen. So können schon an sich einige Fehler bei der Größenbestimmung und Erkennung auftreten. Auch wenn keine konkreten Daten verfügbar sind, liegen metallurgische Fehler scheinbar in der gleichen Größenordnung, wie die geforderten Werte. Alternative Verfahren sind Einfrieren und Brechen sowie Zerschneiden bei maximaler Ultraschallamplitude (die möglicherweise nicht die maximale Tiefe ist). Prüfungen von Pipelines werden normalerweise einmal durchgeführt (wie in der Praxis), und detaillierte Prüfungen werden nicht verwendet (im Gegensatz zu Prüfungen von Reaktorbehältern). Die Fehlergrößenbestimmung bei Pipelines basiert häufig nur auf der Schweißzonengröße gemäß ASTM E-1961 [16] oder einer bearbeiteten Version der Amplitudengrößenbestimmung [17]. Die Größenbestimmung mittels der Unterteilung nach Schweißzonen ist schnell und ungefähr, nicht so detailliert wie bei Reaktorbehältern.

Die Terminologie zur Fehlergrößenbestimmung von Pipelines ist uneindeutig. Normalerweise wird die Genauigkeit der Fehlergrößenbestimmung als ± Y mm Wert angegeben. Die wissenschaftliche Grundlage für ± Y mm ist nicht immer festgelegt, aber es könnte folgendes sein:
1. max. Differenz (vielleicht zwei Standard-Abweichungen (σ) oder 95 % der Ergebnisse)
2. Standard-Abweichung σ
3. ASME Effektivwert
4. allgemeiner Fehlerstreubereich, z. B. mit grober Schätzung Einige Verfasser geben einen speziellen σ-Wert oder Effektivwert an. In anderen Fällen scheint das Verfahren darin zu bestehen, einen allgemeinen Fehlerstreubereich aufzuzeichnen, häufig + 1 mm. Obwohl nur einige wenige veröffentlichte Ergebnisse den max. Fehler unterstützen, da viele Punkte außerhalb des Fehlerstreubereichs liegen, wird in Texten häufig impliziert, dass dies der Fall ist. Leider ist die Anzahl Datenpunkte in Studien zu Pipelines allgemein zu begrenzt, um aussagekräftige Statistiken zu erstellen.

Physikalische Beschränkungen
Mit annähernder Fehlergröße an die Wellenlänge (0,4 mm - 0,5 mm für Transversalwellen mit 7,5 MHz), werden physikalische Beschränkungen zu einem Problem bei der Modellierung von Fehlern in Pipelines. (Typische Fehler liegen in der Größenordnung einer Schweißlage, z. B. 1 mm - 3 mm.) Es gibt zwei Ansätze für die Analyse: analytisch und numerisch.
Analytischer Ansatz
Analytische Ansätze, mit typischen idealisierten Rissen, verwendeten Greens Grundsatz, Kirchoff-Näherungen, Bornsche Näherung und den Allgemeinen Grundsatz der Beugung [19]. Leider verwenden all diese analytischen Ansätze Näherungen, um die Gleichungen zu lösen und diese Näherungen sind ungültig, wenn die Fehlergröße ähnlich zur Wellenlänge ist, wie bei Pipelines. Daher kann die analytische Theorie dieses Problem nicht lösen, obwohl Ultraschall in der Praxis offensichtlich von Fehlern mit d ~ λ reflektiert wird.

Numerischer Ansatz
Bei all den verschiedenen numerischen Bewertungsmethoden ist die RayTraycing-Funktion mit d ~ λ im Grunde unbrauchbar. Finite-Elemente-Methoden (FEM) und Finite-Differenzen-Methoden (FDM) sollten erfolgreicher sein, obwohl sie dennoch Näherungswerte einbeziehen. Leider sind beide Methoden (FEM und FDM) sehr zeitaufwändig und teuer [20], und sie wurden zu selten durchgeführt.

