Metody i systemy detekcji ieszczelości rurociągów dalekosiężych (1) Ryszard Sobczak Mateusz Turkowski Adrzej Bratek Marci Słowikowski Adam Bogucki Niezależie od tego, jak staraie rurociąg został zaprojektoway i wybudoway, zawsze istieje ryzyko wycieków. Systemy detekcji i lokalizacji ieszczelości odgrywają więc kluczową rolę, jeśli chodzi o zmiimalizowaie występowaia wycieków oraz ograiczeie ich skutków. Poieważ obecie dostępych jest wiele systemów detekcji, iiejszy artykuł ma a celu dostarczeie iformacji ułatwiających wybór systemu dla kokretego przypadku. W iiejszej, pierwszej części artykułu omówioo metody zewętrze, oparte a pomiarach a zewątrz rurociągu oraz dwie metody wewętrze metodę opartą a detekcji fal ciśieia i metodę bilasowaia. udowa rurociągu magistralego jest przedsięwzięciem kosztowym. Dlatego też wszystkie fazy jego budowy (poczyając od projektu, a kończąc a próbach odbiorczych) oraz eksploatacja obwarowae są wieloma ormami i przepisami [1], które mają a celu m.i. zapewieie długotrwałości pracy istalacji. Przyczyą uszkodzeń może być korozja lub erozja (rys. 1) ściaek wewętrzych i zewętrzych, iejedorodości lub pękięcia spawów, wgieceia ściaek, wady materiałowe. Przeciwdziałaie tym przyczyom może polegać a zaistalowaiu systemu ochroy katodowej, dawiej bierej, a obecie przeważie czyej, pod adzorem systemu telemetrii. Rys. 1. Wizualizacja umerycza ieszczelości spowodowaej erozją wg [2] Rys. 2. Skutki ieuważego wykoywaia robót ziemych wg [3] Degradacja materiału rurociągu może też wystąpić w wyiku zmia aprężeń spowodowaych zmiaami ciśieia i deformacjami rurociągu wskutek ruchów grutu, co prowadzi do zmęczeia materiału i powstaia mikroszczeli. W trakcie eksploatacji okresowo są przeprowadzae kotrole stau rurociągu (m.i. przy użyciu tzw. tłoków iteligetych), które pozwalają wykryć i zlokalizować powstające uszkodzeia lub ieszczelości. Pomimo tej profilaktyki zdarzają się jedak przypadki rozszczelień rurociągu, spowodowae p. przeoczeiem lub iedoszacowaiem itesywości rozwoju kokretej usterki w trakcie ww. kotroli; zaczie czę- dr iż. Ryszard Sobczak, mgr iż. Adrzej Bratek, mgr iż. Marci Słowikowski, Przemysłowy Istytut Automatyki i Pomiarów PIAP; dr hab. iż. Mateusz Turkowski, Istytut Metrologii i Systemów Pomiarowych PW; mgr iż. Adam Bogucki OGP Gaz-System Sp. z o.o. ściej ieszczelości powstają jedak w wyiku działaia ludzi, przypadkowego, jak p. ieuważe wykoywaie prac ziemych (rys. 2), budowlaych lub remotowych a trasie rurociągu lub działaia świadomego (p. ielegale pobieraie medium). Nie wolo też lekceważyć celowych działań terrorystyczych, mimo że dotąd akcje tego rodzaju w Polsce ie miały miejsca. Nieszczelość, a w jej astępstwie wyciek medium, przyosi zacze i różorode straty: przerwę w trasporcie, koszty usuięcia awarii, utratę części produktu; w przypadku mediów wybuchowych lub/i łatwopalych lub/i ekologiczie szkodliwych (p. ropy i produktów aftowych) powoduje poadto zagrożeie dla bezpieczeństwa ludzi i mieia (w tym samej istalacji tłoczej) oraz skażeie środowiska, a koszty społecze i materiale takiego wydarzeia (proporcjoale do itesywości i czasu trwaia wycieku) są bardzo wysokie. Sam koszt rekultywacji skażoego tereu wyosi od kilku do kilkudziesięciu ml zł. Gdy wyciek wystąpił, wówczas zmiimalizować jego skutki moża jedyie przez maksymalie szybkie wykrycie i