مونیتورینگ خطوط لوله در مسافت‌های طولانی به روش سنسور فیبر نوری گسترده

امروزه سیستم‌های نشت یابی بسیار متنوعی ارائه شده است که هر کدام با استفاده از تکنیکی خاص سعی در شناسایی دقیق و سریع محل نشتی دارند. ساختار عملکردی بسیاری از این سیستم ها ساده و برخی پیچیده می باشند. اما هنوز هیچ کدام از این سیستم ها نتوانسته اند به طور کامل همه انتظارات را برآورده کنند. این مقاله به معرفی تکنولوژی نشت یابی خطوط لوله سیالات مایع و گاز مبتنی بر سنسور نوری می پردازد.
سنسور‌های نوری گسترده دارای خصوصیات برجسته و منحصر به فردی در مونیتورینگ خطوط لوله هستند که نمونه آن در تکنیکهای متدوال موجود نیست. توانایی اندازه گیری دما و کرنش در هزاران نقطه در طول فیبر نوری به طور خاص جهت یک سازه طولانی مثل خطوط لوله ، خطوط جریان ، چاههای نفت و ... مورد توجه است. پیشرفت‌های اخیر در تکنولوژی فیبرهای گسترده امکان مونیتورینگ بیش از ۶۰ کیلومتر از طول خط لوله را تنها به کمک یک وسیله اندازه‌گیری ممکن می سازد. این طول با استفاده ازتقویت کننده های نوری تا ۳۰۰ کیلومتر نیز قابل گسترش است. لازم به ذکر است برخی از کابل‌های مخابراتی برای اندازه گیری دما در رنج نرمال قابل استفاده هستند. مونیتورینگ دماهای بالا یا پایین و همچنین کرنش در طول سازه چالش‌های جدیدی به شمار می‌روند که نیازمند طراحی ویژه ای برای کابل هستند. [۱]
کلمات کلیدی: خط لوله، سیستم نشت یابی، مونیتورینگ خطوط لوله

مقدمه:
خطوط لوله و خطوط انتقال گاز اغلب از نواحی‌ای عبور می‌کنند که از نقطه نظر قرارگیری در معرض لغزش، نشت زمین و زمین‌لرزه خطرناکند. ضمناً مواردی چون خرابکاری عوامل انسانی (به صورت عمدی یا تصادفی) و انسداد مسیر عبور سیال به واسطه تشکیل یخ و ... نیز می توانند بهره برداری از خط را مختل نمایند.
این خطرات بالقوه به طور موثری می توانند منجر به آسیب، نشتی و یا شکستگی خط گردند. هزینه‌های جدی اقتصادی و اکولوژیکی از تبعات بعدی از مدار خارج شدن خطوط انتقال هستند. مونیتورینگ ساختاری و عملکردی به طور موثری می تواند ایمنی و مدیریت خط لوله را بهبود بخشد. به این منظور بابد پارامتر‌هایی که نماینده شرایط عملکردی و ساختاری خط لوله هستند گرداوری گردند. مونیتورینگ می‌تواند منجر به جلوگیری از شکستگی و از مدار خارج شدن خط لوله گردد، در زمان بروز اشکال موقعیت دقیق آن را تشخیص دهد و برنامه‌های تعمیرات و نگهداری را بهینه سازد. نتیجتاً با افزایش ایمنی، هزینه‌های بهره برداری بهینه شده و اتلاف منابع اقتصادی به حداقل می رسد.
پارامترهای ساختاری خطوط که باید مونیتور شوند عبارتند از کرنش و انحنا و پارامترهای کارکردی مورد توجه عبارتند از توزیع دما ، نشتی و ورود متجاوز (third party) به حریم خط دفن شده. از آنجایی که خطوط جریان دارای ساختار لوله ای با طولهایی در رنج چندین کیلومتر هستند، مونیتورینگ کل طول ساختار سازه خود یک مساله است. استفاده از سنسور‌های مجزا تقریباً غیر عملی است، زیرا این کار نیازمند نصب هزاران سنسور و کابل کشی پیچیده و طراحی یک سیستم اسکادا (جمع آوری اطلاعات) است، که علاوه بر هزینه اولیه، هزینه بهره برداری بسیار زیادی به همراه دارد. بنابراین کاربرد سنسور‌های مجزا با شرایط فوق صرفاً محدود به بخش‌های محدودی از خط لوله می گردد و قابل تعمیم به کل طول خط نیست. روش متداول دیگر مبتنی است بر اندازه گیری دبی سیال در ابتدا و انتهای خط لوله که تفاوت اعداد قرائت شده به عنوان نشانه ای از وجود نشتی در یک مکان نامشخص در طول خط تلقی می گردد.
پیشرفتهای اخیر در تکنیک‌های اندازه گیری دما و کرنش با استفاده از سنسور فیبر نوری گسترده مبتنی بر اثر Brillouin scattering ابزاری اقتصادی به دست می دهد که امکان مونیتورینگ در طول مسیرهای چندین کیلومتری را فراهم می سازد. بنابراین، با استفاده از تعداد محدودی از سنسور‌های بسیار طویل، پارامتر‌های ساختاری خطوط لوله (کرنش ، خمش و ...) و پارامترهای عملکردی (توزیع دما، نشتی و ...) با دقت و رزولوشن فاصله ای بسیار خوب و با هزینه ای قابل قبول مونیتور می گردد. [2]

