Rilevazione di perdite di fluido da serbatoi per GPL mediante tecnica basata sul metodo di Emissione Acustica

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1 Rilevazione di perdite di fluido da serbatoi per GPL mediante tecnica basata sul metodo di Emissione Acustica G. Augugliaro (1), F. Brini (1), C. De Petris (1), P. Lenzuni (2), C. Mennuti (1) (1) INAIL Settore Ricerca Certificazione e Verifica Dipartimento Tecnologie di Sicurezza Centro Ricerche, via Fontana Candida Monteporzio Catone (RM), tel , fax , mail g.augugliaro@inail.it, c.depetris@inail.it, c.mennuti@inail.it (2) INAIL Settore Ricerca Certificazione e Verifica Dipartimento Territoriale di Firenze, via delle Porte Nuove Firenze, tel , fax , mail p.lenzuni@inail.it SOMMARIO In questo lavoro vengono discusse le potenzialità del metodo ad Emissione Acustica per il monitoraggio dei serbatoi in pressione interrati contenenti GPL, ed in particolare per la rivelazione in tempo reale di perdite, sia in fase liquida che in fase vapore, altrimenti assai difficili da individuare. Lo schema sviluppato prevede l utilizzo di due coppie di sensori con diversa risposta in frequenza. L acquisizione dei segnali avviene in continuo, e ad intervalli regolari vengono memorizzati i parametri rilevanti ai fini della diagnostica. L analisi dei dati consente di ricavare informazioni relative sia all entità della perdita, sia alla sua localizzazione. Prove sperimentali condotte con perdite estremamente ridotte dimostrano che il limite di sensibilità di questo metodo è dell ordine di 0,2 l/min ad una distanza di 1 metro. INTRODUZIONE Da molti anni il metodo ad Emissione Acustica (EA) viene impiegato con successo nella verifica di integrità dei recipienti in pressione interrati contenenti GPL, ai fini della loro riqualificazione [1]. Lo stesso metodo si presta tuttavia ad una molteplicità di altri impieghi fra cui la rilevazione di perdite [2]. Diversi autori hanno a questo proposito dimostrato che mediante analisi relativamente semplici dei segnali EA si riescono a localizzare perdite con notevole precisione [3], [4], [5]. Il problema più spesso affrontato è la localizzazione di perdite di entità significativa in reti di tubazioni sufficientemente estese. Resta invece poco considerato il problema della definizione di un limite di sensibilità del metodo e della ricerca di perdite di modesta entità su scale spaziali di qualche metro. La finalità di questo lavoro è indagare questi aspetti e presentare una curva limite di sensibilità in funzione della distanza sorgente-sensore. 1

2 TEST SPERIMENTALI Il lavoro qui presentato si fonda su alcuni test sperimentali condotti su serbatoi di GPL presso il Centro Ricerche INAIL di Monteporzio Catone. I test sono stati condotti simulando una perdita di entità variabile, ma comunque molto piccola (da 0,2 a 1,1 litri al minuto). In prossimità della perdita sono stati posizionati sei sensori, tre di tipo Vallen VS30-V [6], di frequenza caratteristica 30 khz e con un preamplificatore esterno da 46 db, e tre di tipo Vallen VS75-SIC [6], di frequenza caratteristica 75 khz preamplificati Perdita internamente di 34 db. In particolare, per ciascuna delle tre distanze 25 cm, 50 cm, 100 cm è stata posizionata una coppia di sensori (vedi Figura 1). La perdita è stata generata attraverso la valvola del manometro e mediante un flussimetro Metrosonic modello aq ne è stata quantificata l entità. Una volta attivata la perdita VS75-SIC desiderata, è stata avviata VS30-V l acquisizione simultanea da parte dei sei sensori. Poiché l acquisizione è avvenuta senza soglia, essa ha prodotto un segnale continuo, che è stato arbitrariamente discretizzato in segmenti di 3,2 ms. Dato che la durata di ciascun test è stata di secondi, per ogni perdita sono stati acquisiti segnali. Per ciascun segnale sono stati memorizzati i seguenti Figura 1 Set-up sperimentale parametri: tempo di arrivo, canale, ampiezza, energia. L elaborazione dei segnali è avvenuta su un sistema Vallen AMSY-5 [7]. RISULTATI I segnali ottenuti in corrispondenza di ciascuna perdita sono stati analizzati innanzitutto per evidenziare l eventuale presenza di irregolarità nella perdita. La Figura 2 mostra la sequenza temporale delle ampiezze (in db) dei segnali acquisiti, nella quale si nota come in alcune fasi (due in particolare) si siano manifestate macro-irregolarità nella perdita. I dati acquisiti durante queste fasi sono stati rimossi onde migliorare l omogeneità dell informazione sottoposta ad analisi. Successivamente per ciascuna perdita è stata calcolata l ampiezza media, e l associata incertezza sulla media. La Tabella 1 riassume i 2

