ECDA를 통한 배관 손상 부 크기 예측

 

2009년 Corrosion Conference & Expo paper No 09146을 번역하되 내용을 조금 보충했습니다.
개인적으로는 현장에서 사용하기는 조금 어려 운데. 그레도 좋은 내용이라 소개합니다.

 

ECDA 조사 데이터를 사용한 코팅 결함 크기 예측

초록

일반적인 ECDA 조사 도구로부터 코팅 결함 크기를 예측하는 정확도를 향상하는 방정식들이 개발되었습니다. 플로리다 대학의 CP3D라는 모델을 사용하여 수행된 이전 시뮬레이션 결과가 간단한 표현으로 축소되어 토양 저항률, 피복 깊이, 파이프 직경, CP 레벨, DCVG 신호 강도에 대한 보정이 가능해졌습니다.

키워드: ECDA, 직접 평가, 코팅 결함, 토양 저항률, 음극 방식, CP3D.

서론

ECDA는 단순한  조사만으로 판정할 수 있는 기준은 존재하지 않습니다. 이 때문에 ECDA 조사는 일반적으로 관련 자격을 갖추거나 이전 경험이 있는 직원(즉, 전문가 판단)에 의해 해석됩니다.

NACE RP0502는 일반적인 ECDA 도구에 대한 기준에 대해 제한적이고 주관적인 지침을 제공합니다. 조사 지표의 우선순위 지정에는 근접 간격 조사(CIS, 혹은 CIPS)  전위의 변화정도는 작은, 중간 또는 큰 딥(변화)과 같은 주관적인 용어가 포함됩니다.
판정의 긴급성이나 우선순위 지정에는 '근접한 심각한 지표'와 같은 주관적인 용어가 포함됩니다. 이러한 주관적인 용어들은 기준이 특정 환경과 배관 설계에 따라 달라지기 때문에 필요하며, 전문가 판단이 지표의 선택과 우선순위 지정을 완성하는 데 사용됩니다.

미국 연방 규정은 다음 사항에 대한 ECDA 기준을 문서화하도록 요구합니다:

• 발굴 및 직접 검사를 위해 고려해야 할 지표를 식별하고 문서화
• 각 지표에 대한 발굴 및 직접 검사의 긴급성 정의

규제 요구사항 때문에 많은 미국 운영자들은 시스템의 모든 파이프라인에 적용되는 간단한 기준을 무결성(손상부) 관리 계획에 추가했습니다. 이는 지표들은 잘못된 선택 및/또는 보수를 위해 너무 많은 지표를 선택하는 결과를 초래할 것으로 예상됩니다.

ECDA 방법은 전류 및 전위 분포의 샘플링에 의존하기 때문에 음극 방식(CP) 모델은 조사 도구 측정을 시뮬레이션할 수 있습니다. 플로리다 대학에서 CP3D라는 포괄적인 CP 모델을 개발했습니다. CP3D는 컴퓨터 소프트웨어 프로그램 형태의 수학적 모델입니다. 이 프로그램은 토양 저항률, 코팅 결함 크기, 코팅 상태, CP 수준, 파이프라인의 기하학적 구조가 ECDA 조사 도구 측정에 어떤 영향을 미치는지 고려할 수 있습니다. 초기 결과는 이전에 보고되었습니다.

결과

이 논문에서는 CIS, DCVG 및 전류 감쇠 조사로부터 코팅 결함 크기를 더 정확하게 측정하는 방법을 설명합니다. 이 접근 방식을 구현하는 데 필요한 모든 방정식이 포함되어 있습니다. 이 방법은 자격을 갖춘 부식 전문가가 지표를 선택하는 데 도움을 주기 위한 것입니다. 이 접근 방식은 부식의 심각성을 추정하는 것을 포함하지 않으며, 이는 계속해서 측정된 전위를 CP 효과 기준 및 전문가 판단과 비교하여 수행될 것으로 예상됩니다.

이 방법은 완전한 전류 분포 모델의 사용을 대체하기 위한 것이 아니지만, 저자들의 경험상 입력 데이터의 정확성과 완전성의 한계로 인해 전체 모델의 증가된 정확성을 실현할 수 없는 경우가 많습니다. 또한 모든 모델 결과는 더 나은 상태의 코팅으로 둘러싸인 하나의 코팅 결함이라는 이상적인 경우를 기반으로 합니다. 단일 위치에 여러 코팅 결함이 있으면 하나의 통합된 결함으로 나타날 수 있지만, 파이프 길이를 따라 많은 결함이 있으면 이 방법의 적용 가능성이 제한될 수 있습니다. 이는 이 접근 방식의 한계이지만, 데이터를 주관적으로 해석하는 전문가도 이를 고려할 것입니다.

