Обнаружение утечек

Обнаружение утечек в трубопроводе используется для определения того, произошла ли (и в некоторых случаях когда) утечка в системах, содержащих жидкости и газы. Методы обнаружения включают гидростатическое испытание , испытание на утечку с помощью индикаторного газа , инфракрасную, лазерную технологию и акустическую или гидролокационную технологию. Некоторые технологии используются только во время первоначальной установки и ввода в эксплуатацию трубопровода, в то время как другие технологии могут использоваться для непрерывного мониторинга во время обслуживания.

Трубопроводные сети являются способом транспортировки нефти, газов и других жидких продуктов. Как средство транспортировки на большие расстояния, трубопроводы должны соответствовать высоким требованиям безопасности, надежности и эффективности. При правильном обслуживании трубопроводы могут прослужить неограниченно долго без утечек. Некоторые значительные утечки, которые случаются, вызваны повреждениями от близлежащих земляных работ, но большинство утечек вызваны коррозией, отказом оборудования и неправильной эксплуатацией. ^[1] Если трубопровод не обслуживается должным образом, он может корродировать, особенно в местах соединения конструкций, низких точках, где скапливается влага, или местах с дефектами в трубе. Другими причинами утечек являются повреждения от внешних сил (например, повреждения от столкновений автомобилей или буровых установок) и природные силы (например, движение грунта, сильный дождь и наводнение, молния и температура). ^[1]

Наиболее распространенный метод обнаружения утечек для операторов трубопроводов называется системой диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Эта система использует ряд датчиков для отслеживания данных, таких как давление, скорость потока, температура и открытые или закрытые клапаны. Датчики передают информацию в диспетчерскую, где операторы определяют законность сигналов тревоги об утечках. Некоторые системы добавили вычислительную систему мониторинга трубопроводов (CPM), чьей основной задачей является обнаружение утечек. Операторы трубопроводов сообщили об этих системах в Управление по безопасности трубопроводов и опасных материалов Министерства транспорта США, что они неэффективны в обнаружении утечек. Даже при их наличии система SCADA, как сообщается, обнаружила только 19% утечек, а система CPM обнаружила только 10% утечек. ^{[2] [1]}

Основная цель систем обнаружения утечек (СОД) — помочь диспетчерам трубопроводов обнаружить и локализовать утечки. СОД подает сигналы тревоги и отображает другие сопутствующие данные диспетчерам трубопроводов для помощи в принятии решений. Системы обнаружения утечек трубопроводов также могут повысить производительность и надежность системы благодаря сокращению времени простоя и проверки.

Согласно документу API "RP 1130", LDS делятся на LDS внутреннего базирования и LDS внешнего базирования. Системы внутреннего базирования используют полевые приборы (например, датчики расхода, давления или температуры жидкости) для контроля внутренних параметров трубопровода. Системы внешнего базирования используют другой, независимый набор полевых приборов (например, инфракрасные радиометры или тепловизоры , датчики паров, акустические микрофоны или волоконно-оптические кабели) для контроля внешних параметров трубопровода.

Некоторые страны официально регулируют эксплуатацию трубопроводов.

Эта рекомендуемая практика (РП) ^[3] фокусируется на проектировании, внедрении, тестировании и эксплуатации LDS, которые используют алгоритмический подход. Цель этой рекомендуемой практики — помочь оператору трубопровода в выявлении проблем, связанных с выбором, внедрением, тестированием и эксплуатацией LDS.

TRFL — это аббревиатура от "Technische Regel für Fernleitungsanlagen" (Технические правила для трубопроводных систем). ^[4] TRFL суммирует требования к трубопроводам, подпадающим под официальные правила. Он охватывает трубопроводы, транспортирующие легковоспламеняющиеся жидкости, трубопроводы, транспортирующие жидкости, опасные для воды, и большинство трубопроводов, транспортирующих газ. Требуются пять различных видов LDS или функций LDS:

• Две независимые системы LDS для непрерывного обнаружения утечек в установившемся режиме работы. Одна из этих систем или дополнительная должна также иметь возможность обнаруживать утечки в переходном режиме работы, например, во время запуска трубопровода
• Одна СОУ для обнаружения утечек во время остановки скважины
• Одна система LDS для устранения ползучих утечек
• Одна система обнаружения утечек для быстрого обнаружения утечек

API 1155 ^[5] (замененный на API RP 1130 ^[3] ) определяет следующие важные требования к LDS:

