Innowacyjne techniki badań nieniszczących do oceny i monitorowania wysokotemperaturowego ataku wodorowego (HTHA)

 

Mariusz Łucki

Departament Koordynacji Inspekcji

Wydział Materiałowo-Technologiczny

Urząd Dozoru Technicznego
Radosław Hołownia

Departament Innowacji i Rozwoju

Wydział rozwoju usług technicznych i metod badawczych

Urząd Dozoru Technicznego

 

Urząd Dozoru Technicznego (UDT) wprowadza coraz to nowe metody badawcze, które umożliwiają wykrycie specyficznych degradacji dla określonego materiału z jakiego wykonane jest urządzenie oraz warunków jego eksploatacji. Jedną z ciekawszych metod badawczych wykrywania wysokotemperaturowego ataku wodorowego jest metoda AUBT (Advenced Ultrasonic Backscsatter Testing).

Praca urządzeń ciśnieniowych w środowisku wodorowym wiąże się ze znacznym ryzykiem eksploatacyjnym. Świadome zarządzanie ryzykiem np. w oparciu o metodologię RBI (Risk Based Inspection) pozwala zminimalizować to ryzyko do poziomu akceptowalnego. Przyjęta i wdrażana przez UDT metodologia zarzadzania ryzyka w oparciu o standardy API (American Petroleum Institute) wskazuje metody i techniki badawcze, które najefektywniej odwzorowują stan uszkodzenia materiału spowodowany przez dany mechanizm degradacji. Jednym z mechanizmów niszczenia stanowiącym największe wyzwanie inżynierskie w obszarze diagnostycznym (ze względu na możliwość identyfikacji, monitorowania i prognozowania) jest wysokotemperaturowy atak wodorowy (HTHA). Detekcja uszkodzenia wodorowego na etapie jego inicjacji w wyniku tworzenia się cząstek metanu w obszarach o najniżej energii błędu ułożenia struktury materiału (defektów strukturalnych) jest dla większości metod badań nieniszczących niemożliwa. Dodatkowo trudności związane z oceną HTHA wynikające z natury zjawiska oddziaływania cząsteczkowego wodoru z materiałem poddanym jego działaniu, co przy uwzględnieniu rzeczywistego stanu naprężeń i faktycznego, a nie przejętego stanu zdefektowania materiału, wpływają na problemy monitorowania przebiegu procesu HTHA. Nie bez znaczenia na sposób oceny HTHA pozostaje także wpływ braku jednoznaczności i spójności informacja podawanych zarówno w literaturze branżowej jak i standardach technicznych, dotyczących sposobu detekcji, predykcji i monitorowania HTHA. Przykładowo w API 571:2011 podano, iż brakuje danych na potwierdzenie efektywności metody emisji akustycznej (AE) do identyfikacji uszkodzeń wywołanych przez HTHA, podobne stanowisko przedstawiono w API 941:2008, natomiast w standardzie ASME PCC-3 z roku 2007, AE wskazano jako jedną z metod badawczych rekomendowanych do identyfikacji HTHA, co pokrywa się także z opinią reprezentowaną przez niektóre jednostki naukowo – badawcze [1].

Można przypuszczać, że tak różne podejście do oceny HTHA wiąże się z odmienną wrażliwością wielu autorów na naturę rozwoju uszkodzeń wywołanych przez HTHA. Konserwatywne podejście zakłada bowiem konieczność badania tego mechanizmu degradacji w postaci uszkodzeń już na etapie zbliżonym do inicjacji uszkodzenia, jeszcze zanim przekształcą się one w nieciągłości płaskie (mikropęknięcia) i zanim przejdą one w etap gwałtownego, niekontrolowanego rozwoju, w którym możliwość monitorowania procesu degradacji jest znacząco utrudniona, a w niektórych przypadkach nawet niemożliwa. Zgodnie z powyższym, uzasadniona jest daleko idąca ostrożność w zastosowaniu AE do oceny uszkodzeń wywołanych przez HTHA.

