ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 3.09 5.03
Szivárgásfelügyelet száloptikával távolsági csővezetékeken Tárgyszavak: szivárgás; szivárgásérzékelés; csővezetékes szállítás; száloptika; műszaki diagnosztika.
A csővezetékes szállítás új németországi rendelete 2002 októberében lépett hatályba (Rohrfernleitungsverordnung – TRbF 301 jellel), amelynek alapja a távolsági csővezetékek műszaki szabályzata (Technische Regeln für Rohrfernleitungen – TRFL). A rendelet lényeges követelménye, hogy a csővezetékes szállítás szivárgást felügyelő rendszerrel valósítható meg, mégpedig az irányelvek szerinti műszaki jellemzőkkel.
A felügyeleti rendszer előírt jellemzői A gázhálózat közműszolgáltatásának csőrendszere nem tartozik az említett rendelet hatálya alá. A többi csővezetékes szállítási rendszert egységes követelményeket teljesítő felügyelettel szabad üzemeltetni, a korábban hatályban levő háromféle műszaki előírás helyett. A szivárgás felügyelete, a jogszabálynak megfelelően, akkor kifogástalan, ha – képes a szivárgás észlelésére, helyének meghatározására, függetlenül a kijutó mennyiségektől (akár az 1%-nál sokkal kisebb szivárgási ráták (időegység alatti mennyiségek) esetén is), – a felismerés, helymeghatározás független a szivárgás keletkezési körülményeitől, – a szivárgás felismerése, helyének meghatározása független az üzemi viszonyoktól, – gyorsan megvalósítható a szivárgás felismerése, helyének meghatározása, – biztonságos a szivárgás felismerése, – pontos a szivárgás helyének meghatározása. A felsorolt alapkövetelmények a csővezetékes szállítás felügyeleti rendszereit illető kötöttségekkel járnak, a következők szerint:
– a stacioner üzemeltetés két, egymástól független, folyamatosan működtetett felügyeleti rendszert igényel, – a nem stacioner üzemeltetés legalább egy folyamatosan működtetett felügyeleti rendszert igényel, – fel kell ismerni a szivárgást akkor is, amikor szünetel a szállítás, – viszonylag kis rátájú („rejtett”) szivárgásokat is fel kell ismerni, – a szivárgás helyét gyorsan meg kell határozni. A rendelet főleg olyan folyadékok csővezetékes távolsági szállítására vonatkozik, amelyek a víz tisztaságát veszélyeztető közegeket (pl. kőolajat) szállítanak. Vonatkozik a felügyeleti rendszer működtetésének kötelezettsége a gázt, valamint cseppfolyósított gázt szállító csővezetékrendszerekre is.
A száloptikás felügyeleti rendszerek jellemzői A csővezetékes szállítás közegei és vezetékei csaknem stacioner hőmérsékletű környezetben működnek. Amennyiben a folyadékot szállító csőben szivárgás keletkezik, hirtelen helyi felmelegedés következik be, a gázokat, illetve cseppfolyós gázokat szállító cső pedig hirtelen lehűl. Ez a hőmérsékletugrás jelzi, hogy a stacioner állapothoz képest változás következett be. Az ún. GESO-rendszer∗ (az 1. ábra szerint) száloptikás hőmérséklet-érzékelő kábellel van kapcsolatban, amely a csővezeték teljes hoszszában észleli az említett helyi hőmérsékletugrást, és ezt a jelet optikai úton továbbítja a hőmérsékletmérő, -értékelő elektronikus egységhez. A nagynyomású gáz szállító csővezetékén keletkező nyomásesés hűtő hatású, a Joule–Thomson-hatás következtében. A cseppfolyósított gáz szállítóvezetékei ugyancsak lehűlnek, ahol a közeg (a szivárgás következtében) párolog. A kőolaj, a távhő-, a gőzszállítás stb. vezetékeiben lényegesen nagyobb a közeg hőmérséklete, mint a környezeté, és ez is érzékelhető (melegedésként) a szivárgás helyén. Jól hasznosítható a hőmérséklet-különbségek érzékelésére alapozott mérés a vázolt felügyeleti célokhoz, azonban ennek több, szigorú feltétele van:
∗
A brit kutatók a Southamptoni Egyetemen dolgozták ki a mérés alapjait, a tanulmányuk 1991ben jelent meg „Photonic distributed sensing” címen, a Physics World folyóiratban. A csővezetékes folyadékszállítás hőmérsékletmérési módszerét 1994-ben ismertették, „Fiberoptic temperature measurements in boreholes” címmel a Geothermics című folyóiratban.