Fokuspunktgröße
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist die erreichbare minimale Fokuspunktgröße, insbesondere da die messbare minimale Fehlergröße durch die Fokuspunktgröße begrenzt sein kann [6]. Die theoretische Fokuspunktgröße ist von der Aperturgröße, Frequenz (z. B. Wellenlänge) und Fokustiefe abhängig. Unter der Annahme einer Apertur von 16 mm, mit 7,5 MHz und einer Fokustiefe von 20 mm in Wasser (z.B. ein sehr kurzer Fokus), liegt die halbe Breite von 6 dB annähernd an 2 λ oder 1 mm. Dies deutet darauf hin, dass die Fehlergröße unter + 0,5 mm nicht bestimmt werden kann [20]. Dies korreliert mit den aktuellen Fehlergrößengenauigkeiten von Verfahren wie der Rückstreubeugung [13] und den optimierten Laborergebnissen [21].
Im Gegensatz dazu gibt es eine Denkrichtung bez. Pipelines, bei der ein zu kleiner Fokuspunkt nachteilig ist [4, 17], insbesondere mit Amplitudenverfahren. Diese Ergebnisse zeigen jedoch eine geringere Fehlergrößengenauigkeit verglichen zu der Unterteilung nach Schweißzonen und anderen Verfahren (siehe unten). Zudem gibt es erhebliche Einschränkungen mit Amplitudenverfahren, z. B. muss der Fehler im Schallbündel zentriert und kleiner als das Schallbündel sein. Die Korrelation zwischen Signalamplitude und Fehlergröße ist unzureichend (siehe Abbildung 4 als Beispiel).

Abbildung 4: Pipeline-Daten zum Vergleich von Amplitude und gemessener Fehlergröße (Beispiel) [22]

Studien zur Größenbestimmung von Fehlern bei Pipelines

Battelle PNL Studie
1981 führte Battelle zur Erkennung und Größenbestimmung von Fehlern an Pipelines von Reaktorbehältern für die NRC [23] einen Ringversuch mit sieben Teams durch. Diese Studie untersuchte verschiedene Materialien von Reaktorbehältern, wie beschichtete ferritische, gegossene und geschmiedete austenitische Materialien, sowie reale Fehler, wie z. B. Spannungsrisskorrosion. Während Anwendung, Verfahren und Technologie veraltet sind und die Materialien unterschiedlich sind, haben die Ergebnisse gezeigt, dass die Fehlergrößenbestimmung von Fehlern bei Pipelines unzureichend und fehlerhaft war.

Studien der Universität Gent

1997 führte Iploca (International Pipeline and Offshore Contractors Association) an der Universität Gent eine Studie zur Erkennung und Größenbestimmung von Fehlern durch [4, 24]. Während die Erkennung von beiden AUT-Teams gut war, ergab die Größenbestimmung (nur von einem Team) eine Standardabweichung der Fehlergröße für Oberflächenrisse von + 1,5 mm - 2 mm. Diese Genauigkeit der Fehlergröße wurde später durch ähnliche privat finanzierte Validierungsprojekte bestätigt [24]. Die Studie der Universität Gent hat auch gezeigt, dass die fehlerhafte Größenbestimmung von verdeckten Fehlern eine wichtige Rolle spielt.

Transco Versuche:

Vor kurzem analysierte Advantica eine interne Studie mit GTI-Mitteln und sieben Prüfdienstfirmen [25]. Ungefähr 90 gängige Fehler wurden verwendet: Porosität, ungenügende Aufschmelzung und Kupferrisse und senkrecht verlaufende Fehler. Während der Hauptschwerpunkt des Versuchs die Fehlererkennung war (was gut war), war die Fehlergrößenbestimmung nicht beeindruckend. Der σ-Wert variierte von 1,1 mm bis 1,8 mm [26]. Fehler bis zu 6 mm wurden erkannt, wohingegen mit TOFD nur größere verdeckte Fehler erkannt wurden.

