Budowa bezpiecznych rurociągów

W latach siedemdziesiątych producenci środków chemicznych zaczęli zwracać uwagę na instalacje rurociągów, którymi przesyłane są media chemiczne, pod kątem zabezpieczenia przed ich wyciekiem do wód gruntowych. Częściowo powodem było niedostateczne zabezpieczenie rurociągów zbudowanych z elementów rur o pojedynczej ściance.

Obecnie w USA, aby spełnić wymagania EPA (Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska) dotyczące przesyłania instalacjami podziemnymi niebezpiecznych środków chemicznych, taka instalacja musi mieć:

• podwójną obudowę,
• automatyczny system wykrywania przecieków (w instalacjach ciśnieniowych),
• zewnętrzną zabezpieczającą obudowę, odporną na działanie przesyłanego medium przez minimum 30 dni.

Aby wykonać dodatkową obudowę bezpieczeństwa rurociągu, należy wziąć pod uwagę pewne parametry projektowe. To, czy układ rurociągu jest pod ciśnieniem, czy jest rurą drenażową bądź rurą, przez którą odprowadzane są ścieki, ma duże znaczenie przy jego projektowaniu, doborze materiałów, grubości ścianki i wyborze metody wykrywania nieszczelności. Również na jego budowę ma wpływ to, czy rurociąg będzie prowadzony pod, czy nad ziemią.

 Należy również wziąć pod uwagę ewentualne ograniczenia przestrzenne. Wymagania, takie jak na przykład dotyczące doboru materiału i grubości rur, dopuszczalnego ciśnienia medium w stosunku do zwartego układu rur umieszczonych na podporach lub w pobliżu konstrukcji budowlanych, będą inne, niż odnoszące się do układu niemającego żadnych ograniczeń przestrzeni (fot. 1).

Dobór materiału zależy od wielu czynników. Jeśli chodzi o rurociąg główny (rury wewnętrzne), główną cechą, którą należy brać pod uwagę, jest odporność materiału na działanie korozyjne przesyłanego nim płynu.

Podobne kryterium musi być zastosowane w stosunku do zewnętrznego przewodu rurowego. Wzajemne oddziaływanie wewnętrznego i zewnętrznego układu rurociągu, to, jak one są połączone i jaką metodą, jak łączenie wpływa na montaż układu, możliwość dopasowania zewnętrznego rurociągu i zastosowania metod połączenia z przewodem wewnętrznym, to czynniki mające wpływ na dobór materiałów.

Przy wyborze materiałów, które mają zostać zastosowane, należy przeprowadzić trudną analizę, przewidzieć, kiedy i jak długo przesyłany płyn będzie w kontakcie z rurociągiem zewnętrznym. Zewnętrzny rurociąg musi spełniać wymagania EPA, które określają, że w przypadku uszkodzenia rurociągu głównego musi on wytrzymać działanie przesyłanego medium przez okres minimum 30 dni. Należy również rozważyć możliwość jego uszkodzenia przez działanie zewnętrznych warunków otoczenia.

Jeżeli w pewnych, dobrze zaprojektowanych i wykonanych rurociągach występuje tylko rzadka możliwość krótkiego kontaktu rury zewnętrznej z agresywnym płynem (powodującym korozję), to można zastosować tańsze rury.

Tylko dobrze zaprojektowany, wykonany, zmontowany i uruchomiony układ rurociągu, z podwójnymi ściankami zabezpieczającymi, zapewnia jego bezpieczne użytkowanie. Takie układy rurociągów mają zazwyczaj specjalne przeznaczenie i z tego względu są projektowane na zamówienie (rys. 2).

Wykrywanie przecieków

Jedną z najważniejszych spraw dotyczących rurociągów z podwójnymi ściankami zabezpieczającymi jest potrzeba wykrywania przecieków. Bez skutecznych i niezawodnych środków umożliwiających uzyskanie informacji o pojawieniu się przecieku to dodatkowe zabezpieczenie w postaci drugiej, zewnętrznej rury zabezpieczającej jest rozwiązaniem kompromisowym.