– a felügyelt csővezeték nagy kiterjedésű, ezért a hely meghatározásának megfelelő pontossága viszonylag nagy feloldóképességet igényel, – a szivárgások miatti hőmérsékletugrásokat kellő pontossággal kell észlelni a hibahelyek környezetében, a stacioner állapothoz képest, – a mérés és a helymeghatározás sebessége feleljen meg a követelményeknek, – mindez legyen gazdaságos a létesítés és az üzemeltetés költségei alapján.
adatátvitel modemmel
központi irányító munkahely
adatátvitel, műholdas, illetve mobiltelefonos
hőmérsékletmérő-készülék GESO-System
hőmérséklet-érzékelő száloptikás kábel az optikai egység csatlakozója (pigtail)
a szállító csővezeték
1. ábra Szivárgás száloptikás felügyeleti rendszere (elvi vázlat) A száloptikás mérőrendszer alkalmas az ilyen folyamatos észlelési feladatokra, olyan földfelszín alatti rétegekben is, amelyek a csőfektetést követően már nem hozzáférhetők. Olyan hőérzékelő fényvezető szálkö-
teget fektetnek a csővezetékhez közeli elrendezéssel, annak teljes hoszszában, amely azonosítani képes a szivárgások helyét is. A szivárgás felügyeletéhez szükséges méréseket az teszi lehetővé, hogy a fényvezető száloptikás köteg anyaga detektálni képes a hőmérséklet megváltozását. Az ilyen optikai kábelek beváltak a távközlésben, a gyártási hosszuk több kilométer is lehet. Ehhez társul a lézeres radar elvét alkalmazó helymeghatározási mérés gyakorlati megvalósítása. Az érzékelőkábel teljes hosszában meghatározzák a stacioner hőmérsékleti profilt, és amennyiben ugrásszerű lehűlés, illetve helyi felmelegedés mutatkozik, a folyamatosan mérő rendszer késedelem nélkül meghatározza az eltérés szelvényének térbeli helyét. A hőmérsékletet érzékelő fényvezető száloptikás kábel elektromos értelemben passzív elem, így a robbanásveszélyes környezetben is biztonságosan alkalmazható. A kábelen nem lép fel semmilyen korróziós hatás a terepviszonyok között. Legalább 2–3 évtizedes a földbe fektetett optikai kábelek várható élettartama. Két érzékelő és értékelő műszeregység között akár 40 km-es távolság is megengedhető.
Nagynyomású gázt szállító csővezeték felügyeleti rendszere Amikor a szivárgási helyen a csővezetékből kilép a szállított nagynyomású gáz, lényegében a fúvókahatás érvényesül, és pl. földgáz esetén 0,5 K/bar mértékű a helyi lehűlés várható mértéke. Részletes analitikai és kísérleti vizsgálatok ismeretesek a föld felszíne alatt kialakuló helyi hőmérséklet-eloszlásról. Szimulációs vizsgálatokkal is igazolták a számítások eredményeit. Valóságos terepviszonyok közötti kísérletek eredményei igazolták, hogy a csőfelületre erősített száloptikás érzékelő kábelével a gázvezeték bármely szivárgása, a helyétől függetlenül, kimutatható. A hibahelyen észlelt rendellenes hőmérséklet-eloszlás függ a gázvezetékben kialakult üzemi nyomástól, valamint a kijutó gáz mennyiségétől. Az ún. mikroméretű réseken a szállított gáz kijutásának mértéke akár percenkénti 1 normálliternél kisebb is lehet, és az érzékeny mérőrendszer ezt is képes kimutatni. Vannak „lélegző” hibahelyek, amelyek az első időszakban szivárgást okoznak és hirtelen lehűlnek, a másodikban a csőanyag hő okozta helyi dilatációja révén előbb ideiglenesen bezáródik a rés, majd visszamelegedve ismét észlelhető a gáz szivárgása. Ilyen esetekben is kimutatja ez a tartós megfigyelőrendszer mind a hirtelen kezdeti lehűlést,
mind a résnek a dilatációs ritmusnak megfelelő eltűnését, majd az ismételt szivárgást. Ezek a gázvezetéken szerzett gyakorlati mérési tapasztalatok jól hasznosíthatók az ammónia-, propán-, vinil-klorid-szállító és hasonló cseppfolyósított gázokat szállító csővezetékek szivárgásának felügyeletére is. Amikor a kiszivárgó folyadék gőzfázissá alakul át, hirtelen lehűlés észlelhető, a környezet energiájának felvétele következtében.
