Phát hiện rò rỉ

by Kỹ thuật đồng bằng / Thứ sáu, 25 tháng 2016 / Xuất bản năm Điện cao thế

Pipeline phát hiện rò rỉ được sử dụng để xác định xem và trong một số trường hợp xảy ra rò rỉ trong các hệ thống có chứa chất lỏng và khí. Các phương pháp phát hiện bao gồm kiểm tra thủy tĩnh sau khi lắp dựng đường ống và phát hiện rò rỉ trong quá trình phục vụ.

Mạng lưới đường ống là phương thức vận chuyển kinh tế và an toàn nhất cho dầu, khí và các sản phẩm chất lỏng khác. Là một phương tiện vận chuyển đường dài, các đường ống phải đáp ứng các yêu cầu cao về an toàn, độ tin cậy và hiệu quả. Nếu được bảo trì đúng cách, đường ống có thể kéo dài vô tận mà không bị rò rỉ. Hầu hết các rò rỉ đáng kể xảy ra là do thiệt hại từ các thiết bị khai quật gần đó, do đó, điều quan trọng là phải gọi các cơ quan chức năng trước khi khai quật để đảm bảo rằng không có đường ống chôn trong khu vực lân cận. Nếu một đường ống không được bảo trì đúng cách, nó có thể bắt đầu ăn mòn từ từ, đặc biệt là tại các khớp xây dựng, các điểm thấp nơi độ ẩm thu thập hoặc các vị trí không hoàn hảo trong đường ống. Tuy nhiên, những khiếm khuyết này có thể được xác định bằng các công cụ kiểm tra và sửa chữa trước khi chúng bị rò rỉ. Các lý do khác cho rò rỉ bao gồm tai nạn, chuyển động trái đất hoặc phá hoại.

Mục đích chính của các hệ thống phát hiện rò rỉ (LDS) là hỗ trợ các bộ điều khiển đường ống trong việc phát hiện và khoanh vùng rò rỉ. LDS cung cấp một báo động và hiển thị dữ liệu liên quan khác cho các bộ điều khiển đường ống để hỗ trợ cho việc ra quyết định. Các hệ thống phát hiện rò rỉ đường ống cũng có lợi vì chúng có thể nâng cao năng suất và độ tin cậy của hệ thống nhờ giảm thời gian chết và giảm thời gian kiểm tra. Do đó, LDS là một khía cạnh quan trọng của công nghệ đường ống.

Theo tài liệu API, RP RP 1130, LDS được chia thành LDS dựa trên nội bộ và LDS dựa trên bên ngoài. Các hệ thống dựa trên nội bộ sử dụng thiết bị đo trường (ví dụ cảm biến lưu lượng, áp suất hoặc nhiệt độ chất lỏng) để giám sát các thông số đường ống bên trong. Các hệ thống bên ngoài cũng sử dụng thiết bị đo trường (ví dụ như máy đo phóng xạ hồng ngoại hoặc máy ảnh nhiệt, cảm biến hơi, micro âm thanh hoặc cáp quang) để giám sát các thông số đường ống bên ngoài.

Quy tắc và quy định

Một số quốc gia chính thức điều tiết hoạt động đường ống.

Giám sát đường ống tính toán API RP 1130 cho chất lỏng (Hoa Kỳ)

Thực hành được khuyến nghị (RP) này tập trung vào việc thiết kế, triển khai, thử nghiệm và vận hành LDS sử dụng phương pháp tiếp cận thuật toán. Mục đích của thực tiễn được khuyến nghị này là để hỗ trợ Nhà điều hành đường ống xác định các vấn đề liên quan đến việc lựa chọn, thực hiện, thử nghiệm và vận hành một LDS. LDS được phân loại thành dựa trên nội bộ và dựa trên bên ngoài. Các hệ thống nội bộ sử dụng thiết bị đo tại hiện trường (ví dụ như lưu lượng, áp suất và nhiệt độ chất lỏng) để giám sát các thông số đường ống bên trong; các thông số đường ống này sau đó được sử dụng để suy ra rò rỉ. Các hệ thống bên ngoài sử dụng các cảm biến cục bộ, chuyên dụng.

