NO328909B1 - Kompakt gammabasert tetthetsmaleinstrument - Google Patents

Abstract

Denne oppfinnelsen angår en kompakt tetthetsmåleinstrument for måling av tetthet i fluider i et volum, særlig en fluidstrøm i et rør, der instrumentet omfatter en strålekilde i gammaområdet plassert på en side av fluidet og en detektor plassert på den andre siden av fluidet for mottak av strålingen, og der fluidet er inneholdt i et rør eller lignende beholder, hvori kilden er plassert i et kildehus, og kildehuset er i det minste delvis plassert inn i en tilsvarende åpning i beholderens vegg.

Description

Kompakt gammabasert tetthetsmåleinstrument

Denne oppfinnelsen angår et strømningsmålerinstrument basert på gammastråler for måling av tettheten til et fluid som passerer gjennom et rør eller lignende. Mer spesifikt angår oppfinnelsen en konstruksjon der en kilde og en detektor er delvis ført inn i rørveggen, og rørets åpningsområdet har en konisk form for derved å redusere følsomheten til rørveggen og samtidig la kilde komme så nær detektoren som mulig.

Ved olje- og gass-produksjon er det viktig å overvåke kvaliteten og sammensetningen til produksjonsstrømmen, og deriblant tettheten til fluidstrømmen, der fluidet kan omfatte både gass og væsker som olje og vann. For tetthetsmålinger brukes ofte gammakilder. Disse er basert på plassering av en gammakilder og en detektor på motsatte sider av strømmen og måle forskjeller i detektorsignal avhengig av tettheten til fluidet. Nåværende systemer krever ofte bruk av høyaktive gammakilder av Csl37 typen i området 1100-1900kBq (30-50mCurie) og energier i området 660keV, og dermed kreves spesialbehandling av radioaktive materialer i tillegg til å utgjøre store enheten som skal monteres på røret.

En rekke kjente løsninger finnes for å utføre tetthetsmålinger i fluidstrømmer ved hjelp av gammamålinger. Tradisjonelt har kilden blitt plassert utenpå rørveggen med påfølgende dempning av signalet og redusert nøyaktighet i målingene. Slike løsninger er beskrevet i patentpublikasjonene EP0269432, US4795903, W097/29356 og WO03/021234. Internasjonal patentsøknad WO01/25762 viser en løsning der en gammakilde plasseres uten for en rørvegg, der rørveggen har et hull inn til fluidstrømmen med et innmontert vindu. Kilden blir i dette tilfellet plassert forholdsvis langt unna fluidstrømmen og i tillegg krever innarbeidelsen av vinduet og hullet i rørveggen en svekkelse av materialet, slik at løsningen er uegnet i en del situasjoner der trykket i røret blir høyt. Lignende løsninger er vist i GB2325735 og WO2006/067525 der man plasserer kilden i et gjennomgående hull i rørveggen, med påfølgende svekkelser i veggen. En mer spesiell og mindre fleksibel løsning er vist i WO02/35059 der kilde og detektor er plassert i selve rørveggen.

Formålet med denne oppfinnelsen er å tilveiebringe en mer kompakt løsning som gir tilstrekkelig gode målinger og som dessuten krever gammakilder med lavere aktivitet. Dette oppnår med et instrument som spesifisert i krav 1.

I løsningen ifølge oppfinnelsen blir gammakilden ført inn i en åpning i rørveggen som tilsvarer den ytre formen på kildens hus. Avhengig av fotonenergien generert av kilden kan kildehuset utgjøres av et ytre blyfyllt stålhus eller titanhus med wolfram eller stålkjerne som omslutter gammakilden. Kjernen inkluderer en kanal fra den innlagte punktformede gammakilden mot rørets sentrum. Koaksialt med kilden og kanalen er det tilveiebrakt et konisk fremspring som omslutter en utvidelse av kanalen og danner en spiss inn i et tilsvarende rom i midten av åpningen.

På denne måten forplanter strålingen seg en kort strekning gjennom rørveggen uten at konstruksjonen svekkes mer enn nødvendig, mens man beholder en tilstrekkelig konsentrert stråle gjennom strømmen og til detektoren.

Ifølge en utførelse av oppfinnelsen for måling av tetthet i flerfasestrømmer er åpningen laget i veggen slik at det etterlates en del av rørveggen mellom toppen av kjernen og fluidstrømmen. I dette tilfellet emitterer kilden stråling med forholdsvis høy energi, for eksempel en Cs 137 kilde, hvilket resulterer i et krav om at kildehuset må gi god skjerming, for eksempel være laget av bly eller en blyfylt stålkapsling med wolfram kjerne.

