DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Verfahren zur Inspektion einwandiger Böden in Flachbodentanks - Möglichkeiten und Grenzen von zerstörungsfreien Prüfverfahren -

Andreas Krüger, TÜV Hannover/Sachsen-Anhalt, Hannover
Ralf Dix, RTD Quality Services, Bochum
Wilhelm Kelb, KontrollTechnik, Schwarmstedt
Kontakt: Krüger Andreas Dr.-Ing.

1. Einleitung

Nach wasserrechtlichen Vorschriften [1,2] müssen Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen "so beschaffen sein, so eingebaut, aufgestellt, unterhalten und betrieben werden, dass eine Verunreinigung der Gewässer nicht zu besorgen ist", das heißt nach menschlichem Ermessen unwahrscheinlich ist. Bei Flachbodentanks sind Undichtheiten dann schnell und zuverlässig erkennbar, wenn sie einen lecküberwachten, doppelten Boden besitzen oder der Tankunterbau so gestaltet ist, dass Undichtheiten im Bodenbereich sofort beim Austritt der Lagerflüssigkeit in den Auffangraum erkennbar werden.

Ein erheblicher Teil der in Deutschland bestehenden Tanks genügen diesen Anforderungen nicht. In der TRwS 133/1997 [3] werden Bedingungen für den Weiterbetrieb derartiger Flachbodentanks in Abhängigkeit von der Art und Güte des Fundamentes, der Erkennung einer Leckage sowie vom Umfang zusätzlicher Prüfungen festgelegt. Dabei muss die Summe aller Ersatzmaßnahmen das einleitend genannte Schutzziel in gleichwertiger Weise erfüllen.

2. Wasserrechtliche Anforderungen

Der Weiterbetrieb von Flachbodentanks mit einwandigen Tankböden ist unter bestimmten Voraussetzungen möglich. Die TRwS 133/1997 teilt die Tanks in 6 Gruppen ein. Insbesondere an den Flachbodentanks der Gruppen 5 und 6 sind besondere Maßnahmen erforderlich. Im Rahmen einer Einzelfallprüfung sind die folgenden Aspekte zu berücksichtigen:

  • Beurteilung der Standort- und Aufstellungsbedingungen
  • Sachverständigengutachten mit Prüf- und Maßnahmenplan auf Grundlage der TRwS 133/1997
  • Nachweis einer hohen Primärsicherheit, u.a. durch verlässliche, nachvollziehbare Aussagen über den Ist-Zustand des Behälters
  • Beurteilung des Korrosionsverhaltens / Korrosionsprognose

Unter Punkt 3 wird die Erfassung und Beurteilung des aktuellen Zustands des Behälters gefordert. Hierzu sind insbesondere für den gesamten Tankboden flächendeckende Wanddickenmessungen mittels geeigneter zerstörungsfreier Prüfverfahren erforderlich. An die zerstörungsfreien Prüfsysteme werden dabei bestimmte Anforderungen gestellt.

3. Anforderungen an Tankbodenprüfsysteme

Die in Deutschland und vielen anderen Ländern eingesetzten Prüfgeräte arbeiten nach dem Magnetstreufluss-, dem Ultraschall- und seit jüngerer Zeit auch nach dem Wirbelstromverfahren. Generell lassen sich die Anforderungen an diese Prüfsysteme wie folgt festlegen:

  • Nachweis von Wanddickenminderungen auf der Ober- und Unterseite von Tankböden (z. B. die durch Korrosion hervorgerufen wurden)
  • Nachweis von Schädigungen ab einer Wanddickenminderung von 20% - 30%
  • Quantifizierung der aufgefundenen Wanddickenminderungen
  • Eignung zum Einsatz im Wanddickenbereich zwischen 6 mm und 20 mm an unbeschichteten und beschichteten ferritischen Stahlblechen (Beschichtung: z. B. Kunststoff, austenitische Plattierung)
  • Eignungsnachweis durch eine anerkannte, unabhängige Prüfstelle
  • durch einen Sachverständigen nach VAwS nachvollziehbare und überprüfbare Dokumentation der Prüfergebnisse anhand der Urdaten
  • Erfassung möglichst aller Bodenbereiche auch unter Einbauten, in Randzonen (Boden / Wand) und im Bereich von Schweißnähten

Die Geräte der sogenannten "zweiten Generation" erfüllen die genannten Anforderungen im wesentlichen. Dies soll im folgenden anhand von zwei Prüfsystemen erläutert werden.