Wydaje się, ze obecnie jedynym sposobem wiarygodnej oceny stopnia uszkodzenia wywołanego przez HTHA jest technika AUBT. Jest to technika ultradźwiękowa fali wstecznie rozproszonej, która umożliwia detekcję uszkodzeń HTHA już na etapie około inicjacyjnym. Należy jednak w tym miejscu dodać, że ze względu na naturę badania, technika AUBT jest przeznaczona głównie do materiału rodzimego. Złącza spawane, zgodnie z wymaganiami API 941:2008 powinny być poddane badaniom techniką wysokoczęstotliwościowych fal ultradźwiękowych.

Być może powyżej opisane trudności sprawiły, że jak do tej pory, żadne z krajowych laboratoriów badań nieniszczących nie zaadoptowało techniki AUBT do praktyki badawczej, choć zapotrzebowanie na tego typu badania jest olbrzymie. Przypuszcza się, że w najbliższym czasie będzie ono jeszcze większe, ze względu na silną tendencję wzrostu znaczenia badań celowanych (dedykowanych dla danego mechanizmu degradacji) w perspektywie wdrażania metodologii ryzyka np. RBI w różnych sektorach przemysłu. Dlatego też AUBT należy traktować jako technikę badawczą o bardzo wysokim stopniu innowacyjności i użyteczności przemysłowej.

Wyzwanie, związane z wdrożeniem techniki AUBT w mniejszym stopniu dotyczy wymagań sprzętowych, gdyż w porównaniu do klasycznych badań ultradźwiękowych dotyczą one przede wszystkim głowic ultradźwiękowych, a konkretnie ich parametrów częstotliwościowych. Natomiast w większym stopniu problem ten dotyka możliwości pozyskania wiedzy (bazy sygnałów) i umiejętności interpretacji charakteru wskazań w celu jakościowej oceny stopnia uszkodzenia wywołanego przez HTHA. Dla lepszego zobrazowania zagadnienia na rys 1 [2] przedstawiono przykład sygnałów ultradźwiękowych z obszaru bez uszkodzenia (1) i z uszkodzeniem wywołanym przez HTHA (2).

 

Rys. 1. Przykładowe sygnały bez uszkodzenia (1) i z uszkodzeniem wywołanym HTHA (2)

 

W literaturze [3] dostępne są przykłady procedur umożliwiające jakościową i ilościową ocenę uszkodzeń oraz prognozę czasu bezpiecznej eksploatacji urządzenia poddanego działaniu HTHA.

Pierwszy etap procedury polega na identyfikacji obszarów urządzenia, które zostały poddane działaniu HTHA. Następnie przeprowadza się analizę charakteru rozchodzenia się fali ultradźwiękowej dla zidentyfikowanych obszarów. Kolejny etap polega na zakwalifikowaniu otrzymanego obrazu wskazań do jednej z czterech kategorii, w ramach których przeprowadza się analizę poszczególnych jego elementów. Kategoryzację wskazania przeprowadza w oparciu o identyfikację charakterystycznych cech jego sygnału. Warto podkreślić, że analiza jakościowa opiera się na referencyjnej metodzie sygnałów bazowych. W ramach tej analizy rozpatruje się:

  1. dla kategorii I:
  • współczynnik szybkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej (technika współczynnika ilorazu prędkości) (rys.2);
  • charakter pól spektralnych;
  • rozkład pól przestrzennych;
  1. dla kategorii II:
  • częstotliwościową zależność rozproszenia wstecznego;
  • charakterystykę pól spektralnych;
  • współczynnik szybkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej;
  • rozkład pól przestrzennych;
  1. dla kategorii III:
  • współczynnik szybkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej;
  • charakterystykę pól spektralnych;
  • współczynnik szybkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej;
  1. dla kategorii IV:
  • charakterystykę pól spektralnych;
  • współczynnik szybkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej.

 

Poniżej przedstawiono przykład analizy współczynnika prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej przy wykorzystaniu techniki współczynnika ilorazu prędkości rys. 2.

