DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

Start > Beiträge > Vorträge > Schallemissionsprüfung: Print

KORROSIONSPRÜFUNG AN SCHIFFEN (ÖLTANKER) MITTELS SCHALLEMISSIONSPRÜFUNG

Peter Tscheliesnig, TÜV Österreich, Wien
Kontakt: Dipl.-Ing. Peter Tscheliesnig

Einführung

Neben allen anderen Energiequellen (z.B. Kohle, Kernkraft) ist Rohöl einer derwichtigsten und am meisten verwendeten Grundstoffe zur Energiegewinnung in der modernen Industriegesellschaft. Der Großteil dieses Rohöles wird vom Ort seiner Gewinnung bis zur Verarbeitung in Raffinerien und schlussendlich zum Verbraucher über weite Strecken transportiert, wobei meist Meeresquerungen notwendig werden, welche hauptsächlich mit Hilfe von Öltankern erfolgen. So werden 90 % des europäischen Rohöls bzw. Ölprodukte mit ca. 3000 Tankern angeliefert, dies sind 27 % der gesamten auf dem Seeweg transportierten Ölmenge von 2 Milliarden Tonnen.

Selbst während des normalen Betriebes wird auf dem Seeweg eine gewisse Menge des Öls in das Meer freigesetzt, aber die tatsächliche Gefährdung der Umwelt setzt im Rahmen von Schiffskatastrophen ein, welche in den letzten Jahrzehnten vermehrt auftraten. Wenngleich ein Teil dieser die Meere und Küsten verpestenden Unfälle durch menschliches Versagen auftraten, wurde ein beträchtlicher Teil durch altersschwache, korrodierte und schlecht bis überhaupt nicht gewartete Öltanker verursacht.

Es sollen hier die 2 Katastrophen betrachtet werden, von denen Europa in den letzten Jahren am meisten betroffen war und dessen Auswirkungen teilweise noch heute sichtbar sind.

Im Dezember 1999 sank vor der Küste der Bretagne der unter maltesischer Flagge fahrende Öltanker "Erika", wodurch 20.000 t Rohöl austraten und 400 km der französischen Küste verwüsteten. Neben der Tatsache, dass die berühmten Austernbänke der Bretagne vernichtet wurden und der Fremdenverkehr in den Folgejahre auf Null sank, was zu beträchtlichen ökonomischen Folgeschäden führte, wurden 45.000 elendiglich zugrunde gegangene Seevögel gefunden.

Am 13. November 2003 wurde der unter der Flagge Bahamas fahrende Öltanker "Prestige" 34 km entfernt von Kap Finisterre in einem schweren Sturm beschädigt, wodurch das altersschwache Schiff 6 Tage später vor der Küste Galiziens auseinanderbrach, wobei durch insgesamt 35.000 t des schwefelreichen, schweren Öldestillats das Meer und viele Hunderte Kilometer der spanischen und französischen Atlantikküste verwüstet wurden. Bei ersten Aufräumungsarbeiten wurden dabei auch mehr als 20.000 tote Vögel gefunden. Im Wrack auf ca. 3000 m Tiefe befinden sich derzeit weitere 35.000 t Schwerölprodukte, die die Umweltkatastrophe jederzeit verlängern können.


Abb 1: Untergang des Öltankers ,Erika' (EPA Foto AFP/Marine Nationale)

Abb 2: Durch ausgelaufenes Öl der ,Erika' verschmutzter Seevogel (EPA Foto AFP / Marcel Mochet)

Auf Basis dieser Ereignisse ergibt sich die Frage wie viele solcher "Billigtanker" kreuzen noch immer auf den Weltmeere und es ergibt sich die ernüchternde Antwort, dass im Jahr 2000 von der globalen Flotte von ca. 8.800 Öltankern 17 % über 50 Jahre und mehr als 34 % über 25 Jahre alt waren. Da sich das Risiko einer Seeunglücks für ein 20 Jahr altes Schiff um einen Faktor von 25 erhöht, kann man ermessen, welche tickenden Zeitbomber auf unseren Meeren, oft unter den sogenannten "flags of convenience", herumschwimmen.

