DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Der Anerkennungsvorgang um eine Offshore Prüfungsanwendung zu bestätigen

John Lilley, MInstNDT is certified to ASNT Level III, LM1003, MT, PT, RT, UT and is employed as a Principal Consultant by AEA Technology plc, Risley, UK.
Thomas Taylor, AMIMechE is employed as a Subsea Technology Manager by PGS Production Ltd, Aberdeen, UK.
Bernard McGrath, MInstNDT is employed as a Technical Consultant with the Inspection Validation Centre, Serco Assurance, Risley, UK.

Kontakt: Lilley John

Abstraktum

Es wurde festgestellt, dass die dynamischen Schutzhüllen für die Olsteigleitungen eines Ölbohrschiffs das in der nördlichen Nordsee stationiert ist durch den gemeinsamen Einfluss von Design, erhöhter Bewegung des Schiffs und Wellenbewegung unter stärker als erwarteten Spannungen stand. Die Zuverlässigkeit einer Schweißnaht, die in einer Polyurethanschutzhülle verborgen liegt musste bestätigt werden und die Alternativen waren entweder, neue Schutzhüllen zu beschaffen oder eine Art von nichtinvasivem Prüfverfahren zu entwickeln.


Zeichnung 1: Banff Produktions System.

Dieser Vortrag beschreibt die Integration eines Anerkennungsvorgangs und Werkstoffprüfungsdesignvorgänge wie sie in der praktischen Anwendung in einer nichtinvasiven Werkstoffprüfungslösung durch den Gebrauch von Ultraschallprüfmethoden angewendet werden. Die Hauptschweißnaht ist grundsätzlich ein Rohr das an einen Flansch geschweißt ist und das nur von der Flanschoberfläche erreichbar ist. Fehler von verschiedener Art mussten entdeckt werden und die Kenntnis der Fähigkeiten der Werkstoffprüfung war wichtig für die Lebensdauerbestimmung.

Das Arbeitsprogramm erreichte seinen Höchststand in einer Fähigkeitserklärung des Prüfverfahrens, die dazu diente das Verfahren zu untermauern und das anerkannte Verfahren wurde nachfolgend in die Tat umgesetzt.

Ein Arbeitsverfahren, dass die Integration von Prüfdesign und Anerkennungsverfahren für existierende Voraussetzungen bei nicht-invasiven Prüfverfahren die Ultraschall Technologie einbezieht, wurde zusammengestellt.


Zeichnung 2:

Konfiguration der Ölsteigleitung.

Zeichnung 3: Typischer Metalleinsatz an der Steigleitung.

Die Hauptschweißnaht ist grundsätzlich ein Rohr das an einen Flansch angeschweißt ist und das nur von der Flanschoberfläche erreichbar ist. Fehler von verschiedener Art mussten entdeckt werden und die Kenntnis der Fähigkeiten der Werkstoffprüfung war von Wichtigkeit für die Bestimmung der Lebensdauer. Das Arbeitsprogramm erreichte seinen Höchststand in einer Fähigkeitserklärung des Prüfverfahrens, die dazu diente das Verfahren zu untermauern und das anerkannte Verfahren wurde nachfogend in die Praxis umgesetzt.

Das Konzept einer anerkannten nicht-invasiven (Werkstoffprüfung) Ultraschall Prüfmethode hat noch weitere Anwendungsmöglichkeiten um die auf Risiko basierende Werkstoffprüfung und nicht-invasive Werstoffprüfung zu unterstützen.

Einleitung

Das Banff Produktionssystem im Britischen Sektor der Nordsee ist durch das Conoco-eigene Banff-Feld mit dem "Ramform Banff" Schiff, das PGS gehört und auch von PGS betrieben wird, verbunden. Während des ersten Betriebsjahres wurde es offensichtlich, dass die Bewegung des Schiffs größer war als das Design erlaubte. Als Ergebnis wurden detaillierte Untersuchungen vorgenommen um die für Ermüdung besonders anfälligen Komponenten im dynamischen System der Ölsteigleitung neu zu beurteilen. Es wurde auch festgestellt, dass das Produktionsölsteigleitungssystem kritisch für die Sicherheit ist und es wurde als solches mit einem Sicherheitsfaktor von 10 nach API17J für die Lebenserwartung der Steigleitung und der Steigleitungbauteile entworfen.

