Ireneusz Baran, Gerald Lackner

ZAGADNIENIA ROZWOJU TECHNIKI EMISJI AKUSTYCZNEJ W
ZASTOSOWANIU DO OCENY KOROZJI ZBIORNIKÓW
TANKOWCÓW
Ireneusz BARAN
Gerald LACKNER
Laboratorium Badań Stosowanych, Instytut Odlewnictwa, Kraków
TÜV Austria, Wiedeń
1. WSTĘP
Większość ropy naftowej jest transportowana z pól naftowych do rafinerii między innymi
transportem morskim za pomocą tankowców.
W ostatnich latach ten rodzaj transportu stał się stosunkowo niebezpieczny dla środowiska
naturalnego. Nawet podczas normalnego transportu zdarzają się wycieki z tankowców.
Jednak największe niebezpieczeństwo stwarzają katastrofy morskie, których w ostatnich
latach było wiele. W każdym z tych przypadków tysiące ton ropy wyciekają do morza
niszcząc na dużych obszarach, miejscową faunę i florę oraz zaburzając na wiele lat morskie
ekosystemy.
Część takich katastrof została spowodowana degradacją materiału konstrukcji statku
spowodowaną między innymi przez korozję.
Okres eksploatacji tankowca między jego inspekcjami jest określany przez Towarzystwo
Klasyfikacyjne, któremu on podlega i zależy między innymi od rodzaju i typu kadłuba. Taka
inspekcja zajmuje dużo czasu, gdyż może być wykonana tylko po opróżnienie i
wyczyszczenie zbiorników do badań w celu umożliwienia dostępu do losowo wybranych
konstrukcyjnych punktów. Pomiędzy takimi inspekcjami statek jednak w warunkach
morskich podlega korozji. Pewna wielkość uszkodzeń korozyjnych jest akceptowana i jest
brana pod uwagę na etapie projektowania. Jednak z powodu ograniczeń czasowych stalowy
kadłub statku jest zabezpieczany powłoką malarską tylko na zewnątrz, która w okresie jego
eksploatacji jest wielokrotnie odnawiana. Największym problemem są, więc
niezabezpieczone zbiorniki transportowe tankowców podlegające procesom korozyjnym.
Tylko nowe tankowce są zabezpieczane również wewnątrz i projektowane jako konstrukcje
dwukadłubowe, gdzie kadłub statku i ściany zbiorników są od siebie oddzielone.
Inspekcja tankowca i badania z nią związane ograniczają się do wybranych punktów
konstrukcji statku i powodują jego wyłączenie z eksploatacji na dłuższy czas. Pomimo tego,
że inspekcja jest związana z ogromną ilością badanych punktów to nigdy nie obejmuje w
100% całości tankowca.
Przedstawione powyżej problemy były podstawą do realizacji projektu w ramach 5-tego
Programu Ramowego Unii Europejskiej zatytułowanego „Wykrywanie i lokalizowanie
procesu korozyjnego na statkach (tankowcach) metodą emisji akustycznej (AE)” (kontrakt nr
EVG1-CT-2002-00067). Do realizacji projektu powołano przedstawione poniżej konsorcjum:
1
Firma
TÜV Austria, Wiedeń
Vallen Systeme, Icking koło Monachium
Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej,
Polski Rejestr Statków w Gdańsku
Laboratorium Badań Stosowanych Instytutu Odlewnictwa w Krakowie
Instytut Morski w Gdańsku
Kraj
Austria
Niemcy
Polska
Polska
Polska
Polska
W oparciu o wyniki dotychczasowych badań i doświadczeń z nimi związanych oraz
analizę konstrukcji tankowców, wybrano dwie metody monitoringu korozji metodą AE jako
najbardziej odpowiednie do realizacji w warunkach eksploatacji statków:
− instalacja stała, system monitoringu w czasie rzeczywistym,
instalacja zamontowana na stałe na statku (tankowcu),
− instalacja okresowa, system monitoringu okresowego,
instalacja montowana tylko na okres pomiarów na statku (tankowcu).
W pierwszej kolejności zostały wykonane badania wstępne, które miały wykazać, że
procesy korozyjne stali stosowanych w konstrukcji statków generują sygnały AE, i że jest
możliwe odróżnienie ich od tła akustycznego. Następnie przystąpiono do projektowania i
budowy instalacji do monitoringu korozji oraz sprawdzenia ich działania.
