Läckagedetektering

Rörledningsläckagedetektering används för att avgöra om och i vissa fall där en läcka har uppstått i system som innehåller vätskor och gaser . Detekteringsmetoder inkluderar hydrostatisk testning , infraröd och laserteknik efter uppförande av rörledning och läckagedetektering under service.

Rörledningsnät är ett transportsätt 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. Vissa betydande läckor som uppstår orsakas av skador från närliggande schaktning, men de flesta läckor orsakas av korrosion och utrustningsfel och felaktig drift. Om en rörledning inte underhålls ordentligt kan den korrodera, särskilt vid konstruktionsfogar, låga punkter där fukt samlas eller platser med defekter i röret. Andra orsaker till läckor inkluderar yttre kraftskador (som skador från bilar och borriggar) och naturlig kraft (som jordrörelser, kraftiga regn och översvämningar, blixtar och temperatur).

Den vanligaste metoden för att upptäcka läckage för rörledningsoperatörer kallas Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA). Detta system använder en serie sensorer för att spåra data som tryck, flödeshastigheter, temperatur och om ventiler är öppna eller stängda. Sensorerna vidarebefordrar informationen till ett kontrollrum där operatörerna avgör legitimiteten för läckalarmen. Vissa system har lagt till Computational Pipeline Monitoring System (CPM), vars huvuduppgift är att upptäcka läckor. Dessa system har rapporterats av rörledningsoperatörer till US Department of Transportation's Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration vara ineffektiva i läckagedetektering. Även med dessa på plats rapporteras SCADA-systemet endast ha upptäckt 19 % av läckorna, och CPM-systemet detekterar endast 10 % av läckorna.

Det primära syftet med läckagedetekteringssystem (LDS) är att hjälpa rörledningskontroller att upptäcka och lokalisera läckor. LDS tillhandahåller larm och visar annan relaterad data till pipelinekontrollerna för att underlätta beslutsfattandet. Rörledningsläckagedetekteringssystem kan också förbättra produktiviteten och systemets tillförlitlighet tack vare minskad stilleståndstid och inspektionstid.

Enligt API- dokumentet "RP 1130" är LDS uppdelade 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 en annan uppsättning fältinstrumentering (till exempel infraröda radiometrar eller värmekameror , ångsensorer, akustiska mikrofoner eller fiberoptiska kablar) för att övervaka externa pipelineparametrar.

Regler och förordningar

Vissa länder reglerar formellt rörledningsdrift.

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.

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 stationär drift. Ett av dessa system eller ytterligare ett måste också kunna upptäcka läckor under transient drift, t.ex. vid uppstart av rörledningen
En LDS för läckagedetektering vid instängning
En LDS för krypande läckor
En LDS för snabb lokalisering av 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 läckageflöde och läckageplats. 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).

Steady-state och transienta 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 baserad LDS

Översikt om internt baserade LDS.

Internt baserade system använder fältinstrumentering (t.ex. för flöde, tryck och vätsketemperatur) för att övervaka interna rörledningsparametrar som används för att upptäcka eventuella läckor. Systemkostnaden 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 dock inte upptäcka en pågående läcka efter den initiala händelsen: efter att rörledningens vägg havererat (eller brott), avtar de initiala tryckvågorna och inga efterföljande tryckvågor genereras. Därför, om systemet misslyckas med att upptäcka läckan (till exempel på grund av att tryckvågorna maskerades av transienta tryckvågor orsakade av en driftshändelse såsom en förändring av pumptrycket eller ventilbyte), kommer systemet inte att upptäcka den pågående läckan.

Balanseringsmetoder

Dessa metoder baseras på principen om bevarande av massa . I stationärt tillstånd kommer massflödet ${\dot {M}}_{I}$ som går in i en läckagefri rörledning att balansera massflödet ${\dot {M}} _{O}$ lämnar det; varje minskning av massan som lämnar rörledningen (massobalans ${\displaystyle {\dot {M}}_{I}-{\dot {M}}_{O}})$ indikerar en läcka. Balanseringsmetoder mäter ${\dot {M}}_{I}$ och ${\dot {M}}_{O}$ med hjälp av flödesmätare och beräknar slutligen obalansen som är en uppskattning av det okända, sanna läckflödet. Att jämföra denna obalans (typiskt övervakad över ett antal perioder) mot en läckalarmströskel $\gamma$ 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.

Statsobservatörsbaserade metoder

Dessa metoder är baserade på tillståndsobservatörer som är designade från flytande matematiska modeller uttryckta i stat-rymd-representation . Dessa metoder kan klassificeras i två typer: oändligt dimensionella observatörer och ändliga dimensionella observatörer. Den första typen är baserad på ett par kvasilinjära hyperboliska partiella differentialekvationer: ett momentum och en kontinuitetsekvation som representerar vätskedynamiken i en pipeline. De finita dimensionella observatörerna är konstruerade från en klumpad version av momentum och en kontinuitetsekvation. Flera typer av observatörer har använts för läckagedetektering, till exempel Kalman-filter , högförstärkningsobservatörer, glidlägesobservatörer och observatörer av Luenberger-typ.

