VGB-Workshop Entwurf VGB-Richtlinie 506

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1 VGB-Workshop Entwurf VGB-Richtlinie 506 Methoden der Zustandsüberwachung - Ergebnisse aus der praktischen Anwendung an Komponenten von Dampfkesselanlage und FD-/HZÜ- Rohrleitungen J. M. Bareiß, EnBW Kraftwerke AG, Stuttgart EnBW Kraftwerke AG KWG TQ Dr.-Ing. J. Bareiß Energie braucht Impulse Struktur und Inhalt der Richtlinie VGB-R 506 Vorwort New Approach (neues Konzept) in der Gesetzgebung Einleitung Geltungsbereich, Aufgaben der Richtlinie, Ziel der Zustandsüberwachung Bausteine der Zustandsüberwachung Erläuterung aller Bausteine zur Zustandsermittlung sowie Beschreibung von Expertenwerkzeugen zur Zustandsbewertung Prüfgestaltung Anleitung für die Festlegung von Prüfmaßnahmen im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung / sicherheitstechnischen Bewertung nach BetrSichV Anlagen Erläuterungen und Hinweise zu den vorgeschlagenen Expertenmethoden 2

2 VGB-Richtlinie 506 Methoden der Zustandsüberwachung Verfahren zur Zustandsbewertung Vorbemerkungen Beispiel 1 Auswertung von Inspektionen und Prüfbefunden Vorgehen, Ergebnisse, Anwendungsbereich Beispiel 2 Anwendung der risikobasierten Methode Vorgehen, Ergebnisse, Anwendungsbereich Zusammenfassung 3 Struktur und Inhalt der Richtlinie VGB-R 506 Bausteine der Zustandsüberwachung Zustandswissen Dampfkesselanlage / Leitungen unter innerem Überdruck Auslegung Dokumentierte Qualität Diagnostik Stillstand Diagnostik online Zustandsbewertung (Expertenmethoden) Beschaffenheit: DIN EN DIN EN DIN EN DIN EN TRB, TRD, TRR, etc. 4 Aufbau: VGB-R 171 Herstellung: VGB-R 501 H VGB-R 507 H VGB-R 508 H VGB-R 510 H Betrieb: wkp/zfp Instandhaltung Schäden äp, ip, DP Sichtprüfungen ZfP (VGB-R 509 L) äp, ip, DP (BetrSichV 15) Funktion gem. TRBS 1201 Regelwerk: DIN EN TRD 301/508 Zusatzbeanspr.: -Kräfte - Verschiebungen - Dehnungen - Temperaturschieflagen -2-Phasen- Strömung -... Statistische Methoden Probabilistische Methoden Expertengestützte Methoden (detaillierte inelastische Analyse)

3 Bausteine der Zustandsüberwachung Zustandsbewertung - Expertenmethoden Die Verfahren zur Zustandsüberwachung müssen sich an den vorhandenen oder zu erwartenden Schadensmechanismen bzw. Gefährdungen orientieren und bzgl. des erfassten Anlagenüberwachungsumfanges und der Überwachungszeit ausreichend bemessen sein. Die in der Richtlinie beschriebenen Verfahren und die dafür verwendeten Berechnungs- und Prüfgrundlagen sind als geeignet anerkannt und die Schlussfolgerungen hinsichtlich von Prüfumfängen, Prüfinhalten und Prüfzyklen sind langjährig dokumentarisch belegt und detailliert nachvollziehbar. 5 Vorgeschlagene Verfahren zur Zustandsbewertung Statistische Methode: Auswertung von Inspektionen und Prüfbefunden Datenerfassung (Inspektionen, ZfP) Statistische Auswertung Für die Bewertung einer bestehenden Anlage ist die Eingabe der Daten aus mindestens 3 Revisionen erforderlich (Betrachtungszeitraum von ca. 12 Jahren) Befund? nein ja Ursachenanalyse und Bewertung Rückkopplung der Ergebnisse Zustandsbewertung und Klassifizierung unter Einbeziehung von Zustandsindikatoren aus - Auslegung/Herstellung (Beschaffenheitsmerkmale) - Betriebs-/Prozessdaten - Schadensauswertungen - Erfahrungen an vergleichbaren Anlagen Festlegung der Prüfphilosophie und Prüfplanung (Umfang, Inhalt und Fristen) Gefährdungsbeurteilung/ sicherheitstechn. bewertung (gem. TRBS) Prüfanforderungen gem. BetrSichV werden mit Betriebserfahrung gekoppelt TRBS 1111 TRBS 1201 Prüfdurchführung entsprechend sicherheitstechnischer Relevanz mittels - Inspektionen/ZfP ( Innere Prüfung ) und/oder - geeigneter und gleichwertiger Verfahren 6

