Detekcia netesností

by Delta Engineering / Piatok, Marec 25 2016 / vyšlo v Vysoké napätie

Potrubie detekcia netesností sa používa na určenie, či av niektorých prípadoch došlo k úniku v systémoch, ktoré obsahujú kvapaliny a plyny. Metódy detekcie zahŕňajú hydrostatické testovanie po postavení potrubia a detekciu netesností počas prevádzky.

Potrubné siete sú najhospodárnejším a najbezpečnejším spôsobom prepravy ropy, plynov a iných tekutých produktov. Potrubia ako prostriedok prepravy na veľké vzdialenosti musia spĺňať vysoké nároky na bezpečnosť, spoľahlivosť a efektívnosť. Pri správnej údržbe môžu potrubia vydržať neobmedzene dlho bez netesností. Najvýraznejšie úniky, ku ktorým dochádza, sú spôsobené poškodením blízkym výkopovým zariadením, preto je dôležité pred výkopom zavolať úrady, aby ste sa uistili, že v blízkosti nie sú žiadne zakopané potrubia. Ak potrubie nie je správne udržiavané, môže začať pomaly korodovať, najmä na konštrukčných spojoch, nízkych miestach, kde sa hromadí vlhkosť, alebo na miestach s nedokonalosťami potrubia. Tieto defekty však možno identifikovať pomocou kontrolných nástrojov a opraviť ich skôr, ako prejdú do úniku. Medzi ďalšie dôvody úniku patria nehody, pohyby zeme alebo sabotáže.

Primárnym účelom systémov detekcie netesností (LDS) je pomáhať kontrolórom potrubí pri zisťovaní a lokalizácii netesností. LDS poskytuje alarm a zobrazuje ďalšie súvisiace údaje regulátorom potrubia s cieľom pomôcť pri rozhodovaní. Systémy detekcie netesností v potrubí sú tiež prospešné, pretože môžu zvýšiť produktivitu a spoľahlivosť systému vďaka skráteniu prestojov a skráteného času kontroly. LDS sú preto dôležitým aspektom technológie potrubí.

Podľa dokumentu API „RP 1130“ sa LDS delia na interne založené LDS a externé LDS. Interne založené systémy využívajú prístrojové vybavenie (napríklad snímače prietoku, tlaku alebo teploty tekutiny) na monitorovanie vnútorných parametrov potrubia. Externe založené systémy tiež využívajú poľné prístrojové vybavenie (napríklad infračervené rádiometre alebo termokamery, senzory pár, akustické mikrofóny alebo káble z optických vlákien) na monitorovanie parametrov vonkajšieho potrubia.

Pravidlá a predpisy

Niektoré krajiny formálne regulujú prevádzku plynovodu.

API RP 1130 „Výpočtové monitorovanie kvapalín“ (USA)

Tento odporúčaný postup (RP) sa zameriava na návrh, implementáciu, testovanie a prevádzku LDS, ktoré využívajú algoritmický prístup. Účelom tohto odporúčaného postupu je pomôcť prevádzkovateľovi potrubia pri identifikácii problémov súvisiacich s výberom, implementáciou, testovaním a prevádzkou LDS. LDS sú rozdelené na interne založené a externé. Interne založené systémy využívajú prístrojové vybavenie (napr. prietok, tlak a teplotu tekutiny) na monitorovanie vnútorných parametrov potrubia; tieto parametre potrubia sa následne použijú na odvodenie netesnosti. Externe založené systémy používajú lokálne vyhradené senzory.