Dawniej, gdy występowała możliwość przecieku płynu do rury zewnętrznej, stosowano trzecią osłonę zabezpieczającą – umieszczano rurociąg z podwójnymi ściankami w betonowej obudowie.

Pozostawienie niewykrytego wycieku płynu w rurze zewnętrznej może doprowadzić do jej skorodowania i przedostania się płynu na zewnątrz, do otoczenia. Bardzo ważne jest jak najszybsze wykrycie przecieku, aby ograniczyć do minimum możliwość wycieku płynu na zewnątrz.

^{Fot. 1. Rurociągi o podwójnym zabezpieczeniu przed przeciekami wymagają więcej przestrzeni (zdjęcie dzięki Ipex/Guardian Systems)}

Wdrożenie efektywnie działającego systemu wykrywającego nieszczelności jest związane z wieloma aspektami konstrukcyjnymi i montażowymi rurociągu. Potrzebę wykrywania nieszczelności należy mieć na uwadze już w fazie opracowywania planu budowy rurociągu. Wtedy wszystkie niezbędne szczegóły dotyczące konstrukcji oraz procedury montażu rurociągu będą brane pod uwagę i rozważnie koordynowane.

Systemy wykrywania przecieków

Systemy do ciągłego wykrywania i lokalizacji przecieków są określane jako kable do wykrywania przecieków. Tego rodzaju kabel pozwala na określenie lokalizacji przecieku zaraz po jego pojawieniu się. Istnieje kilka systemów wykrywania przecieków, przy czym każdy oparty jest na pomiarze zmian wysyłanej ze źródła energii, która ma za zadanie śledzenie rurociągu (rys. 3).

Najbardziej powszechne są dwa rodzaje kabli, których działanie polega na pomiarach przewodności lub rezystancji elektrycznej. Ciągły pomiar rezystancji przesyłanego sygnału elektrycznego lub ciągłe śledzenie różnicy pomiędzy długością wzorcowych fal wysyłanych i odbitych umożliwia przybliżone określenie miejsca przecieku.

^{Rys. 2. Elementy rurociągu z podwójnym zabezpieczeniem przed przeciekamiRys. 3. Ciągły pomiar rezystancji przesyłanego sygnału elektrycznego lub ciągłe śledzenie różnicy pomiędzy długością wzorcowych fal wysyłanych i odbitych umożliwia przybliżone określenie miejsca przecieku}

Twierdzi się, że oba te systemy wyczuwania umożliwiają lokalizację wykrytego przecieku z dokładnością  ±1% całkowitej długości kabla lub 1,5 metra bez względu na to, która wielkość jest większa. W szacowaniu zdolności systemu kablowego do wykrywania nieszczelności należy rozważyć zarówno wymagania odnośnie dokładności, jak i czułości tego kabla.

W wydzielonych pomieszczeniach, w których są robione podziały zewnętrznego przewodu zabezpieczającego w rurociągach z podwójnymi ściankami, można również zastosować urządzenia do wykrywania przecieków. W każdym pomieszczeniu można umieścić sondę. Typowe sondy mogą mieć czujnik poziomu cieczy, czujnik wilgotności, czujnik pary, przewodności elektrycznej i rezystancji, pomiaru pH, czujnik ciśnienia, pomiaru przepływu, gęstości, długości fal światła, czujniki radarowe lub dźwiękowe oraz wykrywające ruch. W celu uzyskania podwyższonej skuteczności można stosować połączenia tych czujników.

Zaletą układów z czujnikami miejscowymi (punktowymi) jest możliwość ich wykonania zgodnie z życzeniem klienta, ale nieodłączną wadą jest brak możliwości dokładnego określenia miejsca przecieku.

Układy nieciągłe wyczuwania przecieków, zastosowane w rurociągach o podwójnych ściankach zabezpieczających, nie dają takich rezultatów jak urządzenia do pomiaru ciągłego. Główne trzy metody nieciągłego wyczuwania nieszczelności to wyczuwanie ręczne, wzrokowe i okresowe sprawdzanie ciśnienia w obudowie zewnętrznej.

