ابزار دقیق و سنسورینگ, اتوماسیون صنعتی

مقدمه ­ای بر روش ­های نشت ­یابی خطوط لوله

هدف از تهیه­ این مقاله آشنایی مخاطب با اصول اساسی فناوری­ های متداول در صنعت، جهت نشت ­یابی خطوط لوله­ نفت و گاز می­ باشد. در این ارتباط مواردی چون تاریخچه­ مختصری از توسعه­ خطوط لوله، علت نیاز به پایش نشتی خط لوله، دستورالعمل­ ها و استانداردهای تدوین شده­ مرتبط، عوامل ایجاد نشتی در خط لوله و  روش­ های مختلف نشت­ یابی مطرح خواهد شد.

مقدمه

به طور کلی پایش [1] و نشت­ یابی خطوط لوله با سه روش اساسی زیر صورت می ­پذیرد:

  • به صورت غیرمستمر؛
  • مستمر با تجهیزات اندازه­ گیری بیرونی؛
  • مستمر با تجهیزات اندازه ­گیری درونی؛

علاوه بر این که با بکارگیری روش ­های فوق، محل نشتی نیز مشخص می­ گردد، قابلیت­ های دیگری نیز سامانه­ های نشت­ یابی[2] به ما معرفی می­ کنند که در انتهای این مقاله به آنها خواهیم پرداخت.

تاریخچه

خطوط لوله حدود پنج هزار سال پیش توسط مصریان برای انتقال آب شرب به شهرها مورد استفاده قرار گرفته است. اما اولین بار چینی­ ها بودند که حدود پانصد سال قبل از میلاد مسیح، گیاه لوله شکل بامبو را جهت انتقال گاز طبیعی بکار بردند. از گاز طبیعی جهت سوخت برای تولید حرارت و تبخیر آب دریا و سپس میعان آن استفاده می ­شد. بدین ­وسیله، چینی­ ها آب آشامیدنی مورد نیاز خود را از آب دریا تأمین می­ کردند. گفته می­ شود که صد سال بعد نیز چینی­ ها با استفاده از همین گیاه بامبو، گاز مورد نیاز خود را جهت تأمین روشنایی پایتخت چین منتقل می ­کردند.
خطوط لوله کنونی تقریباً از نیمه­ دوم قرن نوزدهم مورد استفاده قرار گرفت و به­ تدریج در اندازه و مواد سازنده­ آن تغییر و تحولاتی پدید آمد. به صورت کاملاً اتفاقی، اولین بار هنگام حفاری جهت یافتن آب بود که به نفت خام یک مخزن زیرزمینی دسترسی پیدا کردند. در ابتدا نفت به صورت عمومی مورد استفاده قرار نمی­ گرفت تا هنگامی که اولین پالایشگاه­ های نفت ساخته شد. معمولاً انتقال نفت از سر چاه تا پالایشگاه به­ وسیله­ بشکه ­های چوبی و توسط گاری­ هایی که با اسب کشیده می ­شد، انجام می­ گردید. بعداً از قطارهای باربری جهت حمل نفت استفاده شد. برای آن­که شبکه­ انتقال نفت مستقل، مطمئن و ارزان­ تر باشد خطوط لوله بکار گرفته شد. در پالایشگاه برش ­های مختلفی از نفت (به عنوان فراورده) گرفته می­ شد که پرکاربردترین آن، نفت تصفیه شده به عنوان یک محصول مفید جهت روشنایی و خوراک ­پزی منازل بود. آن زمان حتی بنزین به عنوان محصول جانبی دور ریخته می ­شد. این وضعیت با اختراع خودرو به صورت اساسی تغییر کرد. به طوری­که علاوه بر استفاده از بنزین، حجم مصرفی مورد نیاز نیز افزایش سریعی پیدا کرد. بنابراین و بر حسب نیاز بشر، چاه­ های نفت بیش تری مورد اکتشاف قرار گرفت و نفت بیش تری نیز از طریق خط لوله به پالایشگاه ­ها انتقال یافت.
خطوط لوله در حال حاضر تنوع زیادی از مواد شامل نفت خام، نفت پالایش شده، محصولات پالایشگاهی, گاز طبیعی و نیز آب دریا و آب آشامیدنی را در سراسر دنیا انتقال می­ دهند. گفته می ­شود در حال حاضر بیش از هشتصد هزار کیلومتر خط لوله در سرتاسر دنیا و جود دارد. از این مقدار خط لوله، بالغ بر ۵۲ هزار کیلومتر خطوط لوله گاز در ایران احداث و بهره­ برداری شده است. خطوط لوله طولانی و یا با قطر زیاد به سامانه ­های نشت­ یاب هوشمندی نیاز دارند که بتوانند وقوع و محل نشت را پیدا کنند. برای خطوط لوله­ کوتاه می ­توان گشت­ های بازرسی منظمی جهت پایش نشتی انجام داد، اما امروزه عموماً خطوط لوله طولانی بوده و چه بسا در بعضی نقاط مسیر به راحتی قابل دسترسی نیستند، که نمونه­ آن­ها خطوط لوله دفنی در زیر زمین یا خطوط لوله در زیر آب­ های دریا است. اما قبل از هر چیز باید بدانیم که چرا از سامانه ­های نشتی ­یاب استفاده می ­شود؟ همان­طوری­ که در بالا اشاره شد، خطوط لوله نسبت به سایر روش­ های انتقال مطمئن ­تر و قابل اعتمادتر می ­باشد. با این وجود همیشه احتمال حادثه یا سرقت از خط لوله در طول مسیر انتقال وجود دارد. در چنین موقعیتی سامانه­ های نشت ­یاب در کاهش آسیب به مردم، محیط زیست و نیز تجهیزات خط لوله به عنوان سرمایه­ اصلی و هم­چنین کاهش هزینه­ های تعمیرات، نوسازی، غرامت و جریمه­ های مرتبط و حجم از دست رفته­ مایع یا گاز به صورت مؤثری مفید می ­باشد. به همین خاطر مقررات و دستورالعمل­ هایی در این ارتباط تدوین شده است که در ادامه به­ صورت مختصر به آ­ن­ها پرداخته خواهد شد.

