CH712357B1 - Gerät zum Inspizieren einer Pipeline und Verfahren zum Prüfen der Wand einer Pipeline. - Google Patents

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CH712357B1
CH712357B1 CH01050/17A CH10502017A CH712357B1 CH 712357 B1 CH712357 B1 CH 712357B1 CH 01050/17 A CH01050/17 A CH 01050/17A CH 10502017 A CH10502017 A CH 10502017A CH 712357 B1 CH712357 B1 CH 712357B1
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pipeline
transducer
signal
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Fleury Wayne
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Inspizieren einer Pipeline, wobei das Gerät Folgendes umfasst: einen zylindrischen Körper (15), der zum Transportieren innerhalb der Pipeline ausgelegt ist, eine Anordnung von akustischen Wandlern (T x,y ), die in der Oberfläche des zylindrischen Körpers (15) installiert sind, wobei die akustischen Wandler in Spalten und Reihen in einem Band um den zylindrischen Körper organisiert sind, eine Steuerung, die zum Einleiten eines Sendens eines akustischen Signals von einem ersten Wandler und eines Empfangens des akustischen Signals von anderen Wandlern in der Anordnung um den ersten Wandler herum ausgelegt ist, wobei die Steuerung ferner zum Bestimmen der Richtung zu einem Schaden in der Wand der Pipeline von den empfangenen akustischen Signalen ausgelegt ist.

Description

Beschreibung
Gebiet der Erfindung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet zerstörungsfreies Prüfen und spezieller ein Pipeline-Inspektionswerkzeug zum Prüfen der Intaktheit von Öl- und Gaspipelines mit akustischen Wandlern.
Hintergrund [0002] In der Öl- und Gasindustrie besteht ein Bedarf, Pipelines auf effiziente Weise zu prüfen. Solche Pipelines sind häufig nur schwer zugänglich, z.B. Offshore-Pipelines, die teilweise vergraben sind und Bestandteil von ausgedehnten Konstruktionen sind. Die Pipelines unterliegen Verschleiss aufgrund von korrosiven Fluids und Sand und Verformungen aufgrund von Bewegungen im Meeresboden. Die Pipelines neigen auch dazu, Risse zu entwickeln, insbesondere in den Schweissnähten. Schweissnähte sind inhärente Schwachstellen aufgrund der Veränderungen der Stahlstruktur, verursacht durch den Schweissprozess. Risse können aufgrund von Belastungen entstehen, die durch Temperaturschwankungen und Bewegungen im Meeresboden verursacht werden.
[0003] Die strukturelle Intaktheit von Pipelines kann mit Inspektionsmolchen geprüft werden, die innerhalb der Pipelines wandern und den Zustand der Rohrwand messen. Es wurden mehrere Verfahren zum Messen des Zustands von Pipeline-Wänden entwickelt. Wir erwähnen hier Verfahren mit Hilfe von Magnetflusslecks und Ultraschallprüfung. Verfahren mit Hilfe von Magnetflusslecks sind im Wesentlichen nur zum Erkennen von durch Korrosion verursachtem Metallverlust (Verdünnung der Pipeline-Wand) wirksam. Ultraschallprüfverfahren werden zum Erkennen von Korrosion und Rissen in Pipeline-Wänden benutzt, obwohl es etwas Überlappung zwischen den Technologien gibt. Ultraschallprüfungen mit herkömmlichen piezoelektrischen Wandlern sind auf das Prüfen von mit Flüssigkeiten gefüllten Pipelines begrenzt, da eine Flüssigkeit benötigt wird, um die Ultraschallenergie in die Pipeline-Wand zu leiten. Der extreme Unterschied in der akustischen Impedanz zwischen Luft/Gas und Stahl reduziert erheblich die Menge an akustischer Energie, die in einer «trockenen» Pipeline in die Pipeline-Wand geleitet wird. Es wurde vorgeschlagen, EMAT-(Electro Magnetic Acoustic Transducer-Technologie zum Prüfen von Gaspipelines zu verwenden; dieser Wandlertyp erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das Ultraschallwellen in der SH-(Shear Horizontal)-Wellenmode direkt in der Pipeline-Wand erzeugt. Solche Wandler sind jedoch gross, weisen eine begrenzte Bandbreite auf und müssen sehr nahe an der Rohrwand positioniert werden, vorzugsweise weniger als 1 mm von der Wandoberfläche entfernt.