4. Prüfsysteme der "zweiten Generation"

4.1 Wirbelstrom-Prüfsystem nach der SLOFECTM-Technik
Das Tankbodenprüfgerät FS-400 V1, Abb. 1, das von der Fa. KontrollTechnik, Schwarmstedt, in Zusammenarbeit mit RTD entwickelt wurde, arbeitet nach der sogenannten SLOFEC(tm)-(Saturated LOw Frequency Eddy Current) Technologie [4].

Abb 1: Tankbodenprüfgerät nach dem SLOFECTM-Verfahren, Kooperation KontrollTechnik / RTD.

Diese basiert auf der Technik des Wirbelstromverfahrens, wobei der jeweils erfasste Bauteilbereich vormagnetisiert und mit relativ niederfrequenten Wirbelstromsignalen geprüft wird. Durch örtliche Inhomogenitäten im Bodenblech (in diesem Fall z.B. Korrosion) wird das eingebrachte Magnetfeld gestört und diese Störung wird anhand des gleichzeitig induzierten Wirbelstromfeldes zur Anzeige gebracht. Das Tankbodenprüfgerät FS-400 V1 verfügt über 8 linear angeordnete Wirbelstromsonden, die sich zwischen den Polen der Magnete befinden. Jeder Sensor hat eine Breite von 50 mm. Die Sensoren sind lückenlos aneinander gefügt. Hieraus ergibt sich eine lückenlose Messbreite des Systems von 400 mm. Da das System modular aufgebaut ist, lassen sich prinzipiell auch andere Messbreiten realisieren.

Eine zu prüfende Platte wird in einzelne Prüfbahnen von je 400 mm Breite aufgeteilt und abgescannt, wobei auf ausreichende Überlappung der Prüfbahnen von mindestens 10% zu achten ist. Wirbelstromanzeigen, die durch Wanddickenänderungen hervorgerufen werden, werden entsprechend ihrer Amplituden vorwählbaren, farbcodierten Klassen zugeordnet und als Farbgrafik auf dem Monitor der Computereinheit darstellt, Abb. 2. Mit Hilfe von Standardvergleichsplatten (Kalibrierplatten), Abb. 4, wird die Zuordnung zwischen Farbklasse und Größe der Wanddickenminderung (Fehlertiefe) geschaffen. Da die Amplitude der Wirbelstromsignale durch das Fehlervolumen (d.h. das abgetragene Materialvolumen) und damit nicht nur durch die Restwanddicke bestimmt wird, führt die Klassierung der Signalamplituden in Wanddickenklassen allerdings nur zu einer ersten Abschätzung der Wand-dickenminderung. Die exakte Ermittlung der Restwanddicke muss anschließend durch eine Ultraschallwanddickenmessung in den betreffenden Bereichen erfolgen. Viele Prüfungen in der Praxis haben gezeigt, dass die erste Abschätzung dennoch auf ± 15 % genau ist.


Abb 2:
Signalverarbeitung und -darstellung beim SLOFECTM-Verfahren.

Abb 3: Unterscheidung zwischen Schäden an der Unter- und Oberseite.

Über die Bewertung des Phasenwinkels der Wirbelstromsignale in der Impedanzebene ist darüber hinaus eine Unterscheidung zwischen innen und außen liegenden Fehlern möglich, Abb. 3.

Von jeder Abtastspur werden Farbdarstellungen erstellt. Die Signalamplituden der einzelnen Sonden können als Liniendiagramme, Abb. 2, oder als C-Bilder dargestellt werden, Abb. 4. Zur Erfassung eines gesamten Bodenbleches sind mehrere Abtastspuren erforderlich. Die C-Bilder der einzelnen Abtastspuren werden im Computer zu einem Gesamtbild des Bleches zusammengefügt, Abb. 5.


Abb 4:
Beispiel für Testfahrten über unterschiedliche Kalibrierplatten, C-Bild Darstellung.

Abb 5:
Muster für die Dokumentation der Prüfergebnisse beim SLOFECä-Verfahren (Wirbelstrom), Einzel-Plattendarstellung.

Abb 6:
Tankbodenübersichtsbild mit Messdaten.

