Lækage detektion

by Delta Engineering / Fredag, 25 marts 2016 / Udgivet i Højspænding

Pipeline Lækagesøgning bruges til at afgøre, om og i nogle tilfælde, hvor der er opstået en lækage i systemer, der indeholder væsker og gasser. Metoder til detektion omfatter hydrostatisk testning efter rørledningsopførelse og lækagedetektion under service.

Rørledningsnet er den mest økonomiske og sikreste transportform for olie, gasser og andre flydende produkter. Som et middel til langdistancetransport skal rørledninger opfylde høje krav til sikkerhed, pålidelighed og effektivitet. Hvis de vedligeholdes korrekt, kan rørledninger vare på ubestemt tid uden lækager. De fleste væsentlige lækager, der opstår, er forårsaget af skader fra graveudstyr i nærheden, derfor er det afgørende at ringe til myndighederne inden udgravningen for at sikre, at der ikke er nedgravede rørledninger i nærheden. Hvis en rørledning ikke vedligeholdes korrekt, kan den begynde at korrodere langsomt, især ved konstruktionssamlinger, lave punkter, hvor fugt samler sig, eller steder med ufuldkommenheder i røret. Disse defekter kan dog identificeres med inspektionsværktøjer og rettes, før de udvikler sig til en lækage. Andre årsager til lækager omfatter ulykker, jordbevægelser eller sabotage.

Det primære formål med lækagedetektionssystemer (LDS) er at hjælpe pipeline-controllere med at detektere og lokalisere lækager. LDS giver en alarm og viser andre relaterede data til pipeline-controllere for at hjælpe med beslutningstagning. Rørledningslækagedetektionssystemer er også fordelagtige, fordi de kan øge produktiviteten og systemets pålidelighed takket være reduceret nedetid og reduceret inspektionstid. LDS er derfor et vigtigt aspekt af rørledningsteknologi.

Ifølge API-dokumentet "RP 1130" er LDS opdelt i internt baseret LDS og eksternt baseret LDS. Internt baserede systemer anvender feltinstrumentering (for eksempel flow-, tryk- eller væsketemperatursensorer) til at overvåge interne rørledningsparametre. Eksternt baserede systemer anvender også feltinstrumentering (for eksempel infrarøde radiometre eller termiske kameraer, dampsensorer, akustiske mikrofoner eller fiberoptiske kabler) til at overvåge eksterne rørledningsparametre.

Regler og forordninger

Nogle lande regulerer formelt rørledningsdrift.

API RP 1130 "Computational Pipeline Monitoring for Liquids" (USA)

Denne anbefalede praksis (RP) fokuserer på design, implementering, test og drift af LDS, der bruger en algoritmisk tilgang. Formålet med denne anbefalede praksis er at hjælpe rørledningsoperatøren med at identificere problemer, der er relevante for udvælgelse, implementering, test og drift af en LDS. LDS er klassificeret i internt baserede og eksternt baserede. Internt baserede systemer anvender feltinstrumentering (f.eks. til flow, tryk og væsketemperatur) til at overvåge interne rørledningsparametre; disse rørledningsparametre bruges efterfølgende til at udlede en lækage. Eksternt baserede systemer bruger lokale, dedikerede sensorer.

TRFL (Tyskland)

TRFL er forkortelsen for "Technische Regel für Fernleitungsanlagen" (Technical Rule for Pipeline Systems). TRFL opsummerer kravene til rørledninger, der er underlagt officielle bestemmelser. Det dækker rørledninger, der transporterer brændbare væsker, rørledninger, der transporterer væsker, der er farlige for vand, og de fleste rørledninger, der transporterer gas. Fem forskellige slags LDS- eller LDS-funktioner er påkrævet:

To uafhængige LDS til kontinuerlig lækagedetektion under stabil drift. Et af disse systemer eller et yderligere system skal også være i stand til at registrere lækager under kortvarig drift, f.eks. Under opstart af rørledningen
Én LDS til lækagedetektion under indkobling
Én LDS til krybende lækager
Én LDS til hurtig lækage placering

Krav

API 1155 (erstattet af API RP 1130) definerer følgende vigtige krav til en LDS:

Følsomhed: En LDS skal sikre, at tabet af væske som følge af en lækage er så lille som muligt. Dette stiller to krav til systemet: det skal opdage små lækager, og det skal opdage dem hurtigt.
Pålidelighed: Brugeren skal kunne stole på LDS. Det betyder, at den skal indberette eventuelle reelle alarmer korrekt, men det er lige så vigtigt, at den ikke genererer falske alarmer.
Nøjagtighed: Nogle LDS er i stand til at beregne lækstrøm og lækage placering. Dette skal ske nøjagtigt.
Robusthed: LDS bør fortsætte med at fungere under ikke-ideelle omstændigheder. For eksempel, i tilfælde af en transducersvigt, bør systemet registrere fejlen og fortsætte med at fungere (muligvis med nødvendige kompromiser såsom reduceret følsomhed).