مقررات مربوط به نشتی خط لوله

 در بیش تر کشورها جهت اطمینان از ایمنی خط لوله (به ­ویژه هنگامی که مواد انتقال یابنده خطرناک و آتش زا می­ باشند) الزامات رسمی و قانونی تدوین شده است که اهم آنها عبارتند از:
استانداردTRFL[3] مربوط به کشور آلمان؛
استاندارد پایش محاسباتی خط لوله برای مواد مایع- API 1130 و استاندارد مربوط به متغیرهایی که عدم قطعیت در تعیین آن خط لوله و  عملکرد آن را تحت تأثیر قرار می ­دهد – API 1149 همچنین در رابطه با معیارهای عملکرد سامانه­ های نشت­یاب که جانشین استاندارد 1130 شده است- API 1155 مربوط به کشور آمریکا؛
استاندارد CSA Z662 در مورد انتقال مواد نفتی و گاز طبیعی از طریق خط لوله مربوط به کشور کانادا.

علی­رغم قدمت صنعت نفت در ایران و حجم بالای خطوط نفتی و گاز در سطح کشور متأسفانه قوانین و دستورالعمل ­های رسمی درباره­ سامانه­ های نشت ­یاب خطوط لوله تاکنون تدوین و ابلاغ نشده است. با توجه به قدمت برخی خطوط و سوانحی که هر از چند گاهی با آن روبرو هستیم ضرورت توجه و اهمیت به موضوع تدوین استانداردهای مرتبط با نشتی در کشور ما  کاملاً ملموس و مشهود است. طبیعی است عدم تدوین معیار و استاندارد رسمی حتی در هنگام انتخاب سامانه­ مورد نیاز می­ تواند هزینه­ های غیرضروری را در پروژه­ های نفت و گاز حذف نماید.
عموماً سامانه­ های نشت­ یاب باید حساس، قابل اعتماد، دقیق و مقاوم در برابر خرابی­ های احتمالی باشند.

حساسیت: معیاری است که نشان می ­دهد در یک فاصله­ زمانی مناسب با بکارگیری ترکیبی از تجهیزات اندازه ­گیری و محاسباتی, حداقل نرخ نشتی قابل شناسایی در طول خط لوله به چه اندازه می باشد. به­ عبارتی نشان دهنده­ حداکثر حجمی از سیال است که از لوله نشت می­ کند و سامانه به مقادیر کمتر از آن حساس نمی ­باشد.

قابل اعتماد بودن: به این معنا است که سامانه خطای اشتباه ارسال نمی ­کند و نشتی واقعی همیشه در زمان بروز آن اعلام می­ گردد. به بیانی، درست در زمانی که سامانه باید عمل کند، عمل می­ کند.

دقت: بیشتر اوقات به دقیق بودن در شناسایی محل نشتی اطلاق می ­شود. برای مثال اطلاعات مربوط به محل نشتی به صورت طولی و با نسبت درصد کل خط لوله یا (بخشی که تجهیزات ابزاردقیق که بین دو نقطه­ متوالی قرار گرفته­ اند) بیان می­ شود.