Das Abtasten bzw. Scannen der Bleche erfolgt deshalb nach einem fest vorgegebenen Ablaufschema, welches von der Software berechnet und für die Prüfer vorgegeben wird. Die Ergebnisdarstellung aller Einzelbleche wird abschließend zu einer Gesamttankbodenübersicht zusammengefügt, Abb. 6. Die grafische Darstellung jedes einzelnen Bleches bleibt dabei aber identifizierbar.

Die gesamten Messdaten der Prüfung werden als unveränderbare Urdaten zusammen mit den Systemeinstellungen, Kalibrier- und Auftragsdaten im Rechnersystem gespeichert. Die Grafiken können direkt nach der Prüfung oder zu einem späteren Zeitpunkt erstellt werden. Die Auswertung kann damit zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt auch mit veränderten Bewertungsschwellen wiederholt und durch einen anderen, unabhängigen Bewerter überprüft werden.

4.2 Ultraschall-Wanddickenmessung mit Scanner
Ein flächendeckend arbeitendes Ultraschallmesssystem besteht aus einem ferngesteuert betriebenen Manipulator (Scanner) der mit zwei oder mehr Ultraschall-Prüfköpfen über den Tankboden verfahren wird, Abb. 7. Während der Prüffahrt des Scanners werden die Prüfköpfe zusätzlich quer zur Fahrtrichtung automatisch hin und her bewegt. Dadurch wird mit hoher Prüfdichte innerhalb der überstrichenen Fläche die Wanddicke gemessen. Die Steuerung der Prüfkopfbewegung sowie die Aufnahme und Auswertung der Ultraschall-Messdaten erfolgt über ein integriertes Steuer- und Rechnersystem. Alle Messdaten werden als Urdaten gespeichert, sodass eine nachvollziehbare und überprüfbare Dokumentation der Prüfergebnisse vorliegt.


Abb 7:
Ultraschall-Scanner TÜV Rheinland.

Abb 8:
Abbildung eines schadhaften Bleches (nach TÜV Rheinland).

Die Dokumentation der Ergebnisse erfolgt in Form von farbigen Projektionsbildern. Im Ergebnisausdruck erscheinen die gemessenen Wanddickenwerte als Bildpunkte, aus deren farblicher Codierung die aktuelle Blechdicke entnommen werden kann, Abb. 8. Im gesamten Bild sind alle Wanddickenwerte einer Prüfbahn in der Draufsicht und im Seitenprofil des Prüfbereichs dargestellt. Zusätzlich wird eine statistische Auswertung der gemessenen Werte vorgenommen, so dass ein schneller Überblick über den Zustand des Tankbodens gegeben ist.

4.3 Bewertung der Verfahren
Die in den Abschnitten 4.1 und 4.2 beschriebenen Prüfsysteme erfüllen im wesentlichen die in Abschnitt 3 genannten Anforderungen. Auch bei den Geräten der zweiten Generation bleiben jedoch weiterhin ungeprüfte Bereiche (z.B. Überlappungsbereiche von Blechen, die Bereiche der Schweißnähte und Bodenecken). Für diese Prüfbereiche muss auf alternative Verfahren, wie z.B. die Vakuumprüfung, Oberflächenrissprüfung zurückgegriffen werden.

5. Schallemission an Flachbodentanks

5.1 Verfahren
Es gibt eine Reihe von Untersuchungen und Anwendungen, die aufzeigen, dass sich mit Hilfe der Schallemissionsprüfung der Zustand der Böden von Flachbodentanks ermitteln lässt [5-8]. In diesem Zusammenhang werden seit Beginn der `90er Jahre in Europa durch die Betreiber von Tanklagern umfangreiche vergleichende Messung zwischen Tankbodenprüfungen mit Floor-Scannern, visuellen Prüfungen und Schallemissionstest durchgeführt [6]. Diese Vergleiche sind jedoch unveröffentlicht.

Bei der Schallemissionsprüfung werden empfindliche Sensoren ringförmig an der Außenseite des Behälters angebracht und die vom Tankboden emittierten Schallsignale aufgezeichnet und bewertet, Abb. 9. Die "Geräusche" im Tankboden werden u.a. durch den Bruch oder die Ablösung von Korrosionsprodukten vom Tankboden verursacht. Diese gilt es von Störgeräuschen zu separieren.


Abb 9: Prinzip der Schallemissionsprüfung an Flachbodentanks.


