Detecció de fuites

by Enginyeria Delta / Divendres 25 març 2016 / Publicat a Alt voltatge

Canonada detecció de fuites s'utilitza per determinar si i en alguns casos en què s'ha produït una fuita en sistemes que contenen líquids i gasos. Els mètodes de detecció inclouen proves hidrostàtiques després de l'erecció de les canonades i la detecció de fuites durant el servei.

Les xarxes de canonades són el mitjà de transport més econòmic i segur del petroli, els gasos i altres productes fluids. Com a mitjà de transport de llarga distància, les canalitzacions han de complir grans exigències de seguretat, fiabilitat i eficiència. Si es manté correctament, les canalitzacions poden durar indefinidament sense filtracions. Les fuites més importants que es produeixen es produeixen per danys en equips d’excavació propers, per tant és important trucar a les autoritats abans de l’excavació per assegurar-se que no hi ha cap canalització enterrada als voltants. Si no es manté correctament una canonada, pot començar a corroir-se lentament, particularment a les juntes de construcció, punts baixos on es recull la humitat o ubicacions amb imperfeccions a la canonada. Tanmateix, aquests defectes es poden identificar mitjançant eines d’inspecció i corregir-los abans que progressin fins a una fuga. Altres motius de filtracions són els accidents, el moviment de la terra o el sabotatge.

El principal objectiu dels sistemes de detecció de fuites (LDS) és ajudar els controladors de canonades a detectar i localitzar fuites. LDS proporciona una alarma i mostra altres dades relacionades als controladors de canonades per ajudar a la presa de decisions. Els sistemes de detecció de fuites de canonades també són beneficiosos perquè poden millorar la productivitat i la fiabilitat del sistema gràcies a la reducció del temps d’aturada i el temps d’inspecció reduït. Per tant, el LDS és un aspecte important de la tecnologia de canonades.

Segons el document d’API “RP 1130”, els LDS es divideixen en LDS basats internament i LDS basats externament. Els sistemes basats internament utilitzen instrumentació de camp (per exemple, sensors de cabal, pressió o temperatura de fluid) per controlar els paràmetres de la canalització interna. Els sistemes basats en exteriors també utilitzen instrumentació de camp (per exemple, radiòmetres infrarojos o càmeres tèrmiques, sensors de vapor, micròfons acústics o cables de fibra òptica) per controlar els paràmetres de la canalització externa.

Normes i Reglaments

Alguns països regulen formalment el funcionament de canonades.

API RP 1130 “Monitorització computacional de canonades per a líquids” (EUA)

Aquesta pràctica recomanada (RP) se centra en el disseny, implementació, proves i operació de LDS que utilitzen un enfocament algorítmic. El propòsit d’aquesta pràctica recomanada és ajudar l’operador de canonades a identificar qüestions rellevants per a la selecció, implementació, proves i funcionament d’un LDS. Els LDS es classifiquen en basats internament i externament. Els sistemes interns utilitzen instrumentació de camp (per exemple, per al cabal, la pressió i la temperatura del fluid) per controlar els paràmetres interns de la canonada; aquests paràmetres de la canonada s'utilitzen posteriorment per inferir una fuita. Els sistemes basats externament fan servir sensors dedicats locals.

TRFL (Alemanya)

TRFL és l'abreviatura de "Technische Regel für Fernleitungsanlagen" (Regla tècnica per a sistemes de canonades). El TRFL resumeix els requisits perquè les canonades estiguin subjectes a les regulacions oficials. Cobreix les canonades que transporten líquids inflamables, les canonades que transporten líquids perillosos per a l’aigua i la majoria de les canonades que transporten gas. Es requereixen cinc tipus diferents de funcions LDS o LDS:

Dos LDS independents per a la detecció contínua de fuites durant el funcionament en estat constant. Un d'aquests sistemes o un altre addicional també han de ser capaços de detectar fuites durant el funcionament transitori, per exemple, durant la posada en marxa del gasoducte.
Un LDS per a la detecció de fuites durant l’operació de tancament
Un LDS per filtracions rastres
Un LDS per a una ubicació ràpida

Requisits

API 1155 (substituït per l’API RP 1130) defineix els requisits importants següents per a un LDS:

Sensibilitat: Un LDS ha de garantir que la pèrdua de líquid com a conseqüència d’una fuga sigui el més petita possible. Això posa dos requisits al sistema: ha de detectar petites fuites i ha de detectar-les ràpidament.
Fiabilitat: L’usuari ha de poder confiar en el LDS. Això vol dir que ha d’informar correctament les alarmes reals, però és igualment important que no generi falses alarmes.
Precisió: Alguns LDS són capaços de calcular el flux i la ubicació de la fuga. Això s’ha de fer amb precisió.
Robustesa: el SGD ha de continuar funcionant en circumstàncies no ideals. Per exemple, en cas de fallada d’un transductor, el sistema hauria de detectar la fallada i continuar funcionant (possiblement amb compromisos necessaris com ara una sensibilitat reduïda).