Insgesamt hängen 5 dynamische Steigleitungen (Durchmesser 2-10 Zoll als Einleitung, 8 Zoll Durchmesser als Wasserleitung, 12 Zoll Durchmesser als Ölableitung und 8 Zoll als Gasableitung) vom Revolverkopf im Ölbohrschiff und jede flexible Steigleitung führt durch eine Schutzhülle, die mit der Unterseite des Schiffs durch eine Steigleitung-Revolverkopfverbindung verbunden ist. Die Schutzhüllen bestehen aus einem Metalleinsatz an einem Ende, der aus einem dicken, runden Flansch und einer inneren Hülle, die mit einem Gitter verstärkt ist. Die Hülle ist direkt an das Flanschende geschweißt und der Metalleinsatz ist völlig in Polyurethan eingeschlossen und macht somit die visuelle Prüfung unmöglich. Die, sich über ihre gesamte Länge verjüngende Polyurethanhülle ist mehrere Meter lang und damit die Grössten die je gebaut wurden.

Währen der Ermüdungsanalyse wurde es offensichtlich, dass sowohl erhöhte Belastungen durch stärkere Bewegung des Schiffs als auch Widersprüchlichkeiten in den ersten Kalkulationen der Schutzhüllenermüdung bestanden. In der Berechnung wurden keine lokalen Stresskonzentrationfaktoren angewendet und die SN Kurve die in der Berechnung benutzt wurde, wurde später als optimistisch befunden. Die Berücksichtigung für das Kerbenschleifen wurde nicht durch das Bauprotokoll unterstützt und die gemeinsame Belastung von Flansch und Gitter konnten nicht völlig durch Berechnungen belegt werden. Zusammen führten diese Tatsachen zu Besorgnis über die Ermüdungsausdauer der Schweißnaht in diesen Schutzhüllen mit einer revidierten, berechneten Lebenserwartung der Steigleitung in einer Region von 10 Jahren (1 Jahr Betriebsdauer).

AEA Technology wurde von PGS kontaktiert und daraufhin von PGS eingeladen eine Ultraschallprüfanweisung für die Werkstoffprüfung der internen Metalleinsätze der Ölsteigleitungshülle an der Flanschschweißnaht, die nur von der Dichtungsfläche erreichbar war, zu entwickeln. Das Ziel war in der Schweißnahtüberhöhung und im Wurzelbereich zu finden und mögliche existierende grobe Schweißfehler zu identifizieren. Einige Tests mussten durchgeführt werden um das Prüfverfahren zu optimisieren und um die Prüfempfindlichkeit und die Einschränkungen zu bestimmen.

Das Entwicklungsprogramm

Es war offensichtlich, dass ein Ultraschallprüfverfahren benötigt wurde und dass Standardprüfanweisungen nicht geeignet waren. Darum wurde ein Programm entwickelt um die Prüfvoraussetzungen zu bestimmen und um die Prüfverfahren zu entwickeln und zu qualifizieren.

Fehlerbeschreibung
Die Schweißnaht wurde zuerst in verschiedene Zonen, basierend auf der möglichen Lage der Fehler, Ausrichtung und Grösse der Fehler, aufgeteilt. Stressanalyse und Bruchmechanik wurden dann angegangen um die glaubwürdigsten und wahrscheinlichsten Winkel der Vermehrung fest zu stellen. Alle Parteien waren sich über erwünschte Prüfzuverlässigkeit und Ablehnungskriterien einig.

