DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Optimierter Verfahrenseinsatz von Spannungsanalytik und ZfP als effiziente Alternative zur Druckprobe bei wiederkehrender Prüfung von Rohrleitungssystemen

Horst Würpel / Thom Hauk, NSQ Hauk GmbH, Ludwigshafen
Kontakt: Würpel Horst Prof. Dr.-Ing.habil

0. Zusammenfassung

Einleitend werden die Ansprüche an das Qualitäts- und Sicherheitsmanagement verfahrenstechnischer Anlagen und die Anforderungen nach der neuen Betriebssicherheitsverordnung am Beispiel wiederkehrender Prüfungen (WKP) von Rohrleitungssystemen herausgestellt.

Die bisherige Praxis wiederkehrender Prüfung von Rohrleitungssystemen zeigt, dass für die bestehende Anlagentechnik z.T. sehr umfangreiche - zumeist aber separat erfasste und dezentral verwaltete - Dokumentations- und Datenbestände vorliegen. Das umfasst im Bezug auf Rohrleitungssysteme in der Regel Informationsbestände zu den Verfahrensschemata, zum geometrischen Istzustand (As-built) der Systemanordnung (Isometrien, 3D-CAD-Modell), zur Druckprüfung, zur äußeren Prüfung, zu den verschiedenen ZfP-Maßnahmen bzw. anderen ergänzenden Prüfungen sowie zur Auslegungsberechnung.

Die notwendige schnelle Verfügung und Kombinatorik zur multivalenten Nutzung dieser mit hohem technisch-ökonomischem Aufwand gewonnenen Komponenten eines im Kern komplexen Datenpotenzials zum Anlagenzustand bleibt jedoch in der Betriebspraxis zumeist deutlich hinter den Möglichkeiten und Anforderungen zurück.

Aus langjähriger Erfahrung als ZfP-Dienstleister und Ingenieurbüro für die Anlagentechnik der Chemie, der Petrochemie und im Kraftwerksbereich wurden deshalb rechnergestützte Werkzeuge (DB-Systeme) entwickelt, um das hohe Informationspotenzial der voranstehend genannten Informationskomponenten über eine an der Anlagenordnung geführte, elementbezogene Informationsplattform zu bündeln.

Das führt neben einem schnellen Informationszugriff durch eine objektbezogene Datenverwaltung als Navigator zugleich auch zu erweiterten und komplexen Nutzungspotenzialen für das gesamte Inspektions- und Instandhaltungsmanagement der Rohrleitungssysteme.

So kann zum Beispiel über eine vorgeschaltete rohrstatische Berechnung unter Bezug auf isometrischen Verlauf, Prozess- und Lastbedingungen der Erwartungsbereich kritischer Spannungen im Vorfeld ermittelt werden und eine hierauf aufbauende optimierte Prüfplanung von ZfP-Maßnahmen erfolgen.

Dabei wird u.a. bei der WKP von Rohrleitungssystemen eine wesentlich höhere Aussagesicherheit von zyklischen Inspektionen zum Anlagenzustand (rohrstatische Festigkeit) im Betrieb und zur Lebensdauerprognose aus an Spannungsspitzen und abtragsrelevanten Bereichen des Systems geführten Stichprobenprüfungen der Rohrwanddicke - als effiziente Alternative zur Druckprobe - erreicht.

1. Einführung

Effiziente Inspektionsverfahren durch wiederkehrende Prüfungen im Anlagenbetrieb sog. "überwachungsbedürftiger Anlagen" verfahrenstechnischer Industriebetriebe sind nach Errichtung und Prüfung vor Inbetriebnahme das Kernstück komplexer Sicherheitsstrategien und zur Gewährleistung hoher Anlagenverfügbarkeit.

Hohe Produktqualität setzt in der Verfahrenstechnik im besonderen Maße hohe Prozessqualität sowie auch eine hieraus abzuleitende Funktions- und Beschaffenheitsqualität bei Einbeziehung der Anlagensicherheit im gesamten LifeCycle der Anlage voraus. [1]

Gegründet auf die Sicherheit der Produktion und die gesellschaftliche Verantwortung zu Arbeitssicherheit, Gesundheits- und Umweltschutz gibt es bereits seit 120 Jahren, begleitend mit der Entwicklung verfahrenstechnischer Anlagen und dem Stand von Wissenschaft und Technik sowie dem Erkenntniszuwachs über Gefährdungspotenziale, ein gewachsenes Rechts- und Verordnungssystem zur Anlagensicherheit. [4][7]

