Läckagedetektering

by Delta Engineering / Fredag, 25 Mars 2016 / Publicerad i Högspänning

Pipeline läckagedetektering används för att avgöra om och i vissa fall där en läcka har uppstått i system som innehåller vätskor och gaser. Metoder för detektering inkluderar hydrostatisk testning efter uppförande av rörledning och läckagedetektering under service.

Rörledningsnät är det mest ekonomiska och säkraste transportsättet för olja, gaser och andra flytande produkter. Som ett medel för långväga transporter måste rörledningar uppfylla höga krav på säkerhet, tillförlitlighet och effektivitet. Om de underhålls på rätt sätt kan rörledningar hålla på obestämd tid utan läckor. De flesta betydande läckor som uppstår orsakas av skador från närliggande grävutrustning, därför är det viktigt att ringa myndigheter innan grävning för att säkerställa att det inte finns några nedgrävda rörledningar i närheten. Om en rörledning inte underhålls ordentligt kan den börja korrodera långsamt, särskilt vid konstruktionsfogar, låga punkter där fukt samlas eller platser med defekter i röret. Dessa defekter kan dock identifieras med inspektionsverktyg och korrigeras innan de utvecklas till en läcka. Andra orsaker till läckor är olyckor, jordrörelser eller sabotage.

Det primära syftet med läckagedetekteringssystem (LDS) är att hjälpa rörledningskontroller att upptäcka och lokalisera läckor. LDS ger ett larm och visar annan relaterad data till pipeline-kontrollerna för att underlätta beslutsfattandet. Rörledningsläckagedetekteringssystem är också fördelaktiga eftersom de kan förbättra produktiviteten och systemets tillförlitlighet tack vare minskad stilleståndstid och minskad inspektionstid. LDS är därför en viktig aspekt av pipelineteknik.

Enligt API-dokumentet "RP 1130" är LDS indelade i internt baserade LDS och externt baserade LDS. Internt baserade system använder fältinstrumentering (till exempel flödes-, tryck- eller vätsketemperatursensorer) för att övervaka interna rörledningsparametrar. Externt baserade system använder också fältinstrumentering (till exempel infraröda radiometrar eller värmekameror, ångsensorer, akustiska mikrofoner eller fiberoptiska kablar) för att övervaka externa rörledningsparametrar.

Regelverk

Vissa länder reglerar formellt rörledningen.

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

Denna rekommenderade praxis (RP) fokuserar på design, implementering, testning och drift av LDS som använder en algoritmisk metod. Syftet med denna rekommenderade praxis är att hjälpa rörledningsoperatören att identifiera problem som är relevanta för val, implementering, testning och drift av en LDS. LDS klassificeras i internt baserade och externt baserade. Internt baserade system använder fältinstrumentering (t.ex. för flöde, tryck och vätsketemperatur) för att övervaka interna rörledningsparametrar; dessa rörledningsparametrar används sedan för att sluta sig till en läcka. Externt baserade system använder lokala, dedikerade sensorer.

TRFL (Tyskland)

TRFL är förkortningen för "Technische Regel für Fernleitungsanlagen" (Technical Rule for Pipeline Systems). TRFL sammanfattar krav på rörledningar som omfattas av myndighetsföreskrifter. Det omfattar rörledningar som transporterar brandfarliga vätskor, rörledningar som transporterar vätskor som är farliga för vatten och de flesta rörledningar som transporterar gas. Fem olika typer av LDS- eller LDS-funktioner krävs:

Två oberoende LDS för kontinuerlig läckagedetektering under drift med stabil drift. Ett av dessa system eller ett ytterligare måste också kunna upptäcka läckor under kortvarig drift, t.ex. vid uppstart av rörledningen
En LDS för läckagedetektering under avstängning
En LDS för krypande läckor
En LDS för snabb läckage

Krav

API 1155 (ersatt av API RP 1130) definierar följande viktiga krav för en LDS:

Känslighet: En LDS måste säkerställa att förlusten av vätska till följd av ett läckage är så liten som möjligt. Detta ställer två krav på systemet: det måste upptäcka små läckor och det måste upptäcka dem snabbt.
Tillförlitlighet: Användaren måste kunna lita på LDS. Det betyder att den ska rapportera eventuella riktiga larm korrekt, men det är lika viktigt att den inte genererar falsklarm.
Noggrannhet: Vissa LDS kan beräkna läckflöde och läckage. Detta måste göras exakt.
Robusthet: LDS bör fortsätta att fungera under icke-ideala omständigheter. Till exempel, i händelse av ett givarefel, bör systemet upptäcka felet och fortsätta att fungera (möjligen med nödvändiga kompromisser såsom minskad känslighet).

