Виявлення витоку

by Дельта Інжиніринг / П'ятниця, Березень 25 2016 / Published in Висока напруга

Трубопровід виявлення витоків використовується для визначення того, чи в деяких випадках, якщо відбувся витік у системах, що містять рідини та гази. Методи виявлення включають гідростатичні випробування після зведення трубопроводу та виявлення витоку під час експлуатації.

Трубопровідні мережі - це найбільш економічний і безпечний спосіб транспортування нафти, газів та інших рідких продуктів. Трубопроводи, як засіб перевезення на великі відстані, повинні відповідати високим вимогам безпеки, надійності та ефективності. При правильному обслуговуванні трубопроводи можуть прослужити нескінченно без витоків. Найбільш значні витоки, що трапляються, спричинені пошкодженнями поблизу обладнання для розкопок, тому важливо викликати органи влади перед проведенням розкопок, щоб переконатися, що поблизу немає похованих трубопроводів. Якщо трубопровід не підтримується належним чином, він може почати повільно кородувати, особливо в будівельних стиках, низьких точках, де збирається волога, або місцях з недосконалістю в трубі. Однак ці дефекти можна виявити інструментами огляду та виправити до того, як вони прогресують. Інші причини протікання включають аварії, рух землі або диверсії.

Основна мета систем виявлення витоку (LDS) - допомогти контролерам трубопроводів у виявленні та локалізації витоків. LDS подає сигнал тривоги та відображає інші пов'язані дані з контролерами трубопроводів, щоб допомогти у прийнятті рішень. Системи виявлення витоків трубопроводів також вигідні, оскільки можуть підвищити продуктивність та надійність системи завдяки скороченому простою та скороченому часу на перевірку. Тому LDS є важливим аспектом трубопровідних технологій.

Відповідно до документа API «RP 1130», LDS поділяються на внутрішню та зовнішню LDS. Системи, що базуються на внутрішній основі, використовують польові прилади (наприклад, датчики потоку, тиску або температури рідини) для контролю внутрішніх параметрів трубопроводу. Зовнішні системи також використовують польові прилади (наприклад, інфрачервоні радіометри або теплові камери, парові датчики, акустичні мікрофони або волоконно-оптичні кабелі) для контролю зовнішніх параметрів трубопроводу.

Правила і норми

Деякі країни формально регулюють експлуатацію трубопроводів.

API RP 1130 «Обчислювальний моніторинг трубопроводів для рідин» (США)

Ця рекомендована практика (RP) зосереджена на розробці, впровадженні, випробуванні та експлуатації СРС, що використовують алгоритмічний підхід. Метою цієї рекомендованої практики є надання допомоги оператору трубопроводів у визначенні питань, що стосуються вибору, впровадження, випробування та експлуатації СРС. LDS класифікуються на внутрішні та зовнішні. Внутрішні системи використовують польові прилади (наприклад, для подачі, тиску та температури рідини) для контролю внутрішніх параметрів трубопроводу; ці параметри трубопроводу згодом використовуються для висновку про витік. Зовнішні системи використовують місцеві спеціальні датчики.

TRFL (Німеччина)

TRFL - це абревіатура від "Technische Regel für Fernleitungsanlagen" (Технічне правило для трубопроводних систем). TRFL узагальнює вимоги до трубопроводів, що підпадають під офіційні правила. Він охоплює трубопроводи, що транспортують легкозаймисті рідини, трубопроводи, що транспортують небезпечні для води рідини, і більшість трубопроводів, що транспортують газ. Потрібні п’ять різних типів функцій LDS або LDS:

Два незалежних LDS для постійного виявлення витоку під час роботи в стаціонарному режимі. Одна з цих систем або додаткова система також повинна мати можливість виявляти витоки під час перехідних операцій, наприклад, під час запуску трубопроводу.
Один LDS для виявлення витоку під час роботи в режимі вимикання
Одна LDS для повзучих протікань
Один LDS для швидкого місця протікання

Вимога

API 1155 (замінено API RP 1130) визначає такі важливі вимоги до LDS:

Чутливість: LDS повинен забезпечувати, щоб втрати рідини внаслідок витоку були якомога меншими. Це ставить дві вимоги до системи: вона повинна виявляти невеликі витоки, і вона повинна швидко їх виявляти.
Надійність: Користувач повинен мати можливість довіряти LDS. Це означає, що він повинен правильно повідомляти про будь-які реальні тривоги, але не менш важливо, щоб вони не генерували помилкових тривог.
Точність: Деякі LDS здатні обчислити витрату і місце витоку. Це потрібно зробити акуратно.
Міцність: LDS повинні продовжувати працювати в неідеальних обставинах. Наприклад, у разі відмови перетворювача система повинна виявити збій і продовжувати працювати (можливо, з необхідними компромісами, такими як зниження чутливості).