Shell Ergebnisse
Kopp et al. [27] veröffentlichten eine interne Studie, einschließlich zur Fehlergrößenbestimmung (siehe Abbildung 5). Dies sind einige der umfassenderen verfügbaren Daten und sie zeigen, dass innerhalb des groben Schätzbereichs von ± 1 mm eine beträchtliche Streuung sowie mehrere Ausreißer vorhanden sind. Wie erwartet gibt es auch kaum eine Unterdimensionierung. Diese Ergebnisse sind typisch für Pipeline-Daten und mehrere firmeneigene Studien können auf dieses Diagramm übertragen werden. Die Shell Ergebnisse bestehen aus gesammelten Daten aus mehreren Programmen, was eine Analyse erschwert. Dieser Artikel bezieht sich auf Genauigkeiten von Fehlergrößen von ± 0,3 mm, die aus den veröffentlichten Daten nicht ersichtlich sind. Diese Genauigkeit basiert auf einem Prozentsatz der Unterteilung nach Schweißzonen, der durch keine veröffentlichten oder bekannten firmeneigenen Studien gestützt wird. Außerdem werden die Probleme bez. Fokuspunktgröße, Korrelation zwischen Amplitude und Fehler sowie d ~ λ nicht berücksichtigt. Bei grober Einschätzung der Daten, ergibt sich ein typischer Genauigkeitsbereich von ± 1 mm.

(siehe Abbildung 5). Abbildung 5: Daten zu Fehlergrößen von Kopp et al. [27]

Saipem Studie
Cataldo und Legori [28] veröffentlichten einen begrenzten Datensatz zur DNV-Zulassung, der eine gute Korrelation zur Fehlergröße zeigt (siehe Abbildung 6). Wie auch bei den Shell Ergebnissen gibt es nur eine geringe Unterdimensionierung, aber auch eine Überdimensionierung. Ein grober Schätzbereich von ± 1 mm wäre wahrscheinlich kein Ausscheren. Die Saipem Ergebnisse können problemlos auf die obigen Shell Ergebnisse übertragen werden.

 

Eine der interessanteren Beobachtungen ist der Vergleich herkömmlicher Multi-Sensoren und Phased-Array-Systeme zur automatisierten Prüfung. Unter Verwendung derselben Konfiguration (und nominell die gleichen Kalibrierkörper), sind die Unterschiede unbedeutend, wie es die physikalischen Eigenschaften vorhersagen. Shell/Shaw [27] verwendeten einen Multi-Sensor und Saipem ein Phased-Array-System. Zwei andere Vergleiche zeigen keine bedeutenden Unterschiede bei der Fehlererkennung mit den gleichen Konfigurationen [25, 29].

 

Oceaneering OIS
Anfang 2003 führte Oceaneering eine DNV-Qualifizierung durch, die einen deutlich geringeren σ-Wert als Shell, Saipem oder andere zeigten - σ ~ 0,6 mm. Dieser Datensatz enthielt überwiegend Daten über ungenügende Aufschmelzung der Seitenwände, allerdings waren die Rohrwände ein wenig dünner als bei Saipem. Die tatsächlichen Prüf- und Fehlergrößenbestimmungsverfahren wurden im internen Dokument nicht beschrieben [30]. Die Ergebnisse sind in Abbildung 7 abgebildet.



Abbildung 7: Vergleich von gemessenen und tatsächlichen Fehlerhöhen durch Oceaneering.
Zum Zeitpunkt als der Text verfasst wurde, ist es unklar, warum die Oceaneering Ergebnisse deutlich besser sind als die anderen. Oceaneering verwendete TOFD weitgehend, um wesentliche Überdimensionierungen zu minimieren (siehe Abbildung 5), verwendete ansonsten jedoch Standardverfahren. Phased-Arrays bieten erhebliche Vorteile bez. der Größenbestimmung (zusätzliche Schallbündel, steuerbare Fokussierung). Die Erfahrung mit Phased-Array-Systemen hat möglicherweise ebenso so viel geholfen wie verbesserte Verfahren.

 