 

Rys.2. Wyznaczenie współczynnika prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej (technika współczynnika ilorazu prędkości)

 

W oparciu o przeprowadzoną powyżej kategoryzację sygnałów i analizę elementów wskazań można wnioskować o charakterze i rodzaju powstałych nieciągłości. Pierwsza kategoria sygnałów dotyczy nieciągłości, które rozprzestrzeniają się na wskroś ścianki elementu. Druga kategoria sygnałów ujmuje nieciągłości typu lamelarnego. Trzecia kategoria obejmuje nieciągłości aktywne a czwarta kategoria wskazuje na inicjację nieciągłości wodorowych i/lub ich aktywację.

Poza określeniem charakteru i rodzaju nieciągłości wywołanych przez HTHA, za pomocą techniki AUBT można w oparciu o odpowiednie zależności algebraiczne opisujące amplitudę fali wstecznie rozproszonej precyzyjnie wyznaczyć odległość głowicy od występującego uszkodzenia.

Dodatkowo analiza wskazań daje podstawy do ilościowego określenia właściwości mechanicznych elementu z zidentyfikowanymi uszkodzeniami pochodzącymi od HTHA i może stanowić rękojmię do świadomego prognozowania bezpiecznej eksploatacji urządzenia z uszkodzeniami od HTHA. Szacunkowy czas bezpiecznej eksploatacji można określić zgodnie z poniższa zależnością [5]:

 

t=C*Pn*e(Q/RT)

gdzie:

t – szacunkowy czas bezpiecznej eksploatacji;
P – ciśnienie parcjalne wodoru;
Q – energia aktywacji;
T – temperatura [K];
R – stała gazowa;
C, n – stałe.

 

Powyższe rozważanie związane z gwałtownym rozwojem technik inspekcyjnych może skłaniać do stosowania nowego podejścia do oceny stanu technicznego urządzenia. Silna tendencja stosowania badań celowanych, zintegrowana z wdrażaną metodologią inspekcji aktywnej wymusza stosowanie coraz to bardziej zaawansowanych technik badawczych (np. AUBT) umożliwiających prognozę i ocenę nawet tak subtelnych uszkodzeń jak te pochodzące od HTHA. Aby zarządzać świadomie ryzykiem eksploatacyjnym, szczególnie w tak newralgicznych sektorach przemysłu jak przemysł chemiczny czy petrochemiczny, konieczne jest podjęcie permanentnych działań zapewniające podwyższanie poziomu wiedzy i umiejętności Inspektora w obszarach interdyscyplinarnych począwszy od inżynierii materiałowej, a na zaawansowanych technikach badawczych kończąc. Nie bez znaczenia jest także przyjęcie rozwiązań systemowych, które zapewniły by pozyskiwanie i gromadzenie wiedzy oraz doświadczeń (np. bazy sygnałów rozproszonych fal ultradźwiękowych), co umożliwiłoby wykonanie i/lub weryfikację oceny jakościowej wskazań.

 

Literatura:

[1] C. Allevato, Utilizing Acoustic Emission Testing to detect high-temperature hydrogen attack (HTHA) in Cr-Mo reformer reactors and piping during thermal gradients, Elsevier, Procedia Engineering Volume 10, 2011, Pages 3552-3560.

[2] A. Bleuze, M. Cence, D.E Schwartz, G. Chelminiak, On-stream Inspection for High Temperature Hydrogen Attack, ECNDT 2006, Tu.3.8.4.

[3] R. Kot, Hydrogen Attack, Detection, Assessment and Evaluation, Conference Proceedings, 10th Asia-Pacific Conference on Non-Destructive Testing, 17-21 September 2001 · Brisbane, Australia

[4] Assessment of the resistance to HTHA of a 0.5% Mo steel equipment, EFC WP 15 Corrosion in the rafinery Industry, 2016.

[5] Birring A.S., Barlett, Kavano M.K., „Ultrasonic Detection of Hydrogen Attack in Steels”, Corrosion-Vol.45, No.3, national Association of Corrosion Engineers, 1989.

 

 

Authors

Related posts

Góra
English