Nebenbei sei noch erwähnt, dass von allen Tankern mehr als 5.000 sogenannte Einhüllentanker sind d.h. Tankwandung und Schiffsrumpf sind identisch.

Reaktionen

Neben dem großen Medieninteresse und den Forderungen hier regulativ einzugreifen, wurde basierend auf den Unfall der Erika die Europäische Kommission per Entschließungsantrag des Europäischen Parlamentes aufgefordert Maßnahmen zu ergreifen, welche weitere Seeunglücke von solchen Ausmaßen verhindern sollten.

Da der TÜV Österreich grundlegende aber auch kommerziell angewendete Erfahrungen auf dem Gebiet der Korrosionsprüfung von Flachbodenlagertanks hat, ging er daran ein Konsortium zu gründen, welches die dabei gewonnenen Erkenntnisse auf Tankerschiffe adaptieren sollte.

Die Umgebungsbedingungen für die Anwendung auf hoher See sind aber so verschieden von den eher "ruhigen" Verhältnisse in Tanklägern und Raffinerien, dass das Konsortium um alle Bedingungen abschätzen zu können, bei der Europäischen Kommission ein Forschungs- und Anwendungsprojekt im Rahmen des 5. Forschungsprogramm der EU einbrachte. Dieses Projekt zur "Korrosionsprüfung von Schiffen (Öltankern) mit Hilfe der Schallemissionsprüfung" wurde mit der Projekt Nr. EVG1-CT-2002-00067 genehmigt und begann am 1. November 2002 mit seinen Arbeiten. Das Konsortium besteht aus folgenden Partnern:

Firma Rolle Arbeitsgebiet Staat
TÜV Österreich Projekt Koordinator,
AT Prüf- und
Auswerteorganisation
Akkreditierte Prüf-,Überwachungs-,
Zertifizierungs- und Kalibrierstelle.
A
Vallen Geräteentwicklung AT Gerätehersteller D
Technischen
Universität Gdansk
Experte für Schiffsbau
und Materialien,
Prüforganisation
Universität, Abteilung für "off-shore"
und Schiffsbaumaterialien
PL
Polnische
Schiffsregistrierungs-
gesellschaft
Experte für
Schiffsklassifizierung
und Prüfung
Schiffsklassifizerungsgesellschaft PL
Institut für
angewandte
Forschung
AT Prüforganisation AT Prüffirma PL
Marineinstitut Gdansk Experte für Korrosion Meeresforschung,Korrosionsexperte
in Meeresumgebung
PL
Tabelle 1: Zusammensetzung des Projektkonsortiums


Abb 3:
Auseinander gebrochener Öltanker ,Prestige' (EPA Foto EFE Pool/STF).

Die Projektziele waren, im Vergleich zu den heute am Trockendock durchgeführten Überprüfungen, eine schnellere aber gleichzeitig auch integralere Prüfmethode zu entwickeln, damit solche Schiffskatastrophen basierend auf Materialdefekten in Zukunft nicht mehr auftreten können. Die heutige Methode ist und kann auch immer nur eine exemplarische Prüfung an einzelnen Messpunkten sein, wodurch Fehlstellen immer übersehen werden können und weiters ergibt sich durch die Beschränkung der Prüfungen im Trockendock ein so hoher Aufwand, dass viele Reeder diese Überprüfungen, wenn möglich, hinausschieben bzw. überhaupt nicht durchführen wollen.

Die Schallemissionsprüfung soll uns jetzt in die Lage versetzen, die Öltanker auf Korrosion von der Innenseite zu prüfen, wobei 2 Prüfarten entwickelt werden sollen.

Ein permanent installiertes Dauerüberwachungssystem

Diese Messsystem, welches auf fix installierten Sensoren in den Lagertanks des Öltankers, beruht, zeichnet permanent die Schallemissionssignale auf während sich das Schiff im Hafen, vor dem Hafen oder auf hoher See befindet, und es wird jener Zeitabschnitt, wo abhängig von allen Umgebungsgeräuschen der geringste Störpegel vorliegt, ausgewählt, um den Zustand des Schiffes zu beurteilen. Die Daten werden auf dem Schiff weiter verarbeitet und automatisch zu einem Auswertelabor an Land übermittelt.
Das System hat den großen Vorteil, dass dieses Auswertelabor den Behälterzustand zu jedem beliebigen Zeitpunkt feststellen kann, und keine Messung vor der Entladung des Tankers im Hafen notwendig wird.

