DE19725431C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Lage einer unterirdisch verlegten Rohrleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Lage und zur Ortung von Leckagen und/oder Havariestellen einer unterirdisch verlegten oder anderweitig nicht freizugänglichen Rohrleitung, eines Kanals oder eines unterirdisch verlegten Kabels, wobei die Rohrleitungen beispielsweise flüssige oder gasförmige Medien führen können.

An oder in der Nähe von Rohrleitungen oder Kabeln ist es bisweilen notwendig, Baumaßnahmen oder Wartungsarbeiten durchzuführen. Dazu muß in der Regel das über den Rohrleitungen oder Kabeln befindliche Erdreich abgetragen werden, was mittels geeignetem Gerät, z. B. einem Bagger im Tiefbau durchgeführt werden kann. Im Zusammenhang mit derartigen Baumaßnahmen besteht die Gefahr von Beschädigungen an den unterirdisch verlegten Rohrleitungen bzw. Kabeln oder Kabelsträngen, da die exakte Lage dieser nicht immer bekannt oder nicht ausreichend genau kartiert ist.

Verbreitete Praxis ist es daher, zur Verhinderung von Beschä­ digungen an den Rohrleitungen oder Kabeln beim Einbringen dieser in das Erdreich oberhalb in unmittelbarer Nähe der Leitungen oder Kabel ein Warnband z. B. aus Kunststoff zu verlegen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein solches Warnband als alleinige Schutzmaßnahme nicht ausreichend ist, da bei den Tiefbauarbeiten das Band beschädigt oder herausgerissen wird, so daß das Erkennen der Rohrleitung zu spät oder gar nicht erfolgen kann mit dem Ergebnis unerwünschter Beschädigungen. Bekannte Warnbandkonfigurationen gestatten darüber hinaus auch keine Bestimmung einer möglichen Leckage bzw. eines Leckageortes, so daß ein gezieltes Aufgraben nicht möglich ist.

Aus der DE 31 10 820 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem mit Hilfe eines elektrischen Drahts die Lage eines elektrisch isolierenden, unterirdisch verlegten durchlaufenden Gegen­ stands, z. B. eines Gasrohrs, erfaßt werden kann. Dem dort genannten leitfähigen Draht wird hochfrequente Energie zuge­ führt, um auf der Basis ausgestrahlter elektromagnetischer Wellen eine Lageerfassung durchführen zu können. Probleme bestehen jedoch dann, wenn der leitende Draht innerhalb einer metallischen Rohrleitung befindlich ist, da durch die Schirm­ wirkung die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen behindert wird.

Bei der Einrichtung zum Orten von Trassenführungen nach DE 31 51 523 A1 ist ein spezielles Markierungselement not­ wendig, welches einen LC-Kreis bildet. Dieses Markierungs­ element muß der Trasse zugeordnet werden, um über HF-Resonanz­ effekte dann zu einem späteren Zeitpunkt die gewünschte Ortung zu erreichen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren bzw. eine weiterentwickelte Vorrichtung zur Ortung von Leckagen und damit zur Verhinderung von Beschädigungen an unterirdisch verlegten Rohrleitungen und Kabeln anzugeben, wobei das Ver­ fahren bzw. die Vorrichtung ergänzend die Möglichkeit einer Zustandsanalyse eines Rohres bzw. einer Rohrleitung bietet.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegen­ stand jeweils nach den Merkmalen der nebengeordneten Patent­ ansprüche 1 und 7. Die Unteransprüche stellen mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung dar.

Gemäß der Erfindung wird an, im oder auf der Rohrleitung oder des elektrischen Kabels ein elektrischer Leiter vorgesehen oder eine elektrisch leitfähige Schicht ausgebildet, wobei im Falle einer gewünschten Lagerortung ein elektrisches Signal in den Leiter bzw. in die leitfähige Schicht eingespeist wird.

Der Verlauf des Kabels oder der Leitung einschließlich der Bestimmung der Tiefe erfolgt dann durch an sich bekannte Messung und Nachweis des elektrischen Signales. Über die Dämpfungscharakteristika des umgebenden Erdreiches bzw. des oberhalb der Leitung befindlichen Materials in Verbindung mit der elektrisch eingespeisten Energie kann in überraschend einfacher Weise eine Tiefensondierung vorgenommen werden. Insbesondere besteht die Möglichkeit, ein Hochfrequenzsignal über einen vorgegebenen Frequenzbereich durchzustimmen, um negative Auswirkungen unbekannter oder heterogener Schichten oberhalb der Leitungen auszuschließen.