TRFL (Đức)

TRFL là tên viết tắt của “Technische Regel für Fernleitungsanlagen” (Quy tắc kỹ thuật cho hệ thống đường ống). TRFL tóm tắt các yêu cầu đối với đường ống tuân theo các quy định chính thức. Nó bao gồm các đường ống vận chuyển chất lỏng dễ cháy, đường ống vận chuyển chất lỏng nguy hiểm cho nước và hầu hết các đường ống vận chuyển khí đốt. Năm loại chức năng LDS hoặc LDS khác nhau được yêu cầu:

Hai LDS độc lập để phát hiện rò rỉ liên tục trong quá trình hoạt động ở trạng thái ổn định. Một trong những hệ thống này hoặc một hệ thống bổ sung cũng phải có khả năng phát hiện rò rỉ trong quá trình vận hành nhất thời, ví dụ như trong quá trình khởi động đường ống
Một LDS để phát hiện rò rỉ trong khi vận hành đóng
Một LDS cho rò rỉ leo
Một LDS cho vị trí rò rỉ nhanh

Yêu cầu

API 1155 (được thay thế bằng API RP 1130) xác định các yêu cầu quan trọng sau đây đối với LDS:

Độ nhạy: Một LDS phải đảm bảo rằng sự mất chất lỏng do rò rỉ càng nhỏ càng tốt. Điều này đặt ra hai yêu cầu trên hệ thống: nó phải phát hiện những rò rỉ nhỏ và nó phải phát hiện ra chúng một cách nhanh chóng.
Độ tin cậy: Người dùng phải có thể tin tưởng vào LDS. Điều này có nghĩa là nó phải báo cáo chính xác bất kỳ báo động thực sự nào, nhưng điều quan trọng không kém là nó không tạo ra các báo động sai.
Độ chính xác: Một số LDS có thể tính toán lưu lượng rò rỉ và vị trí rò rỉ. Điều này phải được thực hiện chính xác.
Tính mạnh mẽ: LDS nên tiếp tục hoạt động trong những trường hợp không lý tưởng. Ví dụ, trong trường hợp lỗi đầu dò, hệ thống sẽ phát hiện lỗi và tiếp tục hoạt động (có thể với các thỏa hiệp cần thiết như giảm độ nhạy).

Tình trạng ổn định và thoáng qua

Trong điều kiện trạng thái ổn định, dòng chảy, áp suất, vv trong đường ống là (ít nhiều) không đổi theo thời gian. Trong điều kiện thoáng qua, các biến này có thể thay đổi nhanh chóng. Những thay đổi lan truyền như sóng qua đường ống với tốc độ âm thanh của chất lỏng. Các điều kiện nhất thời xảy ra trong một đường ống, ví dụ khi khởi động, nếu áp suất ở đầu vào hoặc đầu ra thay đổi (ngay cả khi thay đổi nhỏ) và khi một lô thay đổi hoặc khi nhiều sản phẩm trong đường ống. Các đường ống khí hầu như luôn luôn trong điều kiện thoáng qua, vì khí rất dễ nén. Ngay cả trong các đường ống dẫn chất lỏng, các hiệu ứng thoáng qua không thể bị coi thường trong hầu hết thời gian. LDS nên cho phép phát hiện rò rỉ cho cả hai điều kiện để cung cấp phát hiện rò rỉ trong toàn bộ thời gian vận hành của đường ống.