Steady-state og kortvarige forhold

Under steady-state forhold er flowet, trykket osv. i rørledningen (mere eller mindre) konstant over tid. Under forbigående forhold kan disse variabler ændre sig hurtigt. Ændringerne forplanter sig som bølger gennem rørledningen med væskens lydhastighed. Forbigående forhold opstår i en rørledning, for eksempel ved opstart, hvis trykket ved indløb eller udløb ændres (selvom ændringen er lille), og når en batch ændres, eller når flere produkter er i rørledningen. Gasrørledninger er næsten altid i forbigående forhold, fordi gasser er meget komprimerbare. Selv i væskerørledninger kan forbigående effekter ikke ses bort fra det meste af tiden. LDS bør give mulighed for detektion af lækager for begge forhold for at give lækagedetektion under hele rørledningens driftstid.

Internt baseret LDS

Internt baserede systemer anvender feltinstrumentering (f.eks. til flow, tryk og væsketemperatur) til at overvåge interne rørledningsparametre; disse rørledningsparametre bruges efterfølgende til at udlede en lækage. Systemomkostninger og kompleksitet af internt baserede LDS er moderate, fordi de bruger eksisterende feltinstrumentering. Denne type LDS bruges til standard sikkerhedskrav.

Tryk/flow overvågning

En læk ændrer rørledningens hydraulik og ændrer derfor tryk- eller flowaflæsningerne efter nogen tid. Lokal overvågning af tryk eller flow på kun ét punkt kan derfor give enkel lækagedetektion. Da det gøres lokalt, kræver det i princippet ingen telemetri. Det er dog kun nyttigt under steady-state forhold, og dets evne til at håndtere gasrørledninger er begrænset.

Akustiske trykbølger

Den akustiske trykbølgemetode analyserer de sjældne bølger, der produceres, når der opstår en lækage. Når et rørledningsvægnedbrud opstår, slipper væske eller gas ud i form af en højhastighedsstråle. Dette frembringer negative trykbølger, som forplanter sig i begge retninger i rørledningen og kan detekteres og analyseres. Metodens funktionsprincipper er baseret på den meget vigtige egenskab ved trykbølger til at rejse over lange afstande med lydhastigheden styret af rørledningens vægge. Amplituden af en trykbølge stiger med lækagestørrelsen. En kompleks matematisk algoritme analyserer data fra tryksensorer og er i stand til i løbet af få sekunder at pege på placeringen af lækagen med en nøjagtighed på mindre end 50 m (164 ft). Eksperimentelle data har vist metodens evne til at detektere lækager på mindre end 3 mm (0.1 tomme) i diameter og operere med den laveste fejlalarmrate i branchen – mindre end 1 falsk alarm om året.

Metoden er imidlertid ikke i stand til at detektere en løbende lækage efter den indledende begivenhed: efter nedbrydning af rørledningsvæggen (eller sprængning) falder de første trykbølger ned, og der genereres ingen efterfølgende trykbølger. Hvis systemet ikke klarer at registrere lækagen (for eksempel fordi trykbølgerne blev maskeret af forbigående trykbølger forårsaget af en driftshændelse, såsom en ændring i pumpetryk eller ventilskift), vil systemet ikke registrere den igangværende lækage.

Balanceringsmetoder

Disse metoder er baseret på princippet om bevarelse af masse. I steady state flyder massen $\dot{M}_I$ indtræden i en lækagefri rørledning vil balancere massestrømmen $\dot{M}_O$ forlader det; ethvert fald i masse, der forlader rørledningen (masse ubalance $\dot{M}_I - \dot{M}_O$ ) angiver en lækage. Måling af balancemetoder $\dot{M}_I$ , $\dot{M}_O$ ved hjælp af flowmålere og til sidst beregne ubalancen, som er et estimat af det ukendte, sande lækflow. Sammenligning af denne ubalance (typisk overvåget over et antal perioder) med en lækalarmtærskel $\ gamma$ genererer en alarm, hvis denne overvågede ubalance. Forbedrede afbalanceringsmetoder tager desuden højde for ændringshastigheden for rørledningens massebeholdning. Navne, der bruges til forbedrede liniebalanceringsteknikker, er volumenbalance, modificeret volumenbalance og kompenseret massebalance.