Układy ręcznego wykrywania polegają na zamontowaniu odnóżek ściekowych z zaworkami odcinającymi w rurociągach prowadzonych nad ziemią lub na wykonaniu w rurociągach prowadzonych pod ziemią, w nisko położonych odcinkach, zbiorników ściekowych z rurką wznoszącą na powierzchnię ziemi albo przez umieszczenie odnóżek ściekowych z zaworkami we włazach.

Metoda wzrokowa wykrywania przecieków wymaga użycia materiału transparentnego na powierzchni zewnętrznej rurociągu. Metoda ta jest najbardziej skuteczna, jeżeli regularnie prowadzone są kontrole wzrokowe.

Czasami do wykrywania nieszczelności obudowy zewnętrznej rurociągu z podwójnymi ściankami można zastosować metodę polegającą na wytworzeniu nadciśnienia w pierścieniowej szczelinie pomiędzy rurą wewnętrzną i zewnętrzną. Na zewnętrznej rurze musi być umieszczony manometr, na którym należy co jakiś czas, regularnie sprawdzać wartość ciśnienia.

Jakość funkcjonalna rurociągu z podwójną obudową zabezpieczającą, zbudowanego bez układu wykrywania nieszczelności, jest znacznie mniejsza.

Układy ręcznego wykrywania mogą być efektywne pod względem ekonomicznym i skuteczne przy wykrywaniu przecieków i są zwykle stosowane jako układy rezerwowe. Układy nieciągłe wyczuwania nieszczelności, chociaż nie umożliwiają określenia położenia przecieku, są jednak umieszczane w celu wzrokowego lub ręcznego śledzenia działania rurociągu.

Elementy składowe

Przed rozpoczęciem prac nad projektem rurociągu potrzebne są informacje o wymiarach zarówno metalowych, jak i niemetalowych prostych odcinków rurociągu. Szczegóły dotyczące każdego nietypowego odcinka prostej części rurociągu powinny być dokładnie określone. Wyjątkiem są odcinki przeznaczone do zwartych układów, w których występują tylko krótkie proste odcinki rur.

Szczegóły dotyczące typowych prostych odcinków rurociągu, które należy znać, to: dane materiałowe, ze wskazaniem zgodności z odpowiednimi normami krajowymi i międzynarodowymi, wszystkie wymiary średnicy wewnętrznej i zewnętrznej, wymiar szczeliny pierścieniowej pomiędzy rurami wewnętrzną i zewnętrzną, grubość ścianki, tolerancje, położenie i rodzaj wewnętrznych i zewnętrznych wsporników, dane o kablu do wykrywania przecieków i odnośniki do szczegółowych rysunków.

Nabywca rurociągu z podwójnymi ściankami bezpieczeństwa musi przed rozpoczęciem projektu zwrócić szczególną uwagę na dwie sprawy. Po pierwsze należy sprawdzić, czy wymiary rurociągu z podwójnymi ściankami wraz z jego częściami składowymi są odpowiednie do przeznaczonego na ten cel miejsca.

Chociaż ten aspekt wydaje się oczywisty, to wśród inżynierów zakładowych budzi zdziwienie i wywołuje frustracje. Jednak ta sprawa w odniesieniu do rurociągów z podwójnymi ściankami bezpieczeństwa jest czynnikiem ograniczającym, szczególnie gdy rurociąg jest modernizacją dotychczasowych urządzeń.

Drugą ważną sprawą jest konieczność zapewnienia odpowiedniego prześwitu dla głównego przewodu wewnętrznego, zamontowanego lub budowanego wewnątrz pomocniczej zewnętrznej obudowy bezpieczeństwa. Odpowiedni prześwit musi być zapewniony pomiędzy wszystkimi elementami budowanego rurociągu. Jest to sprawa ważna we wszystkich układach, a szczególnie wymagających wewnętrznej elastyczności (podatności).

