JELLEGZETES ÜZEMFENNTARTÁSI OBJEKTUMOK ÉS SZAKTERÜLETEK 1.06 5.03
Csővezetékek szivárgásának érzékelése és lokalizálása Tárgyszavak: csővezeték; szivárgás; szivárgásérzékelés; hibahely-meghatározás; előírások.
A csővezetékekben szállított folyadék sok esetben veszélyes anyag, ezért szükséges szivárgásérzékelő rendszer beépítése.
A szivárgás okai Csővezetékek szivárgásának a következő alapvető okai lehetnek: • fáradási repedések: ezek a szállított közegtől függetlenül bekövetkezhetnek akár a belső, akár a külső felületen; gyakran a hosszanti varratok mentén jelentkeznek; • feszültség okozta korrózió: a feszültség következtében külső repedés jelentkezik, amely zavart okoz a katódos védelemben, ennek következtében korrózió áll elő; • hidrogénindukció: ebben az esetben atomos hidrogén diffundál be a fémmátrixba és rideggé teszi a fémet; • anyaghiba; pl. légzárványok ráhengerlése a lemez gyártása során; • külső hatások, pl. földmunkák során okozott sérülések vagy alábányászás miatti süllyedés.
Csővezetékekre vonatkozó előírások A csővezetékek üzemeltetésére egyes országokban többé-kevésbé hasonló előírások vonatkoznak. Ilyenek pl. • Vízszennyezéssel kapcsolatos irányelvek: különleges előírások vonatkoznak olyan vezetékekre, amelyek vízszennyező anyagot
szállítanak. Az ilyen csővezetékekre külön engedélyezést követelnek. • Gyúlékony folyadékkal kapcsolatos irányelvek: szivárgás esetén a dolgozók és egyéb személyek különleges veszélynek vannak kitéve. Számos biztonsági előírás betartása kötelező. Speciális előírások vannak veszélyes közegek (folyadék vagy gáz) szállítására. Ilyen pl. az Amerikai Kőolaj Intézet (American Petroleum Institute) API 1130 sz. 2002-es előírása, amely számítógépes csővezeték-ellenőrző rendszerek tervezésére, bevezetésére, tesztelésére és működtetésére vonatkozik, és amely kizárólag egyfázisú közegek csővezetéki szállítására korlátozódik. A szabvány CPM (Computational Pipeline Monitoring – csővezetékek megfigyelése számításos eljárással) rendszereket ajánl, amelyek számítási módszerrel észlelik a csővezetékek működési paramétereinek anomáliáit. Két változatuk van: külső szivárgásészlelő rendszer és belső CPM-rendszer. A külső rendszereknél helyi szenzorok vészjeleket váltanak ki. A berendezés drága, ezért csak nagy kockázattal járó helyeken, pl. vízfolyások közelében, természetvédelmi területeken) alkalmazzák. Ebbe a csoportba tartozik a gőzérzékelő kábel, amely a cső sérülése közelében a szénhidrogéngőzöket érzékeli. A belső rendszer az áramlás paramétereit (hozam, nyomás, hőmérséklet) figyeli és ebből következtet a szivárgásra. A hagyományos módszer a beömlő és kiömlő közeg térfogatának mérésével vizsgálja a csővezeték állapotát. Németországban a TRFL (Technische Regel für Fernleitungsanlagen – Műszaki szabályok távvezetékekre) még csak tervezet, de követelményei valamennyi új csővezetékre kötelezőek. A TRFL előírásokat tartalmaz a gyúlékony folyadékokat, vízre veszélyes folyadékokat és gázt szállító csővezetékekre vonatkozóan. Két fő része a létesítés és az üzemeltetés szabályait tartalmazza, és csak kis részt szentel a szivárgás érzékelésének és lokalizációjának, csak az ezek meghatározására vonatkozó előírásokat tárgyalja. A szivárgások észlelésére a következő rendszereket követeli meg: • két folyamatosan üzemelő független rendszert a szivárgás érzékelésére a stacionárius működés során; ezek egyikének alkalmasnak kell lennie az átmeneti állapotban jelentkező szivárgás érzékelésére is; • egy érzékelő rendszert, amely üzemszünet során is működik; • egy érzékelő rendszert a „kúszó” szivárgások érzékelésére; • egy rendszert a szivárgások helyének gyors meghatározására.
