DE3240136C1

DE3240136C1 - Einrichtung zum schnellen Erkennen und Orten von Leckagen in Rohrleitungen

Info

Publication number: DE3240136C1
Application number: DE19823240136
Authority: DE
Inventors: Max 5144 Wegberg Schierhorn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-10-29
Filing date: 1982-10-29
Publication date: 1984-05-24

Description

Aufgabe der Erfindung ist, eine Einrichtung zu schaffen, die eine sichere Leckerkennung und Leckortung in einem durch eine Unstetigkeitsstelle begrenzten Rohrabschnitt mit möglichst geringem Aufwand an Meßmitteln zuläßt. Die Einrichtung nach der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 beschrieben.
Die Erfindung sieht neben einer Erfassung der durch ein Leck verursachten, vom Leckort auf direktem Wege zur Meßeinrichtung gelangten Stoßwelle zusätzlich am selben Meßort die Erfassung der an der Unstetigkeitsstelle reflektierten, zuvor in die dem Meßort entgegengesetzte Richtung angegebenen Stoßwelle vor und ermittelt den Leckort aus dem Abstand der Ankunftszeitpunkte der beiden Stoßwellen. Damit wird eine sichere Leckortung in durch Unstetigkeitsstellen begrenzten Rohrleitungsabschnitten möglich, die zusätzlich gegenüber bisher bekannten Leckortungseinrichtungen den Vorteil hat, daß die Stoßwellenerfassung nur an einem einzigen Meßort erfolgt, ein zweiter Meßort, dessen Einrichtung bei einer erdverlegten Rohrleitung meist ein besonderes, kostspieliges Schachtbauwerk erfordert, demnach eingespart wird.
In an eine Hauptleitung angrenzenden Abschnitten von Abzweigleitungen wird durch die erfindungsgemäße Einrichtung, insbesondere deren im Patentanspruch 2 beschriebene Ausgestaltung, überhaupt erst eine sichere Leckortung ermöglicht. Es werden alle Lecks geortet, auch die, die in unmittelbarer Nähe des Abzweigortes auftreten, ohne daß dort, in der Überlagerungszone von einlaufender und reflektierter Stoßwelle, die Druckänderung erfaßt werden muß.
Eine weitere Ausgestaltung der Einrichtung nach der Erfindung ist im Anspruch 3 beschrieben und eignet sich zur Leckortung in durch Unstetigkeitsstellen begrenzten Rohrleitungsabschnitten, bei denen die Unstetigkeitsstellen vom Leckort her gesehen Leitungsverengungen oder Leitungsabschlüssen gleichkommen. So können zum Beispiel Lecks in durch Schieber'abgeschlossenen oder blind endenden Leitungsabschnitten erkannt und geortet werden.
Eine in Anspruch 4 beschriebene Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht die zusätzliche Verwendung von Meßeinrichtungen vor, welche Änderungen des Mengendurchsatzes an den Leitungsenden (Einspeisestellen und Entnahmestellen) erfassen. Bei zusätzlicher Kenntnis der Mengendurchsatzänderungen können dann nach dem bekannten MDT-Verfahren Betriebsvorgänge von Leckagen noch besser unterschieden werden als durch bloße Auswertung der Steilheit der Stoßwellen. Dies ermöglicht nicht zuletzt eine Verlängerung der Überwachungsabschnitte und damit die Einsparung von Meßeinrichtungen und Schachtbauwerken.
Eine Weiterbildung der Einrichtung nach der Erfindung ist im Anspruch 5 beschrieben und erhöht die Genauigkeit der Leckortung bei mit wechselnden Stoffen beschickten Leitungen.
Anhand zweier Figuren soll nun ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach der Erfindung beschrieben-und seine Funktion erklärt werden.
F i g. 1 zeigt die Meßpunktanordnung an einer Abzweigleitung.
F i g. 2 zeigt ein Zeitablaufdiagramm.
In Fig 1 ist eine - Abzweigleitung AL geringeren Querschnitts dargestellt, die von einer HauptleitungHL größeren Querschnitts an einem Abzweigort AO abzweigt. Sowohl in der Hauptleitung als auch in der Abzweigleitung sollen Lecks schnell erkannt und geortet werden können. In der Hauptleitung erfolgt dies nach dem bekannten normalen MDT-Verfahren. Ein in der Hauptleitung, beispielsweise in der Nähe des Abzweig- ortes AO entstehendes Leck verursacht aufgrund des plötzlichen Druckabfalls am Leckort zwei mit Schallgeschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen aus ein anderlaufende Stoßwellen, die an Hauptleitungsmeßorten HMO 1 und HMO 2 von Druck-Differentialquotientengebern als, je nach Entfernung vom Leckort, mehr oder weniger steile negative Drucksprünge erfaßt werden. Aus dem Abstand der Ankunftszeitpunkte an beiden Meßorten läßt sich die Lage des Leckortes berechnen, da der Abstand zwischen den Meßorten und die Schallgeschwindigkeit in der Leitung bekannt sind und sich die von den Stoßwellen zurückgelegten Strecken zueinander wie die hierzu benötigten Laufzeiten verhalten. Zur Unterscheidung von Leckereignissen von normalen Betriebsvorgängen werden zusätzlich an Pumpstationen und Entnahmestellen in der Figur nicht dargestellte Durchsatzmeßeinrichtungen angeordnet, welche die zeitlichen Änderungen des Durchsatzes erfassen.
Auch werden Zeitschalteinrichtungen eingesetzt, die, um unnötige Blindalarme zu vermeiden, bei gravierenden Betriebszustandsänderungen der Leitung, z. B. nach Pumpeneinschaltung, die Leckerkennung für eine begrenzte Zeit abschalten.
Die Leckerkennung und -ortung in der Abzweigleitung kann ohne Schwierigkeiten auf gleiche Art wie in der Hauptleitung erfolgen, außer im Bereich desjenigen Abschnittes, der unmittelbar an die Hauptleitung anschließt. Tritt in diesem Abschnitt, z. B. am Leckort LO, ein Leck auf, so wird die in Richtung der Hauptleitung wandernde Stoßwelle, sobald sie die Hauptleitung am Abzweigort AO erreicht, auf einen kleinen Teil ihrer bisherigen Intensität abgeschwächt. Diese Schwächung ist umso größer, je größer der Unterschied zwischen den Leitungsquerschnitten ist. Von der Stoßwellenenergie gelangt nur ein kleiner Teil in die Hauptleitung, der größere Teil wird an der Unstetigkeitsstelle, die der Übergang in das größere Rohr darstellt, reflektiert und wandert als Stoßwelle umgekehrten Vorzeichens in die Abzweigleitung zurück. Der Nachweis der geschwächten Stoßwelle an den Hauptleitungsmeßorten HMO t, HM02 gelingt bei größerem Querschnittsunterschied zwischen Hauptleitung und Abzweigleitung nur noch, wenn die Empfindlichkeit der Differentialquotientengeber sehr hoch eingestellt wird. Dies ist aber problematisch, da dann auch Störungen, die mit schwachen Druckänderungen verbunden sind, als Lecks gedeutet werden können und Blindalarme ausIösen.
Die Einrichtung nach der Erfindung wertet deshalb anstelle der abgeschwächten Stoßwellen in der Hauptleitung die von der Unstetigkeitsstelle am Abzweigort in die Abzweigleitung zurück reflektierte Stoßwelle aus.
Diese ist bei ausreichend großem Querschnittsunterschied zwischen Hauptleitung und Abzweigleitung nur wenig schwächer als die primär ausgebildete Stoßwelle.
Sie stellt jedoch einen Drucksprung mit gegenüber der Primärstoßwelle umgekehrtem Vorzeichen dar Da die durch ein Leck ausgelöste Primärstoßwelle mit einem plötzlichen Druckabfall verbunden ist, wird die reflektierte Stoßwelle durch einen plötzlichen Druckanstieg markiert.
Gemäß der Erfindung befindet sich am Meßort MO ein Differentialquotientengeber, der negative und positive sprunghafte Druckänderungen, die einen festgelegten Steilheitsschwellwert übersteigen, getrennt erfaßt.
In einer Auswerteeinrichtung, der die Ausgangssignale des Differentialquotientengebers zugeführt werden, wird die Zeit zwischen Erscheinen der negativen und der darauffolgenden positiven Druckänderung gemessen. Der Abstand a des Leckortes LO vom Abzweigort AO läßt sich dann bei bekannter Schallgeschwindigkeit v in der Leitung aus dem gemessenen Zeitabstand t als a = 1/2 v. tberechnen.
In F i g. 2 ist der Zeitablauf des Leckortungsvorganges im Ort-Zeit-Diagramm wiedergegeben.
Die Abszisse gibt die Lage des Leckortes LO in der Abzweigleitung wieder. Links vom Leckort befindet sich im Abstand a der Abzweigort AO, rechts der Meßort MO und der Ort MM eines Durchsatzmengenmessers der z. B. am Ende der Abzweigleitung angebracht ist und nach dem MDT-Verfahren benutzt wird, um Betriebsvorgänge von Leckagen zu unterscheiden. Die Ordinate bildet die Zeitachse. Entsteht zum Zeitpunkt to am Leckort LO ein Leck, so pflanzen sich Stoßwellen mit Schallgeschwindigkeit nach beiden Richtungen in der Leitung fort. Diese Stoßwellen machen sich an einem Druckmeßgerät durch einen plötzlichen Druckabfall bemerkbar und sind im Diagramm als durchgezogene Linien dargestellt. Die nach rechts laufende Stoßwelle erreicht den Meßort MO nach einer Zeit t1 und läßt in der Auswerteeinrichtung einen Zeitmesser anlaufen.
Zum Zeitpunkt tr erreicht die nach links laufende StoR-welle den Abzweigort AO, wird dort bis auf einen geringen, im Diagramm nicht dargestellten, in die Hauptleitung eindringenden Anteil reflektiert und wandert nun als positive, mit einem plötzlichen Druckanstieg verbundene Stoßwelle nach rechts. Sie ist im Diagramm als strichpunktierte Linie dargestellt. Sie passiert den Leckort LO und erscheint am Meßort MO zum Zeitpunkt t2.
Sie wird dort als positive Stoßwelle erkannt Die seit dem Zeitpunkt t1 vergangene Zeit wird ermittelt und abgespeichert und steht zur Berechnung des Abstandes a zwischen Abzweigort und Leckort zur Verfügung.
Da zur Ermittlung des Leckortes die Schallgeschwindigkeit in der Leitung bekannt sein muß und sich diese abhängig von der Dichte des in der Leitung transportierten Stoffes verändern kann, kann es sinnvoll sein, die entstehenden Stoßwellen nicht nur am Meßort MO sondern auch an weiter entfernten, nicht dargestellten Meßorten zu registrieren. Aus der Laufzeit der Stoßwellen zwischen den Meßorten (deren Abstand voneinander bekannt ist) läßt sich dann ein aktueller Wert für die Schallgeschwindigkeit ermitteln.
Ist ein Leitungsabschnitt durch eine Unstetigkeitsstelle begrenzt, deren Wirkung einer Querschnittsverengung oder einem Leitungsabschluß gleichkommt, so kann die Leckortung auf nahezu die gleiche Weise erfolgen wie in einer Abzweigleitung. Es muß dann lediglich der Tatsache Rechnung getragen werden, daß die mit der reflektierten Stoßwelle verbundene Druckänderung in derselben Richtung erfolgt wie die der Primärstoßwelle, also, wenn die Primärstoßwelle durch ein Leck verursacht wurde, ebenfalls einen negativen Drucksprung darstellt.
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Claims

Patentansprüche: 1. Einrichtung zum schnellen Erkennen und Orten eines Lecks in einem an einem Ende durch eine Unstetigkeitsstelle begrenzten Abschnitt einer Rohrleitung durch Erfassung von bei der Entstehung des Lecks auftretenden und sich in der Rohrleitung nach beiden Seiten hin mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzenden sprunghaften Druckänderungen und Auswertung von deren über unterschiedlich lange Wegstrecken benötigten Laufzeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrleitungsabschnitt an seinem der Unstetigkeitsstelle (AO) gegenüberliegenden Ende (MO) eine Meßeinrichtung zur Erfassung von sprunghaften Druckänderungen aufweist, daß eine Zeitmeßeinrichtung vorhanden ist, die den Zeitabstand zwischen jeweils zwei, an der Druckmeßeinrichtung auftretenden sprunghaften Druckänderungen mißt und daß eine Auswerteeinrichtung den Ort (LO) eines Lecks aus diesem Zeitabstand und einem bekannten, in der Rohrleitung auftretenden Schallgeschwindigkeitswert ermittelt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßeinrichtung negative und positive sprunghafte Druckänderungen getrennt erfaßt und daß die Zeitmeßeinrichtung den Zeitabstand zwischen einer negativen und einer dar- -auffolgenden positiven Druckänderung mißt
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßeinrichtung negative sprunghafte Druckänderungen erfaßt und daß die Zeitmeßeinrichtung den Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden negativen Druckänderungen mißt
4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Einspeisestellen und Entnahmestellen der Rohrleitung zusätzlich Meßeinrichtungen (DM) zur Erfassung von Änderungen der Durchflußmenge angeordnet sind, deren Signale der Auswerteeinrichtung zugeführt und dort in bekannter Weise zur Erkennung von Lecks vortäuschenden Betriebsvorgängen verwendet werden.
5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere, von der ersten Druckmeßeinrichtung entfernt angebrachte Druckmeßeinrichtung vorgesehen ist, daß die Zeitmeßeinrichtung zusätzlich die Zeit zwischen dem Eintreffen einer sprunghaften Druckänderung an der ersten Druckmeßeinrichtung und dem Eintreffen einer sprunghaften Druckänderung an der zweiten Druckmeßeinrichtung mißt und daß die Auswerteschaltung aus der gemessenen Zeit und der bekannten Entfernung der beiden Druckmeßeinrichtungen voneinander die zur Leckortung benötigte Schallgeschwindigkeit in der Rohrleitung berechnet Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Einrichtungen werden seit einiger Zeit zur Lecküberwachung von Pipelines eingesetzt und arbeiten nach einem Verfahren, das z. B. in einem Aufsatz von H.Thielen in der Zeitschrift »Rohre - Röhrlei- tungsbau - Rohrleitungstransport« 11. Jahrgang 1972, Heft 3, Seiten 155 bis 166 ausführlich beschrieben ist.

Nach diesem Verfahren werden durch Lecks verursachte Druckstoßwellen an Meßorten zu beiden Seiten der Schadensstelle registriert und der Leckort aus dem Unterschied der Ankunftszeiten der Stoßwellen an den Meßorten und einem bekannten Wert für die Stoßwellengeschwindigkeit, der etwa der Schallgeschwindigkeit entspricht, errechnet Gemäß Abs. 2.2.2 (Seite 157) des o. g. Aufsatzes führen auch Betriebsvorgänge wie z. B.

der Ausfall von Pumpen zu Stoßwellen. Um diese von durch Lecks verursachten Stoßwellen zu unterscheiden, kann die Steilheit der Stoßwellen ausgewertet werden.

Diese ist erfahrungsgemäß bei von Lecks herrührenden Stoßwellen größer als bei Stoßwellen, die durch Schaltvorgänge verursacht werden. Indem nur solche Druckänderungen ausgewertet werden, deren Steilheit einen festgelegten Schwellenwert überschreitet, läßt sich der Einfluß betriebsbedingter Druckänderungen auf die Leckortung somit prinzipiell unterbinden. Es ist auch möglich, durch Betriebsvorgänge verursachte Druckstöße von leckbedingten Druckstößen mit Hilfe des sogenannten MDT-Verfahrens (Mengen-Druck-Tendenz) zu unterscheiden. Das MDT-Verfahren wertet zusätzlich die Änderungen des Mengendurchsatzes an den Leitungsenden aus und ist z. B. in der DE-PS 17 75 046 und der zugehörigen Zusatzpatentschrift DE-PS 20 05 761 beschrieben.

Alle bekannten Leckortungsverfahren können v=rsagen, wenn der zu überwachende Rohrleitungsabschnitt eine Unstetigkeitsstelle aufweist In einem Aufsatz von H. Thielen und W. Bürmann in der Zeitschrift »Rohre -Rohrleitungsbau - Rohrleitungstransport« 12. Jahrgang 1973, Seiten 85 bis 91 ist diese Problematik ausführlich dargelegt Demgemäß können an einer Unstetigkeitsstelle, z. B. dann, wenn diese für die einlaufende Stoßwelle eine Erweiterung des Rohrquerschnitts darstellt, Stoßwellen so stark geschwächt werden, daß sie von nachfolgenden Meßeinrichtungen nicht mehr sicher erkannt oder aufgrund ihrer unterhalb des o. g. Schwellenwertes, im Bereich betriebsbedingter Druckänderungen liegenden Steilheit als betriebsbedingt interpretiert werden. Die der Primärstoßwelle an der Unstetigkeitsstelle entzogene Energie wird als sekundäre Stoßwelle mit gleichem oder entgegengesetztem Druckgradienten entgegen der Laufrichtung der Primärwelle reflektiert und kann an weiter entfernten Meßorten zu Störungen der Leckortung führen.

Querschnittserweiterungen sind vor allem an Abzweigstellen für aus dem Abzweig kommende Stoßwellen gegeben. Infolge des'großen Querschnittunterschiedes zwischen Abzweigleitung und Hauptleitung wird hier der größte Teil der Stoßwelle reflektiert und nur ein geringer Restanteil dringt in die Hauptleitung ein.

Eine Ortung eines in der Abzweigleitung entstandenen Lecks unter Mitbenutzung von in der Hauptleitung befindlichen Meßeinrichtungen ist deshalb zumindest bei kleineren Lecks nicht mehr möglich.

Auch die Anordnung einer Meßeinrichtung in der Abzweigleitung, unmittelbar am Abzweigort ermöglicht keine sichere Leckortung, da sich die einlaufende und die mit entgegengesetztem Druckgradienten reflektierte Stoßwelle überlagern und in der Nähe des Abzweigortes in ihrer Wirkung weitgehend aufheben.