كشف التسريب

by دلتا للهندسة / الجمعة، 25 مارس 2016 / نشرت في كابلات جهد عالي

خط أنابيب كشف التسريب يستخدم لتحديد ما إذا كان قد حدث تسرب في الأنظمة التي تحتوي على سوائل وغازات وفي بعض الحالات التي يحدث فيها تسرب. تشمل طرق الكشف الاختبار الهيدروستاتيكي بعد تركيب خطوط الأنابيب واكتشاف التسرب أثناء الخدمة.

شبكات الأنابيب هي أكثر وسائل النقل الاقتصادية والأكثر أمانًا للنفط والغاز والمنتجات السائلة الأخرى. كوسيلة للنقل لمسافات طويلة ، يجب أن تفي خطوط الأنابيب بمتطلبات عالية من السلامة والموثوقية والكفاءة. إذا تم صيانتها بشكل صحيح ، يمكن أن تستمر خطوط الأنابيب إلى أجل غير مسمى دون تسرب. تحدث معظم التسريبات المهمة بسبب التلف الناتج عن معدات الحفر القريبة ، لذلك من الضروري الاتصال بالسلطات قبل الحفريات للتأكد من عدم وجود خطوط أنابيب مدفونة في المنطقة المجاورة. إذا لم تتم صيانة خط الأنابيب بشكل صحيح ، فيمكن أن يبدأ في التآكل ببطء ، خاصة عند وصلات البناء ، أو النقاط المنخفضة حيث تتجمع الرطوبة ، أو المواقع التي بها عيوب في الأنبوب. ومع ذلك ، يمكن تحديد هذه العيوب من خلال أدوات الفحص وتصحيحها قبل أن تتحول إلى تسرب. تشمل الأسباب الأخرى للتسرب الحوادث أو حركة الأرض أو التخريب.

الغرض الأساسي من أنظمة اكتشاف التسرب (LDS) هو مساعدة مراقبي خطوط الأنابيب في اكتشاف التسريبات وتحديد موقعها. توفر LDS إنذارًا وتعرض البيانات الأخرى ذات الصلة إلى مراقبي خطوط الأنابيب من أجل المساعدة في اتخاذ القرار. تعد أنظمة الكشف عن تسرب خطوط الأنابيب مفيدة أيضًا لأنها يمكن أن تعزز الإنتاجية وموثوقية النظام بفضل تقليل وقت التوقف عن العمل وتقليل وقت الفحص. لذلك فإن LDS هي جانب مهم من جوانب تكنولوجيا خطوط الأنابيب.

وفقًا لوثيقة API "RP 1130" ، يتم تقسيم LDS إلى LDS داخليًا و LDS خارجيًا. تستخدم الأنظمة القائمة داخليًا الأجهزة الميدانية (على سبيل المثال مستشعرات التدفق أو الضغط أو درجة حرارة السائل) لمراقبة معلمات خط الأنابيب الداخلية. تستخدم الأنظمة الخارجية أيضًا الأجهزة الميدانية (على سبيل المثال مقاييس الأشعة تحت الحمراء أو الكاميرات الحرارية أو مستشعرات البخار أو الميكروفونات الصوتية أو كابلات الألياف الضوئية) لمراقبة معلمات خطوط الأنابيب الخارجية.

القواعد واللوائح

تنظم بعض الدول رسمياً تشغيل خطوط الأنابيب.

API RP 1130 "مراقبة خط الأنابيب الحسابية للسوائل" (الولايات المتحدة الأمريكية)

تركز هذه الممارسة الموصى بها (RP) على تصميم وتنفيذ واختبار وتشغيل LDS التي تستخدم نهجًا حسابيًا. الغرض من هذه الممارسة الموصى بها هو مساعدة مشغل خط الأنابيب في تحديد القضايا ذات الصلة باختيار ، وتنفيذ ، واختبار ، وتشغيل ستاح. يتم تصنيف LDS على أساس داخلي وخارجي. تستخدم الأنظمة القائمة داخليًا الأجهزة الميدانية (على سبيل المثال للتدفق والضغط ودرجة حرارة السائل) لمراقبة معلمات خط الأنابيب الداخلية ؛ تُستخدم معلمات خطوط الأنابيب هذه لاحقًا لاستنتاج حدوث تسرب. تستخدم الأنظمة الخارجية أجهزة استشعار محلية ومخصصة.