Kőolajat és feldolgozási terméket szállító vezetékek Lényeges különbségek vannak az érzékelés körülményeiben a gázt és a folyadékot szállító csővezetékek között. A szivárgás helyétől a talaj felszíne felé haladó gáz jól érzékelhető hőmérséklet-gradienst alakít ki, a szivárgó folyadékok útja kevésbé meghatározott. A konkrét hidrogeológiai viszonyok szerint lehet kimutatni, hogy a kijutott folyadék milyen irányokban terjedt a szivárgási hely környezetében, pl. a talaj mélyebb rétegei felé. Vannak a talajvíz fölötti talajrétegekben elterülő szivárgó folyadékok, és olyanok is, amelyek túljutnak a talajvizet tároló rétegeken is. A kilépő folyadék helyi terjedési viszonyai szabják meg, hogy milyen az érzékelő száloptikás kábel optimális elhelyezkedése, hogy a hőmérséklet eloszlásában a szivárgás miatt fellépő változások biztonságosan és gyorsan kimutathatók legyenek. A kisebb szivárgási intenzitások esetén is jelezni kell, azonban el kell kerülni a téves riasztásokat, amelyek nem a folyadékot szállító csővezeték hibájából erednek. A mérőrendszer telepítési feltételeinek szimulálására a gyártó GESO-System vállalat laboratóriumi kísérleteket végzett a TÜV Süddeutschland és egy mérnöki iroda közreműködésével. A megrendelés egy több mint 54 km-es folyadékszállító csővezeték száloptikás felügyeletére vonatkozott, a vízminőség helyi védelme fokozott követelményeket támasztott a mérőrendszerrel szemben. A méréssorozatot homokos és kötött talajokon, valamint száraz és vízzel telitett állapotban egyaránt elvégezték a mérőlaboratóriumban. Eszerint olyan szivárgás esetén, amelynek intenzitása nagyobb percenként 50 ml-nél, a csőhiba biztonságos meghatározásának pontossága 1–2 m. Ilyen mérési pontossághoz legalább 5 K hőfokugrás szükséges a kijutó oldat (feldolgozási termék) és a befogadó talaj között. A hagyományos, a csővezetékben szállított folyadék tömegmérlegére alapozott felügyeleti rendszerek meg sem közelítik az itt vázolt szálop-
tikás rendszer kimutatási pontosságát, amely az áramló tömeg ezredszázalékának (0,001%) megfelelő, azaz több mint két nagyságrenddel jobb, mint a tömegmérlegek kimutatási pontossága. Az 54,3 km-es szállító csővezeték felügyelete két GESO Data XL jelű mérőállomást igényel, ezeket – a 2. ábra szerint – a II. és az V. jelű tolózárakkal azonos átadótelepeken helyezték el. A rendszer több mint egy éve folyamatosan működik Rüdersdorf és Heckelberg között. A rendszer mérőállomásai csatlakoznak a központi számítógépes irányító munkahelyhez, és külön száloptikás távközlési kábelen adják át a mérés eredményeit. Az üzembe helyezést követő első időszakban állították be a szállított folyadék szivárgásának a konkrét üzemeltetési viszonyoknak megfelelő automatikus kijelzését. Egyúttal gondoskodtak a téves riasztások megelőzéséről is. oldatkezelő (ártalmatlanító) mű tolózár, II. (16,056 km)
BW 61 (30,756 km)
tolózár, V. (44,917 km)
16,056 km
14,697 km
14,164 km
9,398 km
