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 Class TM do statystycznej klasyfikacji sygnałów AE, wykorzystującej składowe częstotliwości w metodzie wzorców uczących się ( pattern recognition ). Korozja Tło akustyczne Sygnały pochodzące z badań tła akustycznego Sygnały pochodzące z badań korozyjnych 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 VisualAE TM, 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 VisualAE TM, 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, 26 th 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