Mit einer 2002 und in Teilen 2003 in Kraft getretenen Artikelverordnung [2] zur Rechtsvereinfachung und Neuordnung des Rechts zur Betriebs- und Anlagensicherheit wurde hierzu - wenn auch zum Teil mit sehr langfristigen Übergangsbestimmungen - eine grundlegende Neustrukturierung erreicht, deren Umsetzungsprozess in der Industrie begonnen hat. Diese grundlegende Neustrukturierung und Bündelung des bisher sehr heterogenen nationalen Vorschriftenwerks zur Anlagensicherheit geht einher mit der Umsetzung entsprechender EG-Richtlinien. [2]

Der Beitrag knüpft an das neue Vorschriftenwerk an und konzentriert sich auf die zyklischen Prüfungen (WKP) von Rohrleitungssystemen im Betrieb mit der Zielstellung der Prüfung und Quantifizierung sicherheitsrelevanter, festigkeitsmindernder Einflüsse in der Betriebszeit. Im Kern geht es dabei um effiziente Lösungen zur Erfassung von durch den Betriebszyklus und die Betriebsbedingungen hervorgerufenen, relevanten Zustandsänderungen an der Anlagentechnik gegenüber einem Ausgangs- bzw. Bezugszustand (Sollzustand bzw. zul. Grenzzustand).

Eine hinreichend sichere Beschaffenheitsbewertung der Anlagentechnik ist auch im Rahmen des neu strukturierten Vorschriftenwerks ein immanenter Bestandteil des Betriebssicherheits- und Instandhaltungskonzeptes. Sie verlangt auch für den Bereich der wiederkehrenden Anlagenprüfung von der Verfahrensauswahl bis hin zur elemente- und messortbezogenen Prüfplanung als auch bei der Bewertung und Nachweisführung zunehmend schnellen Zugriff auf Vorabinformationen und Informationsvorräte verschiedener Prüfverfahren und Berechnungen.

Das erfordert eine über die klassische ZfP hinausgehende, interdisziplinäre Vorgehensweise im Inspektionsmanagement als prophylaktische Säule der Instandhaltung, wozu nachfolgende Anforderungen, Einsatzerfahrungen und Lösungsbeispiele vorgestellt werden.

2. Prüfung der Anlagensicherheit beim Betrieb verfahrenstechnischer Prozessanlagen

2.1 Anforderungen / Rechtsvorordnungen
Anlagensicherheit verlangt prinzipiell ganzheitliche Betrachtung, die neben der Beschaffenheitsprüfung der Hauptanlagentechnik mit ihren Baugruppen und Elementen auch die Prozessführung, den Medieneinsatz, sowie Leit- und Steuertechnik und die speziellen Sicherheitseinrichtungen umfasst. Die komplexe Neustrukturierung der Betriebsvorschriften und der Anforderungen zur Anlagensicherheit für überwachungsbedürftige Anlagen ist in der neuen Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) als Artikel 1 der unter [2] genannten Verordnung zur Rechtsvereinfachung in Umsetzung diesbezüglicher EG-Richtlinien zusammengefasst.

Mit dem Inkrafttreten der BetrSichV tritt, unter Berücksichtigung der Übergangsbestimmungen, eine Reihe der die verfahrenstechnischen Anlagen betreffenden Verordnungen außer Kraft (Abb. 1).


Abb 1: Neuordnung des Rechts überwachungsbedürftiger Anlagen (BetrSichV).

Das betrifft u.a. folgende Verordnungen:

  • Druckbehälterverordnung
  • Dampfkesselverordnung
  • Acetylenverordnung
  • Verordnung über Gashochdruckleitungen
  • Verordnung über brennbare Flüssigkeiten
  • Verordnung über elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen

Das gilt auch für die zu den o.g. Verordnungen bestehenden Verwaltungsvorschriften.[4]

Die spezifischen Anforderungen zu den Druckgeräten werden neben den in der Artikelverordnung [2] getroffenen Umsetzung genannter EU-Richtlinien künftig in sog. harmonisierten Beschaffenheitsnormen, als auch im Übergang durch die überarbeiteten AD-2000 Merkblätter, zum Ausdruck gebracht.[9]

Unbenommen von den spezifischen Verantwortungen des Herstellers beim " Inverkehrbringen" liegt die rechtliche Verantwortung zur Sicherheit beim Anlagenbetrieb nach der Betriebssicherheitsverordnung für "überwachungsbedürftige Anlagen" beim Betreiber.[2]