Następnie ustalono zakres badań zasadniczych, które realizowane były w projekcie w
następujących obszarach:
− badania laboratoryjne korozji na stalowych próbkach w celu rejestracji sygnałów
AE towarzyszących tym procesom,
− pomiar na tankowcu tła akustycznego w rzeczywistych warunkach jego
eksploatacji,
− wykonanie badań w warunkach rzeczywistych z użyciem zbudowanych instalacji
oraz aparatury.
W projekcie przyjęto do realizacji następujące zagadnienia do realizacji:
− zaprojektowanie i wykonanie instalacji stałej,
− zaprojektowanie i wykonanie instalacji okresowej,
− zaprojektowanie i wykonanie nowej aparatury (do powyższych instalacji) do
badań w strefie zagrożenia wybuchem wraz ze szczegółową instrukcją montażu,
− przeprowadzenie certyfikacji aparatury i elementów instalacji pracujących w
strefie zagrożenia wybuchem,
− wykonanie oprogramowania do analizy i wizualizacji danych pomiarowych dla
instalacji stałej oraz okresowej,
− wykonanie sztucznych źródeł symulujących źródła korozji,
− weryfikacja działania instalacji w warunkach rzeczywistych.
2. BADANIA WSTĘPNE
2.1. Badania laboratoryjne
Badania laboratoryjne przeprowadzono na stalowych próbkach blach pobranych z
konstrukcji statków, a charakteryzujących się różnymi rodzajami i stadiami korozji powstałej
w naturalny sposób podczas ich eksploatacji.
Próbki zostały odpowiednio przygotowywane w celu zainicjowania procesów
korozyjnych. Następnie rozpoczęto realizację badań z umieszczaniem próbek w specjalnym
2
zbiorniku w środowisku korozyjnych, gdzie zachodził proces korozji w określonym okresie
czasu oraz jednocześnie były rejestrowane sygnały AE generowane w trakcie jego
monitorowania. Wszystkie dane pomiarowe AE zostały odpowiednio zidentyfikowane i
skorelowane z procesami korozyjnymi symulowanymi na próbkach.
2.2. Badania tła akustycznego
Dla uzyskania sygnałów pochodzących z tła akustycznego wykonano badania na
tankowcu stojącym w porcie, na kotwicy na redzie oraz na otwartym morzu podczas jego
rejsu. Rozpoczęto od badań na małym zbiornikowcu marynarki wojennej „ORP Bałtyk”.
Miało to na celu znalezienie optymalnych miejsc montażu czujników, przeprowadzenie
pierwszych badań weryfikacyjnych oraz zebranie charakterystyk sygnałów AE podczas pracy
różnych urządzeń okrętowych.
Uzyskane wyniki pozwoliły na uzyskanie istotnych informacji, które zostały
wykorzystane podczas pomiarów tła akustycznego na dużym tankowcu „ICARUS II”.
Tankowiec ten jest używany do transportu ropy naftowej na morzu Bałtyckim z platform
wiertniczych do terminalu w porcie Gdańskim. Wszystkie postojowe i rejsowe operacje
wprowadzające zakłócenia w trakcie pomiarów AE zostały zidentyfikowane i opisane oraz
skorelowane z rejestrowanymi sygnałami.
Wszystkie badania opisane powyżej (również w pkt. 2.1) zostały wykonane za pomocą
komercyjnej standardowej aparatury badawczej (systemu pomiarowego AE typu AMSY5),
produkowanej przez jednego z partnerów w projekcie, tj. firmę Vallen Systeme. Zastosowano
kilka rodzajów czujników (VS-30V, VS-75V i VS-150RIC) w celu pokrycia większego
zakresu częstotliwościowego, w którym oczekiwano między innymi sygnałów AE
pochodzących od procesów korozyjnych i tła akustycznego. Użyta aparatura na tym etapie
realizacji projektu nie była przystosowana do badań w strefie zagrożenia wybuchem.
a)
b)
Rys. 1 Przykład rozkładu częstotliwości sygnałów AE dla korozji (a) i tła akustycznego (b)
2.3. Wyniki badań wstępnych
Uzyskane wyniki badań wstępnych pokazały, że sygnały pochodzące z tła akustycznego,
zwłaszcza na morzu były około trzykrotnie większe od sygnałów korozyjnych. Stwierdzono
na podstawie przeprowadzonych analizy, że zakres częstotliwości sygnałów pochodzących z
tła akustycznego znajduje się poniżej 50kHz, podczas gdy zakres zarejestrowanych sygnałów
pochodzących z procesów korozyjnych mieści się w zakresie od 60 do 70kHz. Informacja ta
była bardzo istotna, gdyż wskazywała na możliwość zastosowania filtrów wąskopasmowych
pozwalających na zredukowanie wielkości tła akustycznego co najmniej do poziomu
sygnałów korozyjnych. W związku z tym stwierdzono, że jest możliwa separacja sygnałów
pochodzących z procesów korozyjnych od tła akustycznego.
