Na skutek długoletniej eksploatacji w różnych warunkach obciążeniowych urządzeń w przemyśle petrochemicznym, chemicznym czy energetycznym, prowadzone doraźnie badania ujawniają występowanie uszkodzeń w materiale rodzimym lub spoinach. Niekiedy uszkodzenia te nie są możliwe do naprawy, a wymiana uszkodzonych elementów nie jest możliwa w trakcie trwania kampanii remontowej. W przypadkach szczególnych konieczne jest podjęcie eksploatacji urządzenia z występującymi uszkodzeniami. Z punktu widzenia zapewnienia bezpieczeństwa kluczowe jest, aby występujące uszkodzenia były monitorowane przez ten okres pracy i w razie wystąpienia realnego zagrożenia destrukcji, system monitoringu pozwolił na wcześniejszą reakcję, np. zmniejszenie parametrów obciążeniowych.
W praktyce przemysłowej dla oceny stanu technicznego wykorzystywane są różne nieniszczące metody badawcze, które można zastosować do monitoringu ciągłego. Dodatkowo przy wyborze metody badawczej do ciągłego monitorowania istotne jest, aby umożliwiała ona ujawnianie rozwoju istniejącego uszkodzenia. Jedną z takich metod posiadającą te cechy i stosowaną przez CLDT jest metoda emisji akustycznej. Umożliwia ona między innymi rejestrację uszkodzeń poza strefą czujnika i ujawnia rozwój uszkodzenia, co pozwala na wykorzystanie jej jako metody ciągłego monitoringu.
W niniejszym artykule przedstawiony został przykład wykorzystania metody emisji akustycznej dla ciągłego monitorowania elementów armatury rurociągu technologicznego w przemyśle petrochemicznym. Doraźne badania w czasie postoju remontowego, dwóch elementów (zaworów) ujawniły występowanie pęknięć w strukturze materiału oraz zmiany strukturalne materiału. Brak dostępności takich elementów – i co z tym związane – brak możliwości szybkiej ich wymiany, a jednocześnie konieczność podjęcia eksploatacji ze względu na istotę instalacji, doprowadziło do decyzji o ich monitoringu metodą emisji akustycznej w czasie pracy. Obiekty te są eksploatowane w warunkach wysokiej temperatury (około 530oC) oraz przy ciśnieniu około 19 MPa, co należało też uwzględnić przy doborze metody badawczej i opracowywanym systemie monitoringu.
W celu przygotowania i zabudowy układu ciągłego monitoringu metodą emisji akustycznej:
- przeprowadzono badania w czasie wyprężania i rozruchu instalacji,
- przygotowano założenia i wstępny plan układu ciągłego monitoringu,
- przygotowano projekt układu uwzględniający warunki pracy urządzeń i możliwości zabudowy elementów składowych systemu,
- wykonano elementy pozwalające na montaż czujników z uwzględnieniem warunków temperaturowych,
- przygotowano niezbędną aparaturę, m.in. przemysłowy, kilkukanałowy autonomiczny system emisji akustycznej do długookresowych badań monitorujących wraz z oprogramowaniem do zdalnej obsługi systemu, czujniki AE, stację pogodową dla monitorowania warunków otoczenia, które mogą mieć wpływ na rejestrowane sygnały AE oraz pozostałe elementy składowe systemu,
- zainstalowano system na obiektach,
- wykonano dokumentację powykonawczą,
- uruchomiono system monitoringu w oparciu o własny serwer danych UDT z ustawionymi wartościami kryterialnymi, których przekroczenie jest sygnalizowane.
Pierwsze badania urządzeń przeprowadzono w czasie procesu wyprężania instalacji, jak również w czasie jej rozruchu. Pozwoliły one na określenie aktywności emisyjnej oraz określenia poziomu zakłóceń występujących na obiektach. Badanie w czasie wyprężania realizowane było przy temperaturze obiektów nie przekraczającej 50oC, natomiast badanie w czasie rozruchu wymagało wykorzystania falowodów czyli elementów pośrednich pomiędzy czujnikami, a powierzchnią badanego obiektu. Badania te pozwoliły m.in. na wytypowanie zakresu filtrów częstotliwościowych oraz na dobór typów czujników do badań monitorujących.