3 Ampiezza [db] risultati ottenuti. Sia le ampiezze, intese come ampiezze medie, che le incertezze sono date in db a1 a2 a3 20 a4 a5 a Tempo [s] Figura 2 Andamento nel tempo dell ampiezza dei segnali Flusso F (l/min) 0 0,20 0,53 0,79 1,1 Sensore (khz) / Distanza (cm) 30/25 30/50 30/100 75/25 75/50 75/100 Ampiezza 23,50 23,33 23,36 26,77 26,61 26,36 Incertezza 0,03 0,03 0,03 0,01 0,01 0,01 Ampiezza 23,82 23,43 23,52 26,87 26,63 26,40 Incertezza 0,06 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 Ampiezza 23,64 23,64 23,61 27,55 26,85 26,45 Incertezza 0,07 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 Ampiezza 25,28 24,41 24,16 28,92 27,34 26,60 Incertezza 0,05 0,10 0,09 0,11 0,08 0,03 Ampiezza 27,09 24,64 24,42 30,01 27,84 26,70 Incertezza 0,06 0,02 0,03 0,04 0,02 0,01 Tabella 1 Sintesi dei risultati 3

4 ANALISI DATI Soglia di sensibilità L analisi dati è stata inizialmente indirizzata alla determinazione della soglia di sensibilità. In quest ottica l ampiezza media relativa a ciascuna perdita è stata confrontata con l ampiezza media ottenuta in assenza di perdite mediante un test t di confronto fra due medie [8]. La Tabella 2 mostra i risultati dei diversi test t eseguiti, in funzione della tipologia di sensore e della distanza sorgente sensore. Poiché l obiettivo è stabilire se l ampiezza media per ciascun valore della perdita F > 0 è superiore all ampiezza media per F = 0, si tratta di un test monolaterale. Tenuto conto del fatto il numero di gradi di libertà del test è molto grande, il valore critico è quello di un test z, e con un livello di confidenza del 95% vale 1,65. E immediato notare come, grazie all enorme numero di segnali acquisiti per ciascuna condizione sperimentale, sia possibile dimostrare la significatività della differenza fra due medie anche molto vicine l una all altra, e quindi l adeguatezza del metodo a rilevare perdite anche molto basse (fino a F = 0,20 l/min specie per i sensori a 30 khz). Frequenza sensore (khz) / Distanza (cm) Flusso (l/min) 30/25 30/50 30/100 75/25 75/50 75/100 0,20 5,20 2,95 4,29 4,11 1,02 2,75 0,35 7,64 1,79 3,75 4,41 2,42 1,72 0,53 15,34 8,69 6,87 29,45 9,52 5,27 Tabella 2 Test di differenza fra le ampiezze medie per perdite diverse Modello interpretativo Successivamente è stato sviluppato un semplice modello interpretativo dell Emissione Acustica che prevede la presenza di due componenti: a) la prima data dal rumore di fondo del sensore e della catena di misura; b) la seconda data dal segnale di tipo fluidodinamico generato dal passaggio del fluido nella fessura dove si genera la perdita. La componente a) L Noise, è un valore costante che dipende soltanto dalla tipologia di sensore e della catena di misura. La componente b) è ben rappresentata, alla sorgente, da una forma funzionale del tipo LAero = L0 β log F nella quale le due quantità L 0 e dipendono soltanto della frequenza caratteristica del sensore. La (1) corrisponde ad una dipendenza dell energia acustica dal flusso (1) E Aero F 0,1 β (2) 4