1. mérési szakasz
2. mérési szakasz
3. mérési szakasz
4. mérési szakasz
1. mérőhely
2. mérőhely
üzemi munkahely számítógép, központi irányítás
2. ábra A száloptikás felügyeleti rendszer 2 mérőhellyel
Fenolt szállító szigetelt csővezeték felügyelete Egyes közegek folyékony halmazállapota szállítás közben csak speciális hőszigetelt csővezetékben tartható meg, és fűtésre is szükség lehet. Ilyen feladat adódott a fenolt szállító vezetékek szivárgásának fel-
ügyelete kapcsán. Amikor a szivárgási helyen kijut a szállított közeg, magával sodorja a poliuretánhabot, illetve a kőzetszálakból készült szigetelőanyagot, és ezek módosítják a hővezető képesség jellemzőit a szivárgás helyén. Emiatt korrekciót kell alkalmazni az érzékelt helyi hőmérséklet-eloszlás meghatározásában, ez küszöböli ki a hővezető képesség megváltozásából adódó torzításokat. Egy holland üzem (Bayer Antwerpen N.V.) megrendelésére 5,5 km hosszúságú, fenolt szállító vezetékhez készült felügyeleti rendszer. A megrendelés szerint a kimutatási határ: 5 nap alatt legfeljebb 1 l fenol kijutása a szivárgás helyén. Ez az érzékenység óránként 10 ml szivárgásának felel meg. Olyan elosztott száloptikás hőmérséklet-érzékelő rendszert alakítottak ki, amely (a szivárgás felügyelete mellett) képes vezérelni a fenolt szállító vezeték kiegészítő fűtését is. Az üzembe helyezett felügyeleti rendszer elősegíti, hogy a szállítás teljes időtartama alatt a szállított közegen betartsák mind a minimális, mind a megengedett maximális hőmérsékletet. A rendszer száloptikás érzékelője automatikusan felismeri és jelzi, amennyiben ezt a két tűréshatárt a csővezetékben túllépik.
Hidrogéngáz szivárgását kimutató eszközök Sokféle környezetben alkalmaznak hidrogéngázt szállító csővezetékeket, amelyek szivárgása gyakorlatilag nem zárható ki. A szállítási mód tervezői mérlegelik a biztonságot, a rendelkezésre állást, a gazdasági tényezőket, valamint a környezetbe jutó anyag hatásait. Az elsődleges szempont a biztonság, mivel a levegővel vagy oxigénnel keveredő hidrogén éghető, robbanó elegyet képezhet. A biztonságos üzemeltetés tömör zárást igényel, és a hidrogénkoncentráció felügyeletére alkalmas mérést, jelzést. Megszabták a hidrogénkoncentráció megengedett határértékeit, amelyek a robbanási határnak törtrészei. Zárt terekben nélkülözhetetlen a felügyeleti rendszer. További követelmény, hogy a felügyeleti rendszer megbízhatóan működjön, kellően nagy rendelkezésre állással, viszonylag kis kijutó mennyiség esetén is jelezni kell a hidrogén szivárgását. Az üzemanyagcellák pl. a csatlakoztatott hidrogéntartályokból kapják az energiahordozót, és itt az a fő követelmény, hogy ne lépjen fel számottevő szivárgás. A költség alakulása lényeges szempont, mivel a környezetbe elszökött hidrogén nem hasznosítható. Költséget okoz továbbá a riasztórendszer kiépítése a robbanásveszélyre tekintettel. A mérési ciklusok üzemszüneteket okoznak, emiatt is mutatkozhat veszteség.
