Oil & Gas Pipeline Survey

Hydrostatische Tests werden seit langem zur Bestimmung und Überprüfung der Rohrleitungsintegrität eingesetzt. Durch diesen Verifizierungsprozess können verschiedene Arten von Informationen gewonnen werden.

Es ist jedoch unerlässlich, die Grenzen des Prüfverfahrens und die erzielbaren Ergebnisse zu ermitteln. Es gibt verschiedene Arten von Fehlern, die durch hydrostatische Prüfungen erkannt werden können, wie z.B:

• Vorhandene Fehler im Material,
  

• Spannungsrisskorrosion (SCC) und tatsächliche mechanische Eigenschaften des Rohres,
  

• Aktive Korrosionszellen, und
  

• Lokalisierte harte Stellen, die in Gegenwart von Wasserstoff zum Versagen führen können.
  

Es gibt einige andere Fehler, die durch hydrostatische Tests nicht erkannt werden können. Zum Beispiel können die unterkritischen Materialfehler nicht durch hydrostatische Prüfungen erkannt werden, aber die Prüfung hat tiefgreifende Auswirkungen auf das Verhalten dieser Fehler nach der Prüfung.

Da die Prüfung eine bedeutende Rolle bei der zerstörungsfreien Bewertung von Rohrleitungen spielen wird, ist es wichtig, den richtigen Prüfdruck zu bestimmen und diesen Prüfdruck dann vernünftig zu nutzen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
Wenn eine Pipeline für den Betrieb bei einem bestimmten maximalen Betriebsdruck (MOP) ausgelegt ist, muss sie vor der Inbetriebnahme geprüft werden, um sicherzustellen, dass sie strukturell einwandfrei ist und dem Innendruck standhalten kann.

Im Allgemeinen werden Gaspipelines hydrogetestet, indem der Testabschnitt der Rohrleitung mit Wasser gefüllt wird und der Druck bis zu einem Wert gepumpt wird, der höher als der maximal zulässige Betriebsdruck (MAOP) ist, und dabei der Druck über einen Zeitraum von vier bis acht Stunden gehalten wird.

ASME B 31.8 spezifiziert die Prüfdruckfaktoren für Rohrleitungen, die bei einer Umfangsspannung von ? 30% der SMYS betrieben werden. Dieser Code begrenzt auch die maximale Umfangsspannung, die während der Prüfungen für verschiedene Klassenorte zulässig ist, wenn das Prüfmedium Luft oder Gas ist. Es gibt verschiedene Faktoren, die mit verschiedenen Rohrleitungsklassen und -teilungen verbunden sind.

Zum Beispiel beträgt der Hydrotestdruck für einen Ort der Klasse 3 oder 4 das 1,4-fache des MOP. Die Größe des Prüfdrucks für den Transport von Gaspipelines der Klasse 1 Division 1 ist normalerweise auf 125% des Auslegungsdrucks begrenzt, wenn der Auslegungsdruck bekannt ist. Die zulässige Spannung im Rohrmaterial ist auf 72% der SMYS begrenzt. In einigen Fällen wird sie auf 80% der SMYS ausgedehnt. Die Position der Pipeline und der Hazardous Material Safety Administration (PHMSA) ist ähnlich. Daher wird eine Pipeline, die für den kontinuierlichen Betrieb bei 1.000 psig ausgelegt ist, hydrostatisch bis zu einem Mindestdruck von 1.250 psig getestet.

Betrachten wir auf der Grundlage der obigen Informationen die API 5L X70-Pipeline aus 32-Zoll-NPS, die eine Wandstärke von 0,500 Zoll aufweist. Unter Verwendung eines Temperatur-Derating-Faktors von 1,00 berechnen wir den MOP dieser Pipeline wie folgt:

P= {2x t x SMYS x1x Faktor (Klasse 1) x 1} / D (ASME B 31.8 Abschnitt, 841.11)
Ersetzen der Werte:
P= 2x 0,5 x 70.000 x1 x0,72 x1/32 = 1.575 psig
Für dieselbe Pipeline wird der MOP bei einer Auslegung mit einem Faktor von 0,8 auf 1750 psig berechnet.

• Wenn die Armaturen die begrenzenden Faktoren des Prüfdrucks wären, würde sich folgende Situation ergeben.
  

• Wenn die im System verwendeten Fittings aus ANSI 600 sind, beträgt der maximale Prüfdruck (1,25 x 1.440) 1.800 psig. Dieser Prüfdruck unterstützt die Anforderungen der beiden Faktoren 0,72 und 0,8.
  

