Lek detectie

by Delta Engineering / Vrijdag, maart 25 2016 / Gepubliceerd in Hoog voltage

Pijpleiding lekdetectie wordt gebruikt om te bepalen of en in sommige gevallen waar er een lek is opgetreden in systemen die vloeistoffen en gassen bevatten. Detectiemethoden zijn onder meer hydrostatisch testen na het plaatsen van de pijpleiding en lekdetectie tijdens onderhoud.

Pijpleidingnetwerken zijn de meest economische en veiligste manier van transport voor olie, gassen en andere vloeibare producten. Als transportmiddel over lange afstanden moeten pijpleidingen voldoen aan hoge eisen op het gebied van veiligheid, betrouwbaarheid en efficiëntie. Als ze goed worden onderhouden, kunnen pijpleidingen onbeperkt meegaan zonder lekken. De meeste significante lekken die optreden, worden veroorzaakt door schade door graafapparatuur in de buurt, daarom is het van cruciaal belang om de autoriteiten te bellen voordat u gaat graven om er zeker van te zijn dat er geen ondergrondse pijpleidingen in de buurt zijn. Als een pijpleiding niet goed wordt onderhouden, kan deze langzaam beginnen te corroderen, vooral bij constructievoegen, dieptepunten waar vocht zich ophoopt of locaties met onvolkomenheden in de pijpleiding. Deze defecten kunnen echter worden geïdentificeerd door inspectietools en worden gecorrigeerd voordat ze zich ontwikkelen tot een lek. Andere redenen voor lekkages zijn ongelukken, grondbewegingen of sabotage.

Het primaire doel van lekdetectiesystemen (LDS) is om leidingbeheerders te helpen bij het opsporen en lokaliseren van lekken. LDS geeft een alarm en geeft andere gerelateerde gegevens weer aan de pijplijncontrollers om te helpen bij het nemen van beslissingen. Lekdetectiesystemen voor pijpleidingen zijn ook nuttig omdat ze de productiviteit en systeembetrouwbaarheid kunnen verbeteren dankzij minder uitvaltijd en kortere inspectietijd. LDS zijn daarom een belangrijk aspect van pijplijntechnologie.

Volgens het API-document "RP 1130" zijn LDS onderverdeeld in intern gebaseerde LDS en extern gebaseerde LDS. Intern gebaseerde systemen maken gebruik van veldinstrumentatie (bijvoorbeeld stroom-, druk- of vloeistoftemperatuursensoren) om interne pijplijnparameters te bewaken. Extern gebaseerde systemen maken ook gebruik van veldinstrumentatie (bijvoorbeeld infraroodradiometers of thermische camera's, dampsensoren, akoestische microfoons of glasvezelkabels) om externe pijplijnparameters te bewaken.

Regels en Richtlijnen

Sommige landen regelen de werking van pijpleidingen formeel.

API RP 1130 "Computationele pijplijnbewaking voor vloeistoffen" (VS)

Deze aanbevolen praktijk (RP) richt zich op het ontwerp, de implementatie, het testen en de werking van LDS die een algoritmische benadering gebruiken. Het doel van deze aanbevolen praktijk is om de pijpleidingoperator te helpen bij het identificeren van kwesties die relevant zijn voor de selectie, implementatie, testen en werking van een LDS. LDS worden ingedeeld in intern gebaseerd en extern gebaseerd. Intern gebaseerde systemen maken gebruik van veldinstrumentatie (bijv. voor stroming, druk en vloeistoftemperatuur) om interne pijplijnparameters te bewaken; deze pijplijnparameters worden vervolgens gebruikt om een lek af te leiden. Extern gebaseerde systemen gebruiken lokale, speciale sensoren.