[0004] Aus der US 8 677 823 ist eine Einrichtung bekannt, bei der eine akustische Wandler tragende Rolle (in einer Anordnung um den zentralen schmalen Teil der Rolle) durch eine Druckgas enthaltende Pipeline gesendet wird. Akustische Signale werden von jedem Wandler durch das Gasmedium zur Innenfläche der Rohrwand übertragen. Diese werden von der Wand zurückreflektiert und vom selben Wandler oder von einem oder mehreren vorgewählten Wandlern in der Rolle empfangen. Diese Ausrüstung wird zum Messen des Durchmessers der Pipeline benutzt, um Verformungen an der Wand zu identifizieren. Diese Einrichtung ist jedoch zum Prüfen des Materials in der Wand selbst aufgrund des hohen Impedanzkontrasts zwischen Luft und Stahl nicht geeignet.
[0005] Die europäische Patentanmeldung EP 2 887 060 A1 offenbart ein Gerät zum Inspizieren von Pipelines. Diese Anmeldung wurde am 20. Dezember 2013 eingereicht und am 24. Juni 2015 veröffentlicht. Die Rohrwand wird mit Hilfe von akustischen Impulsen inspiziert, die von einer Anordnung von Wandlern emittiert werden, wobei sich die Wandler in einem/r einzigen Ring oder Reihe um den Körper des Geräts befinden, siehe Fig. 1. Die Messungen sind Impuls-Echo-Messungen, wobei die Impulse vom selben Wandler gesendet und empfangen werden.
[0006] Aus der US 9 852 033 ist ein Gerät zum Protokollieren von Öl- und Gasbohrlöchern bekannt. Das Gerät beinhaltet einen rotierenden Wandlerkopf mit drei akustischen Wandlern. Der Wandlerkopf wird gedreht, während das Gerät vertikal entlang dem Bohrloch verschoben wird. Auf diese Weise kann das Bohrloch mit einer Serie von individuellen Messungen abgedeckt werden, die die Wand entlang einem spiralförmigen Weg abdecken.
Zusammenfassung der Erfindung [0007] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum akustischen Prüfen von Pipelines bereitzustellen, das die oben erwähnten Probleme überwindet.
[0008] Dies wird in einer Vorrichtung und Verfahren wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert erzielt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen [0009] Weitere Aspekte der Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung hervor, wenn sie in Verbindung mit den Begleitzeichnungen gelesen wird. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung und der Elektronikschaltungen der Vorrichtung,
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Fig. 2 eine schematische Ansicht, die den Ausbreitungsweg von akustischen Wellen zwischen einem sendenden und einem empfangenden Wandler in der erfindungsgemässen Vorrichtung darstellt, und
Fig. 3 einen Grundriss des Ausbreitungswegs.
Ausführliche Beschreibung [0010] Gemäss der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die als Rolle ausgelegt ist, die eine Mehrelementeanordnung von akustischen Wandlern trägt, von denen jeder zum Senden oder Empfangen von akustischer Energie zu jeder beliebigen vorgegebenen Zeit benutzt werden kann, wobei die Vorrichtung zum Transportieren durch das Innere einer Pipeline ausgelegt ist, während die Rohrwand geprüft wird. Eine solche Vorrichtung ist auch als Molch bekannt.
[0011] Fig. 1 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung 11 zusammen mit Elektronikmodulen 16, 18, 19, die innerhalb der Vorrichtung angeordnet sind. Die Vorrichtung ist als Rolle mit zwei kreisförmigen Endplatten 13, 14 ausgelegt, die durch einen zylindrischen Körper 15 verbunden sind, wobei der Körper einen kleineren Durchmesser hat als die Endplatten. In der Wand des Körpers 15 sind mehrere Wandler Tx,y installiert. Die Wandler sind in (kreisförmigen) Spalten und Reihen organisiert, die ein Band um den zylindrischen Körper 15 abdecken (in der Figur ist nur eine Spalte zu sehen). Falls notwendig, kann jeder Wandler aus mehreren Elementen zusammengesetzt sein, um eine ausreichende Signalstärke und einen schmalen Strahl zu erhalten.