• Wenn jedoch ANSI 900-Armaturen für dasselbe Rohrleitungssystem gewählt würden, würde der Prüfdruck (1,25 x 2.220) 2.775 psig die Rohrleitung testen, aber die Armaturen nicht auf ihr volles Potenzial prüfen.
  

Lassen Sie uns zunächst den Designfaktor von 0,72 (Klasse 1) diskutieren. In diesem Fall würde der Test dazu führen, dass der Ring bis zu 72% der SMYS des Rohrmaterials erreicht. Die Prüfung bei 125% des MOP wird dazu führen, dass die Spannung im Rohr einen Wert von 1,25 x 0,72 = 0,90 oder 90% der SMYS erreicht.

Durch die Hydroprüfung des Rohrs mit dem 1,25-fachen des Betriebsdrucks wird das Rohrmaterial auf 90 % seiner Streckgrenze, d. h. auf 50.400 psi (Faktor 0,72), beansprucht.

Wenn wir jedoch einen Konstruktionsfaktor von 0,8 verwenden - wie er jetzt häufig verwendet wird - führt die Prüfung bei 125 % des MOP zu einer Spannung im Rohr von 1,25 x 0,8 = 1. Die Spannung würde 100% der Streckgrenze (SMYS) erreichen. Bei einem Prüfdruck von 1800 psig beträgt die Spannung also 56.000 psi (bei Faktor 0,8). Dies ist im Falle von Formstücken der Klasse 600 akzeptabel.

Wenn jedoch Fittings der Klasse 900 berücksichtigt würden, läge der maximale Prüfdruck bei (1,25 x 2.220) 2.775 psig und die resultierende Spannung bei 88.800 psi, was sehr nahe an der maximalen Streckgrenze (90.000 psi) von API 5L X 70 PSL-2-Material liegt.


Obwohl Normen und gesetzliche Richtlinien spezifisch sind, was die Einstellung des Prüfdrucks auf unter 72% oder in einigen Fällen auf bis zu 80% der SMYS des Materials betrifft, gibt es ein starkes Argument für die Prüfung einer gebauten Pipeline auf "über 100% der SMYS", und es werden auch 120% der SMYS erwähnt.

Solche Ansichten werden oft von dem Wunsch getrieben, die Anzahl der Hydrotestabschnitte zu reduzieren, was sich in einer Senkung der Baukosten niederschlägt. In diesem Zusammenhang wird oft festgestellt, dass selbst unter erfahrenen Ingenieuren eine gewisse Verwirrung über die Verwendung der Begriffe SMYS und MOP/MAOP in Bezug auf den Hydrotestdruck herrscht.

Es kann darauf hingewiesen werden, dass die Spannung im Material (Prüfdruck) durch die SMYS begrenzt wird. Dies ist das Gesetz der Physik und darf weder sofort noch in Zukunft für monetäre Gewinne auf die Gefahr eines Pipeline-Versagens gebrochen werden.

In diesem Zusammenhang ist Abschnitt 32 der Richtlinie Nr. 66 des Alberta Energy and Utilities Board aus dem Jahr 2005 von Bedeutung. Die Richtlinie ist in Bezug auf die Situation spezifisch. Sie besagt, dass, wenn der Prüfdruck eine Umfangsspannung im Material verursacht, die 100% des Materials SMYS übersteigt, die Berechnung und das gesamte Hydro-Testverfahren dem Board zur Überprüfung und Genehmigung vorgelegt werden müssen.

Häufig wird argumentiert, dass höhere Prüfdrücke, die 100% der SMYS überschreiten, die "Festigkeit" des Materials erhöhen und das Material "spannungsarm" machen. Beide Argumente haben keine technische Grundlage in dem Maße, in dem sie vorgebracht werden. Wir werden diese beiden Argumente hier kurz diskutieren:

1. Ein höherer Prüfdruck wird "die Festigkeit erhöhen". Da das Material über seine Streckgrenze hinaus beansprucht wird, befindet sich das Material im Stadium der plastischen Verformung, das ein duktiles Stadium ist, und verliert daher ständig seine Fähigkeit, weiteren Belastungen standzuhalten. Es nimmt also nicht an Festigkeit zu, sondern verliert allmählich seine Festigkeit.
   

