Monitoraggio di tubazioni con onde guidate: efficacia diagnostica, limitazioni ed approcci di ottimizzazione del controllo.

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1 Monitoraggio di tubazioni con onde guidate: efficacia diagnostica, limitazioni ed approcci di ottimizzazione del controllo. A. Demma (*), C. De Petris (**), A. Galvagni (***), U. Giosafatto (****) (*) A3 monitoring L.t.d. (**) INAIL, Settore Ricerca Certificazione e Verifica DTS Laboratorio CND (***) Imperial College, Department of Mechanical Engineering (***) CND Service S.r.l. Sommario Il metodo ad onde guidate per il controllo di tubazioni è da tempo universalmente utilizzato come approccio di screening in quanto rapido, economico ed efficace. Recentemente sono stati messi a punto sistemi di monitoraggio basati su tale controllo che potrebbero consentire una ulteriore riduzione dei costi di ispezione se orientati ad applicazioni su tratti di problematica accessibilità attraverso il miglioramento della performance in termini di sensibilità non solo strumentale, ma anche attraverso strumenti avanzati di analisi e processamento dei segnali. Questo lavoro, evidenziando le problematiche connesse all interpretazione dei dati di acquisizione del monitoraggio con onde guidate, introduce uno specifico approccio di analisi validato su un caso-studio relativo ad una installazione presso un impianto industriale. 1 Introduzione L attività ispettiva delle tubazioni per uso industriale nel nostro paese viene, nella storia più recente regolamentata dal dispositivo di legge D.M. 329/2004 che prevedeva, con decorrenza 19 gennaio 2008, la riqualificazione di tutte le tubazioni rientranti nel campo di applicazione dello dispositivo stesso. Per tale ragione, ai sensi dell art. 3 dello stesso decreto, fu elaborata in ambito CTI/UNI una specifica tecnica [1] dedicata al controllo di queste tubazioni secondo procedure strutturate dal punto di vista metodologico e delle tempistiche. Già nell ambito della specifica veniva assunto il concetto di monitoraggio che è sicuramente, per alcune circostanze, una soluzione dallo straordinario valore aggiunto, sia per quanto concerne l esercizio in sicurezza dell impianto, sia della sua economia di gestione, soprattutto per specifiche applicazioni. Peraltro l INAIL, e ancor prima l ISPESL ha sempre dimostrato una particolare attenzione agli approcci diagnostici innovativi di attrezzature a pressione tanto che, anche per il metodo Onde Guidate ha elaborato una specifica linea guida [2] e partecipato allo sviluppo normativo nazionale [3] ed internazionale [4] sul metodo ad Onde Guidate. Proprio sulla base di queste iniziative l INAIL, mantenendo la collaborazione con altre realtà autorevoli del mondo accademico nazionale ed internazionale e società di servizio tra le più competenti nel settore a livello nazionale ed internazionale [5-8], ha avviato un attività di ricerca sul monitoraggio delle tubazioni con il metodo di Onde Guidate finalizzata alla messa a punto di pratiche orientate all incremento dell efficacia di rilevazione diagnostica (sensibilità) di avanzamento dei processi corrosivi per rendere più flessibili gli intervalli temporali di verifica periodica con significativa riduzione dei disagi di produzione e contrazione dei relativi costi di gestione.

2 Il lavoro illustra i primi importanti risultati di un caso studio su tubazione industriale installata presso un sito petrolchimico, fornendo importanti indicazioni dell approccio interpretativo dei dati acquisiti nei primi sei mesi di attività ed evidenziando la capacità di discriminare le circostanze dovute alle inevitabili lacune del sistema strumentale e/o dell installazione determinate dalla incapacità di mantenere costanti le caratteristiche iniziali da quelle, invece, di rivelazione del fenomeno corrosivo in atto anche tenue. E evidente che la vantaggiosità del monitoraggio di tubazioni con metodo ad Onde Guidate viene amplificata per alcune specifiche applicazioni, giustificandone il costo e l impegno strumentale di gestione. Sicuramente l installazione permanente di un anello o di una fascia ad Onde Guidate trova maggiore giustificazione su tratti di tubazione la cui accessibilità nel tempo è compromessa (tratti interrati, sottopasso, coibentazione, etc), oppure quando si renda necessario valutare il rate di corrosione per analisi basate su R.B.I, o ancora quando si ha comunque l obiettivo di ottimizzare le performance diagnostiche attraverso l incremento della sensibilità. 2 Difficoltà pratiche della implementazione La implementazione di una strategia di monitoraggio richiede una serie di accorgimenti tecnici e studi di fattibilità tecnico/economici per valutare la convenienza del monitoraggio rispetto alla normale ispezione ad intervalli di tempo regolari. Dal punto di vista tecnico i requisiti di seguito elencati son quelli che devono essere almeno assunti ai fini dell analisi: 1) il sistema deve resistere molti anni a varie condizioni ambientali: a. tipo di ambiente, b. temperatura ambiente, c. temperatura superficie di contatto, d. umidità, e. esposizione a raggi UV, 2) il sistema deve garantire stabilità nel tempo, 3) l alimentazione dei sensori deve essere assicurata in maniera semplice, 4) il risultato deve offrire una migliore performance rispetto alle metodologie ispettive tradizionalmente utilizzate in termini di sensibilità. Nello studio di fattibilità tecnico/economico si devono sicuramente considerare e valutare almeno i seguenti aspetti: 1) struttura target e relativo meccanismo di danneggiamento, 2) durevolezza del sistema di monitoraggio, 3) sensibilità del sistema al tipo di danneggiamento, 4) comparazione dei costi d ispezione (considerando sistema ispettivo con sensibilità equivalente ed includendo costi di accesso alla struttura da ispezionare). La stabilità dei risultati è un requisito fondamentale per qualsiasi tecnologia di monitoraggio. Questa può essere ottenuta riducendo la possibilità di variazione di prestazione del sistema di trasduzione. Allo stesso tempo, è evidente che se fosse possibile misurare le variazioni attese nel tempo in relazione alla condizione del sistema di trasduzione, si potrebbe più correttamente interpretare il dato strumentale sulla base di

