DE10338950A1

DE10338950A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Körpern in Rohrleitungen

Info

Publication number: DE10338950A1
Application number: DE2003138950
Authority: DE
Inventors: Frank-Michael Jaeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Erkennung von Körpern in einer Rohrleitung ermöglicht neben dem Erkennen von Molchdurchgängen auch die Feststellung anderer Körper wie Gatsch. DOLLAR A Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein erster Teil aus einem akustischen Sensor alle Körper detektiert und ein zweiter Teil zur Identifikation der Körper dient. DOLLAR A Derartige Vorrichtungen werden zur Kontrolle von Pipelines benötigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Körpern in Rohrleitungen mit akustischen Sensoren.
Derartige Verfahren werden zur Überwachung von Rohrleitungen und Pipelines benötigt. Beim Transport von Rohöl und Mineralölprodukten werden zur in bestimmten Zeiträumen Körper in die Flüssigkeit eingebracht. Diese Molche (englisch auch als Pig bezeichnet) werden zur Inspektion, Wanduntersuchung, Deformationsuntersuchung, Reinigung, Produkttrennung usw. eingesetzt.
Die Lokalisierung und Erkennung von Molchen ist zur Überwachung der Molchfahrt notwendig.
Ein weitere wichtige Aufgabe ist die rechtzeitige Erkennung des Molches um eine Beschädigung der Molche oder Molchschleusen zu verhindern.
In der Technik sind seit langen mechanische Molchmelder bekannt. Diese erfordern eine Öffnung in der Rohrleitung zum Betätigen einer mechanischen Schalteinheit.
Diese mechanische Vorrichtung benötigt Molche, die die Wand berühren und damit den Schaltvorgang auslösen können.
Moderne Inspektionsmolche bewegen sich oftmals auf Rollen und können so diese mechanischen Molchmelder nicht bewegen.
Inspektionsmolche mit Ultraschallwandlern berühren die Wand mit einer Vielzahl von Ultraschallsensoren. Diese Sensoren können durch den Kontakt mit den mechanischen Molchmeldern zerstört werden und fallen damit für eine lückenlose Überwachung der Wand auf Schäden aus.
Als Reinigungsmolche werden auch Schaumstoffmolche eingesetzt. Der Schaumstoff kann ebenfalls diese Schalter nicht sicher betätigen.
Seit neuerer Zeit werden auch magnetische Molchmelder eingesetzt. Diese erfassen das paramagnetische Feld der Rohrwand. Bei einem Molchdurchgang mit einem am Molch befestigten Permanentmagnet polt sich diese Feld sprunghaft um. Dieser Effekt wird gemessen und als Molchdurchgang bewertet.
Für reine Schaumstoffmolche ist diese Methode nicht anwendbar.
In der Patenschrift WO 00/45161 bzw. PCT/N00/00013 wird eine Methode zur Überwachung von Rohrleitungen beschrieben, die einen akustischen Sensor abwechselnd in einem aktiven oder passiven Modus betreibt. Damit sollen Geräuschemissionen durch Fremdkörper in der Flüssigkeit erkannt werden. Durch den Amplitudenvergleich des gesendeten und empfangenen Signals ist auch eine Erkennung von Fremdkörpern wie Sand oder Geröll möglich. Dazu werden Bandpassfilter für die Charakterisierung der empfangenen Signale eingesetzt.
Sand und Geröll erzeugen eine Geräuschemission, die wesentlich besser zu erkennen ist wie weiche und zähe Materialien wie Gatsch, bei denen keine vom Öl verschiedene Geräuschemission auftritt.
Bei der Molchdetektion besteht das Problem zusätzlich noch darin, das es eine Vielzahl verschiedener Molche gibt. So gibt es zum Beispiel welche mit unterschiedlichen Manschetten, mit und ohne Rollen usw.
Die Aufnahme der Geräuschemission ergibt einen breiten Peak, der eine scharfe Lokalisation des Molches erschwert.