مبانی سنسور‌های گسترده
سنسور گسترده، ابزاری است با اندازه گیری خطی، که قادر به اندازه گیری پارامتر اندازه گیری در هر نقطه از طول خود می باشد. سنسور‌های گسترده فیبر نوری شامل یک رشته فیبر نوری هستند که دارای حساسیت اندازه گیری در تمام طول خود می باشند. بنابراین یک رشته از فیبر نوری جایگزین هزاران سنسور مجزا (point sensor) می گردد. تضعیف کم فیبر نوری امکان مونیتورینگ فواصل بسیار طولانی (تا ۲۵ کیلومتر) را فراهم می کند، این طول نماینده تعداد قابل توجهی از نقاط اندازه گیری است.
توسعه سیستم سنسور‌های نوری گسترده، مبتنی بر متد شناخته شده و تکرار پذیری است که در آن تغییرات پارامتر اندازه گیری با نور منشر شده در داخل رشته نوری مرتبط است. فرایند پاشش نور یک ویژگی ذاتی انتشار نور درون ماده سیلیکا است. این ماده تشکیل‌دهنده اصلی رشته‌های سنسور نوری می باشد. اثر موسوم به Brillouin Scattering پاسخی شناخته شده و تکرار پذیر به پارامترهای اندازه گیری خارجی مثل کرنش و خمش نشان می دهد.
اندازه‌گیری دما با آنالیز پاشش نور ناشی از اثر Raman Scattering انجام می شود.

شکل 1 - پاشش نور ناشی از پدیده فیزیکی پاشش نور Raman , Brillouin

سیستم distributed temperature) DITEMP monitoring system) توسعه داده شده توسط کمپانی Smartec سوئیس بر اساس پدیده فیزیکی Raman Scattering تغییرات محلی دما را جهت شناسایی نشتی، آنالیز می نماید. طبق این اصل نور لیزر تابیده شده در سنسور نوری در محلی که از لحاظ پروفایل دمایی متفاوت از باقی مسیر است دچار شیفت فرکانسی می شود. شیفت فرکانسی با تغییرات دمایی (در رنج دمایی سنسور نوری) رابطه کاملاً خطی دارد. بر اساس طیف سنجی صورت گرفته محل این شیفت فرکانسی با دقت 1 تا حداکثر 2 متر در زمان بسیار کمی (1 تا 80 دقیقه) تشخیص داده می شود. ار آنجایی که تغییر دما به واسطه نشت سیال فرایندی حادث گردیده است این تغییر دما (شیفت فرکانسی) به صورت آلارم نشت سیال درسیستم ثبت و گزارش می‌گردد. الگوریتم تشخیص محل نشت بر اساس مقایسه پروفایل دمایی برداشت شده با پروفایل دمایی مرجع استوار است. پروفایل دمایی مرجع در شرایط نرمال وبه هنگام راه اندازی در دیتابیس سیستم ثبت می گردد. در پروفایل نسبی دما قله یا دره دمایی نشان از ناهنجاری نقطه ای دما در بخشی از طول خط لوله می باشد که ممکن است به دلیل نشت سیال یا خاک برداری در طول مسیر خط ( متجاوز خارجی ) حادث شده باشد.

معماری سیستم نشت یابی مبتنی بر سنسور نوری
بخش‌های اصلی سیستم شامل دستگاه قرائت (آنالایزر) و کابل سنسور است. آنالایزر به انتهای کابل سنسور وصل می شود، امکان نصب آنالایزر در فضایی دور از ناحیه نصب سنسور نیز وجود دارد، در این حالت بخشی از کابل فیبر نوری به عنوان lead cable وظیفه اتصال و انتقال اطلاعات سنسور به آنالایزر دارد. استفاده از ماژول‌های تقویت کننده (Range Extender) امکان مونیتورینگ بیش از ۳۰۰ کیلومتر خط لوله را با یک سیستم اندازه گیری فراهم می کند [۵]. پارامتر‌های عملکردی سیستم نمونه متعلق به کمپانی Smartec سوئیس در جدول ۱ ذکر شده است.