• Чувствительность: LDS должна гарантировать, что потеря жидкости в результате утечки будет как можно меньше. Это предъявляет к системе два требования: она должна обнаруживать небольшие утечки, и она должна обнаруживать их быстро.
• Надежность: Пользователь должен доверять LDS. Это означает, что он должен правильно сообщать о любых реальных тревогах, но не менее важно, чтобы он не генерировал ложные тревоги.
• Точность: Некоторые LDS способны рассчитать поток утечки и место утечки. Это должно быть сделано точно.
• Надежность: LDS должна продолжать работать в неидеальных условиях. Например, в случае отказа преобразователя система должна обнаружить отказ и продолжить работу (возможно, с необходимыми компромиссами, такими как снижение чувствительности).

В стационарных условиях поток, давление и т. д. в трубопроводе (более или менее) постоянны с течением времени. В переходных условиях эти переменные могут быстро меняться. Изменения распространяются как волны по трубопроводу со скоростью звука жидкости. Переходные состояния возникают в трубопроводе, например, при запуске, если давление на входе или выходе изменяется (даже если изменение небольшое), а также при изменении партии или когда в трубопроводе находится несколько продуктов. Газопроводы почти всегда находятся в переходных условиях, поскольку газы очень сжимаемы. Даже в жидкостных трубопроводах переходные эффекты нельзя игнорировать большую часть времени. LDS должна позволять обнаруживать утечки для обоих условий, чтобы обеспечить обнаружение утечек в течение всего времени эксплуатации трубопровода.

Внутренние системы используют полевые приборы (например, для потока, давления и температуры жидкости) для мониторинга внутренних параметров трубопровода, которые используются для обнаружения возможных утечек. ^[3] Стоимость и сложность системы внутренних LDS умеренны, поскольку они используют существующие полевые приборы. Этот тип LDS используется для стандартных требований безопасности. ^[6]

Утечка изменяет гидравлику трубопровода и, следовательно, изменяет показания давления или расхода через некоторое время. Локальный мониторинг давления или расхода только в одной точке может, таким образом, обеспечить простое обнаружение утечек. Поскольку это делается локально, в принципе не требуется телеметрия . Однако это полезно только в стационарных условиях, и его способность работать с газопроводами ограничена. ^[7]

Метод акустической волны давления анализирует волны разрежения, возникающие при возникновении утечки. Когда происходит разрушение стенки трубопровода, жидкость или газ вытекает в виде высокоскоростной струи. Это создает отрицательные волны давления, которые распространяются в обоих направлениях внутри трубопровода и могут быть обнаружены и проанализированы. Принципы работы метода основаны на очень важной характеристике волн давления, которые распространяются на большие расстояния со скоростью звука, направляемые стенками трубопровода. Амплитуда волны давления увеличивается с размером утечки. Сложный математический алгоритм анализирует данные с датчиков давления и способен в считанные секунды указать место утечки с точностью менее 50 м (164 фута). Экспериментальные данные показали способность метода обнаруживать утечки диаметром менее 3 мм (0,1 дюйма) и работать с самым низким уровнем ложных тревог в отрасли – менее 1 ложной тревоги в год. ^[8]

Однако метод не способен обнаружить продолжающуюся утечку после первоначального события: после разрушения стенки трубопровода (или разрыва) первоначальные волны давления спадают, и последующие волны давления не генерируются. Поэтому, если система не может обнаружить утечку (например, потому что волны давления были замаскированы переходными волнами давления, вызванными эксплуатационным событием, таким как изменение давления нагнетания или переключение клапана), система не обнаружит продолжающуюся утечку.

Эти методы основаны на принципе сохранения массы . В стационарном состоянии массовый поток , входящий в герметичный трубопровод, будет уравновешивать массовый поток, выходящий из него; любое падение массы, выходящей из трубопровода (массовый дисбаланс ), указывает на утечку. Методы балансировки измеряют и используют расходомеры и, наконец, вычисляют дисбаланс, который является оценкой неизвестного, истинного потока утечки. Сравнение этого дисбаланса (обычно отслеживаемого в течение ряда периодов) с пороговым значением сигнализации об утечке генерирует сигнал тревоги, если этот отслеживаемый дисбаланс. ^[7] Улучшенные методы балансировки дополнительно учитывают скорость изменения массового запаса трубопровода. Названия, которые используются для улучшенных методов балансировки линии, - это баланс объема, измененный баланс объема и компенсированный баланс массы. ^[3]${\displaystyle {\точка {М}}_{Я}}$${\displaystyle {\точка {М}}_{О}}$${\displaystyle {\dot {M}}_{I}-{\dot {M}}_{O}}$${\displaystyle {\точка {М}}_{Я}}$${\displaystyle {\точка {М}}_{О}}$${\displaystyle \гамма}$