Ein diskontinuierlich messendes System zur Überprüfung vor dem Entladevorgang

Da es natürlich nicht möglich ist, jeden Öltanker mit einem permanent arbeitenden System auszustatten bzw. bei älteren nicht mehr lange in Betrieb befindlichen Tankern dieser Aufwand zu groß wäre, sollte ein transportables Gerät entwickelt werden, welches von angelernten Kräften vor der Entladung des Tankers im Hafen oder in Warteposition vor dem Hafen installiert wird (Sensoren werden dabei in das Transportprodukt versenkt). Die Ergebnisse dieser Messung sollten ebenfalls an das Auswertelabor an Land übermittelt werden, welches den momentanen Zustand des Tankers feststellen kann. Diese Prüfung soll nur wenige Stunden in Anspruch nehmen, wodurch die Entladezeit des Tankers nur unwesentlich beeinträchtigt wird.

Ergebnisse

Die Hauptaufgabe des 1. Projektabschnittes, welcher am 30. April 2004 beendet war, war es, die Anwendbarkeit des Verfahrens für Korrosionsprüfung von Öltankern zu überprüfen. Zu diesem Grund wurden die Versuche in 2 Richtungen gelenkt. Einerseits wurden Korrosionsproben im Labor durchgeführt, um die durch den Korrosionsprozess generierten Daten aufzunehmen und andererseits wurden auf realen Öltankern die Untergrund- bzw. Störgeräusche detektiert und abgespeichert.

Zu aller erst wurden die meist verwendeten Schiffsbaustähle ausgewählt. Aus diesen Stählen sowie aus vorkorrodierten Stählen, ausgeschnitten von Öltankern auf Trockendock, wurden Proben hergestellt. Diese Proben wurden den verschiedensten Korrosionsprozessen im Labor unterworfen. Diese Korrosionsprozesse wurden basierend auf den Erfahrungen der Klassifizierungsgesellschaften im Rahmen der Untersuchungen von Schifffahrtsunfällen ausgewählt. Hautsächlich wurden die Testproben in einem Testbehälter in saure Umgebung (3 % NaCl, pH = 4) eingebracht oder einem elektrolytischen Korrosionsprozess unterworfen. Die dabei entstehenden Schallemissionsgeräuschen wurden aufgenommen und konnten auch mit dem Abtrag korreliert werden. Es wurde darauf Wert gelegt, dass die am gefährlichsten und schnellsten Korrosionsarten im Rahmen dieser Untersuchungen betrachtet wurden. Die gesamten Daten wurden erfasst, vorverarbeitet und strukturiert in eine Datenbank eingebracht.

Um die verschiedensten Untergrunddaten zu gewinnen wurden Sensoren an Schiffen im Hafen, am Ankerplatz, auf hoher See und selbstverständlich auch in voller Fahrt angebracht. Im Rahmen dieser Messungen wurden die Sensoren auf einem kleinen Öltanker der polnischen Marine "ORP Baltyk" appliziert um die akustischen Besonderheiten von Schiffen festzustellen und die besten Plätze zur Applikation von Sensoren festzustellen. Später wurden die Untersuchungen auf einem größeren Öltanker "Icarus 2" durchgeführt. Auf diesem im Betrieb befindlichen Tanker konnten die Sensoren in einem leeren Ballasttank, welcher in direktem Kontakt mit den Transporttanks als auch der Außenhülle des Schiffes steht, appliziert werden. Es wurde darauf Wert gelegt, dass die Sensoren die Daten des Zentraltanks, des Seitentanks und der Hülle sowohl über als auch unter dem Meeresspiegel aufnehmen.


Abb 4: Schema der Labor- und der Hintergrundgeräuschmessungen.