جدول 1. عملکرد سیستم نشت یابی خطوط لوله به صورت نوعی (اطلاعات جدول مربوط به سیستم Ditemp شرکت Smartec است)

طراحی کابل سنسور
حفاظت رشته نوری از هر گونه اثر خارجی اساس طراحی کابل نوری سنتی بوده است. مشخصاً لازم است که کابل از نفوذ رطوبت، فشار جانبی، کرنش طولی، شکستگی حفاظت شود. این طراحی ها کابل نوری مناسبی جهت کاربری‌های طولانی مدت در شبکه‌های مخابراتی و مونیتورینگ دما در رنج -20 تا +60 درجه سانتیگراد با اثر Brillouin Scattering و Raman Scattering به دست می دهد.
سنسور‌های دمای گسترده در رنج‌های کمتر از -۲۰ و یا بالاتر از +۶۰ نیاز به طراحی ویژه ای دارند، خصوصاً سیستم‌های مبتنی بر Brillouin Scattering که در مورد این سیستم ها لازم است تفکیک صحیحی از پاشش نورناشی از تغییرات دمایی و کرنش انجام شود.
حساسیت بالای Brillouin Scattering در شناسایی کرنش، آن را در مونیتورینگ تغییر شکل‌های محلی در طول سازه‌های طویل مانند خط لوله مناسب می‌سازد. در این موارد کابل باید کاملاً و عیناً کرنش سازه را به فیبر نوری منتقل کند. این هدف با تجاربی که در طراحی کابل‌های نوری مخابراتی وجود دارد، کاملاً متناقض است؛ زیرا در مورد این کابل ها حفاظت کابل نوری از هر گونه عامل خارجی از جمله کرنش هدف اصلی در طراحی است.
در نهایت زمانی که اندازه گیری کرنش گسترده مورد نیاز است باید به صورت همزمان دما نیز اندازه گیری شود تا بتوان هنگام آنالیز اطلاعات خام گرداوری شده پاشش نور ناشی از این دو پارامتر را تفکیک نمود. معمولاً این اندازه گیری همزمان از طریق نصب دو سنسور مجزا جهت دما و کرنش بدست می آید. بدیهی است ترکیب این دو تابع در یک مجموعه بایستی مطلوب باشد.

کابل سنسور دما جهت رنج‌های بسیار بالا یا بسیار پایین
کابل‌های سنسور دما جهت مونیتورینگ دما در فواصل طولانی به کار می روند. این کابل ها از 1 تا 4 رشته ی نوری Single Mode یا Multi Mode تشکیل شده اند که در داخل Stainless Steel Loose Tube قرار دارند و توسط آرمورهای SS حفاظت می شوند ودر صورت نیاز روکش بیرونی پلیمری نیز جهت کابل ها در نظر گرفته می شود. این بخش ها متناسب با نوع کاربرد و عملکرد مورد انتظار ساختار کابل را تشکیل می دهند. استفاده از روکش جنس کربن / پلی آمید یا پلی آمید بر روی رشته فیبر نوری رنج دمایی کابل را افزایش می دهد، آرمور SS حفاظت مکانیکی کابل را افزایش می دهد و روکش پلیمری مقاومت شیمیایی در برابر خوردگی را تضمین می کند . در طراحی کابل طول فیبر نوری به نحوی انتخاب می شود که تفاوت ضریب انبساط حرارتی استیل و شیشه باعث کشیدگی یا فشردگی رشته‌های نوری نگردد. قطر فیبر نوری با ساختار فوق‌الذکر
۳.۸ mm است . (شکل ۲)

شکل 2 - کابل سنسور دما و اتصالات مربوطه

نحوه نصب کابل سنسور در طول خطوط لوله
چنانچه توضیح داده شده الگوریتم شناسایی نشتی در این روش بر اساس اندازه گیری پروفایل دمایی در طول خط لوله می باشد . پروفایل دمایی نسبی که از مقایسه پروفایل مرجع با پروفایل اندازه گیری شده به دست می‌آید در محل بروز نشتی دارای قله یا دره دمایی می‌باشد. چنانچه افزایش یا کاهش دما به تغییرات آستانه دمایی تنظیم شده در نرم افزار سیستم برسد آلارمی مبنی بر بروز نشتی در سیستم ثبت می گردد.
به هنگام بروز نشتی بسته به سیال فرایندی و نوع خط لوله (Offshore , Onshore ) ، جهت حرکت سیال نشتی تعیین کننده محل نصب کابل سنسور می باشد. در خطوط لوله گاز و خطوط لوله Offshore جهت حرکت سیال به سمت بالاست و کابل سنسور مشابه شکل 3 در ساعت 12 خط لوله نصب می گردد. در خطوط لوله مایعات نصب کابل در ساعت 6 خط لوله مشابه شکل 4 انجام می‌گردد.