3 valutazioni di variazione di sensibilità al danneggiamento per lo stesso intervallo temporale, come di seguito meglio descritto. La Figura 1 mostra un esempio di monitoraggio con Onde Guidate. Come in modalità screening, il display "A-scan" ha un asse orizzontale che mostra la distanza di eventuali riflettori dal trasduttore e un asse verticale che mostra la loro ampiezza. L asse orizzontale mostra sia direzione negativa che positiva corrispondenti alle due direzioni di propagazione lungo il tubo dalla posizione del trasduttore. Figura 1 Esempio di risultato A-scan utilizzando un sensore ad Onde Guidate su una tubazione con saldatura e difetto. La Figura 2 mostra un risultato del monitoraggio ad onde guidate ottenuto su acquisizioni discretizzate nel tempo. Figura 2 Esempio di un risultato ad onde guidate in 3D. I risultati cambiano nel tempo malgrado non vi siano danneggiamenti in atto.

4 In questo caso i tre assi sono distanza/ampiezza/tempo. Si osservi che questi dati rivelano effettive variazioni nel tempo la cui genesi non è però imputabile all evoluzione del danneggiamento. Ciò è semplicemente dimostrabile dal fatto che l ampiezza dell eco ottenuta da una stessa saldatura varia nel tempo, cosa, questa, che sotto il profilo fisico, non trova alcuna spiegazione se non in una deriva del sistema di acquisizione. La Figura 4 riporta una analisi aggiuntiva effettuata sui dati di baseline della stessa saldatura mostrata in Figura 3. Figura 3 Esempio di un risultato ad onde guidate relativo all eco di una saldatura. La ampiezza dell eco cambia nel tempo malgrado non vi siano danneggiamenti in atto. L algoritmo di analisi sequenziale sviluppato presso l Imperial College da A. Galvagni [6] permette di definire se il dato relativo ad una posizione ispezionata è affetto da danneggiamento o meno con un predefinito livello di confidenza. Per esempio, in Figura 4, usando i dati di baseline indicati con un marcatore (croce), si possono definire 3 aree di interesse: - un area nella quale non vi è danneggiamento o semplicemente non è identificabile con monitoraggio ad onde guidate (per esempio una cricca assiale). Questa area è blu in Figura 4; - un area nella quale è presente danneggiamento. Questa area è gialla in Figura 4; - un area nella quale non è possibile determinare se il cambiamento di valore della misura è dovuto a danneggiamento o meno. Per misurazioni che ricadono in questa area potrebbe essere richiesto effettuare ulteriori misurazioni per determinare se vi è un danneggiamento (le curve convergono aumentando il numero di misure effettuate). Questa area è bianca in Figura 4. 3 Caso studio A seguito di una installazione di un sistema di monitoraggio permanente con trasduzione di tipo piezoelettrica in un sito industriale in Italia, gli autori hanno studiato in dettaglio il comportamento del sistema al variare del tempo. In Figura 5 si mostra l allestimento strumentale della tubazione monitorata con il sistema di monitoraggio ad Onde Guidate installato.

5 Figura 4 Esempio di applicazione dell algoritmo di analisi sequenziale sviluppato da A. Galvagni presso Imperial College ad un risultato ad onde guidate relativo all eco di una saldatura. E cosi possibile distinguere variazioni dovuti a danneggiamenti reali da variazioni dovute a sensore o condizioni ambientali. Figura 5 Allestimento strumentale del sistema di monitoraggio ad Onde Guidate connesso in maniera permanente ad una tubazione di un impianto petrolchimico in Italia. La Figura 6 mostra tre risultati di monitoraggio sovrapposti (Dec 2012, Gen 2013, Mag 2013). I picchi alti e regolari sono dovuti a saldature circonferenziali, gli altri picchi sono