zlokalizowaie ieszczelości, a w ślad za tym szybką reakcję dyspozytora (wyłączeie tłoczeia, zamkięcie zasuw, wysłaie a miejsce ekip moterów). Rówież uchodzeia z rurociągów trasportujących gaz ziemy ie są obojęte dla środowiska. Meta główy składik gazu ziemego jest bowiem jedym z gazów cieplariaych. Poadto gaz ziemy zmieszay z powietrzem w ilości od 4 do 15 % jest bardzo wrażliwy a iewielkie awet zaiskrzeie, które powoduje wybuch takiej mieszaiy (rys. 3). Rys. 3. apaleie gazociągu zastosowao kurtyę wodą 15
Szczególie groźe są przypadki rozszczelieia gazociągu w zimie. Pod skorupą zmarziętej ziemi gaz może migrować a duże odległości a wybuch może astąpić w zupełie iespodziewaych miejscach. Dlatego też od poad 30 lat są prowadzoe a świecie prace ad systemami bieżącego wykrywaia i lokalizacji ieszczelości. Problemy detekcji wycieku w pojedyczych odcikach rurociągów w staach ustaloych są w zasadzie rozwiązae. Jak dotąd ie opracowao jedak iezawodego systemu działającego w każdych warukach ruchowych i dla każdej kofiguracji rurociągu, więc tematyka takich badań prawdopodobie jeszcze długo będzie aktuala. agadieie komplikuje fakt, że róże rurociągi mają różą specyfikę i w poszczególych przypadkach ależy położyć acisk a zupełie ie cechy, istote w daym przypadku dla systemu detekcji. Moża to przedstawić a przykładzie dalekosiężych rurociągów cieczy i gazu (tab. 1). Układy rurociągów cieczy są a ogół proste, zwykle jest to jede rurociąg zaczyający się u dostawcy a kończący u odbiorcy medium, rozgałęzieia zdarzają się rzadko. Rówomiera gazyfikacja określoego obszaru wymaga atomiast zaczie bardziej skomplikowaych układów. Widać to wyraźie a mapkach a stroach iteretowych operatorów rurociągów cieczy i gazu [4] i [5]. Bezwładość płyu ma iewielki wpływ a gazociągi, ze względu a iewielką gęstość (chyba, że występują agłe i duże zmiay poboru przez odbiorów), atomiast ie moża jej pomiąć dla rurociągów cieczy. Ściśliwość medium ma decydujący wpływ a zachowaie gazociągów a zaczie miejszy a rurociągi cieczy. Ściśliwość cieczy w połączeiu z odkształceiami sprężystymi rurociągu prowadzi jedakże do długotrwałych (dziesiątki miut) staów przejściowych po operacjach techologiczych (rozruch, maewry zaworami), które mogą wywołać zjawisko uderzeia hydrauliczego. Dla przepływów ustaloych ściśliwość ie ma dużego zaczeia. Strumień płyu w rurociągach cieczy jest stały, bliski projektowemu, ograiczoy wydajością pomp i oporami hydrauliczymi rury. W gazociągach z kolei strumień jest fukcją zapotrzebowaia a gaz, a które dostawca gazu ma iewielki wpływ. apotrzebowaie to zmieia się w cyklu dobowym (wzrasta w dzień) i roczym (rośie w okresach iskiej temperatury otoczeia). Rurociąg cieczy moża okresowo uruchamiać i wyłączać, w zależości od ustaleń między dostawcą a odbiorcą. Raz uruchomioy gazociąg powiie atomiast pracować ieprzerwaie przez cały, ierzadko kilkudziesięcioleti okres eksploatacji, wyjąwszy ewetuale sytuacje awaryje. Tab. 1. Wpływ różych czyików a zachowaie dalekosiężych rurociągów cieczy i gazu lp. Kryterium Ciecz Gaz 1 Stopień komplikacji systemu rurociągów iewielki 2 Bezwładość płyu duży mały 3 Ściśliwość medium mały duży 4 Odkształceia sprężyste rurociągu wskutek zmia ciśieia duży 5 mieość przepływu ustaloy, rówy projektowemu (za wyjątkiem staów przejściowych) duży (za wyjątkiem dalekosiężych