مقاومت در برابر خرابی: به عملکرد سامانه در حالتی که یکی از اجزای آن همانند معیوب شدن حسگر رخ می­ دهد، اشاره می ­کند. در این وضعیت سامانه­ نشت­ یاب لوله علاوه بر شناسایی بخش معیوب قادر به ادامه­ کار با قبول حساسیت پایین ­تر می­ باشد.

کاربری غیراختصاصی: از یک سامانه­ نشت ­یاب انتظار می ­رود فارغ از نوع سیال داخل خط لوله (گاز یا مایع) و حتی در هنگام انتقال چندین محصول مختلف با یک خط لوله مشترک کارایی مطلوب داشته باشد.

حوزه­ عمل گسترده: سامانه­ نشت ­یاب همه­ شرایط عملیاتی خط لوله را باید پوشش دهد. این شرایط شامل حالت ­های گذرا (راه ­اندازی یا توقف انتقال سیال از خط لوله) و شرایط پایدار کاری می­ باشد.

به صورت ساده در هنگام انتخاب یک سامانه­ نشت ­یاب باید وزن هر کدام از معیارهای بالا متناسب با پروژه مورد نظر تعیین گردد. بدیهی است که توجه تنها به یک معیار در مشخصه­ فنی سامانه نتیجه­ مطلوب را نخواهد داشت.

عوامل ایجادکننده­ نشتی

 قبل از بررسی سامانه­ های متداول صنعتی در شناسایی نشتی خط لوله، عوامل شناخته شده در آسیب رساندن به لوله به اختصار بیان می­ شود. یکی از این دسته عوامل روزنه، ترک یا شکاف لوله بخاطر خستگی مواد تشکیل دهنده­ آن می ­باشد. استحکام کششی نیز می­ تواند استرسی به خط لوله وارد کند که سبب کاهش تأثیر حفاظت کاتدیک خط لوله شده و در نتیجه  باعث خوردگی لوله می گردد. عامل دیگر شاخص هیدروژنی است، به این معنا که اتم­ های هیدروژن در جداره­ داخل لوله نفوذ کرده و هیدروژن­ های مولکولی را به وجود می ­آورند. این امر باعث شکنندگی و مساعد بودن به ایجاد ترک در آن نقطه می ­شود. سازنده­ های لوله نیز هنگام تولید ممکن است که معیارهای لازم در کیفیت محصول را به خوبی رعایت نکنند. علاوه بر این، عامل آسیب­ رسان ممکن است بیرونی باشد، برای مثال هنگام خاک برداری از مجاورت محل لوله، یا رخ دادن زلزله که باعث حرکت لوله در جهات مختلف می­ شود.