[0012] Innerhalb des Körpers 15 befinden sich elektronische Schaltungen zum Anregen der Wandler, zum Empfangen von Antwortsignalen von den Wandlern und zum Speichern der empfangenen Signale. Die elektronischen Schaltungen können zu mehreren separaten Modulen wie gezeigt organisiert werden. Ein Analogmodul 16 trägt die Wandler Tx,y und eine Anzahl von Batterien 17, die die gesamte Vorrichtung speisen. Das Analogmodul 16 ist mit einem Digitalmodul 18 verbunden. Das Digitalmodul 18 beinhaltet Schaltungen zum Steuern der Wandler Tx,y, AD- und DA-Wandler, Datenspeichereinheiten und eine Host-Schnittstelle für Systemkonfiguration und Datenkommunikation. Ferner beinhaltet die Vorrichtung 11 ein Positionsmodul 19, das dem Digitalmodul 18 Positionsinformationen zuführt. Das Positionsmodul 19 kann Wegmesser 110 in Kontakt mit der Rohrwand beinhalten. Hier werden drei Wegmesser benutzt, die gleichmässig um den Umfang des Werkzeugs verteilt sind, um zu gewährleisten, dass wenigstens einer von ihnen mit der Wand in Kontakt ist. Die Wegmesser geben Impulse aus, wenn das Werkzeug entlang der Pipeline wandert, wobei jeder Impuls anzeigt, dass eine bestimmte Distanz abgedeckt wurde. Die Impulse können zum Steuern des Auslösens der Sender benutzt werden. Drucksensoren III werden benutzt, um der Elektronik mitzuteilen, dass das Werkzeug in eine Pipeline geschleust wurde, worauf der Messvorgang eingeleitet wird. Es ist auch eine induktive Einheit 112 enthalten, ein sogenannter Molch-Tracker, der niederfrequente Magnetwellen aussendet, die von ausserhalb der Pipeline verfolgt werden können.
[0013] Die Vorrichtung kann in zwei Modi arbeiten: Im «angeschlossenen Modus» ist die Vorrichtung an einen Computer 113 für Systemkonfiguration und Abrufen von gesammelten Daten geschaltet, während die Vorrichtung im «autonomen Modus» eigenständig in einer Pipeline ohne Zugang zum Computer arbeitet. In diesem Modus müssen gesammelte Messdaten an Bord gespeichert werden.
[0014] Die Vorrichtung Gerät ist zum Transportieren durch die Pipeline gedacht, angetrieben durch den Differentialdruck über die Vorrichtung, während einige der Wandler (insbesondere die Wandler in einer der Spalten, wie etwa die Wandler Tx2, wobei X 1-n ist) ausgelöst werden, während die anderen Wandler horchen. Es ist jedoch zu bemerken, dass alle Wandler als Sender und Empfänger dienen können und ihre Rolle nach Belieben gewählt wird.
[0015] Wie oben erwähnt, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Eigenschaften der Pipeline-Wand mit akustischen Wandlern wie etwa piezoelektrischen Wandlern zu untersuchen, um die Nachteile von EMATs zu vermeiden. Dabei entsteht jedoch die Frage, wie ein akustisches Signal von ausreichender Stärke in der Wand erhalten werden kann. Eine andere Frage ist, wie die richtige Position eines/r in der Wand gefundenen Risses oder einer inhomogenen Struktur bestimmt wird. Eine dritte Frage ist, wie eine ausreichende Probenpunktdichte erhalten wird, wenn das Werkzeug entlang der Pipeline wandert, d.h. wie schnell genug gemessen wird, wenn sich das Werkzeug mit voller Geschwindigkeit bewegt. Beim Senden von akustischer Energie in eine Pipeline wird zunächst ein angemessen sauberes Signal empfangen, aber später wird das Signal durch Rauschen maskiert, das durch Dispersionseffekte usw. erzeugt wird. Dies bedeutet, dass es eine «Ruhe»-Zeitverzögerung zwischen den einzelnen Sendungen geben muss. Die erste und letzte Frage werden mit den bestimmten akustischen Impulsen beantwortet, die zum Anregen der Pipeline-Wand benutzt werden, während die zweite Frage durch das besondere Layout von in dem Werkzeug benutzten Wandlern und deren Betriebsweise gelöst wird, wie nachfolgend erläutert wird.
[0016] Fig. 2 zeigt den Ausbreitungsweg, gefolgt von einem Signal von einem sendenden Wandler 21 zu einem empfangenden Wandler 22. Zum Überwinden der Impedanzbarriere zwischen dem Gas in der Pipeline und der Wand sendet der sendende Wandler Burst-Impulse 23 mit einer niedrigen Frequenz. Die Frequenz kann im Bereich von 200-1400 kHz liegen. Dies ist etwa zehnmal niedriger als in den Ultraschallwandlern, die in Messtastwerkzeugen benutzt werden. Der Verlust in dem Gas nimmt mit der Frequenz drastisch zu. Bei diesen niedrigen Frequenzen hat es sich als günstig erwiesen, die Sendefrequenz auf eine Dickenresonanz der Wand abzustimmen. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Messungen, erhöht die Fähigkeit, einen Riss zu orten, und senkt die Datenverarbeitungslast. Unter der Annahme einer ebenen Welle bei normalem Einfall werden Resonanzpeaks bei Frequenzen gefunden, bei denen die Plattendicke eine ganze Zahl von
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Halbwellenlängen ist. Die Frequenz f einer Dickenresonanz wird als f = nc/2D definiert, wobei c die akustische Geschwindigkeit des Wandmaterials ist, D seine Dicke ist und n die Harmonische bedeutet.