gazociągów trazytowych) mały zmiey w szerokim zakresie w skali doby i roku 6 Ciągłość pracy przepływ okresowy przepływ ciągły 7 Obecość drugiej fazy duży mały Obecość wtrąceń gazowych w cieczy wpływa zasadiczo a jej ściśliwość (1 % wtrąceń gazowych w formie rówomierie rozmieszczoych pęcherzyków może zwiększyć ściśliwość takiej mieszaiy awet kilkaset razy), atomiast podoba zawartość aerozolu w gazie może być ieistota z puktu widzeia systemu detekcji. Tab. 1 odosi się też w pewym stopiu do szerokiej klasy rurociągów przemysłowych, z zastrzeżeiem, że ich długość jest zwykle zaczie miejsza, co może sprawić, że wpływ iektórych czyików będzie pomijaly. adaia i klasyfikacja ogóla metod detekcji i lokalizacji ieszczelości Systemy detekcji ieszczelości gazociągów powiy spełiać astępujące trzy zadaia: wykrycie ieszczelości wygeerowaie alarmu zlokalizowaie ieszczelości ocea współrzędej przestrzeej położeia miejsca uchodzeia oszacowaie strumieia objętości wyciekającego medium. Bardzo ważym czyikiem decydującym o przydatości metody i algorytmu detekcji, rówie ważym jak wrażliwość a rzeczywiste uchodzeia, jest także odporość a zakłóceia, tj. ie geerowaie alarmów fałszywych, wywołaych p. operacjami techologiczymi (uruchomieie, odstawieie sprężarki/pompy, zmiaa kieruku zasilaia, zmiaa rodzaju tłoczoego medium, włączeie/wyłączeie odbiorików). asady detekcji ieszczelości moża podzielić a dwie ogóle kategorie [6, 7]: bezpośredie (zewętrze), kiedy dokouje się detekcji od zewątrz rury poprzez zastosowaie wyspecjalizowaych czujików lub obserwacji wizualej pośredie (aalitycze, wewętrze), gdy detekcja jest oparta a pomiarach i aalizie parametrów przepływu (główie ciśieia i strumieia/prędkości płyu). 16
Metody pośredie moża podzielić a trzy podgrupy, w zależości od zastosowaej zasady detekcji: oparte a detekcji fal akustyczych spowodowaych uchodzeiem/wyciekiem oparte a bilasowaiu medium wpływającego do i wypływającego z rurociągu z uwzględieiem akumulacji aalitycze oparte a modelu matematyczym i daych pomiarowych z obiektu otrzymaych z systemu telemetrii, polegają a modelowaiu rurociągu w czasie rzeczywistym i ciągłym porówywaiu modelu z obiektem. Metody te zostaą szczegółowo omówioe w dalszej części artykułu. Metody bezpośredie Tradycyją metodą bezpośredią są tzw. obchody sieci połączoe z obserwacją wizualą powierzchi tereu i ewetualie pomiarami za pomocą przeośych detektorów trasportowaego medium. astosowaie odpowiedio wyszkoloych psów może dać lepsze wyiki, umożliwiając wykrycie śladowych ilości wyciekającego medium. W dalekosiężych rurociągach przesyłowych, w celu przyspieszeia wykrycia ieszczelości wykorzystuje się śmigłowce. Metody akustycze [8] opierają się a detekcji szumów geerowaych przez wyciek. Wymagają zaistalowaia wzdłuż rurociągu czujików akustyczych (wyspecjalizowaych mikrofoów o szerokim paśmie przeoszeia). arejestrowae szumy są astępie aalizowae do określeia czy szum spowodoway jest wyciekiem czy też iymi zjawiskami. W trakcie uruchamiaia systemu aalizowae jest tło, co ułatwia późiejszą idetyfikację szumów spowodowaych wyciekami. Metody akustycze umożliwiają wykrycie tak małych wycieków jak 4 dm 3 /h dla cieczy i 40 dm 3 /h dla gazów, czujiki muszą być jedak rozmieszczoe w odległościach maksymalie do kilkuset metrów. Poadto dla dużych przepływów turbuletych efekty wycieków mogą zostać