Hierzu sind in Verantwortung des Betreibers für diese Anlagen spezifische Gefährdungsbeurteilungen durchzuführen, für die Gefahrenpotenziale Risikobewertungen zu treffen und die notwendigen Schutzziele, Inspektions- und prophylaktischen Maßnahmen zu sichern. Die BetrSichV schreibt hierzu Mindestanforderungen, Prüfverfahren und Prüffristen auch für die Funktions- und Festigkeitsprüfung der Anlagenkomponenten während der Betriebsphase, wie z.B. die WKP von Rohrleitungssystemen, vor.

Für die wiederkehrende Anlagenprüfung kann sich der Betreiber nach der neuen BetrSichV auf fachkundiges Personal stützen hinsichtlich:

  • der betrieblichen "Eigenüberwachung"
  • zugelassener Überwachungsstellen (ZÜS) und
  • "befähigter Personen" für bestimmte Aufgabengruppen.

Das bisher hierzu im Sonderstatus stehende Prüfwesen der TÜV's wird künftig entsprechend der BetrSichV - nach einer Übergangszeit - organisationsbezogen, durch im freien Wettbewerb stehende ZÜS abgelöst, die eine spezielle Zulassung entsprechend noch ausstehender Regelungen nachweisen müssen.[4]

Nach der BetrSichV erfolgt in Übereinstimmung mit der Struktur der EU-Druck-geräterichtlinie 97/23/EG eine Kategorienbestimmung der "Druckgeräte" als Ausdruck des Gefahrenpotenzials.[2]

Über die Grundanforderungen der "Guten Ingenieur Praxis (GIP)" hinausgehend, werden in Richtung steigendem Gefahrenpotenzial die Kategorien I bis IV klassifiziert (Abb. 2). "Druckgeräte" umfassen in diesem Zusammenhang:

  • Behälter
  • Rohrleitungen
  • Ausrüstungsteile mit Sicherheitsfunktion und
  • druckhaltende Ausrüstungsteile.


Abb 2: Schema zur Gefährdungsklassifikation von Druckgeräten nach DGRL und BetrSichV.

Die Klassifizierung nach Gefahrenpotenzial-Kategorien gilt in der Regel für Druckgeräte und Baugruppen mit einem maximal zul. Druck (PS > 0,5 bar), wobei für bestimmte Industriebereiche und Sonderansprüche entsprechende Ausschließungen [2] gemacht sind.

Die genannte Kategorienbewertung als Ausdruck des jeweiligen Gefahrenpotenzials wird im wesentlichen bestimmt durch:

  • Aggregatzustand und Dampfdruck des Mediums
  • zulässige Temperatur (TS)
  • Gefährlichkeit des Mediums (giftig, entzündlich, explosiv etc.)
  • gespeicherte Energie, ausgedrückt durch das Produkt von maximal zulässigem Druck (PS) und Volumen (V) bei Behältern bzw. durch das Produkt von maximal zulässigem Druck (PS) und Nennweite (DN) bei Rohrleitungen.

Die neue BetrSichV regelt in Bezugnahme auf die o.g. Kategorieneinstufung der Gefahrenpotenziale

  • die Prüfung vor Inbetriebnahme nach § 14 BetrSichV und
  • die Prüfung und Fristenregelung für wiederkehrende Prüfungen (WKP) nach § 15 BetrSichV.

Das umfasst den Einsatz grundlegender Prüfverfahren sowie Regelungen zur Kompetenz für die Durchführung.

2.2 Methodenspektrum und Informationsgehalt wiederkehrender Prüfungen und angewandter Alternativen zur Druckprobe bei Rohrleitungssystemen
Wiederkehrende Prüfungen nach § 15 BetrSichV bestehen grundsätzlich aus einer technischen Prüfung, die an der Anlage selbst unter Anwendung von Prüfregeln vorgenommen wird und einer Ordnungsprüfung innerhalb vom Betreiber aus sicherheitstechnischer Bewertung ermittelten Prüffristen. Dabei sind für die Gefahrenpotenzial-Kategorien I bis IV für die WKP von Rohrleitungen Prüffristen von max. 5 Jahren nach Prüfung vor Inbetriebnahme in der BetrSichV festgeschrieben, die aus sog. "äußerer Prüfung" und einer "Festigkeitsprüfung" bestehen. (Abb. 3)


Abb 3: Wiederkehrende Prüfung (WKP) "prüfpflichtiger Rohrleitungen" nach §15 BetrSichV.