Das rechtzeitige Betätigen von Absperrarmaturen wird dadurch behindert und der Umgang mit ihnen an Molchschleusen problematisch.
Bei Reinigungsmolchen kommt ein weiter wichtiger Aspekt hinzu. Der sich in der Rohrleitung angesammelte Gatsch, bestehend aus Verunreinigungen wie Paraffine, Wasser, Rost usw., wird vom Molch vor sich her geschoben. Die Länge dieses Pfropfens ist unbekannt und kann mit den herkömmlichen Mittel der Überwachung der Ultraschallreflexion nicht ermittelt werden. Dieser Gatsch soll an der Molchschleuse getrennt vom Molch ausgeschleust werden.
Ein nur auf dem Prinzip der Schallunterbrechung arbeitender Molchdetektor würde schon beim Gatsch einen Molchdurchgang melden. Die Molchschleuse würde damit zu früh betätigt werden.
Wird nur die Rückseite des Molches detektiert, d.h. wenn das reflektierte Signal wieder vom Sensor erfasst wird, kann dieses Problem gemindert werden.
Die Länge des Gatschpfropfens wird aber erst nach dem Molchdurchgang erkennbar. Damit ist eine Abtrennung des Gatsches vom Öl erschwert.
Der mit wichtigste Mangel, ist die Unzuverlässigkeit dieses Verfahrens. Besitzt das Rohöl einen hohen Anteil an Gatsch, kommt es zur Unterbrechung des Ultraschalls. Dieser Effekt tritt auch bei Gasblasen, durch sich entlösendes Gas aus Rohöl, auf.
Es wird also schon ein Molchdurchgang gemeldet, ohne das ein Molch den Molchdetektor passiert hat.
Mit der Erfindung werden die oben genannten Nachteile der bisherigen Molchdetektoren beseitigt.
Es wird ein Verfahren beschrieben, das in einem ersten Verfahrensschritt die eigenen Ultraschallwellen empfängt und in einem oder mehreren Zeitbereichen eine oder mehrere Reflektionen der ausgesendeten Ultraschallwelle auf Vorhandensein kontrolliert, und in einem zweiten Verfahrensschritt Signale zur Identifikation des Molches empfängt.
Diese Verfahren gewährleistet ein hohes Maß an Schaltsicherheit, da durch die Identifikation des Molches Fehlschaltungen durch Gatsch, Paraffin oder Bitumen verhindert werden. Kontrollstationen, die zwischen Molchstationen angeordnet werden, müssen als zwei Verfahrensstufen die Anwesenheit von Fremdkörpern und Molchdurchgang melden, also logisch verknüpft werden.
Fehlt die Identifkation, muss so die Signalschwächungen zum Beispiel durch Bestandteile im Erdöl ausgelöst wurden sein.
Aus der Zeitdifferenz zwischen den Signalen und der Strömungsgeschwindigkeit kann die Größe des Gatschpfropfens ermittelt werden.
An der Molchschleuse wird ein zu zeitiges Schalten der Armaturen verhindert, da hier das aktive Signal der Identifikation ausgewertet wird.
Es wird weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, welches als Funktionskontrolle des Ultraschallsensors und der Kopplung zwischen Ultraschallsensor und Rohrwand die eigenen ausgesendeten Ultraschallwellen in oder auf der Rohrwand einzeln oder in Kombination (P-Wellen, auch Longitudinalwellen genannt, S-Wellen, auch Transversalwellen genannt und/oder Rayleighwellen), empfängt und auswertet.
Bei den als Rohr verwendeten Stahl sind zwei Ausbreitungsgeschwindigkeiten für die P- und S – Wellen zu beachten. Die Longitudinalwellen (P-Wellen) haben eine größere Ausbreitungsgeschwindigkeit als die Transversalwellen (S-Wellen) und Rayleighwellen. Die Erfassung dieser Wellen erfolgt zeitlich vor dem Empfang der reflektierten Wellen durch die Flüssigkeit in der Rohrleitung.
