Praxisanwendung des Acoustic Imaging Leak Detection System im Feldbetrieb

Das Acoustic Imaging Leak Detection System wurde von CRYSOUND entwickelt und bereits in mehreren Anlagen der Kohlechemie, Petrochemie und Erdgasindustrie installiert. Es wird für die Online-Lecküberwachung in Hochrisikobereichen eingesetzt. Dieser Artikel wurde vom Projektteam des Acoustic Imaging Leak Detection System bei CRYSOUND auf Grundlage von Erfahrungen aus realen Installationen und dem Betrieb verfasst. Wir erläutern auf verständliche Weise, warum ein solches System benötigt wird, wie es prinzipiell funktioniert, was sich nach der Inbetriebnahme vor Ort tatsächlich ändert und was es leisten kann und was nicht.

Warum ist die herkömmliche Leckageinspektion so schwierig?

In petrochemischen Anlagen, Erdgasstationen, Kohlechemie-Komplexen und Lagern für Gefahrstoffe weiß jeder, wie sensibel das Wort "Leckage" ist. Was die Arbeit in der Praxis besonders erschwert, ist, dass viele kritische Punkte in großer Höhe liegen, auf Rohrbrücken oder an Turmspitzen.

Früher bedeutete es, ein kleines Leck in der Höhe zu finden, meist den folgenden Ablauf:

• Gerüst errichten oder Hubarbeitsbühne einsetzen und stundenlang hoch- und runterfahren;

• Mit Seifenlösung oder tragbaren Messgeräten in der Hand über die Rohrbrücken klettern;

• Im Winter sind die Hände steif gefroren, im Sommer ist die Kleidung schweißnass, und selbst nach einer kompletten Runde bleibt die Sorge: "Es gibt so viele Ventile und Flansche - haben wir etwas übersehen?"

Zusammengefasst hat die herkömmliche Leckageinspektion an solchen Standorten mehrere anhaltende Schmerzpunkte:

• Hohe Lagen: Rohrbrücken in 20 Metern Höhe oder Turmspitzen sind schwer zugänglich. Provisorische Zugangsgeräte sind teuer und mit hohem Risiko verbunden.

• Sehr leise Leckagen: Die von kleinen Lecks erzeugten Ultraschallsignale gehen im Lärm von Pumpen und Ventilatoren unter und sind mit dem menschlichen Ohr praktisch nicht zu hören.

• Unsichtbare Leckagen: In der Frühphase ist die Leckrate sehr gering. Die Seifenlösung bildet keine Blasen, und der Geruch ist nur schwach wahrnehmbar. Bis man tatsächlich Verfärbungen sieht oder Gas riecht, hat sich das Leck in der Regel bereits ausgebreitet.

• Geringe Effizienz: In einem einzelnen Prozessbereich kann es leicht Tausende von Überwachungspunkten geben. Die manuelle "Hoch-und-runter"-Inspektion ist größtenteils eine Stichprobenkontrolle, und es ist sehr schwierig, wirklich kontinuierliche und flächendeckende Überwachung zu erreichen.

Herkömmliche elektrochemische, Infrarot- und laserbasierte Detektionsmethoden sind im Wesentlichen Punkt- oder Linienüberwachung:

• Messung an einem festen Punkt, um zu sehen, ob die Konzentration einen Grenzwert überschreitet;

• Überwachung entlang eines einzelnen optischen Pfads, um zu sehen, ob Gas diesen kreuzt.

Was Betreiber in der Praxis jedoch brauchen, ist nicht nur zu wissen, ob es ein Leck gibt, sondern auch über eine größere Fläche klar zu sehen, wo genau das Leck auftritt.

Genau dieses Problem soll das ultraschallakustische Bildgebungs-Leckdetektionssystem (Acoustic Imaging Leak Detection System) lösen.

Acoustic Imaging Leak Detection System: Aus "unhörbarem Leckgeräusch" wird eine farbige Schallkarte auf dem Bildschirm

Grundprinzip: Druckgasleck → Ultraschallsignal → farbige Schallkarte im Bild

Wenn Druckgas durch Ventilspalte, winzige Flanschrisse oder Schweißnahtfehler austritt, interagiert es mit der umgebenden Luft und erzeugt starke Turbulenzen, wodurch eine Klasse von Ultraschallsignalen mit ausgeprägten Eigenschaften entsteht:

• Je größer die Leckrate, desto stärker das Ultraschallsignal;

• Je höher der Druckunterschied, desto ausgeprägter die akustischen Merkmale;

• Diese Signale unterscheiden sich deutlich von den niederfrequenten mechanischen Geräuschen von Motoren und Pumpen, was ihre Erkennung aus dem Hintergrund heraus ermöglicht.