4 Anwendung des Konzepts zur Zustandsbewertung Auswertung von Inspektionen und Prüfbefunden 750 MWel Bh (>20 Jahre) Fokus auf Systeme H und L Ergebnisse aus RBI/RBM verfügbar 7 Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Prüfungen der Dampfkesselbaugruppe Bauprüfung Abnahmeprüfung äußere Prüfung innere Prüfung Druckprüfung äußere Prüfung innere Prüfung Druckprüfung Stand 2005: rd. 430 Prüfberichte (ZfP, Berechnungen) wkp Dampfkessel (ohne Mängel) geringfügige Mängel - unbedenklich 8

5 Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Datenbasis rd. 80% aller Prüfungen System L System HA Sonstige Prüfungen (alle) Auswertung System HA (vorläufig, Stand Okt. 2006) 9 Anzahl der Prüfungen Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Datenbasis Sonstige 20% Kessel/Rußbläser (H) 30% rd. 30% der Prüfungen am System H NDVW/KondKü (LC) 4% Hilfsdampf/AnzapfDa/ (LB) 5% FD/HZÜ/KZÜ/HDRedStat (LB) Einspritzg/SpeiseWa/VW (LA) 14% sonstige Maschine 6% REA 4% Denox 2% 1% Kessel (HA) 26% 27% NH3-Lager 7% rd. 50% der Prüfungen am System L HiDe 2% Hilfsdampf, AnzapfDa, (LB) 5% NDVW, KondKü (LCC) 4% Rußbläser (HCB) 2% HDRedStat (LBF) 11% SpeiseWa, VW (LA) 8% 10 KZÜ (LBC) 5% HZÜ (LBB) 4% FD (LBA) 7% Einspritzg (LAE) 6%

6 Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Aufbereitung der Datenbasis 11 über: wkp (Innere Besichtigungen, ZfP) Berechnungen Schadensnachuntersuchungen werden bzgl. Prüfarten, Prüfumfänge und Prüfergebnis ausgewertet mit dem Ziel zu identifizieren, welche und wie viele Systeme von Befunden betroffen sind Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Aufbereitung der Datenbasis- Indikatoren für Zustand 12

7 Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Aufbereitung der Datenbasis - Indikatoren für Zustand 13 Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Ergebnisse - Prüfungen und Befunde (System HA) Anzahl der Prüfungen/Befunde Prüfungen (Revision) Sonst. Prüfungen Befunde Auswertung System HA (vorläufig, Stand Okt. 2006)

8 Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Ergebnisse Befundsituation System HA Keine Befunde an der Mehrheit der Teilsysteme (>90%) - HAD (Zyklon, Kesselflasche) - HAG (Saugschieber, Kesselumwälzpumpe) - HAH (Austrittssammler Ü1, Ü2, Ü4 sowie ZÜ2) Befunde/Schäden traten an Heizflächen auf - HAD (Verdampfer) - HAJ (ZÜ1) - HAC (ECO) d.h. sicherheitstechnisch nicht relevant, aber mit Relevanz für Verfügbarkeit 15 Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Prüfungen und Befunde (System L) Anzahl der Prüfungen/Befunde Prüfungen (Revision) Sonst. Prüfungen Befunde Auswertung System HA (vorläufig, Stand Okt. 2006)