6 invece dovuti a presenza di supporti. Si può notare, a partire dai risultati illustrati in Figura 6, che vi sono alcune variazioni del segnale nel tempo. La misura è relativa ad una scansione condotta da una singola posizione per un tratto ispezionato di circa 150 metri. In questo caso il limite della scansione è determinato dalla presenza di curve alla fine del range sia in direzione positiva che in direzione negativa. E inoltre da notare il fatto che in direzione negativa la tubazione attraversa un sottopasso di circa 10 metri. Questo sottopasso è di difficile accesso per cui l approccio ad onde guidate si rivela, in questo caso, particolarmente utile ed efficace per monitorare aree difficilmente accessibili. Figura 6 Risultato del monitoraggio. Qui solamente 3 dei risultati disponibili sono mostrati. La Figura 7, invece, evidenzia la variazione dell eco di una saldatura nel tempo (da Dicembre 2012 a Maggio 2013). La variazione in questo caso è determinata da fattori non legati a danneggiamento come ad esempio variazione di temperatura o delle condizioni di contatto dei singoli sensori nel tempo. La Figura 8 mostra come l algoritmo statistico di analisi sequenziale possa interpretare il risultato del sistema permanente ad onde guidate e le sue variazioni nel tempo. In particolare in questo caso non sono presenti Critical areas (corrispondenti a 99% di probabilità di danno) o Area of interest (corrispondenti a 95% di probabilità di danno). Si evidenziano invece Mild environmental changes ed in un caso Significant environmental changes. E da notare che i punti relativi a cambiamenti sono tutti in corrispondenza ai supporti della tubazione, effetto giustificabile dalle dilatazioni termiche che alterano le condizioni di appoggio (specialmente considerando che sono differenti tipi di appoggio erano presenti). Allo stesso tempo è evidente che un operatore non potrebbe apprezzare ne la entità, ne la natura di questi cambiamenti nel tempo, per cui utilizzando l algoritmo di analisi sequenziale si evitano inutili false chiamate che porterebbero ad elevare notevolmente i

7 costi del monitoraggio nel caso in cui si decidesse di verificare ognuno di questi cambiamenti evidenziati. Figura 7 Risultato del monitoraggio con zoom su una saldatura nella parte negativa del test. Qui 12 risultati disponibili sono mostrati. Figura 8 Risultato del monitoraggio. Nel grafico in basso risultato dell ultimo dato riportato in questo articolo (Maggio 2013) con evidenziate le posizioni dei supporti appoggio. Nel grafico in alto risultato del software di analisi sequenziale di A3 Monitoring che riporta i risultati in termini di danneggiamento o variazione ambientale.

8 4 Conclusioni Il caso studio presentato dimostra, ancora una volta l importanza di svolgere una attenta e sistematica analisi interpretativa dei dati sperimentali acquisiti dai sistemi dedicati ad Onde Guidate ai fini della valutazione dello stato di conservazione di tubazioni in ambito industriali. Viene dimostrato che il sistema strumentale è comunque soggetto a fenomeni di deriva che se non correttamente filtrati conducono a valutazioni devianti in termini di accettabilità. Le cause sono certamente imputabili a fenomeni concorrenti del sistema strumentale che non vale qui la pena indagare ma che, se non discriminati ed elusi potrebbero indurre l operatore a false chiamate per effetti non propriamente riconducibili ai fenomeni di danneggiamento attesi o prevedibili. L approccio di analisi interpretativa sinteticamente descritto dimostra come l analisi sequenziale di tipo statistico permette di distinguere cambiamenti dovuti a variazioni ambientali e/o del sistema di monitoraggio da variazioni dovute al danneggiamento. 5 Ringraziamenti Gli autori ringraziano la Raffineria di Roma che ha concesso l installazione sperimentale assunta come caso studio del presente lavoro scientifico. Referenze 1. UNI/TS Attrezzature a pressione, Messa in servizio ed utilizzazione delle attrezzature e degli insiemi a pressione. Parte 1: Valutazione dello stato di conservazione ed efficienza delle tubazioni in esercizio ai fini della riqualificazione periodica d integrità 2. ISPESL Linea guida Controllo ad onde guidate di tubazioni, Ottobre UNI/TS Prove non distruttive - Controllo di tubazioni in acciaio fuori terra mediante onde guidate a propagazione assiale 4. ISO/TC 044/SC 05 N 464, IIW proposal for route II Non-destructive testing - Long range Inspection of above ground pipelines and plant piping using guided wave testing with axial propagation 5. VM Nunez Ledesma, V.M., E. Perez Baruch, A. Demma, M.J.S. Lowe, "Guided wave testing of an immersed gas pipeline", Materials Evaluation, Vol. 67, pp , Demma, A., P. Cawley, M.J.S. Lowe, A.G. Roosenbrand and B. Pavlakovic, "The reflection of guided waves from notches in pipes: a guide for interpreting corrosion measurements", NDT & E International, Vol. 37, pp , De Petris C., Anastasi S., Marino M., Demma A., Giosafatto U., Rilevazione di stati corrosive su tubazioni industriali con il metodo onde guidate, AIPND 2011 Firenze 8. A. Galvagni, P. Cawley, M. J. S. Lowe, Monitoring of Corrosion in Pipelines Using Guided Waves and Permanently Installed Transducers, J. Acoust. Soc. Am., vol. 132, p. 1932, 2012.