Das Acoustic Imaging Leak Detection System wandelt diesen "unhörbaren Schall" auf intelligente Weise in "sichtbare Bilder" um:

• Ein mehrkanaliges Ultraschallsensor-Array erfasst gleichzeitig Ultraschallsignale aus mehreren Richtungen;

• Am vorderen Ende werden Verstärkung, Filterung und Rauschunterdrückung durchgeführt, um elektromagnetische Störungen und niederfrequente Hintergrundgeräusche so weit wie möglich zu eliminieren;

• Phasen- und Amplitudendifferenzen zwischen den Kanälen werden analysiert, um die räumliche Verteilung der Schallenergie zu schätzen und abzuleiten, aus welcher Richtung und aus welchem Bereich das Leckgeräusch kommt;

• Die Schallenergieverteilung wird in eine zweidimensionale "Heatmap" überführt und auf das Live-Videobild aus dem Feld überlagert.

Am Ende erscheint die Stelle mit dem stärksten Lecksignal als rot-gelb-grüne "Wolke" auf dem Display. Für das Betriebspersonal ist der Effekt sehr anschaulich: Überall dort, wo im Bild eine Wolke erscheint, ist etwas verdächtig.

Engineering-Parameter: Wie weit und wie klein kann das System detektieren?

Auf Grundlage von Feldtests und gemeinsamer Kalibrierung aus mehreren Online-Projekten zeigt das Acoustic Imaging Leak Detection System in der Praxis typischerweise folgende Leistungsdaten:

Empfohlener Detektionsabstand: 0,5-50 m.

Im Bereich von etwa 1-30 m erzielt das System für kleine Leckagen ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und eine bessere Bildgebung.

Arbeitsfrequenzbereich:

Das Acoustic Imaging Leak Detection System arbeitet im Ultraschallbereich (über 20 kHz). Ein Bandpassfilter selektiert das charakteristische Leckband (typischerweise 20-40 kHz) und unterdrückt damit effektiv Geräusche im hörbaren Bereich und niederfrequente mechanische Störungen.

Minimal detektierbare Leckrate / Öffnungsgröße (unter typischen Bedingungen):

Bei einem minimalen Druckunterschied von etwa 0,6 MPa kann das Acoustic Imaging Leak Detection System Frühphasenleckagen im Größenbereich von etwa 0,1 mm an Ventilspalten und mikroskopischen Flanschrissen visuell erfassen. Die tatsächliche Empfindlichkeit variiert je nach Gasart, Druck, Hintergrundgeräusch und Positionierung der Sensoren.

Ortungsgenauigkeit:

Innerhalb des empfohlenen Detektionsabstands kann das Acoustic Imaging Leak Detection System eine Leckortung mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich liefern. In Kombination mit dem Videobild kann es auf dem Bildschirm gezielt auf ein bestimmtes Gerät oder einen bestimmten Flanschbereich zeigen.

Diese Werte sind keine starren, unveränderlichen Grenzen, sondern typische Kennwerte auf Engineering-Niveau, die in mehreren realen Projekten verifiziert wurden.

Schutzart:

Das Acoustic Imaging Leak Detection System hat die explosionsgeschützte Zertifizierung Ex ib IIC T4 Gb und die Schutzart IP66 bestanden und eignet sich damit für den dauerhaften Einsatz in typischen explosionsgefährdeten Bereichen.

Systemarchitektur: mehr als nur ein einzelner Sensor - es ist ein vollständiges Online-System

Das Acoustic Imaging Leak Detection System ist nicht nur ein "intelligenter Sensor". Es handelt sich um ein vollständiges Online-Überwachungssystem, das sich grob in drei Ebenen unterteilen lässt:

Front-End-Erfassungsebene:

Schwenk-/Neige-Ultraschall-Bildgebungsleckdetektoren werden vor Ort installiert. Sie "hören" nach Leckagen, erfassen das Videobild und geben das farbige akustische Bild aus. Die Schwenk-/Neige-Einheit kann drehen und neigen, um einen großen Bereich zu scannen.