Stadigtillstånd och övergående förhållanden

Under stationära förhållanden är flödet, trycken etc. i rörledningen (mer eller mindre) konstanta över tiden. Under övergående förhållanden kan dessa variabler förändras snabbt. Förändringarna fortplantar sig som vågor genom rörledningen med vätskans ljudhastighet. Transienta förhållanden uppstår i en pipeline till exempel vid uppstart, om trycket vid inloppet eller utloppet ändras (även om förändringen är liten), och när en batch ändras, eller när flera produkter är i pipeline. Gasledningar är nästan alltid i övergående förhållanden, eftersom gaser är mycket komprimerbara. Även i vätskeledningar kan övergående effekter inte bortse från för det mesta. LDS bör tillåta detektering av läckor för båda tillstånden för att ge läckagedetektering under hela rörledningens drifttid.

Internt baserade LDS

Internt baserade system använder fältinstrumentering (t.ex. för flöde, tryck och vätsketemperatur) för att övervaka interna rörledningsparametrar; dessa rörledningsparametrar används sedan för att sluta sig till en läcka. Systemkostnaderna och komplexiteten för internt baserade LDS är måttliga eftersom de använder befintlig fältinstrumentering. Denna typ av LDS används för standardsäkerhetskrav.

Tryck/flödesövervakning

En läcka förändrar rörledningens hydraulik och ändrar därför trycket eller flödesavläsningarna efter en tid. Lokal övervakning av tryck eller flöde vid endast en punkt kan därför ge enkel läckagedetektering. Eftersom det görs lokalt kräver det i princip ingen telemetri. Den är dock endast användbar i steady state-förhållanden och dess förmåga att hantera gasledningar är begränsad.

Akustiska tryckvågor

Den akustiska tryckvågsmetoden analyserar de sällsynta vågorna som produceras när en läcka uppstår. När ett rörledningsväggbrott inträffar, strömmar vätska eller gas ut i form av en höghastighetsstråle. Detta ger negativa tryckvågor som utbreder sig i båda riktningarna inom rörledningen och kan detekteras och analyseras. Metodens funktionsprinciper är baserade på den mycket viktiga egenskapen hos tryckvågor att färdas över långa avstånd med ljudhastigheten som styrs av rörledningens väggar. Amplituden hos en tryckvåg ökar med läckagestorleken. En komplex matematisk algoritm analyserar data från trycksensorer och kan på några sekunder peka på platsen för läckaget med en noggrannhet på mindre än 50 m (164 fot). Experimentella data har visat metodens förmåga att upptäcka läckor mindre än 3 mm (0.1 tum) i diameter och arbeta med den lägsta antalet falsklarm i branschen – mindre än 1 falsklarm per år.

Metoden kan emellertid inte upptäcka en pågående läcka efter den initiala händelsen: efter rörledningsväggens nedbrytning (eller brott), sjunker de initiala tryckvågorna och inga efterföljande tryckvågor genereras. Därför, om systemet misslyckas med att upptäcka läckan (till exempel eftersom tryckvågorna maskerades av övergående tryckvågor orsakade av en operationell händelse såsom en förändring i pumptryck eller ventilomkoppling), kommer systemet inte att upptäcka den pågående läckan.

Balansmetoder

Dessa metoder baseras på principen om bevarande av massa. I stationärt tillstånd, massflödet $\dot{M}_I$ genom att komma in i en läckfri ledning kommer massflödet att balanseras $\dot{M}_O$ lämnar det; varje minskning av massan som lämnar rörledningen (massobalans $\dot{M}_I - \dot{M}_O$ ) indikerar en läcka. Mätning av balansmetoder $\dot{M}_I$ och $\dot{M}_O$ använda flödesmätare och slutligen beräkna obalansen som är en uppskattning av det okända, sanna läckflödet. Jämför denna obalans (vanligtvis övervakad under ett antal perioder) med en tröskel för läckagelarm $\gamma$ genererar ett larm om denna övervakade obalans. Förbättrade balanseringsmetoder tar dessutom hänsyn till förändringshastigheten för rörledningens massainventering. Namn som används för förbättrade linjebalanseringstekniker är volymbalans, modifierad volymbalans och kompenserad massbalans.

