Istota monitoringu rurociągówAspekty bezpieczeństwa transportu materiałów niebezpiecznych zyskują coraz większą uwagę, a także wymagają coraz większej czułości. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na inteligentniejsze rurociągi o zwiększonej przepustowości rośnie liczba rurociągów i otaczających je struktur. Ciągłe ulepszenia, rozbudowa rurociągów i inne prace konstrukcyjne przyspieszają na całym świecie i stanowią stałe zagrożenie dla bezpieczeństwa i niezawodności istniejącej i starzejącej się infrastruktury.
Zagrożenia geologiczne, takie jak osunięcia ziemi, trzęsienia ziemi lub erozja rzek, mogą również deformować lub nawet całkowicie uszkadzać rurociągi, a przygotowanie do wyłączenia rurociągów przed wystąpieniem incydentów jest kluczem do utrzymania w pełni funkcjonalnego systemu rurociągów.
Bezpieczny i niezawodny transport ropy naftowej i gazu jest priorytetem, ale nadal wiele rozwiązań monitorujących naraża rurociągi na wycieki, uszkodzenia, a nawet kradzieże. Ciągłe monitorowanie zasobów może nie tylko zaoszczędzić cenny czas przestoju, ale także roboczogodziny i pieniądze, zwiększając wydajność i zmniejszając ryzyko. Chodzi o to, aby materiał pozostał tam, gdzie jego miejsce - w rurach. Aby przezwyciężyć ograniczenia rurociągów, instalacja wielu kosztownych systemów była wcześniej normą, ale w dzisiejszych czasach nie jest to konieczne.
W celu monitoringu rurociągu coraz częściej stosuje się systemy oparte na światłowodach. Możemy zastosować dedykowane włókna światłowodowe lub wykorzystać jedno z istniejących tzw. „ciemnych włókien” - jedno włókno światłowodowe do wszystkich przedstawionych poniżej systemów. Dodatkowe wymagania stawia aplikacja, w której system ma być zastosowany. Wtedy najistotniejsze jest zastosowanie odpowiedniej otuliny na zewnątrz włókna. Dwa parametry, które należy brać pod uwagę to temperatura i odporność mechaniczna. Inną otulinę zastosujemy do rurociągu zakopanego w ziemi, gdzie jest ryzyko zarówno uszkodzeń mechanicznych jak i dewastacji przez gryzonie, a inną w zamkniętym pomieszczeniu. Inną do detekcji wycieku skroplonych gazów a inną dla wysokich temperatur.
Wraz ze wzrostem popularności technologii zwiększa się zakres, na jakim może być zastosowany system DTS (pomiar oparty na zmianie temperatury), DSS (pomiar oparty na zmianie odkształcenia) czy DAS (pomiar opary na akustyce). Obecnie dla wszystkich technologii wynosi do 100km. W zależności od warunków i aplikacji, rozdzielczość przestrzenna dla 100km wynosi od 2m do 20m. Dla krótszych dystansów, czyli do 50 km, wynosi od 1m do 10m. Przekładając na praktykę, przy długości światłowodu równej 100 km, możemy zlokalizować zaistniałe zdarzenie z dokładnością do 2m. W ciągu najbliższych kilku lat możemy spodziewać się jeszcze większych zakresów pomiarowych.
Detekcja wyciekuPierwszą aplikacją, na jakiej zostały zastosowane światłowody w przemyśle to pomiary temperatury, zwane DTS (Distributed Temperature Sensing). Mierząc on-line temperaturę jesteśmy w stanie wskazać miejsce wycieku medium z rurociągu. System ma zastosowanie w dwóch przypadkach:
- jeżeli medium w rurociągu ma temperaturę inną niż temperatura otoczenia;
- dla gazów, wykorzystując efekt Joule`a-Thomsona, czyli spadek temperatury podczas rozprężania.
Dla obu przypadków należy zachować ostrożność i szczegóły skonsultować z dostawcą systemu. Przykładowo, dla wodoru obserwujemy odwrócony efekt Joule`a- Thomsona - podwyższenie temperatury, a nie jej spadek. Pamiętajmy także, że medium, które nie zmienia temperatury w trakcie rozprężenia powinno mieć inną temperaturę niż temperatura otoczenia o każdej porze roku, a gazy z przeważającą zawartością metanu w składzie, jak gaz ziemny czy metan, powinny mieć co najmniej średnie ciśnienie. Przykładowo, przy ciśnieniu (lub podciśnieniu) o wartości 0,5 bara, będziemy obserwować zmianę temperatury jedynie o około 0,25 ºC.
W celu odróżnienia wycieku od innych zjawisk zewnętrznych należy właściwie skonfigurować alarmy. Nie tylko istotny jest lokalny wzrost (lub spadek) temperatury, a także czas jego narostu (lub spadku) oraz różnica w stosunku do sąsiednich odcinków światłowodu. Dzięki zastosowaniu odpowiedniej
konfiguracji alarmów możemy odróżnić wyciek pary z rurociągu od wzrostu temperatury na skutek nagrzania przez słonce w lecie.
Osuwiska i tereny górniczeW aplikacjach, gdzie rurociągi ułożone są na terenach zagrożonych osuwiskami, możemy mierzyć odkształcenia światłowodu i na podstawie pomiaru oszacować osuwanie się ziemi, zmierzyć wydłużenia (lub skrócenia) kompensatorów liniowych a także wykryć nacisk spowodowany przez koparkę, która najechała na zakopany rurociąg. Tym samym system uchroni operatora przed utratą medium, skażeniem terenu i spowodowaniem zagrożenia osób znajdujących się w otoczeniu zdarzenia.