5 Ampiezza [db] La quantità L Aero viene poi modificata dall attenuazione che interviene durante la propagazione dell onda, e che nel modello è schematizzata mediante la quantità α [db/m] anch essa funzione soltanto della frequenza caratteristica del sensore. Nel complesso il modello possiede quattro parametri liberi, L Noise, L 0,, α. Il modello è stato applicato separatamente ai dati ottenuti con le due tipologie di sensori. Eseguendo il best fit ai dati sperimentali sono stati ottenuti due distinti set di parametri, uno per ciascuna tipologia di sensori, presentati nella Tabella 3. L Noise L 0 α Sensore (db) (db) (db/m) 30 khz 23,62 28,70 23,80 22,61 75 khz 26,52 31,87 17,73 21,57 Tabella 3 Parametri liberi dei modelli I risultati dei fit, limitatamente ai sensori posizionati a 50 e 100 cm dalla sorgente, sono mostrati nella Figura 3. Per flussi inferiori a circa 0,4 litri/minuto l emissione acustica è dominata dal rumore di fondo dei sensori. Ciò tuttavia non impedisce, come chiarito in precedenza, di riuscire a rivelare perdite anche inferiori a questo valore soglia. Per flussi intorno a 1 litro/minuto l ampiezza del segnale è circa 1 db sopra il rumore di fondo a 25 cm e circa 2,5 db sopra il rumore di fondo a 100 cm exper 30kHz_25cm teor 30kHz_25cm exper 30kHz_50cm teor 30kHz_50cm exper 75kHz_25cm teor 75Khz_25cm exper 75Khz_50cm teor 75kHz_50cm 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Flusso [l/min] Figura 3 Modelli previsionali e dati sperimentali 5

6 Localizzazione e quantificazione della perdita Una volta verificatane l adeguatezza, è possibile utilizzare il modello interpretativo nelle sue due versioni, una per ciascuna tipologia di sensori, per ricavare dai dati sperimentali le informazioni praticamente più rilevanti, ovvero posizione ed entità della perdita. In quest ottica, sono state ipotizzate tre possibili configurazioni: 1) due sensori a 30 khz ad una reciproca distanza D; 2) due sensori a 75 khz ad una reciproca distanza D; 3) due coppie di sensori (30 khz-75 khz), dove i due sensori di ciascuna coppia sono spazialmente coincidenti, la coppia in posizione x 1, la coppia b in posizione x 2, e le due coppie sono poste ad una distanza reciproca x 2 x 1 = D. E stata poi tentata la determinazione dei due parametri posizione e entità della perdita sfruttando le informazioni (ampiezza dei segnali) ottenibili nelle tre configurazioni. Nei casi 1) e 2) il sistema è perfettamente determinato, in quanto si cercano due parametri disponendo di due ampiezze. Si ottiene pertanto una soluzione della quale è però impossibile valutare l incertezza ovvero l affidabilità. Nel caso 3) al contrario il sistema è sovra-determinato (due incognite, quattro dati sperimentali) e quindi è possibile anche determinare l incertezza sui due parametri ricavati. La Tabella 4 mostra i risultati, ottenuti utilizzando la configurazione 3), in alcune simulazioni nelle quali il sistema ricerca posizione ed entità della perdita. Si è posto x 2 = 100 cm, x 1 = 25 cm e dunque D = 75 cm. Simulazione Parametro incognito Posizione della sorgente (cm) Entità della perdita (l/min) Vera Individuata Vera Individuata a 0-18,5 0,35 0,404 b 0 12,3 0,64 0,508 c 0-6,5 1 1,097 d 0-3,6 1,1 1,254 Tabella 4 Localizzazione e quantificazione della perdita I risultati presentati nella Tabella 4 indicano che perdite dell ordine di 1 litro/minuto possono essere localizzate entro qualche centimetro (4 6) e quantificate entro il 10 12%. Per perdite dell ordine di 0,5 litri/minuto la precisione di localizzazione si attesta intorno ai cm, e gli scarti tipici sull entità intorno al 15 20%. Perdite ancora più basse sono localizzate e quantificate con precisioni progressivamente decrescenti fino a raggiungere il limite di sensibilità del metodo situato intorno a 0,20 l/min come visto in precedenza. E interessante notare come l algoritmo di ottimizzazione del modello individui generalmente una soluzione ottimale che consiste di una sovrastima del flusso unita ad una sovrastima della distanza alla quale è posta la sorgente. E possibile che ciò sia dovuto alla eccessiva semplicità con cui è stata schematizzata l attenuazione, assunta con coefficiente costante indipendentemente dalla distanza dalla sorgente. Futuri sviluppi del modello, inserendo contributi che tengano conto separatamente dell attenuazione sia in campo 6