EdisonWelding Institute Ringversuch

Unter GTI-Schirmherrschaft führte das EWI mit mehreren Prüfdienstunternehmen einen Ringversuch anhand zwei Rohren mit 24 Fehlern (ungenügende Aufschmelzung) durch [21]. Die Ergebnisse zeigten eine erhebliche Variabilität zwischen den beiden Prüfdienstunternehmen, auch wenn nominell identische Verfahren eingesetzt wurden. Insbesondere wurde die Größe von 45 % der Fehler innerhalb von + 0,5 mm, und die Mehrzahl innerhalb von + 2 mm bestimmt (siehe folgende Tabelle 1).
Wie auch mit den Advantica Ergebnissen konnte mit TOFD nur etwa die Hälfte der EWI-Fehler angemessen analysiert werden, entweder weil die Fehler zu klein oder zu oberflächennah waren.
Unter Verwendung mehrerer Verfahren und mittels viel Zeit konnten Fehler mit einer Genauigkeit von + 0,6 mm durch das EWI gemessen werden (Kategorie A6 - offen). Daraus lässt sich schließen, dass die Ergebnisse umso besser sind, je mehr Verfahren und Fehler verwendet wurden. Diese Beobachtung wurde im PISC-II-Ringversuch für Reaktordruckbehälter unterstützt [7].

Kategorie	Beschreibung des Verfahrens	Genauigkeit bei der Fehlerhöhenbestimmung, durchschnittlicher Fehler 'a' in mm und % erkannter Fehler
		a < ± 0,5 mm	± 0,5 mm > a < ± 2,0 mm	± 2,0 mm > a < ± 4,0 mm
A1	Fokussierter Multi-Sensor, Amplitudenlinearisierung	35%	35%	30%
A2	Fokussierter Multi-Sensor, firmeneigener Algorithmus zur Fehlergrößenbestimmung	45%	45%	10%
A3	Nicht fokussierter Multi-Sensor, Regeln zu Zone und Amplitude	30%	45%	25%
A4	Fokussierter PA-Sensor, 48 Elemente, Amplitudenlinearisierung	40%	20%	40%
A5	Fokussierter PA-Sensor, 64 Elemente, Amplitudenlinearisierung	15%	35%	50%
A6	Fokussierter PA-Sensor, 64 Elemente, sektorielle Prüfung	25%	25%	50%
A6 offen	Fokussierter PA-Sensor, 32 Elemente, Raster- und sektorielle Prüfung	75%	25%	k. A.

Tabelle 1: EWI Tabelle 2, 'Achieved Sizing Accuracy' [21]

 

Det Norske Veritas
DNV Studien zu Fehlergrößenbestimmung mit einem Datensatz basierend auf Amplitude und einem auf TOFD zeigen einen ungewöhnlich niedrigen σ-Wert [22]. Unterdimensionierung war minimal und der systematische Fehler war in beiden Fällen klein, ~ 0,1 mm, wie bei anderen Studien auch. Die Standardabweichung betrug für einen Datensatz ± 0,41 mm und für den anderen Datensatz ± 0,62 mm. Ungefähr ein Drittel dieser Ergebnisse zeigten einen deutlich geringeren Fehler als die meisten, obwohl sie mit den Oceaneering Ergebnissen vergleichbar waren. Oceaneering verwendete jedoch nur 88 Punkte, während DNV 204 verwendete.

Abbildung 8 zeigt eine Zusammenfassung mehrerer Studien. Da keine Details verfügbar sind, lassen sich Schlussfolgerungen zu optimalen Techniken und Verfahren nur schwierig ziehen [31]. Dieser Unterschied kann auf eine Analyse, ein Verfahren oder eine statistische Handhabung zurückführbar sein. Ein weiterer niedriger σ-Wert der EWI-Laborergebnisse ist auf mehrere Techniken und einen erheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand zurückzuführen [21]. Bei einer derart detaillierten Prüfung sind bessere Ergebnisse zu erwarten [6]. Die vielleicht beeindruckendsten Ergebnisse stammen von den Oceaneering Daten mit einer Standardausrüstung [30].



Abbildung 8: DNV-Ergebnisse zur Fehlergrößenbestimmung [22]
 

Daten von Forschung & Entwicklung
Der Bereich Forschung & Entwicklung verfügt über einige ältere firmeneigene Größendaten, die den Abbildungen 5 bis 8 entsprechen, ohne eine wesentliche Verzerrung. Die Merkmale sind ähnlich: ein wenig Streuung (innerhalb eines groben Schätzbereichs von ± 1 mm), begrenzte Unterdimensionierung und eine deutliche Überdimensionierung, geringe durchschnittliche Größenbestimmungsfehler. In der Praxis ergab eine Effektivwertanalyse zu der Genauigkeit der Fehlergrößenbestimmung unter Verwendung des ASME-Ansatzes einen Wert von über ± 1,1 mm bis 1,7 mm, abhängig vom tatsächlich verwendeten Datensatz (ASTM-Zonen, geänderte Zonen, TOFD und Kombinationen). Anders als mit einfachen Schweißzonen ergaben die kombinierten Verfahren bessere Ergebnisse (kleinere σ-Werte). Dieser Datensatz zeigte auch, dass die TOFD-Technik für Pipelines begrenzt war und normalerweise nur die Hälfte der Fehlergrößen direkt mit der Standard-TOFD-Technik gemessen werden konnte.

