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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schlauch oder ein Rohr zum Transport einer Gasprobe mit
- • einer eine Diffusionsbarriere bildenden, eine Mehrzahl von Perforationslöchern aufweisenden Innenhülle, und
- • einer eine Diffusionsschicht bildenden, an der Innenhülle anliegenden Außenhülle.
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Ein derartiger Schlauch, der auch als Sensorschlauch bezeichnet wird, ist beispielsweise aus der
EP 0 175 219 B1 bekannt. Die dort beschriebene Erfindung betrifft nämlich eine hohle Leitung zur Anwendung bei der Bestimmung von Konzentrationsprofilen flüssiger oder gasförmiger Stoffe entlang einer Strecke, wobei die zur Aufnahme eines in zeitlichen Abständen hindurchzuschiebenden und an einem Detektor vorbeizuführenden Prüfmediums vorgesehene Leitung so ausgebildet ist, dass die Stoffe in das Innere der Leitung eindringen können. Diese hohle Leitung besteht aus einem Material, durch welches die Stoffe in das Leitungsinnere hineindiffundieren können. Im Innern der Leitung ist eine hohle Innenleitung vorgesehen, deren Wandung Öffnungen aufweist und die aus einer für die Stoffe undurchlässigen Substanz besteht.
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Ein Nachteil von Schläuchen der oben beschriebenen Art besteht darin, dass die zu detektierende Substanz zwar von außen in das Schlauchinnere hineindiffundieren und dort mit Hilfe eines Transport- oder Spülgases zu einem entfernt liegenden Detektor geführt werden kann, dass durch die Perforationsöffnungen in der Innenhülle unweigerlich aber wieder ein Teil der Gasprobe während des Transports in die Umgebung entweicht. Durch eine geeignete Anzahl, Größe und Verteilung der Perforationslöcher kann diesbezüglich zwar eine gewisse Optimierung erfolgen, dennoch sind in der Praxis die erreichbaren Transportwege auf typischerweise maximal 2 km bis 5 km beschränkt. Dies gilt jedenfalls für die schwer nachweisbaren Substanzen, bei denen am Leckort relativ wenig in den Schlauch eindiffundiert und somit der Adsorptions- / Diffusionsverlust auf dem Transportweg besonders große Folgen hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schlauch oder ein Rohr der genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass ein Transport einer Gasprobe über eine möglichst lange Strecke ohne wesentliche Konzentrationsabschwächung gewährleistet ist, ohne dabei die Fähigkeit des Hineindiffundierens des zu detektierenden Gases in den Schlauch oder in das Rohr zu beeinträchtigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schlauch oder ein Rohr mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach ist vorgesehen, dass die Außenhülle an ihrer Innenseite bzw. Innenfläche diffusionshemmende oder -verhindernde Dichtzonen oder Versiegelungszonen aufweist, die die Perforationslöcher der Innenhülle überdecken, also gewissermaßen deckelartige lokale Sperrschichten ausbilden.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei hinreichend hoher Konzentration in der Umgebung Gasmoleküle von außen in die Diffusionsschicht hineindiffundieren und dadurch ein Anschwellen der Außenhülle bewirken. Dies wiederum führt dazu, dass die normalerweise an der Innenhülle anliegende Außenhülle sich von der Innenhülle abhebt, und zwar auch im Bereich der Dichtzonen. Auf diese Weise können die Gasmoleküle durch die Diffusionsschicht der Außenhülle, den temporär ausgebildeten Spalt zwischen Außenhülle und Innenhülle und durch die Perforationslöcher der Innenhülle hindurch, also unter Umgehung der Dichtzonen, annähernd ungehindert in das Innere des Schlauches oder Rohres hineinströmen. Andererseits liegt in denjenigen Abschnitten des Transportweges, in denen keine nennenswerte Konzentration von diffusionsfähigen Gasen in der äußeren Umgebung des Schlauches oder Rohres vorliegt, die Außenhülle eng an der Innenhülle an. Dadurch verschließen die die Perforationslöcher überdeckenden Dichtzonen mögliche Leckagewege für die im Inneren transportierte Gasprobe nach außen. Im Ergebnis ist auf diese Weise – zumindest im Prinzip – eine „Diffusionsdiode“ verwirklicht, die eine Diffusion von außen nach innen zulässt, in umgekehrter Richtung jedoch verhindert oder zumindest stark unterdrückt. In der Praxis kann es zwar vorkommen, dass die Gasmoleküle in einem gewissen Umfang auch durch die jeweilige Dichtzone hindurch treten, aber jedenfalls in deutlich geringerem Maße / mit kleineren Diffusionsströmen als ohne die Dichtzone.