A modellezett csővezeték-szivárgás érzékelése és lokalizációja A mai nagy teljesítményű számítógépek lehetővé teszik a hozam, a nyomás és a sűrűség valós időben történő számítását. Ehhez három parciális differenciálegyenletből (kontinuitási, nyomatéki és energia) álló egyenletrendszer megoldására van szükség. Az egyenletek az egyszerűség kedvéért egydimenziósan, egyfázisú közeg (folyadék vagy gáz) áramlásával foglalkoznak egyetlen csőszakaszban diffúzió nélkül. A hőterjedés számításához kiegészítő modellre van szükség. A modell további kiegészítésre szorul többfázisú közeg áramlása esetén. Az egyenletrendszerre analitikus megoldás nem ismert, véges elemek módszerével lehet megoldást kapni. A modellt megoldva valós időben kiküszöbölhetők a tranziens hatások. Az RTTM (Real Time Transient Model – valós idejű tranziens modell kiválóan alkalmas gázvezetékek ellenőrzésére (1. ábra). áramlás (F) nyomás (P)
F
kiáramlás
beömlés
a közeg hőmérséklete, TB a talaj hőmérséklete, TG
P
T
T
P1 TB,1 TG,1
T
T
P
F
TG,0 TB,0 P0
csővezeték-monitoring F1
F0 információ a közegről
F1
x
y
F0
szivárgások osztályozása
1. ábra Szivárgásészlelő rendszer vázlata
A szivárgásmentes csővezetékben az áramlás a folyadékmechanika és a termodinamika szabályai szerint megy végbe. A szivárgásosztályozó olyan szoftver, amely a szivárgást észlelő számítógépen fut. Nemcsak jelzi, hogy folyadék szivárog a csővezetékből, hanem kiszámítja annak mértékét és meghatározza annak helyét is.
Szivárgásérzékelő A közeg összenyomhatósága és a cső rugalmassága hatással van a cső feltöltésére. Ez azt jelenti, hogy bizonyos idő alatt több anyag megy be a csőbe, mint amennyi kijön, feltéve, hogy nincs szivárgás. Ez elsősorban tranziens állapotban fordulhat elő. Ezek a körülmények vakriadóhoz vezetnek a klasszikus kvantitatív szivárgásérzékelő módszerek használata esetén, ezért a szivattyúzás indításakor vagy leállításakor a jelzőrendszert ki szokták kapcsolni, ami éppen akkor hoz létre veszélyhelyzetet, amikor a csővezeték a legnagyobb igénybevételnek van kitéve. Statisztikai módszerek használatosak a vakriasztások elkerülésére. Nagyszámú mérést kell végezni ahhoz, hogy el lehessen kerülni a hamis riasztásokat. A GALILEO rendszer azonban kompenzálja ezt a hatást és az indítás és leállítás idejére nagyobb töltésnél ad csak ki vészjelzést (2. ábra). A rendszer kompenzálja a hirtelen hőmérséklet-változás következtében a korábbi rendszerekben előfordult vakriadókat.
Gyakorlati alkalmazások és eredmények Az első kísérleti alkalmazás arra szolgált, hogy megállapítsák, hogy a matematikai modell milyen mértékben írja le a teljes ciklust. A modell és a valóság igen jó egyezőséget mutatott. Eltérés csak használaton kívüli vezetéknél volt megfigyelhető. A dinamikus szakaszban is, pl. amikor a vezeték elzárása nyomáshullámokat keltett, összhangban voltak a mért adatok a tényekkel. A második lépcsőben a szivárgásra bekövetkező reakciót vizsgálták. Jó egyezést mutatott a szivárgás helyének megadása. Számos kísérletet végeztek különböző mennyiségekkel és működési rendszerekkel. Három működési feltételt különböztettek meg: • normál működést – statikus áramlást; • normál működést dinamikus hatások bevitelével; • indítást, ami a legdinamikusabb hatás.