Wenn die Durchführung der "Festigkeitsprüfung" durch "statische Druckproben" aus Gründen der Bauart oder Betriebsweise nicht zweckdienlich ist,können die "statischen Druckproben" durch "gleichwertige" zerstörungsfreie Methoden ersetzt werden. [2]

Wiederkehrende Prüfungen von Rohrleitungssystemen im Anlagenbetrieb umfassen mit der "äußeren Prüfung" die Inaugenscheinnahme der Systemelemente und die Übereinstimmungsprüfung der Anlagenanordnung mit dem R&I-Schemata bzw. der Isometrie einschließlich einer Bewertung des Vorhandenseins und der "Funktion" der Sicherheitseinrichtungen.

Die 2. Komponente sind "technische Prüfungen" an der Anlagentechnik in Form von Festigkeitsprüfungen durch Druckproben oder andere "gleichwertige" ZfP-Verfahren. Letzteres erfolgt mit der Zielstellung, gesicherte Kenngrößen für die festigkeitsmäßige Beschaffenheit der Rohrleitungen in der Phase des Anlagenbetriebs d.h. nach bestimmten Laufzeiten unter Betriebseinflüssen zu gewinnen.

Dabei unterscheiden sich die betriebspraktisch angewandten Methoden in Abhängigkeit von

  • Informationsziel
  • Gefährdungspotenzial
  • Prozessbedingungen
  • Betreiber-Erfahrungen
  • Technisch-ökonomischer Machbarkeit

Technisch gesehen, ist die statische Druckprobe [10] mit PT=1,3 ´ PS eine integrale Komplexprüfung zum Nachweis einer Mindestfestigkeit, die im momentanen Zeitpunkt der Prüfung dem betriebspraktischen Funktionsfall (bis auf Betriebsdruck, Betriebsmedium, Strömung, Temperatur und Schwingungen) sehr nahe kommt. Sie sichert über den Prüfdruck zugleich eine definierte Zusatzbelastung von etwa 30% Sicherheitsreserve bei positivem Testergebnis der Druckprobe. Dennoch hat sie den Charakter einer Attribut-Aussage [0;L], die keinen Trendverlauf von festigkeitsbeeinflussenden Beschaffenheitsänderungen an drucktragenden Elementen erkennen lässt.

Dem zweifelsohne hohen Informationsgehalt einer statischen Druckprobe im Sinne einer integralen Dichtheits- und Festigkeitsprüfung für die komplexe Abnahmeprüfung vor Inbetriebnahme stehen jedoch bei einer nach BetrSichV grundsätzlich auch für die WKP vorgesehenen Anwendung generell, als auch im besonderen für Rohrleitungssysteme, folgende betriebliche Nachteile und Einsatzgrenzen gegenüber [3][5][6]:

  • Der Charakter der Attributkontrolle (0;L) der keine beginnenden Verschleiß- oder Korrosionserscheinungen quantitativ aus dem komplexen Druckprüfungs-Ergebnis ableiten lässt.
  • Prozesstechnische, technische und ökonomische Grenzen der Machbarkeit infolge:
    • notwendiger Produktionsunterbrechung bzw. Begrenzung auf generelle Abstellungszeiträume
    • Medienaustausch von Betriebs- und Prüfmedium mit z. T. chemischer Unverträglichkeit, Prozessverunreinigungen und daraus notwendigen Zusatzaufwendungen

Die Suche nach effizienten Alternativen zur Druckprobe durch in der BetrSichV eingeräumte "gleichwertige" ZfP-Verfahren und Methoden ist deshalb auch für die WKP von Rohrleitungen - bei z.T. hunderte Kilometer umfassenden Netzen prüfpflichtiger Leitungen einer Großanlage - ein brisantes, technisch wie ökonomisch relevantes, Aufgabenfeld.

Eine in der BetrSichV verlangte "Gleichwertigkeit" beim technologisch und verfahrensbedingtem Ersatz von statischen Druckproben durch andere alternative ZfP-Verfahren gibt es nur bei sehr weit gefasster Auslegung. Das ist schon darin begründet, dass alle bisher bekannten und technisch-ökonomisch vertretbaren Alternativprüfungen keinesfalls den integralen Charakter einer vollständigen und gleichzeitigen Festigkeitsprüfung aufweisen. Sie sind mit Ausnahme bereichsweiser teilautomatisierter Sonderprüfungen zur ZfP im Grunde immer Stichprobenprüfungen, die jedoch ohne Produktionsunterbrechung in der Regel eine maßliche Bewertung des Istzustandes und damit von Verschleiß- und Korrosionserscheinungen erlauben.

