Fit fürs Leben

(Foto: Oceaneering)

Sicherstellen, dass Vermögenswerte durch quantitative technische Analyse sicher und nachhaltig bleiben

Da die Welt weiterhin nach Energiequellen verlangt, steigt der Druck auf die Kohlenwasserstoffproduzenten, neue Reserven zu finden und mehr aus vorhandenen Vermögenswerten zu gewinnen. In den letzten Jahren hat die Branche spürbare Fortschritte bei den Wiederherstellungstechniken erzielt und effiziente Technologien eingesetzt, um die Lebensdauer reifer Felder zu verlängern.

Da diese Einrichtungen über ihre ursprüngliche Lebensdauer hinaus verlängert werden und die Belastung für die Überprüfung und Gewährleistung der Integrität stetig zunimmt, ist es wichtig, die fortgesetzte Sicherheit und Integrität alternder Vermögenswerte nachzuweisen.

Jede Infrastruktur, die über einen längeren Zeitraum in Betrieb war, sei es ein Druckbehälter, eine Rohrleitung oder eine Maschinenkomponente, kann sich verschlechtern, bis sie nicht mehr den ursprünglichen Konstruktionsanforderungen entspricht. Daher besteht der erste Schritt bei der Überprüfung von Sanierungsprogrammen für alternde Felder darin, den Zustand der vorhandenen Infrastruktur und ihre Fähigkeit zur Bewältigung der aktuellen Betriebslasten zu bewerten. Wenn eine Zustandsbewertung Bedenken aufzeigt, ist eine weitere Analyse erforderlich, um die geeigneten Abhilfemaßnahmen zu ermitteln, um einen kontinuierlichen und sicheren Betrieb sicherzustellen.

Fitness for Service - was ist das?
Fitness for Service (FFS) bietet eine quantitative technische Bewertung, um die Integrität einer Komponente zu demonstrieren, die unter bestimmten Bedingungen weiter betrieben werden kann, möglicherweise bei Vorhandensein eines Defekts oder eines Verschlechterungsmechanismus. Es übersetzt Inspektionsergebnisse in quantifizierbare Betriebs- und Sicherheitsrisiken und ermöglicht fundierte Entscheidungen zum Integritätsmanagement.

FFS bietet Ingenieuren eine Grundlage, um zwischen akzeptablen und nicht akzeptablen Fehlern und Bedingungen zu unterscheiden, wobei die Prinzipien auf international anerkannten Verfahren basieren. Obwohl sich viele Industriestandards mit irgendeiner Form der Eignung für die Bewertung von Dienstleistungen befassen, hat das American Petroleum Institute (API) die Best Practices zu einem einzigen modularen Bewertungsstandard (API 579-1) zusammengefasst, der zur maßgeblichen Veröffentlichung für FFS geworden ist.

Klares Risikoverständnis
Die Vorteile der Durchführung von FFS-Bewertungen liegen auf der Hand: Reduzierte Ausfallzeiten, verbesserte Sicherheit, proaktive Wartung, alle Elemente, die für die Aufrechterhaltung des Betriebs erforderlich sind, so sicher, konform und effizient wie möglich. Es stellt sich jedoch häufig die Frage, wann FFS angewendet werden soll und muss.

Das Erkennen des Abweichungspunkts von der Entwurfsabsicht ist häufig komplexer als erwartet, da keine detaillierten Entwurfsinformationen, Änderungen in den Betriebsumgebungen und mehrere oder komplexe Ladeszenarien vorliegen. Eine FFS-Bewertung sollte daher in Betracht gezogen werden, sobald gemeldete Mängel die Grenzwerte für den Konstruktionscode überschreiten. Zum Beispiel eine Defektgröße, die den im ursprünglichen Qualitätskontrollstandard für die Herstellung festgelegten Grenzwert überschreitet, ein Metallverlust, der die Konstruktionskorrosionszugabe überschreitet, eine Verschlechterung der Materialeigenschaften bis unter die Materialspezifikationsgrenzwerte oder Druck und Temperaturen außerhalb der ursprünglichen Betriebsgrenzen ausgesetzt sind.

Bei Öl und Gas wird der Abbau häufig durch Metallverluste infolge von Korrosion dominiert. Betreiber neigen dazu, die minimal zulässige Wandstärke (MAWT) als Richtlinie für die Initiierung von FFS zu verwenden. Bei Rohrleitungskomponenten besteht auch eine erhebliche Abhängigkeit von den API 574-Richtlinien für die minimale strukturelle Wandstärke. Diese berücksichtigen jedoch nicht Materialqualität, Spannweite, Betriebsmedium oder Stützanordnungen.