 روش ­های تشخیص نشتی در خط لوله

همان­گونه که در ابتدا اشاره شد، تشخیص نشتی به دو دسته­ کلی غیرمستمر و مستمر تقسیم می ­شود. روش غیرمستمر بیشتر اوقات شامل بازرسی و پایش خط لوله توسط هلیکوپتر، پیگ­ های هوشمند و سگ­ های آموزش دیده می­ باشد. سامانه­ های مستمر شامل دو نوع داخلی و بیرونی است. بیرونی مشتمل بر فیبر نوری، سامانه­ های اکوستیکی، سامانه ­های پوششی قسمتی از محیط لوله و سامانه­ های داخلی شامل آنالیز فشار، روش موازنه­ جرم مواد ورودی/خروجی به خط لوله، روش­ های آماری، سامانه­ های مبتنی بر مدل گذرای زمان واقعی[4] و توسعه یافته آن[5] می ­باشد. در عمل ممکن است ترکیبی از پایش ­های غیرمستمر و مستمر مورد استفاده قرار ­گیرد.
بکارگیری هلیکوپتر در پایش طول خط لوله شامل استفاده از تجهیزات لیزری، دوربین­ های مادون قرمز و سامانه ­های آنالایزر شناسایی نشتی می­ باشند. تجهیزات لیزری با ارسال امواج (با طول موج معین) روی خط لوله باعث می ­شوند که قسمتی از انرژی آن جذب لوله شود. بازتاب موج ارسالی و دریافت میزان انرژی جذب شده توسط آشکارسازهای لیزری تعیین کننده­ نشتی خط لوله می ­باشد. دوربین های مادون قرمز تجهیزات خاصی هستند که دارای فیلترهای ویژه برای دیدن تنها طیف فرکانسی مشخصی هستند. هیدروکربن­ ها در همان طیف فرکانسی هستند و هرگونه نشتی در دوربین به­ صورت حالتی دود مانند دیده می­ شوند. در روش آنالایزر نشتی که روی هلیکوپتر نصب شده است، آنالایزر به­ صورت متناوب اتمسفر محیط را نمونه­ گیری[6] و تحت آنالیز قرار می­ دهد. در صورت شناسایی درصد بالاتر از حد مجاز هیدروکربن در آنالیز صورت گرفته، مورد به عنوان یک نشتی اعلام می­ شود. البته بکارگیری این تجهیز نیازمند پرواز در ارتفاع پایین و شرایط آب و هوایی مناسب جهت عدم پخش نشتی به اطراف می ­باشد. اخیرا بکارگیری کوادکوپترها به جای هلیکوپتر باعث کاهش چشم گیر هزینه­ ها شده است.
از پیگ­ رانی[7] خط لوله نیز می ­توان جهت شناسایی نشتی استفاده کرد. پیگ­ ها علاوه بر تمیز کردن داخل لوله و تفکیک و جداسازی مواد مختلف ارسالی توسط یک خط لوله­ مشترک همچنین می­ توانند جهت بررسی شرایط فیزیکی لوله نیز به کار روند. در واقع پیگ­ های هوشمند می­ توانند اطلاعات ارزشمندی درباره­ خوردگی درونی، درز، ضخامت خط لوله و نیز وجود نشتی به ما بدهند. به این منظور یک پیگ هوشمند توسط پرتاب­گر و یا چکاننده[8] در ابتدای خط لوله ارسال می­ شود. پیگ در طول لوله حرکت کرده و اطلاعات لازم را می­ فرستد. اطلاعات دریافتی آنالیز شده و می­ توان گزارش مطلوبی از وضعیت لوله تهیه کرد. دو روش متداول در بکارگیری پیگ، روش نشتی شار مغناطیسی[9] و دیگری امواج فراصوت[10]می ­باشد. در روش اول از یک مغناطیس دائم و قوی برای مغناطیس کردن خط لوله استفاده می­ شود. هرگونه تغییر در ضخامت دیواره­ لوله همانند خوردگی باعث تغییر شار مغناطیسی در آن نقطه شده و توسط حسگر[11] متصل به پیگ آشکار می­ شود. بعد از پیگ­ رانی اطلاعات دریافتی حسگر بر اساس اطلاعات مرجع موجود ارزیابی شده و بر اساس آن نقطه­ معیوب لوله مشخص می ­گردد. در روش فراصوت با تعبیه­ تجهیزات خاص روی پیگ، هنگام حرکت در طول لوله سیگنال­ های فراصوتی به دیواره ارسال و بازتاب آن دریافت می­ شود. براساس سرعت پیگ می ­توان تغییر ضخامت لوله را نیز متوجه شد.
با بکارگیری پیگ می ­توان علاوه بر وجود نشتی هرگونه خوردگی و آسیب لوله که بعداً موجب نشتی خواهد شد را شناسایی کرد. معمولاً قبل از در سرویس قرار گرفتن خط لوله یک بار پیگ­رانی انجام شده و اطلاعات آن به عنوان مبنای پیگ­رانی­ های بعدی استفاده می­ شود. به این کار پیگ­رانی پایه یا صفر[12] گفته می­ شود. البته بکارگیری این روش منوط به امکان پیگ­ رانی در خط لوله مورد نظر است. به عبارت دیگر در مسیر چکاننده و دریافت کننده نباید هیچ­گونه مانع یا محدود کننده­ای وجود داشته باشد. از طرف دیگر، سرعت پیگ نیز نباید از بازه­ مشخصی کمتر و یا بیش تر باشد.

روش دیگر غیرمستمر برای نشت­یابی خط لوله استفاده از سگ­ هایی است که برای این کار تعلیم داده شده ­اند. حس بویایی سگ­ ها به بوی مواد هیدروکربنی حساس بوده و حرکت آن­ها در طول خط لوله می ­تواند در تشخیص محل نشتی کمک کند. استفاده از این روش تنها برای خطوط لوله کوتاه و در دسترس میسر می­ باشد. البته هنگامی که روش­ های دیگر نشت­ یابی موفق نباشد، بکارگیری این روش می­ تواند بازه­ شناسایی محل وقوع نشت را کم تر نماید (افزایش دقت). با این وجود قرار دادن این روش در چهار چوب استانداردها و دستورالعمل­ های بین ­المللی به­ سادگی میسر نیست.
استفاده از فیبر نوری به عنوان روش بیرونی و مستمر نشت­ یابی بر این اساس است که در محل نشتی تغییرات فیزیکی رخ می ­دهد. یکی از این تغییرات در واقع تغییر پروفایل یا الگوی دمایی می ­باشد. جهت شناسایی از فیبر نوری که در امتداد لوله قرار گرفته است استفاده می ­شود. در واقع برای سیالات گازی کابل در بالا و سیالات مایع در زیر خط لوله نصب می­ گردد. ارسال پالس­ های لیزری در طول کابل و دریافت انعکاس آن (براساس اثر رامان [13] در فیزیک) در محل نشتی به علت تغییر فیزیکی و حرارتی فیبر سبب تغییر انرژی و طول موج نور ارسالی می ­شود که با آنالیز طیف دریافتی می ­توان محل نشتی را یافت. با این وجود روش فوق تنها در مسیرهای کوتاه خط لوله عملکرد مناسبی دارد و از طرف دیگر طیف نگاری امواج دریافتی باید چند بار انجام شود تا نتایج قابل قبولی ارایه دهد.

