Detekcja wycieków w rurociągach

Transport ropy naftowej i gazu ziemnego rurociągami uważa się za najbezpieczniejszy i najbardziej opłacalny. W ten sposób surowce są przesyłane z miejsca wydobycia do zakładów ich przetwórstwa i następnie w postaci przetworzonej do użytkowników. Niestety rurociągi są podatne na wycieki. Te są niepożądane, bo oznaczają stratę surowca i stanowią zagrożenie dla otoczenia (skażenie, pożar, wybuch). Dlatego rurociągi monitoruje się pod kątem nieszczelności. Choć kontrola nie zapobiega ich powstawaniu, skuteczna detekcja odgrywa kluczową rolę w ograniczaniu skutków wycieków, które są tym większe, im dłużej wypływ surowca pozostaje niezauważony.

Obecnie stosuje się kilka metod wykrywania i lokalizacji wycieków. Ogólnie można je podzielić na: zewnętrzne, wewnętrzne i wizualne. Metody wewnętrzne polegają na monitorowaniu parametrów przepływu surowca. Zewnętrzne wykorzystują czujniki, które mierzą skutki jego wycieku. Z kolei metody trzeciego typu polegają na okresowych oględzinach rurociągów przez ludzi, roboty, drony. Zwykle nie korzysta się tylko z jednego rozwiązania. Wykrywanie i lokalizacja nieszczelności są najskuteczniejsze, jeżeli połączy się kilka sposobów.

Metody zewnętrzne

Zewnętrzne systemy detekcji nieszczelności wymagają instalacji dodatkowych czujników wzdłuż rurociągu. Sensory te mierzą skutki wycieków. Takim jest m.in. zmiana temperatury.

Jest to bezpośredni wskaźnik nieszczelności w podziemnych rurociągach. Surowce nimi płynące zazwyczaj mają inną temperaturę niż otaczająca rury gleba. Przykładowo wypływy ropy naftowej skutkują powstaniem gorących punktów, natomiast wycieki gazu ziemnego objawiają się zimnymi punktami (skutek efektu Joule’a–Thomsona). W monitorowaniu rurociągów pod kątem wystąpienia lokalnych anomalii temperaturowych wymagane są rozproszone systemy pomiarowe (Distributed Temperature Sensing, DTS). Stanowią one alternatywę dla rozmieszczania dyskretnych czujników w wybranych miejscach, prawdopodobieństwo ich pokrycia się z gorącymi i zimnymi punktami jest bowiem znikome.

W tym zastosowaniu wykorzystuje się sensory światłowodowe. Mają one wiele zalet wynikających ze specyfiki włókiem światłowodowych. Są to: odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, brak zagrożenia zapłonem przez iskrę elektryczną, co zapewnia bezpieczeństwo w rejonach zagrożonych wybuchem i lekkość. Ponadto postęp w optoelektronice i technikach obróbki sygnałów umożliwił opracowanie rozproszonych światłowodowych czujników temperatury o zasięgu do nawet kilkudziesięciu kilometrów.

Zasada ich działania opiera się na wykorzystaniu rozpraszania Ramana. Jest to zjawisko polegające na nieelastycznym rozpraszaniu fotonów spowodowanym drganiami molekularnymi w materiale światłowodu. Wielkość tych drgań i w efekcie rozproszony sygnał zależą od temperatury otoczenia. Położenie elementów rozpraszających wzdłuż włókna, czyli w tym przypadku gorących i zimnych punktów rurociągu, jest określane na podstawie czasu przelotu między emisją impulsu laserowego a wykryciem rozproszonego światła z wykorzystaniem techniki optycznej reflektometrii w dziedzinie czasu (Optical Time-Domain Reflectometry, OTDR).

Ponadto wykorzystując wpływ, jaki na sygnał przenoszony światłowodem mają wibracje i naprężenia, jakim jest on poddawany, rurociągi monitoruje się również pod kątem zagrożeń, których źródłem są trzęsienia ziemi, osuwiska, zapadliska. W tym celu światłowody montuje się równolegle do rur lub przymocowuje bezpośrednio do nich. Oprócz tego rozproszony pomiar naprężeń wzdłuż rurociągu przy użyciu kabli światłowodowych pozwala na wykrywanie przypadkowych uszkodzeń rur przez sprzęt budowlany, maszyny rolnicze i w wyniku celowego działania (sabotaż, kradzieże surowców).