Стаціонарні та перехідні умови

Під час стаціонарних умов потік, тиск тощо в трубопроводі з часом (більш-менш) постійні. Під час перехідних умов ці змінні можуть швидко змінюватися. Зміни поширюються як хвилі через трубопровід зі швидкістю звуку рідини. Перехідні умови виникають у трубопроводі, наприклад, при пуску, якщо тиск на вході або на виході змінюється (навіть якщо зміна невелика), і коли партія змінюється, або коли в трубопроводі є багато продуктів. Газопроводи майже завжди знаходяться в перехідних умовах, оскільки гази дуже стисливі. Навіть у рідких трубопроводах минущі ефекти не можуть залишатися без уваги більшість часу. LDS повинен забезпечувати виявлення витоків за обох умов, щоб забезпечити виявлення витоку протягом усього часу роботи трубопроводу.

Внутрішньообладна ЛДС

Внутрішні системи використовують польові прилади (наприклад, для подачі, тиску та температури рідини) для контролю внутрішніх параметрів трубопроводу; ці параметри трубопроводу згодом використовуються для висновку про витік. Системні витрати та складність внутрішньовимірюваних СДС є помірними, оскільки вони використовують існуючі польові прилади. Цей тип LDS використовується для стандартних вимог безпеки.

Моніторинг тиску / потоку

Витік змінює гідравліку трубопроводу, а отже, через деякий час змінює показання тиску або потоку. Локальний моніторинг тиску або потоку лише в одній точці може забезпечити просте виявлення витоку. Оскільки це робиться на місцевому рівні, в принципі не потрібна телеметрія. Однак він корисний лише в стаціонарних умовах, і його здатність працювати з газопроводами обмежена.

Акустичні хвилі тиску

Метод хвилі акустичного тиску аналізує хвилі розрідження, що виникають при витоку. Коли відбувається пробій стінки трубопроводу, рідина або газ виходить у вигляді струменя високої швидкості. Це створює хвилі негативного тиску, які поширюються в обох напрямках всередині трубопроводу і можуть бути виявлені та проаналізовані. Принципи роботи методу засновані на дуже важливій характеристиці хвиль тиску для переміщення на великі відстані зі швидкістю звуку, керованого стінками трубопроводу. Амплітуда хвилі тиску збільшується із збільшенням розміру витоку. Складний математичний алгоритм аналізує дані датчиків тиску і здатний за лічені секунди вказати на місце витоку з точністю менше 50 м (164 футів). Експериментальні дані показали здатність методу виявляти витоки діаметром менше 3 мм (0.1 дюйма) і працювати з найнижчою частотою помилкових тривог у галузі - менше 1 помилкової тривоги на рік.

Однак метод не в змозі виявити поточний витік після початкової події: після руйнування стіни трубопроводу (або розриву) початкові хвилі тиску стихають і не утворюються наступні хвилі тиску. Тому, якщо система не зможе виявити витік (наприклад, через те, що хвилі тиску були замасковані перехідними хвилями тиску, спричиненими операційними подіями, такими як зміна тиску накачування або перемикання клапана), система не виявить поточну витік.

Методи балансування

Ці методи ґрунтуються на принципі збереження маси. У стаціонарному стані масовий потік $\ крапка {M} _I$ потрапляння в трубопровід без витоку врівноважить масову витрату $\ крапка {M} _O$ залишаючи його; будь-яке падіння маси, що виходить з трубопроводу (масовий дисбаланс $\ крапка {M} _I - \ крапка {M} _O$ ) вказує на протікання. Вимірювання методів балансування $\ крапка {M} _I$ та $\ крапка {M} _O$ за допомогою витратомірів і, нарешті, обчислити дисбаланс, який є оцінкою невідомого справжнього потоку витоку. Порівнюючи цей дисбаланс (як правило, відслідковується протягом ряду періодів) з порогом тривоги витоку $\ гамма$ генерує сигнал тривоги, якщо цей відстежуваний дисбаланс. Покращені методи балансування додатково враховують швидкість зміни масового запасу трубопроводу. Назви, які використовуються для розширених методів балансування ліній, - це баланс гучності, модифікований баланс гучності та компенсований баланс маси.