Diskussion

In der Praxis scheinen die verfügbaren Daten, mit Ausnahme der Ergebnisse von Oceaneering und EWI, ziemlich konsistent zu sein, wobei der Effektivwert und σ-Wert normalerweise über 1 mm liegen. Ein Großteil der Daten entsprechen sich, ohne eine ernsthafte Verzerrung, was darauf hindeutet, dass das Hauptproblem auf technologische Einschränkungen und nicht auf die Erfahrung des Prüfers oder die Ausrüstung zurückzuführen sind. Der durchschnittliche Größenbestimmungsfehler liegt normalerweise deutlich unter 1 mm, bei begrenzter Unterdimensionierung. Zu diesem Zeitpunkt deuten die meisten Hinweise darauf hin, dass Genauigkeiten der Fehlergrößenbestimmung größer als σ ± 1 mm nicht realistisch sind. Der firmeneigene Datensatz des Bereichs Forschung & Entwicklung legt nahe, dass ein grober Schätzbereich von ± 1 mm tatsächlich ein Effektivwert oder eine Standardabweichung von < ± 1 mm ist. Die Daten sind jedoch nicht genau vergleichbar, da die Prüfbedingungen variieren, die automatisierten Prüfverfahren nicht identisch sind, die Abschnitte variieren usw. Allgemein liegt der durchschnittliche Größenbestimmungsfehler bei der Größenbestimmung nahe an 0 mm.

Beugungsverfahren bieten ein viel größeres Potenzial als Amplitudenverfahren, wobei TOFD insbesondere bei den kleineren Fehlern (und oberflächennahen Fehlern) Einschränkungen aufweist. Nur mit Amplitudenverfahren wird die Genauigkeit der Fehlergrößenbestimmung in der Regel auf den Fokuspunktdurchmesser (~ 2 mm, oder dem groben Schätzbereich von ± 1 mm aus neueren Studien entnommen) mit häufigen Abweichungen begrenzt. Das Zuteilen von Amplituden verbessert die σ-Werte nicht wesentlich. Die Unterdimensionierung stellt allgemein kein großes Problem dar. Grundsätzlich sollte TOFD die Anzahl Gesamtüberschreitungen minimieren.

Derzeitige Anforderungen an eine Fehlergröße mit einer Genauigkeit von ± 0,3 mm mit einem System (Terminologie undefiniert) scheinen anhand dieser veröffentlichten Ergebnisse unrealistisch. Es gibt keine Hinweise darauf, dass unveröffentlichte (oder firmeneigene) Ergebnisse eine erhebliche Verbesserung aufweisen. Bei Materialien von Reaktorbehältern wurden unter Verwendung mit viel kürzerer λ und perfekter Geometrie wiederholbare Genauigkeiten von ± 0,1 mm erreicht [32]. Solche Ultraschallfrequenzen sind jedoch bei ferritischen Stählen unmöglich, da sie wegen ihres Mikrogefüges eingeschränkter sind. Obwohl einige Untersuchungen bezüglich der Einschränkungen des Ultraschalls in Stählen durchgeführt wurden [33], sollten Materialien für Pipelines und automatisierte Prüfbedingungen ein größeres Interesse beigemessen werden.