TRFL (Nemecko)

TRFL je skratka pre „Technische Regel für Fernleitungsanlagen“ (Technické pravidlo pre potrubné systémy). TRFL sumarizuje požiadavky na potrubia, ktoré sú predmetom úradných predpisov. Zahŕňa potrubia prepravujúce horľavé kvapaliny, potrubia prepravujúce kvapaliny nebezpečné pre vodu a väčšinu potrubí prepravujúcich plyn. Vyžaduje sa päť rôznych druhov funkcií LDS alebo LDS:

Dva nezávislé LDS pre nepretržitú detekciu úniku počas prevádzky v ustálenom stave. Jeden z týchto systémov alebo ďalší musí byť tiež schopný detekovať netesnosti počas prechodnej prevádzky, napr. počas spúšťania potrubia
Jeden LDS na detekciu netesností počas prevádzky odstavenia
Jeden LDS pre plazivé netesnosti
Jeden LDS pre rýchlu lokalizáciu úniku

požiadavky

API 1155 (nahradený API RP 1130) definuje nasledujúce dôležité požiadavky na LDS:

Citlivosť: LDS musí zabezpečiť, aby strata kvapaliny v dôsledku úniku bola čo najmenšia. To kladie na systém dve požiadavky: musí detekovať malé netesnosti a musí ich odhaliť rýchlo.
Spoľahlivosť: Používateľ musí byť schopný dôverovať LDS. To znamená, že musí správne hlásiť všetky skutočné poplachy, ale rovnako dôležité je, aby negeneroval falošné poplachy.
Presnosť: Niektoré LDS sú schopné vypočítať prietok a miesto úniku. Toto sa musí robiť presne.
Odolnosť: LDS by mala pokračovať v prevádzke za neideálnych podmienok. Napríklad v prípade poruchy prevodníka by mal systém poruchu zistiť a pokračovať v činnosti (možno s nevyhnutnými kompromismi, ako je znížená citlivosť).

Ustálený stav a prechodné podmienky

Počas podmienok ustáleného stavu sú prietok, tlaky atď. v potrubí (viac-menej) v priebehu času konštantné. Počas prechodných podmienok sa tieto premenné môžu rýchlo meniť. Zmeny sa šíria ako vlny potrubím s rýchlosťou zvuku tekutiny. Prechodné podmienky sa vyskytujú v potrubí, napríklad pri spustení, ak sa zmení tlak na vstupe alebo výstupe (aj keď je zmena malá), a keď sa zmení šarža, alebo keď je v potrubí viacero produktov. Plynovody sú takmer vždy v prechodných podmienkach, pretože plyny sú veľmi stlačiteľné. Dokonca aj v kvapalinových potrubiach nemožno väčšinou ignorovať prechodné javy. LDS by mala umožniť detekciu netesností pre obe podmienky, aby sa zabezpečila detekcia netesností počas celej doby prevádzky potrubia.

Interne založená LDS

Interne založené systémy využívajú prístrojové vybavenie (napr. prietok, tlak a teplotu tekutiny) na monitorovanie vnútorných parametrov potrubia; tieto parametre potrubia sa následne použijú na odvodenie netesnosti. Systémové náklady a zložitosť interne založených LDS sú mierne, pretože využívajú existujúce poľné prístrojové vybavenie. Tento druh LDS sa používa pre štandardné bezpečnostné požiadavky.

Monitorovanie tlaku/prietoku

Netesnosť mení hydrauliku potrubia, a preto po určitom čase mení hodnoty tlaku alebo prietoku. Lokálne monitorovanie tlaku alebo prietoku len v jednom bode preto môže poskytnúť jednoduchú detekciu úniku. Keďže sa to robí lokálne, nevyžaduje v zásade žiadnu telemetriu. Je však užitočný len v podmienkach ustáleného stavu a jeho schopnosť riešiť plynovody je obmedzená.

Akustické tlakové vlny

Metóda akustickej tlakovej vlny analyzuje vlny riedenia vznikajúce pri úniku. Pri porušení steny potrubia uniká kvapalina alebo plyn vo forme vysokorýchlostného prúdu. To vytvára podtlakové vlny, ktoré sa šíria v oboch smeroch v potrubí a môžu byť detekované a analyzované. Princíp fungovania metódy je založený na veľmi dôležitej charakteristike tlakových vĺn, ktoré sa pohybujú na veľké vzdialenosti rýchlosťou zvuku vedeného stenami potrubia. Amplitúda tlakovej vlny sa zvyšuje s veľkosťou úniku. Komplexný matematický algoritmus analyzuje údaje zo snímačov tlaku a je schopný v priebehu niekoľkých sekúnd určiť miesto úniku s presnosťou menšou ako 50 m (164 stôp). Experimentálne údaje preukázali schopnosť metódy odhaliť úniky s priemerom menším ako 3 mm (0.1 palca) a pracovať s najnižšou mierou falošných poplachov v odvetví – menej ako 1 falošný poplach za rok.