Эти методы основаны на наблюдателях состояния , которые разработаны на основе математических моделей жидкости, выраженных в представлении пространства состояний . Эти методы можно разделить на два типа: бесконечномерные наблюдатели и конечномерные наблюдатели. Первый тип основан на паре квазилинейных гиперболических уравнений в частных производных: уравнениях импульса и непрерывности, которые представляют динамику жидкости в трубопроводе. Конечномерные наблюдатели построены на сосредоточенной версии уравнений импульса и непрерывности. Несколько типов наблюдателей использовались для обнаружения утечек, например, фильтры Калмана , ^[9] наблюдатели с высоким коэффициентом усиления, ^{[10] [11] [12]} наблюдатели скользящего режима ^[13] и наблюдатели типа Люенбергера. ^[14]

Статистические LDS используют статистические методы (например, из области теории принятия решений ) для анализа давления/потока только в одной точке или дисбаланса с целью обнаружения утечки. ^[7] Это приводит к возможности оптимизировать решение об утечке, если выполняются некоторые статистические предположения. Распространенным подходом является использование процедуры проверки гипотезы

${\displaystyle {\text{Гипотеза}}H_{0}:{\text{ Нет утечки}}}$

${\displaystyle {\text{Гипотеза}}H_{1}:{\text{ Утечка}}}$

Это классическая проблема обнаружения, и из статистики известны различные решения. ^[15]

RTTM означает «модель переходных процессов в реальном времени». ^[7] RTTM LDS используют математические модели потока внутри трубопровода, используя основные физические законы, такие как сохранение массы , сохранение импульса и сохранение энергии . Методы RTTM можно рассматривать как усовершенствование методов балансировки, поскольку они дополнительно используют принцип сохранения импульса и энергии. RTTM позволяет рассчитывать массовый расход , давление , плотность и температуру в каждой точке вдоль трубопровода в реальном времени с помощью математических алгоритмов. RTTM LDS может легко моделировать стационарный и переходный поток в трубопроводе. Используя технологию RTTM, утечки можно обнаруживать в стационарных и переходных условиях. При правильном функционировании приборов скорости утечки можно функционально оценить с помощью доступных формул. ^[16]

E-RTTM ^{[6] [7]} означает «Расширенная модель переходных процессов в реальном времени», использующая технологию RTTM со статистическими методами. Таким образом, обнаружение утечек возможно в стационарном и переходном состоянии с высокой чувствительностью, а ложные тревоги будут исключены с помощью статистических методов.

Для остаточного метода модуль RTTM вычисляет оценки , для МАССОВОГО РАСХОДА на входе и выходе соответственно. Это можно сделать с помощью измерений давления и температуры на входе ( , ) и выходе ( , ). Эти оцененные массовые расходы сравниваются с измеренными массовыми расходами , , давая остатки и . Эти остатки близки к нулю, если утечки нет; в противном случае остатки показывают характерную сигнатуру. На следующем этапе остатки подвергаются анализу сигнатуры утечки. Этот модуль анализирует их временное поведение, извлекая и сравнивая сигнатуру утечки с сигнатурами утечек в базе данных («отпечаток пальца»). Сигнализация об утечке объявляется, если извлеченная сигнатура утечки совпадает с отпечатком пальца.${\displaystyle {\hat {\dot {M}}}_{I}}$${\displaystyle {\hat {\dot {M}}}_{O}}$${\displaystyle p_{I}}$${\displaystyle T_{I}}$${\displaystyle p_{O}}$${\displaystyle T_{O}}$${\displaystyle {\точка {М}}_{Я}}$${\displaystyle {\точка {М}}_{О}}$${\displaystyle x={\точка {M}}_{I}-{\хэт {\точка {M}}}_{I}}$${\displaystyle y={\dot {M}}_{O}-{\hat {\dot {M}}}_{O}}$

Внешние системы используют локальные, специализированные датчики. ^[3] Такие LDS очень чувствительны и точны, но стоимость системы и сложность установки обычно очень высоки; ^[17] поэтому применение ограничивается особыми зонами повышенного риска, например, вблизи рек или природоохранных зон. ^[6]