Statistiske metoder

Statistiske LDS anvender statistiske metoder (f.eks. fra beslutningsteoriområdet) til at analysere tryk/flow på kun ét punkt eller ubalancen for at opdage en lækage. Dette fører til muligheden for at optimere lækagebeslutningen, hvis nogle statistiske antagelser holder. En almindelig tilgang er at bruge hypotesetestproceduren

\text{Hypotese }H_0:\text{ Ingen læk}

\text{Hypotese }H_1:\text{ Læk}

Dette er et klassisk detektionsproblem, og der er forskellige løsninger kendt fra statistikken.

RTTM-metoder

RTTM betyder "Real-Time Transient Model". RTTM LDS bruger matematiske modeller af flowet i en rørledning ved hjælp af grundlæggende fysiske love såsom bevarelse af masse, bevarelse af momentum og bevarelse af energi. RTTM-metoder kan ses som en forbedring af balanceringsmetoder, da de desuden anvender bevaringsprincippet om momentum og energi. En RTTM gør det muligt at beregne masseflow, tryk, tæthed og temperatur på hvert punkt langs rørledningen i realtid ved hjælp af matematiske algoritmer. RTTM LDS kan nemt modellere steady-state og transient flow i en rørledning. Ved hjælp af RTTM-teknologi kan lækager detekteres under steady-state og forbigående forhold. Med korrekt fungerende instrumentering kan lækagehastigheder estimeres funktionelt ved hjælp af tilgængelige formler.

E-RTTM-metoder

Signalflow Extended Real-Time Transient Model (E-RTTM)

E-RTTM står for "Extended Real-Time Transient Model", der bruger RTTM-teknologi med statistiske metoder. Så lækagedetektion er mulig under steady-state og forbigående tilstand med høj følsomhed, og falske alarmer vil blive undgået ved hjælp af statistiske metoder.

For den resterende metode beregner et RTTM-modul estimater $\hat{\dot{M}}_I$ , $\hat{\dot{M}}_O$ til MASS FLOW ved henholdsvis indløb og udløb. Dette kan gøres ved hjælp af målinger til tryk og temperatur ved indløb ( $p_I$ , $T_I$ ) og stikkontakt ( $p_O$ , $TIL$ ). Disse estimerede massestrømme sammenlignes med de målte massestrømme $\dot{M}_I$ , $\dot{M}_O$ , hvilket giver resterne $x=\dot{M}_I - \hat{\dot{M}}_I$ , $y=\dot{M}}_O - \hat{\dot{M}}_O$ . Disse rester er tæt på nul, hvis der ikke er nogen lækage; ellers viser resterne en karakteristisk signatur. I et næste trin bliver resterne genstand for en læksignaturanalyse. Dette modul analyserer deres tidsmæssige adfærd ved at udtrække og sammenligne læksignaturen med læksignaturer i en database ("fingeraftryk"). Lækalarm erklæres, hvis den udtrukne lækagesignatur matcher fingeraftrykket.

Eksternt baseret LDS

Eksternt baserede systemer bruger lokale, dedikerede sensorer. Sådanne LDS er meget følsomme og nøjagtige, men systemomkostninger og kompleksitet ved installation er normalt meget høje; ansøgninger er derfor begrænset til særlige højrisikoområder, fx nær åer eller naturbeskyttelsesområder.

Digitalt olielækagedetektionskabel

Digital Sense Cables består af en fletning af semipermeable indre ledere beskyttet af en permeabel isolerende støbt fletning. Et elektrisk signal sendes gennem de interne ledere og overvåges af en indbygget mikroprocessor inde i kabelstikket. Udslipende væsker passerer gennem den ydre permeable fletning og kommer i kontakt med de indre semipermeable ledere. Dette forårsager en ændring i kablets elektriske egenskaber, som detekteres af mikroprocessoren. Mikroprocessoren kan lokalisere væsken med en opløsning på 1 meter langs dens længde og give et passende signal til overvågningssystemer eller operatører. Sensorkablerne kan vikles omkring rørledninger, nedgraves under overfladen med rørledninger eller installeres som en rør-i-rør-konfiguration.