Metóda však nedokáže odhaliť prebiehajúcu netesnosť po počiatočnej udalosti: po porušení (alebo prasknutí) steny potrubia počiatočné tlakové vlny doznievajú a nevznikajú žiadne následné tlakové vlny. Ak teda systém nezistí únik (napríklad preto, že tlakové vlny boli zamaskované prechodnými tlakovými vlnami spôsobenými prevádzkovou udalosťou, ako je zmena čerpacieho tlaku alebo prepnutie ventilu), systém nezistí prebiehajúci únik.

Metódy vyvažovania

Tieto metódy sú založené na princípe zachovania hmoty. V ustálenom stave tok hmoty $\dot{M}_I$ vstup do netesného potrubia vyrovná hmotnostný tok $\dot{M}_O$ nechať to; akýkoľvek pokles hmoty opúšťajúcej potrubie (nerovnováha hmoty $\dot{M}_I - \dot{M}_O$ ) označuje netesnosť. Metódy vyvažovania merajú $\dot{M}_I$ a $\dot{M}_O$ pomocou prietokomerov a nakoniec vypočítajte nerovnováhu, ktorá je odhadom neznámeho skutočného prietoku úniku. Porovnanie tejto nerovnováhy (zvyčajne monitorovanej počas niekoľkých období) s prahom alarmu úniku $\gamma$ generuje alarm, ak táto monitorovaná nerovnováha. Vylepšené metódy vyvažovania dodatočne zohľadňujú rýchlosť zmeny množstva zásob potrubia. Názvy, ktoré sa používajú pre vylepšené techniky vyváženia linky, sú vyváženie objemu, vyváženie objemu a kompenzované vyváženie hmotnosti.

Štatistické metódy

Štatistické LDS využívajú štatistické metódy (napr. z oblasti teórie rozhodovania) na analýzu tlaku/prietoku len v jednom bode alebo nerovnováhy s cieľom odhaliť únik. To vedie k možnosti optimalizovať rozhodnutie o úniku, ak platia nejaké štatistické predpoklady. Bežným prístupom je použitie postupu testovania hypotéz

\text{Hypotéza }H_0:\text{ Žiadny únik}

\text{Hypotéza }H_1:\text{ Únik}

Ide o klasický detekčný problém a zo štatistík sú známe rôzne riešenia.

RTTM metódy

RTTM znamená „Prechodný model v reálnom čase“. RTTM LDS používa matematické modely toku v potrubí s použitím základných fyzikálnych zákonov, ako je zachovanie hmotnosti, zachovanie hybnosti a zachovanie energie. Metódy RTTM možno považovať za vylepšenie metód vyrovnávania, pretože navyše využívajú princíp zachovania hybnosti a energie. RTTM umožňuje vypočítať hmotnostný prietok, tlak, hustotu a teplotu v každom bode pozdĺž potrubia v reálnom čase pomocou matematických algoritmov. RTTM LDS dokáže jednoducho modelovať ustálené a prechodné prúdenie v potrubí. Pomocou technológie RTTM je možné zistiť netesnosti počas ustálených a prechodných podmienok. So správne fungujúcim prístrojovým vybavením možno funkčne odhadnúť miery úniku pomocou dostupných vzorcov.

Metódy E-RTTM

Tok signálu Rozšírený model prechodu v reálnom čase (E-RTTM)

E-RTTM je skratka pre “Extended Real-Time Transient Model”, využívajúci technológiu RTTM so štatistickými metódami. Detekcia úniku je teda možná počas ustáleného a prechodného stavu s vysokou citlivosťou a pomocou štatistických metód sa zabráni falošným poplachom.

