DE68904765T2

DE68904765T2 - Sensor zur aufspuerung und lokalisierung von fluessigkeitsundichtigkeiten.

Info

Publication number: DE68904765T2
Application number: DE1989604765
Authority: DE
Inventors: Albert Sahakian
Original assignee: WL Gore and Associates Inc
Current assignee: WL Gore and Associates Inc
Priority date: 1988-08-01
Filing date: 1989-08-01
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2009-08-02
Also published as: DE68904765D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Flüssigkeitsleck-Detektorkabel zum Erfassen und Lokalisieren auslaufender flüssiger chemischer Produkte, speziell Kohlenwasserstoffprodukte und/oder Wasser, insbesondere aus Pipelines und Speichertanks.

Hintergrund der Erfindung

Aus Speichern oder Pipelines austretende Kohlen-Wasserstoff- oder andere chemische Produkte rufen eine Kontamination des Grundwassers hervor. Umgekehrt kann in Speichertanks und Pipelines leckendes Wasser eine Verunreinigung bewirken. Es besteht das Bedürfnis, Lecks während der Speicherung und des Rohrleitungstransportes von flüssigen chemischen Produkten wie Ölen, Rohöl, raffinierten Petroleumprodukten, Benzin, Kerosin, organischen Lösungsmitteln oder dergleichen zu erfassen.
Außerdem ist eine Einrichtung zum Feststellen von Wasser wünschenswert, welches möglicherweise in eine elektrische Anlage eindringt.
Ein Erfassungsverfahren bestand darin, ein Paar Leiter entlang von Untergrund-Öl- oder Chemie-Pipelines laufen zu lassen, wobei eine Isolierung zwischen den Leitungsdrähten verwendet wurde, die das Eindringen von Chemikalien ermöglicht. Bei einem Ausfluß aus einem Rohr dringen die Chemikalien in die Isolierung ein, wodurch die elektrischen Eigenschaften zwischen den Leitern sich ändern. Unter Verwendung einer im Zeitbereich arbeitenden elektronischen Einrichtung für die impulsreflektierende Reflektometrie (TDR) wird ein elektrischer Impuls in den Leiter eingespeist, und die reflektierte Welle des Impulses wird beobachtet. Jegliche Änderungen der charakteristischen Impedanz des Kabels aufgrund einer Änderung der Dielektrizitätskonstanten der Isolierung wird aufgezeichnet, und die Stelle wird bestimmt.
In der Patentschrift US-A-3 981 181 ist ein Leckdetektorkabel vom Koaxialtyp offenbart, welches aus einem mit einem porösen Isolierstoff gegebener Dicke isolierten Innenleiter, einem Außenleiter aus umkleideten oder verflochtenen Drähten um den Innenleiter herum und, bei Bedarf, einer porösen Außenabdeckung und/oder Schutzmantel außerhalb des Außenleiters besteht. Wenn ein Leck auftritt, durchdringt die austretende Flüssigkeit die feinen Poren des porösen Isoliermaterials, welches die zwei Leiter voneinander trennt, und ändert die charakteristische Impedanz dieses Kabels in einem erfaßbaren Ausmaß.
Aus der Patentschrift DE-A1-3 441 924 ist ein ähnliches Leckdetektorkabel bekannt, welches einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter aufweist, die im wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind.
Der erste Leiter ist ein Kernleiter, und der zweite Leiter ist für die festzustellende Flüssigkeit, beispielsweise Öl, durchlässig. Das bekannte Kabel enthält weiterhin eine dem ersten Leiter benachbarte Isolierschicht, wobei die Isolierschicht Öl durchläßt, jedoch wasserundurchlässig ist, und eine dem zweiten Leiter benachbarte Schutzschicht, wobei die Schutzschicht ebenfalls Öl durchläßt, jedoch Wasser abhält.
Bei diesem bekannten Kabelaufbau gelangt also lediglich Öl durch die dem ersten Leiter benachbarte Isolierschicht, da Wasser an der Schutzschicht gestoppt wird. Damit ändert lediglich Öl die dielektrischen Eigenschaften der Isolierschicht bei diesem bekannten Leckdetektorkabel.
Es besteht der Bedarf an Vorrichtungen, die nicht nur Mehrfachlecks von Kohlenwasserstoffprodukten und anderen chemischen Produkten erfassen und lokalisieren können, sondern darüber hinaus auch Wasserlecks genau und durchgehend über weite Strecken erfassen können. Es besteht ein Bedarf an der Erfassung und Lokalisierung solcher Kohlenwasserstoffe und Chemikalien und/oder Wasser in einem Kabelaufbau, ohne daß die Schaltung kurzgeschlossen wird, damit die Erfassung und Lokalisierung von Mehrfachlecks ermöglicht ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Sensorkabel zum Erfassen von Flüssigkeitslecks:
einen ersten und einen zweiten Leiter, die im wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, wobei der erste Leiter ein Kernleiter ist, der zweite Leiter einen Aufbau besitzt, der porös genug ist, um den Durchtritt von flüssigen Chemikalien und Wasser zu ermöglichen,
eine neben dem ersten Leiter befindliche erste Isolierschicht, die porös genug ist, um den Durchtritt von flüssigen Chemikalien zu ermöglichen, und hydrophob ist, so daß sie für flüssiges Wasser undurchdringlich ist, eine zwischen der ersten Isolierschicht und dem zweiten Leiter angeordnete zweite Isolierschicht, die wasserdurchlässig ist, und eine Schutzisolierabdeckung, die porös genug ist, um den Durchtritt von Wasser und von flüssigen Chemikalien zu ermöglichen, wobei die Abdeckung den Außenabschnitt des Kabels umfaßt, wobei jede aufeinanderfolgende äußere Schicht die vorausgehende innere Schicht umgibt.
Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung enthält das Sensorkabel außerdem eine dritte Isolierschicht, die direkt den Kernleiter umgibt und porös genug ist, um den Durchtritt von flüssigen Chemikalien zu ermöglichen, und einen dritten elektrischen Leiter mit einem fluiddurchlässigen Aufbau, der den Durchtritt von flüssigen Chemikalien ermöglicht, wobei der dritte Leiter zwischen der dritten Isolierschicht und der ersten Isolierschicht angeordnet ist.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 8 angegeben.
Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung arbeiten aufgrund der Erfassung einer Änderung der charakteristischen Impedanz eines Schaltkreises, hervorgerufen durch eine Änderung im Dielektrikum des Isoliermaterials zwischen Schaltkreisleitern. Bei einer Ausführungsform verwendet die Kabelanordnung einen Schaltkreis und wird zum Erfassen von Lecks von Wasser und Wasserlösungen verwendet.
Bei dieser Ausführungsform, die lediglich Wasser und Wasserlösungen feststellt, beispielsweise wässrige saure oder alkalische Lösungen, sind lediglich zwei Leiter vorhanden. Einer ist der Kern- oder Primärleiter. Bei dem anderen handelt es sich um einen fluiddurchlässigen Leiteraufbau. Die zwei sind voneinander durch die erste Isolierschicht getrennt, die nicht-porös für flüssiges Wasser ist, jedoch für flüssige chemische Produkte durchlässig ist. Vorzugsweise handelt es sich um eine hydrophobe mikroporöse Isolierung. Als nächstes schließt an die hydrophobe Isolierung die zweite Isolierschicht an, die für flüssiges Wasser porös ist. All die Schichten werden von einer abschließenden Isolierschicht aus einer Schutzisolierabdeckung umgeben.
Bei der zweiten Ausführungsform werden zwei Schaltkreise verwendet, einer zum Feststellen von nichtleitenden flüssigen Chemikalien, einer zum Feststellen von Wasser oder Wasserlösungen. Die Schaltkreise sind derart ausgestaltet, daß eine Berührung und ein Fühlen von Lecks nicht den fortgesetzten Betrieb des Schaltkreises, oder, im Falle der Ausführungsform mit zwei Schaltkreisen, den Betrieb beider Schaltkreise beeinflußt.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung umfaßt den ersten, den zweiten und zusätzlich einen dritten elektrischen Leiter, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Als erstes wird der Kern- oder Primärleiter von dem dritten, fluiddurchlässigen Leiteraufbau, bei dem es sich vorzugsweise um einen geflochtenen Leiter handelt, durch eine dritte poröse Isolierschicht getrennt, die für nicht-leitende Chemikalien wie Kohlenwasserstoffe oder organische Lösungsmittel porös ist. Der den ersten und den dritten Leiter umfassende Satz enthält eine Schaltung des Kabelaufbaus gemäß der Erfindung. Der dritte Leiter ist von dem zweiten, fluiddurchlässigen Leiteraufbau durch die erste Isolierschicht und die nachfolgende zweite Isolierschicht getrennt.
Die erste Isolierschicht ist für Chemikalien, insbesondere Kohlenwasserstoffprodukte, porös, ist jedoch nicht porös für flüssige Produkte auf Wasserbasis. Diese Isolierschicht ist vorzugsweise ein hydrophobes mikroporöses Material. Die zweite Isolierschicht gestattet sowohl Wasser als auch Chemikalien das Durchdringen. Der zweite Leiter ist ein fluiddurchlässiger Leiteraufbau. Das abschließende Isoliermaterial bedeckt sämtliche anderen Schichten.
Im Betrieb bewirkt das Eindringen von flüssigen chemischen Produkten, insbesondere Kohlenwasserstoffprodukten, durch sämtliche Schichten zu dem ersten oder Primärleiter, daß die Dielektrizitätskonstante der dritten porösen Isolierung sich ändert und damit eine Änderung der charakteristischen Impedanz des ersten Schaltkreises hervorruft, ohne dabei abträglich den Betrieb des zweiten Schaltkreises zu beeinflussen. In ähnlicher Weise verursacht in das poröse Material, welches die weitere, zweite Isolierung bildet, eindringendes Wasser, daß die Dielektrizitätskonstante der Isolierung zwischen dem zweiten und dem dritten Leiter sich ändert. Als Ergebnis ermöglicht eine Änderung der charakteristischen Impedanz die Feststellung und die Lokalisierung von Lecks.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung macht Gebrauch von der Impulsreflexion bei der im Zeitbereich erfolgenden Reflektometrie (TDR), um Lecks chemischer Produkte, speziell von Kohlenwasserstoffprodukten, oder Wasser festzustellen. Änderungen in der charakteristischen Impedanz des Kabels aufgrund von Änderungen in der Dielektrizitätskonstanten der Isolierung zwischen zwei Leitern in der Schaltung werden dazu herangezogen, die Lecks zu entdecken und zu lokalisieren. Bezugnehmend auf die Zeichnungen ist Fig. 1 eine perspektivische, teilweise im Querschnitt dargestellte Ansicht, die eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt. Fig. 2 stellt eine zweite Ausführungsform der Erfindung dar.
Bezugnehmend auf Fig. 1, die eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt, ist ein erster Primär-Kernleiter 1 umgeben von einer hydrophoben, mikroporösen ersten Isolierung 4. Eine zweite Isolierung 5 umgibt die erste Isolierung 4, ein fluiddurchlässiger zweiter Leiteraufbau 6 umgibt die zweite Isolierung 5, und eine Schutzisolierung 7 umgibt den zweiten Leiteraufbau. Die Elemente 1, 4, 5, 6 und 7 bestehen aus den gleichen Materialien wie die Elemente 1, 4, 5, 6 und 7 nach Fig. 2. Dieser Aufbau wird gemeinsam verwendet zum Feststellen und Lokalisieren von Flüssigkeits- und Wasserlösungs-Lecks.
In Fig. 2 ist der erste Kern- oder Primärleiter 1, bei dem es sich um einen massiven Kupferdraht oder einen galvanisierten oder einen Litzendraht handeln kann, von einem dritten, porösen Isolator 2 eingeschlossen. Mit "porös" ist hiermit gemeint, daß ein Isolator porös ist für flüssige chemische Produkte, beispielsweise organische Lösungsmittel, Öle und Petroleumprodukte. Damit kann die dritte Isolierung 2 eine Schicht aus Polyolefin, beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, sein, oder es kann sich um poröses Polytetrafluorethylen handeln. Vorzugsweise besteht die dritte Isolierung 2 aus expandiertem mikroporösem Polytetrafluorethylen (EPTFE). Dieses Material ist in dem US-Patent 3 953 566 beschrieben. Dieses Material ist deshalb bevorzugt, weil sich seine Porosität während der Herstellung durch Variieren der Anzahl von Hohlräumen steuern läßt und so Stoffe veränderlicher Porosität verfügbar macht, die nach Wunsch für einen speziellen Endgebrauch verwendbar sind. Die dritte Isolierung 2 kann auf den ersten Leiter 1 durch irgendwelche üblichen Mittel aufgebracht werden. Beispielsweise kann sie in Form eines Bandes um den ersten Leiter 1 herumgewickelt werden, oder sie kann auf den Draht des ersten Leiters 1 aufextrudiert werden. Im Fall der bevorzugten Isolierung EPTFE kann sie als poröses gesintertes Band oder in Form einer Paste aufgebracht werden, indem PTFE-Harz auf den Draht aufextrudiert und dann expandiert und gesintert wird, um die erforderliche Porosität und mechanische Festigkeit zu erreichen.
Der dritte Leiter 3 des Kabels gemäß der Erfindung ist fluiddurchlässig und ermöglichst somit den Durchtritt flüssiger Chemikalien, speziell Kohlenwasserstoffe. Vorzugsweise besteht er aus einem geflochtenen, leitenden Metallaufbau. Der Aufbau kann aus geflochtenen Kupferdrahtbündeln, geflochtenen Kupf erdrahtbündeln und einem porösen Material wie das oben beschriebene EPTFE, oder aus einer leitenden Metallschicht, die zur Schaffung der Porosität perforiert ist, bestehen. Vorzugsweise besteht der Aufbau aus geflochtenen Kupferdrahtbündeln und Litzen aus EPTFE. Der erste Leiter 1 und der dritte Leiter 3 bilden den ersten Schaltkreis dieses Kabelaufbaus nach der Erfindung.
Den dritten Leiter 3 umgibt eine erste Isolierschicht 4. Diese erste Isolierschicht ist porös für Chemikalien, wie oben beschrieben wurde, und sie ist auch hydrophob, d.h. sie ermöglicht keinen Durchtritt von flüssigem Wasser. Diese erste Isolierschicht 4 muß daher in ihrer Porosität selektiv sein. Solche Stof fe können mikroporöse Polyolef ine wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylin sein. Vorzugsweise jedoch ist die Schicht das gleiche EPTFE, wie es für die dritte Isolierschicht 2 beschrieben wurde.
Auf die erste Schicht 4 ist eine zweite Isolierschicht 5 aufgebracht. Ihr Zweck ist es, porös zu sein, um Chemikalien bis zu dem ersten Leiter 1 durchzulassen, jedoch ist die zweite Isolierschicht 5 nicht hydrophob. Diese Schicht 5 läßt flüssiges Wasser durch, um eine Änderung der Dielektrizitätskonstanten zwischen dem dritten Leiter 3 und dem zweiten Leiter 6 zu erhalten. Die zweite Isolierung 5 kann irgendein poröses, für flüssiges Wasser durchlässiges Material sein, wie z.B. Polyester oder ein Polytetrafluorethylen-Geflecht oder ein geflochtenes Material. Vorzugsweise handelt es sich um einen Polyestergeflecht-Aufbau.
Der zweite Leiter 6 bildet zusammen mit dem dritten Leiter 3 den zweiten Schaltkreis dieses Kabelaufbaus nach der Erfindung. Er kann aus irgendeinem der für den dritten Leiter 3 beschriebenen Stoffe sein, vorzugsweise ist er jedoch aus dem gleichen Material wie der dritte Leiter 3.
Schließlich ist eine Schutz-Überzugsschicht aus Isoliermaterial 7 vorgesehen. Es handelt sich um poröses Material, d.h. porös für Chemikalien, insbesondere Kohlenwasserstoffe und Wasser, wie z.B. um Polyethylen oder Polyester, und das Material kann gewebt sein, ist jedoch vorzugsweise geflochten oder vernetzt, um die Porosität und Wasserdurchlässigkeit zu unterstützen.
Wie oben erläutert wurde, können Kohlenwasserstoffprodukte oder andere chemische Flüssigkeiten durch sämtliche Schichten des Kabels hindurchdringen und den dritten Isolator 2 durchsetzen. Dies führt zu einer Änderung der Dielektrizitätskonstanten des dritten Isolators 2 und einer dazu in Beziehung stehenden Änderung der charakteristischen Impedanz des ersten Schaltkreises. Andererseits dringt Wasser in die äußeren Schichten 7, 6 und 5 des Kabels und beendet den Durchdringungsvorgang, wenn es die hydrophobe erste Isolierschicht 4 erreicht. Als Ergebnis ändert sich die Dielektrizitätskonstante des Bereiches zwischen den Leitern 3 und 6, was die elektronische Erfassung und Lokalisierung eines Wasserlecks ermöglicht. Dies geschieht ohne das Kurzschließen des Schaltkreises zwischen den Leitern 3 und 6 und ermöglichst es dem System, Mehrfachlecks über die Länge des Kabels hinweg zu erfassen und zu lokalisieren.
Die Merkmale der erfindungsgemäßen Kabel sind deshalb besonders, weil sie ein und demselben Kabel ermöglichen, mehrere chemische und/oder Wasser- Lecks durch gleichzeitige Schaltkreise innerhalb desselben Kabels zu erfassen und zu lokalisieren. Im Einsatz ist die Erfassung möglich durch Verlegen des Kabels nach der Erf indung entweder entlang einer Untergrund-Pipeline oder einem Untergrund- Speichertank, einer Pipeline oder eines Speichertanks oberhalb des Erdbodens, oder in dem Zwischenraum von doppelwandigen Rohren oder Tanks. Wasserdampf, üblicherweise in der Form von Feuchtigkeit, wird durch die Kabelverschaltung nicht festgestellt, weil die Dielektrizitätskonstante von Gasen zu gering ist (typischerweise kleiner als 1,03 Er), und, falls vorhanden, keinen meßbaren Effekt auf das Detektorkabel hat. Nach dem Gebrauch kann das Kabel in den meisten Fällen gereinigt, gespeichert und bei Bedarf erneut verwendet werden.
Typische nicht-leitende chemische Produkte, die von den erfindungsgemäßen Vorrichtungen gefühlt werden können, umfassen nicht-leitende Lösungsmittel wie Ketone, aromatische organische Verbindungen, Alkohole, chlorierte Kohlenwasserstoffe, Turpentin und dergleichen; pflanzliche Öle wie Ölivenöl, Sojaöl, Leinsamenöl und dergleichen; und nicht-leitende Kohlenwasserstoffprodukte wie Rohöle, Benzin, Kerosin, Dieselkraftstoffe und dergleichen. Typische Wasserlösungen und Gemische beinhalten Salzlösungen, Säurelösungen und alkalische Lösungen.
In einer Ausführungsform der Erfindung war der erste Leiter 1 ein mit Nickel plattierter Kupferdraht AWG 16 (19/29). Die dritte Isolierung 2 bestand aus dem weiter oben beschriebenen EPTFE. Der Aufbau hatte einen Durchmesser von etwa 0,135 Zoll.
Der dritte Leiter 3 war eine geflochtene Kombination aus Litzen eines Geflechts aus mit Nickel plattiertem Kupferdraht AWG 38 (50 % Nenn-Abdeckung).
Die erste Isolierung 4 war das unmittelbar zuvor beschriebene EPTFE.
Die Isolierung 5 war ein geflochtener Polyesterfaden.
Der zweite Leiter 6 war der gleiche wie der dritte Leiter 3.
Die Schutzisolierung 7 besteht aus dem gleichen Stoff wie die zweite Isolierung 5.
Im Betrieb macht ein Leck von Chemikalien oder Wasser in das erfindungsgemäße Kabel hinein das System nicht unbrauchbar, d.h. es schließt das System nicht kurz, da sowohl das Erfassen von Wasser als auch von Öl auf der Basis der Dielektrizitätsänderungen der Isolierung zwischen Verbindern erfolgen, so daß ein Erfassen weiterer Lecks in anderen Bereichen entlang dem Kabel nicht verhindert wird.
In der Zeichnung ist GORE-TEX ein eingetragenes Warenzeichen von W.L. Gore & Associates, Inc..

Claims

1. Sensorkabel zum Feststellen von Flüssigkeitsundichtigkeiten, umfassend:

einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter (1; 6), die jeweils in einer etwa koaxialen Beziehung zueinander stehen, wobei der erste Leiter (1) ein Kernleiter ist, der zweite Leiter (6) einen Aufbau besitzt, der ausreichend porös ist, um flüssige Chemikalien und Wasser hindurchlassen zu können,

eine erste Isolierschicht (4) benachbart dem ersten Leiter (1), wobei die Isolierung porös genug ist, um flüssige Chemikalien hindurchzulassen und die Isolierung hydrophob und damit für flüssiges Wasser undurchdringlich ist,

eine zweite Isolierschicht (5), die sich zwischen der ersten Isolierschicht (4) und dem zweiten Leiter (6) befindet und wasserdurchlässig ist,

eine Schutz-Isolierabdeckung (7), die porös genug ist, um Wasser und flüssige Chemikalien durchzulassen, wobei die Abdeckung (7) den äußeren Abschnitt des Kabels bildet, wobei jede aufeinanderfolgende äußere Schicht die vorausgehende innere Schicht umgibt.

2. Sensorkabel nach Anspruch 1, außerdem umfassend eine dritte Isolierschicht (2), die den Kernleiter (1) direkt umgibt und porös genug ist, um flüssige Chemikalien durchzulassen, und weiterhin umfassend einen dritten elektrischen Leiter (3) mit fluiddurchlässigem Aufbau, der den Durchgang flüssiger Chemikalien gestattet, wobei der dritte Leiter (3) zwischen der dritten Isolierschicht (2) und der ersten Isolierschicht (4) angeordnet ist.

3. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Leiter (1) leitendes Metall und der zweite und der dritte Leiter (3; 6) ein elektrisch leitende Metalldrähte enthaltendes Geflecht aufweisen.

4. Kabel nach Anspruch 3, bei dem das Geflecht aus elektrisch leitenden Metalldrähten besteht, die mit Litzen aus porösem plastischen Material innerhalb des Drahtgeflechts verflochten sind.

5. Kabel nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die erste und die dritte Isolierschicht aus einem mikroporösen Kunststoffpolymer bestehen.

6. Kabel nach Anspruch 5, bei dem das mikroporöse Kunststoffpolymer expandiertes Polytetrafluoräthylen ist.

7. Kabel nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zweite Isolierschicht (5) und die Schutz-Isolierabdeckung (7) ein thermoplastisches Material aufweisen.

8. Kabel nach Anspruch 6, bei dem das thermoplastische Material ein Polyesternetz ist.