Statistiska metoder

Statistiska LDS använder statistiska metoder (t.ex. från området beslutsteori ) 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 användningen av 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 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 residualmetoden beräknar en RTTM-modul uppskattningar ${\displaystyle {\hat {\dot {M}}}_{I}} ,$ M $\displaystyle {\hat {\dot {M} }}_{O}}$ för MASSFLÖDE vid inlopp respektive utlopp. Detta kan göras med hjälp av mätningar för tryck och temperatur vid inlopp ( $p_{I}$ , $T_{I}$ ) och utlopp ( $p_{O}$ , $T_{O}$ ). Dessa uppskattade massflöden jämförs med de uppmätta massflödena ${\dot {M}}_{I}$ , ${\displaystyle {\dot {M}}_{O}} ,$ vilket ger residualerna $x={\dot {M}}_{I}-{\hat {\dot {M}}}_{I}$ 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 baserad LDS

Värmekamerasystem med videoanalysmjukvara som upptäcker ett oljeläckage från en ventil på 50 fot och 150 fot i kraftigt regn.

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.

Analytisk termisk läckagedetektor för rörledningar ovan jord

Videoanalysdriven värmeavbildning med okylda mikrobolometer infraröda sensorer växer fram som en ny och effektiv metod för att visualisera, detektera och generera varningar om oplanerade ytemissioner av vätskor och kolvätegasvätskor. Detektering till larmgenerering tar mindre än 30 sekunder. Denna teknik är lämplig för röranläggningar ovan jord, såsom pumpstationer, raffinaderier, lagringsplatser, gruvor, kemiska anläggningar, vattenkorsningar och vattenreningsverk. Behovet av nya lösningar inom detta område drivs av att mer än hälften av rörledningsläckorna uppstår vid anläggningar.

Högkvalitativ termografisk teknik mäter och visualiserar exakt emissivitet eller infraröd strålning (termisk värme) från objekt till bilder i gråskala utan behov av omgivande belysning. Den övervakade petroleumprodukten (t.ex. olja) särskiljs från bakgrundsobjekt genom denna värmeskillnad. Tillägget av en analytisk mjukvarukomponent, som vanligtvis kan optimeras för att bättre hantera en specifik applikation eller miljö, möjliggör automatiserad läckanalys, validering och rapportering på plats, vilket minskar beroendet av arbetskraft. En läcka som uppstår inom ett analytiskt område (en regel som läggs till i kameran) analyseras omedelbart för dess egenskaper, inklusive termisk temperatur, storlek och beteende (t.ex. sprutning, poolning, spill). När en läcka fastställs vara giltig baserat på inställda parametrar genereras ett larmmeddelande med läckagevideo och skickas till en övervakningsstation.

Optimalt detekteringsavstånd varierar och påverkas av kameralinsens storlek, upplösning, synfält, termisk detekteringsomfång och känslighet, läckagestorlek och andra faktorer. Systemets lager av filter och immunitet mot miljöelement, såsom snö, is, regn, dimma och bländning, bidrar till att minska falsklarm. Videoövervakningsarkitekturen kan integreras i befintliga läckdetektions- och reparationssystem (LDAR), inklusive SCADA-nätverk, såväl som andra övervakningssystem .

Digital oljeläckagedetekteringskabel

Digitala avkänningskablar 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

Flygtermogram över nedgrävd oljeledning för längdåkning 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 emissionsdetektorer

Chris Cassidy arbetar med en ultraljudsläckdetektor på den internationella rymdstationen.

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. Förutom passiv detektering har aktiva SONAR -baserade metoder för läckdetektion föreslagits, baserade på karakteristiska svar från flerfasbubblor och antibubblor .

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 läckagedetektering

Minst två fiberoptiska läckagedetekteringsmetoder 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 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.

Pipeline överflygningar

Överflygningar av rörledningen utförs ofta för att antingen bekräfta platsen eller för att upptäcka och lokalisera små utsläpp som inte kan identifieras med andra metoder. Vanligtvis spelas övergången av vägrätten in med video, som kan ha viss bildfiltrering, såsom värmebilder. Större utsläpp kommer vanligtvis att identifieras av en "glans" i våtmarker eller ett område med död vegetation runt utsläppsplatsen.

Flyovers är vanligtvis schemalagda och rekommenderas inte som en primär läckagedetekteringsmetod. De kan användas för att snabbt bekräfta förekomsten och platsen för en läcka.

Biologisk läckagedetektion

Biologiska metoder för att upptäcka läckage inkluderar användning av hundar, som är mer benägna att användas när en utsättning har identifierats men inte lokaliserats på grund av dess ringa storlek; eller av landskapsarkitekter som håller rörledningen fri.

Det finns flera företag som kan tillhandahålla hundar som är tränade för att identifiera doften av utsläpp. Vanligtvis injicerar en tekniker en vätska i rörledningen som dofthundarna är tränade att spåra. Hundarna kommer sedan att rikta förare mot en rörledningsläcka. De är tränade för att indikeras vid den starkaste koncentrationen, därför kan deras lokaliseringsförmåga vanligtvis ligga inom en meter. Det tar vanligtvis 24 till 48 timmar att mobilisera ett team, och det kan ta flera dagar att faktiskt hitta en frigivning beroende på områdets avlägset läge.

Rörledningsrätten hålls fri av landskapsarkitekter som också är utbildade i att leta efter tecken på utsläpp av rörledningar. Detta är vanligtvis en schemalagd process och bör inte betraktas som en primär form av läckagedetektering.

Se även

Rörledningsförberedelse