Zwischenebene Speicher:

NVR- und andere Speichersysteme empfangen die Daten von den Front-End-Geräten und speichern Video, akustische Bilder und Alarmaufzeichnungen vollständig für spätere Wiedergabe und Ereignisanalyse.

Back-End-Managementebene:

VMS- und andere Managementplattformen binden mehrere Front-End-Geräte an, übernehmen die einheitliche Geräteverwaltung, Detektionssteuerung, Alarmanzeige und Berichtserstellung und stellen alle Daten zentral auf der Videowand im Leitstand dar.

Kurz gesagt:

• Das Front-End "sieht" den Leckpunkt;

• die Zwischenebene "merkt sich" den Ablauf;

• das Back-End "steuert die gesamte Anlage auf einem Bildschirm".

Ein typischer Standort: vom Klettern auf Rohrbrücken zum Beobachten farbiger Wolken

Nehmen wir als Beispiel eine typische Kohlechemie-Einheit in Ningxia. In dieser Anlage wurden 11 Einheiten des Acoustic Imaging Leak Detection System installiert, die Vergaser, Öfen, Tanklager und Rohrbrücken abdecken. Wir betrachten nun, wie sich die tägliche Arbeit nach der Einführung des Acoustic Imaging Leak Detection System verändert hat.

Vor dem Retrofit: sechs Personen klettern einen halben Tag und sind trotzdem unsicher

In einem typischen Vergaserbereich gibt es innerhalb der Einheit viele Hochtemperatur- und Hochdruckleitungen, Ventile und Flansche. Viele Schlüsselstellen befinden sich etwa 20 Meter über dem Boden. Die Medien sind überwiegend brennbare oder toxische Gase, sodass jede Leckage nicht nur Rohstoff verschwendet, sondern auch Risiken für die Personensicherheit und die Anlagenstabilität mit sich bringt.

Früher lief die Inspektion in etwa wie folgt ab:

• Mehrere Inspektoren und Instandhalter wurden eingeteilt, Gerüste oder Arbeitsbühnen wurden aufgebaut, und dann gingen sie auf die Rohrbrücken hinauf;

• Mit Seifenlösung und tragbaren Detektoren in der Hand gingen sie entlang der Brücken und Plattformen und prüften jeden Flansch und jedes Ventil einzeln;

• Eine einzige Runde konnte leicht einen halben Tag dauern. Bei großen Inspektionen oder Sonderaktionen musste diese Arbeit unter Umständen mehrere Tage hintereinander wiederholt werden.

Das Personal an der Front beschrieb diese Arbeitsweise mit drei Worten: "anstrengend, langsam und beunruhigend".

Anstrengend: wiederholtes Steigen in der Höhe und Verdrehen in unergonomische Positionen, um dicht an den Geräten zu schauen und zu hören;

Langsam: in einem Bereich mit Dutzenden oder Hunderten von Punkten dauert die Einzelprüfung jedes Punktes sehr lange;

Beunruhigend: Bei hohem Hintergrundlärm und vielen Punkten bleibt stets das Gefühl, dass Augen und Ohren allein subtile Probleme übersehen könnten.

Während des Retrofits: die Schwenk-/Neige-Einheit lässt den Bereich täglich "abscannen"

Nach Bewertung des Leckagerisikos und des Inspektionsaufwands haben wir gemeinsam mit dem Kunden mehrere Schwenk-/Neige-Ultraschall-Bildgebungsleckdetektoren auf unterschiedlichen Plattformebenen installiert und an das Acoustic Imaging Leak Detection System angebunden:

• Hoch installierte Schwenk-/Neige-Einheiten decken Schlüsselbereiche wie Vergaserköpfe und Kohleförderleitungen ab;

• mittlere Ebenen decken Schleusengefäße, Begleitheizungsleitungen sowie dichte Gruppen von Flanschen und Ventilen ab;

• untere Ebenen decken Zulauftanks und bodennahe Rohrleitungen ab.