Alle diese Prüfungen wurden mit einem kommerziell verfügbaren Schallemissionsprüfgerät Serie AMSY 4/5 des Projektpartners Vallen durchgeführt, welche sowohl vom Koordinator TÜV Österreich als auch der polnischen Prüffirma "Institut für angewandte Forschung" seit mehreren Jahren verwendet werden. Um den gesamten möglichen Frequenzbereich abzudecken, wurden die verschiedensten Sensoren von einem Frequenzbereich von 30 kHz bis 150 kHz zum Einsatz gebracht.

Die gesamten Daten wurden in eine strukturierte Datenbank eingebracht und einem Auswerteprozess unterworfen, welcher sicher stellen sollte, dass die Nutzsignale von den Korrosionsprozessen von der Fülle von Störsignalen, welche den Untergrund darstellen, getrennt werden können. Die ersten Versuche zeigten, dass die Störsignale zwar in ihrer Stärke die Nutzsignale um einen Faktor von Drei übertrafen aber andererseits basierend auf ihrer Entstehung, hauptsächlich in einem Frequenzbereich unter 50 kHz lagen. Dieser Umstand gab uns die Möglichkeit, die Störgeräusche und Nutzsignale durch eine Frequenzfilterung auf den selben Level zu bringen. Die Nutzsignale wurden dabei durch die Frequenzfilterung (Bandpass) fast nicht beeinflusst. Die so gewonnen Daten konnten nun weiter verarbeitet werden.

Da die Schallemissionssignale in Flüssigkeiten keinerlei Frequenzdispersion aufweisen und sich fast die gesamte Schallschwächung aus der räumlichen Dispersion ergibt, konnten wir erwarten, dass das Frequenzverhältnis sowohl in der Nähe der Quelle als auch in größeren Entfernungen (Ort der Sensoren) gleich bis ähnlich ist. Dieser Umstand führte uns zur Anwendung eines frequenzabhängigen Mustererkennungsverfahren "Visual Class(tm)" um eine statistische Datenauswertung durchzuführen. Bei diesem Verfahren werden frequenzabhängige Merkmale ("features") in einem mehrdimensionalen Raum verglichen und die Trennung kann basierend auf vorher ermittelter Trainingsdaten durchgeführt werden, wobei Wert darauf gelegt wird, gute Separierungswerte zu erhalten.


Abb 5: Frequenzgang eines Korrosionssignals und des Hintergrundgeräusches.

Die gewonnenen Daten konnten nun mit, für ein statistisches Verfahren bemerkenswerten, Trennungs- bzw. Zuordnungsschärfen von über 80 % bestimmt werden, obwohl die Daten außerhalb der Flüssigkeit an der Außenoberfläche des Prüftanks oder des Schiffstanks ermittelt wurden, wobei es zu einem 2fachen Datentransfer Flüssigkeit - Wandung und Wandung - Sensor kam. Es sind somit für Daten, welche durch invasive Sensoren ermittelt werden, höhere Trennschärfen zu erwarten, wobei natürlich weitere intelligente Filterkriterien als auch die Ortung, basierend auf einer ?t- Zuordnung, angewendet werden sollen.


Abb 6: Separierung von Korrosionssignalen und Hintergrundgeräusch im Merkmalsraum.

Diskussion

Die vorliegenden Resultate zeigten, dass eine Prüfung von Öltankern mit Hilfe der Schallemissionsprüfung möglich ist und aus diesem Grund wurde auch durch die Europäische Kommission festgestellt, dass das geförderte Forschungsprojekt fortgesetzt werden soll. Es zeigte sich auch, dass ein weiterer Punkt, welcher in den letzten Jahren einem beträchtlichen Arbeitsaufwand darstellte, die Entwicklung eines invasiven, eigensicheren Sensors eine absolute Grundvoraussetzung für den Einsatz auf Öltransportschiffen darstellt.

