Z wyżej wymienionych powodów istotna jest wiedza o kształcie i objętości osadów na dnie zbiornika, gdyż pozwala na określanie najlepszej formy przeciwdziałania i kontrolowania poziomu osadów (w trakcie eksploatacji) oraz wybranie odpowiedniej metody ich usuwania (w przypadku wyłączenia z eksploatacji i otwarcia zbiornika). Znajomość objętości i kształtu osadów w zbiornikach jest ważna dla użytkowników baz magazynowych ropy naftowej, przede wszystkim z następujących powodów:

• utrzymanie odpowiedniej pojemności magazynowej zbiorników oraz kontrolowanie i monitorowanie poziomu osadów,
• w przypadku zastosowania konwencjonalnych metod usuwania osadów ropy naftowej istnieje podwyższone ryzyko wystąpienia zagrożenia dla środowiska, dlatego też wybór odpowiedniej metody czyszczenia zbiornika jest bardzo istotny,
• większość konstrukcji zbiorników magazynowych posiada pływające dachy, co w przypadku gdy wewnątrz znajduje się wysoki poziom osadów, może powodować problemy lub nawet uszkodzenie dachu przy niskim poziomie składowanej ropy naftowej.

W artykule przedstawiono techniki AE i termografii do oceny poziomu, objętości i kształtu osadów w zbiorniku magazynowym.

Projekt systemu do oceny poziomu osadów w zbiornikach magazynowych

Geneza i przyczyna realizacji pracy oparte są na następujących potrzebach:

• oczekiwania użytkowników/właścicieli baz magazynowych (baz magazynowych ropy naftowej) – zbiorniki magazynowe ropy naftowej wymagają monitorowania i odpowiednich praktyk w eksploatacji, aby zapobiegać powstawaniu osadów,
• jednostka/laboratorium wykonujące badania metodą AE musi posiadać wiedzę na temat poziomu osadów w zbiorniku - konieczna jest ocena poziomu osadu przed rozpoczęciem badania AE dna zbiornika, zgodnie z procedurami i odpowiednimi normami.

W 2017 roku w Urzędzie Dozoru Technicznego zainicjowany został projekt na opracowanie systemu do oceny poziomu i ilości osadów w zbiornikach magazynowych ropy naftowej z wykorzystaniem techniki AE i termografii. W ramach realizacji projektu UDT podjął współpracę z firmą PERN S.A.

Celem projektu jest zbudowanie koncepcji i prototypu systemu do oceny poziomu i ilości osadów na dnie zbiornika magazynowego ropy naftowej. W założeniu system będzie wykorzystywał kilka metod badawczych:

• emisję akustyczną (AE) w kilku wariantach metodyk pomiarowych,
• ocenę pola temperatur metodą termograficzną (TT) oraz pomiar temperatur metodą bezdotykową (bezstykową).

W ramach dotychczasowych działań w projekcie opracowano szereg procedur pomiarowych, tj. badań z wykorzystaniem połączonych metod pomiarowych: metody emisji akustycznej (AE) oraz metody termowizji w połączeniu z bezstykowym pomiarem temperatury.

Celem tych badań jest zebranie danych pomiarowych wysokości zalegania osadów w punktach wzdłuż ścianki na obwodzie oraz w punktach na dnie wewnątrz zbiornika. Zebrane dane w postaci bazy pomiarowej pozwalają w efekcie na wizualizację przestrzenną (mapę osadów) oraz ocenę poziomu i ilości (objętości) osadów zalegających na dnie zbiornika magazynowego.

Termowizja i pomiary temperatury ścianki w ocenie poziomu osadów

Zastosowanie termografii do oceny poziomu osadów wzdłuż płaszcza zbiornika jest metodą znaną i wielokrotnie opisywaną w różnych publikacjach. Różnice temperatur wynikają z różnic gęstości środowisk, a w efekcie ich własności termicznych, co pozwala na wyznaczenie linii przejścia z ciekłej ropy naftowej do zestalonych osadów na dnie.

Należy zaznaczyć, że nie w każdym przypadku możliwe jest zastosowanie badań termograficznych do wyznaczenia linii osadów. Na przykład w przypadku zbiorników dwupłaszczowych, ze względu na specyficzne warunki termiczne w przestrzeni międzypłaszczowej, konieczne jest często zastosowanie konwencjonalnych metod pomiaru temperatury ścianki (np. metoda bezstykowa), połączonych z odpowiednią metodyką oceny pola rozkładu temperatury.

W ramach projektu przeprowadzono szereg badań termograficznych i pomiarów temperatur, mających na celu wyznaczenie linii osadów wzdłuż płaszcza zbiornika magazynowego. Na rys. 1 i 2 przedstawiono przykłady termogramów ze zbiorników z osadami na dnie.