제안된 방법의 가장 중요한 측면은 자격을 갖춘 부식 전문가가 데이터를 체계적으로 해석하는 것을 방해하는 것을 수정해야 한다는 것입니다. 이러한 영향에는 토양 저항률, CP 수준(DCVG의 경우 신호 강도), 피복 깊이, 파이프 직경이 포함됩니다.

근접 간격 조사 (CIS)

CIS 지표의 우선순위를 정하는 방법은 코팅 결함 근처의 전위 '딥'의 크기를 계산하는 것입니다. 딥의 크기는 결함 크기와 관련이 있다고 믿어지므로 지표의 우선순위를 정하는 방법으로 사용될 수 있습니다. 시뮬레이션은 딥의 크기가 결함 크기와 직접적으로 상관관계가 있음을 확인했습니다(전류 및 전위 분포에 영향을 미치는 다른 요인들과 함께).

CIS 딥의 크기가 그림 1과 같이 계산될 때, 다음 방정식을 사용하여 결함 크기를 계산할 수 있습니다:

 

그림 1의 부연 설명으로 전류를 on-off시 손상부에서는 전류 유입이 많아  상부에서의 전위의 변화(CIS)가 생기는데 좀 더 + 방향으로 생긴다.
이는 손상부에는 코딩에 의한 IR_drop이 없기 때문이다, CIS예를 들면 전류공급 시 손상부의  직상부에서 측정된 전위변화(DIP) 최대가 40mV, 전류를 차단하고 손상부 직상부  전위가 20mV 일 때를 말하며 IR_total은 전류를 공급했을 때 배관전위와 전류를 차단했을 때 손상부의 DIP이 생기기 전의 배관전위입니다.
즉, 손상부가 아닌 배관 직상부의 on전위  예를 들면 -1100mV, off전위 -900mV 일 경우 IR_Total은 -1100-(-900)=-200mV의 절댓값 200mV가 됩니다.

'Dip'과 IR_Total의 의미는 그림 1에 나와 있습니다.
R_s는 일반적으로 사용되는 단위인 kΩcm의 토양 저항률이며, DoC는 피복 깊이를 나타냅니다. 이 경우 DoC는 특히 코팅 결함 깊이(결함이 배관 상부인지 하부인지 판단해야 정확한 계산을 할 수 있다.)를 나타냅니다.

즉, 파이프 바닥의 코팅 결함은 파이프 상단보다 파이프 직경만큼 더 깊은 피복 깊이를 가집니다. 배관의 코딩 결함이 상부인지 하부인지를 판단하는 것은 다른 참고 자료를 확인 바랍니다.

 

방정식에서 볼 수 있듯이, 동일한 딥과 IR 조합에 대해 얕은 피복 깊이(DoC, 배관심도)를 가진 위치는 깊게 묻힌 위치보다 훨씬 작은 결함 크기를 가질 것입니다.
이를 바탕으로 CIS 조사 해석자는 피복 깊이가 더 큰 파이프가 더 얕은 파이프보다 우선순위가 높다고 결론을 내릴 것입니다. 방정식의 토양 저항률 항의 효과는 100kΩcm 이상(즉, 매우 높음)에서만 중요해집니다. 이는 저항률의 효과가 대부분 새로운 딥과 IR 조합 항에 포함되기 때문입니다.
이를 바탕으로 방정식의 가장 의미 있는 측면은 해당 위치 근처의 IR 강하로 나눈 'on' 및 'off' 딥의 사용이 결함 크기 예측을 제어한다는 것입니다.

방정식 사용을 단순화하기 위해 그림 2와 같이 스프레드시트에 입력되었습니다.

방정식을 사용하는 대안적 방법은 'Dip'을 딥에서의 IR 강하인 IR_Dip와 딥에서 멀리 떨어진 IR 강하인 IR_Total의 항으로 재정의하는 것입니다.

지수 저항률 항이 대략 1이라고 가정하면(즉, R_s << 100kΩcm), 일반적으로 사용 가능한 'on'/'off' 전위와 피복 깊이 매개변수만 필요한 간단한 방정식을 사용하여 결함 크기를 예측할 수 있습니다.

