Wykrywanie wycieków

by Inżynieria Delty / Piątek, 25 marca 2016 / Opublikowano w Wysokie napięcie

Rurociąg wykrywanie nieszczelności służy do określenia, czy iw niektórych przypadkach, gdzie wystąpił wyciek w systemach zawierających ciecze i gazy. Metody wykrywania obejmują badania hydrostatyczne po wzniesieniu rurociągu oraz wykrywanie nieszczelności podczas eksploatacji.

Sieci rurociągów są najbardziej ekonomicznym i najbezpieczniejszym sposobem transportu ropy naftowej, gazów i innych płynnych produktów. Jako środek transportu dalekobieżnego rurociągi muszą spełniać wysokie wymagania w zakresie bezpieczeństwa, niezawodności i wydajności. Rurociągi, jeśli są odpowiednio konserwowane, mogą działać nieskończenie długo bez wycieków. Większość znaczących wycieków, które się zdarzają, jest spowodowana uszkodzeniami spowodowanymi przez pobliskie urządzenia do wykopów, dlatego bardzo ważne jest, aby przed rozpoczęciem wykopów wezwać władze, aby upewnić się, że w pobliżu nie ma zakopanych rurociągów. Jeśli rurociąg nie jest odpowiednio konserwowany, może zacząć powoli korodować, szczególnie w miejscach połączeń konstrukcyjnych, zagłębieniach, w których zbiera się wilgoć, lub miejscach z niedoskonałościami rury. Defekty te można jednak zidentyfikować za pomocą narzędzi inspekcyjnych i skorygować, zanim przekształcą się w wyciek. Inne przyczyny wycieków to wypadki, ruchy ziemi lub sabotaż.

Podstawowym celem systemów wykrywania nieszczelności (LDS) jest wspomaganie kontrolerów rurociągów w wykrywaniu i lokalizacji wycieków. LDS zapewnia alarm i wyświetla inne powiązane dane kontrolerom rurociągów, aby pomóc w podejmowaniu decyzji. Systemy wykrywania nieszczelności rurociągów są również korzystne, ponieważ mogą zwiększyć produktywność i niezawodność systemu dzięki skróceniu przestojów i skróceniu czasu inspekcji. LDS są zatem ważnym aspektem technologii rurociągów.

Zgodnie z dokumentem API „RP 1130”, LSR dzielą się na wewnętrzne LSR i zewnętrzne LSR. Systemy wewnętrzne wykorzystują oprzyrządowanie terenowe (na przykład czujniki przepływu, ciśnienia lub temperatury płynu) do monitorowania wewnętrznych parametrów rurociągu. Zewnętrzne systemy wykorzystują również oprzyrządowanie terenowe (na przykład radiometry na podczerwień lub kamery termowizyjne, czujniki oparów, mikrofony akustyczne lub kable światłowodowe) do monitorowania zewnętrznych parametrów rurociągu.

Zasad i przepisów

Niektóre kraje formalnie regulują eksploatację rurociągów.

API RP 1130 „Obliczeniowe monitorowanie rurociągów dla cieczy” (USA)

Ta zalecana praktyka (RP) koncentruje się na projektowaniu, wdrażaniu, testowaniu i obsłudze LSR, które wykorzystują podejście algorytmiczne. Celem tej zalecanej praktyki jest pomoc operatorowi rurociągu w identyfikowaniu kwestii związanych z wyborem, wdrażaniem, testowaniem i eksploatacją LSR. LSR dzielą się na wewnętrzne i zewnętrzne. Systemy wewnętrzne wykorzystują oprzyrządowanie terenowe (np. do pomiaru przepływu, ciśnienia i temperatury płynu) do monitorowania wewnętrznych parametrów rurociągu; te parametry rurociągu są następnie wykorzystywane do wnioskowania o wycieku. Zewnętrzne systemy wykorzystują lokalne, dedykowane czujniki.

