Detecção de vazamento

by Engenharia Delta / Sexta-feira, Março 25 2016 / Publicado em Alta voltagem

Pipeline detecção de vazamento é usado para determinar se, e em alguns casos, ocorreu um vazamento em sistemas que contêm líquidos e gases. Os métodos de detecção incluem testes hidrostáticos após a ereção da tubulação e a detecção de vazamentos durante o serviço.

As redes de oleodutos são o meio de transporte mais econômico e seguro para petróleo, gases e outros produtos fluidos. Como meio de transporte de longa distância, os oleodutos precisam atender a altas demandas de segurança, confiabilidade e eficiência. Se mantidos adequadamente, os dutos podem durar indefinidamente sem vazamentos. Os vazamentos mais significativos que ocorrem são causados por danos de equipamentos de escavação próximos, portanto, é essencial chamar as autoridades antes da escavação para garantir que não haja tubulações enterradas nas proximidades. Se uma tubulação não for mantida adequadamente, ela poderá começar a corroer lentamente, principalmente em juntas de construção, pontos baixos onde a umidade se acumula ou locais com imperfeições no tubo. No entanto, esses defeitos podem ser identificados por ferramentas de inspeção e corrigidos antes de avançarem para um vazamento. Outras razões para vazamentos incluem acidentes, movimentação de terra ou sabotagem.

O objetivo principal dos sistemas de detecção de vazamento (LDS) é auxiliar os controladores de dutos a detectar e localizar vazamentos. O LDS fornece um alarme e exibe outros dados relacionados aos controladores de pipeline para ajudar na tomada de decisões. Os sistemas de detecção de vazamento de tubulação também são benéficos, pois podem aumentar a produtividade e a confiabilidade do sistema graças ao tempo de inatividade reduzido e ao tempo de inspeção reduzido. Portanto, o SUD é um aspecto importante da tecnologia de tubulação.

De acordo com o documento da API "RP 1130", o SUD é dividido em SUD baseado internamente e SUD externo. Os sistemas baseados internamente utilizam instrumentação de campo (por exemplo, sensores de fluxo, pressão ou temperatura do fluido) para monitorar os parâmetros internos da tubulação. Os sistemas externos também utilizam instrumentação de campo (por exemplo, radiômetros infravermelhos ou câmeras térmicas, sensores de vapor, microfones acústicos ou cabos de fibra óptica) para monitorar os parâmetros externos da tubulação.

Regras e Regulamentos

Alguns países regulam formalmente a operação de gasodutos.

API RP 1130 "Monitoramento computacional de dutos para líquidos" (EUA)

Esta prática recomendada (RP) concentra-se no projeto, implementação, teste e operação do LDS que usa uma abordagem algorítmica. O objetivo desta prática recomendada é auxiliar o Operador de Oleoduto a identificar questões relevantes para a seleção, implementação, teste e operação de um LDS. Os SUD são classificados em internos e externos. Os sistemas baseados internamente utilizam instrumentação de campo (por exemplo, para fluxo, pressão e temperatura do fluido) para monitorar os parâmetros internos da tubulação; esses parâmetros de pipeline são posteriormente usados para inferir um vazamento. Os sistemas baseados externamente usam sensores locais dedicados.

TRFL (Alemanha)

TRFL é a abreviatura de “Technische Regel für Fernleitungsanlagen” (Regra Técnica para Sistemas de Dutos). O TRFL resume os requisitos para dutos sujeitos a regulamentos oficiais. Ele cobre dutos de transporte de líquidos inflamáveis, dutos de transporte de líquidos perigosos para a água e a maioria dos dutos de transporte de gás. Cinco tipos diferentes de funções LDS ou LDS são necessários:

Dois LDS independentes para detecção contínua de vazamentos durante operação em estado estacionário. Um desses sistemas ou um sistema adicional também deve ser capaz de detectar vazamentos durante a operação transitória, por exemplo, durante a inicialização da tubulação.
Um LDS para detecção de vazamentos durante a operação de fechamento
Um SUD para vazamentos rastejantes
Um LDS para localização rápida de vazamentos

Requisitos

API 1155 (substituído pela API RP 1130) define os seguintes requisitos importantes para um LDS:

Sensibilidade: Um SUD deve garantir que a perda de fluido como resultado de um vazamento seja a menor possível. Isso coloca dois requisitos no sistema: ele deve detectar pequenos vazamentos e deve detectá-los rapidamente.
Confiabilidade: O usuário deve poder confiar no LDS. Isso significa que ele deve relatar corretamente quaisquer alarmes reais, mas é igualmente importante que não gere alarmes falsos.
Precisão: alguns SUD são capazes de calcular o fluxo e a localização do vazamento. Isso deve ser feito com precisão.
Robustez: O SUD deve continuar a operar em circunstâncias não ideais. Por exemplo, no caso de uma falha do transdutor, o sistema deve detectar a falha e continuar a operar (possivelmente com os compromissos necessários, como sensibilidade reduzida).