Статистичні методи

Статистичні СРЗ використовують статистичні методи (наприклад, із області теорії прийняття рішень) для аналізу тиску / витрати лише в одній точці або дисбалансу для виявлення витоку. Це призводить до можливості оптимізації рішення щодо витоку, якщо виконуються деякі статистичні припущення. Загальним підходом є використання процедури перевірки гіпотез

\ текст {Гіпотеза} H_0: \ текст {Без витоку}

\ текст {Гіпотеза} H_1: \ текст {Витік}

Це класична проблема виявлення, і є різні рішення, відомі зі статистики.

RTTM методи

RTTM означає "Перехідна модель в реальному часі". RTTM LDS використовують математичні моделі потоку в трубопроводі, використовуючи основні фізичні закони, такі як збереження маси, збереження імпульсу та збереження енергії. Методи RTTM можна розглядати як вдосконалення методів балансування, оскільки вони додатково використовують принцип збереження імпульсу та енергії. RTTM дозволяє обчислювати масовий витрата, тиск, щільність і температуру в кожній точці трубопроводу в режимі реального часу за допомогою математичних алгоритмів. RTTM LDS може легко моделювати стаціонарний та перехідний потік у трубопроводі. Використовуючи технологію RTTM, витоки можна виявити в стаціонарних та перехідних умовах. За умови належного функціонування приладів швидкість витоку може бути функціонально оцінена за допомогою доступних формул.

Методи E-RTTM

Розширена модель перехідного часу в режимі потоку сигналу (E-RTTM)

E-RTTM розшифровується як «Розширена перехідна модель в реальному часі», використовуючи технологію RTTM зі статистичними методами. Отже, виявлення витоків можливо під час стаціонарного та перехідного стану з високою чутливістю, а помилкових тривог вдасться уникнути за допомогою статистичних методів.

Для залишкового методу модуль RTTM обчислює оцінки $\ hat {\ dot {M}} _ I$ , $\ hat {\ крапка {M}} _ O$ для МАССЬКОГО ПОТОКУ на вході та на виході відповідно. Це можна зробити за допомогою вимірювань для тиск і температура на вході ( $p_I$ , $Т_І$ ) та вихідний отвір ( $p_O$ , $Т_О$ ). Ці розрахункові масові потоки порівнюються із виміряними масовими потоками $\ крапка {M} _I$ , $\ крапка {M} _O$ , даючи залишки $x = \ крапка {M} _I - \ hat {\ dot {M}} _ I$ та $y = \ крапка {M} _O - \ hat {\ dot {M}} _ O$ . Ці залишки близькі до нуля, якщо немає витоку; в іншому випадку залишки показують характерний підпис. На наступному етапі залишки підлягають аналізу підпису на витік. Цей модуль аналізує їх тимчасову поведінку, витягуючи та порівнюючи підпис протікання з підписами протікання в базі даних (“відбиток пальців”). Сигналізація про витік оголошується, якщо витягнутий підпис протікання відповідає відбитку пальця.

LDS, що базується на зовнішніх послугах

Зовнішні системи використовують місцеві спеціальні датчики. Такі LDS є дуже чутливими та точними, але вартість системи та складність установки, як правило, дуже великі; Тому застосування обмежується спеціальними зонами високого ризику, наприклад поблизу річок чи природоохоронних територій.

Цифровий кабель на виявлення витоку масла

Цифрові кабелі Sense складаються з обплетення напівпроникних внутрішніх провідників, захищених проникною ізолюючою формою. Електричний сигнал передається через внутрішні провідники і контролюється вбудованим мікропроцесором всередині кабельного роз'єму. Рідини, що виділяються, проходять через зовнішню проникну тасьму і контактують із внутрішніми напівпроникними провідниками. Це спричиняє зміну електричних властивостей кабелю, що виявляється мікропроцесором. Мікропроцесор може розміщувати рідину в межах 1-метрова роздільної здатності по її довжині і подавати відповідний сигнал системам моніторингу або операторам. Чутливі кабелі можуть бути обмотані навколо трубопроводів, закопані в підповерхню трубопроводами або встановлені як конфігурація «труба в трубі».