Pre reziduálnu metódu počíta modul RTTM odhady $\klobúk{\bodka{M}}_I$ , $\klobúk{\bodka{M}}_O$ pre MASS FLOW na vstupe a výstupe. To možno vykonať pomocou meraní pre tlak a teplota na vstupe ( $p_I$ , $T_I$ ) a výstup ( $p_O$ , $T_O$ ). Tieto odhadované hmotnostné toky sa porovnávajú s nameranými hmotnostnými tokmi $\dot{M}_I$ , $\dot{M}_O$ , čím sa získajú zvyšky $x=\bodka{M}_I - \klobúk{\bodka{M}}_I$ a $y=\bodka{M}_O - \klobúk{\bodka{M}}_O$ . Tieto zvyšky sú blízke nule, ak nedochádza k úniku; inak zvyšky vykazujú charakteristický podpis. V ďalšom kroku sú zvyšky podrobené analýze signatúr úniku. Tento modul analyzuje ich dočasné správanie extrakciou a porovnaním podpisu úniku s podpismi úniku v databáze („odtlačok prsta“). Alarm úniku sa vyhlási, ak sa extrahovaný podpis úniku zhoduje s odtlačkom prsta.

Externe založená LDS

Externe založené systémy používajú lokálne vyhradené senzory. Takéto LDS sú vysoko citlivé a presné, ale náklady na systém a zložitosť inštalácie sú zvyčajne veľmi vysoké; aplikácie sa preto obmedzujú na špeciálne vysokorizikové oblasti, napr. v blízkosti riek alebo oblastí ochrany prírody.

Digitálny kábel na detekciu úniku oleja

Káble Digital Sense sa skladajú z opletenia polopriepustných vnútorných vodičov chránených priepustným izolačným lisovaným opletením. Elektrický signál prechádza vnútornými vodičmi a je monitorovaný vstavaným mikroprocesorom vo vnútri konektora kábla. Unikajúce tekutiny prechádzajú cez vonkajší priepustný oplet a prichádzajú do kontaktu s vnútornými polopriepustnými vodičmi. To spôsobí zmenu elektrických vlastností kábla, ktorú deteguje mikroprocesor. Mikroprocesor dokáže lokalizovať tekutinu s rozlíšením 1 meter pozdĺž jej dĺžky a poskytnúť príslušný signál monitorovacím systémom alebo operátorom. Snímacie káble môžu byť ovinuté okolo potrubí, zakopané pod povrch potrubím alebo inštalované ako konfigurácia potrubia v potrubí.

Infračervené rádiometrické testovanie potrubia

Letecký termogram zakopaného ropného potrubia, ktorý odhaľuje povrchovú kontamináciu spôsobenú netesnosťou

Infračervené termografické testovanie potrubia sa ukázalo ako presné a účinné pri zisťovaní a lokalizácii podpovrchových netesností potrubia, dutín spôsobených eróziou, poškodenej izolácie potrubia a zlého zásypu. Keď netesnosť potrubia umožnila tekutine, ako je voda, vytvoriť oblak v blízkosti potrubia, tekutina má tepelnú vodivosť odlišnú od suchej pôdy alebo zásypu. To sa prejaví v rôznych vzorcoch povrchovej teploty nad miestom úniku. Infračervený rádiometer s vysokým rozlíšením umožňuje skenovať celé oblasti a výsledné údaje zobraziť ako obrázky s oblasťami s rôznymi teplotami označenými rôznymi odtieňmi šedej na čiernobielom obrázku alebo rôznymi farbami na farebnom obrázku. Tento systém meria iba vzory povrchovej energie, ale vzory, ktoré sa merajú na povrchu zeme nad zakopaným potrubím, môžu pomôcť ukázať, kde sa tvoria netesnosti potrubia a výsledné erózne dutiny; detekuje problémy až 30 metrov pod povrchom zeme.