TRFL (ألمانيا)

TRFL هو اختصار لـ "Technische Regel für Fernleitungsanlagen" (القاعدة الفنية لأنظمة خطوط الأنابيب). تلخص TRFL متطلبات خطوط الأنابيب التي تخضع للوائح الرسمية. ويغطي خطوط الأنابيب التي تنقل السوائل القابلة للاشتعال ، وخطوط الأنابيب التي تنقل السوائل التي تشكل خطورة على المياه ، ومعظم خطوط الأنابيب التي تنقل الغاز. هناك حاجة إلى خمسة أنواع مختلفة من وظائف LDS أو LDS:

اثنان LDS مستقلان لاكتشاف التسرب المستمر أثناء التشغيل في حالة مستقرة. يجب أن يكون أحد هذه الأنظمة أو نظامًا إضافيًا قادرًا أيضًا على اكتشاف التسريبات أثناء التشغيل العابر ، على سبيل المثال أثناء بدء تشغيل خط الأنابيب
LDS واحد لاكتشاف التسرب أثناء عملية الإغلاق
LDS واحد للتسريبات الزاحفة
LDS واحد لموقع التسريب السريع

المتطلبات الأساسية

API 1155 (تم استبداله بـ API RP 1130) يحدد المتطلبات الهامة التالية لـ LDS:

الحساسية: يجب أن يضمن نظام LDS أن يكون فقد السوائل نتيجة للتسرب ضئيلًا قدر الإمكان. يضع هذا متطلبين على النظام: يجب أن يكتشف التسريبات الصغيرة ، ويجب أن يكتشفها بسرعة.
الموثوقية: يجب أن يكون المستخدم قادرًا على الوثوق في LDS. هذا يعني أنه يجب عليه الإبلاغ عن أي إنذارات حقيقية بشكل صحيح ، ولكن من المهم بنفس القدر ألا يولد إنذارات خاطئة.
الدقة: بعض LDS قادرة على حساب تدفق التسرب وموقع التسرب. يجب أن يتم ذلك بدقة.
المتانة: يجب أن تستمر LDS في العمل في ظروف غير مثالية. على سبيل المثال ، في حالة فشل محول الطاقة ، يجب على النظام اكتشاف الفشل والاستمرار في العمل (ربما مع التنازلات الضرورية مثل الحساسية المنخفضة).

حالة مستقرة وعابرة

أثناء ظروف الحالة المستقرة ، يكون التدفق والضغوط وما إلى ذلك في خط الأنابيب ثابتًا (إلى حد ما) بمرور الوقت. خلال الظروف العابرة ، قد تتغير هذه المتغيرات بسرعة. تنتشر التغييرات مثل الموجات عبر خط الأنابيب بسرعة صوت السائل. تحدث الظروف العابرة في خط الأنابيب على سبيل المثال عند بدء التشغيل ، إذا تغير الضغط عند المدخل أو المخرج (حتى لو كان التغيير صغيرًا) ، وعندما تتغير الدُفعة ، أو عندما تكون هناك منتجات متعددة في خط الأنابيب. تكون أنابيب الغاز دائمًا في ظروف عابرة ، لأن الغازات شديدة الانضغاط. حتى في خطوط الأنابيب السائلة ، لا يمكن تجاهل التأثيرات العابرة في معظم الأوقات. يجب أن تسمح LDS باكتشاف التسريبات لكلا الحالتين لتوفير اكتشاف التسرب خلال فترة التشغيل الكاملة لخط الأنابيب.