Die Wellen breiten sich in der Behälterwand nach allen Seiten aus. Neben Reflexionen an Schweißnähten, Böden, Rändern oder anderen Einbauten, erfolgen auch Reflexionen zwischen der inneren und äußeren Behälterwand.
Die Wellenausbreitung in Längsrichtung der Rohrleitung kann in den allermeisten Fällen vernachlässigt werden. Nur wenn sich in unmittelbarer Nähe des Einbauortes des Molchmelders ein Rohrende, z.B. der Flansch von oder zu der Molchschleuse befindet, müssen eventuelle Reflexionen davon berücksichtigt werden.
Einen großen Einfluss hat auch die mehrfache Reflektion der Ultraschallwellen an der gegenüberliegenden Behälterwand. Diese und/oder die Oberflächenwellen werden für die Koppelkontrolle des Sensors und dessen Funktionskontrolle eingesetzt. Sind diese in einem festgesetzten Zeitintervall nicht nachweisbar, ist der Molchdetektor nicht einsatzbereit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Zeitdiagramme der Funktionsweise der Erfindung
2 das Blockschaltbild zeigt die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß dem Verfahren der Erfindung
3 eine schematische Darstellung der Signalwege gemäß der Erfindung
4 eine schematische Darstellung der Signalwege mit einer elektromagnetischen Identifikation in einer Rohrleitung gemäß der Erfindung
In 1 werden die Zeitdiagramme der Erfindung gezeigt. In 1a wird auf der Zeitachse T zum Zeitpunkt T0 von einem akustischem Sensor auf der Rohrwand ein Ultraschallimpuls S durch die Rohrwand in die Flüssigkeit (zum Beispiel Erdöl) gesendet. Innerhalb der Rohrleitung erfolgen mehrere Signaldurchgänge mit Reflektionen an der Rohrwand R1. Diese Reflektionen sind reichen bis zum Zeitpunkt T1.
Die Rohrleitungen oder Pipelines sind in der Regel befüllt und die Rohraußenwand ist mit einer Schutzschicht aus Bitumenbinden oder Kunststoff zum Schutz umgeben. Trotz dieser, die Oberflächenwellen dämpfenden Benetzung der Rohrwand von innen und außen, wird man charakteristische Echos von rohrumlaufenden Ultraschallimpulsen finden. Zu den Rayleighwellen werden auch umlaufende P- und S-Wellen nachweisbar sein. Diese Wellen sind durchmesserspezifisch und werden immer in einem bestimmten Verhältnis zu den von der gegenüberliegenden Rohrwand reflektierten Echos (E1), (E2) und (E3) stehen.
Der Übersichtlichkeit halber sind die Rayleighwellen und P- und S-Wellen hier nur als R2 zum Zeitpunkt T2 dargestellt.
Je nach Bedingungen können auch davon Mehrfachechos auftreten. Die Unterscheidung ist in der Praxis recht einfach, da über die mittlere Schallgeschwindigkeit eines Rohöles oder der Mineralölprodukte und des Rohrdurchmessers die einzelnen Echos leicht identifiziert werden können. Die mit dem akustischen Sensor verbundene Auswerteeinheit setzt ein der mehrere Zeitfenster (Z1), (Z2) und (Z3), die ohne Körper in der Rohrleitung ein Echo (E1), (E2) und (E3) nachweisen müssen.
In bekannter Weise können über die Anzahl der ermittelten Echos (E1) bis zum nicht dargestellten (EN) und/oder der Amplitudenauswertung dieser Echos, Aussagen über die Transmissionseigenschaften der Flüssigkeit und damit des Gehaltes an Gatsch getroffen werden.
Zur Feststellung eines Körpers reicht ein Zeitfenster, zum Beispiel (Z2) aus.
Eine Auswertung weiterer Zeitfenster, zum Beispiel (Z3) und (Z4) liefert ergänzende Informationen, die aber zum erfindungsgemäßen Verfahren nicht zwingend notwendig sind.