[0017] Die Impulse regen ein Signal 24 an, das in der Wand wandert. Dieses Signal wird zurück in eine Druckwelle an der Stahl/Gas-Grenzfläche umgewandelt, bevor es auf den Empfangswandler 22 trifft. Aufgrund der geometrischen Einrichtung der Wandler ist die erste im empfangenden Wandler erkannte Ankunft eine Welle, die als Schermodensignal in einem Teil der Trajektorie gewandert ist. Später kommen Signale an, die als Lamb-Wellen wandern. Lamb-Wellen weisen eine weitaus grössere Amplitude als Scherwellen auf, und diese Tatsache kann zum Differenzieren zwischen den Wellentypen benutzt werden, die als Druckwellen an den Empfängern ankommen.
[0018] Fig. 3 stellt dar, wie das Signal von einem Wandler T2,2 von Wandlern Tu, T1i2, T1i3, T1i4, T2,i, T2,3, T3,i und T3,2 erkannt werden kann. Die Signalwege sind mit Pfeilen angedeutet. So werden Signale erkannt, die in allen Richtungen vom sendenden Wandler wandern. Wenn es einen Riss in der Wand gibt, dann empfangen im «Schatten» hinter dem Riss angeordnete Wandler Signale mit erheblich niedrigerer Amplitude. Dies ist der Fall für die Wandler T3,3, T3i4 und T2,4, da es einen Riss im Weg zwischen dem Sender und dem Empfänger gibt, der das Signal dämpft. Das Signal vom Sender wird auch vom Riss reflektiert und kommt an den Wandlern vor dem Riss an. Das Signal wird jedoch in der Reflexion invertiert und dies kann zum Identifizieren von reflektierten Signalen benutzt werden. Dies wird mit dem doppelköpfigen Pfeil zwischen dem Sender T2,2 und dem Riss angedeutet. Nach dem Auslösen muss der Wandler dann auf invertierte Reflexionen horchen. Die Distanz und Richtung zu einem Riss oder seine Position können durch Vergleichen der von den Wandlern empfangenen Signale gefunden werden.
[0019] Wie oben erwähnt, sendet der Wandler ein Signal, das zum Anregen einer Dickenresonanz der Rohrwand ausgelegt ist. Die Anregung der Rohrwand kann auf mehrere Weisen geschehen.
[0020] Ein Verfahren besteht darin, einen zweistufigen Vorgang zu benutzen, in dem der Wandler zunächst ein gewobbeltes Frequenzsignal (z.B. ein Chirp) aussendet, das eine mögliche Dickenresonanzfrequenz der Wand abdeckt. Die Dicke der Wand kann sich etwas unterscheiden und so kann auch die Dickenresonanzfrequenz variabel sein, da sie anhand der mechanischen Dicke festgestellt wird. Wenn die genaue Resonanzfrequenz durch Analysieren des empfangenen Signals festgestellt wurde, dann wird ein zweites Signal auf der festen Resonanzfrequenz in die Rohrwand gesendet.
[0021] Dieses Verfahren kann erweitert werden, indem zugelassen wird, dass die Wobbelung eine oder mehrere Harmonische der Grundresonanz abdeckt. Die genaue Frequenz der Resonanz kann genauer durch Messen der Frequenzdifferenz zwischen zwei Frequenzen (Harmonischen) gemessen werden als durch direktes Zählen der Grundresonanz.
[0022] Ferner können, um den Messvorgang zu beschleunigen, mehrere Sender gleichzeitig angeregt werden, jeweils auf einer anderen harmonischen Frequenz, jeder Empfänger kann Signale von mehreren Sendern empfangen, aber «wer ist wer» durch Kreuzkorrelation mit den gesendeten Signalen lösen. Auf diese Weise können mehrere Positionen auf der Rohrwand gleichzeitig untersucht werden.