Condicions transitòries i en estat constant

Durant les condicions d’estat estacionari, el cabal, les pressions, etc. a la canalització són (més o menys) constants en el temps. Durant les condicions transitòries, aquestes variables poden canviar ràpidament. Els canvis es propaguen com les ones a través de la canonada amb la velocitat del so del fluid. Les condicions transitòries es produeixen en una canalització, per exemple, a la posada en marxa, si la pressió a l’entrada o la sortida canvia (fins i tot si el canvi és petit), i quan un lot canvia, o quan hi ha diversos productes al conducte. Els gasoductes es troben gairebé sempre en condicions transitòries, perquè els gasos són molt compressibles. Fins i tot a les canonades líquides, els efectes transitoris no es poden ignorar la majoria de les vegades. El sistema LDS hauria de permetre la detecció de fuites en ambdues condicions per proporcionar detecció de fuites durant tot el temps de funcionament de la canonada.

LDS basats internament

Els sistemes interns utilitzen instrumentació de camp (per exemple, per al cabal, la pressió i la temperatura del fluid) per controlar els paràmetres interns de la canonada; aquests paràmetres de la canonada s'utilitzen posteriorment per inferir una fuita. El cost i la complexitat del sistema dels LDS de base interna són moderats perquè fan servir instrumentació de camp existent. Aquest tipus de LDS s’utilitza per a requisits de seguretat estàndard.

Control de pressió / flux

Una fuita canvia la hidràulica de la canonada i, per tant, canvia les lectures de pressió o de cabal al cap d'un temps. Per tant, la supervisió local de la pressió o del cabal en un sol punt pot proporcionar una simple detecció de fuites. Com es fa localment, en principi no es requereix telemetria. Tanmateix, només és útil en condicions estacionàries, i la seva capacitat per tractar gasoductes és limitada.

Ones de pressió acústiques

El mètode de les ones de pressió acústica analitza les ones de rarefacció produïdes quan es produeix una fuita. Quan es produeix un trencament de la paret de la canonada, s’escapa un fluid o gas en forma de raig d’alta velocitat. Això produeix ones de pressió negatives que es propaguen en ambdues direccions dins de la canonada i es poden detectar i analitzar. Els principis de funcionament del mètode es basen en la característica molt important de les ones de pressió per viatjar a llargues distàncies a la velocitat del so guiada per les parets de la canonada. L’amplitud d’una ona de pressió augmenta amb la mida de la fuita. Un complex algorisme matemàtic analitza les dades dels sensors de pressió i, en qüestió de segons, pot assenyalar la ubicació de la fuita amb una precisió inferior a 50 m (164 peus). Les dades experimentals han demostrat la capacitat del mètode per detectar fuites inferiors a 3 mm (0.1 polzades) de diàmetre i funcionar amb la taxa d'alarma de falses més baixa de la indústria: menys d'una falsa alarma a l'any.

Tanmateix, el mètode és incapaç de detectar una fuita continuada després de l'esdeveniment inicial: després de la ruptura de la paret de la canonada (o el trencament), les ones de pressió inicial es redueixen i no es generen ones de pressió posteriors. Per tant, si el sistema no detecta la fuga (per exemple, perquè les ones de pressió estaven emmascarades per ones de pressió transitòries causades per un esdeveniment operatiu com un canvi de pressió de bombament o de commutació de vàlvules), el sistema no detectarà la fuita en curs.

Mètodes d'equilibri

Aquests mètodes es basen en el principi de conservació de la massa. En estat estacionari, el flux de massa $\ dot {M} _I$ entrar en un gasoducte sense fuites equilibrarà el cabal de massa $\ dot {M} _O$ deixant-lo; qualsevol caiguda de massa que surt del conducte (desequilibri massiu $\ dot {M} _I - \ dot {M} _O$ ) indica una fuita. Mesura dels mètodes d'equilibri $\ dot {M} _I$ i $\ dot {M} _O$ utilitzar paràmetres i finalment calcular el desequilibri, que és una estimació del flux de fuites real desconegut. Comparant aquest desequilibri (normalment controlat en diversos períodes) amb un llindar d’alarma de filtració $\ gamma$ genera una alarma si es controla un desequilibri. Els mètodes d'equilibri millorats també tenen en compte la taxa de canvi de l'inventari massiu de la canonada. Els noms que s’utilitzen per a tècniques d’equilibri de línia millorades són el saldo de volum, el saldo de volum modificat i el saldo de massa compensat.