Innerhalb eines Zeitfensters (Z1), das Teile von (R1) und/oder (R2) enthält, wird die Funktion des akustischen Sensors und die Kopplung dessen auf der Rohrwand kontrolliert. Mit einer mikroprozessorgesteuerten Auswerteeinheit ist die Justierung dieser Zeitfenster kein Problem und kann automatisiert ablaufen.
In 1b wird auf der Zeitachse (TM) ein Folge von Sendeimpulsen (M1) bis (M4) mit den dazugehörenden Rohrwandechos dargestellt.
1e zeigt die Zeitachse (TA) wie ein Körper mit einem akustischen Element in den Zeitabschnitten (B1) bis (B3) auf die Sendimpulse eines akustischen Sensors auf der Rohrwand antwortet. Die hier als Burst dargestellte Antwort kann verschiedenster Art sein. Eine Synchronisation mit den Sendeimpulsen und die Antwort in den Pausen nach dem Empfang der Rohrwandechos ist für akustische Identifikationssystem sinnvoll. Je nach Art der Codierung und/oder der Verwendung von Trägerfrequenzen kann die Antwort auch zu anderen Zeiten erfolgen.
Auf der Zeitachse (TA) sind die zur Funktionskontrolle notwendigen Echos für das Zeitfenster (Z1) sichtbar die reflektierten Rohrwandechos (E1) bis (E3) sind vom Körper unterbunden.
Das in 2 dargestellte Beispiel einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt akustische Sensoren (4) und (5), die von außen auf der Rohrwand (1) einer Pipeline angeordnet sind.
Neben den akustischen Sensoren (4) und (5) sind Sensoren zur Identifikation (24) und (25) angeordnet.
Für das Verfahren der Erkennung von Körpern in Rohrleitungen ist kann jedes geeignete physikalische Prinzip der Identifikation von Molchen gewählt werden.
Beispielsweise können paramagnetische Molchmelder für Molche mit montierten Permanentmagnet mit akustischen Sensoren (4) und (5) kombiniert werden.
Auch Sensoren für elektromagnetische Wellen können geeignet sein (Transbonder, die mit Frequenzen arbeiten, die Erdöl und andere Kohlenwasserstoffe gut durchdringen).
Zum Beispiel können auch akustische Sensoren zur Identifikation eingesetzt werden.
Die akustischen Sensoren (4) und (5) sowie die Sensoren zur Identifikation (24) und (25) sind mit Auswerteinheiten (14) und (15) verbunden. Diese stehen mit einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit (13) in Kontakt. Der Datenaustausch kann wechselseitig erfolgen. Neben der Parametrierung der Molchmelder, bestehend aus den akustischen Sensoren (4) und (5) und den dazugehörenden Auswerteeinheiten (14) und (15), erfolgt auch die ständige Kontrolle der Einsatzbereitschaft der Molchmelder. Zweckmäßigerweise erfolgt die Prüfung auf Kopplung mit der Pipeline in den jeweiligen Auswerteeinheiten (14) und (15). Der Datenaustausch beschränkt sich nur auf wenige Meldungen wie Fehlermeldung, Signalunterbrechung in der Rohrleitung (d.h. unbekannter Körper), Signalunterbrechung in der Rohrleitung ( Körper identifiziert = Molchdurchgang) usw.
Für die vielfältigen Möglichkeiten der Signalübertragung seien hier nur die Folgenden genannt:

– Übertragung über Glasfaserkabel
– Übertragung über satelitengestützte Funknetze
– Übertragung über Sonar für Unterwasserpipelines.