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Für eine besondere effektive Nutzung dieses Effektes ist es vorteilhaft, wenn die Dichtzonen im Wesentlichen sämtliche Perforationslöcher überdecken, also im Wesentlichen jedem Perforationsloch eine Dichtzone zugeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Dichtzonen im Wesentlichen ausschließlich im Bereich der Perforationslöcher anzuordnen, und nicht im Bereich der Zwischenräume zwischen den Perforationslöchern. Dadurch wird sichergestellt, dass die Gasmoleküle bei angeschwollener Außenhülle im Wesentlichen ungehindert zwischen den Dichtzonen hindurch in den Spalt zwischen Innenhülle und Außenhülle und schließlich durch die Perforationslöcher hindurch in das Innere des Rohres oder Schlauches strömen können.
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Für einen guten Kompromiss zwischen ausreichender Dichtwirkung bei geschlossener Diffusionsdiode und ausreichend bemessenen Strömungsquerschnitten bei geöffneter Strömungsdiode wird die Überdeckung vorzugsweise derart gewählt, dass das Verhältnis von überdeckter Randfläche der Innenhülle zur Lochfläche des jeweiligen Perforationsloches im Bereich von 0 % bis 50 % liegt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist die jeweilige Dichtzone durch eine chemische und/oder physikalische Behandlung der Oberfläche der Außenhülle in diesem Bereich gebildet, insbesondere durch Kontakt mit einem fluorhaltigen Gas erzeugt.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung ist die Innenhülle des Schlauches oder Rohres an ihrer Innenseite bzw. Innenfläche im Wesentlichen vollständig mit einer Dichtschicht bzw. Versiegelung überzogen, die zweckmäßigerweise durch eine chemische und/oder physikalische Behandlung der Oberfläche der Innenhülle gebildet ist, insbesondere durch Kontakt mit einem fluorhaltigen Gas erzeugt ist. Durch eine derartige Versiegelung der den Strömungskanal begrenzenden Innenfläche wird die Diffusionsdichtigkeit der Innenhülle erhöht und insbesondere die Adsorption von Gasmolekülen an die Innenfläche herabgesetzt.
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Im Falle der Fluorierung oder der Beaufschlagung mit einem anderen Prozessgas zur Erreichung eines ähnlichen Effektes lässt sich ein Schlauch oder Rohr der erfindungsgemäßen Art vorzugsweise herstellen, indem ein Schlauch oder ein Rohr mit
- • einer eine Diffusionsbarriere bildenden, eine Mehrzahl von Perforationslöchern aufweisenden Innenhülle, und
- • einer eine Diffusionsschicht bildenden, an der Innenhülle anliegenden Außenhülle,
bereitgestellt wird, und der Schlauch oder das Rohr dann für eine geeignete Behandlungsdauer von innen mit dem Prozessgas, insbesondere mit Fluor als reaktivem Bestandteil und z. B. mit Stickstoff als Trägergas, beaufschlagt wird. Eine typische Konfiguration ist z. B. 10% F2 in 90% N2, < 200 mbar Überdruck gegenüber dem umliegenden Atmosphärendruck, Raumtemperatur, > 8 h Einwirkzeit. Dadurch bilden sich infolge von irreversiblen chemischen Oberflächenreaktionen bei geeigneter Beschaffenheit der Außenhülle die gewünschten Dichtzonen im Bereich der zugeordneten Perforationslöcher aus. Je nach Beschaffenheit der Innenhülle wird diese zeitgleich durch ähnliche Oberflächenreaktionen versiegelt. Bei Materialien der Innenhülle, die diesen Reaktionsmechanismen nicht zugänglich sind, erfolgt zumindest die Ausbildung der Dichtzonen an der Außenhülle.
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Für eine besondere einfache Herstellung ist die Außenhülle des Schlauches oder Rohres vorzugsweise nicht perforiert. Sie kann aber auch perforiert sein, solange die Perforationslöcher der Außenhülle nicht deckungsgleich mit den Perforationslöchern der Innenhülle angeordnet sind.
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Soweit im Rahmen dieser Beschreibung von einer diffusionshemmenden oder fördernden Wirkung der Komponenten des Schlauches oder Rohres die Rede ist, bezieht sich dies vorzugsweise auf Kohlenwasserstoffe, insbesondere ab einer Kohlenstoffzahl von 3 (d. h. Propan und höher). Andere Gasmoleküle wie beispielsweise H2O, H2S oder CO2 und auch CH4 (Methan) führen nicht zu einem Anschwellen der Diffusionsschicht und werden nach dem „normalen“ Prinzip der Permeation (= Sorption / Desorption und Diffusion) durchgelassen, aber mit wesentlich geringeren Diffusionsströmen als die quellenden Kohlenwasserstoffe. Die Materialien der Innenhülle und der Außenhülle sind dementsprechend geeignet gewählt.