Aus FFS-Sicht besteht die beste Lösung mit aktueller Technologie darin, zu allen Fehlergrößenschätzungen allgemein ± 1 mm bis ± 1,5 mm hinzuzufügen. Dies sollte jegliche Unterdimensionierung abdecken. Bei größeren Fehlern besteht die beste Lösung darin, mehr als ein Verfahren zu verwenden, um eine mögliche Überdimensionierung (5 mm oder mehr) zu vermeiden [22]. Verwenden Sie eine Unterteilung nach Schweißzonen, TOFD, Rückstreubeugung und mehrere Winkel [6], wenn es die Zeit erlaubt (insbesondere für Steigrohre und Stahltrossen von Offshore-Bohrplattformen).
Höchstwahrscheinlich verlaufen betriebsbegleitende Prüfungen schlechter, als Laborringversuche. Die gute Nachricht ist, dass neuere Ergebnisse (von Oceaneering und EWI) deutlich besser sind als ältere Ergebnisse (von Shell und Advantica).

Glücklicherweise werden alternative und bessere Fehlergrößenbestimmungsverfahren immer weiterentwickelt. Der Bereich Forschung & Entwicklung arbeitet an mehreren vielversprechenden Bereichen:
1. Rückstreubeugung [13]: Dieses Verfahren bietet die Möglichkeit, Fehler bis zu ± 0,5 mm zu messen, wobei dies in Versuchen noch nicht nachgewiesen werden konnte. Die Hauptprobleme sind eine korrekte Signalidentifikation und Umlaufzeitauflösung.
2. TOFD-Signalverarbeitung [34]: Dieses Verfahren wandelt TOFD-Signale um, damit die Größe von kleineren Fehlern bestimmt werden kann. Anfängliche Ergebnisse waren vielversprechend, aber wie bei allen Anzeigeverfahren sind falsche Sendeimpulse möglich.
3. Verbesserte Fokussierung [35]: Eine erhöhte Anzahl Elemente und ein Matrix-Array sollten die Fokuspunktgröße verringern und eine verbesserte Genauigkeit bei der Fehlergrößenbestimmung erzeugen.
Zweifelsfrei gibt es weitere Entwicklungen auf der ganzen Welt.

Zusammenfassung

1. Die automatisierte Fehlererkennung bei Pipelines wird mit der zunehmenden Verwendung der Fehlerbewertungsmethode Fitness-For-Service, insbesondere von Steigrohren und Stahltrossen von Offshore-Bohrplattformen, immer schwieriger.
2. Allgemein bietet TOFD eine bessere Fehlergrößenbestimmung als Amplitudenmethoden, obwohl TOFD für kleine und oberflächennahe Fehler stark eingeschränkt ist.
3. Die einigen wenigen veröffentlichten Studien zu Pipelines zeigen trotz unterschiedlicher Verfahren ziemlich konsistente Ergebnisse. Bis auf eine oder zwei Ausnahmen gibt es ansonsten einen konstanten genauen Wertebereich, wobei mit einer besseren Kenntnis zu den Verfahren einiges besser zu erklären wäre.
4. Studien zeigen durchweg einen Trend zur Überdimensionierung von kleinen Fehlern, und nicht zur Unterdimensionierung.
5. Anders als die Kernkraftindustrie verwendet die Pipeline-Industrie keine strengen Datenanalysen oder terminologische Festlegungen. Daher sind festgelegte Genauigkeiten häufig undefiniert, wie ein grober Schätzbereich, Standardabweichung, Effektivwert, Annäherung usw.
6. Der durchschnittliche Größenbestimmungsfehler ist gering, typischerweise deutlich unter 1 mm, mit einem zufälligen Größenbestimmungsfehler.
7. Die meisten Studien zeigen Größenbestimmungsfehler in einem groben Schätzbereich von ± 1 mm oder so. Der σ-Wert variiert bis zu ± 2 mm mit mehreren Abweichungen, je nach Fehlern, Bedingungen usw.
8. Es gibt keine veröffentlichten Nachweise dafür, dass heutzutage Genauigkeiten von ± 0,3 mm vor Ort erreichbar sind.
9. Glücklicherweise stehen mehrere verbesserte Verfahren auf der Tagesordnung, die die Fehlergrößenbestimmung erheblich verbessern sollten.

Anmerkungen

Mr. Ed Ginzel des Materials Research Institute, Waterloo in Ontario hat nützliche Ratschläge und Unterstützung bereitgestellt. Oceaneering OIS haben durch DNV beantragte firmeneigene Daten bereitgestellt.

Literaturnachweise