LDS داخليًا

تستخدم الأنظمة القائمة داخليًا الأجهزة الميدانية (على سبيل المثال للتدفق والضغط ودرجة حرارة السائل) لمراقبة معلمات خط الأنابيب الداخلية ؛ تُستخدم معلمات خطوط الأنابيب هذه لاحقًا لاستنتاج حدوث تسرب. تكلفة النظام وتعقيد نظام LDS الداخلي معتدل لأنهما يستخدمان الأجهزة الميدانية الحالية. يستخدم هذا النوع من LDS لمتطلبات السلامة القياسية.

مراقبة الضغط / التدفق

يغير التسرب المكونات الهيدروليكية لخط الأنابيب ، وبالتالي يغير الضغط أو قراءات التدفق بعد مرور بعض الوقت. وبالتالي ، فإن المراقبة المحلية للضغط أو التدفق عند نقطة واحدة فقط يمكن أن توفر اكتشافًا بسيطًا للتسرب. كما هو الحال محليًا ، فإنه يتطلب من حيث المبدأ عدم القياس عن بعد. إنه مفيد فقط في ظروف الحالة المستقرة ، وقدرته على التعامل مع خطوط أنابيب الغاز محدودة.

موجات الضغط الصوتية

تحلل طريقة موجة الضغط الصوتي موجات الخلخلة الناتجة عند حدوث تسرب. عندما يحدث انهيار جدار خط الأنابيب ، يتسرب السائل أو الغاز على شكل نفاثة عالية السرعة. ينتج عن ذلك موجات ضغط سالبة تنتشر في كلا الاتجاهين داخل خط الأنابيب ويمكن اكتشافها وتحليلها. تعتمد مبادئ تشغيل الطريقة على الخاصية المهمة جدًا لموجات الضغط للسفر عبر مسافات طويلة بسرعة الصوت التي يتم توجيهها بواسطة جدران خطوط الأنابيب. يزداد اتساع موجة الضغط مع زيادة حجم التسرب. تقوم خوارزمية رياضية معقدة بتحليل البيانات من مستشعرات الضغط ويمكنها في غضون ثوانٍ أن تشير إلى موقع التسرب بدقة تقل عن 50 مترًا (164 قدمًا). أظهرت البيانات التجريبية قدرة الطريقة على اكتشاف التسريبات التي يقل قطرها عن 3 مم (0.1 بوصة) وتعمل بأقل معدل إنذار كاذب في الصناعة - أقل من إنذار كاذب واحد سنويًا.

ومع ذلك ، فإن الطريقة غير قادرة على اكتشاف التسرب المستمر بعد الحدث الأولي: بعد انهيار جدار خط الأنابيب (أو تمزقه) ، تهدأ موجات الضغط الأولية ولا تتولد موجات ضغط لاحقة. لذلك ، إذا فشل النظام في اكتشاف التسرب (على سبيل المثال ، بسبب حجب موجات الضغط عن طريق موجات الضغط العابرة الناتجة عن حدث تشغيلي مثل تغيير ضغط الضخ أو تبديل الصمام) ، فلن يكتشف النظام التسرب المستمر.

طرق الموازنة

تستند هذه الأساليب على مبدأ الحفاظ على الكتلة. في حالة الثبات ، تدفق الكتلة $\ نقطة {M} _I$ سيؤدي دخول خط أنابيب خالٍ من التسرب إلى موازنة التدفق الشامل $\ نقطة {M} _O$ تاركا اياه؛ أي انخفاض في الكتلة يخرج من خط الأنابيب (عدم توازن جماعي $\ نقطة {M} _I - \ نقطة {M} _O$ ) يشير إلى وجود تسرب. قياس طرق الموازنة $\ نقطة {M} _I$ و $\ نقطة {M} _O$ باستخدام مقاييس التدفق وحساب الخلل في النهاية وهو تقدير لتدفق التسرب الحقيقي غير المعروف. مقارنة هذا الاختلال (الذي تتم مراقبته عادةً على مدى عدد من الفترات) مع عتبة إنذار التسرب $\ جاما$ يولد إنذارًا إذا كان هذا الخلل المرصود. بالإضافة إلى ذلك ، تأخذ طرق الموازنة المحسّنة في الاعتبار معدل التغيير في المخزون الشامل لخط الأنابيب. الأسماء المستخدمة لتقنيات موازنة الخطوط المحسّنة هي توازن الحجم وتوازن الحجم المعدل وتوازن الكتلة المعوض.