Der o.g. Stichprobencharakter gilt für Rohrleitungssysteme bei Wanddickenmessungen sowohl hinsichtlich der makrotopologischen Position der Messortbereiche im Anlagensystem als auch hinsichtlich der für lokale Bereiche gewählten Stichprobenanordnungen.Rohrleitungssysteme in Prozessanlagen unterliegen im Betrieb z. T. sehr unterschiedlichen und wechselnden Betriebs-, Strömungs- und Prozessgegebenheiten, so dass z.B. festigkeitsrelevante Abträge von Wanddicken durch im wesentlichen systematische Einflüsse hervorgebracht werden, denen immer auch zufällige Einflüsse überlagert sind.

Hinweise zum Ort und Umfang notwendiger Stichprobennahme lassen sich deshalb kaum aus wahrscheinlichkeitstheoretischer Verteilungsmodellbildung allein ableiten, wie es z.B. bei Maschinenfähigkeitsanalysen im Werkzeugmaschinenbau der Fall ist. Eine gezielte Stichprobennahme gründet sich im vorliegenden Fall auf Betriebserfahrung zur Häufigkeit bestimmter festigkeitsbeeinflussender Zustandsänderungen und ihres Auftretens an typischen Stellen des Rohrleitungssystems nach bestimmten Laufzeiten.

Damit wird schließlich die Zulässigkeit und die "Gleichwertigkeit" einer Alternative zur Druckprobe bei wiederkehrenden Prüfungen von Rohrleitungen in der Betriebspraxis über Gefährdungsanalysen, Verlaufuntersuchungen zu typischen Schad- und Verschleißbildern sowie aus anlagenspezifischer Betriebserfahrung durch die Betreiber im Zusammenwirken mit "Eigenüberwachung" und "zugelassenen Prüfstellen" bestimmt.

Dabei bleibt grundsätzlich bei allen Prüfverfahren ein durch die metrologische Unsicherheit des Prüf-Equipments und des Messverfahrens einerseits und durch den Stichprobencharakter der zulässigen Alternativprüfungen bei der WKP andererseits bedingtes Restrisiko zur festigkeitsmäßigen Sicherheitsbewertung der Anlagentechnik hinsichtlich des komplexen Istzustandes.

Dieses Restrisiko kann nur durch Vorlaufuntersuchungen, Betreibererfahrung und sorgfältig nach dem Stand der Technik ausgeführte Sicherheitszuschläge, Prüfstrategien und Bewertungen mit hoher Fachkompetenz eingegrenzt bzw. minimiert werden. Es ist bei Stichprobenprüfungen nie vollständig auszuschließen.

Nachfolgend sollen eigene Dienstleistererfahrungen im Inspektions- und Sicherheitsmanagement in der verfahrenstechnischen Industrie zum Einsatz alternativer WKP von Rohrleitungen vorgestellt werden. Dabei wird durch Informationskopplung von Berechnung und Wanddickenprüfung eine erhebliche Verbesserung des Informationsgehaltes und ein noch effizienterer Verfahrenseinsatz erreicht.

3. Optimierter Verfahrenseinsatz von Spannungsanalytik und ZfP im WKP-Management von Rohrleitungssystemen

3.1 Grundansatz und Lösungskonzept
Eine in der verfahrenstechnischen Industrie zur Festigkeitsbewertung von Anlagen im Rahmen der WKP von Rohrleitungen häufig genutzte Standard-Alternative zur Druckprobe nach der BetrSichV ist die Beschaffenheitsbewertung zur Festigkeit über stichprobenartige, punktuelle US-Wanddickenmessungen oder auch DS-Schattenaufnahmen mit Wanddickenbestimmung, in der Regel während des laufenden Prozessbetriebes.

Die Prüfung erfolgt dabei an sog. "erfahrungsgemäß kritischen Stellen" des Rohrleitungssystems, d.h. an durch Erosion oder Korrosionsabtrag gefährdeten Stellen im Rohrsystem-Innenbereich (Bögen, T-Stücke, Reduzierungen, Durchhänge etc.) sowie auch an korrosionsbeeinflussten Stellen im Rohrwand-Außenbereich.