Prüfverfahren und Entwicklung der Prüfanweisung
Mehrere von geschweißten Teststücken die "Schlimmstfall-Fehler" in verschiedenen Grössen aufweisen wurden entworfen und hergestellt. Prüfverfahrenformulare wurden von einem Ultraschallberater der Stufe III, der Erfahrung im Gebiet der Ultraschalltechnologie hat, entworfen. Dann wurden Probeuntersuchungen an Teststücken vorgenommenum die Prüfparameter zu optimieren und an einer Reserveschutzhülle um die Ultaschallanzeigen der Schweißnahtgeometrie auszuwerten. Die optimierten Prüfverfahren wurden dann in eine Prüfanweisung die die Werkstoffprüfung leitet und die Basis für den darauffolgenden Anerkennungsvorgang bildet aufgenommen. Es sicherte ausserdem, soweit wie möglich, Anpassung an die Normen.

Leistungsdemonstration/ Demonstration der Leistung
Offene Versuche wurden von IVC an den Teststücken, die eigens für diesen Zweck beschafft worden waren, ausgeführt um die Prüfmethode offiziell durch den Gebrauch von offenen Teststücken in der Demonstration anzuerkennen/ zu qualifizieren. Eine Rechtfertigung der Wahl eines jeden Prüfparameter war nötig. Die Prüftechniker wurden daraufhin an einem anderen Satz von Teststücken ausgebildet.

Anerkennung des Prüfverfahrens
Das Prüfverfahren wurde anschliessend durch eine Fähigkeitserklärung, welche die Fähigkeit der Werkstoffprüfung das Vorhandensein, die Größe und das Berichten von Fehlern bestätigt.

Die Werkstoffprüfmethoden

Die Zugänglichkeit zur Flanschoberfläche und damit der einzigen Prüffläche war weiterhin eingeschränkt durch die Anwesenheit von Schlupflöchern und Fasen. Der Umfang der Ultraschallstrahlen die benutzt werden konnten wurde dadurch entsprechend beschränkt. Das bedeutete starke Beeinträchtigung der konventionellen manuellen Ultraschallprüfung, besonders wo erwartete Rissorientierungen nicht entsprechend ausgerichtet sind um starke Reflektionen zu erreichen. Stattdessen wurde TOFD Software, die es erleichtert Ultraschallbilder zu analysieren, mit senkrechter Einschallung und begrenzten Winkeleinschallungen benutzt mit der Absicht eine mehr direkte Reflektion und gebeugte sowie gestreute Signale zu erzielen. Das Sonomatic Microplus Gerät, dass in diesem Versuch benutzt wurde ist extra für schwache Ultraschallsignale entwickelt worden. Die Empfindlichkeit der Werkstoffprüfung, Frequenzbandbreite und Impulseigenschaften waren ausreichend um akustische Gefügestreuung vom Material dar zu stellen und somit konnten die metallurgischen Unterschiede zwischen geschmiedeten und geschweißten Materialien deutlich festgestellt werden. Anzeigen von Schweißnahtprofil, Schweißnahtfehlern, Rissen und anderen geometrischen Eigenschaften wie zum Beispiel Bohrlöcher wurden als eindeutige Signale vor einem Hintergrund von Geräusch dargestellt.

Das Prüfverfahren wurde durch Teststücke, die künstliche Reflektoren enthielten, die speziell für dieses Verfahren hergestellt wurden, optimiert. Die Prüfpositionen und Einschallwinkel wurden vorsichtig gewählt um bestimmte Eigenschaften bestimmter spezifischer Fehlerarten zu unterstreichen. Beispielsweise sind Risse die von der Flanschoberflächenschweißnahtkerbe verlaufen, nur schwer mit herkömmlichen Ultraschallgeräten dar zu stellen weil die direkte Reflektion von der Schweißnahtkerbe die Reflektion des Fehlers maskiert. Jedoch kann man durch exakte Positionierung des Prüfkopfes, an einer festen Entfernung von der Kerbe, das gebeugte Echo von der Rissspitze früher darstellen als die Reflektion der Kerbe selbst. Siehe Zeichnung 4.