Po uzgodnieniach z Użytkownikiem przygotowano projekt uwzględniający względy bezpieczeństwa, warunki temperaturowe, a także rozmieszczenia obu obiektów, sposób montażu czujników, możliwość usytuowania systemu pomiarowego i pozostałych elementów składowych oraz konieczność zasilania aparatury. W ramach realizacji prac zestawiono aparaturę: system pomiarowy, stację pogodową, czujniki AE oraz pozostałe elementy systemu. Ze względu na wymagania stawiane aparaturze pomiarowej przy badaniach ciągłych, wybrano czujniki w wersji ATEX przeznaczone do pracy w strefie zagrożenia wybuchem.
Ze względu na geometrie i rozmiary urządzeń, na każdym z nich zamontowano po trzy układy z czujnikami AE. Czujniki AE połączono z barierą iskrobezpieczną oraz systemem pomiarowym AE, które umieszczone zostały w szafie elektrycznej postawionej poza strefą zagrożenia wybuchem. W szafie tej zainstalowano również m.in. zasilacz UPS, komputer przemysłowy i modem LTE do transferu danych. W pobliżu szafy elektrycznej umieszczono bezprzewodową mobilną stację pogodową do monitorowania podstawowych danych pogodowych. Dane ze stacji pogodowej są parametrami wejściowymi do systemu AE i są wizualizowane w przygotowanym oprogramowaniu, co umożliwia korelację rejestrowanych sygnałów AE z ewentualnymi zjawiskami pogodowymi. Zdjęcia obrazujące zamontowane układy oraz szafę elektryczną z zabudowaną aparaturą i stację pogodową przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1 Układy z czujnikami AE zamontowane na jednym z monitorowanych obiektów oraz szafa elektryczna i stacja pogodowa
Monitoring online to również duże wymagania związane z oprogramowaniem, transferem danych i informatyczną stroną zadania. Wykorzystany dodatkowy moduł oprogramowania sprawia, że system AE stał się autonomiczny i posiada dodatkowe funkcje niezbędne przy ciągłym monitorowaniu i rejestracji danych. Funkcje te to m.in. automatyczny restart i włączanie rejestracji pomiaru, okresowe sprawdzenia torów pomiarowych i weryfikacje czujników oraz zaplanowanych czynności weryfikacyjnych, a także wysyłanie powiadomień, alarmów i ostrzeżeń o wystąpieniu zdarzeń związanych z przekroczeniem założonych kryteriów oceny i akceptacji. Zamiast standardowego oprogramowania wykorzystywanego do badań doraźnych metodą AE, zastosowano oprogramowanie typu dashboard dla graficznego pulpitu, umożliwiające analizę i wizualizację kluczowych danych pomiarowych rejestrowanych przez autonomiczny system pomiarowy AE oraz dodatkowych parametrów zewnętrznych. Wizualizacja wykresów jest możliwa w przeglądarce internetowej lub w innym oprogramowaniu do wizualizacji i ich prezentacji on-line w czasie rzeczywistym.
Istotnym jest również zapewnienie bezpieczeństwa informatycznego przesyłanych danych, dlatego oprogramowanie jest zainstalowane na niezależnym własnym serwerze danych UDT. Do prezentacji i wizualizacji danych AE oraz danych warunków atmosferycznych ustawiono wykresy słupkowe, punktowe, liniowe, a także wykorzystano algorytm do liniowej lokalizacji sygnałów AE na obiektach. Przykład wizualizacji danych za okres jednego miesiąca przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2 Wizualizacja danych pomiarowych z wykorzystaniem oprogramowania typu dashboard
Celem realizowanego długookresowego monitoringu metodą AE jest ocena aktywnych źródeł AE, a poprzez to – działanie prewencyjne z sygnalizacją ich propagacji, które mogą pojawić się podczas eksploatacji i pracy tych urządzeń. Ewentualne przekroczenia przyjętych wartości kryteriów skutkuje przesłaniem informacji o wystąpieniu takiego zdarzenia, a jednocześnie jest zapisane w bazie pomiarowej na komputerze obsługującym system pomiarowy AE oraz w chmurze na serwerze. Umożliwia to dokładniejszą analizę zarejestrowanych sygnałów AE. W przypadkach uzasadnionych nastąpić ma podjęcie odpowiednich działań prewencyjnych pozwalających zapobiegać powstawaniu i rozwojowi uszkodzeń krytycznych obiektu.
Zaimplementowany system ciągłego monitoringu metodą emisji akustycznej pokazuje możliwości wykorzystania nowych metod badawczych, które Centralne Laboratorium Dozoru Technicznego wprowadza do praktycznego zastosowania w warunkach przemysłowych.
Autorzy: Marek Nowak, Ireneusz Baran
Urząd Dozoru Technicznego
Centralne Laboratorium Dozoru Technicznego
Dział Badań Laboratoryjnych w Krakowie