9 Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Auswertung Befundsituation System L Keine Befunde an der Mehrheit der Teilsysteme (>90%) Befunde/Schäden an Schwachstellen der Teilsysteme - LBF (HD-Red.-Station) Thermoschock - LBB (HZÜ-Leitung) Thermoschock - LBC (T-Stück) reg. punktuelle Anzeigen Hinweise aus VGB-R 509 L weisen auf derartige Schwachstellen hin wie u.a. Heißdampf-Einspritzkühler Kleinleitungen mit Auswirkungen auf dampfführende Leitungen und geben Empfehlungen für Prüfzeitpunkte 17 Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Bewertungsprozess Anlagenscharfe Zustandsbewertung berücksichtigt neben den Zustandsindikatoren aus den Inspektionen auch relevante Einflussgrößen/Indikatoren aus Auslegung/Herstellung Betriebs-/Prozessdatenweise ggf. Auswertungen von Schäden ggf. Erfahrungsberichte vergleichbarer Anlagen und identifiziert Systeme/Komponenten bei denen nach technischem Ermessen Befunde/Schäden nicht zu erwarten sind bzw. die als schadenstolerant (keine Relevanz für Gefährdung und Verfügbarkeit) bezeichnet werden können Festlegung der Prüfphilosophie und Abstimmung mit der ZüS 18

10 Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Bewertungsprozess - Klassifizierung (Beispiel) Befund? ja Relevanz? hoch - (LBC, HAC, HAD) - Optimierung - Reparaturkonzepte - Reserveteile 2 (LBB) - Konzentration/ Sensibilisierung - IP (VT, ZfP) - Monitoring&Diagnose ja nein gering hoch 7-3 (HAJ) - 14 (LBF) Prüferleichterung -Stichproben - Verlängerte Prüfzyklen - Reduzierte Prüfumfänge nein gering Konsequenz (Reparatur-/Austauschkosten, Produktionsausfall, ) 19 Auswertung von Inspektionen/Prüfbefunden Bewertungsprozess - Abgleich Erschöpfung mit wkp 20

11 Vorgeschlagene Verfahren zur Zustandsbewertung Probabilistische Methoden: RIMAP als Vertreter der risikobasierten Methoden Optimierung Prüfgestaltung anhand Risiko 21 Anwendung der RIMAP-Methode Lösungsansatz SYSTEM DEFINITION RISIKO = PoF x CoF Verknüpfung HAZARD IDENTIFI- CATION CONSEQUENCES PROBABILITY ACTION... Ausfallwahrscheinlichkeit (PoF) mit Ausfallkonsequenz (CoF) Likelihood RISK DECISION zu identifizieren und bewerten sind Schäden für Mensch, Umwelt und Unternehmen Consequences NO ACTION 22

