Montag, 18. September 2006

Zustandsorientierte Instandhaltung: Online Messungen durch elektrochemische Methoden optimieren technische Anlagenverfügbarkeit

Bei chemischen Produktionsprozessen die Instandhaltung zu minimieren und gleichzeitig die technische Anlagenverfügbarkeit zu maximieren ist wichtiges Ziel einer zustandsorientierten Instandhaltungsstrategie. Eine quantitative Beschreibung der Korrosion mittels online Messungen ist unerlässlich. Dabei reicht es aus, die Größenordnung der Schädigung abzuschätzen, um den Reparaturaufwand beim Stillstand kalkulieren zu können.Elektrochemische Messverfahren, die sich durch ihre Empfindlichkeit mit möglichst langen PF-Intervallen auszeichnen (Zeit zwischen der messbaren Beschädigung und dem Versagen), sind ideal, um Korrosion zu monitoren. Wichtig dabei: Das Messverfahren sollte hinsichtlich der auftretenden Korrosion ausgewählt werden und eine Validierung der berechneten Werte sollte rückblickend oder in-situ möglich sein. Da kurzzeitige hohe Abtragsraten nicht unmittelbar zu Schäden führen, müssen quantitative Korrosionsgrößen überprüfbar sein. Eine Abtragsrate von 2 mm/a verursacht z. B. erst nach etwa einem Monat einen mittels Ultraschall messbaren Wanddickenverlust von 0,2 mm.

Validierte Daten ermöglichen die gewünschte Restlaufzeitbestimmung im Rahmen des RCM-Konzeptes (RCM = Reliability Centered Maintenance). Bei der Verwendung solcher Messgrößen ist aber deren Verlässlichkeit und Plausibilität zu überprüfen. Relative Messungen können bereits eine gewisse Sicherheit bei der Interpretation gewährleisten, da sich der Fehler herausrechnet. Bei der Interpretation müssen die möglichen Einflussfaktoren, wie z. B. Korrosionsmechanismus, Sensorfläche, Einbauort des Sensors oder Leitfähigkeit des Mediums, berücksichtigt werden, um Fehlinterpretationen und damit übertriebene bzw. übereilte Handlungen auszuschließen.

Reliability Centered Maintenance
Aufgrund des technischen Fortschritts und der Entwicklung leistungsfähiger zerstörungsfreier Prüfverfahren werden die bisherige Ausfall- (ereignisorientiert) und Austauschstrategie (zeitorientiert vorbeugend) immer weniger angewandt und durch die zustandsorientierte Instandhaltung (RCM) ersetzt. In den Fällen, in denen der Aufwand für die Prüfung die Ersatzbeschaffung übersteigt, werden die bewerten Konzepte weiter angewandt.

Das RCM-Konzept basiert darauf, den Ist-Zustand und damit die Schädigung bzw. Abnutzung der Anlagenteile zu kennen. Der daraus errechenbare „Nutzungsvorrat“ erreicht zu einem gewissen Zeitpunkt „P“ (Potential Failure) einen kritischen Zustand, der dann am Punkt „F“ (Funtional Failure) verbraucht ist und zu einem Schaden führt, Abb. 1. Das PF-Intervall kennzeichnet das Zeitfenster, in dem eine Wartung bzw. Instandsetzung durchzuführen ist. Die Abschätzung des zeitlichen Verlaufs legt die Dringlichkeit offen, was wiederum erlaubt, den für die Reparatur bzw. den Austausch nötigen Stillstand zu planen und zu minimieren.

Die zustandsorientierte Instandhaltung lässt sich durch eine zusätzlich Risikoanalyse (Risk Based Inspection = RBI) der Anlagenteile ergänzen, wodurch Prüfumfang und Inspektionen optimiert werden.
Da die Belastungen der Anlagenteile und damit ihre Abnutzung bzw. Schädigung unterschiedlich ist, muss die Zustandsermittlung der jeweiligen Fragestellung angepasst werden. Erforderlich sind differenzierte Messverfahren mit möglichst langem PF-Intervall. Die Condition Monitoring Techniken teilt man in die folgenden Gruppen ein, Tab. 1.

Tab. 1: Condition Monitoring Techniques

• Dynamic Monitoring (Vibration, pulses and acoustic effects)
• Particle Monitoring  (Determination of discrete particles of different sizes and shapes to be released into the environment, ...)
• Chemical Monitoring (Spectroscopy, measurement of moisture and contamination released in the environment, ...)
• Physical Effects Monitoring (Non-destructive testing, corrosion coupon testing, oil appearance and viscosity, ...)
• Temperature Monitoring
• Electrical Effects Monitoring (Changes in resistance, conductivity, dielectric strength and potential, power consumption, ...)

