بخشی از مقاله
چکیده:
یکی از نیازهاي متخصصین در صنعت کسب اطلاع از وضعیت داخلی لولهها، مخزنها و حفرههاي حاوي نفت، گاز و مشتقات آن ها است که به طور معمول دسترسی به داخل آنها بدون قطع فرآیند تولید ممکن نیست. نیاز به کسب این اطلاعات موجب شده تا تحقیقات زیادي در زمینه روشهاي مختلف اندازه گیري ها و آزمونهاي غیر مخرب صورت گیرد.
استفاده از مقطع نگاري به عنوان یک روش تصویربرداري غیر مخرب از داخل خطوط لولههاي انتقال نفت و گاز براي پایش مواد تشکیل دهنده سیالها و اندازه گیري جریان و دبی سیالهاي چند فازه در طی سالهاي اخیر از اهمیت خاصی برخوردار شده و در حال گسترش است. یکی از مهمترین ضروریات این تحقیق همگام شدن با توسعه این تکنولوژي و رقابت با فناوريهاي وارداتی میباشد.
یکی از گروههاي تحقیقاتی فعال که از سال 1385 فعالیت تحقیقاتی و صنعتی خود را در زمینه سیستمهاي مقطع نگاري الکتریکی و نوري آغاز کرده است، گروه مقطعنگاري الکتریکی دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی است که تا کنون اقدام به ساخت سیستمهاي مختلف مقطعنگاري، از جمله مقطعنگاري مقاومتی، مقطعنگاري امپدانسی، مقطعنگاري خازنی با کاربردهاي صنعتی و پزشکی نموده و در حال طراحی و ساخت سیستم هاي دیگري از جمله مقطعنگاري القاي مغناطیسی میباشد. در این مقاله ضمن معرفی مختصر روشهاي فوقالذکر و بررسی کاربرد این روشها در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی به ذکر فعالیتهاي انجام شده در این گروه در زمینه مقطعنگاري الکتریکی خواهیم پرداخت و در نهایت به مقایسه این روشها براي کاربردهاي فوقالذکر خواهیم پرداخت.
-1 مقدمه
مقطع نگاري از واژه لتوموز1ل که واژ ه اي یونانی به معنی لیک مقطعل یا لیک برشل است، گرفته شده است. بدست آوردن یک تصویر از یک سطح مقطع را مقطع نگاري گویند. این عمل با استفاده از انرژي دار کردن ناحیه مورد نظر، انجام اندازه گیريهاي از روي سطح ناحیه و بدست آوردن تصویر از این اندازه گیريها صورت میپذیرد. مقطع نگاري الکتریکی علاوه بر کاربردهاي پزشکی کاربردهاي مهمی در صنعت نفت نیز دارد.
حدود 15 سال پیش استفاده از خواص الکترومغناطیسی استاتیکی اجسام جهت مقطعنگاري غیر تهاجمی در فرکانسهاي پایین زیر 2 مگا هرتز مورد توجه پژوهشگران قرار گرفت. در زمینه مقطعنگاري پزشکی غیر تهاجمی، لهولدرل در سال 1993 ولبرانل در سال 1996 و در زمینه مقطعنگاري صنعتی، لویلیامل و لبکل در سال 1995 آغاز گر راه بودهاند .[1]
تصویربرداري از داخل خطوط لولههاي نفت، پایش مواد تشکیل دهنده سیال و اندازه گیري دبی سیال - نفت و گاز - در خطوط لولههاي انتقال از کاربردهاي مهم مقطع نگاري الکتریکی است. علاوه بر این سه کاربرد اصلی، امروزه مقطع نگاري الکتریکی کاربردهاي متعدد دیگري نیز در صنعت پیدا کرده است. بعضی از این کاربردها تا به حال جنبه صنعتی پیدا کرده و به صورت تجاري وارد بازار شدهاند و تعدادي دیگر در حال گذراندن تستهاي عملیاتی جهت تکمیل بوده و تعدادي دیگر تا مرحله آزمایشگاهی پیشرفته و هنوز وارد عرصه عملیاتی در صنعت نشدهاند.
تعدادي از این کاربردها در صنعت نفت عبارت از مانیتورینگ جریانات چند فازه2، تشخیص نشتی در لولههاي و مخازن دفن شده، عملیات اکتشافی زمین شناسی براي شناسایی بسترهاي مایعات زیر زمینی، مانیتورینگ مراحل پلیمریزاسیون نایلون، مانیتورینگ فیلتراسیون تحت فشار و مانیتورینگ احتراق و انفجار میباشند. پایین بودن هزینه ساخت، سرعت بالا، امنیت و مناسب بودن براي لولهها و مجاري با ابعاد مختلف دلایلی هستند که سبب شده علاقه بیشتري براي استفاده از سیستمهاي مقطع نگاري الکتریکی در صنعت به وجود آید مقطع نگاري الکتریکی یک روش تصویر برداري از توزیع امپدانسی درون شی، با استفاده از اندازه گیريهایی از سطح آن میباشد.