Infrarød radiometrisk rørledningstest

Lufttermogram af begravet langrend olierørledning, der afslører forurening under jorden forårsaget af en lækage

Infrarød termografisk rørledningstest har vist sig at være både nøjagtig og effektiv til at opdage og lokalisere underjordiske rørledningslækager, hulrum forårsaget af erosion, forringet rørledningsisolering og dårlig opfyldning. Når en rørledningslækage har tilladt en væske, såsom vand, at danne en fane nær en rørledning, har væsken en termisk ledningsevne, der er forskellig fra den tørre jord eller tilbagefyldning. Dette vil afspejle sig i forskellige overfladetemperaturmønstre over lækagestedet. Et infrarødt radiometer med høj opløsning gør det muligt at scanne hele områder, og de resulterende data kan vises som billeder med områder med forskellige temperaturer udpeget af forskellige gråtoner på et sort-hvidt billede eller af forskellige farver på et farvebillede. Dette system måler kun overfladeenergimønstre, men de mønstre, der måles på overfladen af jorden over en nedgravet rørledning, kan hjælpe med at vise, hvor rørledningslækager og resulterende erosionshulrum dannes; den registrerer problemer så dybt som 30 meter under jordoverfladen.

Akustiske emissionsdetektorer

Udslip af væsker skaber et akustisk signal, når de passerer gennem et hul i røret. Akustiske sensorer, der er fastgjort til ydersiden af rørledningen, skaber et akustisk "fingeraftryk" af ledningen fra den interne støj fra rørledningen i dens ubeskadigede tilstand. Når der opstår en lækage, detekteres og analyseres et resulterende lavfrekvent akustisk signal. Afvigelser fra basislinjens "fingeraftryk" signalerer en alarm. Nu er sensorer blevet bedre tilrettelagt med valg af frekvensbånd, valg af tidsforsinkelsesområde osv. Dette gør graferne mere tydelige og nemme at analysere. Der er andre måder at detektere lækage på. Jord geotelefoner med filterarrangement er meget nyttige til at lokalisere lækagestedet. Det sparer graveomkostningerne. Vandstrålen i jorden rammer indervæggen af jord eller beton. Dette vil skabe en svag støj. Denne støj vil henfalde, mens den kommer op på overfladen. Men den maksimale lyd kan kun opfanges over lækagepositionen. Forstærkere og filter hjælper med at få klar støj. Nogle typer gasser, der kommer ind i rørledningen, vil skabe en række lyde, når de forlader røret.

Dampfølerør

Den dampfølende rørlækagedetektionsmetode involverer installation af et rør langs hele rørledningens længde. Dette rør – i kabelform – er meget permeabelt for de stoffer, der skal påvises i den pågældende applikation. Hvis der opstår en lækage, kommer de stoffer, der skal måles, i kontakt med røret i form af damp, gas eller opløst i vand. I tilfælde af en lækage diffunderer noget af det utætte stof ind i røret. Efter et vist tidsrum producerer indersiden af røret et nøjagtigt billede af de stoffer, der omgiver røret. For at analysere koncentrationsfordelingen i sensorrøret skubber en pumpe luftsøjlen i røret forbi en detektionsenhed med konstant hastighed. Detektorenheden for enden af sensorrøret er udstyret med gassensorer. Hver stigning i gaskoncentrationen resulterer i en udtalt "lækagetop".

Fiberoptisk lækagedetektion

Mindst to fiberoptiske lækagedetektionsmetoder er ved at blive kommercialiseret: Distributed Temperature Sensing (DTS) og Distributed Acoustic Sensing (DAS). DTS-metoden involverer installation af et fiberoptisk kabel langs længden af den rørledning, der overvåges. De stoffer, der skal måles, kommer i kontakt med kablet, når der opstår en lækage, hvilket ændrer kablets temperatur og ændrer refleksionen af laserstrålepulsen, hvilket signalerer en lækage. Placeringen kendes ved at måle tidsforsinkelsen mellem, hvornår laserimpulsen blev udsendt, og når refleksionen detekteres. Dette virker kun, hvis stoffet har en anden temperatur end det omgivende miljø. Derudover giver den distribuerede fiberoptiske temperaturfølende teknik mulighed for at måle temperatur langs rørledningen. Ved scanning af hele fiberens længde bestemmes temperaturprofilen langs fiberen, hvilket fører til lækagedetektion.

DAS-metoden involverer en lignende installation af fiberoptisk kabel langs længden af den rørledning, der overvåges. Vibrationer forårsaget af et stof, der forlader rørledningen via en lækage, ændrer refleksionen af laserstråleimpulsen og signalerer en lækage. Placeringen kendes ved at måle tidsforsinkelsen mellem, hvornår laserimpulsen blev udsendt, og når refleksionen detekteres. Denne teknik kan også kombineres med metoden med distribueret temperaturføling for at give en temperaturprofil af rørledningen.