Statistiska metoder

Statistiska LDS använder statistiska metoder (t.ex. från beslutsteorin) för att analysera tryck/flöde vid endast en punkt eller obalansen för att upptäcka en läcka. Detta leder till möjligheten att optimera läckagebeslutet om vissa statistiska antaganden håller. Ett vanligt tillvägagångssätt är att använda hypotestestproceduren

\text{Hypotes }H_0:\text{ Ingen läcka}

\text{Hypotes }H_1:\text{ Läcka}

Detta är ett klassiskt detektionsproblem, och det finns olika lösningar kända från statistik.

RTTM-metoder

RTTM betyder "Transientmodell i realtid". RTTM LDS använder matematiska modeller av flödet i en pipeline med hjälp av grundläggande fysiska lagar som bevarande av massa, bevarande av momentum och bevarande av energi. RTTM-metoder kan ses som en förbättring av balanseringsmetoder eftersom de dessutom använder bevarandeprincipen momentum och energi. En RTTM gör det möjligt att beräkna massflöde, tryck, densitet och temperatur vid varje punkt längs rörledningen i realtid med hjälp av matematiska algoritmer. RTTM LDS kan enkelt modellera steady-state och transient flöde i en pipeline. Med hjälp av RTTM-teknik kan läckor upptäckas under steady-state och transienta förhållanden. Med korrekt fungerande instrumentering kan läckagehastigheter uppskattas funktionellt med hjälp av tillgängliga formler.

E-RTTM-metoder

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

E-RTTM står för "Extended Real-Time Transient Model", som använder RTTM-teknik med statistiska metoder. Så läckagedetektering är möjlig under steady-state och övergående tillstånd med hög känslighet, och falsklarm kommer att undvikas med statistiska metoder.

För den återstående metoden beräknar en RTTM-modul uppskattningar $\hat{\dot{M}}_I$ , $\hat{\dot{M}}_O$ för MASS FLOW vid respektive inlopp och utlopp. Detta kan göras med hjälp av mätningar för tryck och temperatur vid inloppet ( $pi$ , $T_I$ ) och utlopp ( $p_O$ , $TILL$ ). Dessa uppskattade massflöden jämförs med de uppmätta massflödena $\dot{M}_I$ , $\dot{M}_O$ , vilket ger resterna $x=\dot{M}_I - \hat{\dot{M}}_I$ och $y=\dot{M}}_O - \hat{\dot{M}}_O$ . Dessa restvärden är nära noll om det inte finns något läckage; annars visar resterna en karakteristisk signatur. I ett nästa steg blir resterna föremål för en läcksignaturanalys. Denna modul analyserar deras tidsmässiga beteende genom att extrahera och jämföra läcksignaturen med läcksignaturer i en databas ("fingeravtryck"). Läckagelarm deklareras om den extraherade läcksignaturen stämmer överens med fingeravtrycket.

Externt baserade LDS

Externt baserade system använder lokala, dedikerade sensorer. Sådana LDS är mycket känsliga och exakta, men systemkostnaden och installationens komplexitet är vanligtvis mycket hög; tillämpningar begränsas därför till särskilda högriskområden, t.ex. nära åar eller naturskyddsområden.

Digital oljeläckagedetekteringskabel

Digital Sense Cables består av en fläta av semipermeabla interna ledare som skyddas av en permeabel isolerande gjuten fläta. En elektrisk signal passerar genom de interna ledarna och övervakas av en inbyggd mikroprocessor inuti kabelkontakten. Utströmmande vätskor passerar genom den externa permeabla flätan och kommer i kontakt med de inre semipermeabla ledarna. Detta orsakar en förändring i kabelns elektriska egenskaper som detekteras av mikroprocessorn. Mikroprocessorn kan lokalisera vätskan med en upplösning på 1 meter längs dess längd och ge en lämplig signal till övervakningssystem eller operatörer. Sensorkablarna kan lindas runt rörledningar, begravas under ytan med rörledningar eller installeras som en rör-i-rör-konfiguration.