Abb 10:
Lokalisierte Schallemissionsquellen an einem Tank - Beispiel.
Die Schallemissionsaktivität ist demnach ein Maß für die Zahl der Bruch- und Ablösungsvorgänge und somit ein Maß für die Stärke des Korrosionsangriffs. Es wird aktive Korrosion gemessen. Die Messung spiegelt das augenblickliche Korrosionsverhalten des Tanks wieder. Über eine Ortungssoftware wird aus der Ankunftszeit der Signale an den verschiedenen Sensoren der Korrosionsort im Boden ermittelt, Abb. 10. In Abhängigkeit von der Stärke, Häufigkeit und Konzentration der Schallemissionssignale werden die Tanks in 5 verschiedene Klassen A - E eingeteilt. Ein Tank der Klasse A weist sehr geringe, ein Tank der Klasse E sehr hohe Schallemissionsaktivität auf. Die Kriterien für die Einstufung in die unterschiedlichen Klassen werden als Firmen-Know-how betrachtet und sind nicht veröffentlicht.

5.2 Bewertung des Verfahrens
Aus Sicht der Technischen Überwachung sind dementsprechend vor einem zuverlässigen Einsatz des Verfahrens die folgenden Aspekte zu berücksichtigen bzw. offene Fragestellungen zu klären:

  • Es wird nur aktive Korrosion erfasst. Der Zustand des Bodens muss vor oder unmittelbar nach einer ersten Schallemissionsmessung bekannt sein.
  • Wie wird sicher gestellt, dass zum Zeitpunkt der Messung das "Korrosionsverhalten" repräsentativ - für die Vergangenheit und Zukunft - ist.
  • Die Empfindlichkeitseinstellung und Empfindlichkeitskontrolle des Messsystems ist zu definieren (Prüfanweisung mit festen Vorgaben).
  • Die Bewertungs- und Einstufungskriterien in die Klassen Grad A - E sind zu veröffentlichen und festzulegen.
  • Die Offenlegung von Vergleichsmessungen zwischen Schallemission / Floor-Scanner / Schadensbildern ist erforderlich.

6. Zusammenfassung

Die bestehenden Prüfsysteme der "zweiten Generation" für die Prüfung von Tankböden werden im Rahmen dieses Beitrages hinsichtlich ihrer Möglichkeiten, die aus dem Technischen Regelwerk ableitbaren Anforderungen zu erfüllen, im einzelnen betrachtet. Es wird auf die Schallemissionsprüfung als Verfahren zur Detektion aktiver Korrosion eingegangen und aufgezeigt, warum die Akzeptanz des Verfahrens durch die Technische Überwachung zur Zeit nicht gegeben ist.

7. Literaturliste

  1. Wasserhaushalts-Gesetzt (WHG)
  2. Muster-VAwS Muster-Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen und über Fachbetriebe
  3. Technische Regeln wassergefährdender Stoffe (TRwS) 133, Ausgabe 1997 Flachbodentanks zur Lagerung wassergefährdender Flüssigkeiten
  4. Andreas Bönisch, Jon Magne Brandsoey "Screening of Microbiological Corrosion with SLOFECTM Technique" Berichtsband zur 8th European Conference on NDT, Barcelona 2002, European Conference on Non-destructive Testing
  5. B. Herrmann, J. Sell Schallemissionsprüfung von Flachbodenlagertanks zur Bewertung des Bodenzustandes Plakatbeitrag auf der DACH-Jahrestagung, 1996, Lindau
  6. P.J. van de Loo, B. Herrmann "How Reliable is Acoustic Emission (AE) Tank Testing?" - The Quantified Results of an AE User Group Correlation Study; Berichtsband zur 7th European Conference on NDT, 1998, Copenhagen (DK)
  7. P. Tscheliesnig, G. Lackner Erfahrungen bei der Schallemissionsprüfung von Flachbodentanks auf Korrosionen und Undichtheiten; Berichtsband zur DGZfP-Jahrestagung 2001, Berlin
  8. S. Kitsukawa, M. Yamada, S. Yuyama, H. Maruyama and K. Sekine In-Operation Evaluation for Corrosion in Bottom Floors of Oil Storage Tanks by Acoustic Emission Method; Journal of High Pressure Institute of Japan, Vol. 40, No. 4, pp. 41-49, 2002

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