Тепловизионная визуализация на основе видеоаналитики с использованием неохлаждаемых микроболометрических инфракрасных датчиков становится новым и эффективным методом визуализации, обнаружения и генерации оповещений о незапланированных поверхностных выбросах жидкостей и углеводородных газовых жидкостей. ^[18] От обнаружения до генерации тревоги требуется менее 30 секунд. Эта технология подходит для надземных трубопроводных объектов, таких как насосные станции, нефтеперерабатывающие заводы, хранилища, шахты, химические заводы, водные переходы и водоочистные сооружения. Потребность в новых решениях в этой области обусловлена ​​тем фактом, что более половины утечек из трубопроводов происходят на объектах. ^[19]

Высококачественная термографическая технология точно измеряет и визуализирует излучательную способность или инфракрасное излучение (тепловое тепло) объектов в изображениях в оттенках серого без необходимости внешнего освещения. Контролируемый нефтепродукт (например, нефть) отличается от фоновых объектов этой разницей в тепле. Добавление аналитического программного компонента, обычно оптимизируемого для лучшего решения конкретной задачи или среды, позволяет проводить автоматизированный анализ утечек на месте, проверку и составление отчетов, тем самым снижая зависимость от рабочей силы. Утечка, появляющаяся в аналитической области (правило, добавленное к камере), немедленно анализируется на предмет ее атрибутов, включая тепловую температуру, размер и поведение (например, распыление, пулирование, разлив). Когда утечка определяется как действительная на основе заданных параметров, генерируется уведомление о тревоге с видео утечки и отправляется на станцию ​​мониторинга.

Оптимальное расстояние обнаружения варьируется и зависит от размера объектива камеры, разрешения, поля зрения, диапазона теплового обнаружения и чувствительности, размера утечки и других факторов. Слои фильтров системы и иммунитет к элементам окружающей среды, таким как снег, лед, дождь, туман и блики, способствуют снижению ложных тревог. Архитектура видеомониторинга может быть интегрирована в существующие системы обнаружения и ремонта утечек (LDAR), включая сети SCADA, а также другие системы наблюдения. ^[20]

Цифровые сенсорные кабели состоят из оплетки из полупроницаемых внутренних проводников, защищенных проницаемой изолирующей формованной оплеткой. Электрический сигнал передается через внутренние проводники и контролируется встроенным микропроцессором внутри кабельного разъема. Вытекающие жидкости проходят через внешнюю проницаемую оплетку и вступают в контакт с внутренними полупроницаемыми проводниками. Это вызывает изменение электрических свойств кабеля, которое обнаруживается микропроцессором. Микропроцессор может определять местонахождение жидкости с точностью до 1 метра по всей его длине и подавать соответствующий сигнал системам мониторинга или операторам. Сенсорные кабели могут быть обернуты вокруг трубопроводов, зарыты под землей с трубопроводами или установлены в конфигурации «труба в трубе». ^[21]

Инфракрасное термографическое тестирование трубопроводов показало себя как точным, так и эффективным в обнаружении и локализации подземных утечек трубопроводов, пустот, вызванных эрозией, ухудшенной изоляцией трубопровода и плохой засыпкой. Когда утечка трубопровода позволила жидкости , такой как вода, образовать шлейф около трубопровода, жидкость имеет теплопроводность, отличную от сухой почвы или засыпки. Это будет отражено в различных моделях температуры поверхности над местом утечки. Инфракрасный радиометр высокого разрешения позволяет сканировать целые области и отображать полученные данные в виде изображений с областями различной температуры, обозначенными различными серыми тонами на черно-белом изображении или различными цветами на цветном изображении. Эта система измеряет только модели поверхностной энергии, но модели, которые измеряются на поверхности земли над зарытым трубопроводом, могут помочь показать, где образуются утечки трубопровода и возникающие в результате эрозии пустоты; он обнаруживает проблемы на глубине до 30 метров под поверхностью земли. ^[22]

Вытекающие жидкости создают акустический сигнал, когда они проходят через отверстие в трубе. Акустические датчики, прикрепленные к внешней стороне трубопровода, могут создавать базовый акустический «отпечаток» линии из внутреннего шума трубопровода в его неповрежденном состоянии. При возникновении утечки обнаруживается и анализируется результирующий низкочастотный акустический сигнал. Отклонения от базового «отпечатка» сигнализируют о тревоге. ^{[6] [23]} Новые датчики имеют улучшенный выбор частотного диапазона, выбор диапазона временной задержки и т. д. Это делает графики более четкими и простыми для анализа.