Von der zentralen Auswerte- und Steuereinheit (13) kann die Armatur (2) der Molchschleuse entsprechend der Auswertung der zur zentralen Auswerte- und Steuereinheit übermittelten Meldungen, gesteuert werden. Ohne Probleme kann die Menge des vom Molch vor sich hergeschobenen Gatsches (7) aus den Zeitdifferenzen der Meldung (unbekannter Körper) und der Meldung (identifizierter Körper) berechnet werden. Aus dem Pipelinedurchmesser und der Strömungsgeschwindigkeit, ist die Menge des Gatsches (7) berechenbar.
3 zeigt die Signalwege bei der Identifikation eines Körpers (6) in einer Rohrleitung (1). Ein mit der Auswerteeinheit (14) verbundenes akustisches Element (4) sendet akustische Impulse (8) in einer für das Rohöl gut zu durchdringenden Frequenz durch die Rohrleitung (1).
Das hier dargestellte akustische Element wir hier gleichermaßen als Empfänger und Sender benutzt.
Die gesendeten Ultraschallimpulse werden von Körpern in der Rohrleitung unterbrochen, so das es zu keiner Reflexion an der Rohrleitungswand kommt.
Wird vom akustischem Element (11), das Teil des Körpers (6) ist und sich innerhalb der Rohrleitung (1) befindet, ein akustischer Impuls (8) des akustischen Elementes (4) von außerhalb der Rohrleitung (1) empfangen, wird von der Auswerteeinheit (16) eine akustische Antwort (10) über ein akustisches Element (11) zum akustischen Element (4), das auch als akustischer Sensor bezeichnet werden kann, gesendet.
Die Sendimpulsfolge ist natürlich so gewählt, das genügend Sendimpulse während der Fortbewegung des Körpers (auch Molches) gesendet und vom zu identifizierenden Körper empfangen werden können.
Das akustische Element (11) kann in vorteilhafter Weise breitbandig ausgelegt sein. Als Empfänger kann ein Hydrophon eingesetzt werden.
Für eine Pipeline von ca. 1 Meter Durchmesser (40'') soll folgende Berechnung das Zeitregime verdeutlichen:
Das akustische Element zum Empfang des Sendesignale seien mehrere Hydrophone ohne ausgeprägte Richtcharakteristik und im Abstand von ca. 0,4 m von der Rohrwand angeordnet. Diese sollen in einem Umfang von 360°, also den gesamten Rohrinnenumfang, nach dem Empfang eines oder mehrer Sendimpulse, einen zur Identifikation benutzen Sender ansteuern.
Die langsamste und damit zeitkritischste Identifikation ist die akustische Rückmeldung zum akustischen Element (4).
Für die Schallgeschwindigkeit wird ein Wert von 1.250 m/s angenommen. Die Werte für Kohlenwasserstoffe können beträchtlich schwanken ( etwa von 1.000 m/s bis 1.500 m/s). Zum Empfang und Senden werden für 0,8 m Weg (ohne Beachtung der Vergrößerung des Weges durch die Bewegung des Körpers) weniger als 0,7 Millisekunden benötigt.
Setzt man eine Geschwindigkeit von ca. 1 Meter/Sekunde an (die natürlich nach oben und unten variieren kann) und sendet und empfängt im Takt von 5 Millisekunden, ergibt sich für eine Pipeline von ca. 1 Meter Durchmesser (25'') eine Bewegung von 0,5 cm je Sendeimpuls. Setzt man für die Signalübertagung und Verarbeitungszeit ca. 1 Millisekunde (ms) an, ist diese Zeit noch ausreichend für die Identifikation.
Bei Vergrößerung der Sendimpulsfolge auf 10 ms oder 20 ms, bewegt sich der Körper entsprechend nur 1 cm oder 2 cm weiter. Mit entsprechenden Ultraschallstrahlern, mit breiter Schallkeule oder durch mehrere hintereinander angeordnete Sender, können auch mehrere Identifikationssignale vom akustischen Element (11) gesendet und vom akustischen Element (4) empfangen werden.
Zum Aktivieren des akustischen Elementes (11) zum Senden der Identifikation reicht der Empfang eines oder nur weniger Sendimpulse vom akustischen Element (4) aus.