Infraröd radiometrisk pipelinetestning

Antenntermogram av begravd längsgående oljeledning som avslöjar förorening under ytan orsakad av en läcka

Infraröd termografisk rörledningstestning har visat sig vara både exakt och effektiv när det gäller att upptäcka och lokalisera rörledningsläckor under ytan, hålrum orsakade av erosion, försämrad rörledningsisolering och dålig återfyllning. När en rörledningsläcka har tillåtit en vätska, såsom vatten, att bilda en plym nära en rörledning, har vätskan en värmeledningsförmåga som skiljer sig från den torra jorden eller återfyllningen. Detta kommer att återspeglas i olika yttemperaturmönster ovanför läckageplatsen. En högupplöst infraröd radiometer gör att hela områden kan skannas och de resulterande data kan visas som bilder med områden med olika temperaturer som anges av olika gråtoner på en svartvit bild eller av olika färger på en färgbild. Detta system mäter endast ytenergimönster, men mönstren som mäts på markytan ovanför en nedgrävd rörledning kan hjälpa till att visa var rörledningsläckor och resulterande erosionshålrum bildas; den upptäcker problem så djupt som 30 meter under markytan.

Akustiska utsläppsdetektorer

Utströmmande vätskor skapar en akustisk signal när de passerar genom ett hål i röret. Akustiska sensorer fästa på utsidan av rörledningen skapar ett akustiskt "fingeravtryck" av ledningen från det interna bruset från rörledningen i dess oskadade tillstånd. När ett läckage inträffar detekteras och analyseras en resulterande lågfrekvent akustisk signal. Avvikelser från baslinjens "fingeravtryck" signalerar ett larm. Nu har sensorer ett bättre arrangemang med val av frekvensband, val av tidsfördröjningsområde etc. Detta gör graferna mer distinkta och enkla att analysera. Det finns andra sätt att upptäcka läckage. Jordade geotelefoner med filterarrangemang är mycket användbara för att lokalisera läckageplatsen. Det sparar grävkostnaden. Vattenstrålen i jorden träffar innerväggen av jord eller betong. Detta kommer att skapa ett svagt ljud. Detta ljud kommer att avta när det kommer upp på ytan. Men det maximala ljudet kan bara plockas upp över läckageläget. Förstärkare och filter hjälper till att få klart brus. Vissa typer av gaser som kommer in i rörledningen kommer att skapa en rad ljud när de lämnar röret.

Ångavkännande rör

Metoden för ångavkännande rörläckagedetektering innebär installation av ett rör längs hela rörledningens längd. Detta rör – i kabelform – är mycket genomsläppligt för de ämnen som ska detekteras i den specifika applikationen. Om ett läckage uppstår kommer ämnena som ska mätas i kontakt med röret i form av ånga, gas eller lösta i vatten. Vid läckage diffunderar en del av det läckande ämnet in i röret. Efter en viss tid ger insidan av röret en korrekt bild av de ämnen som omger röret. För att analysera koncentrationsfördelningen i sensorröret trycker en pump luftpelaren i röret förbi en detektionsenhet med konstant hastighet. Detektorenheten i änden av sensorröret är utrustad med gassensorer. Varje ökning av gaskoncentrationen resulterar i en uttalad "läckagetopp".

Fiberoptisk läckagedetektion

Minst två fiberoptiska läckagedetektionsmetoder kommersialiseras: Distributed Temperature Sensing (DTS) och Distributed Acoustic Sensing (DAS). DTS-metoden innebär installation av en fiberoptisk kabel längs med den rörledning som övervakas. Ämnen som ska mätas kommer i kontakt med kabeln när ett läckage inträffar, vilket ändrar kabelns temperatur och ändrar reflektionen av laserstrålepulsen, vilket signalerar ett läckage. Platsen är känd genom att mäta tidsfördröjningen mellan när laserpulsen sänds ut och när reflektionen detekteras. Detta fungerar bara om ämnet har en annan temperatur än den omgivande miljön. Dessutom erbjuder den distribuerade fiberoptiska temperaturavkänningstekniken möjligheten att mäta temperatur längs rörledningen. Genom att skanna hela längden av fibern bestäms temperaturprofilen längs fibern, vilket leder till läckagedetektering.

DAS-metoden innebär en liknande installation av fiberoptisk kabel längs den rörledning som övervakas. Vibrationer orsakade av att ett ämne lämnar rörledningen via en läcka ändrar reflektionen av laserstrålens puls, vilket signalerar en läcka. Platsen är känd genom att mäta tidsfördröjningen mellan när laserpulsen sänds ut och när reflektionen detekteras. Denna teknik kan också kombineras med metoden för distribuerad temperaturavkänning för att ge en temperaturprofil för rörledningen.