LDS nội bộ

Các hệ thống nội bộ sử dụng thiết bị đo tại hiện trường (ví dụ như lưu lượng, áp suất và nhiệt độ chất lỏng) để giám sát các thông số đường ống bên trong; các thông số đường ống này sau đó được sử dụng để suy ra rò rỉ. Chi phí hệ thống và độ phức tạp của LDS dựa trên nội bộ là vừa phải vì chúng sử dụng thiết bị đo hiện trường. Loại LDS này được sử dụng cho các yêu cầu an toàn tiêu chuẩn.

Giám sát áp suất / lưu lượng

Một rò rỉ thay đổi thủy lực của đường ống, và do đó thay đổi chỉ số áp suất hoặc lưu lượng sau một thời gian. Do đó, giám sát áp suất hoặc lưu lượng cục bộ tại một điểm có thể cung cấp khả năng phát hiện rò rỉ đơn giản. Vì nó được thực hiện tại địa phương nên về nguyên tắc không có từ xa. Tuy nhiên, nó chỉ hữu ích trong điều kiện ổn định và khả năng xử lý các đường ống dẫn khí bị hạn chế.

Sóng áp suất âm

Phương pháp sóng áp suất âm học phân tích các sóng hiếm tạo ra khi xảy ra rò rỉ. Khi xảy ra sự cố vỡ thành ống, chất lỏng hoặc khí thoát ra dưới dạng một tia có vận tốc cao. Điều này tạo ra các sóng áp suất âm lan truyền theo cả hai hướng trong đường ống và có thể được phát hiện và phân tích. Nguyên tắc hoạt động của phương pháp dựa trên đặc tính rất quan trọng của sóng áp lực để truyền đi trên một khoảng cách xa với tốc độ âm thanh do thành ống dẫn hướng. Biên độ của sóng áp suất tăng theo kích thước rò rỉ. Một thuật toán toán học phức tạp phân tích dữ liệu từ các cảm biến áp suất và có thể chỉ trong vài giây để chỉ ra vị trí rò rỉ với độ chính xác nhỏ hơn 50 m (164 ft). Dữ liệu thử nghiệm đã cho thấy khả năng phát hiện rò rỉ có đường kính nhỏ hơn 3mm (0.1 inch) của phương pháp này và hoạt động với tỷ lệ báo động sai thấp nhất trong ngành - ít hơn 1 báo động sai mỗi năm.

Tuy nhiên, phương pháp không thể phát hiện rò rỉ đang diễn ra sau sự kiện ban đầu: sau sự cố vỡ đường ống (hoặc vỡ), sóng áp suất ban đầu lắng xuống và không có sóng áp suất tiếp theo được tạo ra. Do đó, nếu hệ thống không phát hiện rò rỉ (ví dụ, do sóng áp suất bị che bởi sóng áp suất thoáng qua do sự kiện vận hành như thay đổi áp suất bơm hoặc chuyển đổi van), hệ thống sẽ không phát hiện rò rỉ đang diễn ra.

Phương pháp cân bằng

Những phương pháp này dựa trên nguyên tắc bảo tồn khối lượng. Ở trạng thái ổn định, dòng chảy khối $\ chấm {M} _I$ đi vào đường ống không bị rò rỉ sẽ cân bằng lưu lượng lớn $\ chấm {M} _O$ Để lại nó; bất kỳ sự sụt giảm nào trong khối lượng rời khỏi đường ống (mất cân bằng khối lượng $\ dot {M} _I - \ dot {M} _O$ ) chỉ ra sự rò rỉ. Phương pháp cân bằng $\ chấm {M} _I$ và $\ chấm {M} _O$ sử dụng lưu lượng kế và cuối cùng tính toán sự mất cân bằng là ước tính của dòng rò rỉ thực sự chưa biết. So sánh sự mất cân bằng này (thường được theo dõi trong một số giai đoạn) với ngưỡng báo động rò rỉ $\ gamma$ tạo ra một báo động nếu sự mất cân bằng được giám sát này. Các phương pháp cân bằng nâng cao cũng tính đến tốc độ thay đổi của lượng hàng tồn kho lớn của đường ống. Các tên được sử dụng cho kỹ thuật cân bằng dòng nâng cao là cân bằng thể tích, cân bằng thể tích sửa đổi và cân bằng khối lượng bù.