Für das Aussenden der weiteren Identifikationssignale vom akustischen Element (11) wird dann kein weiterer Empfang der Sendsignale von (4) benötigt.
Um Verschmutzungen durch den Gatsch zu vermeiden, ist es sinnvoll das akustische Element zur Erkennung des akustischen Sensors auf der Rohrwand, am mittleren oder hinteren Teil des Körpers anzubringen. Ist der Sender und Empfänger des akustischen Elementes (11) getrennt aufgebaut, wir der Sender hinter dem Empfänger angeordnet.
Bei der Ermittlung der Gatschmenge und der Reaktionszeiten für die Armatur der Molchschleuse ist natürlich die jeweilige Länge des Körpers oder Molches mit zu berücksichtigen.
In 4 wird die schon erwähnten Ausgestaltung der Erfindung mit einem elektromagnetischen Identifikationssystem gezeigt. Das akustische Element ist mit einer Auswerteeinheit (16) verbunden und steuert einen elektromagnetischen Sender (17). Der elektromagnetische Sender (17) sendet eine elektromagnetische Antwort (19) zum elektromagnetischen Empfänger (18).
Wird ein magnetisches System zur Identifikation von Molchen benutzt, entfallen das akustische Element zum Empfang des akustischen Impulses sowie akustischer oder elektromagnetischer Sender im Körper (Molch) und deren Empfänger an der Rohrleitung.
Vorteilhaft ist diese Ausgestaltung der Erfindung dann, wenn schon Molchsysteme auf magnetischer Basis vorhanden sind.
Die zur erfindungsgemäßen Vorrichtung notwendigen Bauteile beschränken sich dabei auf die erforderlichen akustischen Sensoren zum Erkennen eines Körpers jedweder Art und auf die logische Verknüpfung der Signale zur Unterscheidung von Gatsch und Molch.
Die Ermittlung der Gatschmenge erfolgt in der schon beschrieben Art der Differenzbildung der zu den jeweiligen Signalen gehörenden Zeitpunkten.
Auf eine bildliche Darstellung wird deshalb verzichtet.

Claims

Verfahren zur Erkennung von Körpern in Rohrleitungen, besonders in mit Flüssigkeiten gefüllten Leitungen mittels akustischer Sensoren, welche die Oberfläche der Rohrleitung berühren, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrenschritt die Unterbrechung des von der Rohrleitung reflektierten Ultraschallsignals ausgewertet und in einem zweiten Verfahrensschritt ein Signal von einer zur Identifikation geeigneten Einheit empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdifferenz zwischen ersten und zweiten Verfahrensschritt ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Identifikation des Körpers ausgesendeten Signale von einer im oder am Körper enthaltenen Sendeeinheit ausgesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im ersten Verfahrenschritt zur Auswertung gelangten Reflektionen des Ultraschalls an der gegenüberliegenden Rohrwand ein Mehrfaches der Laufzeit der ersten Reflektion der gegenüberliegenden Rohrwand benötigen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass akustische Wellen in und auf der Rohrwand zur Funktionskontrolle der akustischen Sensoren benutzt werden.
Vorrichtung zum Erkennung von Körpern in Rohrleitungen, besonders in mit Flüssigkeiten gefüllten Leitungen mittels akustischer Sensoren, welche die Oberfläche der Rohrleitung berühren nach einem der vorstehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, das mindestens ein Sensor zum Empfang des körperspeziellen Signals zur Identifikation mit einer Auswerteeinheit verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswereeinheit an der Rohrleitung mit einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signale aussendende Einheit mit einer Empfangseinheit für akustische Signale verbunden ist und mit einem weiterem Teil eines anderen Körpers verbunden ist, oder ein Teil des selbigen Körpers ist und sich in der Rohrleitung befindet.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auswerteeinheit an der Rohrleitung mit einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit verbunden ist und über diese eine Datenübertragung in mindestens eine Richtung möglich ist.