12 Anwendung der RIMAP-Methode Lösungsansatz qualitative Risikomatrix (Beispiel) Very probable < 1 year > Very high risk Examples of PoF scales Probable Possible Unlikely 1-5 years 5-10 years years to High risk PoF category to Medium risk to Low risk Very unlikely >100 years < (Very Low, negligible risk) Descri ptive MTBF PoF CoF category A B C D E Health (Long term visibility) Safety (Instant visibility) Warning issued No effect No aid needed Work disruption Warning issued Possible impact First aid needed No work disability Temporary heath problems, curable Temporary work disability Limited impact on public health, threat of chronical illness Permanent work disability Serious impact on public health, life threatening illness Fatality(ies) Security None On-site (Local) On-site (General) Off site Society threat Environment Negligible impact Impact (e.g. spill) contained Minor impact (e.g. spill) On-site damage Off-site damage Long term effect Economic loss ( ) <10k k M 1-10 M >10 M Image Loss None Minor Bad publicity Company issue Political issue Public disruption None Negligible Minor Small community Large community 23 Examples of CoF scales Quelle: RIMAP CEN Workshop Document (FINAL DRAFT) RBI Europe IAEA documents for specific issues CEC/EPERC Implementation recommendations & documents ISO/CEN/EN documents for specific issues National standards, codes & norms RIMAP-Methode CEN-Aktivitäten Safety Environemnt QA Consequence assessment... NDT Qualification RBI RBLM European R&D projects European R&D projects Certification Environemnt QA Testing... API RBI-related documents RBI/RBLM Europe Examples of regulatory documents Supporting documents & reports for specific issues Basic (resource) documents & reports Evaluation & Implementation recommendations & documents CEC/EPERC Implementation recommendations & documents ENIQ recommendations TTF3 - RBI recommendations ISO/CEN/EN documents EN 1050 Risk assessment Seveso II Guideline Hazard management National (German) standards, codes & norms DIN EN 1050 Risk assessment DIN Risk assessment API 510 Pressure Vessel inspection API 570 Piping inspection API 581 Risk-Based Inspection API 579 Fitness for Purpose (not finished!) API 581 RBI recommended practice (draft!) API 581 RBI recommended practice (Lite Version - draft!) RBLM TTF3 Document draft! PED 97/23 Testing inspection pressure equipment KTA 3201 Inspection, monitoring Nuclear power plants API 653 Tank inspection RIMAP Guideline IEC Safety related systems RIMAP RBI/RBLM European guideline (under construction) TRD 300/301/508 Design, montoring Conventional power plants TRB 514 testing, inspection pressure vessels API 750 Process Hazards RIMAP Procedure TRB 801/15 Fatigue load analysis 24 RIMAP Application Workbooks KWG TQO, Bareiß, VGB-Workshop R506

13 Anwendung der RIMAP-Methode Softwaresystem ALIAS (heute: iris Power) 25 Results of RIMAP-Application Generic Data Fossil power plant (coal) 750 MWel 1985 (put into operation) 540 C/205bar (12%Cr-steel) > Bh average annual operation approx h, daily start-up and shut down, sliding pressure operation main steam line, hot reheat line boilerparts 64 components (HA&LB) 26

14 Results of RIMAP-Application Risk Analysis in ALIAS (iris Power)-Software System RIMAP procedure 1. Define analysis and general properties (e.g. operational time) Preparatory Analysis 2. Define a list of components that are going to be analyzed Data collection and Validation Multi-level Risk Analysis - PoF - CoF - Risk Detailed Analysis Intermediate Analysis Screening Analysis 3. Define PoF classes (e.g. PoF based on creep, fatigue ) 4. Define CoF classes (e.g. CoF due to replacement cost ) Decision making and optimization - Operation - Monitoring - Inspection - Maintenance Seamless, multi-level, transition from screening to detailed analysis 5. Define scenario for each of previously defined components Techno-organizational cycle Technical cycle Implementation - Operation - Monitoring - Inspection - Maintenance Assessment / Evaluation of Efficiency 6. PoF values input 7. CoF values input 8. RISK MAP 9. Final Report 27 STEP 1 Preparatory Analysis Define system/boundaries: Systems/components planned for analysis 64 components from systems HA, LBA, LBB and LBC (mainly boiler parts, steam piping) Define objectives := optimize time/extent of next inspection Scenarios := leakage, break (loss of production) Main damage mechanisms := fatigue, creep Risk-based life management following RIMAP Procedure 28

15 STEP 2 - Technical Background Stress calculation, exhaustion Input data: Component geometry (according to TRD) Design temperature and pressure as well as nominal operating parameter (T, p) Service time of the component (operating hours) Material data TRD code is now European Norm (standard) EN TRD 300 EN DIN and DIN EN TRD 301 EN TRD 508 EN STEP 3 Multilevel Risk Analysis PoF classes definition in ALIAS-Risk: PoF due to creep exhaustion PoF due to fatigue exhaustion Combination of two PoF s 30