3
Składowe częstotliwościowe sygnałów charakterystycznych dla korozji i tła akustycznego
pokazano na rys. 1.
Przyjęto założenie, że charakter źródła AE zawarty w generowanych przez niego
sygnałach jest rejestrowany przez czujnik AE. Pozwoliło to na zastosowanie aplikacji „Visual
ClassTM” do statystycznej klasyfikacji sygnałów AE, wykorzystującej składowe
częstotliwości w metodzie wzorców uczących się („pattern recognition”).
Tło akustyczne
| Sygnały pochodzące z badań |
|
tła akustycznego
| |
Sygnały pochodzące z badań korozyjnych
|
Korozja
Procentowa separacja sygnałów AE
Rys. 2 Przykład porównania danych pomiarowych za pomocą klasyfikatora
Za pomocą tego oprogramowania, zależne częstotliwościowe cechy sygnałów AE można
było porównywać w wielowymiarowej przestrzeni, a następnie klasyfikować w oparciu o
dane uzyskane dla wybranego zakresu częstotliwości, który był najbardziej optymalnym dla
przedstawianego tu problemu korozji.
Uzyskany na tej podstawie „klasyfikator” dał możliwość poprawnej identyfikacji
sygnałów na poziomie 80% do 90% separacji, co ze statystycznego punktu widzenia jest
wystarczająco dobrym wynikiem.
W efekcie przeprowadzonych analiz i klasyfikacji sygnałów potwierdzono możliwość
identyfikacji sygnałów pochodzących od procesów korozyjnych oraz możliwość filtrowania
sygnałów pochodzących z tła akustycznego.
Na rys.2 pokazano przykład użycia klasyfikatora do identyfikacji sygnałów pochodzących
z badań korozji i badań tła akustycznego.
4
3. CERTYFIKACJA APARATURY, INSTALACJA STAŁA I OKRESOWA
Uzyskane wyniki pokazały, że podstawowe założenia do badań metodą AE zbiorników
tankowców jednokadłubowych potwierdziły się. Przystąpiono, więc do modernizacji
stosowanej aparatury AE oraz do opracowania nowych jej elementów, a także ich certyfikacji.
Działania te miała na celu zapewnienie możliwości bezpiecznego wykonywania pomiarów w
strefach zagrożenia wybuchem, zgodnie z wymaganiami, które obowiązują na tankowcach.
Zaprojektowano i zbudowano instalacje tak, aby ich konstrukcja wykonana według
wymagań do pracy w strefie zagrożenia wybuchem zapewniała wymaganą ochronę torów
pomiarowych, począwszy od czujników, aż do strefy bezpiecznej, gdzie instalowana była
aparatura pomiarowa, niewymagająca specjalnych zabezpieczeń i certyfikacji (komercyjna
aparatura standardowo produkowana typu AMSY5).
Zbudowana aparatura i elementy instalacji do badań w warunkach zagrożenia wybuchem,
uzyskały certyfikat ATEX.
3.1. Instalacja stała
Instalacja ta przewidziana jest do montowania na statku na stałe w trakcie jego budowy
lub remontu. Jest to skomplikowany system, który będzie umożliwiał zbieranie danych
pomiarowych w czasie normalnej eksploatacji i przewozu ropy tankowcem. Ma ułatwić
również wybór najbardziej optymalnych warunków do pomiaru, oczywiście w zależności od
warunków zewnętrznych. Ogromną zaletą tego systemu jest to, że będzie mógł on pracować
w sposób ciągły, aż do momentu opróżnienia zbiorników transportowych w porcie i ponownie
będzie gotów do pomiarów po ich napełnieniu. Docelowo zebrane dane pomiarowe będą
przesyłane automatycznie drogą radiową do centrum, gdzie będą poddane analizie i ocenie.