2. Das zweite Argument des "stress reliving" ist mit dem Argument der "Erhöhung der Festigkeit" verbunden. Das Spannungsrelief von Material wird durchgeführt, um die eingeschlossenen Spannungen zu reduzieren. Der Prozess richtet die Körnung neu aus, die oft durch Kaltverformung oder Schweißen verändert wurde. Der Spannungsfreigabeprozess reduziert effektiv die Streckgrenze. Daher "verstärkt" es das Material nicht. Anmerkung: Es kann darauf hingewiesen werden, dass eine begrenzte Entspannung der Spannungen durch Hydroversuche stattfindet, aber der Prüfdruck sollte geringer sein als die Streckgrenze des Materials.
   

Ein weiterer Punkt, der hier zu beachten ist, ist, dass es eine Phase der Beanspruchung des Materials gibt, in der eine Kaltverfestigung eintritt und das Material sicherlich eine gewisse (relative) Härte und damit Festigkeit gewinnt. Dies geschieht zu Beginn der Einschnürung, aber zu diesem Zeitpunkt ist die Flächeneinheitsspannung so gering, dass die Festigkeit des Materials verloren geht und es keinen praktischen Nutzen mehr hat, insbesondere im Zusammenhang mit dem von uns diskutierten Rohrmaterial.

Zurück zum Thema Druckprüfung und ihren Zielen. Eines der Hauptziele der Prüfung besteht darin, die möglichen Fehler in der gebauten Rohrleitung zu finden. Die Prüfung entwickelt für eine bestimmte Zeit eine gewisse Spannung, damit sich diese möglichen Fehlstellen als Leckstellen öffnen können. Im folgenden Abschnitt werden wir die Beziehung dieser Fehlstellen zum Prüfdruck und zur Prüfdauer diskutieren.

Der maximale Prüfdruck sollte so ausgelegt sein, dass er einen ausreichenden Abstand zwischen sich und dem Betriebsdruck aufweist. Mit anderen Worten sollte der maximale Prüfdruck > MOP sein.

Dies setzt auch voraus, dass nach der Prüfung die überlebenden Fehlstellen in der Rohrleitung nicht wachsen dürfen, wenn die Leitung mit dem aufrechterhaltenen Betriebsdruck in Betrieb genommen wird. Für die Einstellung des maximalen Prüfdrucks ist es wichtig zu wissen, wie sich der Druck einerseits auf das Fehlerwachstum während der Prüfung und andererseits auf die Fehler auswirkt, deren Wachstum durch den Druck im Laufe der Zeit beeinflusst wird.

Die Defekte, die bei einem einmaligen, hohen Prüfdruck nicht auftreten würden, werden oft als subkritische Defekte bezeichnet. Diese subkritischen Defekte würden jedoch bei niedrigerem Druck auftreten, wenn sie für längere Zeit gehalten würden. Aber die Größe der Diskontinuität, die in der subkritischen Gruppe vorliegen würde, würde unabhängig von der Zeit bei etwa 105% des "Haltedrucks" auftreten. Dies bedeutet, dass der maximale Prüfdruck auf 5-10% über dem maximalen Betriebsdruck (MOP) eingestellt werden müsste, um solche Defekte während des Tests zu finden und auch um das Wachstum unterkritischer Diskontinuitäten nach dem Ablassen des Hydro-Testdrucks und während der Betriebsdauer der Pipeline zu vermeiden. Dies sollte das Hauptziel des Hydrotests sein.

Wenn ein Prüfdruck von 100% (Auslegungsfaktor von 0,80) der SMYS in Betracht gezogen wird, dann muss man auch einige wichtige Vorbedingungen berücksichtigen, die an die Beschaffung des Stahls und des Rohres geknüpft sind. Besonders wichtig zu berücksichtigen ist die Höhe der Fehlergröße, die in der Platte/Spule, die zur Herstellung des Rohres verwendet wurde, akzeptiert wurde. Ein Prüfdruck dieser Größenordnung würde eine Neubewertung der akzeptablen Fehlergröße erfordern. Das liegt daran, dass bei sonst gleichen Bedingungen ein höherer Konstruktionsfaktor, der zu einer dünneren Wand führt, zu einer Verringerung der kritischen Abmessungen sowohl der Oberflächen- als auch der Durchdringungsdefekte führt.

Wenn solche Bedingungen wahrscheinlich sind, kann es ratsam sein, das Ausmaß der akzeptierten Mängel im Material zu überdenken. Die aktuellen Empfehlungen in API 5L 44. Auflage für die Annahmestufe B2 nach ISO 12094 (für SAW-Rohre) sind möglicherweise nicht akzeptabel, da sie eine begrenzte Abdeckung von Körper und Rändern aufweisen und die Annahmekriterien in Bezug auf die akzeptable Größe und den Bereich der Fehler viel zu liberal sind.