[0023] Ein anderes Verfahren besteht darin, die Rohrwand mit einem sinc-lmpuls vom Sender anzuregen. Die Frequenzspanne der sinc-lmpulse sollte somit eine gewählte Harmonische der Dickenresonanz mit etwas Toleranz für Dickendifferenzen abdecken. Auch in diesem Fall können mehrere Sender gleichzeitig auf unterschiedlichen Harmonischen der Resonanzfrequenz ausgelöst werden, [0024] Noch ein anderes Verfahren besteht darin, die Wand mit Spreizspektrumsignalen anzuregen. Dies bietet die Möglichkeit, eine Reihe von Sendern unterschiedlich zu codieren, d.h. sie können gleichzeitig senden und die Signale können in den Empfängern aufgelöst werden. Jedes Signal kann auch massgeschneidert werden, so dass es einen kleinen Frequenzbereich um eine gewählte Harmonische in der Dickenresonanz der Wand abdeckt, obwohl dieser Frequenzbereich nicht so eng und gleichmässig abgedeckt sein wird wie in den beiden vorherigen Ausführungsformen. Es gibt viele Variationen der Spreizspektrumtechnik, die für diesen Zweck benutzt werden können, aber es hat sich insbesondere eine DSSS-(Direct Sequence Spread Spectrum)-Technik unter Verwendung von BPSK-(Binary Phase Shift Keying)-Modulation als durchführbar erwiesen.

Claims (6)

  1. Patentansprüche
    1. Gerät zum Inspizieren einer Pipeline, wobei das Gerät Folgendes beinhaltet: einen zylindrischen Körper (15), ausgelegt zum Transportieren innerhalb der Pipeline, eine Anordnung von akustischen Wandlern (Tx>y), installiert in der Oberfläche des zylindrischen Körpers (15), wobei die akustischen Wandler in Spalten und Reihen in einem Band um den zylindrischen Körper organisiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät eine Steuerung beinhaltet, die zum Einleiten des Sendens eines akustischen Signals von einem ersten Wandler und des Empfangens des akustischen Signals von anderen Wandlern in der Anordnung um den ersten Wandler ausgelegt ist, wobei die anderen Wandler Signale erkennen, die in allen Richtungen von dem ersten Wandler wandern, wobei die Steuerung ferner zum Bestimmen der Distanz und der Richtung zu einem Schaden in der Wand der Pipeline ausgelegt sind, durch Vergleichen der von den anderen Wandlern empfangenen Signale, wobei die Steuerung zum Einleiten des Sendens eines Signals ausgelegt ist, das eine Dickenmode der Pipeline-Wand anregt.
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  2. 2. Verfahren zum Prüfen der Wand einer Pipeline, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet:
    Senden eines akustischen Signals von einem ersten Wandler, der der Wand zugewandt und in einer Distanz von der Wand positioniert ist, wobei das Signal eine gewählte Dickenresonanzfrequenz der Wand anregt, Empfangen eines von der Wand zurückgesendeten akustischen Signals in einer Anzahl von anderen Wandlern, die ebenfalls der Wand in einer Distanz von der Wand zugewandt sind, wobei die anderen Wandler den ersten Wandler umgeben, wobei die anderen Wandler Signale erkennen, die in allen Richtungen von dem ersten Wandler wandern,
    Verarbeiten der zurückgesendeten akustischen Signale, um die Distanz und die Richtung zu einem Schaden in der Wand der Pipeline zu bestimmen, durch Vergleichen der von den anderen Wandlern empfangenen Signale.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Wand angeregt wird durch: zunächst Senden eines gewobbelten Frequenzsignals gegen die Wand, Beobachten eventueller Resonanzen in den empfangenen Signalen, dann Senden eines einzelnen Frequenz-Burst-Signals gegen die Wand auf einer gewählten Resonanzfrequenz der Wand von einem Wandler.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Wand durch Senden eines sinc-Signals gegen die Wand angeregt wird, wobei das sinc-Signal einen Bereich von Frequenzen überspannt, der eine gewählte Harmonische der Resonanzfrequenz abdeckt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Wand durch gleichzeitiges Senden von akustischen Signalen von mehreren Wandlern angeregt wird, wobei jeder Wandler auf einer anderen Harmonischen der genannten Resonanzfrequenz sendet.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Wand durch Senden eines Spreizspektrumsignals gegen die Wand angeregt wird, wobei die Signale gleichzeitig von einer Anzahl von sendenden Wandlern gesendet werden, wobei jeder sendende Wandler unterschiedlich codiert ist.
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