TRFL (Duitsland)

TRFL is de afkorting voor “Technische Regel für Fernleitungsanlagen” (Technische Regel voor Pijpleidingsystemen). De TRFL vat de eisen samen voor pijpleidingen die onderworpen zijn aan officiële voorschriften. Het omvat pijpleidingen die ontvlambare vloeistoffen transporteren, pijpleidingen die vloeistoffen transporteren die gevaarlijk zijn voor water en de meeste pijpleidingen die gas transporteren. Er zijn vijf verschillende soorten LDS- of LDS-functies vereist:

Twee onafhankelijke LDS voor continue lekdetectie tijdens stationaire werking. Een van deze systemen of een extra systeem moet ook in staat zijn om lekken te detecteren tijdens voorbijgaande werking, bijv. Tijdens het opstarten van de pijpleiding
Eén LDS voor lekdetectie tijdens inbedrijfstelling
Eén LDS voor kruipende lekken
Eén LDS voor snelle leklocatie

Voorwaarden

API 1155 (vervangen door API RP 1130) definieert de volgende belangrijke vereisten voor een LDS:

Gevoeligheid: Een LDS moet ervoor zorgen dat het vloeistofverlies als gevolg van een lek zo klein mogelijk is. Dit stelt twee eisen aan het systeem: het moet kleine lekkages opsporen en het moet ze snel opsporen.
Betrouwbaarheid: de gebruiker moet de LDS kunnen vertrouwen. Dit betekent dat hij eventuele echte alarmen correct moet rapporteren, maar het is even belangrijk dat hij geen valse alarmen genereert.
Nauwkeurigheid: sommige LDS kunnen de lekstroom en de leklocatie berekenen. Dit moet nauwkeurig gebeuren.
Robuustheid: de LDS moet blijven werken in niet-ideale omstandigheden. In het geval van een transducerstoring, moet het systeem bijvoorbeeld de storing detecteren en blijven werken (eventueel met de nodige compromissen zoals verminderde gevoeligheid).

Stabiele en voorbijgaande omstandigheden

Tijdens stationaire omstandigheden zijn de stroming, drukken, enz. in de pijpleiding (min of meer) constant in de tijd. Tijdens voorbijgaande omstandigheden kunnen deze variabelen snel veranderen. De veranderingen planten zich als golven door de pijpleiding voort met de geluidssnelheid van de vloeistof. Tijdelijke omstandigheden doen zich voor in een pijpleiding, bijvoorbeeld bij het opstarten, als de druk bij inlaat of uitlaat verandert (zelfs als de verandering klein is), als een batch verandert of als er meerdere producten in de pijplijn zitten. Gasleidingen bevinden zich bijna altijd in tijdelijke omstandigheden, omdat gassen zeer samendrukbaar zijn. Zelfs in vloeibare pijpleidingen kunnen voorbijgaande effecten meestal niet worden genegeerd. LDS moet detectie van lekken voor beide omstandigheden mogelijk maken om lekdetectie te bieden gedurende de gehele bedrijfstijd van de pijpleiding.

Intern gebaseerde LDS

Intern gebaseerde systemen maken gebruik van veldinstrumentatie (bijv. voor stroming, druk en vloeistoftemperatuur) om interne pijplijnparameters te bewaken; deze pijplijnparameters worden vervolgens gebruikt om een lek af te leiden. Systeemkosten en complexiteit van intern gebaseerde LDS zijn matig omdat ze bestaande veldinstrumentatie gebruiken. Dit soort LDS wordt gebruikt voor standaard veiligheidseisen.

Druk-/stroombewaking

Een lek verandert de hydrauliek van de pijpleiding en verandert daarom na enige tijd de druk- of stroommetingen. Lokale bewaking van druk of debiet op slechts één punt kan daarom een eenvoudige lekdetectie opleveren. Omdat het lokaal wordt gedaan, is er in principe geen telemetrie nodig. Het is echter alleen nuttig in stabiele omstandigheden en het vermogen om met gaspijpleidingen om te gaan is beperkt.