zagłuszoe szumami tła. Czujiki kablowe składają się z dwóch obwodów [8] (rys. 4). Jede z ich to obwód ciągłości moitorujący sta kabla (czy ie został fizyczie uszkodzoy). Drugi obwód, alarmowy, jest obwodem ormalie otwartym, który zwiera się w trakcie wycieku. Mogą być tu zastosowae róże mechaizmy. Jeśli medium trasportowae jest przewodzące, to zwarcie astępuje w sposób aturaly o ile zastosuje się izolację przewodów przepuszczającą mierzoe medium. W przypadku węglowodorów stosuje się jako izolację przewodów specjaly polimer, który ulega degradacji w ich obecości, doprowadzając do zwarcia. Pomiar spadków apięcia w obwodach umożliwia lokalizację miejsca wycieku. Moża także zastosować kabel kocetryczy z izolacją przepuszczającą węglowodory. Ich wikięcie w kabel w przypadku wycieku zmieia lokalie impedację kabla. Wysłaie impulsu elektromagetyczego wzdłuż kabla będzie skutkowało echem odbitym w miejscu wycieku, czas powrotu tego echa jest miarą współrzędej wycieku. Kabel światłowodowy ułożoy wzdłuż rurociągu staowi swego rodzaju samoisty detektor, który reaguje a lokale zmiay temperatury. W gazociągach, w miejscu uchodzeia, pojawi się wskutek rozprężaia adiabatyczego (efekt Joul a-thomsoa) spadek temperatury. Istieje możliwość określeia za pomocą kabla światłowodowego profilu temperatury wzdłuż gazociągu, co umożliwia lokalizację miejsca uchodzeia. Dla cieczy metoda ta ie ma zastosowaia. Czujiki kablowe adają się raczej do zastosowaia w istalacjach techologiczych, a w miejszym stopiu dla rurociągów dalekosiężych. Metody oparte a detekcji fal ciśieia Jest to jeda z wymieioych wyżej metod pośredich. Na rys. 5 przedstawioo, jak zmieia się przebieg ciśieia i strumieia gazu po wystąpieiu ieszczelości. W pierwszej chwili (t 1 ) w miejscu ieszczelości występuje raptowy spadek ciśieia, który propaguje się w obie stroy gazociągu. Strumień płyu przed miejscem ieszczelości wzrasta, a za ieszczelością maleje. Fala spadku ciśieia rozprzestrzeia się U obwód ciągłości Alarm obwód alarmowy U obwód ciągłości Alarm obwód alarmowy zwarcie wskutek wycieku Rys. 4. Kablowy czujik ieszczelości Rys. 5. Przebiegi ciśieia i strumieia gazu po wystąpieiu ieszczelości 17
z prędkością dźwięku. Strumień masy gazu a odciku przed ieszczelością rośie (chwila t 2 ), atomiast za ieszczelością chwilowo wzrasta a astępie powraca do pierwotej wartości. Po około kilkuastu miutach ustala się owy sta gazociągu (chwila t 3 ). Na odciku przed ieszczelością strumień masy rośie o wartość strumieia uchodzącego płyu, a a odciku za ieszczelością wraca do pierwotej wartości. Gradiet ciśieia wzdłuż rurociągu przed ieszczelością rośie, a za ieszczelością powraca do wartości sprzed awarii. Metoda oparta a detekcji fal ciśieia [9, 10] polega a pomiarach ciśieia w wybraych, kolejych puktach gazociągu. Jeżeli pojawi się szybka zmiaa ciśieia spowodowaa falą akustyczą, sprawdza się, czy podoba zmiaa astąpi w kolejych puktach pomiarowych i czy pojawia się oa w czasie wyikającym z prędkości dźwięku i odległości puktów pomiarowych. Niezbęde jest zastosowaie wystarczająco szybkich przetworików ciśieia (bez wygórowaych wymagań co do dokładości) co kilka kilkaaście kilometrów (rys. 6) i zapewieie precyzyjej sychroizacji pomiaru czasu (p. poprzez wykorzystaie systemu awigacji satelitarej GPS, który geeruje m.i. dokładą iformację o czasie opartą