LOCALIZZAZIONE E CLASSIFICAZIONE DELLE FUGHE GAS:

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1 S.r.l. LOCALIZZAZIONE E CLASSIFICAZIONE DELLE FUGHE GAS: evoluzioni e relative strumentazioni ing. Walter Brand HANS BRAND srl - Milano Fasi dell ispezione della rete secondo le linee guida ATIG Programmazione Prelocalizzazione mediante aspirazione dalla superficie stradale Localizzazione mediante aspirazione da fori Classificazione della dispersione in base alla pericolosità Page 1 1

2 Linee guida ATIG Classificazione delle dispersioni di gas del 18/12/2002 Dispersione di classe C: è la dispersione che a giudizio del distributore ed in base alle norme tecniche vigenti può ammettere una riparazione oltre i 30 giorni solari ed entro 9 mesi dalla sua localizzazione Distanza D del foro di localizzazione da fabbricati e/o cavità D > 4 m Nel foro di classificazione a 4 m da fabbricati/cavità non vi è presenza di gas Influssi atmosferici sulla diffusione del gas nel terreno punto di fuga estensione 5 %vol m Fonte: Sewerin Pioggia: estensione minima della dispersione Gelo: Dispersione aumenta notevolmente Indispensabile il controllo di cavità e scantinati Superfici umide o gelate ostacolano la diffusione del gas Page 2 2

3 Problemi nella classificazione delle dispersioni di classe C In caso di gelo la dispersione può raggiungere in brevissimo tempo eventuali cavità poste a 4 m dal punto di fuga, che perciò va riparata prima della stagione fredda. Definizione di assenza di gas: per la sua misura vanno utilizzati strumenti con risoluzione 1 %vol. ed 1 %LIE (CH 4 : 0,044 %vol. = 440 ppm). In entrambi i casi queste concentrazioni non sono misurabili con un minimo grado di affidabilità se non con strumentazioni particolari, attualmente non prescritte. Linee guida ATIG Classificazione delle dispersioni di gas del 18/12/2002 Dispersione di classe B: è la dispersione che a giudizio del distributore ed in base alle norme tecniche vigenti può ammettere una riparazione entro 30 giorni solari dalla sua localizzazione Distanza del foro di localizzazione 0,5 m D 4 m da cavità e concentrazione di gas nel foro di classificazione a 0,5 m da cavità < 80 %LIE Page 3 3

4 Problemi nella classificazione delle dispersioni di classe B Applicare il criterio della distanza da cavità del foro di localizzazione con dispersioni nelle immediate vicinanze da fabbricati (classe B) è pericoloso; sarebbe meglio basarsi esclusivamente sulle concentrazioni di gas misurate nel terreno La concentrazione di gas X 0,5 < 80 %LIE da misurare nel foro di classificazione a 0,5 m da cavità non è misurabile con un minimo grado di affidabilità se non con strumentazioni particolari, attualmente non prescritte. Linee guida ATIG Classificazione delle dispersioni di gas del 18/12/2002 Ai fini della classificazione delle dispersioni, il distributore è tenuto ad utilizzare una strumentazione avente le caratteristiche indicate per ogni tipo di gas nelle relative linee guida per l esecuzione delle ispezioni programmate della rete. Valutazione della dispersione in funzione della distanza D del foro di localizzazione da fabbricati e/o cavità prossimi al foro stesso e del valore di concentrazione di gas X, misurato all interno del foro. Concentrazione di gas da misurare all interno del foro X 80 %LIE (80 %LIE CH4 = 3,5 %vol.) Page 4 4

5 Linee guida ATIG Esecuzione delle ispezioni programmate della rete per gas con densità 0,8 del 18/12/2002 Gli strumenti rilevatori di gas da utilizzarsi per la localizzazione e classificazione delle dispersioni gas su tubazioni interrate devono essere in grado di misurare sia sulla scala %volumetrico che sulla scala %LIE. La risoluzione deve essere almeno dell 1% del valore di fondo scala, con errore inferiore al 10% dello stesso valore. Vengono perciò suggeriti strumenti con sensore a conducibilità termica (campo %vol.) ed a combustione catalitica (campo %LIE). Combustione catalitica (CC): principio di funzionamento Gas Filamento Fonte: Sewerin Gas combustibili bruciano in presenza di sufficiente ossigeno su una superficie riscaldata elettricamente ed attivata cataliticamente, riscaldandola ulteriormente e modificandone la resistenza elettrica. Questa variazione viene misurata con circuiti idonei. Page 5 5