از روش ­های دیگر نشت­ یابی می­ توان به استفاده از حسگرهای صوتی اشاره کرد چون هرگونه نشتی در طول لوله سبب ایجاد یک سیگنال صوتی در محیط می ­شود. بنابراین با قرار دادن حسگرهای صوتی در امتداد طول لوله می­ توان با اندازه­ گیری سطح نویز صوتی به نشتی پی برد. برای این کار در همان ابتدا باید یک پروفایل صوتی نویز از سرتاسر خط لوله تهیه کرد و از آن به بعد هرگونه انحراف از سطح نویز در هر نقطه به این معنی است که یک نشتی رخ داده است. حسگرهای صوتی را می ­توان یا مستقیم روی لوله قرار داد یا با تجهیزات کمکی روی لوله ثابت نگه داشت. بدیهی است برای خطوط لوله­ طولانی باید تعداد بیش تری از این حسگرها را مورد استفاده قرار داد. از معایب این روش آن است که نشتی­ هایی که صدای سیگنال صوتی کوچک ­تر از نویز محیط دارند با این روش قابل شناسایی نیست. در عین حال تغییرات نویز محیط نیز می ­تواند آلارم کاذب و خطاهای اشتباه ایجاد کند.
هنگامی که از روش محفظه حسگری[14] استفاده می­ کنیم، در واقع یک محفظه با قطر بزرگ­ تر از لوله روی آن قرار می­ گیرد و برای همین همواره یک فاصله­ خالی بین لوله و محفظه وجود دارد. سپس در فاصله ­های زمانی مشخص یک حجم ثابت گاز نمونه در ابتدای لوله و فاصله­ خالی بین لوله و محفظه ارسال می ­شود. در انتهای دیگر لوله و همان فاصله­ خالی دوباره در فواصل زمانی یکسان نمونه­ برداری از هوا انجام می ­شود. هرگونه وجود بیش از حد مجاز هیدروکربن در نمونه­ گرفته شده به معنای وجود نشتی در آن قسمت از لوله است. به دلیل محدودیت طول محفظه این روش تنها برای خطوط لوله­ کوتاه مورد استفاده قرار می­ گیرد. دقت آنالایزر مورد استفاده تعیین کننده­ حداقل نشتی به وجود آمده در آن بخش از لوله است.

اما قبل از بیان روش­ های مجزای نشت­یابی مستمر داخلی، بهتر است نگاهی به ویژگی مشترک این روش­ ها داشته باشیم. می ­دانیم هنگامی که نشتی در طول خط لوله رخ می­ دهد، الگوی جریان سیال نیز تغییر می­ کند. این تغییر توسط تجهیزات ابزاردقیق ثبت و توسط سامانه­ اسکادا[15]به اتاق کنترل ارسال می­ شود. سپس سامانه­ نشت­یاب با تحلیل اطلاعات دریافتی به وقوع نشتی پی می ­برد. روش­ های مبتنی بر این اصول عبارتند از:

  • روش تحلیل نقطه فشار[16]؛
  • روش موازنه­ حجم[17] یا موازنه جرم[18]؛
  • سامانه ­های مبتنی بر مدل گذرای زمان واقعی (RTTM)؛
  • سامانه­ های مبتنی بر مدل گذرای زمان واقعی توسعه یافته (ERTTM)؛

تحلیل نقطه­ فشار بر اساس ارزیابی افت فشار یا تغییر الگوی فشار در یک نقطه انجام می ­گردد. از آن­جایی­ که هرگونه نشتی در نقطه ای از لوله سبب تغییر فشار در آن نقطه نیز می ­شود، پس با اندازه ­گیری این تغییر فشار در یک بازه­ زمانی می­ توان به وجود نشتی پی برد.