7 vicino che in campo lontano, dovrebbero migliorare notevolmente la precisione del risultato. Ciò potrà tuttavia avvenire solo a valle di una estensione dell attività sperimentale in via di pianificazione. CONCLUSIONI Il monitoraggio in continua su serbatoi di GPL in pressione consente di rivelare l esistenza di perdite in fase vapore anche di entità molto ridotta, largamente sotto 0,5 l/min. Questo risultato si ottiene grazie al fatto che il numero di segnali acquisito è estremamente elevato e pertanto, in assenza di elementi interferenti, l ampiezza media del segnale è estremamente stabile e ben conosciuta. L analisi è stata eseguita mediante sensori EA commerciali che operano con frequenze di risonanza sia di 30 khz che di 75 khz, posti a distanze dell ordine di cm dalla perdita. Un semplice modello interpretativo che consiste di una prima componente di fondo e di una seconda componente di natura fluidodinamica (attenuata) è stato verificato adeguato a descrivere il fenomeno osservato. Mediante due coppie di sensori poste a distanza reciproca dell ordine di 1 metro è possibile localizzare una perdita di 1 l/min entro qualche centimetro (< 6) e quantificarne l entità entro il 12%. Perdite inferiori sono localizzate e quantificate con precisioni progressivamente crescenti. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI [1] Decreto Ministeriale 17 Gennaio 2005, Suppl. Ordinario n. 15, Procedura operativa per la verifica decennale dei serbatoi interrati per GPL con la tecnica basata sul metodo delle emissioni acustiche. [2] Pollock A.A., Hsu S.Y.S., Leak detection using acoustic emission, Journal of Acoustic Emission, 1, (1982). [3] Anastasopoulos A., Kourousis D., Bollas K., Acoustic Emission leak Detection of Liquid Filled Buried Pipeline, Journal of Acoustic Emission, 27, (2009). [4] Nefedyev E., Remote Sensing of Leaks Parameters by Acoustic Emission Method, Proceedings of the 30 th International Conference on Acoustic Emission Testing, Granada, September 12 15, 2012, pag [5] Forestier Y., Fan Z., Truchetti L., Qualification of the Acoustic Emission Method for Leak Detection in the Main Primary Loop of the Pressurized Water Reactors During its Hydraulic Pressure Test, Proceedings of the 30 th International Conference on Acoustic Emission Testing, Granada, September 12 15, 2012, pag [6] [7] [8] Dowdy S., Wearden S., Statistics for research, Wiley (1991). 7