Festlegen von Patrouillenrouten und Presets

Für jede Schwenk-/Neige-Einheit werden mehrere Preset-Ansichten konfiguriert - zum Beispiel entlang einer bestimmten Rohrbrücke, einer Gruppe von Flanschen oder eines bestimmten Plattformbereichs. Die Patrouillenzyklen werden entsprechend den Prozessabschnitten und dem Risikoniveau eingestellt; höher kritische Bereiche werden häufiger gescannt.

Anbindung an die zentrale Leitwarte

Alle akustischen Bilder und Alarminformationen der Front-End-Geräte werden in die Managementplattform des Acoustic Imaging Leak Detection System eingespeist. Auf der Videowand der Leitwarte können die Bediener gleichzeitig eine Übersicht der Einheit, die farbigen Wolkenbilder und die Alarmliste sehen.

Von da an folgen die Geräte im Wesentlichen der konfigurierten Strategie und "scannen den Bereich" automatisch jeden Tag:

• Jede Schwenk-/Neige-Einheit dreht und neigt sich entlang ihrer voreingestellten Route und scannt die Schlüsselbereiche auf jeder Ebene;

• sobald an einem bestimmten Ort charakteristische Ultraschall-Lecksignale auftreten, erscheint an der entsprechenden Position auf dem Bildschirm eine Wolke;

• wenn Bediener in der Leitwarte eine ungewöhnliche Wolke sehen, können sie sofort die Instandhaltung informieren, die direkt zum angegebenen Ventil oder Flansch geht, um das Problem zu überprüfen und zu beheben.

Nach dem Retrofit: von "Menschen suchen nach Problemen" zu "Probleme tauchen von selbst auf"

Nach einer gewissen Betriebszeit konzentrierte sich das Feedback aus der Anlage vor allem auf drei Aspekte:

Weniger Arbeiten in der Höhe

Wo zuvor 2-3 umfassende Inspektionsrunden in der Höhe pro Monat erforderlich waren, wurden diese nun auf saisonale Kampagnen plus bedarfsorientierte Kontrollen reduziert, wenn ungewöhnliche Wolken erscheinen. Arbeiten in der Höhe sind heute deutlich stärker auf konkrete Probleme fokussiert, und die Gesamtfrequenz hat klar abgenommen.

Probleme werden früher und in kleinerem Ausmaß erkannt

Früher fielen viele kleine Leckagen erst auf, wenn jemand etwas roch oder sichtbare Anzeichen sah. Jetzt können, sobald ein Leck die Detektionsschwelle erreicht, Auffälligkeiten vorab im Wolkenbild erscheinen, sodass Korrekturmaßnahmen früher ergriffen werden können.

Die Instandhaltung wird effizienter

Früher musste die Instandhaltung, wenn jemand meldete "in dem Bereich riecht es nach Gas", Dutzende von Flanschen und Ventilen einzeln überprüfen. Heute markiert das Acoustic Imaging Leak Detection System direkt, welches Gerät auf dem Bildschirm eine starke akustische Anomalie zeigt, sodass die Techniker ihre Arbeitsaufträge nehmen und direkt in den Zielbereich gehen können.

Das Personal an der Front fand eine anschauliche Zusammenfassung:

"Früher sind wir herumgegangen und haben nach Problemen gesucht;

jetzt tauchen die Probleme von selbst auf dem Bildschirm auf."

Dies ist im Kern der Wandel vom Klettern auf Rohrbrücken zum Beobachten farbiger Wolken.

Was kann das Acoustic Imaging Leak Detection System leisten - und was nicht?

Aus Sicherheits- und Engineering-Sicht ist es sehr wichtig, die Grenzen des Systems zu verstehen - das ist eine Verantwortung gegenüber der Anlage und gegenüber dem System selbst.

Worin das Acoustic Imaging Leak Detection System besonders stark ist

Flächendeckende Online-Überwachung von hochgelegenen und hochriskanten Zonen

Durch die Kombination von Schwenk-/Neige-Einheiten mit Sensor-Arrays kann das Acoustic Imaging Leak Detection System Flächen-Scans im Bereich von etwa 0,5-50 m durchführen und eignet sich besonders für 20 m hohe Rohrbrücken, Turmspitzen und andere Bereiche, die manuell nur schwer und nicht häufig zugänglich sind.

Visuelle Lokalisierung

Das Acoustic Imaging Leak Detection System sagt nicht nur, "es gibt ein Leck", sondern zeigt direkt im Bild eine Wolke an, wo es sich befindet. Mit einer Ortungsgenauigkeit im Zentimeterbereich kann es den betroffenen Bereich schnell auf ein bestimmtes Gerät oder einen bestimmten Flansch eingrenzen.