Akoestische drukgolven

De akoestische drukgolfmethode analyseert de verdunningsgolven die worden geproduceerd wanneer een lek optreedt. Wanneer een leidingbreuk optreedt, ontsnapt er vloeistof of gas in de vorm van een hogesnelheidsstraal. Dit produceert negatieve drukgolven die zich in beide richtingen in de pijpleiding voortplanten en kunnen worden gedetecteerd en geanalyseerd. De werkingsprincipes van de methode zijn gebaseerd op het zeer belangrijke kenmerk van drukgolven om zich over lange afstanden te verplaatsen met de snelheid van het geluid, geleid door de pijpleidingwanden. De amplitude van een drukgolf neemt toe met de lekgrootte. Een complex wiskundig algoritme analyseert gegevens van druksensoren en kan binnen enkele seconden de locatie van de lekkage aanwijzen met een nauwkeurigheid van minder dan 50 m (164 ft). Experimentele gegevens hebben aangetoond dat de methode in staat is om lekken met een diameter van minder dan 3 mm (0.1 inch) te detecteren en te werken met het laagste aantal valse alarmen in de branche – minder dan 1 vals alarm per jaar.

De methode kan een lek na de eerste gebeurtenis echter niet detecteren: na de afbraak (of breuk) van de wand van de pijpleiding nemen de initiële drukgolven af en worden er geen drukgolven gegenereerd. Daarom, als het systeem het lek niet detecteert (bijvoorbeeld omdat de drukgolven werden gemaskeerd door tijdelijke drukgolven veroorzaakt door een operationele gebeurtenis zoals een verandering in pompdruk of klepschakeling), zal het systeem het lopende lek niet detecteren.

Evenwichtsmethoden

Deze methoden zijn gebaseerd op het principe van behoud van massa. In de stabiele toestand, de massastroom $\punt{M}_I$ het betreden van een lekvrije pijpleiding zal de massastroom in evenwicht brengen $\punt{M}_O$ het verlaten; elke daling van de massa die de pijpleiding verlaat (massa-onbalans $\punt{M}_I - \punt{M}_O$ ) duidt op een lek. Balanceringsmethoden meten $\punt{M}_I$ en $\punt{M}_O$ met behulp van debietmeters en bereken ten slotte de onbalans die een schatting is van de onbekende, echte lekstroom. Deze onbalans (meestal gedurende een aantal perioden bewaakt) vergelijken met een lekalarmdrempel $\gamma$ genereert een alarm als deze bewaakte onbalans. Verbeterde balanceringsmethoden houden bovendien rekening met de wijzigingssnelheid van de massa-inventarisatie van de pijpleiding. Namen die worden gebruikt voor verbeterde lijnbalanceringstechnieken zijn volumebalans, gewijzigde volumebalans en gecompenseerde massabalans.

Statistische methoden

Statistische LDS gebruiken statistische methoden (bijv. uit de beslissingstheorie) om de druk/stroming op slechts één punt of de onbalans te analyseren om een lek op te sporen. Dit leidt tot de mogelijkheid om de lekbeslissing te optimaliseren als sommige statistische aannames kloppen. Een gebruikelijke benadering is het gebruik van de hypothesetestprocedure

\text{Hypothese}H_0:\text{ Geen lek}

\text{Hypothese}H_1:\text{ Lek}

Dit is een klassiek detectieprobleem en er zijn verschillende oplossingen bekend uit de statistiek.

RTTM-methoden

RTTM betekent "Real-Time Transient Model". RTTM LDS gebruikt wiskundige modellen van de stroming in een pijpleiding met behulp van natuurkundige basiswetten zoals behoud van massa, behoud van momentum en behoud van energie. RTTM-methoden kunnen worden gezien als een verbetering van balanceringsmethoden, aangezien ze bovendien het behoudsprincipe van momentum en energie gebruiken. Een RTTM maakt het mogelijk om massaflow, druk, dichtheid en temperatuur op elk punt langs de pijpleiding in realtime te berekenen met behulp van wiskundige algoritmen. RTTM LDS kan eenvoudig stabiele en tijdelijke stromingen in een pijplijn modelleren. Met behulp van RTTM-technologie kunnen lekken worden opgespoord tijdens stationaire en tijdelijke omstandigheden. Met goed functionerende instrumentatie kunnen leksnelheden functioneel worden geschat met behulp van beschikbare formules.

E-RTTM-methoden

Signaalstroom Uitgebreid Real-Time Transient Model (E-RTTM)

E-RTTM staat voor "Extended Real-Time Transient Model", waarbij gebruik wordt gemaakt van RTTM-technologie met statistische methoden. Lekdetectie is dus mogelijk tijdens stationaire en tijdelijke toestand met hoge gevoeligheid, en valse alarmen zullen worden vermeden met behulp van statistische methoden.