Ifølge en annen utførelse av oppfinnelsen, særlig relatert til målinger i våtgass-strømmer, har linjen mellom kilden og detektoren en vinkel i forhold til strømretningen. Dette er fordelaktig fordi en lenger forplantningsbane gir bedre målinger siden våtgass ellers har for lav absorpsjon ved de relevante fotonenergiene. I disse tilfellene kan en Am241 kilde plasseres i en stålkjerne og for eksempel ha et titanhus, og rørveggen er byttet ut med for eksempel et PEEK-materiale med lav absorpsjon av gammastråling og dessuten kan motstå forholdene i strømmen.

På den andre siden av røret er en detektor plassert i en egnet åpning, fortrinnsvis med et hulrom i fronten av detektoren med mindre diameter for å redusere materialtykkelsen til røret direkte mellom detektoren og strømmen.

Denne oppfinnelsen er også relatert til stabilisering av et energispektrum for en gammadetektor ved å analysere signalet og finne endringer i maksimum- og minimum-verdier, for eksempel detektere bevegelsen av visse terskelverdier med temperatur. Disse to er relatert til den foreliggende oppfinnelsen men kan også utføres i andre sammenhenger.

Denne oppfinnelsen vil bli beskrevet nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler.

Figur 1 illustrerer en utførelse av oppfinnelsen innrettet til bruk med en Csl37

kilde i en flerfasestrøm.

Figur 2 illustrerer en utførelse av oppfinnelsen innrettet til bruk med en Am241

kilde i en våtgass-strøm.

Figur 1 illustrerer et gammainstrument montert i et rør 1. Røret 1 er laget av stål og i tillegg omfatter det illustrerte røret et PEEK (polyetereterketon) materiale 3 på sin indre overflate. Sistnevnte kan være påkrevet hvis gammainstrumentet er kombinert med andre måleinstrumenter, for eksempel med elektroder i kontakt med strømmen, men er ikke viktig for den foreliggende oppfinnelsen. PEEK er ofte brukt i sammenheng med flerfasede hydrocarbonstrømmer på grunn av sine mekaniske holdbarhet, og kjemiske nøytralitet i kombinasjon med komponenter i strømmen med varierende temperaturer.

Som man kan se er gammakildens hus 2 plassert i en åpning i rørveggen og er festet i denne med tilgjengelige midler. Huset og åpningen er også forseglet med O-ringer 8 for å unngå lekkasjer gjennom åpningen. Ifølge den foretrukne utførelsen av oppfinnelsen for måling i flerfase-strømmer omfattende en Csl37-kilde er huset 5 fortrinnsvis laget av bly, men kan i noen tilfeller, for eksempel når mindre aktive gammakilder brukes, være laget av stål. I det illustrerte eksempelet er det vist et blyfyllt 5 stålhus 6. Kidlen 4 er plassert i kjernen 7, og denne kjernen har en kanal fra kilden mot strømmen inne i røret. Avhengig av kildematerialet kan kjernen være av forskjellige typer, men i det illustrerte eksempelet er kjernen laget av wolfram eller andre absorberende materialer, og med mindre aktive kilder kan en kombinasjon av stålhus og forstørret wolframkjerne brukes.

For å redusere absorpsjonen av gammastråling i rørmaterialet er det fordelaktig om tykkelsen gjennom materialet er så liten som mulig, men uten å svekke rørveggen. Dette oppnår ved å tilveiebringe en konisk spiss 10 på kjernen som strekker seg inn i rørveggen, der en kanal i kjernen strekker seg gjennom konusen og ut av spissen. Denne koniske formen gir et skarpt stråletverrsnitt siden det gir en lang kanal gjennom det absorberende materialet, men svekker ikke veggen på samme måte som hvis kjernen hadde det samme tverrsnitt i hele sin lengde.

I tegningen gjenstår omtrent 5mm av rørmaterialet foran kjernens kanal. Dette reduserer kravene til kildestyrke og kan dermed redusere problemene relatert til håndtering av radioaktive kilder i tetthets-måleinstrumentene. Som nevnt over er den foretrukne kilden 4 i dette tilfellet en Csl37-kilde, fortrinnsvis i området 3.7-37 x 10 Becquerel (1-10 mCurie), særlig 18.5 x IO<7> Becquerel (5mCurie).

Som med kildehuset er detektoren 9, som kan være av en hvilken som helst egnet type, plassert i en åpning i rørveggen på den andre siden av strømmen. Med en Cs 137 kilde vil energien som detekteres være i området ~660eV, siden lavere energier fra kilden vil være absorbert av stålet i rørveggen.