V
beömlő hozam
kiömlő hozam
töltés
normál működés
t
ürítés
Vlyuk 2%
kiömlés
1%
t
2. ábra Szivárgás észlelése a csővezeték tranziens állapotában Megfigyelhető, hogy a legkisebb szivárgás a normál működés során volt tapasztalható és kb. 0,5% volt. Ez az érték mintegy 0,9%-ig növekedett a dinamikus hatások következtében. Ezt a hatást azonban a riasztás 3 perces késleltetésével együtt kell értelmezni. A kísérlet eredményei az 1. táblázatban láthatók. 1. táblázat Minimálisan észlelhető szivárgás Szivárgási ráta, % 1. adag
2. adag
3. adag
4. adag
Átlag
Normál működés
0,1
1,0
0,4
0,4
0,5
Dinamikus normál működés
0,4
1,0
1,8
0,5
0,9
Indítás
0,3
1,3
1,4
1,8
1,2
Jó eredményt mutatott a szivárgási helyek lokalizálása is, a hely távolságát általában 1% pontossággal lehetett meghatározni.
Vízhálózatok szivárgásainak észlelése radarral A vízhálózatokat üzemeltető vállalatok nagy erőfeszítéseket tesznek a szivárgások csökkentésére. Nagy-Britanniában a hatóságok is meghatározzák a gazdaságilag megengedhető vízelszivárgás mértékét, és 2002/2003-ra az elszivárgó víz 1,5%-kal való csökkentését tűzték ki célul. A hatóságok ajánlják, hogy a vízhálózatok üzemeltetői állapítsák meg a szivárgások okozta pénzügyi veszteséget összevetve a szivárgások észlelésének és megszüntetésének költségeivel és törekedjenek az észlelés költségeit a legújabb technológiai eljárások felhasználásával csökkenteni. Minden vízellátó vállalat jelentős összegeket fordít a hálózati veszteségek csökkentésére. Annak ellenére, hogy ezen a téren lényeges fejlődést értek el, a szivárgások kérdése most is napirenden van. 1997 és 2001 között Nagy-Britanniában az elszivárgott víz csaknem egyharmadával csökkent. A kormány súlyt helyez arra, hogy ez a folyamat folytatódjék, mivel a naponta elszivárgó vízzel most is 2050 hatalmas, olimpiai méretű úszómedencét lehetne feltölteni. Anglia és Wales vízhálózatával foglalkozó jelentés szerint új eljárást kell bevezetni a „gazdaságos” vízvezeték számításában. Az új lehetőségek közé tartozik a körzetenként való mérés, a nyomásellenőrzés, a szivárgások észlelésének technológiája, a javítási idő és költség csökkentése, a háztartásonként való mérés elterjesztése, a vezetékrendszer rehabilitációja.
Talajpenetrációs radar A talajpenetrációs radart (Ground Penetrating Radar – GPR) 1929ben Ausztriában alkalmazták először gleccserek mélységének vizsgálatához. Az azóta végbement fejlődés lehetővé tette a GPR használatát más területeken is, pl. közművek terén és az archeológiában. A GPR elektromágneses hullámok terjedését és szóródását használja fel a talaj villamos és mágneses tulajdonságaiban bekövetkezett változások észlelésére, helyének meghatározására és számszerű értékelésére. Az eljárást alkalmazni lehet a földfelszínen, csatornákban, repülőgépekről és műbolygókról. A kép felbontása a talaj rétegződésétől függ, de kedvező körülmények között centiméteres pontosság is elérhető. Megfelelő technikával a radar 10 m mélységig hatolhat be a talajba és észlelni képes a föld alatti közművezetékeket. A radar által szol-
gáltatott nyersadatok szakszerű értelmezésével meghatározható föld alatti tárgyak helye, mérete, takarása, valamint a talaj sűrűsége és víztartalma a csővezetékek körül; ebből lehet következtetni mind a víz elszivárgására vízvezetékből, mind a csatornahálózatokba való beszivárgásra. A GPR képes észlelni a legtöbb anyagfajtát, amelyet a közművekhez használnak. Így meg lehet állapítani a kijelölt feltárás környezetében levő közművek fekvését. Észlelni lehet szivárgásokat akkor is, amikor a hagyományos eljárások (pl. akusztikus vizsgálatok) nem adtak megbízható eredményt. Az adatok értelmezésével kapcsolatos problémák azonban visszatartják a vállalatokat a GPR szélesebb körben való alkalmazásától. Valóban, nagy gyakorlat kell ahhoz, hogy a radar által szolgáltatott nyersadatokból az üzemeltető által is érthető információt állítsanak elő. Valószínűleg a GPR leggazdaságosabb alkalmazása, ha a járműre szerelt antennával a vezeték nyomvonalán végigmennek. Ezzel a módszerrel egy nap alatt max. 15 km hosszú vezetékszakaszt lehet ellenőrizni.