Weitere Prüfmethoden mit Transversalwellen wurden zwischen den Schlupflöchern benutzt um die Abdeckung zu erhöhen und auch um das Profil der Schweißnahtüberhöhung im Einzelnen fest zu legen, da dies aus dem Standpunkt der Stressanalyse von Bedeutung ist. Technisch anspruchsvollere Prüfmethoden, wie zum Beispiel voll- automatisierte Ultraschallprüfung, fokussierte Prüfköpfe und Phased Arrays wurden in Betracht gezogen.


Zeichnung 4: The use of probe positioning to optimise temporal resolution of adjacent echoes.

Diese Möglichkeiten wurden nicht weiter verfolgt, größtenteils aus dem Grund, dass die Schweißnähte nach Erwartung sauber sein würden und ein regelmäßiges Profil der Schweißnahtüberhöhung aufweisen würden, da während der Produktion hohe Qualitätskontrollen ausgeführt worden waren und ausserdem automatisierte Schweißmethoden benutzt worden waren. Die Prüfmethode wurde an einer Reserveölsteigleitung getestet und es wurde bewiesen, dass nur geringe, unbedeutende, punktförmige Reflektionen vorhanden waren.

Die Flanschoberfläche wurde mechanisch bearbeitet um die Werkstoffprüfung zu vereinfachen. Schutzhüllen die ausser Betrieb genommen werden sind leicht mit Drahtbürsten und Abstreifern zu reinigen um eine gute Kontaktoberfläche zu erreichen. Wegen der hohen Empfindlichkeiten die benutzt werden, werden alle Schweißnahtfehler und/oder Unregelmäßigkeiten im Schweißnahtprofil dargestellt und weil die Oberfläche nur von einer Seite erreichbar ist, ist es problematisch alle diese Reflektionen einzustufen. Die Amplitude der Ultraschallreflektion kombiniert mit den Echo -dynamischen Eigenschaften wurden mit den Anzeigen von künstlichen Fehlern verglichen um Fehlerart und -typ einzuschätzen.

Ergebnisse


Zeichnung 5: Prüfergebnis eines Teststücks mit künstlichen Fehlern.

Ein Beispiel von einem Scan an einer Rundnaht eines Teststücks mit künstlichen Fehlern in Zeichnung 5. Dieses Teststück hat drei Wurzelfehler von verschiedener Tiefe. Die horizontale Axe repräsentiert den Umfang oder die Länge der Schweißnaht (in diesem Fall 525 mm) und die vertikale Axe repräsentiert die Laufzeit oder Tiefe unter dem Prüfkopf. Die Helligkeit oder Intensivität des Bildes repräseniert die Amplitude der Ultraschallreflektion.

Es ist bewiesen worden, dass 2mm tiefe Fehler zuverlässig gefunden werden können und dass 1mm tiefe Fehler unter guten Bedingungen gefunden werden können. Man glaubt, dass 1mm tiefe Fehler mit mehr Zuverlässigkeit gefunden würden wenn ein automatisiertes Prüfsystem benutzt würde.

Prüfphilosophie und Ergebnisse der ersten Werkstoffprüfung

Die Absicht dieses Prüfprogramms war die Schweißnähte des Metallgitters an der Innenseite der Schutzhülle zu prüfen und, falls diese frei von bedeutenden Anzeigen war, die Schutzhüllen wieder in Betrieb zu nehmen. Als Alternativmaßnahme wurden Ersatzschutzhüllen hergestellt und bereitgestellt falls die Schutzhüllen die ausser Betrieb genommen wurden entweder fehlerhaft waren oder Ultraschallreflektionen aufzeigten, die nicht klassifiziert werden konnten. Die erste Schutzhülle wurde an Land gebracht und die erste Werkstoffprüfung mit sofortiger Auswertung wurde, innerhalb der entsprechenden Zeitspanne, erfolgreich ausgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Entscheidung getroffen den oberen Teil der Ölsteigleitung ab zu schneiden und die Schutzhülle ab zu streifen um sie weiter untersuchen zu können. Als Ergebnis davon konnte jedoch eine totale Werkstoffprüfung des oberen Teils der Schutzhülle stattfinden, die weitere technische Probleme, nämlich Korrosion des Materials der Ölsteigleitung, zum Vorschein brachte, die dann weiter untersucht werden mussten. Eine Gelegenheit enstand die es erlaubte alle Schutzhüllen auszutauschen ohne das Revisionsprogramm zu beeinflussen. Es wurde beschlossen damit fortzuschreiten und die Schutzhüllen auszutauschen und die erste Hülle metallurgisch zu untersuchen. Das Entfernen der Polyurethanschicht war zeitaufwändig aber bestätigte dass die Anzeigen tatsächlich durch lokalisierte, unregelmäßige Schweißnahtgeometrie hervorgerufen wurden.