Przy pomiarach odkształceń bardzo istotny jest montaż światłowodu. Jeżeli ma mierzyć odkształcenia samego rurociągu, należy jak najbardziej spójnie zamontować światłowód. Włókno musi ściśle przylegać do rurociągu, a najlepiej zastosować światłowód w tzw. ścisłej tubie.
Do pomiarów odkształceń i temperatury może być zastosowany jeden system mierzący dwie wielkości fizyczne równocześnie. Wystarczające jest jedno włókno do obu pomiarów.
Jeżeli uwarunkowania aplikacji nie pozwalają na detekcję wycieku opartą na temperaturze, to rozwiązaniem może okazać się system oparty na akustyce - „nasłuchujący”, jakie zdarzenia mają miejsce w otoczeniu rurociągu. Światłowód rejestruje drgania, które do niego docierają i działa jak bardzo długi ciąg mikrofonów ułożonych jeden za drugim. Może być on stosowany zarówno dla rurociągów bez izolacji jak i z izolacją.
Wykorzystując dokładnie to samo zjawisko fizyczne możemy z dokładnością kilku metrów określić pozycję tłoka czyszczącego rurociągi, nawet wykorzystując już ułożone światłowody służące do telekomunikacji.
Przykładowy interfejs użytkownika dla systemu akustycznegoUnikatową aplikacją dla systemów akustycznych jest ochrona rurociągów na całej długości, zanim dojdzie do jakiegokolwiek naruszenia. Z odległości kilku metrów wykrywa człowieka poruszającego się w okolicy, odróżnia kopanie łopatą od kopania koparką oraz dokładnie określa, jakie zdarzenie ma miejsce i gdzie jest usytuowane. Jeżeli system sam w sobie nie ma zapisanego wzorca, takiego jak: ludzkie kroki, kopanie łopatą, przejazd samochodu, to może on „nauczyć się” nowych zdarzeń i bardzo precyzyjnie odróżniać je od szumów i innych zjawisk w występujących okolicy. Na naukę pozwala zaimplementowana sztuczna inteligencja.
Gdzie i jak zainstalować światłowód? Miejsce instalacji światłowodu zależy przede wszystkim od:
- transportowanego przez rurociąg medium (jaka temperatura i ciśnienie panuje wewnątrz rurociągu);
- warunków procesowych;
- izolacji rurociągu (lub jej braku).
Jeżeli system ma być stosowany do detekcji wycieku gazów, wystarczy światłowód ułożyć nad gazociągiem. Większość gazów przesyłana jest pod ciśnieniem wyższym niż atmosferyczne. Podczas wycieku, zgodnie z efektem Joule`a- Thomsona, gaz ulega rozprężeniu, a jego temperatura spada. Spadek temperatury jest uzależniony od ciśnienia w gazociągu. Dla gazu ziemnego będzie to około 0,5 °C/ 1 bar.
DTS - Pomiar temperatury
Do systemów detekcji wycieku cieczy stosujemy dokładnie odwrotne rozwiązanie. Światłowód montujemy pod rurociągiem. Nie jest zalecane jednak umieszczanie światłowodu idealnie pod rurociągiem, gdyż nacisk na włókno będzie zbyt duży, co spowoduje jego odkształcenie - źle skalibrowany układ może odczytać to jako zmianę temperatury. Oczywiście przy cieczach, sama ciecz powinna mieć temperaturę mniejszą lub większą niż otoczenie, z uwzględnieniem pór roku.
Trudniejszą aplikacją jest zastosowanie systemu bazującego na temperaturze dla rurociągów izolowanych. Drobny wyciek może być zauważony dopiero kilkaset metrów dalej, niż faktycznie miał miejsce. W tym celu należy zastosować drugie włókno w izolacji. Montaż zależy od wielu czynników, także dla takiej aplikacji należy skonsultować wszystkie warunki z dostawcą systemu.
DSS - Pomiar odkształceń
Ze wszystkich opisanych powyżej rozwiązań, najwięcej uwagi wymaga montaż światłowodu do pomiarów odkształceń. Każdy odcinek światłowodu musi mocno przylegać do powierzchni, której odkształcenia ma mierzyć. Zastosowanie opasek zaciskowych lub uchwytów oddalonych od siebie spowoduje wadliwy pomiar.
Systemy akustyczne nie mają tak restrykcyjnych wymagań odnośnie montażu. Do detekcji wycieku i określenia pozycji tłoka czyszczącego wystarczy, że włókno światłowodu będzie w odległości nie większej niż 0,5 m od rurociągu. Do detekcji intruzów, ochrony przed celowym lub przypadkowym uszkodzeniem wystarczy, że światłowód będzie w otoczeniu rurociągu.
Orientacyjne odległości wykrywanych zdarzeń to:
- 2-3 metry dla ludzkich kroków;
- 5-10 metrów dla kopania łopatą;
- 5-20 metrów dla przejeżdżających samochodów (z pomiarem prędkości poruszającego się pojazdu);
- 10-40 metrów dla ciężkiego sprzętu typu koparka.
DFOS: Nowatorskie podejście do monitoringu rurociągów
Monitoring rurociągów przy użyciu światłowodu to nowoczesne i już sprawdzone rozwiązanie:
- eliminujące wady dotychczas stosowanych metod jak na przykład nadmierna ilość pojawiających się alarmów;
- otwierające nowe możliwości ochrony infrastruktury liniowej;
- zapewniające podwyższenie bezpieczeństwa;
- wpisujące się określenie tzw. „inteligentnych rurociągów”.