Phương pháp thống kê

LDS thống kê sử dụng các phương pháp thống kê (ví dụ từ lĩnh vực lý thuyết quyết định) để phân tích áp suất / lưu lượng chỉ tại một điểm hoặc sự mất cân bằng nhằm phát hiện rò rỉ. Điều này dẫn đến cơ hội tối ưu hóa quyết định rò rỉ nếu một số giả định thống kê được giữ nguyên. Một cách tiếp cận phổ biến là sử dụng thủ tục kiểm tra giả thuyết

\ text {Giả thuyết} H_0: \ text {Không rò rỉ}

\ text {Giả thuyết} H_1: \ text {Rò rỉ}

Đây là một vấn đề phát hiện cổ điển, và có nhiều giải pháp khác nhau được biết đến từ thống kê.

Phương pháp RTTM

RTTM có nghĩa là “Mô hình thoáng qua thời gian thực”. RTTM LDS sử dụng các mô hình toán học của dòng chảy trong đường ống sử dụng các định luật vật lý cơ bản như bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng và bảo toàn năng lượng. Phương pháp RTTM có thể được coi là sự cải tiến của phương pháp cân bằng vì chúng sử dụng thêm nguyên tắc bảo toàn động lượng và năng lượng. RTTM giúp bạn có thể tính toán khối lượng lưu lượng, áp suất, mật độ và nhiệt độ tại mọi điểm dọc theo đường ống trong thời gian thực với sự trợ giúp của các thuật toán toán học. RTTM LDS có thể dễ dàng mô hình hóa dòng chảy nhất thời và trạng thái ổn định trong đường ống. Sử dụng công nghệ RTTM, rò rỉ có thể được phát hiện trong điều kiện trạng thái ổn định và thoáng qua. Với thiết bị đo hoạt động thích hợp, tỷ lệ rò rỉ có thể được ước tính về mặt chức năng bằng cách sử dụng các công thức có sẵn.

Phương pháp E-RTTM

Luồng tín hiệu Mô hình thoáng qua thời gian thực mở rộng (E-RTTM)

E-RTTM là viết tắt của “Mô hình thoáng qua thời gian thực mở rộng”, sử dụng công nghệ RTTM với các phương pháp thống kê. Vì vậy, có thể phát hiện rò rỉ trong điều kiện trạng thái ổn định và thoáng qua với độ nhạy cao và sẽ tránh được các cảnh báo sai bằng cách sử dụng các phương pháp thống kê.

Đối với phương thức còn lại, mô-đun RTTM tính toán các ước tính $\ mũ {\ dot {M}} _ Tôi$ , $\ mũ {\ dot {M}} _ O$ cho MASS FLOW ở đầu vào và đầu ra, tương ứng. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các phép đo cho áp lực và nhiệt độ ở đầu vào ( $số Pi$ , $T_I$ ) và ổ cắm ( $p_O$ , $ĐẾN$ ). Các lưu lượng khối lượng ước tính này được so sánh với các lưu lượng khối lượng đo được $\ chấm {M} _I$ , $\ chấm {M} _O$ , mang lại số dư $x = \ dot {M} _I - \ hat {\ dot {M}} _ I$ và $y = \ dot {M} _O - \ hat {\ dot {M}} _ O$ . Những phần dư này gần bằng XNUMX nếu không có rò rỉ; mặt khác, phần dư thể hiện một chữ ký đặc trưng. Trong một bước tiếp theo, phần dư là đối tượng của phân tích chữ ký rò rỉ. Mô-đun này phân tích hành vi tạm thời của họ bằng cách trích xuất và so sánh chữ ký rò rỉ với chữ ký rò rỉ trong cơ sở dữ liệu (vân tay vân tay). Báo động rò rỉ được khai báo nếu chữ ký rò rỉ trích xuất khớp với dấu vân tay.