Rozszerzalność

Jeżeli nie ma odpowiedniego pomieszczenia kompensacyjnego, które zapobiegałoby stykaniu się ścianek rurociągu w kolanach (na zakrętach), spowodowanego różnicą w rozszerzaniu i kurczeniu się wewnętrznej i zewnętrznej rury zabezpieczającej, to średnica kolana zewnętrznej rury może być powiększona. W układach, które mają znaczną wielkość rozszerzalności cieplnej, może okazać się niezbędne zastosowanie kompensacyjnych wydłużek U-kształtowych, wydłużek typu Z lub zmian kierunku rurociągu (różnych kompensatorów cieplnych) w celu uzyskania wymaganego poziomu podatności na zmiany temperatury.

^{Rys. 4. Przewód rurowy jest połączony z rdzeniem anody, powodując, że rura zachowuje się jak katoda i koroduje wtedy tylko rdzeń anody}

Zarówno do wewnętrznych, jak i zewnętrznych odcinków rur mogą być dodawane złącza kompensacyjne. Większość materiałów niemetalowych ma współczynnik rozszerzalności liniowej znacznie większy niż metale i to właśnie elementy niemetalowe są narażone na wcześniejsze uszkodzenie, kiedy mają ograniczoną możliwość ruchu. Tam, gdzie powyższe metody są nieodpowiednie, kompensatory cieplne mogą przyjmować inne formy, aby skompensować termiczne zmiany długości. Pewne odcinki rurociągu mogą być ułożone pionowo lub poziomo oraz mogą mieć zmieniające się ułożenie. Budowa kompensacyjnych wydłużek U-kształtowych i wydłużek typu Z jest oparta na tych samych ogólnych zasadach. Wydłużki kompensacyjne typu Z mogą również być ułożone pionowo lub poziomo.

Skraplanie

Jeżeli w przestrzeni pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną rurą rurociągu o podwójnym zabezpieczeniu znajdzie się ciepłe i wilgotne powietrze, to kiedy układ zostanie poddany działaniu zimna, nastąpi skraplanie. Zjawisko to występuje, gdy rurociąg był budowany w lecie, a później jest wystawiony na działanie niskiej temperatury w zimie. Skraplanie może spowodować fałszywy alarm systemu wykrywania przecieków. Częste fałszywe alarmy mogą spowodować, że operatorzy będą w ogóle je ignorować. Byłaby to niebezpieczna praktyka i jednocześnie praktyka samozniszczenia, bowiem pod działaniem wody metale ulegają korozji.

Rozwiązanie tego problemu jest stosunkowo proste i niezbyt kosztowne. Szczelinę pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną rurami można wypełniać osuszonym powietrzem lub gazem obojętnym, a jeśli elementy rur są dostatecznie mechanicznie wytrzymałe, można w tej szczelinie wytworzyć próżnię. Błędne jest przypuszczenie, że jest to kosztowny zabieg. Jeżeli zewnętrzny przewód jest szczelny i ma odpowiednie ujścia wentylacyjne i spusty drenażowe, to rozwiązanie tego problemu będzie najmniej kosztowne.

Ochrona katodowa

Ochrona katodowa jest metodą hamowania korozji. Może być zastosowana do wszystkich rodzajów rur metalowych. Przewód rurowy jest połączony z rdzeniem anody, powodując, że rura zachowuje się jak katoda i koroduje wtedy tylko rdzeń anody (rys. 4). Tam, gdzie zastosowanie takiego rozwiązania jest niepraktyczne, można uzyskać ochronę pasywną przez umocowanie anod protektorowych bezpośrednio na rurze.

Ochrona katodowa jest szczególnie ważna w odniesieniu do rur powlekanych (lub w otulinie), gdzie powłoka (otulina) narażona jest na przebicie lub pęknięcie. Takie uszkodzenia umożliwiają tworzenie się lokalnych ogniw korozyjnych. Ogniwa te są bardzo aktywne i dosyć szybko mogą spowodować przedziurawienie ścianki rury.

Materiał zawarty w tym artykule udostępniony został przez firmy, które budują rurociągi z podwójnym zabezpieczeniem przed przeciekami, oraz zaczerpnięty został z różnych publikacji na temat rurociągów.

Artykuł pod redakcją Janusza Pieńkowskiego

Autor: Joseph L. Foszcz, redaktor Plant Engineering