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Vorzugsweise besteht die Innenhülle des Schlauches oder Rohres zumindest überwiegend aus Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyethylen (PE), insbesondere Polyethylen hoher Dichte (PE-HD). Polyethylenbasierte Materialien sind besonders bevorzugt, da sie gut verarbeitbar und in weiten Temperaturbereichen einsetzbar sind und sich wie oben beschrieben durch Fluorisierung ihrer Oberfläche gegen Adsorption versiegeln lassen.
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Die Außenhülle des Schlauches oder Rohres besteht bevorzugt aus Ethylenvinylacetat (EVA) und/oder Silikon. Diese Materialien bilden eine Diffusionsschicht im oben genannten Sinne und sind vorzugsweise luftdicht in dem Sinne, dass sie (makroskopische) konvektive Luftströmungen nicht durchlassen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Ausnutzung einer durch die Probengaskonzentration hervorgerufenen Schwellung oder Wölbung der Diffusionsschicht in Verbindung mit lokal im Bereich der Perforationslöcher angeordneten Dichtzonen ein Sensorschlauch oder -rohr mit der Funktionalität einer „Diffusionsdiode“ verwirklicht ist. Das heißt, die für die Funktion unerlässliche Eigenschaft der Permeabilität von außen nach innen bleibt erhalten, während sie in umgekehrter Richtung unterbunden ist. Dadurch ist es möglich, in den Schlauch oder in das Rohr eindiffundierte Gasproben weitgehend verlustfrei, das heißt mit minimaler Transportdämpfung über weite Strecken zu transportieren (typischerweise 20 km bis 50 km, also rund 10-mal so weit wie bisher). Durch die Möglichkeit, die Dichtzonen der Außenhülle und die Versiegelung der Innenhülle nachträglich mittels eines einfachen Verfahrens anzubringen, steigt die Auswahl verfügbarer Materialien und möglicher Konstruktionsprinzipien. Typische Anwendungen derartiger Schläuche oder Rohre liegen im Feld der Leckageüberwachung an Pipelines und Tanks, insbesondere für Erdöl und seine Raffinerieprodukte wie Benzin- und Dieselkraftstoff.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen in schematischer und nicht maßstabsgerechter Darstellung:
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1 einen Längsschnitt durch einen Sensorschlauch (nur die obere Hälfte oberhalb der gestrichelt eingezeichneten Symmetrieachse ist dargestellt) während eines ersten Betriebszustandes, und
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2 einen Längsschnitt durch den Sensorschlauch gemäß 1 während eines zweiten Betriebszustandes.
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Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 im Längsschnitt dargestellte Schlauch 2 dient als Sensorschlauch zur Aufnahme und zum Transport einer beispielsweise durch Leckage in der Umgebung freigesetzten Gasprobe.
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Der Schlauch 2 umfasst eine im Wesentlichen hohlzylindrische Innenhülle 4 aus High-Density-Polyethylen (PE-HD), die eine Diffusionsbarriere in Bezug auf die zu transportierenden und zu detektierenden Gasbestandteile ausbildet, insbesondere Kohlenwasserstoffe. Die Innenhülle 4 ist zumindest in einigen Längsabschnitten des Schlauches 2 mit einer Perforation versehen. Die in die Innenhülle 4 eingebrachten Perforationslöcher 6 sind dazu beispielsweise in einem regelmäßigen Muster um den Schlauchumfang verteilt angeordnet. Bei einem Innendurchmesser der Schlauchhülle von z. B. 10 mm können z. B. 800 Perforationslöcher 6 mit einem Durchmesser von z. B. 0,2 bis 0,4 mm innerhalb eines Schlauchabschnittes von 1 m Länge angeordnet sein.
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Um die Innenhülle 4 herum befindet sich eine im Normalzustand an ihr anliegende, nicht perforierte hohlzylindrische Außenhülle 8 aus Ethylenvinylacetat (EVA), die zwar luftdicht in dem Sinne ist, dass sie großvolumige konvektive Luftströmungen abblockt, jedoch eine Diffusionsschicht in Bezug auf die oben genannten Gasbestandteile bildet, also deren Diffusion ermöglicht.
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Die zum Schlauchinneren 10 gerichteten Innenflächen 12 sowie die die Perforationslöcher 6 seitlich begrenzenden Innenflächen 14 der Innenhülle 4 sind mit einer beispielsweise durch Fluorierung erzeugten Versiegelung 16 überzogen, die die diffusions- und adsorptionshemmende Wirkung der Innenhülle 4 im Vergleich zu dem Grundmaterial PE-HD verstärkt.