Andere im Betrieb mögliche Schadbild-Ausprägungen und Gegebenheiten, die ebenso die Festigkeit beeinflussen, wie z.B. Materialermüdung, Rissbildung, interkristalline Korrosion sowie sich verändernde Gegebenheiten im Bereich von Schweißnähten sind in der Regel nicht Teil des Standard-WKP-Programms für Rohrleitungen im Anlagenbetrieb. Sie müssen vor Einsatz des beschriebenen Lösungskonzeptes alternativer WKP durch Voruntersuchungen der spezifischen Bedingungen analysiert, bzw. bei Erfordernis mit im Prüfzyklus des Systems korrespondierenden separaten Prüfmethoden ergänzend - direkt oder indirekt - überwacht werden.

Der Kernansatz zur optimierten Nutzung von Spannungsanalytik und ZfP bei wiederkehrenden Inspektionen von Rohrleitungen besteht darin, die Prüfungen der Wanddicke an den o.g. "besonders kritischen Stellen", die auf prozesstechnologischen Erfahrungen beruhen, durch die gleichzeitige oder zusätzliche Prüfung an Stellen rohrstatisch hoher Spannungsauslastung zu ergänzen.

An Stellen bzw. Bereichen besonders kritischen Wanddickenabtrages und/oder hoher Spannungsauslastung kann in Abhängigkeit des Risiko-Potenzials über von Betreiber und ZÜS vereinbarte Prüfanweisungen, die Suche nach der "minimalen" Istwanddicke in einem definierten kritischen Feldbereich durch entsprechende Rastermessungen objektiviert bzw. die Nachweis-Wahrscheinlichkeit P(Sist min) erhöht werden.

Bei der Auswahl der Stichproben-Bereiche und des Stichprobenumfanges werden praktisch zusätzlich "risikobasierte Vorinformationen" benutzt. Gleichzeitig bietet die Systemkopplung von Spannungsanalyse und WD-Prüfung die Option einer Spannungsreduzierung an kritischen Stellen durch Optimierung des Halterungskonzeptes.

3.2 Systemkopplung von Spannungsanalytik und WD-Messung

  • Mit der Methodik wird der eigentlichen Prüfplanung für die WD-Bestimmung im Rahmen der WKP von Rohrleitungen eine rohrstatische Berechnung des Rohrleitungssystems mit FEM-Programmen vorangestellt, bzw. auf bereits vorhandene, dem aktuellen Anlagenzustand entsprechende Auslegungsberechnungen aufgebaut. (Abb. 4,5)

  • Abb 4: Grundstruktur Systemberechnung, Prüfplanung, Festigkeitsbewertung.

    Für die anlagenspezifisch zutreffenden Lastfälle und Lastfallkombinationen und zunächst für die Bezugnahme auf die Nenn-Wanddicke Snenn für das bei der Berechnung angewandte Knotennetz wird die Steifigkeitsmatrix gebildet und die maximale Spannungsauslastung an den Knotenpunkten bzw. für den Bereich der einzelnen Systemelemente mit

    (1)

    bestimmt.[6]
    Für vorzugebende Level zulässiger Spannungsauslastung werden im FEM-Programm die Elementebereiche und deren minimal erforderliche Wanddicke (Sminerf.) bestimmt, die in der Spannungsauslastung über dem gewählten Niveau liegen und damit maßgeblich die Grenz-Festigkeit des Rohrleitungssysteme bestimmen.

    • Mit einem speziellen Programm-Modul wird die minimal erforderliche Wanddicke in Relation zur vorliegenden Spannungsauslastung unter Einbeziehung von Näherungen bestimmt, wobei
    • (2)
    • An diesen, bereits durch hohe Spannungsauslastung smax / s zul in Vorinformation aus der Berechnung bekannten Rohrleitungs-Elemente-Bereichen, die in der Isometrie identifiziert werden, erfolgt die gezielte makrotopologische Anordnung der Stichprobenprüfungen zur Bestimmung der Istwanddicke Sist unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die unter 3.1 genannten "erfahrungsgemäß kritischen Stellen" verfahrensbedingter Wanddickenabträge im Betrieb der Anlage. (Abb. 5)

    • Abb 5: Systemstruktur spannungsorientierter Prüfplanung bei WKP von Rohrleitungen.