In der chemischen Industrie spielt die Korrosion eine wesentliche Rolle bei der Abnutzung. Bisher ließ sie sich nur über Inspektionen und Ultraschallwanddickenmessungen nachweisen, und erst dann, wenn ein deutlicher Angriff bereits stattgefunden hatte. Dies führt zu kurzen PF-Intervallen, wodurch ungeplante Stillstände durch zusätzliche Reparaturen nicht zu vermeiden sind.

Corrosion Monitoring - Elektrochemische Diagnoseverfahren
Um die technische Verfügbarkeit durch eine exakte Planung von Reparaturen und Ersatz/Austausch zu maximieren, muss der Anlagenzustand schon vor dem Stillstand genau bekannt sein. Dies verlangt nach Messtechniken mit einer wesentlich besseren Nachweisgrenze. So entspricht die technisch nicht mehr vertretbare Abtragsrate von 0,5 mm/a einem Abtrag von 1 nm in der Minute. Elektrochemische Messungen sind aufgrund ihrer Empfindlichkeit und der Tatsache, dass nasschemische Korrosionsprozesse metallischer Werkstoffe elektrochemische Vorgänge darstellen, dafür prädestiniert. Um Korrosion qualitativ und quantitativ zu beschreiben stehen eine Vielzahl an Methoden zur Verfügung, Tab. 2.

Tab. 2: Electrochemical Techniques

• Qualitative
  • Potential monitoring (active – passive)
  • Electrochemical potentiodynamic polarization curve / surface reactivation
  • Electro-Potentiokinetic Reactivation (EPR)
  • Electrochemical Noise (EN)
    
    
• Quantitative
  • Linear Polarization Resistance (LPR)
  • Electrical Resistance (ER)
  • Non-linear techniques (HDA, EFM)
  • Electrochemical Noise (restricted)

Um Korrosion zu beschreiben, ist eine Angabe über die Abtragsrate des flächigen Anteils und über die Auftrittswahrscheinlichkeit lokaler Korrosion wichtig. Ist letztere recht hoch, ist die gleichzeitige Angabe der Abtragsrate aber nicht sinnvoll.
Für das Corrosion Monitoring bietet sich das elektrochemische Rauschen (EN) an, da es mit dem Lokalitätsfaktor ein Maß für lokale Korrosion und über den Rauschwiderstand eine rechnerische Abtragsrate zugänglich macht. Der einheitslose Lokalitätsfaktor wird logarithmisch aufgetragen und die Dekaden lassen sich dann analog einer Ampel in grün = keine, gelb = vermehrt lokale Aktivität und rot = lokale Korrosion einteilen.

Praktische Erfahrungen von quantitativen und qualitativen Bewertungen
Bei der Auswahl des Messverfahrens ist es wichtig, das Verhalten des Korrosionssystems (Werkstoff/Medium) zu kennen. Im Beispiel Abb. 2 u. 3 wird der unlegierte Stahl P265GH (W.-Nr. 1.0425) sowohl in Natronlauge als auch in Schwefelsäure ausgelagert und sein Korrosionsverhalten mit EN und EFM bestimmt. Zum Vergleich ist in den Abbildungen zusätzlich die durchschnittliche Abtragsrate aus dem integralen Masseverlust aufgetragen. Auch hier bestätigt sich, dass sich das EN-Verfahren mehr zur Beschreibung lokaler, Natronlauge greift den unlegierten Stahl ungleichmäßig an, und das EFM-Verfahren mehr für Flächenkorrosion eignet.

Fazit
Bei der technischen Umsetzung von Betriebsinstallationen ist deutlich mehr zu berücksichtigen als die Wahl des Messverfahrens. So sollte zuerst die Messaufgabe unter Berücksichtigung der Prozessbedingungen und der betroffenen Apparate analysiert werden. Denn nur bei genauer Kenntnis dieser Faktoren kann das Sensordesign und der Einbauort des Sensors festgelegt werden, was einen wesentlichen Schritt bei der erfolgreichen Umsetzung eines solchen Projekts darstellt. Während die eigentliche Messung und die Aufzeichnung der Daten Standard sind, sind Fachwissen und Erfahrung bei der Auswertung entscheidend.

Fig. 1:  Reliability centered maintenance
Abb. 1: Zustandsorientierte Instandhaltung

Fig. 2:   Comparison of EN / EFM methods at carbon steel
               in 50% caustic soda at 40°C
Abb. 2: Methodenvergleich EN / EFM bei unlegiertem Stahl
               in 50%iger NaOH, 40°C

Fig. 2:   Comparison of EN / EFM methods at carbon steel
               in 50% caustic soda at 40°C
Abb. 2: Methodenvergleich EN / EFM bei unlegiertem Stahl
               in 50%iger NaOH, 40°C