Voor de restmethode berekent een RTTM-module schattingen $\hat{\punt{M}}_I$ , $\hat{\punt{M}}_O$ voor MASS FLOW bij respectievelijk inlaat en uitlaat. Dit kan met metingen voor druk en temperatuur bij inlaat ( $pi$ , $T_I$ ) en outlet ( $p_O$ , $NAAR$ ). Deze geschatte massastromen worden vergeleken met de gemeten massastromen $\punt{M}_I$ , $\punt{M}_O$ , wat de rest oplevert $x=\punt{M}_I - \hat{\punt{M}}_I$ en $y=\punt{M}_O - \hat{\punt{M}}_O$ . Deze residuen zijn bijna nul als er geen lek is; anders vertonen de residuen een karakteristieke signatuur. In een volgende stap worden de reststoffen onderworpen aan een leksignatuuranalyse. Deze module analyseert hun gedrag in de tijd door de lekhandtekening te extraheren en te vergelijken met lekhandtekeningen in een database ("vingerafdruk"). Lekalarm wordt afgegeven als de geëxtraheerde lekhandtekening overeenkomt met de vingerafdruk.

Extern gebaseerde LDS

Extern gebaseerde systemen gebruiken lokale, speciale sensoren. Dergelijke LDS zijn zeer gevoelig en nauwkeurig, maar de systeemkosten en de complexiteit van de installatie zijn meestal erg hoog; toepassingen zijn daarom beperkt tot speciale risicovolle gebieden, bijvoorbeeld in de buurt van rivieren of natuurbeschermingsgebieden.

Digitale olielekdetectiekabel

Digital Sense-kabels bestaan uit een vlechtwerk van semi-doorlatende interne geleiders die worden beschermd door een doorlatend isolerend gegoten vlechtwerk. Een elektrisch signaal gaat door de interne geleiders en wordt bewaakt door een ingebouwde microprocessor in de kabelconnector. Ontsnappende vloeistoffen passeren de externe doorlaatbare vlecht en maken contact met de interne semi-permeabele geleiders. Dit veroorzaakt een verandering in de elektrische eigenschappen van de kabel die wordt gedetecteerd door de microprocessor. De microprocessor kan de vloeistof lokaliseren met een resolutie van 1 meter langs de lengte en een geschikt signaal geven aan bewakingssystemen of operators. De meetkabels kunnen om pijpleidingen worden gewikkeld, ondergronds worden ingegraven met pijpleidingen of worden geïnstalleerd als een pijp-in-pijpconfiguratie.

Infrarood radiometrische pijplijntesten

Luchtthermogram van ondergrondse oliepijpleiding in het hele land die ondergrondse verontreiniging door een lek onthult

Infrarood thermografische pijpleidingtesten hebben bewezen zowel nauwkeurig als efficiënt te zijn bij het detecteren en lokaliseren van ondergrondse pijpleidinglekken, holtes veroorzaakt door erosie, verslechterde pijpleidingisolatie en slechte aanvulling. Wanneer een vloeistof, zoals water, door een lek in een pijpleiding een pluim heeft kunnen vormen in de buurt van een pijpleiding, heeft de vloeistof een andere warmtegeleiding dan de droge grond of aanvulling. Dit wordt weerspiegeld in verschillende oppervlaktetemperatuurpatronen boven de leklocatie. Met een infraroodradiometer met hoge resolutie kunnen hele gebieden worden gescand en kunnen de resulterende gegevens worden weergegeven als afbeeldingen met gebieden met verschillende temperaturen die worden aangeduid door verschillende grijstinten op een zwart-witafbeelding of door verschillende kleuren op een kleurenafbeelding. Dit systeem meet alleen oppervlakte-energiepatronen, maar de patronen die worden gemeten op het grondoppervlak boven een begraven pijpleiding kunnen helpen om aan te tonen waar pijpleidinglekken en resulterende erosieleemtes worden gevormd; het detecteert problemen tot wel 30 meter onder het grondoppervlak.