Тестування інфрачервоного радіометричного трубопроводу

Повітряна термограма похованого міжміського нафтопроводу, що виявляє підземне забруднення, викликане витоком

Випробовування інфрачервоного термографічного трубопроводу показало себе як точним, так і ефективним у виявленні та виявленні підземних витоків трубопроводів, порожнеч, спричинених ерозією, погіршеною ізоляцією трубопроводу та поганою засипкою. Коли витік трубопроводу дозволив рідини, такі як вода, утворити шлейф поблизу трубопроводу, рідина має теплопровідність, відмінну від сухого ґрунту або засипки. Це буде відображено в різних моделях температури поверхні над місцем витоку. Інфрачервоний радіометр із високою роздільною здатністю дозволяє сканувати цілі ділянки, а отримані дані відображати як зображення із зонами різної температури, позначеними різними сірими тонами на чорно-білому зображенні або різними кольорами на кольоровому зображенні. Ця система вимірює лише схеми поверхневої енергії, але схеми, які вимірюються на поверхні землі над заглибленим трубопроводом, можуть допомогти показати, де утечки трубопроводу утворюються і як наслідок утворюються порожнечі ерозії; він виявляє проблеми на глибині 30 метрів під поверхнею землі.

Детектори акустичної емісії

Витікаючі рідини створюють акустичний сигнал, коли вони проходять через отвір у трубі. Акустичні датчики, прикріплені до зовнішньої частини трубопроводу, створюють базовий акустичний "відбиток" лінії від внутрішнього шуму трубопроводу в його непошкодженому стані. Коли відбувається витік, виявляється і аналізується отриманий низькочастотний акустичний сигнал. Відхилення від базового "відбитка" сигналізують про тривогу. Тепер датчики мають кращу схему вибору діапазону частот, вибір діапазону затримки часу тощо. Це робить графіки більш чіткими та легкими для аналізу. Існують інші способи виявлення витоку. Наземні геофони з розташуванням фільтрів дуже корисні для точного визначення місця витоку. Це економить вартість розкопок. Струмінь води в грунт потрапляє на внутрішню стінку грунту або бетону. Це створить слабкий шум. Цей шум буде згасати під час виходу на поверхню. Але максимальний звук можна підібрати лише над положенням витоку. Підсилювачі та фільтр допомагають отримувати чистий шум. Деякі типи газів, що надходять у трубопровід, створюватимуть діапазон звуків при виході з труби.

Парові чутливі трубки

Метод виявлення витоків парочутливої трубки передбачає встановлення трубки по всій довжині трубопроводу. Ця трубка - у формі кабелю - є високопроникною для речовин, що виявляються в конкретному застосуванні. Якщо відбувається витік, речовини, що підлягають вимірюванню, стикаються з трубкою у формі пари, газу або розчинених у воді. У разі витоку частина витікаючої речовини дифундує в трубку. Через певний проміжок часу всередині трубки створюється точне зображення речовин, що оточують трубку. Для того, щоб проаналізувати розподіл концентрації, присутній у трубці датчика, насос штовхає колонку повітря в трубці повз блок виявлення з постійною швидкістю. Блок детектора в кінці трубки датчика оснащений газовими датчиками. Кожне збільшення концентрації газів призводить до вираженого «піку витоку».

Виявлення волоконно-оптичного витоку

Комерціалізуються щонайменше два способи виявлення витоку волокон: оптичне розподілене температурне (DTS) та розподілене акустичне зондування (DAS). Метод DTS передбачає встановлення волоконно-оптичного кабелю по всій довжині трубопроводу, що контролюється. Речовини, що підлягають вимірюванню, контактують з кабелем, коли відбувається витік, зміна температури кабелю та зміна відбиття імпульсу лазерного променя, сигналізація про витік. Місце знання визначається за допомогою вимірювання часової затримки між тим, коли випромінювався лазерний імпульс, і коли виявлено відбиття. Це працює лише в тому випадку, якщо речовина знаходиться при температурі, відмінній від навколишнього середовища. Крім того, розподілена волоконно-оптична техніка зондування температури пропонує можливість вимірювати температуру по трубопроводу. Скануючи на всю довжину волокна, визначається температурний профіль вздовж волокна, що призводить до виявлення витоку.

Метод DAS передбачає аналогічну установку волоконно-оптичного кабелю по всій довжині трубопроводу, що контролюється. Вібрації, викликані речовиною, що виходить з трубопроводу через витік, змінює відбиття імпульсу лазерного променя, сигналізуючи про витік. Місце знання визначається за допомогою вимірювання часової затримки між тим, коли випромінювався лазерний імпульс, і коли виявлено відбиття. Ця методика може також поєднуватися з методом розподіленої температури зондування для забезпечення температурного профілю трубопроводу.