Verwendungsseitig wird also gemäß der Erfindung auf einen elektrischen Leiter zurückgegriffen, der in, an oder auf einer unterirdisch verlegten Rohrleitung oder einem Kabel angeordnet ist. Dieser Leiter dient dann der indirekten Lageortung der unterirdisch verlegten Systeme. Besondere Vorteile sind dann gegeben, wenn es sich bei der Rohrleitung, dem Rohrleitungs­ system oder den Kabeln um elektrisch nicht leitende oder schlecht leitende Systeme wie z. B. Keramikrohre, Kunststoff­ rohre, Stahl- und Spannbetonrohre, Rohre aus unbewehrtem Beton, Kunststoffmantel oder -medienrohre, Faserzementrohre oder Lichtleiterkabelstränge handelt.

Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird mit dem Ziel einer Leckageortung auf die Kombination eines faseroptischen Leiters, d. h. eines Lichtwellenleiters mit einem elektrischen Leiter zurückgegriffen. Ein derartiges Zweileitersystem ermöglicht also die voranstehend beschriebene indirekte Lageortung der unterirdisch verlegten Rohrleitung oder eines unterirdisch verlegten Kabels, wobei mit dem faseroptischen Sensor in an sich bekannter Weise durch Temperatursondierung oder durch Wechselwirkung von austretenden Medien mit der Faser der Ort einer möglicherweise vorhandenen Leckage genau bestimmt werden kann, so daß sich im Reparaturfalle Erdarbeiten auf ein Minimum reduzieren. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Wärmever­ luste von Heiztrassen od. dgl. zu bestimmen.

Besondere Vorteile findet die vorstehend beschriebene Lösung dann, wenn es sich bei den verlegten Kabeln um ölgefüllte isolierte Hochspannungserdleiter handelt, da in diesem Falle die Gefahr einer Verunreinigung der Umwelt schnell erkannt und beseitigt werden kann.

Verfahrensseitig wird also davon ausgegangen, bei unterirdisch verlegten oder anderweitig nicht vollständig frei zugänglichen Rohrleitungen oder dergleichen zur Lageortung einen elektri­ schen Leiter in der Wandung der Rohrleitung bzw. ein Rohrlei­ tungssystem einzubringen, um diesen dann mit einem elektrischen Signal definiert zu beaufschlagen, so daß eine Ortung durch Signalmessung und Signalverfolgung möglich wird.

Alternativ besteht die Möglichkeit, einen im Rohrinnenraum der Rohrleitung oder dem Rohrleitungssystem bereits vorhandenen elektrischen Leiter mit einem spezifischen elektrischen Signal definiert zu beaufschlagen, so daß auch hier eine Ortung gegeben ist. Im Falle metallischer, elektrisch abschirmender oder im Rohrinneren mit einer isolierenden Schicht versehenen Rohren oder Rohrleitungen wird gemäß der Erfindung ein fre­ quenzseitig durchstimmbares Hochfrequenzsignal verwendet, um ausgehend von dem eingezogenen oder im Inneren vorhandenen elektrischen Leiter einen Maximalenergieeintrag bzw. Energie­ übertrag durch kapazitive Kopplung zur Außenumhüllung zu erreichen.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird von bekannten dielektrischen Eigenschaften eines metallischen Rohres mit isolierender Innenbeschichtung ausgegangen. Isolierende Innenbeschichtungen können beispielsweise Faser­ zement- oder Kunststoffbeschichtungen sein. Meßtechnisch erfolgt eine Analyse des Zustandes der Innenbeschichtung und damit des Rohres bzw. des Rohrsystemes durch Ermittlung des frequenzabhängigen Energieübertrages sowie des gemessenen Verlaufes der Energieübertragung über die gesamte Rohrlei­ tungsstrecke oder einen vorgegebenen Untersuchungsabschnitt.

Konkret werden Veränderungen der Rohrbeschichtungen und/oder vorhandener isolierender Abschnitte wie z. B. Muffenverbin­ dungen oder dergleichen durch Analyse der sich lokal ändernden Feldstärke bei konstant eingebrachter Hochfrequenzenergie festgestellt. Auf diese Weise besteht zerstörungsfrei die Mög­ lichkeit unerwünschte Eigenschaftsveränderungen oder Alte­ rungserscheinungen eines Rohres insbesondere der Innenbe­ schichtung desselben in einfacher Weise zu ermitteln oder zum Beispiel die Lage von Muffenverbindungen oder -flanschen zu sondieren, um gezielt, d. h. mit minimalen Kosten aufzugraben, wenn z. B. an diesen Muffenverbindungen Reparaturen notwendig sind oder weitere Anschlüsse angebracht werden müssen.