الأساليب الإحصائية

تستخدم LDS الإحصائية الأساليب الإحصائية (على سبيل المثال من مجال نظرية القرار) لتحليل الضغط / التدفق عند نقطة واحدة فقط أو عدم التوازن من أجل اكتشاف التسرب. يؤدي هذا إلى فرصة تحسين قرار التسرب إذا ثبتت بعض الافتراضات الإحصائية. النهج الشائع هو استخدام إجراء اختبار الفرضية

\ text {فرضية} H_0: \ text {لا تسرب}

\ text {فرضية} H_1: \ text {تسرب}

هذه مشكلة كشف كلاسيكية ، وهناك العديد من الحلول المعروفة من الإحصائيات.

طرق RTTM

RTTM تعني "نموذج الوقت الحقيقي العابر". يستخدم RTTM LDS نماذج رياضية للتدفق داخل خط الأنابيب باستخدام القوانين الفيزيائية الأساسية مثل الحفاظ على الكتلة ، والحفاظ على الزخم ، والحفاظ على الطاقة. يمكن اعتبار طرق RTTM بمثابة تحسين لطرق الموازنة لأنها تستخدم أيضًا مبدأ الحفاظ على الزخم والطاقة. يتيح RTTM إمكانية حساب تدفق الكتلة والضغط والكثافة ودرجة الحرارة في كل نقطة على طول خط الأنابيب في الوقت الفعلي بمساعدة الخوارزميات الرياضية. يمكن لـ RTTM LDS بسهولة نمذجة الحالة المستقرة والتدفق العابر في خط الأنابيب. باستخدام تقنية RTTM ، يمكن الكشف عن التسريبات أثناء الحالة المستقرة والظروف العابرة. باستخدام أجهزة تعمل بشكل صحيح ، يمكن تقدير معدلات التسرب وظيفيًا باستخدام الصيغ المتاحة.

طرق E-RTTM

تدفق الإشارة نموذج الوقت الحقيقي الممتد العابر (E-RTTM)

يرمز E-RTTM إلى "نموذج الوقت الحقيقي العابر الممتد" ، باستخدام تقنية RTTM مع الأساليب الإحصائية. لذلك ، يكون اكتشاف التسرب ممكنًا أثناء الحالة المستقرة والظروف العابرة ذات الحساسية العالية ، وسيتم تجنب الإنذارات الكاذبة باستخدام الطرق الإحصائية.

بالنسبة للطريقة المتبقية ، تحسب وحدة RTTM التقديرات $\ hat {\ dot {M}} _ I$ , $\ hat {\ dot {M}} _ O$ للتدفق الشامل عند المدخل والمخرج ، على التوالي. يمكن القيام بذلك باستخدام قياسات لـ الضغط ودرجة الحرارة عند المدخل ( $باي$ , $T_I$ ) ومخرج ( $ص_أ$ , $ل$ ). تتم مقارنة هذه التدفقات الجماعية المقدرة مع التدفقات الكتلية المقاسة $\ نقطة {M} _I$ , $\ نقطة {M} _O$ ، مما ينتج عنه المخلفات $x = \ dot {M} _I - \ hat {\ dot {M}} _ I$ و $y = \ dot {M} _O - \ hat {\ dot {M}} _ O$ . تكون هذه المخلفات قريبة من الصفر إذا لم يكن هناك تسرب ؛ وإلا فإن المخلفات تظهر توقيعًا مميزًا. في الخطوة التالية ، تخضع المخلفات لتحليل توقيع التسرب. تحلل هذه الوحدة سلوكهم الزمني عن طريق استخراج ومقارنة توقيع التسرب بتوقيعات التسرب في قاعدة بيانات ("بصمة الإصبع"). يتم الإعلان عن إنذار التسرب إذا تطابق توقيع التسريب المستخرج مع بصمة الإصبع.