روش موازنه­ جرم مبتنی بر اصل لاوازیه بوده که براساس آن جرم کلی یک سامانه تغییر نمی ­کند تا هنگامی که جرمی از آن خارج یا داخل شود. اگر ما خط لوله را به­ عنوان یک سامانه­ بسته در نظر بگیریم و جریان جرمی در ابتدا و انتهای خط لوله را به دست آوریم، در صورت عدم وقوع نشتی اختلاف این دو عدد همواره صفر است. در صورت رخ دادن نشتی خروج جرم خواهیم داشت و به­ عبارت دیگر کاهش جریان جرمی را در خروجی خط لوله داریم. ایراد این روش آن است که تغییرات دینامیکی در لوله را در نظر نمی­ گیرد. برای مثال هنگامی که گاز ورودی بیش تر از گاز خروجی از خط لوله باشد قسمتی از گاز داخل لوله فشرده و باقی می­ ماند، به همین خاطر به این روش موازنه­ جرم غیرجبرانی نیز گفته می ­شود.
سامانه­ های نشت ­یاب آماری براساس تکنیک­ های پیشرفته ­ای کار می­ کنند تا تغییر متغیرهایی همانند فشار و جریان ورودی/ خروجی خط لوله را نسبت به شرایط پایدار تحلیل نمایند. البته شرایط مختلف عملیاتی نیز به تدریج منبع ورود داده ­ها به سامانه به ­عنوان اطلاعات پایه و پایدار محسوب می­ شود. با داشتن الگوهای مختلف فشار و جریان می ­توان تغییرات غیر معمول را به ­عنوان نشتی گزارش داد. البته کارایی این روش بستگی به ثبت و ذخیره­ اطلاعات صحیح و متفاوت عملیاتی در بازه­ های زمانی مختلف دارد تا بتواند ارزیابی درستی انجام بدهد.

جهت جبران­ سازی تغییرات دینامیکی لوله از روش مبتنی بر مدل گذرای زمان واقعی (RTTM) استفاده می­ شود. برای این کار باید به سه اصل اساسی فیزیک توجه داشته باشیم:

  • اصل بقای ماده که شامل  متغیرهای چگالی سیال، زمان، سرعت جریان و مختصات خط لوله می­ باشد؛
  • اصل بقای ممنتوم که شامل سرعت جریان، زمان، فشار، مختصات خط لوله و ضریب اصطکاک سیال است؛
  • اصل بقای انرژی که مشتمل بر آنتالپی، زمان، چگالی، فشار و عملکرد اتلاف ویژه می ­باشد.

این اصول فیزیکی به صورت دقیق رفتار جریان در داخل لوله را در شرایط ایستا و گذرا توصیف می­ کنند. با بکارگیری معادلات مربوط به این سه اصل می ­توان جریان، فشار، دما و چگالی را با پارامتر زمانی در هر نقطه­ لوله محاسبه نمود. منحنی­ های مربوطه به عنوان پروفایل­ های هیدرولیکی شناخته شده و به صورت دقیقی عملکرد واقعی متغیرهای فرآیندی را در طول خط لوله پیش بینی می­ کند.
اما چگونه با این مفاهیم می­ توان به نشتی خط لوله پی برد؟ در ورودی و خروجی لوله فشار و دما اندازه ­گیری می­ شود. با داشتن مختصات خط لوله و پارامتر­های فرآیندی سیال سامانه­ نشت­ یاب مقدار واقعی حجم سیال لوله را حساب می­ کند. این مقدار با میزان جریان ورودی و خروجی مقایسه شده و در صورت وجود اختلاف به­ عنوان نشتی اعلام می­ گردد.
 روش توسعه یافته از همان اصول مدل  RTTM استفاده می ­کند؛ یعنی فشار و دما در ورودی و خروجی اندازه­ گیری می ­شود. براین اساس و معادلات حالت مربوط به سه اصل فیزیکی اشاره شده می­ توان میزان جریان در ورودی و خروجی خط لوله را پیش بینی نمود. با تفاضل این مقادیر از میزان واقعی اندازه­ گیری شده جریان، می ­توان به وجود نشتی پی برد. جهت اجتناب از ارسال خطای کاذب در این روش از الگوی شناسایی نشتی نیز استفاده می­ شود، به این معنی که اطلاعات مربوط به خطا یا اختلال در عملکرد تجهیزات ابزاردقیق مورد استفاده را نیز ذخیره کرده و خطاهای فوق نمی­ تواند به عنوان نشتی قلمداد شود.
حال به مقایسه­ زمان پاسخ ­دهی و دقت این روش­ ها می ­پردازیم. روش آنالیز نقطه­ فشار می­ تواند حداقل نشتی­ های با حدود پنج درصد جریان عبوری را شناسایی کند. زمان پاسخ ­دهی برای سیال­ های مایع کوتاه و برای سیال­ های گازی طولانی است. در روش موازنه جرمی می ­توان نشتی ­های با حداقل یک درصد جریان عبوری را یافت. اما زمان پاسخ­ دهی برای سیال­ های گازی و مایع طولانی می­ باشد. روش آماری دقیق ­تر بوده و نشتی تا نیم درصد جریان عبوری را می­ توان شناسایی کرد، ولی این به قیمت بالا بودن زمان پاسخ ­دهی نشتی تمام می­ شود. در روش RTTM  به سرعت می ­توان نشتی­ های تا یک درصد جریان را اندازه­ گیری کرد و این مقدار در روش توسعه یافته آن با همین سرعت و دقت بالا به نیم درصد کاهش می ­یابد.

