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超声波腐蚀监测-是时候进行范式转换了

第一部分:整体方法

经过Sascha Schieke.,Molex的工程经理,和Mark Geisenhoff., Flint Hills Resources全球固定设备主管。2021年2月15日
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使用超声波传感器进行腐蚀监测是一种众所周知的方法,用于确定剩余材料的厚度,从而确定管道、管道、容器和储罐的持续完整性。通过使用这些方法,可以防止泄漏及其后果,如环境损害、直接和间接的设备损害、流程中断或放缓。

腐蚀监测主要依赖于手动超声检查。检查员在预定测量位置采用便携式超声波设备收集厚度测量 - 所谓的状态监测位置(CML),以前称为厚度监测位置(TML)。

手动厚度测量趋于限制精度(偏离真实厚度值)和精度(围绕平均厚度值的变化)。这些限制可能会影响与计划退休或维护相关的随后的分析和计算的腐蚀速率。In particular, the limitations of manual thickness measurements when addressing general corrosion usually result in over-monitoring (e.g., too many CMLs, too frequent inspections), uncertainties, and the tendency to force asset owners and corrosion engineers to trade risk against the life cycle cost of a component as we will explain in more detail in one of the next paragraphs.

临时或永久安装的厚度监测设备可以帮助克服这些技术缺陷和不确定性,并可显著改善维护和资产更换预测。然而,这些系统的高成本通常会阻止大规模部署永久安装的系统。因此,该行业不得不继续采用老式的、不准确的、不精确的检测方法,这带来了不必要的高安全边际、大量的不确定性和不必要的高成本。

幸运的是,物业互联网的出现(IIOT)和NDE 4.0正在为范式转移铺平道路![1]

1辛格将NDE 4.0定义为一个信息物理NDE系统——工业4.0技术与传统NDE方法的融合。信息物理无损检测系统基于互操作性、信息透明度、技术援助和分散决策这四个设计原则。

当将cml的风险作为经典检查计划或RBI计划的一部分时,很难区分大多数低风险cml和一小部分高风险cml。应用一种适合所有以硬件为中心的解决方案已被证明是不够的,而且成本很高。相反,风险和检查活动的差异(cml的数量和检查的数量)需要自适应硬件和分析解决方案,以减少与风险和成本相关的不确定性,同时提高工厂的安全性。

让我们开始评估低风险CMLS的情况。一般而言,只有每5或10年都应该检查低风险CML,并且CML的数量应该非常小。实际上,在一般腐蚀的情况下,电路理论上只需要一个CML。然而,由于精度和精度的技术限制,低风险电路通常配备不必要的大量CML。此外,除了预定的检查外,检查结果对检验结果的低置信度需要额外检查。这种高检活动跨越高位CML和大量检查,导致不必要的高检查成本。此外,还有与资产所有者,腐蚀工程师和固定设备团队的厚度测量质量的评估相关的成本。

现代分析工具可以帮助通过减少浪费和成本,同时不增加风险等级来帮助优化检查活动。此关系显示在图1

图1所示。检查活动和风险之间的关系。增加检查活动可以降低风险。但是,从一定的活动水平上看,进一步增加检查活动并不会导致风险的进一步降低。记住,增加检查活动与增加成本直接相关。
图1所示。检查活动和风险之间的关系。增加检查活动可以降低风险。但是,从一定的活动水平上看,进一步增加检查活动并不会导致风险的进一步降低。记住,增加检查活动与增加成本直接相关。

在继续前进的高风险CMLS的解决方案之前,重要的是提醒自己,超声厚度测量是基于测量飞行时间(到F)的超声波脉冲。与随温度变化的物质速度相乘v(t)并划分两者提供实际厚度T.实际的测量位置的材料:

手动测量的质量取决于两个因素,称为精度准确性

第一个限制因素精度描述了手动测量和主体性的固有性。在这种情况下,它描述了由于不同视点,其实践和技术的影响,测量位置,略有不同的仪器和其他因素的因素,因此描述了由于诸如不同视点,实践和技术的因素而导致的厚度测量值的变化。因此,通常确定用于进一步分析的平均厚度读数。计算平均值时,它还需要计算变化或标准偏差。因此,正确的厚度读数意味着若干厚度测量值及其标准偏差,例如0.32±0.03英寸。永久安装的超声波系统会提高厚度测量的精度,作为影响厚度测量的因素已被消除。虽然手动检查厚度测量的标准偏差约为0.03英寸(0.762毫米),但是永久安装的系统通常将精度提高至0.001英寸(0.0254mm)。这是一个提高约97%。

第二个限制因素准确性描述平均厚度值与真实厚度值的偏差。这种偏差可能是不正确的飞行时间测量的结果到F或者由于使用不正确的温度依赖性材料速度v(t)。虽然飞行时间测量在纳秒范围内的分辨率高度准确,但仍然是常见的做法,以便对材料速度使用参考文献值,这可能与现场固定设备的实际材料速度显着不同。

因此,提高厚度测量的准确性需要确定实际的物质速度。这可以通过在厚度测量时测量实际的物质速度来实现,或者通过一次测量物质速度,并使用温度修正系数来补偿物质速度随温度的变化。对于后者,文献提供了每55°C 1%的典型值(例如ASME BPVC第V节,第23条,SE797/SE-797M)。根据现场实际测量确定的温度系数可能与文献值有很大差异。数值范围为0.4%至1.2%,取决于材料成分、材料年龄以及经历的温度周期的数量和振幅。

图2.手动厚度测量的准确性和精度可视化与永久安装的系统采取的厚度测量。
图2.手动厚度测量的准确性和精度可视化与永久安装的系统采取的厚度测量。

复杂的永久安装的超声波监控系统导致高风险CML的精确和准确的厚度测量。如果考虑到检查员和固定设备所有者如何规划维修或更换资产的厚度测量如何使用厚度测量值是重要的。

厚度测量用于计算短期和长期腐蚀速率(参见例如API 570)。然后使用长期腐蚀速率来确定剩余的寿命,分别基于诸如腐蚀余量和最小允许厚度的信息来确定设备的退休日期。厚度测量中的不确定性通过计算腐蚀速率计算,从而传播退休日期。高斯误差传播法可用于基于厚度测量的不确定性来确定腐蚀速率和退休日期的不确定性。使用手动检查中的典型字段值,将看到维护日期与不确定的曲调和减去几年的不确定性(图3.)。维护窗口开头的修复工作或更换将导致高于必要的生命周期成本,而在维护窗口中以后的时间调度维修会提高泄漏的风险。在所示的示例中图3.现在的难题是,是在2021年还是2023年修复还是替换。决策主要取决于审查人员或资产所有者的经验,因此更像是一门艺术,而不是一门科学,从而导致数据驱动的决策。使用复杂的永久安装系统大大改善了情况,因为它们将维护窗口减少到更精确的、数据驱动的窗口。这些较小的维护窗口导致了在2024年进行维修或更换的明确的数据驱动决定。

图3.基于手动厚度测量的维护窗口(浅蓝色),并基于采用永久安装的传感器系统收集的厚度测量(绿色蓝色)。
图3.基于手动厚度测量的维护窗口(浅蓝色),并基于采用永久安装的传感器系统收集的厚度测量(绿色蓝色)。

使用永久安装的传感器系统和分析工具的整体方法可以从基于经验的转变艺术决策数据驱动decision-as-a-science。它还提高了安全性,因为它降低了危险区域中检查员的数量和频率。

通过传感器和软件优化腐蚀监测带来了更多的机会。随着机器学习和人工智能模型的发展,在不影响安全性的情况下,可以进一步完善腐蚀监测。敬请期待未来的更新!

参考文献

  1. 辛格r。“非破坏性测试和评价下的下一步革命:什么和如何?”,材料评估。2019; 77(1):45-60

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发布的戈登·斯明耶2021年2月22日
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