TRFL (Niemcy)

TRFL to skrót od „Technische Regel für Fernleitungsanlagen” (Przepisy techniczne dotyczące systemów rurociągów). TRFL podsumowuje wymagania dla rurociągów podlegających oficjalnym przepisom. Obejmuje rurociągi transportujące ciecze łatwopalne, rurociągi transportujące ciecze niebezpieczne dla wód oraz większość rurociągów transportujących gaz. Wymaganych jest pięć różnych rodzajów funkcji LDS lub LDS:

Dwa niezależne LDS do ciągłego wykrywania nieszczelności podczas pracy w stanie ustalonym. Jeden z tych systemów lub dodatkowy musi także być w stanie wykryć wycieki podczas pracy przejściowej, np. Podczas uruchamiania rurociągu
Jeden LDS do wykrywania nieszczelności podczas operacji zamknięcia
Jeden LDS do pełzających wycieków
Jeden LDS do szybkiej lokalizacji wycieków

wymagania

API 1155 (zastąpiony przez API RP 1130) określa następujące ważne wymagania dotyczące LSR:

Czułość: LDS musi zapewniać, aby utrata płynu w wyniku wycieku była jak najmniejsza. Nakłada to na system dwa wymagania: musi wykrywać małe wycieki i musi je szybko wykrywać.
Niezawodność: użytkownik musi mieć zaufanie do LDS. Oznacza to, że musi poprawnie zgłaszać wszelkie rzeczywiste alarmy, ale równie ważne jest, aby nie generować fałszywych alarmów.
Dokładność: Niektóre LDS są w stanie obliczyć przepływ i lokalizację wycieku. Trzeba to zrobić dokładnie.
Solidność: LSR powinien nadal działać w nieidealnych okolicznościach. Na przykład w przypadku awarii przetwornika system powinien wykryć awarię i kontynuować pracę (ewentualnie z niezbędnymi kompromisami, takimi jak zmniejszona czułość).

Stany stacjonarne i przejściowe

W warunkach stanu ustalonego przepływ, ciśnienia itp. w rurociągu są (mniej więcej) stałe w czasie. W warunkach przejściowych zmienne te mogą się szybko zmieniać. Zmiany rozchodzą się jak fale w rurociągu z prędkością dźwięku płynu. Warunki przejściowe występują w rurociągu, na przykład podczas rozruchu, gdy zmienia się ciśnienie na wlocie lub wylocie (nawet jeśli zmiana jest niewielka), gdy zmienia się partia lub gdy w rurociągu znajduje się wiele produktów. Rurociągi gazowe prawie zawsze znajdują się w warunkach przejściowych, ponieważ gazy są bardzo ściśliwe. Nawet w rurociągach z cieczą przez większość czasu nie można lekceważyć efektów przejściowych. LSR powinien umożliwiać wykrywanie nieszczelności dla obu stanów, aby zapewnić wykrywanie nieszczelności przez cały czas eksploatacji rurociągu.

Wewnętrznie LDS

Systemy wewnętrzne wykorzystują oprzyrządowanie terenowe (np. do pomiaru przepływu, ciśnienia i temperatury płynu) do monitorowania wewnętrznych parametrów rurociągu; te parametry rurociągu są następnie wykorzystywane do wnioskowania o wycieku. Koszty systemowe i złożoność wewnętrznie opartych LDS są umiarkowane, ponieważ wykorzystują istniejące oprzyrządowanie terenowe. Ten rodzaj LDS jest używany do standardowych wymagań bezpieczeństwa.

Monitorowanie ciśnienia/przepływu

Wyciek zmienia hydraulikę rurociągu, a co za tym idzie po pewnym czasie zmienia odczyty ciśnienia lub przepływu. Lokalne monitorowanie ciśnienia lub przepływu tylko w jednym punkcie może zatem zapewnić proste wykrywanie nieszczelności. Ponieważ odbywa się to lokalnie, w zasadzie nie wymaga telemetrii. Jest jednak użyteczny tylko w warunkach stanu ustalonego, a jego zdolność do radzenia sobie z gazociągami jest ograniczona.