16 STEP 3 - Technical Background Probability of Failure (PoF), creep PoF based on CREEP with use of statistics It is assumed that average creep rupture strength and fatigue strength have a log-normal distribution 31 STEP 3 Multilevel Risk Analysis CoF classes definition in ALIAS-Risk e.g.: Replacement cost (purchasing price) Additional replacement costs Production loss cost 32

17 STEP 3 Multilevel Risk Analysis Cause tree 33 PoF Ez PoFEw Failure or main event (e.g. adverse event, problem, issue, functional problem,...) PoF PoF: PoF E Event HAH51 - UE2-AUSTR-SAMMLER CoF CoF: CoF By Break Consequence tree Overall Replacement Cost Lost Production by Failure Replacement Value Additional Replacement Cost Loss of production Cost Per Day Number of lost production days for replace ALIAS (iris)-risk used to model the scenario (bow-tie diagrams) for each component PoF values transferred from ALIAS (iris)-trd calculation CoF taken from ALIAS (iris) System database taking into account component cost, additional replacement cost, cost due to loss of production STEP 3 Multilevel Risk Analysis Risk Map for SCREENING Level PoF calculation based on nominal operational data CoF considered economically - Replacement costs (purchasing/budget price) - Additional replacement costs - Loss of production cost 34

18 STEP 3 Multilevel Risk Analysis Risk Map for INTERMEDIATE LEVEL PoF values updated on newly calculated exhaustions based on real (monitoring) data failure in measurement data 35 STEP 3 Multilevel Risk Analysis - DETAILED LEVEL Detailed analysis included: Stress calculation for the worse cases Creep analysis Fatigue analysis Critical crack size calculation Detailed NDT NDT reliability analysis Creep crack growth Fatigue crack growth 36

19 STEP 4 Decision Making (Inspection, Maintenance) Defining inspection effectiveness Monitoring - displacements -strains Assigning inspection levels to risk levels 37 STEP 4 Decision Making (Inspection, Maintenance) Before After What-if risk analysis (before and after inspection) Analysis of possible alternatives in inspection plans: spot tests, extensive NDT,... 38

20 STEP 4 Decision Making (Inspection, Maintenance) Optimization process Optimum New, risk-optimized inspection plan (removing ineffective inspection from I&M-plan) 39 STEP 4 Decision Making (Inspection, Maintenance) Optimization process (Pareto analysis) 7 out of 64 components to be inspected for a given reduction of risk Optimum as a function of accepted risk level 40

21 Zustandsüberwachung Fazit Die VGB-Richtlinie VGB-R 506 zur Zustandsbewertung unterstützt den Betreiber bei der Nutzung des neuen Gestaltungsraumes und beschreibt hierzu Möglichkeiten und Verfahren der Zustandsüberwachung Der vorgeschlagene Weg ermöglicht die Flexibilisierung der Prüfgestaltung ( Stichprobenprüfung, Einsatz geeigneter gleichwertiger Verfahren, verlängerte Prüfzeiten ) zur Ermittlung des sicherheitstechnischen Zustandes einer Anlage i.s. der TRD 506 Abschnitt 3.3 Die hierzu bei VGB in der Diskussion befindlichen Konzepte zur Zustandsbewertung besitzen das Potenzial die heutigen Anforderungen aus der BetrSichV zu erfüllen und werden darüber hinaus auch der Anforderung an die Verfügbarkeit gerecht Die bisherigen Anwendungen der vorgeschlagenen Expertenwerkzeuge haben gezeigt, dass durch die Einbeziehung und konsequente Analyse der Betriebserfahrung eine Konzentration der Zustandsüberwachung auf wenige Bauteile möglich ist 41