Существуют и другие способы обнаружения утечек, при этом сокращая затраты на разведочные раскопки. Наземные геофоны с фильтрацией сигнала очень полезны для точного определения мест утечек. Вырывающаяся под землей струя воды под давлением может создавать слабый шум, который будет приглушен по пути к поверхности. Максимальный сигнал может быть получен над местом утечки. Некоторые типы газов, выходящие из трубопровода, создают ряд звуков.

Помимо пассивного обнаружения, были предложены активные методы обнаружения утечек, основанные на гидролокации , основанные на характерных реакциях многофазных пузырьков и антипузырьков . ^[24]

Метод обнаружения утечек с помощью трубки с датчиком пара включает установку трубки по всей длине трубопровода. Эта трубка — в форме кабеля — обладает высокой проницаемостью для веществ, которые необходимо обнаружить в конкретном приложении. Если происходит утечка, измеряемые вещества вступают в контакт с трубкой в ​​виде пара, газа или растворяются в воде. В случае утечки часть вытекающего вещества диффундирует в трубку. Через определенный промежуток времени внутренняя часть трубки создает точное изображение веществ, окружающих трубку. Для анализа распределения концентрации, присутствующего в сенсорной трубке, насос проталкивает столб воздуха в трубке мимо блока обнаружения с постоянной скоростью. Детекторный блок на конце сенсорной трубки оснащен газовыми датчиками. Каждое увеличение концентрации газа приводит к выраженному «пику утечки». ^{[6] [25] [26]}

По крайней мере два метода обнаружения утечек с помощью оптоволокна коммерциализируются: распределенное температурное зондирование (DTS) и распределенное акустическое зондирование (DAS). Метод DTS подразумевает установку оптоволоконного кабеля по длине контролируемого трубопровода. Вещества, подлежащие измерению, вступают в контакт с кабелем, когда происходит утечка, изменяя температуру кабеля и изменяя отражение импульса лазерного луча, сигнализируя об утечке. Местоположение определяется путем измерения временной задержки между моментом испускания лазерного импульса и моментом обнаружения отражения. Это работает только в том случае, если температура вещества отличается от температуры окружающей среды. Кроме того, распределенный метод определения температуры с помощью оптоволокна дает возможность измерять температуру вдоль трубопровода. Сканируя всю длину волокна, определяется температурный профиль вдоль волокна, что приводит к обнаружению утечки. ^{[6] [27]}

Метод DAS подразумевает аналогичную установку оптоволоконного кабеля по длине контролируемого трубопровода. Вибрации, вызванные веществом, покидающим трубопровод через утечку, изменяют отражение импульса лазерного луча, сигнализируя об утечке. Местоположение определяется путем измерения временной задержки между моментом испускания лазерного импульса и моментом обнаружения отражения. Эту технику также можно комбинировать с методом распределенного температурного зондирования для получения температурного профиля трубопровода.

Облет трубопровода часто выполняется для подтверждения местоположения или для обнаружения и локализации небольших выбросов, которые невозможно идентифицировать другими методами. Обычно облет полосы отвода фиксируется на видео, которое может иметь некоторую фильтрацию изображения, например, тепловизионную съемку. Более крупные разливы обычно определяются по «блеску» на водно-болотных угодьях или по площади мертвой растительности вокруг места выброса.

Облеты обычно планируются и не рекомендуются в качестве основного метода обнаружения утечек. Они могут использоваться для быстрого подтверждения наличия и местоположения утечки.

Биологические методы обнаружения утечек включают использование собак, которые с большей вероятностью будут задействованы после того, как утечка обнаружена, но не локализована из-за ее небольшого размера, или специалистов по ландшафтному дизайну, которые следят за тем, чтобы полоса отвода трубопровода была свободна.

Есть несколько компаний, которые могут предоставить собак, обученных определять запах утечки. Обычно техник вводит жидкость в трубопровод, которую обученные собаки-следопыты отслеживают. Затем собаки направляют проводников к утечке в трубопроводе. Их обучают определять самую сильную концентрацию, поэтому их способность точно определять место утечки обычно может быть в пределах метра. Обычно требуется от 24 до 48 часов, чтобы мобилизовать команду, и может потребоваться несколько дней, чтобы фактически обнаружить утечку в зависимости от удаленности района.

Проходы трубопроводов очищаются ландшафтными дизайнерами, которые также обучены искать признаки утечек из трубопроводов. Обычно это плановый процесс, и его не следует считать основной формой обнаружения утечек.

• Пусконаладочные работы трубопровода