Os desafios enfrentados pela detecção de vazamentos em dutos multifásicos
Com a necessidade cada vez maior de responder às mudanças climáticas e reduzir as emissões de gases de efeito estufa, a detecção eficaz de vazamentos em dutos, especialmente os dutos multifásicos, nunca foi tão importante.1
Os dutos multifásicos continuam sendo uma forma popular de transporte de fluidos porque podem operar em uma variedade maior de cenários do que as linhas monofásicas e transportar uma mistura de gás, petróleo e água.2
Figura 1: Um exemplo do regime de fluxo em estado estacionário de um duto multifásico
A ampla variedade de cenários disponíveis para uma tubulação multifásica também é um dos principais motivos pelos quais houve pouco progresso na detecção de vazamentos em tubulações multifásicas nas últimas décadas.
Como visto na Figura 1, um sistema de detecção de vazamentos que atenda a determinadas especificações de desempenho é difícil de ser selecionado e mantido pelos operadores de dutos, pois as linhas multifásicas operam sob diferentes regimes de fluxo em diferentes momentos.
Outro desafio enfrentado pelos sistemas de detecção de vazamentos em tubulações multifásicas é o alto custo e o baixo desempenho da instrumentação. Por exemplo, para obter uma precisão de medidor de vazão semelhante à das linhas monofásicas, é necessário separar o gás, a água e o óleo na entrada e na saída de uma tubulação multifásica.
Infelizmente, os melhores medidores de vazão multifásicos (MPFM) disponíveis só podem fornecer uma precisão entre dois e cinco por cento, o preço de um MPFM é superior a US$ 100.000 e os medidores de vazão mais precisos contêm gama, o que exige supervisão e manutenção cuidadosas.
Nos últimos anos, pesquisas e testes de campo significativos foram concluídos para desenvolver soluções que abordem os desafios dos sistemas de detecção de vazamentos em tubulações multifásicas.
Aqui discutiremos as tecnologias testadas em três dutos multifásicos:
- Dutos multifásicos com separadores
- Duto multifásico offshore
- Duto multifásico onshore
Tubulações multifásicas com separadores
No exemplo de dois oleodutos multifásicos de 30 polegadas e 21 km de comprimento, o operador decidiu medir o gás, o condensado e o MEG separadamente na entrada antes de combiná-los para a entrada no oleoduto de exportação.
O duto de exportação recebe o fluxo multifásico por meio de um receptor de pig, que é então separado nas três fases usando um separador para que o gás, o condensado e o MEG sejam medidos separadamente.
Figura 2: Diagrama esquemático do processo de medição de gás, condensado e MEG
As medições de fluxo e pressão estão disponíveis em ambas as extremidades dessas duas tubulações, portanto, o sistema estatístico de detecção de vazamento de tubulação Atmos Pipe é usado.
Os slugs de líquido são um desafio para a manutenção de um sistema confiável de detecção de vazamentos nessas duas tubulações multifásicas. Eles são formados e chegam ao terminal de recebimento devido à pigagem, ao slugging induzido pelo terreno e aos surtos de reinicialização e de rampa.
A vantagem dos sistemas de detecção de vazamentos Atmos Pipe é que eles podem ser ajustados para lidar com os slugs sem alarmes falsos. Para ambos os oleodutos, nenhum alarme de vazamento é gerado pela operação de pigging e pelo acúmulo de slugs líquidos.
Duto multifásico offshore
Em 2019, a Atmos realizou um teste em uma tubulação multifásica offshore nos EUA. O duto tinha 8 polegadas de diâmetro e 2,5 km de comprimento. Ele transporta principalmente petróleo e água com uma pequena fração de gás.
Não existia instrumentação nesse duto quando a Atmos iniciou esse teste, portanto, um sensor de pressão dinâmica e um medidor de fluxo Doppler foram instalados na entrada e na saída, juntamente com uma antena GPS para detecção confiável e localização precisa de vazamentos.
Figura 3: Configuração do sistema de instrumentação para o teste de detecção de vazamentos em dutos multifásicos
Os dados de fluxo e pressão foram enviados para uma estação de trabalho onde o sistema de detecção de vazamento por onda de pressão negativa foi instalado. Entre março e outubro de 2019, a qualidade dos dados operacionais foi analisada, avaliada e constatou-se que, embora as leituras do medidor de vazão fossem úteis para a indicação da direção da onda, elas forneciam poucas informações sobre a detecção de vazamentos com base no fluxo.
Os dados de fluxo dos medidores Doppler de fixação mostraram uma presença de bolhas de gás na saída, o que apresentou a possibilidade de uma discrepância de 35% entre as leituras de fluxo de entrada e saída. Isso fez com que a detecção de vazamento por onda de pressão negativa fosse adicionada à tubulação usando os dados de fluxo e pressão. As leituras do medidor de vazão são usadas em paralelo com a pressão para distinguir vazamentos de mudanças operacionais de rotina.