LDS خارجيا

تستخدم الأنظمة الخارجية أجهزة استشعار محلية ومخصصة. هذه LDS حساسة ودقيقة للغاية ، ولكن تكلفة النظام وتعقيد التثبيت عادةً ما تكون عالية جدًا ؛ لذلك تقتصر التطبيقات على المناطق الخاصة عالية الخطورة ، على سبيل المثال بالقرب من الأنهار أو مناطق حماية الطبيعة.

كابل كشف تسرب الزيت الرقمي

تتكون كابلات Digital Sense من جديلة من موصلات داخلية شبه منفذة محمية بواسطة جديلة عازلة مصبوبة قابلة للاختراق. يتم تمرير إشارة كهربائية عبر الموصلات الداخلية ويتم مراقبتها بواسطة معالج دقيق يحمل في ثناياه عوامل داخل موصل الكابل. تمر السوائل المتسربة عبر جديلة خارجية قابلة للنفاذ وتتصل بالموصلات الداخلية شبه المنفذة. يتسبب هذا في حدوث تغيير في الخصائص الكهربائية للكابل التي يكتشفها المعالج الدقيق. يمكن للمعالج الدقيق تحديد موقع السائل بدقة تبلغ مترًا واحدًا على طول طوله وتوفير إشارة مناسبة لأنظمة المراقبة أو المشغلين. يمكن لف كبلات الاستشعار حول خطوط الأنابيب ، أو دفنها تحت السطح بخطوط الأنابيب أو تركيبها كتكوين أنبوب في الأنبوب.

اختبار خط أنابيب الأشعة تحت الحمراء

الرسم الحراري الجوي لخط أنابيب النفط المدفون عبر البلاد يكشف عن التلوث تحت السطحي الناجم عن التسرب

أظهر اختبار خط الأنابيب الحراري بالأشعة تحت الحمراء نفسه دقيقًا وفعالًا في اكتشاف وتحديد مواقع تسربات خطوط الأنابيب تحت السطحية ، والفراغات الناتجة عن التآكل ، وتدهور عزل خطوط الأنابيب ، وضعف الردم. عندما يسمح تسرب خط الأنابيب لسائل ، مثل الماء ، بتكوين عمود بالقرب من خط الأنابيب ، يكون للسائل موصلية حرارية تختلف عن التربة الجافة أو الردم. سينعكس ذلك في أنماط درجات حرارة السطح المختلفة فوق موقع التسريب. يسمح مقياس إشعاع الأشعة تحت الحمراء عالي الدقة بمسح مناطق بأكملها ضوئيًا وعرض البيانات الناتجة كصور بمناطق ذات درجات حرارة مختلفة محددة بدرجات رمادية مختلفة على صورة بالأبيض والأسود أو بألوان مختلفة على صورة ملونة. يقيس هذا النظام أنماط الطاقة السطحية فقط ، لكن الأنماط التي يتم قياسها على سطح الأرض فوق خط الأنابيب المدفون يمكن أن تساعد في إظهار مكان تسرب خط الأنابيب والفراغات الناتجة عن التآكل ؛ يكتشف مشاكل يصل عمقها إلى 30 مترًا تحت سطح الأرض.