Abschluss

Die Geometrie des Bauteils präsentierte, wegen des schwierigen Zugangs eine Herausforderung an konventionelle, manuelle Ultaschallprüfung. Die Ultraschallprüfmethode die hier benutzt wurde war erfolgreich in dem sie die Probleme mit Hilfe einer zweidimensionalen Mustererkennungs/ Pattern Recognition Software bewältigte. Ähnliche Prüftechniken sind in Einzelfällen seit den 80er Jahren benutzt worden, werden aber durch rapide Verbesserungen in der Ultraschallprüftechnik immer effektiver. Wäre es möglich, dass diese Methode übersehen wurde weil man die auf Amplitude basierende Impulsechomethode hartnäckiger verfolgt hat? Die Haupteinschränkung dieser Methode, die im Fall der Ölsteigleitung benutzt wurde, ist die Schwierigkeit der Auswertung der Bilder. Daher ist sie verlässlicher wenn sie im Zusammenhang mit einer Fehlerspezifikation und einem Anerkennungsvorgang gebraucht wird.

Der Anerkennungsvorgang spielte eine grosse Rolle für die Sicherheit und die Zuverlässigkeit der Werkstoffprüfung der Schutzhülle durch:

  • Beweise die die Fähigkeitserklärung unterstützen.
  • Die Sicherheit, dass das Wissen und die Erfahrung aus der Entwicklung des Prüfverfahrens ausreichend in die Prüfanweisung integriert werden, so das sich die Werkstoffprüfung nicht auf eine Person verlässt.
  • Die Sicherheit, dass die Ultraschalltechniker ausreichend ausgebildet sind um die Werkstoffprüfanweisung und die Bilder korrekt zu interpretieren.

Durch die Planung des Anerkennungsvorgangs neben dem Vorgang des Werkstoffprüfungsdesign wurden Kosten gespart und durch frühe Identifikation von eventuellen Problemen wurde die beste und geeigneteste Werkstoffprüfung erreicht.

Hier haben wir ein Beispiel wo der Anerkennungsvorgang den Gebrauch einer nicht standardisierten Handlungsweise voll unterstützt und rechtfertigt. Dies hat direkte Relevanz für die auf Risiko basierende Werkstoffprüfung und nicht-invasive Werkstoffprüfungsanwendungen, wo Bauteile mit erschwertem Zugang geprüft werden müssen um betriebsverursachte Degradation zu ermitteln. Beispiele dafür sind Schweißnähte an Stutzen, insbesonders Stutzen mit Verstärkungsringen, Bodenbleche von Lagerbehältern und Material das durch die Anwesenheit von Trägern usw. nicht zu erreichen ist.

In diesem Fall wurde eine überlegte Entscheidung getroffen die Ölsteigleitung völlig zu ersetzen, erstens, da sich ein geeigneter Zeitpunkt ergeben hatte und zweitens, da einige ungewöhnliche Anzeigen aufgetreten waren. Jedoch wurde die anerkannte Werkstoffprüfungsmethode durchaus als wertvoll angesehen, da sie, unter guten Bedingungen, ein hohes Potenzial hat Verluste von Produktion zu verhindern.

Dieser Vortrag wurde zuerst bei der jährlich stattfindenden Konferenz des britischen Instituts für ZFP, im September 2002, in Southport, England gehalten.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net