Autoren: Neil Gallon und Ollie Burkinshaw
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Autoren: Neil Gallon und Ollie Burkinshaw
Seit 30 Jahren werden mit Inline-Inspektions-Technologien (ILI) Daten über Pipelines auf der ganzen Welt gesammelt. Jetzt ist der gesammelte Datenbestand so weit ausgereift, dass er als Grundlage für moderne Lösungen im Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI) und der Analytik für Inspektions-, Integritäts- und Risikoanalysen dienen kann. Im dritten Teil dieser Serie untersuchen die ROSEN Experten Neil Gallon und Ollie Burkinshaw aus unserem Geschäftsbereich Integrity Solutions, wie das Integrity Data Warehouse (IDW) uns bei der Vorbereitung auf die Energiewende helfen kann – den ehrgeizigen Wechsel von Erdgas zu Wasserstoff.
In den ersten beiden Teilen dieser Serie haben wir das Integrity Data Warehouse (IDW) von ROSEN vorgestellt, ein Datenarchiv, das detaillierte Informationen zum Integritätsmanagement für über 10.000 Pipelines aus der ganzen Welt enthält (Abbildung 1). Das IDW wächst schnell und wird bald Informationen aus der Mehrzahl der Inspektionen seit dem Jahr 2000 sowie Informationen aus allen neu abgeschlossenen Inspektionen enthalten..
Im ersten Artikel haben wir beschrieben, wie überwachte maschinelle Lerntechniken eingesetzt werden können, um den Zustand nicht inspizierter Pipelines vorherzusagen. Das Konzept wurde anhand des konkreten Falls der Vorhersage externer Korrosion veranschaulicht. Im zweiten Artikel haben wir untersucht, wie ähnliche Techniken auf das noch komplexere Phänomen der Stresskorrosionsrissbildung (SCC) angewendet werden können.
Der Schwerpunkt dieses dritten und letzten Teils liegt auf einer der größten Herausforderungen, mit denen unsere Branche heute konfrontiert ist: der Energiewende von Erdgas zu Wasserstoff.
Die globale Energiewende bringt viele Herausforderungen mit sich, wenn es darum geht, eine nachhaltige, zuverlässige und erschwingliche Energieversorgung sicherzustellen. Aus diesem Grund ist die Dekarbonisierung der bestehenden Gasinfrastruktur wahrscheinlich. Dies wird unweigerlich zu einer stärkeren Verbreitung von Wasserstoff führen. Tatsächlich sind derzeit mehr als 4.000 km Pipelines für Wasserstoff in Betrieb, und weltweit gibt es viele aktive und geplante Initiativen, um die Einführung von reinem und gemischtem Wasserstoff auszuweiten.
Das europäische Wasserstoff-Backbone ist ein Beispiel für diese Planung in der Praxis: 25 Betreiber von Übertragungsnetzen (TSOs) aus 21 Ländern haben ihre Dekarbonisierungspläne veröffentlicht. Das Rückgrat wird bis 2040 eine fast 40.000 km lange dedizierte Wasserstoff-Pipeline-Infrastruktur umfassen, von der fast 70 % aus einer Umwidmung bestehender Infrastruktur und 30 % aus neuen Wasserstoff-Pipelines bestehen werden. Die geschätzten Gesamtinvestitionen werden voraussichtlich zwischen 43 und 81 Milliarden Euro liegen.
Von den Pipelines, die derzeit im reinen Wasserstoff-Servicemodus betrieben werden, wurden fast alle ausschließlich für diesen Zweck entworfen und gebaut. Die aktuellen Wasserstoff-Codes (hauptsächlich ASME B31.12) sind in Bezug auf die Anforderungen an das Pipeline-Design und das Integritätsmanagement tendenziell restriktiver als ihre Erdgas-Äquivalente. Für Stahlleitungsrohre gelten Grenzwerte für die zulässigen Spannungen und tolerierbaren Defektgrößen sowie Einschränkungen für die Materialeigenschaften. Dies ist größtenteils darauf zurückzuführen, dass Wasserstoff die mechanischen Eigenschaften von Stahl verschlechtern kann. Eine vollständige Erklärung, wie dies geschieht, würde mehrere Bibliotheken füllen, aber es geht darum, dass gasförmiger (molekularer) Wasserstoff an der Innenfläche einer Pipeline dissoziieren kann, was zur Absorption von atomarem (oder ionischem) Wasserstoff in die Stahlstruktur und einer daraus resultierenden Abnahme der Duktilität, einer Abnahme der Festigkeit und einer Zunahme der Wachstumsrate von Ermüdungsrissen führt.
Obwohl diese Auswirkungen qualitativ bekannt sind, besteht die Herausforderung darin, genau zu quantifizieren, was sie für die Umnutzung einer gesamten Infrastruktur bedeuten, die nicht für die Nutzung von Wasserstoff ausgelegt oder gebaut wurde. Tatsächlich ist es üblich, dass Originalmaterial und Bauunterlagen verloren gegangen sind, und daher ist das Wissen über die verschiedenen Materialien und Nennweiten der Rohre, die in den meisten Pipelines vorhanden sind, begrenzt. Es muss auch beachtet werden, dass viele bestehende Gaspipelines seit mehreren Jahrzehnten in Betrieb sind und daher eine Vielzahl von Bedingungen in Bezug auf das Vorhandensein und die Schwere von Risiken für die Integrität aufweisen.