직류 전압 구배 (DCVG)

DCVG는 코팅 결함을 식별하고 크기를 측정하는 데 사용됩니다.
이 방법은 코팅 결함에서 파이프라인으로 들어가는 전류로 인해 발생하는 전압 구배를 측정합니다(즉, 지표면에 두 개의 전극 사용). 신호는 일정한 주기로 임프레스 전류 정류기를 중단함으로써 생성됩니다.
지표의 우선순위를 정하는 데 일반적으로 두 가지 방법이 사용됩니다. 첫 번째는 전극 사이에서 측정된 mV 강하를 사용하고, 두 번째는 mV를 참조 IR 강하로 나누어 % IR을 구합니다(데이터를 정규화하기 위한 의도).

DCVG 조사 결과는 토양을 통한 전류 및 전위 분포에 영향을 미치는 요인들에 따라 달라집니다. 토양 저항률의 영향을 설명하기 위해 시뮬레이션된 DCVG mV 지표와 % IR 지표의 플롯이 그림 3과 4에 나와 있습니다. 저항률을 보정하지 않으면 파이프라인이 다양한 지형을 통과할 때 DCVG 조사가 잘못 해석될 수 있음이 분명합니다.

피복 깊이, 파이프 직경, 토양 저항률에 대한 보정을 포함하여 DCVG 조사로부터 결함 크기를 예측할 수 있는 방정식이 개발되었습니다. 지표에서의 % IR과 지표가 없는 근처에서의 % IR 측정이 필요하다는 점에 유의해야 합니다.

% IR의 의미는 그림 5에 나와 있습니다. R_s는 일반적으로 사용되는 단위인 kΩcm의 토양 저항률이며, DoC는 피복 깊이를 나타냅니다. 이 경우 DoC는 특히 코팅 결함 깊이를 나타냅니다. 즉, 파이프 바닥의 코팅 결함은 파이프 상단보다 파이프 직경만큼 더 깊은 피복 깊이를 가집니다.

방정식 사용을 단순화하기 위해 그림 6과 같이 스프레드시트에 입력되었습니다.

전류 감쇠

전류 감쇠 방법은 모델에 의해 시뮬레이션되었지만, 이 접근 방식이 지나치게 복잡하다는 것을 깨달았습니다. 전류 감쇠 조사에서 DC 또는 AC가 파이프를 따라 전자적으로 이 동하고 측정됩니다(예: 자력계로).
전류의 변화는 전류가 유입되는 금속의 존재를 나타냅니다(즉, 감쇠됨). 토양 내 코팅이 손상된 부분에 대한 음극 전류 밀도를 추정함으로써 결함 크기를 예측할 수 있습니다. 예를 들어, 50 ft² (4.6m²) 크기의 코딩이 손상된  배관 섹션에 2mA/ft² (2μA/cm²)의 전류 유입이 있으면 100mA의 전류 감쇠가 발생합니다.
마찬가지로 5 ft² (0.46m²) 크기의 코팅손상 배관 섹션은 10mA의 전류 감쇠를 나타냅니다(이는 일반적인 탐지 한계 미만입니다). 이 간단한 계산은 현재의 전류 감쇠 방법을 사용하면 단락 된 케이싱과 같은 매우 큰 결함만 탐지할 수 있음을 보여줍니다.

결론

CIS 및 DCVG 조사의 해석을 개선하는 간단한 방정식이 개발되었습니다. 특히 토양 저항률, 피복 깊이, 파이프 직경, CP 수준, DCVG 신호 강도에 대한 보정을 포함하여 결함 크기를 예측하는 능력이 향상되었습니다.

감사의 글

이 프로젝트는 NYSEARCH/NGA에 의해 자금을 지원받았으며 Dave Merte (Central Hudson Gas Company)가 의장을 맡은 NGA Direct Assessment Work Group의 지도를 받았습니다.

참고문헌

1. M. Orazem et al, 'Development of User-Friendly Models for Design of CP Systems for Buried Pipelines, ' PRCI (2000).
2. J.P. McKinney, M. Orazem, O. Moghissi, and D. D'Zurcho, 'Development of ECDA Criteria for Prioritization of Indications, ' CORROSION/2006 Paper #188, 2006.
3. JP. McKinney, 'Evaluation of Above-Ground Potential Measurements for Assessing Pipeline Integrity, ' M.S. Thesis, University of Florida, 2006.