Gyakorlati alkalmazások Több vállalat is vállalkozik föld alatti hálózatok vizsgálatára GPR alkalmazásával. Megállapították azonban, hogy a föld alatti létesítmények vizsgálata több eszköz és eljárás kombinációjával hatékonyabban végezhető. Ilyen eszközök pl. a GIS (Geographical Information System – földrajzi információs rendszer) és a videokamerás felmérés. Ezek nem új eljárások, de az újabb fejlődés lehetőséget ad ezeknek bonyolultabb körülmények közötti alkalmazására is. A Wide World vállalat GVR márkanevű rendszere integrált megoldás föld alatti létesítmények és szivárgások észlelésére. Ez a rendszer a GPR-t más kipróbált technológiákkal kombináltan alkalmazza: • Videofelvételt készítenek a nyomvonalról, amely megmutatja a terepalakulatokat és a föld feletti létesítményeket, berendezéseket. • A GIS-t alkalmazzák az üzemeltető térképeinek és a föld alatti berendezések adatainak azonosítására. • Mérőkerékkel pontosan megállapítják a GIS által kimutatott helyeket. • GPR-t alkalmazva a nyomvonalat mozgó járműről vagy gyalog bejárással felmérve háromdimenziós képet állítanak elő a föld
alatti létesítményekről és a talaj más jellegzetességeiről kedvező talajviszonyok mellett max. 10 m mélységig. Valamennyi mérési eredményt egy fájlban tárolnak és visszakereshetik, ha későbbi állapottal való összehasonlítás érdekében szükség van rá. Az eddigi tapasztalatok azt mutatták, hogy a radarral kimutatott szivárgások a csővezeték feltárása során megerősítést nyertek. A geometriai adatok minőségének javítása mellett a GVR információkat nyújthat a nyomóvezetékből való elszivárgásra és a csatornahálózatba való beszivárgásra is. A felmérés információkat ad a vízhálózat közelében levő más közművekről és eltemetett tárgyakról, pl. szelepaknákról, vízóraszekrényekről stb. Az így elkészített rajzok alapul szolgálnak a karbantartási szerződés megkötéséhez, segítségül szolgálnak szivárgási helyek gyorsabb meghatározásához, megkönnyítik a munkák tervezését, biztonságosabbá teszik a munkavégzést, és csökkentik annak veszélyét, hogy a munkák során más közművezetékek is megsérüljenek. A GPR alkalmazása teljesen nem küszöböli ki a szivárgások észlelésére alkalmazott hagyományos módszereket, de kiegészíti azokat.
Költségek A járműre szerelt radarberendezéssel a szivárgások felderítését szolgáló felmérés költsége 0,1–0,2 GBP/m. Jelenleg még nincs elég adat ahhoz, hogy a GPR alkalmazásának költségeit össze lehetne vetni a megtakarított víz árával. Az eddigi tanulmányok olyan vízvezetékszakaszokon készültek, ahol közvetlen mérésre nem volt lehetőség. (Dr. Garai Tamás) Tetzner, R.: Model-based pipeline leak detection and localization. = 3R International, 42. k. 7. sz. 2003. p. 455–460. Trust, J.; Allen, K.: Detecting leakage in water networks using GPR. = Pipes & Pipelines International, 48. k. 4. sz. júl./aug. 2003. p. 15–22. Slaughter, M. J.; Torre, C. R.; Massopust, P. R.: The benefit of combining technologies for in-line inspection. = 3R International, 42. k. 7. sz. 2003. p. 461–467.