    • Nach dem grundsätzlichen Entscheidungskriterium

      (3)
      erfolgt eine Bewertung und Zulässigkeit des ermittelten Wanddickenabtrages und der rohrstatischen Festigkeit gegenüber dem Sollzustand. (Abb. 6)

    • Abb 6: Systemstruktur WD-Vergleich mit Spannungsreduktion durch Halterungsoptimierung bei WKP-Rohrleitungen.

    • Dabei kann das System der Spannungsberechnung mit FEM bei Bedarf auch durch Einsetzen der jeweiligen Istwanddicken iterativ in seiner Aussageschärfe verbessert werden. Ergänzende spezielle FEM-Module erlauben darüber hinaus die detaillierte Spannungsberechnung innerhalb einzelner Elementbereiche.
    • Eine über die Zeitachse verschiedener WKP-Zyklen geführte Analyse der erreichten Wanddickenabträge am gleichen Messort und konstanten Betriebsbedingungen DS = f (Laufzeit) erlaubt, wenn auch nur im Rahmen der durch die Messunsicherheit und durch die objektbedingte Unsicherheit sowie Stichprobenprüfung bestimmten Konfidenzgrenzen, einen Ansatz zur weiteren Lebensdauerabschätzung des Rohrleitungssystems, zur Festlegung eines anlagenspezifisch notwendigen, zu erwartenden, nächsten Inspektionszeitpunktes und damit auch zur vorbeugenden Instandhaltung.
    • Liegen bereits Wanddickenabträge DS aus den Messergebnissen vor, die zu einer Unterschreitung der minimal erforderlichen Wanddicke führen, d.h.

      (4)
      so erlaubt die vorgestellte Kombinatorik des Systems mit dem Berechnungssystem der FEM zunächst prinzipiell auch für den untersuchten Leitungsbereich die Suche nach einer Optimierung des Halterungskonzeptes (Abb. 6). Das erfolgt mit dem Ziel einer Gesamtspannungsreduktion durch Änderung des Stützkonzeptes (Halterungskonzept), bevor die oftmals aufwändige Erneuerung eines Rohrleitungs-Abschnittes oder des gesamten Systems entschieden werden muss.(5)
    • Das vorgestellte Verfahren kann für verschiedene Ausgangsbedingungen auch kundenspezifisch modifiziert werden, bzw. auch stufenweisen Ausbau finden.
    • Entsprechend den Forderungen nach DIN EN ISO/IEC 17025 und in Entsprechung der Sicherheitsrelevanz zur Anlagensicherheit ist bei der Festigkeitsbewertung über die WD-Messungen die messtechnisch stichprobenartig ermittelte Istwanddicke (Sist) von Rohrleitungssystemen um den Betrag der wirksamen Messunsicherheit bzw. der Fehlergrenzen des eingesetzten Messverfahrens zu reduzieren.

    4. Zusammenfassende Bewertung

    Das vorgestellte Kombinatsverfahren zur Festigkeitsprüfung bei der WKP von Rohrleitungen, d.h. der FEM-Berechnung und Spannungsanalytik mit abgesicherter Einbeziehung der Ergebnisse der WD-Messung an sowohl abtragsgefährdeten als auch an spannungskritischen Stellen optimiert den Aufwand der Stichprobennahme und erhöht zugleich den Informationsgehalt zu einer Restfestigkeits-Aussage im Betrieb befindlicher Rohrleitungssysteme, ohne das prinzipielle Restrisiko der Aussage von Stichprobenprüfungen auf die Gesamtheit aufzuheben.

    Zugleich können in vielen Fällen Spannungsreduzierungen durch eine Optimierung des Halterungskonzeptes erreicht werden.

    Die Wirksamkeit und Effizienz des Systems ist jedoch an eine Reihe von grundlegenden Voraussetzungen gebunden, die sowohl eine interdisziplinäre Erweiterung klassischer ZfP-Betrachtung erfordern, als auch im besonderen schnellen Datenzugriff zu aktuellen As-built-Isometrien, zu Ergebnissen rohrstatischer Berechnungen sowie objektgekoppelten Messergebnissen verlangen.[3][7][8]

    Die notwendigen Grundvoraussetzungen hierzu umfassen:

    • moderne Aufnahmesysteme zur geometrischen As-built-Zustands-Erfassung mit Generierung von Isometrien in 2D und 3D-Version.
    • spezifische Programm-Module zum Einlesen von CAD-Isometriedaten als Input für FEM-Programme.
    • Berechnungs-Programm-Module für FEM
    • moderne Prüftechnik mit geringer Geräteunsicherheit zur Vor-Ort-Messung.
    • geeignete Datenbankstrukturen mit objektbezogener Datenkopplung.