Gemäß der Erfindung ist es also möglich, unterirdisch verlegte Rohrleitungen oder Kabel, die selbstleitend oder nichtleitend sind, mittels einfacher geophysikalischer Methoden zu detek­ tieren, so daß eine genaue Lagefeststellung beispielsweise vor dem Beginn von Baumaßnahmen von im Boden befindlichen Rohrlei­ tungen, Kanälen und Leitungen möglich wird.

Der einzusetzende elektrische Leiter kann entweder ein üblicher metallischer Leiter oder z. B. eine leitfähige Beschichtung auf einem an sich nichtleitenden Kabel einer Kabelumhüllung oder einem entsprechenden Außenmantel eines Rohres sein.

In einer verfahrensseitigen Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich zu dem elektrischen Leiter ein optischer Licht­ wellenleiter, d. h. ein langgestreckter faseroptischer Sensor zur Leckageortung und/oder zur Bestimmung von Havariestellen an der Rohrleitung angebracht.

Der faseroptische Sensor und der elektrische Leiter können wie erwähnt als Zweileitersystem, jedoch auch als koaxiale Anord­ nung ausgestaltet werden, wobei der elektrische Leiter die äußere und quasi Schutzumhüllung des faseroptischen Sensors bildet. Der faseroptische Sensor dient nach der bekannten Methode der Erfassung der Temperaturverteilung längs des Sensors zur Ermittlung von Anomalien, die wiederum Rückschlüsse über den Ort oder die Größe der Leckage zulassen.

Die Einbindung von zusätzlichen Anschlußleitungen, Abzweigen und Leitungserweiterungen kann bei der faseroptischen Sensorik mittels üblicher Muffenverbindungen erfolgen. Die Verbindung der elektrisch leitenden Kabel oder Schichten kann ebenfalls über Muffen, Quetschverbindungen oder Steckverbindungen erfolgen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem an einer Rohrleitung angebrachten elektrischen Leiter und einem optischen Lichtwellenleiter in Form eines faseroptischen Sensors;

Fig. 2 einen Querschnitt der Rohrleitung gemäß erstem Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 einen Querschnitt einer Rohrleitung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem hohlförmig ausgeführten elektrischen Leiter und einen im Inneren, d. h. koaxial angeordneten optischen Lichtwellenleiter als faseroptischen Sensor.

Bei der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche oder gleich wirkende Elemente in den Figuren bezogen auf die entsprechenden Beschreibungsteile dieselben Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer Rohr­ leitung 1 und einem an dieser Rohrleitung 1 angebrachten elektrischen Leiter sowie einen ebenfalls dort fixierten optischen Lichtwellenleiter 3 in Form eines faseroptischen Sensors. Der elektrische Leiter 2 sowie der optische Licht­ wellenleiter 3 sind in vorteilhafter Weise parallel zu der Rohrleitung 1 außenumfangsseitig angeordnet.

Beim gezeigten Beispiel ist der elektrische Leiter 2 ein metallischer Leiter, wobei jedoch auch eine leitfähige Beschichtung auf einer z. B. nichtleitenden Umfangsfläche der Rohrleitung 1 denkbar ist. Der elektrische Leiter 2 kann auch in Form von Leiterbahnen auf einer nichtleitenden z. B. kera­ mischen Rohrleitung aufgebracht sein.

Beim Ausführungsbeispiel sind der elektrische Leiter 2 und der optische Lichtwellenleiter 3 in ein Warnband integriert, das flach auf der Außenoberseite der Rohrleitung, z. B. einer Fernwärmetrasse aufgeklebt oder anderweitig mit der Oberfläche verbunden ist. Dieses in zweckmäßiger Form auch selbstklebende Warnband wird nach der Verlegung der Rohrleitung, d. h. der Anordnung selbiger in einem Graben oder dergleichen aufge­ bracht, so daß Beschädigungen durch das Handling bei den Montagearbeiten der Leitung nahezu ausgeschlossen werden.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt längs der Linie A-A der Rohrleitung 1 gemäß erstem Ausführungsbeispiel. Hier ist zu erkennen, daß der elektrische Leiter 2 und der optische Licht­ wellenleiter 3 in das Warnband eingebettet sind, das wiederum auf der Oberseite der Rohrleitung 1 angeordnet wird. Dieses Zweileiter-Warnband ermöglicht nicht nur die Ortung der Rohrleitung 1, sondern auch das frühzeitige Bestimmen einer Leckage durch den Nachweis einer Temperaturveränderung am oder in der Nähe des Austrittsortes von einem in der Rohrleitung geführten Medium oder die Ermittlung von an sich unerwünschten Wärmeverlusten, z. B. bedingt durch mangelhafte Isolierung der Fernwärmetrasse.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bilden die elektri­ schen Leiter 2 und der Lichtwellenleiter 3 eine koaxiale Anordnung. In diesem Falle kann eine leitfähige und gleich­ zeitig eine Schutzfunktion erfüllende Umhüllung die Licht­ wellenleiter allseitig umschließen. Der elektrische Leiter 2, der die genannte Umhüllung bildet, kann vorzugsweise aus einem korrosionsfesten und damit beständigen Material bestehen.