a zegarach atomowych zaistalowaych a satelitach systemu). Metoda jest stosukowo szybka (czas lokalizacji uchodzeia liczy się w sekudach). Na rys. 6 oś odciętych przedstawia odległość z od początku gazociągu 0 z zazaczeiem puktów z i zaistalowaia czujików ciśieia, a oś rzędych czas propagacji fali akustyczej t l w fukcji odległości od miejsca uchodzeia z l. Schemat takiego systemu wg [11] przedstawioo a rys. 7. Miejsce uchodzeie określa pukt L przecięcia prostych A-L i L-B, gdzie pukt A określa czas przejścia czoła fali ciśieia do początku rurociągu, a pukt B czas przejścia fali ciśieia do końca rurociągu. Osiągaa dokładość lokalizacji wyosi (2 3)cT 0 gdzie T 0 okres próbkowaia sygału. Okres próbkowaia powiie więc być możliwie krótki, przyajmiej kilka razy a sekudę. astosowaie różego rodzaju filtrów aalogowych lub cyfrowych a przede wszystkim metod korelacyjych [9] umożliwia elimiację szumów o charakterze t l (z) t l,i 0 A D i T 0 L L B Rys. 6. Sposób lokalizacji uchodzeia w metodzie śledzeia fal ciśieia Rys. 7. System detekcji ieszczelości oparty o detekcję fal ciśieia wg [9] stochastyczym. Stosując tę metodę moża wykryć i zlokalizować uchodzeie, ie moża jedak określić atężeia uchodzeia bezpośredio tą metodą. Uchodzeia iezauważoe od razu (p. wskutek chwilowego zawieszeia systemu) igdy już ie zostaą wykryte tą metodą. Metoda ta sama w sobie ie pozwala a określeie atężeia wycieku, chyba, że dalszej aalizie poddae zostaą amplitudy rozprzestrzeiających się fal ciśieia. Metoda oparta a bilasie strumieia a wlocie i wylocie rurociągu aistieie ieszczelości moża wykrywać bezpośredio opierając się a zasadzie zachowaia masy, bilasując ilość płyu wprowadzaego i odbieraego z sieci, a więc po prostu poprzez pomiar ilości (masy, strumieia, objętości) medium. Jest to pozorie ajbardziej aturala i ajprostsza metoda. Trzeba jedak wziąć pod uwagę zmiay ilości płyu zakumulowaego w rurociągu, które zależą od ciśieia i temperatury. miay te są szczególie istote w przypadku gazu. Także iepewości i dryft przetworików przepływu, temperatury i ciśieia medium mają tu zasadicze zaczeie. Dla zastosowaia tej metody ależy a bieżąco wyzaczać wartość pewej zmieej t(t), która p. dla sieci gazowej o jedym wejściu i puktach odbioru gazu po przeliczeiu a waruki ormale wyrazi się wzorem t t DV t DV t V t () we, wy, a, i= 1 = () () () (1) mieą tą moża azwać skorygowaym iezrówoważeiem objętości (corrected flow imbalace) w chwili t. Jest to różica między ilością gazu, która wpłyęła do gazociągu DV,we (t) a ilością gazu, która wypłyęła z gazociągu i= 1 DV, () t wy ( jest liczbą puktów odbioru, czyli stacji gazowych usytuowaych wzdłuż gazociągu), pomiejszoa o ilość 18
gazu zakumulowaą w gazociągu V,a (t); ideks ozacza waruki ormale. Wyraz V,a (t) reprezetuje zmiay zawartości gazu w rurociągu. ależą oe od ciśieia, temperatury i składu gazu. Moża go w pierwszym przybliżeiu (bez uwzględiaia odkształceń gazociągu) przedstawić w postaci pt Va, ()= t Vgr (2) pt i obliczać a bieżąco opierając się a uśredioych wartościach ciśieia i temperatury. V g jest geometryczą objętością gazociągu, p i T ciśieiem i temperaturą absolutą w gazociągu; ideks, jak poprzedio, ozacza waruki ormale. Parametr t(t) podlega fluktuacjom wokół iezerowej wartości średiej m, główie wskutek dryftu przyrządów pomiarowych i zmieości błędów gazomierza