Figura 4: Instalação do medidor de pressão e vazão
Vários testes de retirada de fluido foram realizados com o apoio do operador para identificar o limite para o menor vazamento detectável e, ao mesmo tempo, não gerar nenhum ou o menor número de alarmes falsos. As conclusões da análise de dados e dos testes de vazamento foram que um vazamento de 3% poderia ser detectado nesse duto multifásica com um nível substancialmente baixo de alarmes falsos. O preço da instrumentação também era semelhante ao que seria usado em tubulações monofásicas.
Duto multifásico onshore
Esse cliente opera um duto NP 6 multifásica em terra que passa por baixo de um rio, portanto, há uma exigência maior de um sistema eficaz de detecção de vazamentos. A tubulação tem apenas 3,7 quilômetros de comprimento, mas tem uma mudança de elevação de 70 metros durante sua transição sob a água, o que resulta em mudanças no regime de fluxo de fluido ao longo da tubulação. Isso representa um desafio para o desenvolvimento de um sistema de detecção de vazamentos sem medição de componentes e balanço de fluxo de massa.
Figura 5: Perfil de elevação do duto multifásico - uma queda de 70 metros na travessia do rio
Além disso, a tubulação contém uma mistura altamente variável de óleo e gás, em que o regime de fluxo não é fixo e varia entre bolha alongada, slug e fluxo de agitação. Esse é um dos cenários mais desafiadores para a detecção eficaz de vazamentos, o que levou a um projeto de pesquisa de quatro anos entre o cliente e a Atmos.
Um sensor de pressão foi instalado em cada lado do rio quando a investigação inicial começou em 2018. Os testes de vazamento testaram os recursos do sistema de onda de pressão negativa e, dos oito vazamentos gerados, apenas um foi detectável pelo sistema. Descobriu-se que as bolhas de gás alongadas causadas pela composição variável de petróleo e gás estavam afetando o desempenho do sistema baseado em pressão, portanto, foram feitas recomendações para adicionar dois sensores de pressão na tubulação.
Novos dados de pressão adicionais permitem que o algoritmo de detecção de vazamento verifique as ondas de pressão negativa em relação a todos os sensores de pressão disponíveis e deduza se o evento é operacional ou um vazamento, aumentando a confiabilidade ao trabalhar com um cenário de fluxo multifásico.
Foram realizados mais testes de vazamento com os dois sensores de pressão adicionais e os resultados mostraram que o sistema de onda de pressão negativa detectou a maior parte do vazamento controlado, mantendo uma baixa taxa de alarme falso.
Para reduzir o tamanho mínimo de vazamento detectável sem aumentar a taxa de alarme falso, foi realizada uma pesquisa adicional, a pedido do cliente, que considerou as seguintes áreas de aprimoramento:
- Instrumentação de campo
- Operações do duto
- Ferramenta de inspeção em linha
Juntamente com a transição de nosso cliente para operações mais tranquilas, descobriu-se que o sistema de onda de pressão negativa poderia detectar suficientemente os vazamentos menores sem aumentar a taxa de alarme falso.
Figura 6: A detecção de um vazamento menor
Os dutos multifásicos também costumam ser submetidos a pigging para limpar os dutos de detritos e líquidos estagnados. A Atmos desenvolveu um pig de detecção acústica, uma ferramenta de detecção de vazamentos off-line que pode detectar vazamentos ainda menores que passariam despercebidos pelo sistema on-line. Assim como as soluções alcançadas no caso do duto offshore discutido anteriormente, essa ferramenta é econômica e facilmente implantada no local, pois é menor e pode ser acoplada a um pig de limpeza antes da pigagem de rotina.
A pesquisa e os testes de campo acima foram realizados entre 2018 e 2022, concluindo que o sistema de onda de pressão negativa, juntamente com ferramentas de inspeção off-line, como o pig de detecção acústica, pode detectar vazamentos com precisão e gerar alarmes falsos mínimos. O sistema on-line entrou em operação em março de 2022 e nenhum alarme falso foi gerado.
Mudando o futuro da detecção de vazamentos em dutos multifásicos
Embora a detecção de vazamentos em dutos multifásicos apresente um risco de alto custo, complexidade e imprecisão, a Atmos realizou três projetos que demonstram a viabilidade de um sistema de detecção de vazamentos confiável e sensível.
Para saber mais sobre as novas descobertas na detecção de vazamentos em tubulações multifásicas, baixe o artigo na íntegra, conforme apresentado pela primeira vez na International Pipeline Conference and Exposition 2022.