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Des Weiteren ist die zur Innenhülle 4 gerichtete Innenfläche 18 der Außenhülle 8 im Bereich der darunter liegenden Perforationslöcher 6 der Innenhülle 4 mit durch Fluorierung erzeugten Dichtzonen 20 versehen, die die Perforationslöcher 6 randseitig geringfügig überdecken. Das heißt, die jeweilige Dichtzone 20 erstreckt sich ringförmig seitlich etwas über den Rand 22 des Perforationsloches 6 hinaus. Das Größenverhältnis von dieser überstehenden Ringfläche zur (typischerweise kreisförmigen) Querschnittsfläche des jeweiligen Perforationsloches 6, welches ein Maß für den seitlichen Überstand der Dichtzonen 20 gegenüber den Löchern bildet, liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0 % (kein Überstand) und max. 50 %. Abgesehen von diesen kleinen Randbereichen sind in den Zwischenregionen zwischen den Perforationslöchern 6 die Dichtzonen 20 unterbrochen, also nicht vorhanden. Die Dichtzonen 20 bilden damit gewissermaßen Deckel auf der zur Außenhülle 8 hin gerichteten äußeren Mündungsöffnung der Perforationslöcher 6.
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Bei der Herstellung des Schlauches 2 können die Dichtzonen 20 und die Versiegelung 16 in einem Arbeitsgang erzeugt werden, indem bei einem die Innenhülle 4 und die Außenhülle 8 umfassenden Schlauchrohling ein fluorhaltiges Prozessgas mit Überdruck gegenüber der Umgebung in das Schlauchinnere 10 eingeblasen und darin für eine Weile belassen wird.
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Die Wirkung der beschriebenen Maßnahmen ist die Folgende:
Wenn es wie in 1 dargestellt in einem Abschnitt in der Umgebung des Schlauches 2 infolge einer Leckage zu einer Ansammlung von Probengas kommt, hier dargestellt durch eine Gaswolke 24, führen die in die Außenhülle 8 hinein diffundierenden Gasmoleküle bei hinreichender Konzentration zu einem Anschwellen der Außenhülle 8. Dies hat zur Folge, dass sich die Außenhülle 8 während der Diffusionsphase in diesem Bereich ein wenig in Richtung nach außen von der Innenhülle 4 abhebt und sich lokal ein Radialspalt oder kurz Spalt 26 zwischen der Außenhülle 8 und der Innenhülle 4 ausbildet. Dabei heben sich auch die Dichtzonen 20 von den Perforationslöchern 6 ab, die sie zuvor abgedeckt und abgedichtet haben. Dadurch wird für die Gasmoleküle ein – in 1 durch Strömungspfeile dargestellter – Strömungsweg durch den Spalt 26 hindurch an den Dichtzonen 20 vorbei und durch die Perforationslöcher 6 in das Schlauchinnere 10 freigegeben. In der Folge sammelt sich das Probengas im Schlauchinneren 10 an, wie durch die Gaswolke 28 veranschaulicht ist.
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Die Strömungsverhältnisse während der anschließenden Transportphase sind in 2 dargestellt. Das im Schlauchinneren 10 angesammelte Probengas wird in dem Schlauch 2 mit Hilfe eines Transportgasstroms, beispielsweise Luft, zu einem in einiger Entfernung zur Leckagestelle angeordneten Detektor oder Analysegerät überführt. In denjenigen Streckenabschnitten, in denen außerhalb des Schlauchumfangs keine nennenswerte Konzentration des Probegases vorliegt, liegt die Außenhülle 8 eng an der Innenhülle 4 an. Folglich liegen auch die durch die Dichtzonen 20 verwirklichten Deckel unmittelbar auf den Perforationslöchern 6 auf und dichten diese gegen Leckage nach außen ab. Dieser zuvor vorhandene Strömungsweg ist nun also verschlossen. Zusätzlich wird die Barrierenwirkung der Innenhülle 4 durch die Versiegelung 16 der Innenflächen 12, 14 verstärkt. Das im Schlauchinneren 10 transportierte Probengas kann also nicht nach außen in die Umgebung entweichen. Überdies wird durch die komplette Versiegelung 16 der Innenflächen 12, 14 ein Anheften von Gasmolekülen an die Innenflächen 12, 14 verhindert.
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Die auf die beschriebene Weise verwirklichte Funktionalität einer Diffusionsdiode ermöglicht im Ergebnis eine ungehinderte Diffusion von zu detektierenden Gasmolekülen in den Schlauch 2 hinein und anschließend einen annähernd verlustfreien Transport (mit nur geringer Abschwächung der Konzentration) über verhältnismäßig weite Strecken bis zu einer entsprechenden Messeinrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Schlauch
- 4
- Innenhülle
- 6
- Perforationsloch
- 8
- Außenhülle
- 10
- Schlauchinnenraum
- 12
- Innenfläche der Innenhülle
- 14
- Innenfläche des Perforationsloches
- 16
- Versiegelung
- 18
- Innenfläche der Außenhülle
- 20
- Dichtzone
- 22
- Rand
- 24
- Gaswolke
- 26
- Spalt
- 28
- Gaswolke