Estado estacionário e condições transitórias

Durante condições de estado estacionário, o fluxo, pressões etc. na tubulação são (mais ou menos) constantes ao longo do tempo. Durante condições transitórias, essas variáveis podem mudar rapidamente. As mudanças se propagam como ondas através da tubulação com a velocidade do som do fluido. Condições transitórias ocorrem em uma tubulação, por exemplo, na inicialização, se a pressão na entrada ou na saída mudar (mesmo que a alteração seja pequena), e quando um lote mudar, ou quando vários produtos estiverem na tubulação. Os gasodutos estão quase sempre em condições transitórias, porque os gases são muito compressíveis. Mesmo em tubulações líquidas, efeitos transitórios não podem ser desconsiderados na maioria das vezes. O LDS deve permitir a detecção de vazamentos nas duas condições para fornecer a detecção de vazamentos durante todo o tempo de operação do gasoduto.

Baseado SUD internamente

Visão geral sobre o SUD baseado internamente

Os sistemas baseados internamente utilizam instrumentação de campo (por exemplo, para fluxo, pressão e temperatura do fluido) para monitorar os parâmetros internos da tubulação; esses parâmetros de pipeline são posteriormente usados para inferir um vazamento. O custo e a complexidade do sistema de LDS com base interna são moderados porque usam a instrumentação de campo existente. Este tipo de LDS é usado para requisitos de segurança padrão.

Monitoramento de pressão / fluxo

Um vazamento altera o sistema hidráulico da tubulação e, portanto, altera as leituras de pressão ou fluxo após algum tempo. O monitoramento local de pressão ou fluxo em apenas um ponto pode, portanto, fornecer uma detecção simples de vazamento. Como é feito localmente, não requer, em princípio, nenhuma telemetria. Entretanto, é útil apenas em condições de estado estacionário e sua capacidade de lidar com gasodutos é limitada.

Ondas de pressão acústica

O método da onda de pressão acústica analisa as ondas de rarefação produzidas quando ocorre um vazamento. Quando ocorre uma ruptura da parede do duto, o fluido ou gás escapa na forma de um jato de alta velocidade. Isso produz ondas de pressão negativa que se propagam em ambas as direções dentro da tubulação e podem ser detectadas e analisadas. Os princípios de operação do método baseiam-se na característica muito importante das ondas de pressão viajarem por longas distâncias na velocidade do som guiadas pelas paredes do duto. A amplitude de uma onda de pressão aumenta com o tamanho do vazamento. Um algoritmo matemático complexo analisa os dados dos sensores de pressão e é capaz, em questão de segundos, de apontar para o local do vazamento com precisão inferior a 50 m (164 pés). Dados experimentais mostraram a capacidade do método de detectar vazamentos com menos de 3 mm (0.1 polegada) de diâmetro e operar com a taxa de alarmes falsos mais baixa da indústria - menos de 1 alarme falso por ano.

No entanto, o método não consegue detectar um vazamento em andamento após o evento inicial: após a quebra (ou ruptura) da parede da tubulação, as ondas de pressão iniciais diminuem e nenhuma onda de pressão subsequente é gerada. Portanto, se o sistema falhar em detectar o vazamento (por exemplo, porque as ondas de pressão foram mascaradas por ondas de pressão transitórias causadas por um evento operacional, como uma alteração na pressão de bombeamento ou troca de válvula), o sistema não detectará o vazamento em andamento.

Métodos de balanceamento

Esses métodos baseiam-se no princípio de conservação de massa. No estado estacionário, o fluxo de massa $\ ponto {M} _I$ entrar em uma tubulação sem vazamentos equilibrará o fluxo de massa $\ ponto {M} _O$ deixando isso; qualquer queda de massa saindo do oleoduto (desequilíbrio de massa $\ ponto {M} _I - \ ponto {M} _O$ ) indica um vazamento. Medida dos métodos de balanceamento $\ ponto {M} _I$ e $\ ponto {M} _O$ usando medidores de vazão e, finalmente, calcule o desequilíbrio, que é uma estimativa do fluxo de vazamento verdadeiro e desconhecido. Comparando esse desequilíbrio (normalmente monitorado por vários períodos) com um limite de alarme de vazamento $\gama$ gera um alarme se este desequilíbrio monitorado. Os métodos de balanceamento aprimorados também levam em consideração a taxa de alteração do estoque de massa do duto. Os nomes usados para técnicas aprimoradas de balanceamento de linha são balanço de volume, balanço de volume modificado e balanço de massa compensado.