I den illustrerte utførelsen er det også plassert et hulrom foran detektoren 9 for å redusere veggtykkelsen foran detektoren, og dermed redusere absorpsjonen foran detektoren. I dette tilfellet er rørveggen foran detektoren og kidlen omtrent 5mm, men dette kan velges i forhold til den spesifikke bruken av instrumentet.

I figur 1 er detektoren plassert på motsatt side av strømmen, fra kilden. Andre konfigurasjoner kan tenkes, slik som flere detektorer plassert utenfor stråleaksen for å detektere stråling som spres fra strømmen, som diskutert i norsk patentsøknad NO 1999.2988 for å oppnå salinitetsuavhengige tetthetsmålinger i strømmen.

Ifølge en annen utførelse av oppfinnelsen kan strålingen sendes direkte til fra en eller flere kilder gjennom en eller flere deler av fluidstrømmen. På denne måten kan det være mulig å tilveiebringe målinger av tettheten i midten av strømmen i tillegg til nærmere rørveggen, og dermed gjøre det mulig å detektere en lagdelt struktur der forskjellige fluider befinner seg i forskjellig avstand fra strømmens sentrum.

En stråle som er innrettet til å måle nær rørveggen vil både forlate og gå inn i rørveggen med en vinkel. I høytrykksomgivelser må detektoren og kilden plasseres ved en avstand fra den indre rørveggen for ikke å svekke veggen. Når strålen må forlate veggen med en vinkel betyr dette også at den i disse tilfellene må forplante seg gjennom mer rørvegg før den når fluidstrømmen. For å unngå dette kan en kavitet tilveiebringes inn i innerveggen for å redusere forplantningslengden gjennom rørveggen, og denne kaviteten fylles med et materiale som er forholdsvis gjennomsiktig for strålingen, for eksempel PEEK-materiale. En beslektet løsning er vist i figur 2, der strålen har en vinkel i forhold til strømretningen og rørveggen.

Som illustrert i figur 2 kan gammastrålen også rettes med en vinkel i forhold til fluidstrømmen. Dette er særlig fordelaktig ved måling av våtgass, der fluidet har lav absorpsjonsrate og følsomheten kan økes ved å øke forplantningslengden gjennom fluidstrømmen.

I utførelsen som illustreres i figur 2 kan en kilde 14 med lavere energi brukes, slik som en Am241, og krever dermed en redusert veggtykkelse for å unngå for mye absorpsjon i stålrørets vegger 11. Som illustrert kan dette løses dette ved å konstrueres åpningen ved å lage et hull gjennom rørveggen og plassere kildehuset i de ytre delene av denne åpningen, og forsegle den for å unngå lekkasjer gjennom åpningen på måter som er nærliggende for en fagmann på området, for eksempel ved bruk av O-ringer, som illustrert i tegningene. Dessuten er det på grunn av vinkelen mot rørveggen og det påkrevde tynne metallet foran kildehuset et gjenstående hulrom i den indre rørveggen. For å unngå turbulens og materialer som avsettes i hulrommet er et vindu 13 for gammestrålingen, for eksempel laget av PEEK eller lignende materialer, plassert i hulrommet. I motsetning til utførelsen illustrert i figur 1 er kildehuset 12 laget av en ytre kledning 15 av et materiale med lav tetthet slik som titanlegeringer med en stålkjerne 17 som inneholder kilden 14. Som de den første utførelsen strekker kjernen seg med en konisk spiss mot fluidstrømmen, men i dette tilfellet dekker huset 12 tuppen på kjernen og danner en vegg for gammastrålene foran i kanalen, for å beskytte kilden mot påvirkning fira lekkasjer eller lignende fra strømmen som passerer PEEK-materialet 13.1 den foretrukne utførelsen av denne løsningen kan huset 12 ha en tykkelse på 5mm i fronten av konusen 156. Titanlegering er særlig fordelaktig i denne anvendelsen siden den kombinerer mekanisk styrke med lav absorpsjon, og virker demed som et vindu for strålingen i fronten av konusens åpning. Dette kunne også løses med en tynn stålplater i enden av kanalen, på bekostning av mekanisk styrke og øket absorpsjon.

Ifølge utførelsen illustrert i figur 2 innrettet til målinger i våtgass-strømmer brukes en Am241-kilde i området 180-1100 x IO<7> Becquerel (50-300mCurie) og en detektor 19 for deteksjon av energi i området ~59,5keV er foretrukket.

På grunn av de lave energiene må en løsning tilsvarende løsningen relatert til kilden brukes i relasjon til detektoren, der et strålingsvindu laget av PEEK eller lignende materialer brukes mellom detektoren og fluidstrømmen.