Es liegt im Sinne der Erfindung, daß gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der elektrische Leiter auch im Inneren der Rohrleitung oder eines Kabelstranges angeordnet werden kann, wobei die Ortung durch Beaufschlagen des Leiters mittels eines Hochfrequenzsignales unter Berücksichtigung der kapazitiven Kopplung zur äußeren Umhüllung hin möglich wird.

Die eigentliche Ortung, d. h. die Bestimmung der Lagekoor­ dinaten sowie der Tiefe der Rohrleitung und/oder des Kabels erfolgt also durch Beaufschlagen des elektrischen Leiters 2 mit einem elektrischen, insbesondere einem hochfrequenten elektri­ schen Signal. Aufgrund dieses elektrischen Signales wird um den elektrischen Leiter 2 herum ein Magnetfeld aufgebaut, das sich mit dem Erdmagnetfeld überlagert. Mittels geomagnetischer Messungen kann nun die Lage des elektrischen Leiters 2 und damit die Lage der Rohrleitung 1 nach Art eines Indikator­ verfahrens indirekt festgestellt und kartiert werden. Aufgra­ bungsarbeiten reduzieren sich daher auf ein Mindestmaß, wobei gleichzeitig die Gefahr der Beschädigung der Rohrleitung und/oder des Kabels reduziert ist.

Hinsichtlich der Möglichkeiten der Bestimmung von Leckagen oder Havariestellen mittels des optischen Lichtwellenleiters 3 bzw. des langgestreckten faseroptischen Sensors wird ergänzend auf das deutsche Gebrauchsmuster G 93 18 404 oder die offengelegte Patentanmeldung DE 195 09 129 A1 hingewiesen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es möglich, im Bereich der zu überwachenden Rohrleitungen oder Kabel bereits vorhandene elektrische Leitungen, z. B. Steuer- oder Kommuni­ kationsleitungen zur Ortung heranzuziehen, d. h. hierfür zu nutzen, indem z. B. kapazitiv ein definiertes elektrisches Signal zusätzlich eingespeist wird.

Durch das Beaufschlagen des elektrischen Leiters mit einer definierten Energie wird ein elektromagnetisches Feld in der Umgebung des Leiters und damit der Rohrleitung und/oder des Kabels erzeugt, so daß aus dem erhaltenen Feldstärkewert bzw. dem Verlauf der Feldstärke die Tiefe bzw. der Tiefenverlauf bestimmbar ist.

Bei bekannten dielektrischen Eigenschaften eines metallischen Rohres mit isolierender Innenbeschichtung kann durch Ermittlung des frequenzabhängigen Energieübertrages sowie des gemessenen Verlaufes der Energieübertragung über die Rohrleitungsstrecke auf Veränderungen der Rohrinnenbeschichtung und z. B. dem Vorhandensein isolierender Abschnitte wie Muffenverbindungen oder dergleichen geschlußfolgert werden. In diesem Falle werden die dielektrischen Eigenschaften als das Dielektrikum eines Koaxial-Koppelkondensators betrachtet. Veränderungen des Dielektrikums ziehen Veränderungen im Energieübertrag nach sich, so daß hieraus indirekt auf die Eigenschaften einer Rohrinnenbeschichtung z. B. einer Faserzementauskleidung geschlossen werden kann.

Durch eine Veränderung der Frequenz des Hochfrequenzsignals, d. h. ein Durchstimmen kann auf den Resonanzfall abgestellt werden, so daß auch metallische Rohrleitungen, die im Inneren mit einem metallischen Leiter versehen sind, als Strahler wirken, da mindestens ein Teil der Hochfrequenzenergie, die vom im Inneren befindlichen Leiter abgestrahlt wird, auf die metallische Fläche der Rohrleitung selbst koppelt und über­ tragen wird.

Eine Verwendung des kombinierten elektrischen und optischen Lichtwellenleiters beispielsweise in Form eines Zweileiter­ systems oder einer koaxialen Anordnung ermöglicht das sichere Erkennen von isolierenden Abschnitten z. B. Muffen innerhalb eines Rohrleitungssystems. Dies unter Berücksichtigung der Tatsache, daß zum einen geprüft werden kann, ob an einem ermittelten Ort mit dielektrischer Anomalie auch eine Tempe­ raturanomalie auftritt oder nicht. Tritt hier keine Tempera­ turanomalie auf oder ist diese Temperaturanomalie statisch, d. h. bezogen auf eine Referenzaufnahme im Normalzustand unver­ ändert, dann liegt eine Rohrverbindung, z. B. eine Muffe vor. Verändert sich die Temperaturanomalie bezogen auf das erwähnte Referenzbild im Laufe der Zeit, dann liegt eine Undichtheit im Muffenabschnitt vor. Tritt eine Temperaturanomalie außerhalb einer nachweisbaren dielektrischen Anomalie auf, dürfte es sich um ein Leck handeln.

Gehen dielektrische Anomalien mit Temperaturanomalien einher, liegen großflächigere Beschädigungen an Rohrinnenbeschichtungen mit mindestens teilweiser Undichtheit vor.

Mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gelingt in vorteilhafter Weise die Lösung der gestellten Aufgabe indem durch Anordnung von einem zusätzlichen elektrischen Leiter an, auf oder gegebenenfalls in einer Rohrleitung oder einem Kabel oder Kabelstrang in Verbindung mit dem elektrischen Beauf­ schlagen des Leiters definierte Feldverhältnisse geschaffen werden, die nicht nur eine horizontale, sondern auch eine Tiefensondierung ermöglichen. Durch die kombinierte Ausbildung eines elektrischen sowie eines optischen Leiters, insbesondere faseroptischen Leiters kann neben der Lageortung auch eine Bestimmung von Leckagen oder Undichtheiten einer Rohrleitung oder eines Rohrleitungssystems vorgenommen werden.

In vorteilhafter Weise lassen sich elektrische sowie faser­ optische Leiter als Zweileitersystem in ein Warnband inte­ grieren, daß in einer z. B. selbstklebenden Ausführungsform auf die Oberfläche einer verlegten oder zu verlegenden Leitung aufbringbar ist.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage und zur Ortung von Leckagen und/oder Havariestellen einer unterirdisch verlegten oder anderweitig nicht frei zugänglichen Rohrleitung oder eines unterirdisch verlegten Kabels, wobei die Vorrichtung einen elektrischen Leiter (2) oder eine leitfähige Schicht zur elek­ tromagnetischen Bestimmung der Lage der Rohrleitung (1), des Kanals oder des Kabels und einen faseroptischen Lichtwellen­ leiter (3) zur Leckageortung und/oder zur Bestimmung von Havariestellen und/oder zur laufenden Ermittlung von Wärmever­ lusten einer Fernwärmetrasse aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) ein metallischer Leiter oder eine leitfähige Schicht in oder auf einem Warnband ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) eine leitfähige Beschichtung ist, welche auf eine Rohrleitung mit mindestens nicht leitfähigen Abschnitten, z. B. den Muffen, aufgebracht ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Lichtwellenleiter eine leitfähige Umhüllung aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter ein aufbringbares, vorzugsweise selbst­ klebendes Band ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu ortende Rohrleitung aus Keramik, Kunststoff, Stahl- und Spannbeton, unbewehrtem Beton oder Verbundsystemen wie z. B. Kunststoffmantel oder -medienrohre besteht, welche mit einer leitfähigen Beschichtung versehen ist und/oder einen inte­ grierten Leiter aufweist.

7. Verfahren zur Bestimmung der Lage einer unterirdisch ver­ legten oder anderweitig nicht vollständig frei zugänglichen Rohrleitung, wobei bei gewünschter Lageortung ein elektrischer Leiter in die Rohrleitung eingebracht, insbesondere eingezogen oder ein dort bereits vorhandener elektrischer Leiter mit einem elektrischen Signal beaufschlagt wird, so daß eine Ortung durch Signalmessung und Signalverfolgung möglich wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei metallischen, elektrisch abschirmenden oder im Rohrinneren mit einer isolierenden Schicht versehenen metallischen Rohren oder Rohrleitungen ein frequenzseitig durchstimmbares Hoch­ frequenzsignal verwendet wird, um jeweils einen maximalen Energieeintrag durch kapazitive Energieübertragung oder Kopplung zur metallischen Außenhülle zur sicheren Ortung einzustellen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein faseroptischer Sensor an der Rohrleitung ange­ bracht wird, um anhand gemessener Temperaturanomalien auf Havariestellen oder Leckagen zu schließen.