شکل 3 - تشخیص و تعیین گاز انتشار یافته توسط کابل فیبر
نصب شده در قسمت فوقانی لوله . با این روش نصب می‌توان
توسط عوامل خارجی (خطای انسانی ، خرابکاری) را نیز
تشخیص داد.

شکل 4 - تشخیص و تعیین نشت مایع بوسیله کابل فیبر نوری تعبیه شده در زیر لوله

رفتار دمایی به هنگام بروز نشتی نیز وابسته به تفاوت دمایی سیال نشتی و محیط پیرامون خط لوله می باشد. به عنوان مثال گاز آزاد شده بر اثر افت فشار در محل وقوع نشتی باعث خنک شدن محیط پیرامون خود می‌شود. در خطوط لوله نفت و سیالات مایع نیز عمدتاً سیال گرمتر از محیط اطراف پیرامون خود می باشد. در مورد خطوط لوله‌ای که سیال دو فازی درون آن در جریان است تلفیقی از تغییرات یاد شده مشاهده می‌گردد. (شکل ۵)

شکل ۵: رفتار دمایی سیال گرو سرد در محل بروز نشتی

در مواردی که بین نشتی و خاک اطراف جهت تشخیص نشتی کافی نباشد، سیال نشتی منجر به تغییر ویژگی‌های دمایی خاک اطراف می گردد و سیکل روزانه دمایی خاک، در منطقه اطراف نشتی متفاوت از سیکل طبیعی تغییرات در سایر بخشهای مسیر خط لوله می‌گردد و بدین ترتیب نشتی تشخیص داده می شود.

عوامل موثر بر سرعت تعیین وقوع نشتی
زمان نشت یابی مابین 1 دقیقه تا 80 دقیقه است. پارامترهای موثر بر زمان نشت یابی، میزان نشتی، تفاوت دمایی بین دمای سیال و دمای خاک، فاصله بین محل نشت و سنسور (فاصله افقی و عمودی)‌، میزان فشردگی (Compaction) خاک، نفوذ پذیری (Permeability)‌ خاک (نوع خاک) می باشد.