موقعیت­ یابی نشتی

هنگامی که در طول خط لوله نشتی رخ می ­دهد علاوه بر شناسایی آن، موقعیت­ یابی نشتی [19] نیز ضروری است. برای این کار روش های متعددی وجود دارد. سامانه­ های مستمر داخلی نشت ­یاب از سه روش زیر استفاده می ­کنند:

  • روش تقاطع شیب خط[20]؛
  • روش انتشار موج[21]؛
  • روش انتشار موج توسعه یافته[22]؛

جهت بالا بردن دقت و تشخیص درست محل می ­توان ترکیبی از روش­ های فوق را مورد استفاده قرار داد. حال به هر کدام از این روش ها و نیز ذکر مزیت ­ها و محدودیت­ های آن­ها می ­پردازیم.

در روش تقاطع شیب از خط پروفایل فشار لوله استفاده می­ شود. به صورت ایده ­آل افت فشار در خط لوله­ های افقی بدون اختلاف سطح  خطی است. اگر نشتی رخ دهد میزان جریان قبل از آن نقطه زیاد و بعد آن کاهش می­ یابد. به عبارت دیگر قبل از نشتی افت فشار زیاد و بعد آن کم می ­شود. بنابراین می ­توان دو خط پروفایل فشار با شیب متفاوت را قبل و بعد از نقطه­ نشتی داشت که محل تقاطع آن­ها همان محل مکانی نشتی می­ باشد. مزیت این روش در شناسایی دقیق محل نشتی است به شرطی که شرایط ایستا باشد. نقطه ضعف این روش در آن است که دقت آن بستگی به طول خط لوله دارد و همچنین در شرایط گذرا نمی­ توان نتایج خوبی را به دست آورد. افزون بر این در روش­ هایی که بر پایه­ مدل ­های پروفایلی نباشند باید تغییرات سطح، سطح مقطع لوله و اصطکاک سیال را نیز در نظر گرفت؛ زیرا افت فشار رابطه­ غیرخطی با تغییر عوامل فوق دارد و می­ تواند در نتایج تأثیر داشته باشد.

روش انتشار موج براساس انتشار صوت داخل سیال می­ باشد. یک نشتی لحظه ­ای می ­تواند باعث پدید آمدن یک موج فشار منفی شود که در هر دو جهت خط لوله با سرعت صوت انتشار می­ یابد. با نصب فشار سنج­ هایی در دو سمت ابتدا و انتهای خط لوله می توان این امواج را ثبت کرد. با در نظر گرفتن مدت زمان سیگنال دریافتی می ­توان نقطه نشتی را یافت. به این ترتیب اگر این موج فشار به دو فشارسنج همزمان برسد، نقطه­ نشتی در وسط خط لوله قرار گرفته است. چون سرعت صوت در سیالی با چگالی ثابت یکسان می­ باشد. این روش دقت زیادی هم در حالت ایستا و هم در حالت گذرا دارد. با این وجود دقت و قابلیت دریافت سیگنال موج صوتی از پارامترهای مهم فشارسنج­ های ورودی و خروجی خط لوله می ­باشد. جهت داشتن دقت بیشتر در روش توسعه یافته معمولاً فشارسنج­ های بیشتری را در طول خط لوله قرار می ­دهند. تمام سیگنال­ های دریافتی توسط اسکادا به محل سامانه­ نشت­یاب انتقال می ­یابد. در صورت وقوع نشتی در هر نقطه توسط چندین فشارسنج سیگنال فوق دریافت و می ­توان محل نشتی را با دقت بیش تری پیدا کرد.