Mètodes estadístics

Els LDS estadístics utilitzen mètodes estadístics (per exemple, del camp de la teoria de la decisió) per analitzar la pressió / flux en només un punt o el desequilibri per tal de detectar una fuita. Això condueix a l'oportunitat d'optimitzar la decisió de filtració si es mantenen algunes suposicions estadístiques. Un enfocament comú és l’ús del procediment de prova d’hipòtesis

\ text {Hipòtesi} H_0: \ text {Sense filtracions}

\ text {Hipòtesi} H_1: \ text {Fuga}

Aquest és un problema de detecció clàssic i es coneixen diverses solucions estadístiques.

Mètodes RTTM

RTTM significa "Model transitori en temps real". RTTM LDS utilitza models matemàtics del flux dins d’una canonada utilitzant lleis físiques bàsiques com la conservació de la massa, la conservació de l’impuls i la conservació de l’energia. Els mètodes RTTM es poden veure com una millora dels mètodes d’equilibri, ja que utilitzen a més el principi de conservació de l’impuls i l’energia. Un RTTM permet calcular el flux de massa, la pressió, la densitat i la temperatura en cada punt de la canonada en temps real amb l'ajut d'algorismes matemàtics. RTTM LDS pot modelar fàcilment un flux estacionari i transitori en una canonada. Mitjançant la tecnologia RTTM, es poden detectar fuites en condicions estacionàries i transitòries. Amb una instrumentació que funciona correctament, les taxes de fuites es poden estimar funcionalment mitjançant les fórmules disponibles.

Mètodes E-RTTM

Flux de senyal Model de transitori en temps real estès (E-RTTM)

E-RTTM significa "Model transitori en temps real estès", que utilitza tecnologia RTTM amb mètodes estadístics. Per tant, la detecció de fuites és possible durant l’estat estacionari i en condicions transitòries amb alta sensibilitat i s’evitaran falses alarmes mitjançant mètodes estadístics.

Per al mètode residual, un mòdul RTTM calcula estimacions $\ hat {\ dot {M}} _ I$ , $\ hat {\ dot {M}} _ O$ per a MASS FLOW a entrada i sortida, respectivament. Es pot fer mitjançant mesuraments de pressió i temperatura a l'entrada ( $Pi$ , $T_I$ ) i sortida ( $p_O$ , $T_O$ ). Aquests fluxos massius estimats es comparen amb els fluxos massius mesurats $\ dot {M} _I$ , $\ dot {M} _O$ , produint els residus $x = \ dot {M} _I - \ hat {\ dot {M}} _ I$ i $y = \ dot {M} _O - \ hat {\ dot {M}} _ O$ . Aquests residus són propers a zero si no hi ha fuites; en cas contrari, els residus mostren una signatura característica. En un següent pas, els residus són objecte d’una anàlisi de signes de filtracions. Aquest mòdul analitza el seu comportament temporal mitjançant l'extracció i la comparació de la firma de filtració amb les signatures de filtració d'una base de dades ("empremta digital"). L’alarma de filtració es declara si la signatura de la fuga extreta coincideix amb l’empremta digital.

LDS externament basat

Els sistemes basats externament fan servir sensors dedicats locals. Aquests LDS són molt sensibles i precisos, però el cost del sistema i la complexitat de la instal·lació solen ser molt elevats; per tant, les aplicacions es limiten a zones especials d'alt risc, per exemple a prop de rius o zones de protecció de la natura.

Cable digital de detecció de fuites d’oli

Els cables de sentit digital consisteixen en una trena de conductors interns semi-permeables protegits per una trena modelada aïllant permeable. Un senyal elèctric es transmet a través dels conductors interns i és controlat per un microprocessador incorporat dins del connector del cable. Els líquids escapçats passen per la trena permeable externa i entren en contacte amb els conductors semi-permeables interns. Això provoca un canvi en les propietats elèctriques del cable que detecta el microprocessador. El microprocessador pot localitzar el fluid a una resolució d'un metre al llarg de la seva longitud i proporcionar un senyal adequat als sistemes de control o operadors. Els cables de sentit es poden embolicar al voltant de canonades, enterrar-se a la superfície amb canalitzacions o instal·lar-se com a configuració de canonada en canonada.