Testowana instalacja stała składała się z czujników umieszczonych na stałe w kilku
punktach zbiornika transportowego tak, aby była możliwa na ściankach zbiornika lokalizacja
przestrzenna źródeł sygnałów AE. Czujniki zostały połączone z systemem pomiarowym,
który rejestrował dane pomiarowe i je archiwizował.
Dla instalacji stałej zostało zmodyfikowane oprogramowanie „VisualAETM”, które w
zastosowanej w projekcie wersji umożliwia analizę, lokalizację i wizualizację danych
pomiarowych w zbiornikach tankowców.
3.2. Instalacja okresowa
Instalacja okresowa przewidziana jest do stosowania tam, gdzie zamontowanie instalacji
stałej nie jest możliwe lub nie jest ekonomicznie opłacalne. Pomiary będą wykonywane w
określonym ściśle czasie wtedy, gdy zbiorniki transportowe będą napełnione. Badania będą
trwały kilka godzin i również w tym przypadku docelowo dane pomiarowe będą przesyłane
automatycznie drogą radiową do centrum, gdzie będą poddane analizie i ocenie. Ten system
będzie najbardziej odpowiedni dla starszych tankowców, gdzie montaż instalacji stałej jest
zbyt kosztowny.
Testowana instalacja okresowa składała się z kilku czujników umieszczonych na głowicy,
która może być montowana na okres pomiarów we włazie wraz ze specjalną pokrywą
(zapewniającej szczelność układu) tak, aby czujniki były zanurzone w produkcie znajdującym
się w zbiorniku. Konstrukcja głowicy umożliwia regulowanie położenia czujników w dwóch
płaszczyznach w taki sposób, aby możliwa była lokalizacja źródeł sygnałów AE na ściankach
całej objętości badanego zbiornika.
5
Dla instalacji okresowej został wykonany specjalny moduł oprogramowania do programu
„VisualAETM”, który umożliwia analizę, lokalizację i wizualizację danych pomiarowych w
zbiornikach tankowców.
4. WERYFIKACJA INSTALACJI
Zbudowane instalacje oraz nowa aparatura wymagały wykonania badań weryfikujących,
które potwierdziłyby przydatność i poprawność funkcjonowania całego układu pomiarowego.
Dla tego celu wykonano sztuczne źródła korozyjne, które w trakcie pomiarów
rzeczywistych miały generować sygnały AE symulujące wysoko aktywne źródła korozji.
Pomiary w warunkach rzeczywistych wykonano w pierwszej kolejności również na
małym zbiornikowcu Marynarki Wojennej „ORP Bałtyk”. Były to badania wstępne, które
umożliwiły ewentualne modyfikacje instalacji. Pomiary wykonano na dwóch mniejszych jego
zbiornikach. W trakcie badań użyto sztucznych źródeł korozyjnych i obu instalacji: stałej i
okresowej.
Po przeanalizowaniu wszystkich uzyskanych wyników oraz analizie danych
pomiarowych AE wykonano kilka modyfikacji instalacji oraz oprogramowania. Analiza
wykazała również, że instalacja stała w pełni spełnia swoje zadanie.
Uzyskano również doświadczenia, które zostały wykorzystane podczas pomiarów na
dużym tankowcu „ICARUS III”. Tankowiec ten jest używany do transportu ropy naftowej
również na morzu Bałtyckim z platform wiertniczych do terminalu w porcie Gdańskim. Jest
to następca tankowca „ICARUS II”, na którym wykonywano pomiary tła akustycznego. Do
pomiarów wybrano jeden z dużych zbiorników transportowych ropy naftowej.
W tym przypadku wykonano tylko pomiary z użyciem instalacji okresowej. Montaż
instalacji stałej był tutaj technicznie niemożliwy. W tych badaniach użyto również sztucznych
źródeł korozyjnych.
Na rys. 3 pokazano przykład lokalizacji sztucznych źródeł korozyjnych podczas badań w
zbiornikach zbiornikowca Marynarki Wojennej.
Rys. 3 Przykład lokalizacji przestrzennej sztucznych źródeł korozyjnych w zbiorniku
6
5. OMÓWIENIE
Pomiary na tankowcu Marynarki Wojennej pokazały możliwości zastosowania instalacji
stałej i okresowej w przypadku pomiarów wykonywanych w małych zbiornikach.