Utførelsene vist i figurene 1 og 2 er egnet for forskjellige anvendelser. Den kompakte garrimatetthetsmåleinstrumentet illustrert i figur 1 representerer den foretrukne utførelsen i situasjoner der strømmen er en flerfasestrøm omfattende for eksempel olje, vann og gass. I dette tilfellet er kilden og detektoren er plassert direkte overfor hverandre med en med en stråle som har en 90° vinkel i forhold til fluidstrømretningen.

Gammatetthetsmålerinstrumentet i figur 2 representerer den foretrukne utførelsen i tilfellet der strømmen utgjøres av våtgass, dvs hovedsakelig gass med noen bidrag fra vann og/eller olje.

I begge situasjonene er oppfinnelsen rettet mot å tilveiebringe en kompakt løsning som gir bra dynamisk område i målingene uten bruk av sterke gammakilder.

Selv om denne oppfinnelsen hovedsakelig er tilpasset målinger i rør inneholdende fluidstrømmer som passerer måleinstrumentet kan den også anvendes i beholdere som inneholder fluider, for eksempel for måling av tettheten til et trykksatt fluid inne i en tank.

Claims (14)

1. Kompakt tetthetsmåleinstrument for måling av tetthet i fluider i et volum, særlig en fluidstrøm i et rør, der instrumentet omfatter en strålekilde (4) i gamma-området plassert på en side av fluidet og en detektor (9) plassert på den andre siden av fluidet for mottak av strålingen, og der fluidet er inneholdt i et rør (1) eller lignende beholder, hvori kilden (4) er plassert i et kildehus(2,5), og kildehuset er i det minste delvis plassert inn i et tilsvarende hulrom i beholderens vegg, der kildehuset omfatter en kildeholder (7,10) inneholdende gamma-kilden (4) i holderens akse og omfattende en koaksial åpning fra kilden gjennom den ene enden av holderen, der nevnte ene ende er rettet mot fluidet, karakterisert ved at den ytre delen av nevnte ene ende (10) av kildeholderen (7) har en i det vesentlige konisk form med avtagende radius mot fluidet og nevnte hulrom har en tilsvarende form innrettet til å motta kildeholderen (7,10), og der nevnte hulrom har en dybde som er mindre enn veggtykkelsen i beholderen (1) slik at det etterlates en del av beholderens vegg mellom toppen av konusen (10) og fluidstrømmen.

2. Instrument ifølge krav 1, der detektoren (9) er plassert i et detektorhus som er plassert i en korresponderende åpning i beholderen på motsatt side i forhold til kilden (4).

3. Instrument ifølge krav 1, der kildeholderen (7,10) er laget i et materiale med relativt høy tetthet, for eksempel wolfram..

4. Instrument ifølge krav 3, der kildeholderen (7,10 er koaksialt montert i nevnte kildehus (2,5) laget av et materiale med høy tetthet, for eksempel av bly, der huset er innrettet til å bli festet til beholderen (1).

5. Instrument ifølge krav 1, der beholderen (1) er en rørdel innrettet til å monteres i en rørledning.

6. Instrument ifølge krav 1, der kilden (4) er en Cs-137 gamma-kilde.

7. Instrument ifølge krav 1, der kilden (4) og detektoren (9) er plassert i veggene på et rør, der stråleaksen mellom kilden og detektoren har en vinkel i forhold til røraksen som er mindre enn 90 grader.

8. Instrument ifølge krav 7, der kilden (14) er plassert i et hus (12) omfattende et metall, for eksempel en kildeholder (17,16) av stål, som holder kilden (4) i holderens akse og har en koaksial åpning fra kilden gjennom enden av holderen, der den ene enden er innrettet til å rettes mot fluidet.

9. Instrument ifølge krav 8, der nevnte kildehus (12) er laget av et materiale med lav tetthet, for eksempel en titanlegering.

10. Instrument ifølge krav 8, der huset (12) dekker frontenden av holderen (16,17).

11. Instrument ifølge krav 10, det tykkelsen på huset (12) i fronten av holderen (16,17) er i området l-7mm.

12. Instrument ifølge krav 7, der detektoren (19) er inneholdt i et detektorhus montert i en korresponderende åpning i rørveggen på motsatt side fra kilden.

13. Instrument ifølge krav 7, der kilden (14) er en lavenergi gammakilde, for eksempel Am-241.

14. Instrument ifølge krav 7, der detektoren (19) er plassert i en åpning i rørveggen og har en front som er tilbaketrukket fra den indre røroverflaten, og et materiale som er i det vesentlige transparent for gammastrålingen, for eksempel PEEK, er plassert mellom detektorhuset og den indre overflaten, der PEEK-materialet representerer en i det vesentlige sømløs fortsettelse av røroverflaten.