Zum Beispiel hat ein 6 "Schedule 40-Rohrsystem eine Nenndicke von 7,11 mm, einschließlich einer potenziellen Dicke von 12,5% unter Toleranz. Wenn dies mit einer Korrosionszugabe von 1,5 mm angegeben wird, ergibt sich eine minimale Bemessungswandstärke von 4,72 Die Standard-Mindeststrukturdicke nach API 574 für ein 6-Zoll-Rohr aus Kohlenstoffstahl und niedriglegiertem Stahl beträgt 2,8 mm. Bei einem Innendruck von bis zu 50 bar kann der MAWT für die Druckhaltung 1,21 mm betragen (abhängig von der Materialqualität).

Wenn MAWT verwendet wird, um die FFS-Bewertung einzuleiten, gibt es keine Möglichkeit für ein erfolgreiches Ergebnis für dieses hypothetische Szenario. Die verbleibende Wandstärke würde die Kriterien für die Begrenzung der Dicke nach API 579 nicht erfüllen. Wenn die API 574-Strukturdicke zum Einleiten der FFS-Bewertung verwendet wird und das Rohrsystem bei Temperaturen über 149 ° C betrieben wird, können in ähnlicher Weise lokale thermische Rohrspannungsniveaus auftreten, die Werte erfordern, die weit über der Strukturdicke liegen. Bei Druckbehältern ist es aufgrund lokaler Änderungen der Geometrie, lokaler Verstärkungszonen, großer struktureller Diskontinuitäten und Belastungskomplexitäten noch komplexer.

Die einfache Berücksichtigung von Komponenten, die auf der Dicke basieren, um den Druck aufrechtzuerhalten, kann dazu führen, dass der Bediener einem erheblichen Risiko ausgesetzt ist. Das Durchführen mindestens grundlegender FFS, sobald die Entwurfsanforderungen nicht mehr erfüllt sind, kann das Risiko verringern und wertvolle Einblicke in Betriebsgrenzen und zukünftige Verschlechterungen liefern sowie zukünftige Anforderungen für fortgeschrittene FFS und mögliche Reparaturen hervorheben.

Dekodierungsverschlechterung
Der erste Schritt zur Beurteilung eines Mangels ist die Identifizierung der Schadensart. Die Bewertungsverfahren sind schadensspezifisch. Der Standard API 579-1 bietet Bewertungsmethoden für 12 verschiedene Arten von Schäden. Das Verständnis des Schadens ist auch wichtig, um den Fortschritt vorherzusagen und die verbleibende sichere Lebensdauer zu bestimmen.

Für jede Schadensart gibt es eine Untergruppe von Bewertungsmethoden mit jeweils spezifischen Anwendbarkeits- und Begrenzungskriterien, die berücksichtigt werden müssen. Es gibt auch verschiedene Bewertungsebenen mit progressiv erhöhter Genauigkeit und verringertem Konservatismus, begleitet von einer Erhöhung der erforderlichen Genauigkeit der Eingabeinformationen:

• Stufe 1 - sehr einfach und auf die schnelle Überprüfung von Fehlern in einfachen Bauteilen ausgerichtet, wobei normalerweise nur die Druckhaltung berücksichtigt wird
• Stufe 2 - Mittelstufe, für komplexere Komponenten mit zusätzlichen Belastungen, ermöglicht eine erhöhte Genauigkeit eine Verringerung der Konstruktionssicherheitsmargen
• Stufe 3 - Fortgeschrittene Bewertung komplexer Komponenten oder schwerer Verschlechterung mithilfe detaillierter mathematischer Modelle zur Bestimmung der strukturellen Stabilität

Komponentenklassifizierung
API 579-1 verwendet ein alphanumerisches Klassifizierungssystem, das auf der Komplexität der Komponenten und den Ladebedingungen basiert, um das geeignete Mindestbewertungsniveau zu bestimmen:

• Typ A - ist die grundlegendste Komponente mit einer einfachen Geometrie und Gleichung in Bezug auf die Dicke des Drucks und einfachen Belastungsbedingungen, die vom Druck dominiert werden. Komponenten vom Typ A eignen sich perfekt für die Bewertung der Stufe 1
• Typ B Klasse 1 - haben ähnliche Grundgeometrien und Dickengleichungen wie Typ A-Komponenten, erfordern jedoch die Berücksichtigung zusätzlicher Belastungsbedingungen aufgrund der physikalischen Größe und / oder der Expositionstemperatur. Komponenten der Klasse 1 des Typs B erfordern mindestens eine Bewertung der Stufe 2
• Typ B Klasse 2 - sind komplexere Komponenten mit Dickenabhängigkeiten, die eher eine Bewertung des prozeduralen Designs als eine einfache Dicke erfordern. Komponenten der Klasse 2 des Typs B erfordern mindestens eine Bewertung der Stufe 2
• Typ C - weist die komplexesten Geometrien und Lastverteilungen auf, die normalerweise eine signifikante lokale Struktur- oder Spannungsdiskontinuität verursachen und eine fortgeschrittene mathematische Analyse mittels der Bewertung der Stufe 3 erfordern

Bewertung in Aktion
Wenn der Hintergrundzustand, die Betriebsparameter, die Schadensmechanismen und das festgelegte FFS-Niveau bestätigt sind, können wir den wahren Wert von FFS in Aktion demonstrieren.

Während einer Routineinspektion wurde lokalisierte Korrosion unter Isolierung (CUI) über einem horizontalen Versteifungsring in einem großen vertikalen Gefäß festgestellt. Der lokale Metallverlust erstreckte sich ungefähr 200 mm nach oben vom Versteifungsring, der lokal den gesamten Umfang der Schale bedeckte. Genaue Dickenmessungen waren aufgrund des Oberflächenzustands nicht sofort möglich, aber Schätzungen zufolge blieben nur noch 7 mm der ursprünglichen 16 mm-Wand im am stärksten betroffenen Bereich übrig.

Oceaneering wurde um Rat gefragt, wie die Sicherheit und die fortlaufende Funktionsfähigkeit der Geräte genau bewertet werden können. Die Produktionsanlage hatte eine Kapazität für eine kurzfristige, teilweise Abschaltung von 5 Tagen zur Oberflächenvorbereitung und Inspektion des beschädigten Schiffes. Wenn darüber hinaus eine längere Reparaturzeit erforderlich wäre, müsste die Anlage vollständig heruntergefahren werden, was zu erheblichen finanziellen Verlusten führen würde. Das Hauptanliegen war die unmittelbare Sicherheit von Personal und Ausrüstung, gefolgt von der Reduzierung der erforderlichen Ausfallzeiten. FFS würde wertvolle Informationen darüber liefern, ob ein fortgesetzter Betrieb sicher und erreichbar ist, während eine geeignete Reparaturstrategie untersucht, entworfen und implementiert wird.

Die Schiffsabmessungen entsprachen nicht den Anforderungen für die Klassifizierung der Komponenten des Typs A, da zusätzliche Beladungsbedingungen berücksichtigt werden mussten. Der Ort des Defekts unmittelbar neben einer Versteifung erfüllte auch nicht die Anwendbarkeitsanforderungen der Stufe 2, was darauf hinweist, dass eine Finite-Elemente-Spannungsanalyse erforderlich wäre, um die lokale Spannungs- und Dehnungsverteilung zu bewerten. Fortgeschrittenes FFS (Stufe 3) war daher die einzig geeignete Bewertung.

Oceaneering lieferte schnell eine vorläufige Bewertung (Stufe 2) auf der Grundlage der ersten verfügbaren Informationen, während der Bediener eine kurzfristige Abschaltung zur Oberflächenvorbereitung und detaillierten Inspektion durchführte. Obwohl dies nicht zur Zertifizierung der Integrität geeignet ist, lieferte die indikative Bewertung einen vorläufigen Hinweis auf das potenzielle Ausfallrisiko und die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Bewertungsergebnisses der Stufe 3, sodass der Bediener seine unmittelbaren Anstrengungen auf die Wiederinbetriebnahme oder Reparatur konzentrieren kann. Oceaneering initiierte auch eine geometrische Modellierung für FEA, um den Bewertungsprozess zu beschleunigen.

Das ursprüngliche Gefäßdesign beinhaltete die Berücksichtigung sowohl des Innendrucks als auch der Vakuumbedingungen bei normalem Betrieb unter Teilvakuum. Die indikative Bewertung von Oceaneering ergab, dass das ursprüngliche Design von den Vakuumlasten und nicht vom Innendruck bestimmt wurde. Es wurde erwartet, dass das Gefäß Innendrücken standhalten würde, die weit über dem maximalen Auslegungsdruck sowie den Bedingungen des vollen Vakuums bei den ursprünglich angegebenen Dickenwerten liegen. Eine anschließende detaillierte Inspektion ergab jedoch, dass der Metallverlust wesentlich größer war als ursprünglich festgelegt, wobei die verbleibende Dicke im am schlimmsten betroffenen Bereich nur 2,5 mm betrug. Dies erhöhte die Dringlichkeit einer Bewertung der Stufe 3 und verringerte das Vertrauen in ein erfolgreiches Ergebnis.