كاشفات الانبعاث الصوتية

تنتج السوائل المتسربة إشارة صوتية أثناء مرورها عبر ثقب في الأنبوب. تعمل المستشعرات الصوتية المثبتة على الجزء الخارجي من خط الأنابيب على إنشاء "بصمة" صوتية أساسية للخط من الضوضاء الداخلية لخط الأنابيب في حالته غير التالفة. عند حدوث تسرب ، يتم اكتشاف وتحليل إشارة صوتية منخفضة التردد ناتجة. الانحرافات عن خط الأساس "بصمة الإصبع" تشير إلى إنذار. تتمتع المستشعرات الآن بترتيب أفضل مع اختيار نطاق التردد واختيار نطاق تأخير الوقت وما إلى ذلك ، وهذا يجعل الرسوم البيانية أكثر تميزًا ويسهل تحليلها. وهناك طرق أخرى لاكتشاف التسرب. تعد الهواتف الأرضية مع ترتيب المرشح مفيدة جدًا لتحديد موقع التسرب. يوفر تكلفة الحفر. تضرب المياه النفاثة في التربة الجدار الداخلي للتربة أو الخرسانة. سيخلق هذا ضوضاء ضعيفة. سوف تتحلل هذه الضوضاء أثناء صعودها على السطح. ولكن لا يمكن التقاط الصوت الأقصى إلا من موضع التسرب. تساعد مكبرات الصوت والفلتر على الحصول على ضوضاء واضحة. ستخلق بعض أنواع الغازات التي يتم إدخالها في خط الأنابيب مجموعة من الأصوات عند مغادرة الأنبوب.

أنابيب استشعار البخار

تتضمن طريقة اكتشاف تسرب أنبوب استشعار البخار تركيب أنبوب بطول خط الأنابيب بالكامل. هذا الأنبوب - في شكل كبل - شديد النفاذية للمواد المراد اكتشافها في التطبيق المعين. في حالة حدوث تسرب ، تتلامس المواد المراد قياسها مع الأنبوب في شكل بخار أو غاز أو مذابة في الماء. في حالة حدوث تسرب ، ينتشر جزء من المادة المتسربة في الأنبوب. بعد فترة زمنية معينة ، ينتج داخل الأنبوب صورة دقيقة للمواد المحيطة بالأنبوب. من أجل تحليل توزيع التركيز الموجود في أنبوب المستشعر ، تدفع مضخة عمود الهواء في الأنبوب عبر وحدة الكشف بسرعة ثابتة. تم تجهيز وحدة الكاشف الموجودة في نهاية أنبوب المستشعر بأجهزة استشعار الغاز. كل زيادة في تركيز الغاز ينتج عنها "ذروة تسرب" واضحة.

كشف تسرب الألياف الضوئية

يجري تسويق طريقتين على الأقل من طريقتين لاكتشاف تسرب الألياف الضوئية: استشعار درجة الحرارة الموزعة (DTS) والاستشعار الصوتي الموزع (DAS). تتضمن طريقة DTS تركيب كبل ألياف ضوئية بطول خط الأنابيب الجاري مراقبته. تتلامس المواد المراد قياسها مع الكبل عند حدوث تسرب ، مما يؤدي إلى تغيير درجة حرارة الكابل وتغيير انعكاس نبض شعاع الليزر ، مما يشير إلى حدوث تسرب. يُعرف الموقع عن طريق قياس التأخير الزمني بين وقت انبعاث نبضة الليزر ووقت اكتشاف الانعكاس. يعمل هذا فقط إذا كانت المادة في درجة حرارة مختلفة عن البيئة المحيطة. بالإضافة إلى ذلك ، توفر تقنية استشعار درجة الحرارة بالألياف الضوئية الموزعة إمكانية قياس درجة الحرارة على طول خط الأنابيب. بمسح طول الألياف بالكامل ، يتم تحديد ملف تعريف درجة الحرارة على طول الألياف ، مما يؤدي إلى اكتشاف التسرب.

تتضمن طريقة DAS تركيبًا مشابهًا لكابل الألياف الضوئية بطول خط الأنابيب الذي يتم مراقبته. تؤدي الاهتزازات التي تسببها المادة التي تغادر خط الأنابيب عبر تسرب إلى تغيير انعكاس شعاع الليزر ، مما يشير إلى حدوث تسرب. يُعرف الموقع عن طريق قياس التأخير الزمني بين وقت انبعاث نبضة الليزر ووقت اكتشاف الانعكاس. يمكن أيضًا دمج هذه التقنية مع طريقة استشعار درجة الحرارة الموزعة لتوفير ملف تعريف درجة الحرارة لخط الأنابيب.