6 Impiego di apparecchi con sensori a combustione catalitica Il campo tipico dei sensori a combustione catalitica è %LIE. Apparecchi con sensori a combustione catalitica vengono perciò utilizzati in locali od ambienti chiusi per segnalare l avvicinamento al valore del LIE. In questo caso devono essere certificati ATEX per la costruzione a sicurezza intrinseca (EEx) e per le prestazioni (EN 50054/57). Non possono venir utilizzati per la misura delle concentrazioni di gas in fori di sondaggio per la mancanza dell ossigeno. Sensori CC per la localizzazione e classificazione delle dispersioni? Il campo %LIE (tipico dei sensori a combustione catalitica), richiesto dalle linee guida ATIG in strumenti da utilizzare per la localizzazione e classificazione delle dispersioni gas su tubazioni interrate, è giustificato solamente se utilizzato per la verifica di presenza di gas all interno di edifici. L indicazione di concentrazioni in fori di sondaggio espresse nell unità %LIE è potenzialmente pericolosa perché induce gli operatori ad utilizzare per la classificazione campi di misura che tipicamente utilizzano sensori a combustione catalitica, non utilizzabili a questo scopo. Page 6 6

7 Conducibilità termica (TC): principio di funzionamento Gas filamento Fonte: Sewerin Un elemento riscaldato elettricamente varia la sua temperatura e perciò anche la sua resistenza elettrica in base alla conducibilità termica ed al calore specifico del gas campionato. In presenza di metano il filamento si raffredda, in presenza di gas pesanti si riscalda. Questa variazione viene misurata con circuiti idonei. Conducibilità termica di alcuni gas Conducibilità termica [mw/mk] Temperatura Fonte: Sewerin Page 7 7

8 Influsso della temperatura d esercizio del sensore TC Indipendentemente dalla temperatura del sensore, il metano CH4 ha una conducibilità termica sempre superiore e l anidride carbonica CO2 una inferiore rispetto al gas di riferimento aria Idrocarburi più alti tagliano la linea dell aria a ca C: sensori ad alta temperatura (> 400 C) hanno un indicazione positiva per tutti gli idrocarburi, perciò maggiore in sensori a bassa temperatura (< 100 C) l indicazione viene influenzata negativamente dai gas pesanti, risulta perciò inferiore o negativa Combustione di altri idrocarburi in sensori TC ad alta temperatura Marcata nonlinearità alle basse concentrazioni TC concentrazione in %vol. Fonte: Sewerin Page 8 8

9 Fenomeni di combustione causati a Hot spots Problemi della misura della conducibilità termica Nella misura della conducibilità termica di un gas è determinante la temperatura di esercizio del sensore. La miscela di più gas, come tipicamente avviene nei fori di sondaggio (metano ed altri idrocarburi, ossigeno, azoto, vapore acqueo ed anidride carbonica) comporta notevoli nonlinearità, definibili solo empiricamente. Page 9 9

10 Composizione e caratteristiche dei gas naturali distribuiti in Italia Gas Unità Italia Russo Olanda Algeria CH4 % mol. 99,62 98,25 92,66 83,66 C2H6 % mol. 0,06 0,54 2,95 7,71 C3H8 % mol. 0,03 0,16 0,81 1,95 C4H10 % mol. 0,01 0,04 0,27 0,69 CO2 % mol. 0,03 0,08 0,89 0,20 N2 % mol. 0,24 0,87 2,28 5,40 O2 % mol. 0,00 0,00 0,00 0,00 Pot.Cal.sup. Kcal/Sm³ 9,01 9,01 9,13 9,50 Pot.Cal.inf. Kcal/Sm³ 8,11 8,12 8,23 8,58 Massa vol. kg/sm³ 0,68 0,69 0,74 0,80 Fonte: Metanino - SNAM Indicazione del gas naturale Indicazione strumento 100 Metano CH4 Gas naturale A Gas naturale B %vol. gas Page 10 10

11 Errori di misurazione dovuti alla composizione del gas naturale Le strumentazioni utilizzate in campo vengono calibrate con metano puro. Essendo variabili la composizione e le caratteristiche del gas naturale distribuito in rete, stesse sue concentrazioni vengono indicate in modo differente dagli strumenti Questo effetto vale specialmente per strumenti con sensori a combustione catalitica e conducibilità termica, utilizzati per la localizzazione e classificazione delle dispersioni Danni alla vegetazione Fonte: O.G. Bolte / M. Heydenreich Page 11 11

12 Composizione dell aria nel terreno Terreno Atmosfera % vol. % vol. areato non areato N O 2 20, CO 2 0, Produzione di CO2 nel terreno in dipendenza della profondità produzione CO 2 [ mg / (m 2 cm h) ] Profondità [cm] Fonte: Sewerin Page 12 12