    Die Fa. NSQ Hauk GmbH Ludwigshafen verfügt über o.g. Voraussetzungen und langjährige Erfahrungen auch zur komplexen WKP von Rohrleitungssystemen (Abb. 4-8).


    Abb 7: DB-Systeme WKP-Rohrleitungen-Grundstruktur.

    Abb 8: NSQ-DB-System-Beispiel Ultraschall-Prüfung.

    In einer ökonomischen Bewertung können nach einer ersten Aufbereitung aktueller Isometriedatensätze sowie der Berechnungen für die 1. WKP in allen weiteren WKP-Prüfzyklen - bei erhöhtem Informationsgehalt - durch Anwendung des vorangestellten Komplexverfahrens, Reduzierungen der Aufwendungen für die WKP um ca. 50-70% nachweislich erreicht werden.[3][5][6]

    Hierbei nicht einbezogen sind Instandhaltungseinsparungen aus möglicher Optimierung der Halterungskonzepte und damit verlängerter Einsatzdauer bestehender Rohrleitungen bei voller Gewährleistung des Sicherheitsniveaus.

    5. Schlussfolgerungen - Perspektive

    Ohne den Einsatz moderner Informationssysteme, leistungsfähiger ZfP-Prüftechnik und Schaffung entsprechender Datenverbundsysteme zur Informationskopplung aller qualitätsrelevanten Vorinformationen, Berechnungs- und Prüfergebnisse über den gesamten LifeCycle einer Anlage ist den wachsenden Ansprüchen wiederkehrender Inspektion im Sicherheitsmanagement als Basis effizienter Instandhaltungsstrategien nicht zu begegnen. Hier liegt auch in Umsetzung der neuen BetrSichV in großen Bereichen betrieblicher Praxis ein hoher Nachholbedarf vor.

    Voranstehende Beispiele sind hier nur ein in der verfahrenstechnischen Industrie betriebspraktisch bewährter Ansatz auf dem Weg zu ganzheitlichen Lösungen für die WKP, die vor allem interdisziplinäres Vorgehen erfordern und mit den betriebszentralen Informationssystemen zum Anlagenbetrieb bzw. der Anlageninstandhaltung (z. B. SAP-Module) weitesgehend redundanzfrei korrespondieren müssen.

    6. Literatur und Quellenverzeichnis

    1. Würpel, H., Hauk, T.: Effizientes Qualitätssicherheits- und Umweltmanagement, Tagungsmaterial 1. INTERGRAPH Kraftwerkstage 1996.
    2. Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Bereitstellung von Arbeitsmitteln und deren Benutzung bei der Arbeit, über Sicherheit beim Berieb überwachungsbedürftiger Anlagen und über die Organisation des betrieblichen Arbeitsschutzes (Betriebssicherheitsverordnung - BetrSichV) vom 27.09.2002 (BGBL. I, S. 3777).
    3. Würpel, H., Hauk, T.: Umbruch im Rekonstruktions-, Sicherheits- und Instandhaltungsmanagement von Produktionsanlagen, CHEManager 12/98, S. 27.
    4. Autorenkollektiv: Betriebssicherheit neu geregelt, Special EHS Life, 2/2002, S.10-50
    5. NSQ-Produktinformation: Alternativverfahren zur Druckprüfung bei wiederkehrenden Prüfungen von Rohrleitungen (2000).
    6. NSQ-Produktinformation: Visuelle Prüfung und rechnergestützte Lebensdaueranalyse von Rohrleitungssystemen (2000).
    7. Würpel, H., Hauk, T.: Nutzungspotenziale von 3D-Anlagendokumentationen, CHEManager 6/99, S. 34.
    8. Würpel, H., Hauk, T., Fröhlich, C.: Von der As-built-Photogrammetrie zum LASER-Scanning, Tagungsmaterial INTERGRAPH Process & Power 2000
    9. Hecht, A.: Der derzeitige Stand von zerstörungsfreien Prüfungen auf Basis der EU-Druckgeräterichtlinie, ZfP-Zeitung 78/2/2002, S. 36-39
    10. Schröder, G.: Hat der Euro auch die Prüfdrücke erhöht, ZfP-Zeitung 82/12/2002,S. 40-42.

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