A légkörbe kijutó hidrogén elősegíti az ózonpajzs károsítását. Környezetvédelmi alapon ezért minimumra kell szorítani az emissziót, és lehetőséget kell teremteni a szivárgó hidrogén mennyiségének számszerű meghatározására. A gyakorlatban nem okoz veszélyt, ha a gázpalack fémköpenyén elhanyagolható mennyiségű hidrogén szivárog. Minden alkalmazás esetén elő kell írni, hogy legfeljebb mekkora intenzitással megengedett a szivárgás, és ennek megfelelő tömör zárást kell kialakítani. Rendszerint az időegység (pl. egy s) alatt kijutó hidrogénmennyiség fejezi ki a szivárgás rátáját. Nem alakultak ki általánosan elfogadott szabályok a megengedett szivárgási rátákra, ezért viszonylag költséges minősítő és vizsgáló eljárásokkal esetenként kell előírni a határértékeket. A nyomásviszonyok és a hidrogéngázt tartalmazó rendszerek koncentrációviszonyai alapján tervezhető meg a felügyeleti eljárás. Feltételezhető, hogy a szivárgási helyen a gáz laminárisan áramlik, és ilyen áramlás esetén négyzetes az összefüggés a nyomásváltozás és a szivárgási ráta között. A közeg összetétele a dinamikus viszkozitás összefüggései szerint befolyásolja a szivárgási rátát. A gyakorlatban vízfürdőt, szivárgást kimutató permeteket, nyomásmérést és tesztelőgázt alkalmaznak a hidrogén szivárgásának felügyeletére. Az első két eljárást alapvetően helyi szivárgási helyek kimutatására alkalmazzák, 10-3 mbar l/s szivárgási rátáig. Integrált felügyeletre alkalmas a nyomásmérés, az előbbivel egyező szivárgási rátáig. A vízfürdős kimutatás hasonló ahhoz, ahogy a felfujt gumibelső szivárgását a kerékpárosok vizsgálják. Ha a szivárgási ráta kisebb a kimutatás említett határánál, akkor igen nagy időközönként és alig érzékelhető terjedelmű buborék jelzi a szivárgást. Ehhez hasonló a helyi szivárgás felismerési lehetősége permetezés, habképző folyadék esetén, és itt sem adható számszerűsített érték a kijutó hidrogénre. A nyomásméréssel kimutatott szivárgás hátránya, hogy a hőmérséklet változásai is okoznak nyomásingadozást, azonos szivárgási állapot esetén is. A tömítettséget vizsgáló gáz rendszerint hélium vagy hidrogén. Ismert a közegek dinamikus viszkozitása, és ennek megfelelően számíthatók a szivárgási ráták is (a hidrogénre 8,7 x 10-6 Pa s, a héliumra 19,4 x 10-6 Pa s, a levegőre 18,3 x 10-6 Pa s). Eszerint a rés azonos méretei és geometriai viszonyai között kétszeres mennyiségű hidrogén szivárog, mint levegő vagy hélium. A felügyeleti mérésekhez nitrogén és hidrogén gázelegye is szokásos, 95:5 arányú keverékkel, amelyet egyébként a védőgázas ívhegesztéshez is alkalmaznak. Ilyen kis hidrogénkoncentráció esetén a vizsgá-
lógáz nem robbanásveszélyes. Ilyen 5% hidrogéntartalmú gázkeverékkel a szivárgás kimutatási határa 5 x 10-7 mbar l/s. A hidrogén koncentrációját növelve, a mérés érzékenysége is nagyobb. Külső vizsgálóeszközökkel végzik el a szivárgásmérő készülék kalibrálását. Összeállította: Gittlár Ferencné Großwig, S.; Vogel, B.; Lübbecke, S.: Faseroptische Leckageüberwachung. = Technische Überwachung, 45. k. 5. sz. 2004. p. 10–13. Block, M.: Dichtheitsprüfung und Lecksuche an Wasserstoffsystemen. = Technische Überwachung, 45. k. 5. sz. 2004. p. 14–15. Großwig, S.; Hurtig, E.; Westendorff, K.: Faseroptisches Leckageortungssystem für erdverlegte Sole- und Brauchwasserleitungen. = 3R International, 42. k. 4. sz. 2003. p. 238–244.