LDS dựa trên bên ngoài

Các hệ thống bên ngoài sử dụng các cảm biến cục bộ, chuyên dụng. Những LDS như vậy có độ nhạy cao và chính xác, nhưng chi phí hệ thống và độ phức tạp của việc cài đặt thường rất cao; Do đó, các ứng dụng được giới hạn trong các khu vực đặc biệt có nguy cơ cao, ví dụ như gần sông hoặc khu vực bảo vệ thiên nhiên.

Cáp phát hiện rò rỉ dầu kỹ thuật số

Cáp Sense kỹ thuật số bao gồm một dây bện của các dây dẫn bên trong bán thấm được bảo vệ bởi một dây bện đúc cách điện thấm. Một tín hiệu điện được truyền qua các dây dẫn bên trong và được theo dõi bởi bộ vi xử lý sẵn có bên trong đầu nối cáp. Chất lỏng thoát ra đi qua bím tóc thấm bên ngoài và tiếp xúc với các dây dẫn bán thấm bên trong. Điều này gây ra sự thay đổi tính chất điện của cáp được bộ vi xử lý phát hiện. Bộ vi xử lý có thể xác định vị trí của chất lỏng trong độ phân giải 1 mét dọc theo chiều dài của nó và cung cấp tín hiệu thích hợp cho các hệ thống hoặc người vận hành giám sát. Các cáp cảm giác có thể được quấn quanh các đường ống, chôn dưới bề mặt với các đường ống hoặc được lắp đặt như một cấu hình đường ống.

Kiểm tra đường ống phóng xạ hồng ngoại

Nhiệt kế trên không của đường ống dẫn dầu xuyên quốc gia bị chôn vùi cho thấy ô nhiễm dưới bề mặt do rò rỉ

Thử nghiệm đường ống nhiệt học bằng tia hồng ngoại đã cho thấy bản thân nó vừa chính xác vừa hiệu quả trong việc phát hiện và xác định vị trí rò rỉ đường ống dưới bề mặt, khoảng trống do xói mòn, lớp cách nhiệt đường ống bị xuống cấp và lấp đầy kém. Khi một đường ống rò rỉ đã cho phép một chất lỏng, chẳng hạn như nước, hình thành một ống khói gần đường ống, chất lỏng có độ dẫn nhiệt khác với đất khô hoặc chất lấp đầy. Điều này sẽ được phản ánh trong các mô hình nhiệt độ bề mặt khác nhau phía trên vị trí rò rỉ. Một máy đo bức xạ hồng ngoại có độ phân giải cao cho phép quét toàn bộ khu vực và dữ liệu kết quả được hiển thị dưới dạng ảnh với các khu vực có nhiệt độ khác nhau được chỉ định bằng các tông màu xám khác nhau trên hình ảnh đen trắng hoặc các màu khác nhau trên hình ảnh màu. Hệ thống này chỉ đo lường các mẫu năng lượng bề mặt, nhưng các mẫu năng lượng được đo trên bề mặt của mặt đất phía trên một đường ống bị chôn vùi có thể giúp chỉ ra nơi đường ống bị rò rỉ và dẫn đến các khoảng trống xói mòn đang hình thành; nó phát hiện các vấn đề sâu tới 30 mét dưới mặt đất.