Fale ciśnienia akustycznego

Metoda akustycznej fali ciśnienia analizuje fale rozrzedzania powstające w momencie wystąpienia wycieku. Kiedy dochodzi do uszkodzenia ściany rurociągu, płyn lub gaz wydostaje się w postaci strumienia o dużej prędkości. Powoduje to wytwarzanie fal podciśnienia, które rozchodzą się w rurociągu w obu kierunkach i mogą być wykrywane i analizowane. Zasada działania metody opiera się na bardzo ważnej charakterystyce fal ciśnienia przemieszczających się na duże odległości z prędkością dźwięku, kierowanych przez ściany rurociągu. Amplituda fali ciśnienia wzrasta wraz z rozmiarem wycieku. Złożony algorytm matematyczny analizuje dane z czujników ciśnienia i jest w stanie w ciągu kilku sekund wskazać miejsce wycieku z dokładnością poniżej 50 m (164 stóp). Dane eksperymentalne wykazały zdolność tej metody do wykrywania nieszczelności o średnicy mniejszej niż 3 mm (0.1 cala) i działania z najniższym wskaźnikiem fałszywych alarmów w branży — mniej niż 1 fałszywy alarm rocznie.

Jednak metoda nie jest w stanie wykryć trwającego wycieku po początkowym zdarzeniu: po pęknięciu ściany rurociągu (lub pęknięciu) początkowe fale ciśnienia opadają i nie są generowane kolejne fale ciśnienia. Dlatego jeśli system nie wykryje wycieku (na przykład, ponieważ fale ciśnienia były maskowane przez przejściowe fale ciśnienia spowodowane przez zdarzenie operacyjne, takie jak zmiana ciśnienia pompowania lub przełączenia zaworu), system nie wykryje trwającego wycieku.

Metody bilansowania

Metody te opierają się na zasadzie zachowania masy. W stanie ustalonym przepływ masowy $\dot{M}_I$ wejście do nieszczelnego rurociągu zrównoważy przepływ masy $\dot{M}_O$ pozostawiając to; wszelkie spadki masy opuszczające rurociąg (nierównowaga masy $\dot{M}_I - \dot{M}_O$ ) oznacza wyciek. Miara metod bilansujących $\dot{M}_I$ i $\dot{M}_O$ za pomocą przepływomierzy i ostatecznie obliczyć nierównowagę, która jest oszacowaniem nieznanego, rzeczywistego przepływu wycieku. Porównanie tej nierównowagi (zwykle monitorowanej przez kilka okresów) z progiem alarmowym wycieku $\gamma$ generuje alarm, jeśli monitorowana nierównowaga. Udoskonalone metody bilansowania dodatkowo uwzględniają tempo zmian inwentaryzacji masy rurociągu. Nazwy, które są używane do ulepszonych technik wyważania linii, to bilans objętości, zmodyfikowany bilans objętości i skompensowany bilans masy.

Metody statystyczne

Statystyczne LSR wykorzystują metody statystyczne (np. z dziedziny teorii decyzji) do analizy ciśnienia/przepływu tylko w jednym punkcie lub braku równowagi w celu wykrycia nieszczelności. Prowadzi to do możliwości optymalizacji decyzji o wycieku, jeśli pewne założenia statystyczne są spełnione. Powszechnym podejściem jest zastosowanie procedury testowania hipotez

\text{Hipoteza }H_0:\text{ Brak wycieku}

\text{Hipoteza }H_1:\text{Przeciek}

Jest to klasyczny problem wykrywania i istnieją różne rozwiązania znane ze statystyki.

Metody RTTM

RTTM oznacza „Model przejściowy w czasie rzeczywistym”. RTTM LDS wykorzystuje modele matematyczne przepływu w rurociągu przy użyciu podstawowych praw fizycznych, takich jak zachowanie masy, zachowanie pędu i zachowanie energii. Metody RTTM można postrzegać jako udoskonalenie metod bilansowania, ponieważ dodatkowo wykorzystują zasadę zachowania pędu i energii. RTTM umożliwia obliczanie masowego natężenia przepływu, ciśnienia, gęstości i temperatury w każdym punkcie rurociągu w czasie rzeczywistym za pomocą algorytmów matematycznych. RTTM LDS może z łatwością modelować przepływ w rurociągu w stanie ustalonym i przejściowym. Wykorzystując technologię RTTM, wycieki mogą być wykrywane w warunkach ustalonych i przejściowych. Przy prawidłowo funkcjonującym oprzyrządowaniu, szybkości wycieków można oszacować funkcjonalnie za pomocą dostępnych wzorów.