نتیجه گیری :
استفاده از سیستم مونیتورینگ مبتنی بر سنسور نوری گسترده امکان مونیتورینگ پیوسته و مدیریت خط لوله، بهبود شاخص‌های ایمنی خطوط و اجازه تصمیم گیری‌های بهره برداری و تعمیراتی مبتنی بر اطلاعات آنلاین را بدست می دهد. به طور خاص سیستم فیبر نوری گسترده وظایف مونیتورینگ را به شرح زیر ممکن می کند:
مونیتورینگ پروفایل دمایی توزیع شده: اندازه گیری پروفایل دما در طول خط لوله و در نتیجه مونیتورینگ تغییرات دمایی سیال انتقالی بدست می آید. از این اطلاعات می توان جهت بهینه سازی پارامتر‌های بهره‌برداری و شناسایی محل تشکیل یخ، تجمع wax و غیر استفاده شود.
نشت یابی: با شناسایی تغییرات غیر عادی دما، محل‌یابی مقادیر بسیار کم نشتی امکان پذیر است. نشتی‌های قابل اندازه گیری با سیستم مبتنی بر سنسور نوری با تکنیک‌های سنتی اندازه گیری حجمی مقدور نیست. توانایی تعیین دقیق محل نشت در زمان بسیار کم، منجر به عملکرد سریع زمان بروز نشتی و به حداقل رسیدن تبعات از مدار خارج شدن خط و نیز اثرات سوء زیست محیطی می گردد.
شناسایی ورود عامل خارجی به حریم خط لوله دفنی: با تمرکز بر تنش‌های محلی و تغییرات دمایی, محل ورود تصادفی یا عمدی به حریم خط لوله قابل شناسایی است. بنابراین می توان قبل از اینکه متجاوز خسارت جدی به خط لوله وارد کند وارد عمل شد.
موینیتورینگ توزیع تنش و خمش : سنسور فیبر نوری با ساختاری خاص چنانچه با خط لوله هم بندی شود امکان جمع آوری اطلاعات تنش سه بعدی در امتداد خط لوله را به دست می دهد واین قابلیت به طور خاص در نواحی بحرانی که امکان بروز زمین لرزه، رانش زمین، ‌نشست زمین یا فعالیتهای انسانی وجود دارد، بسیار مفید است. مونیتورینگ گسترده تنش شناسایی شرایط اینچنینی را در زمان بسیار کمی ممکن می‌سازد، این سیستم ابزاری خوب برای مدیریت خط لوله و تعمیرات در زمان سرویس می باشد. مونیتورینگ گسترده تنش دارای پتانسیل شناسایی تغییرات ضخامت دیواره در امتداد طول خط لوله را داراست. این تغییرات به دلیل خوردگی و یا ساییدگی به وجود می‌آیند. به طور خاص سیستم Ditest کمپانی Smartec قابلیت مونیتورینگ همزمان دما و تنش خط را به دست می دهد.
عموماً، ‌توزیع تنش/ خمش و اندازه گیری دما ابزاری مفید است که به طور ایده الی فعالیتهای مرتبط با مونیتورینگ و بازرسی فنی را پوشش می دهد و به کمک این سیستم طیف وسیعی از پارامترهای عملیاتی و ایمنی قابل گردآوری است. در این روش اندازه‌گیری در هر نقطه از طول خط انجام می شود و صرفاً اندازه‌گیری محدود به بخش ویا موقعیت خاصی نمی‌گردد. علاوه بر این، مونیتورینگ، کاملاً پیوسته و بدون هیچگونه اینترفیسی با خطوط لوله معمولی اجرا می‌شود (بر خلاف عملیات پیگ رانی به عنوان مثال).
پیشرفت‌های اخیر در تکنولوژی سنسور‌های نوری گسترده مونیتورینگ خطوط لوله با طولی بیش از ۶۰ کیلومتر با یک واحد قرائت و بیش از ۳۰۰ کیلومتر را با استفاده از تقویت کننده‌های نوری (Optical Amplifier) را فراهم می کنند. برای دستیابی به اهداف فوق الذکر و حصول تمامی مزایای این تکنولوژی نکته اساسی انتخاب و نصب کابل‌های سنسور متناسب با نیازمندی‌های خاص هر پروژه می باشد، عموماً اجرای سنسور در فاز نصب خط لوله آسانترین روش اجرای این سیستم است. با اینحال امکان اجرای این سیستم بر روی خطوط اجرا شده نیز وجود دارد. در برخی موارد امکان استفاده از رشته‌های نوری مربوط به ارتباطات مخابراتی که به موازات خط لوله اجرا شده اند وجود دارد. این رشته ها به منظور اندازه گیری پروفایل دما در امتداد خط و نشت یابی خطوط قابل استفاده هستند.
منابع:
۱. Daniele Inaudi, Branko Glisic, LONG-RANGE PIPELINE MONITORING BY DISTRIBUTED FIBER OPTIC SENSING, ۶th INTERNATIONAL PIPELINE CONFERENCE, September ۲۵ - ۲۹, ۲۰۰۶, Calgary, Alberta, Canada
2. L. Thévenaz, M. Niklès, A. Fellay, M. Facchini, Ph. Robert, Truly distributed strain and temperature sensing using embedded optial fibers, SPIE conference on Smart Structures and Materials, 1998, Vol. 3330, p 301-314
۳. B. Glisic, D. Inaudi, Sensing tape for easy integration of optical fiber sensors in composite structures, ۱۶th International Conference on Optical Fiber Sensors, October ۱۳- ۱۷, ۲۰۰۳, Nara, Japan, Vol.۱, p۲۹۱-۲۹۸
4. Marc Niklès, Bernhard Vogel, Fabien Briffod, Stephan Grosswig, Florian Sauser, Steffen Luebbecke, André Bals, Thomas Pfeiffer, Leakage detection using fiber optics distributed temperature monitoring, 11th SPIE Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, March 14-18, 2004, San Diego, USA
۵. Marc Niklès, Fabien Briffod, R. Burke, G. Lyons, Greatly extended distance pipeline monitoring using fibre optics, Proceedings of OMAE۰۵, ۲۴th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, June ۱۲-۱۷, ۲۰۰۵, Halkidiki, Greece
6. L. Thévenaz, M. Facchini, A. Fellay, Ph. Robert, D. Inaudi, B. Dardel, Monitoring of large structure using distributed Brillouin fiber sensing ,SPIE, OFS-13, 13th International Conference on Optical Fiber Sensors, Kyongju, Korea'(1999), Vol 3746, p 345-348