Máy dò phát xạ âm

Chất lỏng thoát ra tạo ra tín hiệu âm thanh khi chúng đi qua một lỗ trên đường ống. Các cảm biến âm thanh được gắn vào bên ngoài đường ống tạo ra âm thanh cơ bản, dấu vân tay cơ bản của dòng từ tiếng ồn bên trong của đường ống ở trạng thái không bị hư hại. Khi rò rỉ xảy ra, tín hiệu âm thanh tần số thấp được phát hiện và phân tích. Những sai lệch so với đường cơ sở vân tay vân tay của Tín hiệu báo động. Bây giờ các cảm biến đang có sự sắp xếp tốt hơn với lựa chọn băng tần, lựa chọn dải trễ thời gian, v.v. Điều này làm cho các biểu đồ khác biệt hơn và dễ phân tích hơn. Có nhiều cách khác để phát hiện rò rỉ. Điện thoại địa lý mặt đất với sự sắp xếp bộ lọc rất hữu ích để xác định vị trí rò rỉ. Nó tiết kiệm chi phí khai quật. Các tia nước trong đất chạm vào thành trong của đất hoặc bê tông. Điều này sẽ tạo ra một tiếng ồn yếu. Tiếng ồn này sẽ phân rã trong khi đi lên trên bề mặt. Nhưng âm thanh tối đa có thể được chọn chỉ qua vị trí rò rỉ. Bộ khuếch đại và bộ lọc giúp thu được tiếng ồn rõ ràng. Một số loại khí được đưa vào đường ống sẽ tạo ra một loạt âm thanh khi rời khỏi đường ống.

Ống cảm ứng hơi

Phương pháp phát hiện rò rỉ ống cảm biến hơi liên quan đến việc lắp đặt một ống dọc theo toàn bộ chiều dài của đường ống. Ống này - ở dạng cáp - có tính thấm cao đối với các chất được phát hiện trong ứng dụng cụ thể. Nếu rò rỉ xảy ra, các chất cần đo tiếp xúc với ống ở dạng hơi, khí hoặc hòa tan trong nước. Trong trường hợp rò rỉ, một số chất rò rỉ sẽ khuếch tán vào trong ống. Sau một thời gian nhất định, bên trong ống tạo ra hình ảnh chính xác về các chất xung quanh ống. Để phân tích sự phân bố nồng độ có trong ống cảm biến, một máy bơm đẩy cột không khí trong ống qua bộ phận phát hiện với tốc độ không đổi. Bộ phận dò ở cuối ống cảm biến được trang bị cảm biến khí. Mỗi sự gia tăng nồng độ khí dẫn đến một “đỉnh rò rỉ” rõ rệt.

Phát hiện rò rỉ cáp quang

Ít nhất hai phương pháp phát hiện rò rỉ sợi quang đang được thương mại hóa: Cảm biến nhiệt độ phân tán (DTS) và Cảm biến âm thanh phân tán (DAS). Phương pháp DTS liên quan đến việc lắp đặt cáp quang dọc theo chiều dài đường ống được theo dõi. Các chất cần đo tiếp xúc với cáp khi xảy ra rò rỉ, thay đổi nhiệt độ của cáp và thay đổi độ phản xạ của xung chùm tia laser, báo hiệu rò rỉ. Vị trí được biết bằng cách đo độ trễ thời gian giữa khi phát xung laser và khi phát hiện sự phản xạ. Điều này chỉ hoạt động nếu chất ở nhiệt độ khác với môi trường xung quanh. Ngoài ra, kỹ thuật cảm biến nhiệt độ sợi quang phân tán cung cấp khả năng đo nhiệt độ dọc theo đường ống. Quét toàn bộ chiều dài của sợi, cấu hình nhiệt độ dọc theo sợi được xác định, dẫn đến phát hiện rò rỉ.

Phương pháp DAS liên quan đến việc lắp đặt cáp quang tương tự dọc theo chiều dài đường ống được theo dõi. Rung động do một chất rời khỏi đường ống thông qua rò rỉ làm thay đổi sự phản xạ của xung chùm tia laser, báo hiệu rò rỉ. Vị trí được biết bằng cách đo độ trễ thời gian giữa khi phát xung laser và khi phát hiện sự phản xạ. Kỹ thuật này cũng có thể được kết hợp với phương pháp Cảm biến nhiệt độ phân tán để cung cấp cấu hình nhiệt độ của đường ống.