Os métodos estatísticos

O LDS estatístico usa métodos estatísticos (por exemplo, do campo da teoria da decisão) para analisar a pressão / fluxo em apenas um ponto ou o desequilíbrio para detectar um vazamento. Isso leva à oportunidade de otimizar a decisão de vazamento se algumas suposições estatísticas forem válidas. Uma abordagem comum é usar o procedimento de teste de hipótese

\ text {Hipótese} H_0: \ text {Sem vazamento}

\ text {Hipótese} H_1: \ text {Vazamento}

Esse é um problema clássico de detecção e existem várias soluções conhecidas nas estatísticas.

Métodos RTTM

RTTM significa “Modelo Transiente em Tempo Real”. RTTM LDS usa modelos matemáticos do fluxo dentro de um duto usando leis físicas básicas, como conservação de massa, conservação de momento e conservação de energia. Os métodos RTTM podem ser vistos como um aprimoramento dos métodos de balanceamento, uma vez que, adicionalmente, usam o princípio de conservação de momento e energia. Um RTTM torna possível calcular o fluxo de massa, pressão, densidade e temperatura em todos os pontos ao longo da tubulação em tempo real com a ajuda de algoritmos matemáticos. O RTTM LDS pode modelar facilmente o fluxo de estado estacionário e transiente em uma tubulação. Usando a tecnologia RTTM, os vazamentos podem ser detectados durante o estado estacionário e condições transitórias. Com a instrumentação de funcionamento adequado, as taxas de vazamento podem ser estimadas funcionalmente usando as fórmulas disponíveis.

Métodos E-RTTM

Modelo de transiente em tempo real estendido de fluxo de sinal (E-RTTM)

E-RTTM significa “Extended Real-Time Transient Model”, usando a tecnologia RTTM com métodos estatísticos. Portanto, a detecção de vazamento é possível durante o estado estacionário e condição transitória com alta sensibilidade, e alarmes falsos serão evitados usando métodos estatísticos.

Para o método residual, um módulo RTTM calcula estimativas $\ hat {\ dot {M}} _ I$ , $\ hat {\ dot {M}} _ O$ para FLUXO DE MASSA na entrada e na saída, respectivamente. Isso pode ser feito usando medições para pressão e temperatura na entrada ( $p_eu$ , $T_I$ ) e tomada ( $p_O$ , $PARA$ ) Esses fluxos de massa estimados são comparados com os fluxos de massa medidos $\ ponto {M} _I$ , $\ ponto {M} _O$ , produzindo os resíduos $x = \ ponto {M} _I - \ chapéu {\ ponto {M}} _ I$ e $y = \ ponto {M} _O - \ chapéu {\ ponto {M}} _ O$ . Esses resíduos são próximos de zero se não houver vazamento; caso contrário, os resíduos mostram uma assinatura característica. Em uma próxima etapa, os resíduos são sujeitos a uma análise de assinatura de vazamento. Este módulo analisa seu comportamento temporal extraindo e comparando a assinatura de vazamento com as assinaturas de vazamento em um banco de dados ("impressão digital"). O alarme de vazamento é declarado se a assinatura de vazamento extraída corresponder à impressão digital.

Baseado SUD externamente

Os sistemas baseados externamente usam sensores locais dedicados. Esses LDS são altamente sensíveis e precisos, mas o custo do sistema e a complexidade de instalação são geralmente muito altos; as aplicações são, portanto, limitadas a áreas especiais de alto risco, por exemplo, perto de rios ou áreas de proteção da natureza.

Cabo digital de detecção de vazamento de óleo

Os cabos de detecção digital consistem em uma trança de condutores internos semipermeáveis, protegidos por uma trança moldada isolante permeável. Um sinal elétrico é passado pelos condutores internos e é monitorado por um microprocessador embutido dentro do conector do cabo. Os fluidos que escapam passam pela trança permeável externa e fazem contato com os condutores semi-permeáveis internos. Isso causa uma alteração nas propriedades elétricas do cabo que é detectada pelo microprocessador. O microprocessador pode localizar o fluido dentro de uma resolução de 1 metro ao longo de seu comprimento e fornecer um sinal apropriado para sistemas ou operadores de monitoramento. Os cabos dos sensores podem ser enrolados em tubulações, enterrados na sub-superfície com tubulações ou instalados como uma configuração pipe-in-pipe.