Glücklicherweise können viele unserer unbeantworteten Fragen nun mithilfe des IDW untersucht werden. Hier sind nur drei Beispiele.
Gemäß ASME B31.12 PL-3.7.1 (5) „müssen Rohrgrößen über 4 Zoll eine Wandstärke von mindestens 0,25 Zoll aufweisen.“ Was bedeutet dies für die bestehende Infrastruktur?
Derzeit enthält das IDW Inspektionsergebnisse für mehrere tausend einzelne Gasleitungen mit einem Außendurchmesser von mehr als 4 Zoll. Von diesen Pipelines wiesen 22 % eine nominelle Wandstärke von weniger als 0,25"/6,35 mm auf. Die Umrüstung dieser Pipelines wird daher im Rahmen der bestehenden Vorschriften eine Herausforderung darstellen und möglicherweise zusätzliche Begründungen oder Bewertungen im Hinblick auf das Integritätsmanagement erfordern.
Da bekannt ist, dass Wasserstoff die Wachstumsrate von Ermüdungsrissen erhöht und die Frakturhärte verringert, könnten Risse eine große Gefahr für Wasserstoff-Pipelines darstellen. Wie weit verbreitet sind Risse oder rissähnliche Merkmale, die durch Wasserstoff bei der Umwandlung bestehender Gas-Pipelines verstärkt werden könnten?
Die meisten Pipelines weisen keine ausgedehnten Risse auf – ein Punkt, der anhand der Ergebnisse von mehreren hundert Rissprüfungen im IDW veranschaulicht werden kann.
Da die Stichprobe der inspizierten Pipelines bereits auf solche mit höheren Risikoprofilen ausgerichtet ist, können wir uns von der Tatsache ermutigen lassen, dass zum Zeitpunkt der Inspektion nur 20 % mehr als einen Riss pro Kilometer und nur 3 % mehr als 10 Risse pro Kilometer aufwiesen. Mit dem richtigen Rahmen für das Rissmanagement kann die Gefahr von Rissen in den meisten Pipelines auch bei der Einführung von Wasserstoff leicht beherrscht werden.
Bei Pipelines mit größeren Rissen könnte die Umstellung auf Wasserstoff den Unterschied zwischen einem beherrschbaren und einem unkontrollierbaren Risiko ausmachen. Diese anspruchsvolleren Assets erfordern zusätzliche Aufmerksamkeit, um sicherzustellen, dass die vorhandenen Mängel in Gegenwart von Wasserstoff sicher sind, was möglicherweise eine Minderung durch Begrenzung der Betriebsbelastungen und/oder Anpassungen der Integritätsmanagement- und Inspektionsstrategien erfordert. Durch das IDW von ROSEN können solche Pipelines, die mit höherer Wahrscheinlichkeit erhebliche Risse aufweisen, auf der Grundlage von Faktoren wie Konstruktion und Bau, Umweltbedingungen, Betriebsgeschichte und verfügbaren Vermessungsdaten vorhergesagt werden.
ASME B31.12 schränkt die Verwendung hochwertigerer Materialien durch die Reduzierung der zulässigen Spannungsniveaus ein, insbesondere bei Nennweiten über X52. Wie viel des bestehenden Gasnetzes kann also auf Wasserstoffbetrieb umgestellt werden, ohne dass es zu einer möglichen Reduktion des Betriebsdrucks kommt, d. h. mit Nennweiten unter X52 und innerhalb der zulässigen Spannungsgrenze?
Laut dem IDW von ROSEN liegen nur 37 % der Gasleitungen im Vereinigten Königreich unter X52, und bei 57 % davon liegt der aktuelle maximale Betriebsdruck unter 30 % SMYS. Daher könnte bei bis zu 80 % der Pipelines im Vereinigten Königreich eine gewisse Reduktion des Betriebsdrucks oder weitere Bewertungen erforderlich sein, um einen sicheren Betrieb bei aktuellen oder höheren Drücken zu rechtfertigen.
Noch interessanter wird es, wenn man die Situation außerhalb des Vereinigten Königreichs betrachtet. Laut IDW liegen 41 % der Gasleitungen weltweit unter X52, aber nur 15 % haben einen aktuellen maximalen Betriebsdruck unter 30 % SMYS. Daher könnte bei bis zu 95 % der weltweiten Gaspipelines eine gewisse Reduktion des Betriebsdrucks oder weitere Bewertungen erforderlich sein, um einen sicheren Betrieb bei aktuellen oder höheren Drücken zu gewährleisten. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, ein solides Wissen über die vorhandenen Materialien und Nennweiten der Rohre in jeder Pipeline aufzubauen, die für die Wasserstoffumwandlung vorgesehen ist.
Die im IDW verfügbaren Daten werden weiter wachsen – und damit auch die Fähigkeit, den Zustand von Pipelines vorherzusagen, Inspektionsergebnisse zu verbessern und sogar wirksame Maßnahmen zur Schadensbegrenzung zu ermitteln. Die Möglichkeit, Fragen zur kritischen Pipeline-Infrastruktur der Welt auf quantitative und aussagekräftige Weise zu beantworten, ist jedoch ebenfalls von unschätzbarem Wert. Da die Branche eine stärker datengestützte Entscheidungsfindung anstrebt, sollte diese relativ einfache Anwendung nicht unterschätzt werden.