Jednocześnie pomogły one w weryfikacji i modyfikacji instalacji. Było to pole doświadczalne
przed badaniami na rzeczywistym dużym tankowcu, gdzie zagrożenie wybuchem jest
znacząco większe i gdzie montaż i wykonanie badań musiało być przeprowadzone sprawniej i
zgodnie z wszelkimi zasadami bezpieczeństwa. Uzyskane wyniki w tym przypadku były w
pełni weryfikowalne, gdyż zarówno wszystkie ustawienia, jak i czujniki i sztuczne źródła
korozyjne były z góry znane, a ich rozmieszczenia dokonano według określonego planu.
Uzyskano bardzo dobre wyniki lokalizacji sztucznych źródeł oraz lokalizacji w przypadku
kalibracji dla instalacji stałej. Wyniki uzyskane dla instalacji okresowej były zadawalające.
Instalacja stała nie wymagała żadnych modyfikacji i w pełni się sprawdziła. Instalacja
okresowa i oprogramowanie do niej wymagały bardzo niewielkich modyfikacji.
W przypadku pomiarów na tankowcu „ICARUS III” instalacja okresowa, spełniła swoje
zadanie, montaż instalacji odbył się sprawnie, bez żadnych problemów. Sztuczne źródła
korozyjne były lokalizowane we wnętrzu zbiornika i uzyskano dobre wyniki ich lokalizacji.
Wykonane kalibracje pozwoliły na określenie propagacji fali w ropie naftowej we wnętrzu
zbiornika.
6. WNIOSKI
Uzyskane wyniki pokazały, że zbudowane instalacje spełniają swoją rolę, tzn.
umożliwiają pomiary metodą AE korozji w zbiornikach transportowych tankowców.
Instalacja stała okazała się być instalacją bardziej efektywną pod względem pomiarowym.
Dokładność lokalizacji w przypadku instalacji stałej jest znacznie większa niż w
przypadku instalacji okresowej.
Celowym jest prowadzenie dalszych badań i prac mających na celu rozbudowę oraz
rozwinięcie uzyskanych w projekcie wyników w postaci prototypowych instalacji.
Skuteczna realizacja projektu była wynikiem zaangażowania wszystkich partnerów
biorących w nim udział, szczególnie przy realizacji badań w warunkach rzeczywistych oraz
projektowaniu i wykonaniu nowatorskiego oprzyrządowania pomiarowego.
Uzyskanych w projekcie wyniki, wszyscy partnerzy biorący w nim udział
rozpowszechniają prezentując je między innymi w swoich różnych publikacjach
[1,2,4,6,7,8,9,10].
LITERATURA
1. Project Description for EC-project N° EVG1-CT-2002-00067 “Detection and
Discrimination of Corrosion Attack on Ships (Crude Oil Tankers) with Acoustic Emission
(AE)”.
7
2. P. Tscheliesnig: Corrosion testing of ship building materials with Acoustic Emission, 26th
EWGAE Conference, Berlin 2004.
3. Jain et al., Statistical Pattern Recognition: A Review, IEEE Transactions On Pattern
Analysis And Machine Intelligence, Vol. 22, No. 2, January 2000.
4. P. Tscheliesnig, J.Schmidt: Application of the Acoustic Emission method for ship building
material corrosion testing, Defectoscopy 2004, Spindleruv Mlyn, Czech Republic.
5. I.Baran, M.Nowak, K.Ono: Acoustic Emission pattern recognition analysis applied to the
over-strained pipes in a polyethylene reactor, IAES 18 in Tokyo 2006, Japan.
6. H.Vallen, J.Vallen and J.Forker: AE-Testing in potentially explosive atmospheres using
intriniscally safe cerified equipment, IAES 18 in Tokyo 2006, Japan.
7. E.Krzaczkowska, W.Madejski, J.Patkowski: Zagrożenia dla bezpieczeństwa statków,
w szczególności zbiornikowców, spowodowane korozją, stosunek towarzystw
klasyfikacyjnych, propozycja nadzorowania korozji, PMR 2006.
8. W.Madejski: Wykorzystanie Emisji Akustycznej przy szacowaniu ubytków korozyjnych na
statkach (w opracowaniu).
9. H.Bugłacki, W.Darski, P.Eichert, M.Smajdor: Wykorzystanie techniki Emisji Akustycznej
w ocenie procesów korozyjnych poszycia zbiorników na produkty ropopochodne na
statkach morskich, 11KN WibroTech, Warszawa 2005.
10. S.Malinowski, J.Nowatkowski, A.Stankiewicz: Electrochemical corrosive sources of
Acoustic Emission signals, destined to application of AE tests at sea, Gdańsk 2005.
8