Metody E-RTTM

Przepływ sygnału Rozszerzony model przejściowy w czasie rzeczywistym (E-RTTM)

E-RTTM oznacza „Extended Real-Time Transient Model”, wykorzystujący technologię RTTM z metodami statystycznymi. Tak więc wykrywanie nieszczelności jest możliwe w stanie ustalonym i przejściowym z dużą czułością, a fałszywe alarmy zostaną wyeliminowane przy użyciu metod statystycznych.

Dla metody resztkowej moduł RTTM oblicza szacunki $\hat{\kropka{M}}_I$ , $\kapelusz{\kropka{M}}_O$ dla MASOWEGO PRZEPŁYWU odpowiednio na wlocie i wylocie. Można to zrobić za pomocą pomiarów dla nacisk i temperatura na wlocie ( $Liczba Pi$ , $T_I$ ) i wylot ( $p_O$ , $DO$ ). Te oszacowane przepływy masowe są porównywane ze zmierzonymi przepływami masowymi $\dot{M}_I$ , $\dot{M}_O$ , uzyskując pozostałości $x=\kropka{M}_I - \kapelusz{\kropka{M}}_I$ i $y=\kropka{M}_O - \kapelusz{\kropka{M}}_O$ . Te pozostałości są bliskie zeru, jeśli nie ma wycieku; w przeciwnym razie pozostałości wykazują charakterystyczną sygnaturę. W kolejnym kroku pozostałości poddawane są analizie sygnatur wycieków. Ten moduł analizuje ich zachowanie w czasie, wyodrębniając i porównując sygnaturę wycieku z sygnaturami wycieku w bazie danych („odcisk palca”). Alarm wycieku jest ogłaszany, jeśli wyodrębniona sygnatura wycieku pasuje do odcisku palca.

Zewnętrznie LDS

Zewnętrzne systemy wykorzystują lokalne, dedykowane czujniki. Takie LDS są bardzo czułe i dokładne, ale koszt systemu i złożoność instalacji są zwykle bardzo wysokie; zastosowania są zatem ograniczone do specjalnych obszarów wysokiego ryzyka, np. w pobliżu rzek lub obszarów ochrony przyrody.

Cyfrowy kabel do wykrywania wycieków oleju

Kable Digital Sense składają się z oplotu z półprzepuszczalnych przewodników wewnętrznych chronionych przez przepuszczalny, izolujący, formowany oplot. Sygnał elektryczny przepływa przez wewnętrzne przewody i jest monitorowany przez wbudowany mikroprocesor wewnątrz złącza kablowego. Uciekające płyny przechodzą przez zewnętrzny przepuszczalny oplot i stykają się z wewnętrznymi półprzepuszczalnymi przewodnikami. Powoduje to zmianę właściwości elektrycznych kabla wykrywaną przez mikroprocesor. Mikroprocesor może zlokalizować płyn z dokładnością do 1 metra wzdłuż jego długości i dostarczyć odpowiedni sygnał do systemów monitorowania lub operatorów. Kable czujnikowe można owinąć wokół rurociągów, zakopać pod powierzchnią rurociągów lub zainstalować w konfiguracji rura w rurze.

Radiometryczne testowanie rurociągów w podczerwieni

Powietrzny termogram zakopanego ropociągu krajoznawczego ujawniający zanieczyszczenia pod powierzchnią spowodowane wyciekiem

Termograficzne testy rurociągów w podczerwieni okazały się zarówno dokładne, jak i skuteczne w wykrywaniu i lokalizowaniu podpowierzchniowych wycieków rurociągów, pustych przestrzeni spowodowanych erozją, pogorszonej izolacji rurociągów i słabej zasypki. Kiedy wyciek z rurociągu umożliwił płynowi, takiemu jak woda, utworzenie się smugi w pobliżu rurociągu, płyn ma inną przewodność cieplną niż sucha gleba lub zasypka. Będzie to odzwierciedlone w różnych schematach temperatury powierzchni powyżej miejsca wycieku. Radiometr na podczerwień o wysokiej rozdzielczości umożliwia skanowanie całych obszarów i wyświetlanie uzyskanych danych w postaci obrazów z obszarami o różnych temperaturach oznaczonych różnymi odcieniami szarości na obrazie czarno-białym lub różnymi kolorami na obrazie kolorowym. Ten system mierzy tylko wzorce energii powierzchniowej, ale wzorce mierzone na powierzchni gruntu nad zakopanym rurociągiem mogą pomóc w ustaleniu, gdzie tworzą się nieszczelności rurociągu i wynikające z nich puste przestrzenie erozyjne; wykrywa problemy nawet do 30 metrów pod powierzchnią ziemi.