Strengere Kriterien müssen in Übereinstimmung mit EN 10160 spezifiziert werden, wobei die Stufe S2 für den Körper und die Stufe E2 für die Ränder möglicherweise besser geeignet sind, um die Anforderungen der höheren Prüfdrücke zu erfüllen.
Subkritische Oberflächenfehlergrößen bei Designfaktoren von 0,80 und 0,72 sind bei geringer Belastung wachstumsanfällig und zeitabhängig. Diese Fehler sind auch abhängig von den akzeptablen Grenzen der stoßabsorbierenden Energie des Materials und der Schweißnaht (nicht Teil der Diskussion in diesem Artikel).

Durch diese Erhöhung des Verhältnisses von Tiefe zu Dicke (t/d) wird das Ligament der angrenzenden Defekte reduziert, was die für die Ausbreitung der Diskontinuität erforderliche Spannung verringert. Kritische Fehlerlängen durch die Wand sind ebenfalls zu bewertende Faktoren. Obwohl es eine bescheidene Verringerung der kritischen Fehlerlänge gibt, weist sie dennoch auf eine sehr akzeptable Fehlertoleranz für jede praktische Tiefe hin, und die Verringerung wird im Zusammenhang mit dem Integritätsmanagement nur einen vernachlässigbaren Einfluss haben.

Es ist zu beachten, dass Fehler, die tiefer als etwa 70% der Wanddicke liegen, in beiden Fällen als stabile Lecks ausfallen werden. Diese Aussage impliziert, dass eine reine Durchstrahlung der Rohrschweißnähte (sowohl Feld- als auch Werksschweißnähte) möglicherweise nicht ausreicht. Die automatische Ultraschallprüfung (AUT) der Schweißnähte wird besser geeignet sein, um die Größe der Planflächenfehler in den Schweißnähten richtig zu bestimmen. Ebenso wird die Verwendung der AUT zur Beurteilung der Fehler im Rohrkörper strenger als üblich sein.

Das Phänomen der Druckumkehr tritt auf, wenn ein Defekt einen höheren hydrostatischen Prüfdruck übersteht, aber bei einem niedrigeren Druck bei einer anschließenden erneuten Druckbeaufschlagung fehlschlägt.

Einer von mehreren Faktoren, die auf dieses Phänomen hinwirken, ist das kriechartige Wachstum unterkritischer Diskontinuitäten mit der Zeit und bei niedrigerem Druck. Die Verringerung der Wanddicke, verursacht durch Korrosion, äußere Beschädigungen, ist ebenfalls für eine Verringerung der Durchstoßfestigkeit im Rohr verantwortlich. Die Verringerung der Wanddicke verringert in der Tat die Diskontinuitätstiefe auf die Materialdicke.

Diese Erhöhung des d/t-Verhältnisses verringert das Band zwischen den angrenzenden Defekten. Dadurch wird die für die Ausbreitung der Diskontinuität erforderliche Spannung effektiv reduziert. Der andere Faktor, der die Druckumkehr beeinflusst, ist die Beschädigung der Rissspitzenöffnung (CTO). Die CTO ist einer gewissen Druckkraft ausgesetzt, die dazu führt, dass sich die Rissspitze während des anfänglichen Tests kraftschlüssig schließt.

Bei nachfolgender Druckbeaufschlagung auf einen deutlich niedrigeren Druck beginnt sich diese "Kraftschlussspitze" zu öffnen und erleichtert das Risswachstum. Wenn ein solcher Druckzyklus Teil der Konstruktion ist, sollte daher der Punkt der Druckumkehr berücksichtigt werden.

• Es kann auch angemerkt werden, dass es sowohl mit zunehmender SMYS als auch mit zunehmendem Designfaktor eine bescheidene Verringerung der Durchstoßfestigkeit gibt. Beachten Sie, dass der maximale Auslegungsfaktor in einigen Fällen durch praktische Grenzwerte für D/t eingeschränkt ist.
  

• In jedem Fall ist anzumerken, dass nur ein kleiner Teil der großen Bagger in der Lage ist, eine Durchstoßkraft von mehr als 300 kN zu erzeugen, und dass die festgestellten Verringerungen des Durchstoßwiderstands für die integrierten Ansätze zur Bewältigung mechanischer Schadensgefahren bewertet werden müssten.