In den folgenden beiden Jahren sollen die beiden angestrebten Geräte (Dauer- und diskontinuierliche Überprüfung) mit invasiven, eigensicheren Sensoren so weiter entwickelt werden, dass Öltanker mit Multielement-Sensoren ausgerüstet werden können, welche mit der zugehörigen Software in der Lage sind festzustellen ob im Öltank eine Korrosion vorliegt oder nicht. Falls durch Korrosion hervorgerufene Schallemissionssignale festgestellt wird, wird die Richtung aus welcher das Signal kommt in sphärischen Kugelkoordinaten J und j angegeben. Falls mehr als ein Sensor im Tankraum versenkt werden, ist man in der Lage durch den Schnittpunkt der beiden Schallstrahlen den Ort der Quelle anzugeben. Befindet sich dieser Schnittpunkt noch in der Tankwand bzw. einem strukturellen Einbau, so trägt das Ergebnis auch noch zur Validierung des Messergebnisses bei.


Abb 7: Skizze der Korrosionsquellenortung im Schiffstank mit Hilfe von zwei Multielement- Sensoren.

Es ist klar, dass die Entwicklung einer Permanent-Überwachungseinheit nur in Zusammenarbeit mit Klassifizierungsgesellschaften und Hafenbehörden möglich ist. Aus diesem Grund wird im Rahmen des Projektes auch eine "User Gruppe" gebildet, welche die weitere Entwicklung mitverfolgen und auch fachliche beeinflussen kann, um einen sichereren Seetransport zu gewährleisten.

Der jeweilige Stand des Projektes wird auf der Projekt Homepage www.ship.tuev.at dargestellt.

Zusammenfassung

Das Ziel des durch die Europäische Kommission geförderten F&E Projektes "Detektierung und Unterscheidung von Korrosionsangriff auf Schiffen (Öltanker) mit Schallemission" ist, ein Prüfgerät zur Permanent - bzw. Diskontinuierlichen Überwachung von Öltankern zu entwickeln und die dazu benötigten Spezifikationen bereit zu stellen.

Bis dato wurden die notwendigen Laborversuche (Korrosionsproben) und Messungen auf Schiffen (Feststellung des Untergrundgeräusches) durchgeführt. Die Entwicklung eines notwendigen invasiven, eigensicheren Sensors und weitere Adaptierungen and der Gerätetechnologie wurden begonnen.

Die aufgenommenen Daten (Schallemissionsparameter und Zeitsignale) wurden ausgewertet und es wurde festgestellt, dass das Untergrundgeräusch mit Hilfe einer Bandpass Filterung und eines frequenzabhängigen Mustererkennungsverfahrens von den Nutzsignalen getrennt werden kann. Zusammen mit allen anderen Arbeiten, wie der "Allgemeinen Spezifikation für das AEPrüfgerät" und einer Integritätsstudie für Schiffsstrukturen wurde die Anwendbarkeit des Verfahrens, eine Hilfestellung für einen sicheren Schiffstransport, dargestellt.

Literatur

  1. Projektbeschreibung des EK-Projektes N° EVG1-CT-2002-00067 "Detection and Discrimination of Corrosion Attack on Ships (Crude Oil Tankers) with Acoustic Emission (AE)"
  2. Mapping the impacts of recent natural disasters and technological accidents in Europe, Environment issue report No. 35, European Environment Agency
  3. P. Tscheliesnig, "Synthesis Report of the EC Standards, Measurements and Testing Contract Nr. SMT4-CT97-2177, Inspection of Flat Bottomed Storage Tanks by Acoustical Methods.", 2000, Brussels (B)
  4. G. Lackner and P. Tscheliesnig, "Acoustic emission testing on flat bottomed storage tanks: How to condense acquired data to a reliable statement regarding floor condition.", präsentiert auf der 25. EWGAE Konferenz, 2002, Prague (CZ)
  5. 'Report of the enquiry into the sinking of the Erika off the coasts of Brittany on 12 December 1999', Burau Enquête Accident Final Report.
  6. 'Technical analysis related to the Prestige casualty on 13 November 2002', American Bureau of Shipping.
  7. Jain et al., Statistical Pattern Recognition: A Review, IEEE Transactions On Pattern Analysis And Machine Intelligence, Vol. 22, No. 2, January 2000

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net