Um die Ergebnisse zu beschleunigen, wurde ein schrittweiser Ansatz zur Bewertung von Lastfällen verfolgt. Zunächst wurden kombinierte Vakuum-, Gewichts- und Wärmebelastungen bewertet, um die Sicherheit für den fortgesetzten normalen Betrieb zu demonstrieren. Die Bewertung der Grenzlast und des Knickens ergab eine allgemeine strukturelle Stabilität und eine ausreichende Knickfestigkeit unter Vollvakuum, ohne Änderung des Knickverhaltens der Konstruktion bei Vorhandensein des Defekts und ohne übermäßige plastische Dehnungen. Das Schiff wurde daher für den fortgesetzten Betrieb für den normalen Betrieb (Teilvakuum) als geeignet befunden, und die Vorbereitungen für die Wiederinbetriebnahme konnten mit geeigneten Schutzmaßnahmen zur Vermeidung von Störungen beginnen.

Zweitens wurde die Bewertung des Innendrucks, des Gewichts und der thermischen Belastung unter aufgeregten Bedingungen bewertet. Die Bewertung ergab eine mögliche strukturelle Instabilität und übermäßige plastische Dehnungen bei Drücken von mehr als 70% des maximalen Auslegungsdrucks, was eine Leistungsreduzierung des Behälters für mögliche Störungen erforderlich macht. Schließlich ergab die Bewertung der Windlasten, dass die Schiffsintegrität bei geplanten Windgeschwindigkeiten nicht beeinträchtigt würde.

Oceaneering kam zu dem Schluss, dass das Gefäß aufgrund der geringen verbleibenden Mindestdicke und der erforderlichen Reduzierung des Innendrucks keinen signifikanten weiteren Metallverlust erleiden kann. Es wurde als für den kurzfristigen fortgesetzten Betrieb geeignet angesehen, vorausgesetzt, es wurde auf 70% seines ursprünglichen Konstruktionsmaximaldrucks herabgesetzt, dass eine weitere Verschlechterung durch vorübergehenden Korrosionsschutz verhindert wurde und eine geeignete Reparatur in einem angemessenen Zeitrahmen entworfen und durchgeführt wurde.

Nachgewiesene Vorteile der Anwendung von FFS
Aufgrund der mit FFS verbundenen Kritikalität und Dringlichkeit sind regelmäßige Fortschrittsrückmeldungen und vorläufige Ergebnisse von entscheidender Bedeutung, um eine genaue Entscheidungsfindung zu ermöglichen, ohne auf einen formellen Abschlussbericht warten zu müssen. Für das obige Beispiel lieferte Oceaneering dem Kunden indikative Ergebnisse und die Möglichkeit, innerhalb von drei Tagen eine fundierte Entscheidung zu treffen, um sicherzustellen, dass die Geräte sicher wieder in Betrieb genommen werden können, zusammen mit der Suche nach Reparaturlösungen.

In den meisten Fällen, wenn FFS von kompetenten Branchenvertretern durchgeführt wird, überwiegen die Kosten der Bewertung erheblich durch die Vorteile eines detaillierteren Verständnisses der Schäden, des potenziellen Risikos, der sicheren Betriebsgrenzen und der Wahrscheinlichkeit einer Reparatur. FFS bietet wertvolle Einblicke in die mit Komponenten- und Fehlerkombinationen verbundenen Risiken und unterstützt ein effektives zukünftiges Integritätsmanagement.

Durch die Einbeziehung der FFS-Technologie und der Bewertungsfunktionen in die Asset-Management-Strategie können erhebliche betriebliche Effizienzsteigerungen erzielt und die Wahrscheinlichkeit ungeplanter und kostspieliger Reparaturen verringert werden. Wenn Sie sicherstellen, dass die Betreiber genau wissen, was FFS ist und warum es im Rahmen eines Wartungsprogrammbudgets vorhanden ist, können Sie längere Abschaltungen verhindern, die Wiederherstellung verbessern und die Sicherheit von Assets länger gewährleisten.