Akoestische emissiedetectoren

Ontsnappende vloeistoffen geven een akoestisch signaal als ze door een gat in de leiding gaan. Akoestische sensoren die aan de buitenkant van de pijpleiding zijn aangebracht, creëren een basislijn akoestische "vingerafdruk" van de lijn van het interne geluid van de pijpleiding in onbeschadigde staat. Wanneer er een lek optreedt, wordt een resulterend laagfrequent akoestisch signaal gedetecteerd en geanalyseerd. Afwijkingen van de basislijn "vingerafdruk" signaleren een alarm. Nu hebben sensoren een betere opstelling met frequentiebandselectie, selectie van tijdvertragingsbereik, enz. Dit maakt de grafieken duidelijker en gemakkelijker te analyseren. Er zijn andere manieren om lekkage te detecteren. Geaarde geofoons met filteropstelling zijn erg handig om de leklocatie te lokaliseren. Het bespaart de graafkosten. De waterstraal in de grond raakt de binnenwand van grond of beton. Dit zal een zwak geluid veroorzaken. Dit geluid zal wegsterven terwijl het aan de oppervlakte komt. Maar het maximale geluid kan alleen over de lekpositie worden opgepikt. Versterkers en filter helpen om heldere ruis te krijgen. Sommige soorten gassen die de pijpleiding binnenkomen, zullen bij het verlaten van de pijp een scala aan geluiden veroorzaken.

Dampgevoelige buizen

Bij de lekdetectiemethode met dampdetectiebuizen wordt een buis over de gehele lengte van de leiding geïnstalleerd. Deze buis – in kabelvorm – is zeer goed doorlaatbaar voor de stoffen die in de betreffende toepassing gedetecteerd moeten worden. Als er een lek ontstaat, komen de te meten stoffen in de vorm van damp, gas of opgelost in water in contact met de buis. Bij een lek diffundeert een deel van de weglekkende substantie in de buis. Na verloop van tijd geeft de binnenkant van de buis een nauwkeurig beeld van de stoffen rondom de buis. Om de in de sensorbuis aanwezige concentratieverdeling te analyseren, duwt een pomp de luchtkolom in de buis met een constante snelheid langs een detectie-unit. De detectorunit aan het uiteinde van de sensorbuis is voorzien van gassensoren. Elke toename van de gasconcentratie resulteert in een uitgesproken "lekpiek".

Glasvezel lekdetectie

Ten minste twee lekdetectiemethoden voor glasvezel worden op de markt gebracht: Distributed Temperature Sensing (DTS) en Distributed Acoustic Sensing (DAS). De DTS-methode omvat de installatie van een glasvezelkabel langs de lengte van de pijpleiding die wordt bewaakt. De te meten stoffen komen bij een lek in contact met de kabel, waardoor de temperatuur van de kabel verandert en de reflectie van de laserstraalpuls verandert, wat een lek signaleert. De locatie is bekend door de tijdsvertraging te meten tussen het uitzenden van de laserpuls en het moment waarop de reflectie wordt gedetecteerd. Dit werkt alleen als de stof een andere temperatuur heeft dan de omgevingstemperatuur. Bovendien biedt de gedistribueerde glasvezel-temperatuurdetectietechniek de mogelijkheid om de temperatuur langs de pijpleiding te meten. Door de gehele lengte van de vezel te scannen, wordt het temperatuurprofiel langs de vezel bepaald, wat leidt tot lekdetectie.

De DAS-methode omvat een vergelijkbare installatie van glasvezelkabel langs de lengte van de pijpleiding die wordt bewaakt. Trillingen veroorzaakt door een stof die via een lek de pijpleiding verlaat, veranderen de reflectie van de laserstraalpuls en signaleren een lek. De locatie is bekend door de tijdsvertraging te meten tussen het uitzenden van de laserpuls en het moment waarop de reflectie wordt gedetecteerd. Deze techniek kan ook worden gecombineerd met de Distributed Temperature Sensing-methode om een temperatuurprofiel van de pijpleiding te verkrijgen.