13 Concentrazioni nel terreno di CH 4, O 2 e CO 2 in presenza di fuga 30,0 25,0 20,0 O2 CH4 CO2 WL 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0-15,0 Fonte: Sewerin Concentrazioni nel terreno dopo la riparazione di una fuga 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0-15,0 O2 CH4 CO2 WL Fonte: Sewerin Page 13 13

14 Concentrazioni nel terreno di CH 4 e CO 2 in presenza di fuga Conducibilità termica in dipendenza della temperatura sensore Apparecchio [CH4] da anno Temp. Coeff. CH4 Aria CO2 sensore CH4/CO2 VARIOTEC 6 nov C ,58 SR3-EX-P (1K) apr C ,06 EX-TEC SR4 lug C ,75 EX-TEC PM300 apr C ,75 EX-TEC PM 4 mar C ,14 Esempio: Apparecchio: EX-TEC SR4 metano Campione gas: 60 %vol. CH4, 12 %vol. CO2 e 28 %vol. aria Coefficiente CH4 / CO2: - 0,75 Indicazione teorica: 60 %vol. CH4-0,75x12 %vol. CO2 = 51 %vol. Page 14 14

15 Misura di campioni contenenti CH 4 e CO 2 Sensore TC a 86 C Coefficiente CO 2 /CH 4 = -0,75 5 %vol. CO 2 x (-0,75 CO 2 /CH 4 ) = -3,8 %vol. CH 4 Sensore TC a 180 C Coefficiente CO 2 /CH 4 = -0,58 6 %vol. CO 2 x (-0,58 CO 2 /CH 4 ) = -3,5 %vol. CH 4 Sensore TC a 380 C Coefficiente CO 2 /CH 4 = -0,14 25 %vol. CO 2 x (-0,14 CO 2 /CH 4 ) = -3,5 %vol. CH 4 Cambio scala/sensore automatico in apparecchi multicampo Il cambio automatico - dal sensore a combustione catalitica a quello a conducibilità termica - avviene ad una precisa concentrazione preimpostata, sempre inferiore al 100 %LIE. Nei campioni di gas aspirati da fori di sondaggio manca al sensore a combustione catalitica il necessario ossigeno: causa la mancata o insufficiente combustione del gas risultano concentrazioni molto più basse. Apparecchi che usano il sensore a combustione catalitica per la misura delle basse concentrazioni non possono essere utilizzati per l analisi di campioni d aria dai fori di sondaggio. Il cambio automatico dal sensore CC al sensore TC può risultare troppo ritardato oppure del tutto assente! Page 15 15

16 Rimedi Impiego di filtri (contenenti calce sodata) che assorbono l anidride carbonica: Allungamento dei tempi di aspirazione e spurgo Non viene assorbito il 100 % del CO 2 Saturazione del filtro difficilmente valutabile Impiego di strumenti con indicazione automatica dei gas pesanti - specialmente CO 2 - e relativa correzione del valore del metano Classificazione di fughe con e senza separazione gas pesanti Classe A 1 / A 2! 2,40 m Classe B Presenza di gas misurata con separazione gas pesanti Presenza di gas misurata senza separazione gas pesanti Page 16 16

17 Strumenti con indicazione automatica dei gas pesanti (CO 2 ) Indispensabile per la precisa misurazione di basse concentrazioni di gas nei fori di sondaggio Indicazione contemporanea delle concentrazioni di CH 4 e di CO 2 Impiego di 2 sensori a conducibilità termica con temperature d esercizio differenti In Germania obbligatori per la localizzazione e classificazione delle fughe DVGW G465/4 - marzo 2001 Precisione delle misurazioni con due sensori TC Strumenti con due sensori a conducibilità termica vengono calibrati normalmente con metano CH4 ed anidride carbonica CO2 I principali gas di disturbo sono propano, etano e butano Altri gas sono presenti in concentrazioni minime o in tracce e perciò il loro influsso sulla conducibilità termica è nullo o negligibile Eventuali errori di misura sono sempre dal lato sicuro e non portano a classificazioni errate Page 17 17

18 Vantaggi delle misurazioni con due sensori TC Indicazione della massima concentrazione più marcata e migliore individuazione del punto di dispersione Specialmente vecchie dispersioni sotto superfici compatte possono venir localizzate meglio basandosi sulla concentrazione del CO2, evitando eventualmente l aspirazione della sacca di gas. Localizzazione di piccole fughe, anche quando il metano è trasformato in larga misura in CO2 Il ricontrollo di una riparazione, quando non fuoriesce più metano fresco, può venir effettuato con maggiore efficacia Localizzazione delle dispersioni Page 18 18