Detektory emisji akustycznej

Wyciekające płyny wytwarzają sygnał akustyczny, gdy przepływają przez otwór w rurze. Czujniki akustyczne przymocowane na zewnątrz rurociągu tworzą bazowy „odcisk palca” akustycznego rurociągu z wewnętrznego hałasu rurociągu w stanie nieuszkodzonym. W przypadku wycieku wykrywany i analizowany jest wynikający z tego sygnał akustyczny o niskiej częstotliwości. Odchylenia od linii bazowej „odcisku palca” sygnalizują alarm. Teraz czujniki mają lepszy układ z wyborem pasma częstotliwości, wyborem zakresu opóźnienia czasowego itp. Dzięki temu wykresy są bardziej wyraźne i łatwiejsze do analizy. Istnieją inne sposoby wykrywania wycieków. Geofony naziemne z układem filtrów są bardzo przydatne do lokalizacji wycieku. Oszczędza to koszty wykopów. Strumień wody w glebie uderza w wewnętrzną ścianę gleby lub betonu. Spowoduje to powstanie słabego hałasu. Hałas ten zaniknie podczas wychodzenia na powierzchnię. Ale maksymalny dźwięk można odebrać tylko w miejscu wycieku. Wzmacniacze i filtr pomagają uzyskać czysty szum. Niektóre rodzaje gazów wprowadzanych do rurociągu będą generować szereg dźwięków podczas opuszczania rurociągu.

Rurki z czujnikiem pary

Metoda wykrywania nieszczelności rurki parowej polega na zainstalowaniu rurki na całej długości rurociągu. Ta rura – w postaci kabla – jest wysoce przepuszczalna dla substancji wykrywanych w konkretnym zastosowaniu. W przypadku wycieku mierzone substancje wchodzą w kontakt z rurką w postaci pary, gazu lub rozpuszczone w wodzie. W przypadku wycieku część wyciekającej substancji przedostaje się do rurki. Po pewnym czasie wnętrze rurki wytwarza dokładny obraz substancji otaczających rurkę. Aby przeanalizować rozkład stężenia w rurce czujnika, pompa przepycha kolumnę powietrza w rurce obok jednostki detekcyjnej ze stałą prędkością. Detektor na końcu rurki czujnikowej jest wyposażony w czujniki gazu. Każdy wzrost stężenia gazu powoduje wyraźny „szczyt wycieku”.

Światłowodowe wykrywanie nieszczelności

Komercjalizowane są co najmniej dwie światłowodowe metody wykrywania nieszczelności: rozproszone wykrywanie temperatury (DTS) i rozproszone wykrywanie akustyczne (DAS). Metoda DTS polega na ułożeniu kabla światłowodowego na całej długości monitorowanego rurociągu. Mierzone substancje stykają się z kablem w momencie wycieku, zmieniając temperaturę kabla i zmieniając odbicie impulsu wiązki laserowej, sygnalizując wyciek. Lokalizacja jest znana poprzez pomiar opóźnienia czasowego między wyemitowaniem impulsu laserowego a wykryciem odbicia. Działa to tylko wtedy, gdy temperatura substancji jest inna niż temperatura otoczenia. Ponadto rozproszona technika pomiaru temperatury za pomocą światłowodów oferuje możliwość pomiaru temperatury wzdłuż rurociągu. Skanując całą długość włókna, określa się profil temperatury wzdłuż włókna, co prowadzi do wykrycia nieszczelności.

Metoda DAS polega na podobnej instalacji kabla światłowodowego na całej długości monitorowanego rurociągu. Drgania wywołane wydostawaniem się substancji z rurociągu przez nieszczelność zmieniają odbicie impulsu wiązki laserowej, sygnalizując nieszczelność. Lokalizacja jest znana poprzez pomiar opóźnienia czasowego między wyemitowaniem impulsu laserowego a wykryciem odbicia. Technikę tę można również połączyć z metodą rozproszonego wykrywania temperatury, aby uzyskać profil temperaturowy rurociągu.