سایر عملکردهای جانبی سامانه نشت­ یاب

افزون بر تشخیص و یافتن محل نشتی توسط یک سامانه­ نشت­ یاب، می ­توان عملکردهای دیگری برای بالا بردن مدیریت بهره ­وری خط لوله در کنار هدف اصلی سامانه داشت. همان­گونه که می ­دانیم بهره ­وری یک خط لوله به مرور زمان کاهش می­ یابد. رسوبات و ذرات ناشی از سیال و خورندگی داخل لوله به­ تدریج سطح مقطع داخل لوله را کاهش می­ دهد. به همین خاطر اصطکاک سیال با دیواره­ داخلی و در نتیجه مقاومت آن در برابر فشار خروجی تلمبه یا کمپرسور افزایش می ­یابد. پایش مستمر خط لوله توسط یک سامانه­ نشت یاب و به­ روزرسانی پروفایل ­های مربوط به متغیرهای فرآیندی، تصویری واقعی از وضعیت لوله را به ما می ­دهد که به کمک آن می­ توان با انرژی کمتر نسبت به بهینه ­سازی و اقتصادی­ تر نمودن بهره­ برداری خط لوله اقدام نمود.
مدل­سازی پارامترهای خط لوله این توانایی را به ما می ­دهد که با کمک پروفایل چگالی مقدار دقیق حجم سیال داخل لوله را به دست آوریم. این محاسبه در خطوط لوله­ طولانی جهت برآورد حجم ذخیره شده­ سیال حایز اهمیت فراوان است.
از پروفایل ­های تهیه شده می ­توان جهت آموزش اپراتورهای خط و نیز شبیه ­سازی لوله استفاده کرد. نشتی اگر ناشی از سرقت سیال در بخشی از لوله باشد، حساسیت سامانه به شناسایی آن کمک می­ کند. یکی دیگر از کاربردهای آن تحلیل پروفایل هیدرولیکی خط لوله است که با در نظر گرفتن پروفایل­ های اختلاف سطح در نقاط مختلف خط لوله بتوان نقاطی که در آن فشار سیال کمتر از فشار تبخیر می­ شود و سبب به وجود آوردن حباب داخل سیال  می­ گردد را شناسایی و آلارم مربوطه نیز به سایر سامانه­ های کنترلی ارسال گردد.
در صورتی­که از یک خط لوله برای انتقال مواد و محصولات مختلف هیدروکربنی در زمان­ های مختلف استفاده می ­شود، برای اپراتور خط اهمیت دارد که بداند در هر لحظه از زمان  چه محصولی در کدام بخش از خط لوله عبور می­ کند. سامانه­ نشت­ یاب می ­تواند اطلاعات لازم در مورد موقعیت مکانی محصول و نقطه­ ترکیب آن­ها را به ما بدهد. بنابراین با برنامه ­ریزی می ­توان زمان دریافت محصول و حجم آن را جهت ارسال به مخازن مورد نظر داشته باشیم. با این روش نرخ ضایعات ناشی از ترکیب محصولات در خط لوله نیز کاهش می ­یابد.

نتیجه ­گیری

از خطوط لوله و سامانه­ های نشت ­یاب در حوزه ­های مختلف ودر انتقال سیال­ های متنوع استفاده می ­شود. نوع سامانه­ مورد استفاده بستگی به کاربرد آن داشته و اینکه چقدر می­ خواهیم هزینه کنیم. هیچ سامانه­ نشت­ یاب یگانه­ ای برای همه­ کاربردها وجود نداشته و برای تمام کاربردهای ممکن نمی ­توان نسخه­ واحد ارایه داد. انتخاب سامانه باید براساس نیازمندی­ های پروژه باشد. یعنی نتایج مورد نیاز، هزینه در نظر گرفته شده، نیازمندی ­ها و ضرورت­ های عملیاتی، تعمیراتی و نیز شرایط نصب (دفنی زیر خاک، بالای زمین، زیر آب) دارد. البته سامانه ­های جدید انطباق­ پذیری زیادی جهت کار در شرایط محیطی و کاری متفاوت دارند تا بتوانند عملکرد مناسبی در شرایط عملیاتی مطلوب برای کاربر داشته باشند.

مراجع و منابع:

1) Pipeline Leak detection handbook by Morgan Henrie &Philip Carpenter
2) Principles of Leak detection by Gerhard Geiger
3) An overview of pipeline leak detection by Jonathan Fiedler

پی نویس:

[1] Monitoring
[2] Leak Detecting
[3] Technical Rule For Pipeline (Technische Regeln fur Rohrfernleitungsanlagen)
[4] Real Time Transient Method)
[5] Extended Real Time Transient Method
[6] Sampling
[7] Pigging
[8] Launcher
[9] Flux leakage
[10] Ultrasonic
[11] Sensor
[12] Zero or baseline pigging
[13] Raman scattering
[14] Sensor hose
[15] Supervisory Control And Data Acquisition
[16] Pressure point analysis
[17] Volume balance
[18] Mass balance
[19] Leak localization
[20] Gradient intersection method
[21] Wave propagation method
[22] Extended wave propagation method

برای امتیاز به این نوشته کلیک کنید!
[کل: 0 میانگین: 0]

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *