DK167781B1 - Fremgangsmaade og apparat til maaling af en fluidumstroem - Google Patents

Description

DK 167781 B1

Opfindelsen vedrører en fremgangsmåde og et apparat til måling af en fluidumstrøm i en kanal og især, men ikke udelukkende til måling af en væskestrøm i en undersøisk rørledning.

5 Det er kendt at måle mængdestrømmen af et flui dum i en strømningskanal ved at injicere et radioaktiv sporstof eller et prøvefluidum. I US patentskrift nr. 2.841.713 er der fx beskrevet en fremgangsmåde, hvor et sporstof med henblik på at frembringe 10 radioaktive nuklider bringes til at strømme forbi en neutronkilde og derefter ind i en rørledning. Denne strømning af sporstoffet er kontinuerlig, og den tælletakt, som den frembringer i en enkelt detektor eller forholdet mellem tælletakterne, der frembringes i 15 to indbyrdes adskilte detektorer, udnyttes til at fastlægge mængdestrømmen. Spornukliderne skal have tilstrækkelig kort halveringstid til at være henfaldet tilstrækkeligt, før de når frem til detektoren eller til mellemrummet mellem de to detektorer. Det foreslåe-20 de sporstof indeholder sølvioner, som så aktiveres til sølv-110, og sporstoffet bestråles fortrinsvis i mindre end to sekunder for at nedsætte dannelsen af sølv-108. Yderligere beskriver US patentskrift nr. 2.968.721 en fremgangsmåde, hvor en lille mængde af et 25 sporfluidum med visse tidsintervaller injiceres i et rør, der fører et fluidum. I en udførelsesform af fremgangsmåden bestemmes mængdestrømmen ud fra den tid, som forløber mellem injiceringen og en påfølgende detektering af strålingen ved hjælp af en nedstrømplaceret de-30 tektor. Sporfluidet indeholder barium-137, som udløses fra en ionvekslerkolonne med indhold af caesium-137 før indføringen af sporfluidet. Disse fremgangsmåder fordrer hhv. en væskeforsyning for at afgive spor fluidet, en væske, som kan aktiveres, eller en elueret væske.

35 Den pågældende væske vil imidlertid gradvis blive opbrugt i drift og skal til sidst erstattes. Dette er 2 UK lb//b1 bl imidlertid meget besværligt og omkostningskrævende i tilfælde, hvor strømningskanalen befinder sig på et fjerntliggende sted eller i et barskt miljø.

Det er derfor hensigten med opfindelsen at til-5 vejebringe en fremgangsmåde og et apparat til at overvinde disse ulemper.

Ifølge opfindelsen tilvejebringes en fremgangsmåde til måling af en fluidumstrøm i en kanal, ved hvilken fremgangsmåde et prøvefluidum opbevares i en 10 beholder nær ved kanalen, og en prøveportion af prøvefluidet, som indeholder radioaktive atomer, injiceres med bestemte tidsintervaller i kanalen, medens strålingen fra de radioaktive atomer detekteres på et sted i afstand langs kanalen fra det sted, hvor prøveportionen 15 blev indført, hvorefter fluidumstrømmen bestemmes ud fra den tid, der forløber mellem injektionen af prøvefluidet og detekteringen af strålingen, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved, at der som prøvefluidum indtages havvand fra omgivelserne nær ved strømningska-20 nalen, og at prøvefluidet i beholderen bestråles af neutroner for derved at frembringe atomer af et radioaktivt nuklid i prøvefluidet, hvor nævnte bestråling udføres over en tid, der er længere end det radioaktive nuklids halveringstid, før prøvefluidet injiceres i 25 kanalen.

Opfindelsen vedrører også et apparat til måling af en fluidumstrøm i en kanal, hvilket apparat omfatter en beholder til opbevaring af et prøvefluidum nær kanalen, udstyr til at indføre en prøveportion af prøve-30 fluidet, som indeholder radioaktive atomer, i kanalen med bestemte tidsintervaller, detektorudstyr indrettet til at detektere udstråling fra de radioaktive atomer og placeret i afstand langs kanalen fra injiceringsud-styret, samt måleudstyr til at bestemme fluidumstrømmen 35 ud fra den tid, der forløber mellem injiceringen af prøvefluidet og detekteringen af strålingen, hvilket DK 167781 B1 3 apparat er ejendommelig ved, at det omfatter udstyr til at indtage prøvefluidum i form af søvand fra omgivelserne nær kanalen, en neutronkilde indrettet til at bestråle prøvefluidet i beholderen, for derved at frem-5 bringe atomer af et radioaktivt nuklid i prøvefluidet, før det føres ind i kanalen, og hvor beholderen er. således dimensioneret i forhold til injiceringstakten for prøvefluidet, at hver prøveportion af fluidet bliver bestrålet i en tid, som er længere end halveringstiden 10 for det radioaktive nuklid.

Prøvefluidet fås fortrinsvis fra omgivelserne nær ved kanalen. En fordel, der stammer fra anvendelsen af et prøvefluidum, der fås fra kanalens omgivelser, er, at apparatet kan virke i et langt tidsrum uden be-15 hov for service, idet driftsperioden ikke er begrænset af beholderens opbevaringskapacitet. Apparatet er derfor velegnet til anvendelse på fjernt beliggende eller ugæstmilde steder, såsom på havbunden.

Opfindelsen er særlig egnet til at måle strøm-20 ningen i undersøiske rørledninger, der f.eks. transporterer olie fra en oliebrønd. I et sådant tilfælde kan prøvefluidumet fås fra havet, og fluidumet kan være havvand. Havvand indeholder typisk natriumioner i en koncentration på omkring 10 g/1. Som følge af neutron-25 bestrålingen skabes der natrium-24-nuklider. Disse henfalder under udsendelse af beta- og gammastråling og har en halveringstid på 14,8 h.

Opfindelsen vil nu blive beskrevet nærmere ved hjælp af en udførelsesform og med henvisning til teg-30 ningen, der skematisk og delvis i snit viser et strømmåleapparat 10 indrettet til at måle strømmen i en råolierørledning 12, der ligger på havbunden 14. Apparatet 10 er fuldstændig omgivet af og neddykket i havvand.

35 Apparatet 10 omfatter et bestrålingskammer 16 af cylindrisk form og udført af stål belagt med en an-

UIV I O/ /O I D I

4 tikorrosionsplastbelægning, og kammeret har foroven et lille ventilationshul 18. Kammeret 16 huser et kobberrør 20, der er viklet i skruelinie i flere lag; det afsnit af røret 20, der danner det inderste lag, har 5 en mindre diameter end den øvrige del af røret 20. Et endeparti 22 af røret 20 strækker sig ud af kammeret 161 s bund fra det inderste lag af vindinger og er forbundet med det indre af rørledningen 12 via en højtryksinjektionspumpe 24 med konstant fortræng- 10 ningsvolumen. Røret 20's andet endeparti 26 springer frem fra kammeret 16 og er tilspidset mod en mindre diameter ved enden 28, der er åben. Da appara-tet 10 er neddykket i havvand, fylder havvandet kammeret 16 og hele længden af røret 20; volumenet af 15 havvand i røret 20 er omkring 50 1. Ved midten af bestrålingskammeret 16 er der en neutronkilde 30 omfattende 100yg californium-252, der yder 2,3 x 10® neutroner/s. Disse dæmpes ved hjælp af havvandet, således at havvandet i røret 20 udsættes for en bestrå-20 ling af termiske neutroner. Ved en afstand på 40 mm fra kilden 30 er fluxen omkring 106 termiske neutroner pr. cm2/s.

Pumpen 24 er forbundet ved hjælp af et strømforsyningskabel 32 til en mikroprocessorenhed 34.

25 Enheden 34 er forbundet med et kabel 36 til en na-triumiodid-scintillator 38, monteret på rørledningen 12's væg i en sådan afstand nedstrøms for det punkt, hvor injektionspumpen 24 er forbundet til rørledningen 12, at olien/vandet i rørledningen 12 bruger 30 omkring 10 s for at tilbagelægge denne afstand. Selve scintillatoren 38 har en sådan længde, at olien/vandet i rørledningen 12 strømmer forbi den i løbet af omkring 1/10 s. Enheden 34 er også forbundet ved hjælp af et strømforsynings- og datatransmissionskabel 35 40 til en ikke-vist kraftkilde, som kan ligge i længere afstand fra apparatet 10.

DK 167781 B1 5

Under driften af apparatet 10 bestråles havvandet, der fylder røret 20, konstant med termiske neutroner fra kilden 30, således at der frembringes natrium-24-nuklider af det natrium, der naturligt er 5 til stede i havvandet. En gang hver 15. minut startes pumpen 24, så den injicerer 50 ml af dette bestrålede havvand i rørledningen 12. Efter omkring 10 s vil denne injicerede portion af havvand passere scintillatoren 38, der detekterer gammastrålingen, der udsendes som 10 følge af henfaldet af natrium-24-nukliderne. Ud fra tidsrummet mellem starten af pumpen 24 og detektionen af gammastrålerne ved hjælp af scintillatoren 38 beregnes strømhastigheden af rørledningen 12's indhold ved hjælp af mikroprocessoren 34, og disse data trans-15 mitteres gennem kablet 40.

Da røret 20's ende 28 er åben, vil røret 20 hele tiden forblive fyldt med havvand, og havvandet strømmer langsomt gennem røret 20 (med en hastighed, der svarer til 50 ml/15 min.), og det er lidt over ti 20 dage om at strømme igennem hele røret 20. Den lange spiralvikling og det snævre endeparti 26 formindsker diffusionen af bestrålet havvand tilbage ud gennem den åbne ende 28.

Antages det for enkelthedens skyld, at neutron-25 fluxen er ensartet over hele røret 20's længde, og betragtes et lille volumen af havvand i røret 20, hvilket volumen til tiden t indeholder Ns stabile atomer og NR radioaktive atomer (hvis sum er NT), fås 30 dNR = FNg dt - c Nr dt hvor F er en konstant, der afhænger af neutronfluxen og tværsnittet til frembringelse af de radioaktive kerner, og hvor c er henfaldskonstanten for de radioak-35 tive kerner. Heraf findes, efter at havvandet er blevet bestrålet i en tid tr

Ulv ΙΟ/ /O I Dl 6

Nr = (F Nip/c) (1 - e"ctr) hvor Nr er antallet af tilstedeværende radioaktive atomer. (Det antages her, at kun en lille andel af de 5 tilstedeværende atomer bliver radioaktive).

Dette lille volumen af havvand injiceres derefter i rørledningen 12 og passerer gennem rørledningen 12 forbi scintillatoren 38. Hvis den tid, det tager, transittiden, for volumenet af havvand at nå scintilla-10 toren 38, er tt, og den tid, i løbet af hvilken der tælles gammastråler fra det bestrålede havvand, er tc, så vil antallet af detekterede gammastråler være n = (KFNT/c)(l - e“ctc) e_ctt (1 - e_ctr) 15 hvor K er en konstant. Da tælletiden i praksis vil være meget kortere end transittiden og bestrålingstiden og vil være meget mindre end de radioaktive kerners halveringstid (hvilket følger af, at ctc er meget min-20 dre end én), kan dette skrives som n = KFNTtc g-ct-t- (p _ g-ctj.^

Det er klart, at antallet af detekterede gamma-25 stråler generelt afhænger af henfaldskonstanten c. For enhver given værdi af bestrålingstiden og transittiden er der en optimal værdi for c, som giver det største antal af detekterede gammastråler. Dette svarer til en optimal halveringstid T, der ligger mellem værdierne 30 for transittiden og bestrålingstiden, og som bestemmes af T = tr log 2/log((tr + tt)/tt) 35 I apparatet 10 bestråles portionen af havvand, eksempelvis i ti dage før injektionen, og transittiden DK 167781 B1 7 er omkring 10 s. For disse værdier er den optimale halveringstid for de radioaktive kerner T = 52.700 s = 14,6 h 5

Dette er tæt ved halveringstiden for natrium-24, der er 14,8 h.

Så længe bestrålingstiden svarer til flere halveringstider, vil der imidlertid opnås ligevægtskoncen-10 tration af de radioaktive nuklider; og så længe transittiden er en lille brøkdel af halveringstiden, vil aktiviteten ikke aftage signifikant under transitten. Værdierne for bestrålingstid, halveringstid og transittid er derfor ikke kritiske. Under sådanne omstændighe-15 der påvirker henfaldskonstanten c ikke antallet af detekterede gammastråler, der bestemmes af n = KFNTtc 20 og de faktorer, som bestemmer antallet af detekterede gammastråler er således parameteren F, der vedrører den neutronf lux, prøvefluidumet udsættes for, samt tværsnittet for aktiveringsreaktionen, og NT, der vedrører koncentrationen i prøvefluidumet af nuklider, som 25 kan gennemgå aktiveringsreaktionen, samt volumenet af den injicerede portion. I nærværende tilfælde er tværsnittet af natrium 0,54 barn, og som omtalt tidligere er koncentrationen af natriumioner typisk 10 g/1.

Hvis der også frembringes andre gammaudsendende 30 nuklider (f.eks. en chlorisotop), vil dette forøge antallet af detekterede gammastråler. Det forstås, at såvel dimensionerne af røret 20 som volumenet af den injicerede portion kan afvige fra de beskrevne størrelser. Det injicerede volumen vælges, så det sikres, at 35 passagen af den injicerede portion kan detekteres pålideligt ved hjælp af scintillatoren 38, dvs. at der

Claims (5)

15 PATENTKRAV

1. Fremgangsmåde til måling af en fluidumstrøm i en kanal (12), ved hvilken fremgangsmåde et prøvefluidum opbevares i en beholder (16) nær ved kanalen, og en prøveportion af prøvefluidet, som indeholder radioakti- 20 ve atomer, injiceres med bestemte tidsintervaller i kanalen (12), medens strålingen fra de radioaktive atomer detekteres på et sted (38) i afstand langs kanalen fra det sted (24), hvor prøveportionen blev indført, hvorefter fluidumstrømmen bestemmes ud fra den tid, der 25 forløber mellem injektionen af prøvefluidet og detekteringen af strålingen, kendetegnet ved, at der som prøvefluidum indtages havvand fra omgivelserne nær ved strømningskanalen (12), og at prøvefluidet i beholderen bestråles af neutroner for derved at frem-30 bringe atomer af et radioaktivt nuklid i prøvefluidet, hvor nævnte bestråling udføres over en tid, der er længere end det radioaktive nuklids halveringstid, før prøvefluidet injiceres i kanalen.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kende-35 t e g n e t ved, at det sted (38), hvor detekteringen foretages, vælges således, at afstanden fra det sted DK 167781 B1 9 (24), hvor prøvefluidet injiceres, svarer til en tid, der er meget mindre end halveringstiden for det radioaktive nuklid.

3. Apparat (10) til måling af en fluidumstrøm i 5 en kanal (12), hvilket apparat omfatter en beholder (16) til opbevaring af et prøvefluidum nær kanalen (12), udstyr (24) til at indføre en prøveportion af prøvefluidet, som indeholder radioaktive atomer, i kanalen med bestemte tidsintervaller, detektorudstyr (38) 10 indrettet til at detektere udstråling fra de radioaktive atomer og placeret i afstand langs kanalen fra inji-ceringsudstyret (24), samt måleudstyr (30) til at bestemme fluidumstrømmen ud fra den tid, der forløber mellem injiceringen af prøvefluidet og detekteringen af 15 strålingen, kendetegnet ved, at det omfatter udstyr (28) til at indtage prøvefluidum i form af havvand fra omgivelserne nær kanalen (12), en neutronkilde (30) indrettet til at bestråle prøvefluidet i beholderen (16), for derved at frembringe atomer af et radio-20 aktivt nuklid i prøvefluidet, før det føres ind i kanalen, og hvor beholderen er således dimensioneret i forhold til injiceringstakten for prøvefluidet, at hver prøveportion af fluidet bliver bestrålet i en tid, som er længere end halveringstiden for det radioaktive nu-25 klid.

4. Apparat ifølge krav 3, kendetegnet ved, at beholderen (16) omslutter et rør (20), som ved sin ene ende (22) står i forbindelse med injiceringsud-styret (24) og med sin anden ende er forbundet med ud- 30 styret (28) til optagelse af prøvefluidet, og hvor røret befinder sig hovedsagelig i nærheden af neutronkilden (30).

5. Apparat ifølge krav 4, kendetegnet ved, at røret (20) strækker sig i det mindste i én 35 skruelinieformet bane om neutronkilden.