Prova de conductes radiomètriques per infrarojos

Termograma aeri del oleoducte de fons enterrat que revela la contaminació subterrània causada per una fuita

Les proves de canonades termogràfiques d’infrarojos s’han demostrat exactes i eficients en la detecció i localització de fuites de canonades subterrànies, buits causats per l’erosió, deteriorament de l’aïllament de la canonada i un mal farciment. Quan una fuita de la canonada ha permès que un fluid, com l'aigua, formi un plomall a prop d'una canonada, el fluid té una conductància tèrmica diferent de la del sòl sec o del rebliment. Això es reflectirà en diferents patrons de temperatura superficial per sobre de la ubicació de la fuita. Un radiòmetre infraroig d'alta resolució permet escanejar àrees senceres i mostrar les dades resultants com a imatges amb zones de diferents temperatures designades per diferents tons de gris en una imatge en blanc i negre o per diversos colors en una imatge en color. Aquest sistema només mesura els patrons d’energia superficial, però els patrons que es mesuren a la superfície del terra per sobre d’una canonada enterrada poden ajudar a mostrar on es formen fuites de canonades i els buits d’erosió resultants; detecta problemes de fins a 30 metres per sota de la superfície del terra.

Detectors d’emissions acústiques

Escapar líquids crea un senyal acústic al passar per un forat de la canonada. Els sensors acústics fixats a la part exterior del gasoducte creen una empremta acústica de base de la línia del soroll intern del conducte en el seu estat indemne. Quan es produeix una fuga, es detecta i analitza un senyal acústic de baixa freqüència. Les desviacions de la base de la "empremta digital" indiquen una alarma. Ara, els sensors tenen un millor arranjament amb la selecció de bandes de freqüència, la selecció de rang de retard, etc. Això fa que els gràfics siguin més diferents i fàcils d’analitzar. Hi ha altres maneres de detectar fuites. Els telèfons terrestres amb arranjament de filtres són molt útils per identificar la ubicació de fuites. Estalvia el cost de l’excavació. El raig d'aigua del sòl arriba a la paret interior del sòl o formigó. Això generarà un soroll feble. Aquest soroll decaurà mentre surt a la superfície. Però el so màxim només es pot obtenir per sobre de la posició de fuga. Els amplificadors i el filtre ajuden a obtenir un soroll clar. Alguns tipus de gasos entrats a la línia de canonada crearan una varietat de sons en sortir de la canonada.

Tubs sensibles al vapor

El mètode de detecció de fuites de tubs amb detecció de vapor implica la instal·lació d’un tub a tota la longitud de la canonada. Aquest tub, en forma de cable, és altament permeable a les substàncies que es detecten en l’aplicació particular. Si es produeix una fuita, les substàncies a mesurar entren en contacte amb el tub en forma de vapor, gas o dissolt en aigua. En cas de fuita, part de la substància que fuita es difon al tub. Després d’un cert període de temps, l’interior del tub produeix una imatge precisa de les substàncies que l’envolten. Per tal d’analitzar la distribució de concentració present al tub del sensor, una bomba empeny la columna d’aire del tub més enllà d’una unitat de detecció a una velocitat constant. La unitat de detecció situada al final del tub del sensor està equipada amb sensors de gas. Cada augment de la concentració de gas resulta en un "pic de fuites" pronunciat.

Detecció de fuites de fibra òptica

Es comercialitzen almenys dos mètodes de detecció de fuites de fibra òptica: Distribució de temperatura distribuïda (DTS) i Distribució acústica distribuïda (DAS). El mètode DTS implica la instal·lació d’un cable de fibra òptica al llarg de la longitud de la canonada que s’està controlant. Les substàncies a mesurar entren en contacte amb el cable quan es produeix una fuga, canviant la temperatura del cable i canviant la reflexió del pols del feix làser, senyalitzant una fuga. La ubicació és coneguda per mesurar el retard entre el moment en què es va emetre el pols làser i quan es detecta el reflex. Això només funciona si la substància es troba a una temperatura diferent del medi ambient. A més, la tècnica de detecció de temperatura de fibra òptica distribuïda ofereix la possibilitat de mesurar la temperatura al llarg de la canonada. Escanejant tota la longitud de la fibra, es determina el perfil de temperatura al llarg de la fibra, donant lloc a una detecció de fuites.

El mètode DAS implica una instal·lació similar de cable de fibra òptica al llarg de la longitud de la canonada que s’està controlant. Les vibracions provocades per una substància que surt de la canonada mitjançant una fuita canvia el reflex del pols del feix làser, cosa que indica una fuga. La ubicació és coneguda per mesurar el retard entre el moment en què es va emetre el pols làser i quan es detecta el reflex. Aquesta tècnica també es pot combinar amb el mètode de detecció de temperatura distribuïda per proporcionar un perfil de temperatura del conducte.