Detektory akustickej emisie

Unikajúce kvapaliny vytvárajú pri prechode cez otvor v potrubí akustický signál. Akustické senzory pripevnené na vonkajšej strane potrubia vytvárajú základný akustický „odtlačok“ potrubia z vnútorného hluku potrubia v jeho nepoškodenom stave. Keď dôjde k úniku, je detekovaný a analyzovaný výsledný nízkofrekvenčný akustický signál. Odchýlky od základnej línie „odtlačkov prstov“ signalizujú poplach. Teraz majú senzory lepšie usporiadanie s výberom frekvenčného pásma, výberom rozsahu časového oneskorenia atď. Vďaka tomu sú grafy zreteľnejšie a ľahšie sa analyzujú. Existujú aj iné spôsoby detekcie úniku. Pozemné geotelefóny s usporiadaním filtrov sú veľmi užitočné na presné určenie miesta úniku. Šetrí náklady na výkopové práce. Prúd vody v pôde naráža na vnútornú stenu zeminy alebo betónu. To vytvorí slabý hluk. Tento hluk sa zníži, keď sa dostane na povrch. Maximálny zvuk je však možné zachytiť iba cez polohu úniku. Zosilňovače a filter pomáhajú získať čistý šum. Niektoré typy plynov vstupujúcich do potrubia vytvoria pri výstupe z potrubia rad zvukov.

Rúry na snímanie pár

Metóda detekcie netesnosti rúrky snímajúcej paru zahŕňa inštaláciu rúrky pozdĺž celej dĺžky potrubia. Táto trubica – vo forme kábla – je vysoko priepustná pre látky, ktoré sa majú detegovať v konkrétnej aplikácii. Ak dôjde k úniku, merané látky sa dostanú do kontaktu s rúrkou vo forme pár, plynu alebo rozpustené vo vode. V prípade netesnosti časť uniknutej látky difunduje do trubice. Po určitom čase vytvorí vnútro skúmavky presný obraz látok obklopujúcich skúmavku. Aby bolo možné analyzovať distribúciu koncentrácie prítomnú v trubici senzora, čerpadlo tlačí stĺpec vzduchu v trubici okolo detekčnej jednotky konštantnou rýchlosťou. Detektorová jednotka na konci trubice snímača je vybavená snímačmi plynu. Každé zvýšenie koncentrácie plynu má za následok výrazný „vrchol úniku“.

Detekcia netesnosti optických vlákien

Najmenej dve metódy detekcie netesností z optických vlákien sa komerčne využívajú: distribuované snímanie teploty (DTS) a distribuované akustické snímanie (DAS). Metóda DTS zahŕňa inštaláciu kábla z optických vlákien pozdĺž dĺžky monitorovaného potrubia. Látky, ktoré sa majú merať, prichádzajú do kontaktu s káblom, keď dôjde k úniku, čím sa zmení teplota kábla a odraz impulzu laserového lúča, čo signalizuje únik. Miesto je známe meraním časového oneskorenia medzi vyslaním laserového impulzu a detekciou odrazu. Funguje to len vtedy, ak má látka inú teplotu ako okolité prostredie. Okrem toho distribuovaná technika snímania teploty pomocou optických vlákien ponúka možnosť merať teplotu pozdĺž potrubia. Skenovaním po celej dĺžke vlákna sa určí teplotný profil pozdĺž vlákna, čo vedie k detekcii úniku.

Metóda DAS zahŕňa podobnú inštaláciu kábla z optických vlákien pozdĺž dĺžky monitorovaného potrubia. Vibrácie spôsobené látkou opúšťajúcou potrubie cez netesnosť menia odraz impulzu laserového lúča, čo signalizuje netesnosť. Miesto je známe meraním časového oneskorenia medzi vyslaním laserového impulzu a detekciou odrazu. Táto technika môže byť tiež kombinovaná s metódou Distributed Temperature Sensing na poskytnutie teplotného profilu potrubia.