Teste de tubulação radiométrica infravermelha

Termograma aéreo de oleoduto de cross country enterrado, revelando contaminação subterrânea causada por vazamento

O teste termográfico infravermelho de dutos mostrou-se preciso e eficiente na detecção e localização de vazamentos de dutos subterrâneos, vazios causados por erosão, isolamento deteriorado do duto e preenchimento insuficiente. Quando um vazamento de tubulação permite que um fluido, como água, forme uma pluma perto de uma tubulação, o fluido tem uma condutância térmica diferente do solo seco ou aterramento. Isso será refletido em diferentes padrões de temperatura da superfície acima do local do vazamento. Um radiômetro infravermelho de alta resolução permite que áreas inteiras sejam digitalizadas e os dados resultantes sejam exibidos como imagens com áreas de diferentes temperaturas designadas por diferentes tons de cinza em uma imagem em preto e branco ou por várias cores em uma imagem colorida. Este sistema mede apenas os padrões de energia da superfície, mas os padrões que são medidos na superfície do solo acima de um oleoduto enterrado podem ajudar a mostrar onde vazamentos de oleoduto e vazios de erosão resultantes estão se formando; ele detecta problemas de até 30 metros abaixo da superfície do solo.

Detectores de emissão acústica

A fuga de líquidos cria um sinal acústico quando eles passam através de um orifício no tubo. Os sensores acústicos fixados na parte externa da tubulação criam uma "impressão digital" acústica da linha de base a partir do ruído interno da tubulação em seu estado não danificado. Quando ocorre um vazamento, um sinal acústico de baixa frequência resultante é detectado e analisado. Desvios da "impressão digital" da linha de base sinalizam um alarme. Agora, os sensores estão tendo uma melhor organização com a seleção da banda de frequência, a seleção do intervalo de retardo de tempo, etc. Isso torna os gráficos mais distintos e fáceis de analisar. Existem outras maneiras de detectar vazamentos. Telefones geográficos no solo com arranjo de filtro são muito úteis para identificar o local do vazamento. Economiza o custo da escavação. O jato de água no solo atinge a parede interna do solo ou concreto. Isso criará um ruído fraco. Esse barulho se deteriorará ao surgir na superfície. Mas o som máximo pode ser captado apenas sobre a posição de vazamento. Amplificadores e filtros ajudam a obter ruídos claros. Alguns tipos de gases introduzidos na tubulação criarão uma variedade de sons ao sair do tubo.

Tubos com detecção de vapor

O método de detecção de vazamento do tubo sensor de vapor envolve a instalação de um tubo ao longo de todo o comprimento da tubulação. Este tubo - em forma de cabo - é altamente permeável às substâncias a serem detectadas na aplicação particular. Se ocorrer um vazamento, as substâncias a serem medidas entram em contato com o tubo na forma de vapor, gás ou dissolvidas em água. Em caso de vazamento, parte da substância vazando se difunde para dentro do tubo. Após um certo período de tempo, o interior do tubo produz uma imagem precisa das substâncias que o cercam. Para analisar a distribuição da concentração presente no tubo sensor, uma bomba empurra a coluna de ar no tubo passando por uma unidade de detecção a uma velocidade constante. A unidade do detector na extremidade do tubo sensor está equipada com sensores de gás. Cada aumento na concentração de gás resulta em um “pico de vazamento” pronunciado.

Detecção de vazamento por fibra óptica

Pelo menos dois métodos de detecção de vazamento de fibra óptica estão sendo comercializados: Distributed Temperature Sensing (DTS) e Distributed Acoustic Sensing (DAS). O método DTS envolve a instalação de um cabo de fibra óptica ao longo do comprimento da tubulação que está sendo monitorada. As substâncias a serem medidas entram em contato com o cabo quando ocorre um vazamento, alterando a temperatura do cabo e alterando a reflexão do pulso do feixe de laser, sinalizando um vazamento. A localização é conhecida medindo o atraso de tempo entre a emissão do pulso do laser e a detecção do reflexo. Isso só funciona se a substância estiver em uma temperatura diferente do ambiente ambiente. Além disso, a técnica de detecção de temperatura por fibra óptica distribuída oferece a possibilidade de medir a temperatura ao longo da tubulação. Escaneando todo o comprimento da fibra, o perfil de temperatura ao longo da fibra é determinado, levando à detecção de vazamentos.

O método DAS envolve uma instalação semelhante do cabo de fibra ótica ao longo do comprimento da tubulação que está sendo monitorada. As vibrações causadas por uma substância que sai da tubulação através de um vazamento alteram o reflexo do pulso do feixe de laser, sinalizando um vazamento. A localização é conhecida medindo o atraso de tempo entre a emissão do pulso do laser e a detecção do reflexo. Essa técnica também pode ser combinada com o método de detecção de temperatura distribuída para fornecer um perfil de temperatura da tubulação.