Pomiar poziomu osadów wzdłuż ścianki na obwodzie zbiornika, polega na ocenie pola temperatur co 3-5 m, jak również w miejscach występowania osprzętu (głównie rurociągów i mieszadeł) na płaszczu. Po określeniu wysokości osadów w wyznaczonych punktach wykreślany jest profil osadów wzdłuż ścianki, jak pokazano na rys. 3. Uzyskane dane pomiarowe wysokości osadów gromadzone są w bazie pomiarowej.

Technika AE w wyznaczaniu wysokości osadów wewnątrz zbiornika

Technika AE jest w tym przypadku wykorzystywana w inny sposób niż standardowo. Stosowany jest specjalny układ czujników na ściance i dachu zbiornika (rys. 4). Czujniki na przemian generują impulsy i rejestrują sygnały AE zgodnie z ustalonym algorytmem. Rejestrowane sygnały AE są wynikiem generowania impulsów, propagacji fal i fal odbitych (w tym echa fal odbitych od osadów – rys. 5) w ropie naftowej magazynowanej w zbiorniku. Różnica czasów propagacji fal i fal odbitych pozwala na wyznaczanie wysokości osadów w określonych punktach na dnie zbiornika (rys. 6).

Na rys. 4 pokazano przykład rozmieszczenia czujników pomiarowych AE podczas wykorzystywania techniki AE do pomiarów wysokości osadów. Na rys. 5 pokazano przykład przebiegu sygnału AE z echami fal od dna i dachu zbiornika. Na rys. 6 przedstawiono wizualizację przestrzenną danych pomiarowych wysokości osadów w określonych punktach na dnie zbiornika.

Uzyskane dane pomiarowe wysokości osadów gromadzone są we wspólnej bazie pomiarowej (razem z danymi z pomiarów wzdłuż ścianki na obwodzie zbiornika).

Ocena objętości zalegających na dnie zbiornika osadów

Wszystkie uzyskane dane pomiarowe wysokości osadów w określonych punktach na dnie, zarówno przy ściance, jak i wewnątrz zbiornika, analizowane są z wykorzystaniem interpolacji wielomianowej, co ostatecznie pozwala na przedstawienie kształtu i wizualizację przestrzenną osadów (rys. 7).

Proces określania objętości osadów zalegających na dnie zbiornika, przeprowadza się poprzez wyznaczenie siatki podziału na elementy jednostkowe otrzymanego wykresu przestrzennego, kształtu osadów oraz numeryczne zliczanie objętości poszczególnych elementów wg ich wysokości (całkowanie numeryczne metodą prostokątów) – przykład podziału i wizualizację przestrzenną osadów pokazano na rys. 7.

Wynikiem oceny poziomu i ilości osadów zalegających na dnie zbiornika magazynowego jest objętość osadów podawana w m3 oraz wizualizacja przestrzenna osadów.

Podsumowanie

Opracowane na tym etapie projektu procedury i metodyki pomiarowe, jak również algorytmy obliczeniowe pozwalają na wizualizację kształtu osadów zalegających na dnie badanego zbiornika oraz określenie objętości tych osadów.

Zastosowanie zarówno techniki AE, jak i metody termografii okazało się skutecznym narzędziem do wyznaczania wysokości osadów w określonych punktach wewnątrz badanego zbiornika magazynowego.

Literatura:

¹ M. Monteiro, V. Svet, D. Sandilands, S. Tsysar: Experimental Investigations of Various Methods of Sludge Measurements in Storage Oil Tanks, Advances in Remote Sensing, Vol. 4, 2015;

²H . Hooyberghs: „Pictures” the Emissions of Storage Tanks with the Use of Infrared Cameras. 6th Annual Aboveground Storage Tank Conference & Trade Show Houston, Houston, 2013;

³I. Baran, G. Lackner: Analysis of Corrosion Processes and Leaks in Aboveground Storage Tanks with AE Monitoring, EWGAE 2012;

⁴ NDT Handbook – Third Edition Vol. 6 – Acoustic Emission Testing, Editors: R. K. Miller, E. v.

K. Hill and P. O. Moor, ASNT, 2005.

⁵ P N-EN 1330-9:2017-09 „Non-destructive testing - Terminology - Part 9: Terms used in acoustic emission testing”.

⁶ PN-EN 13554:2011 „Non-destructive testing - Acoustic emission testing - General principles”.

⁷ PN-EN 15856:2010 „Non-destructive testing - Acoustic emission - General principles of AE testing for the detection of corrosion within metallic surrounding filled with liquid”.

⁸ P N-EN ISO 18081:2016-08 “Non-destructive testing - Acoustic emission”.