w fukcji strumieia, lub wskutek iekotrolowaych zmia waruków, p. temperatury wzdłuż rurociągu. Fluktuacje te moża scharakteryzować wariacją s 2. Chwilowe odchyleia od wartości średiej ozaczmy Dm. Do wygeerowaia ewetualego alarmu bada się sumę kumulacyją a()= t a t 1 Dm Dm t 2 t m s 2 (3) ( )+ () Alarm geeroway jest, gdy suma a(t) przekroczy określoą zadaą wartość. Wartość ta może być zmieiaa, p. podczas operacji techologiczych wywołujących większe zaburzeia parametrów przepływu ustala się większą dopuszczalą wartość a(t). Dla wyelimiowaia fałszywych alarmów spowodowaych powolym dryftem przetworików pomiarowych bardzo powoli modyfikuje się wartość m, przy wykorzystaiu daych pomiarowych z okresów, gdy ie było wycieków. e względu a relatywą prostotę zasada ta jest chętie stosowaa dla awet skomplikowaych sieci rurociągów. Nie jest jedak możliwe zlokalizowaie bezpośredio tą metodą miejsca uchodzeia, moża zlokalizować jedyie odciek (między dwoma puktami pomiarowymi), a którym oo wystąpiło. Niiejszy artykuł jest wyikiem prac aukowych fiasowaych ze środków budżetowych a aukę w latach 2004 2006 jako projekt badawczy oraz ze środków Miistra Nauki, wykoaych w ramach realizacji Programu Wieloletiego p. Doskoaleie systemów rozwoju iowacyjości w produkcji i eksploatacji w latach 2004 2008. Bibliografia 1. W.S. Michałowski, S. Trzop, Rurociągi dalekiego zasięgu, wydaie V, wyd. Fudacja Odysseum, Warszawa, 2006. 2. Peters J.: Guidace o erosio i pipework, Flow Tidigs, issue 38, summer 2003. 3. Gros M.: Leak ad shock detectio. Cyberetics, Marseilles. Presetatio at the expert meetig, Brussels, Ja. 2006. 4. Stroa iteretowa Przedsiębiorstwa Eksploatacji Rurociągów Naftowych Przyjażń www.per.com. pl. 5. Stroa iteretowa Operatora Gazociągów Przesyłowych Gaz-System sp. z o.o., www.gaz-system.com. pl. 6. Bilma L., Iserma R.: Leak detectio methods for pipelies, Automatica, vol.23, o. 3, s. 381-385, 1987. 7. Kowalczuk., Guawickrama K.: Detekcja i lokalizacja wycieków w rurociągach przemsłowych. Rozdział 21 pracy zbiorowej pod red. J. Korbicza i J. Kościelego, Warszawa, WNT 2002. 8. Gle N.F.: A review of pipelie itegrity systems. Report No 2005/257, Natioal Egieerig Laboratory, East Kilbridge, 2005. 9. H. Siebert, R. Iserma, Leckerkeug ud Lokalisierug bei Pipelies durch o- lie Korrelatio mit eie Prozesreches, Regelugstechik, r 3 (25), 1977, s. 69 74. 10. R. Sobczak, Lokalizacja ieszczelości w rurociągach metodą śledzeia czół fal ciśieia. Przemysł Chemiczy, r 6/04, edycja JCR. 11. Techology ad Qualificatios Acoustic Systems Icorporated Whithor Dr. Housto, Texas, USA www.wavealert.com. Koferecja aukowa: Międzyarodowe Warsztaty Oprogramowaia Czasu Rzeczywistego (Iteratioal Workshop o Real Time Software - RTS 07) odbędzie 16 paździerika 2007 w Wiśle, w ramach Międzyarodowej Koferecji Iformatyki i Systemów Iformacyjych XXII Jesiee Spotkaia PTI (Multicoferece o Computer Sciece ad Iformatio Systems), orgaizowaej przez Polskie Towarzystwo Iformatycze. Do 25 czerwca 2007 moża zgłaszać referaty (w języku agielskim) dotyczące trzech grup tematyczych: Sterowaie w Czasie Rzeczywistym Bezpieczeństwo, Niezawodość i Wiarygodość Systemów Czasu Rzeczywistego Edukacja w zakresie Systemów Czasu Rzeczywistego. Bliższe dae o koferecji i jej tematyce są dostępe a stroie www: http://www.imcsit.org/?cot=42&type=page&page=34 19