کمیتهاي فیزیکی مختلف مواد در ناحیه مقطع نگاري، امکان اندازه گیريهاي متفاوتی را ایجاد میکند که منجر به پیدایش سیستمهاي مقطع نگاري متفاوتی میشود به طوري که پیاده سازي مقطع نگاري براي فرایندها توسط روشهاي گوناگونی صورت میپذیرد. روشهاي مقطعنگاري الکتریکی بر اساس اندازه گیري سه ویژگی الکتریکی موجود در اجسام شامل ضریب هدایت الکتریکی - - σ، نفوذ پذیري الکتریکی - - ε و نفوذ پذیري مغناطیسی - - µ کار میکنند و بر این اساس این روشها به سه زیر شاخه مقطع نگاري امپدانس الکتریکی - EIT - 3، مقطع نگاري ظرفیت خازنی الکتریکی - ECT - 4 و مقطع نگاري القاي مغناطیسی - MIT - 5 تقسیم میشوند.
مقطعنگاري نوري نیز از جمله روشهاي مانیتورینگ فرآیندهاي صنعتی درون لولهاي و درون حفرهاي میباشد که در دسته بندي مجزا قرار میگیرد و بر اساس اعمال یک نور ورودي و شناسایی خواص شکست، جذب و تفرق نور در داخل سیال عمل میکند .[3] در مسأله مقطع نگاري با یک مسأله معکوس و یک مسأله پیشرو روبرو هستیم.
مسأله معکوس شامل تعیین توزیع امپدانسی از روي ولتاژهاي اندازه گیري شده میباشد. مسأله معکوس بد وضع میباشد زیرا به علت تعداد مجهولات زیاد و محدود بودن اندازهگیريها لزوماً جواب یکتا نداشته و همچنین تغییرات بزرگ در توزیع امپدانس تغییرات اندکی در مقادیر خروجی به وجود میآوردمعمولاً. براي مدلسازي مسأله پیشرو از روشهاي اجزاء محدود - FEM - 6 و اجزاي مرزي - BEM - 7 استفاده میشود.
قدیمیترین روش تصویر برداري الکتریکی، تصویربرداري به روش امپدانس الکتریکی میباشد. در این روش از اتصال آرایهاي از الکترودهاي سطحی به اطراف ناحیه تصویربرداري استفاده میشود. جریان به وسیله تعدادي از این الکترودهاي سطحی به شیء تزریق شده و پتانسیلهاي الکتریکی از طریق الکترودهاي دیگر اندازه گیري میشود. در روش هاي جدیدتر که حساسیت آنها از روشهاي قبلی بهتر است، تمامی الکترودها در یک لحظه نمونه برداري منبع جریان بوده و در لحظه بعدي اقدام به اندازهگیري ولتاژ از ناحیه هدف مینمایند .[4]
با اندازهگیري امپدانس انتقالی8 شیء هدف در جهتهاي مختلف، ضرایب هدایت الکتریکی - σ - و نفوذ پذیري الکتریکی - ε - قابل محاسبه است. در بعضی از روشهاي دیگر که به مقطعنگاري مقاومتی - ERT - 9 معروف هستند از ضریب نفوذ پذیري الکتریکی صرف نظر میشود. به عنوان نمونه شکل - - 1 یک نمونه سیستم مقطعنگاري مقاومتی بهکارگیري شده براي اندازهگیري روي خط10 دبی11 سیال را نشان میدهند .[5] شکل - 2 - نیز نمونهاي دیگر از سیستمهاي اندازهگیري روي خط دبی با استفاده از مقطع نگار امپدانس الکتریکی 16 الکترودي را نشان میدهد .[6]
در سال 1385 پس از تشکیل هسته اولیه گروه مقطعنگاري الکتریکی در دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی، اولین سیستم مقطعنگاري مقاومتی در این گروه در سال 1387 ساخته شد. در این سیستم جریانها به دو الکترود اعمال گردیده و ولتاژها از دیگر الکترودها اندازهگیري شدند. در آزمایش این سیستم براي دریافت دادههاي واقعی از یک فانتوم استفاده شده است. این فانتوم استوانهاي شکل و با شعاع 0/15 متر، ارتفاع 0/35 متر و از جنس P.V.C ساخته شده بود.
محفظه داخلی این فانتوم از محلول آب نمک استاندارد % 3 پر شده بود. براي دریافت داده از فانتوم، از چهار الکترود استفاده شده است که دو الکترود براي اعمال جریان و دو الکترود دیگر نیز براي اندازهگیري ولتاژ حاصل از آن بکار میرود. الکترودهاي استفاده شده نیز از جنس Ag/AgCl میباشند .[7-8] در تحقیقات بعدي در سال 1388 با بهکارگیري مدولاتورهاي حساس به فاز در این سیستم تغییراتی ایجاد شد و سیستم مقطعنگاري مقاومتی به سیستم مقطعنگاري امپدانسی تبدیل گردید که در سیستم جدید، مؤلفههاي حقیقی و موهومیتوأماً اندازهگیري شدند .[9]