Rund-um-die-Uhr-Überwachung

Das Acoustic Imaging Leak Detection System kann 24/7 online betrieben werden und verringert damit deutlich die Abhängigkeit davon, dass "zufällig jemand im richtigen Moment vorbeigeht".

Im Vergleich zu Verfahren, die auf einem Aufbau der Gaskonzentration beruhen, ist das Acoustic Imaging Leak Detection System weniger durch die Verwirbelung und Verfrachtung des Gases durch Wind beeinträchtigt, da es sich auf das vom Gasstrahl selbst erzeugte Ultraschallsignal konzentriert und nicht auf Konzentrationsmesswerte an einem einzelnen Punkt.

Reduzierung von Arbeiten in der Höhe und wiederholten Inspektionen

Durch die Umstellung von "häufigen Inspektionen in der Höhe" auf "Aufstieg nur, wenn eine ungewöhnliche Wolke erscheint" hilft das Acoustic Imaging Leak Detection System, Arbeitsaufwand und Risiko bei Arbeiten in der Höhe zu verringern und zugleich die Inspektionseffizienz insgesamt zu steigern.

Was das Acoustic Imaging Leak Detection System nicht leisten kann: Einschränkungen, die wir offen anerkennen müssen

Es kann Leckagen, die vollständig abgeschirmt sind, nicht "sehen"

Das Ultraschall-Lecksignal kann nur dann effektiv erfasst und abgebildet werden, wenn es sich bis zum Ultraschall-Sensor-Array ausbreiten kann. Ist die Leckquelle auf ihrem Ausbreitungsweg vollständig durch Strukturbauteile oder dickwandige Gehäuse abgeschirmt, empfängt das Array ein deutlich abgeschwächtes oder gar kein Lecksignal.

Solche Bereiche müssen durch eine sinnvolle Platzierung der Sensoren, eine Mehrwinkelabdeckung oder andere ergänzende Detektionsmethoden kompensiert werden.

Starke Ultraschallstörquellen erfordern eine spezielle Auslegung

Beispiele sind Prozessablassstellen, über längere Zeit geöffnete Dampfaustritte und hochfrequente pneumatische Einrichtungen, die allesamt Ultraschallsignaturen erzeugen können, die Leckagen ähneln. Für solche Punkte wird in der Regel im Rahmen der Projektplanung eine Vor-Ort-Analyse des Geräuschspektrums durchgeführt und es werden Maßnahmen wie Bereichsmaskierung oder logische Filterung vorgesehen.

Das Acoustic Imaging Leak Detection System ist kein universeller Ersatz, sondern eine leistungsstarke Ergänzung

Für Szenarien, in denen die Gaskonzentration selbst überwacht werden muss - etwa Giftgasalarme in besetzten Bereichen - sind elektrochemische, Infrarot- und laserbasierte Sensoren weiterhin notwendig. Das Acoustic Imaging Leak Detection System eignet sich eher dazu, ein "sonisches Radarnetz" aufzubauen, das Leckagerisiken so früh wie möglich auf dem Bildschirm sichtbar macht.

Wenn wir das gesamte Lecküberwachungssystem als Team betrachten:

• Konzentrationssensoren sind dafür verantwortlich, "die Untergrenze zu verteidigen" (ob die Konzentration den Grenzwert überschreitet);

• das Acoustic Imaging Leak Detection System ist wie ein "früher Späher", der anzeigt, wo verdächtige Strahlen auftreten könnten, und daran erinnert, genauer hinzusehen.

Fazit: Das System soll das Problem zuerst erkennen, damit Menschen es sicherer lösen können

Mit einem ultraschallbasierten Bildgebungs-Leckdetektionssystem wie dem Acoustic Imaging Leak Detection System kann sich die Art und Weise der Arbeit grundlegend verändern:

• Das System scannt die Einheit täglich entlang voreingestellter Routen;

• sobald auf dem Display eine farbige Wolke erscheint, nehmen die Mitarbeiter ihre Arbeitsaufträge und gehen gezielt nach oben, um das Problem zu beheben;

• Arbeiten in der Höhe werden fokussierter und seltener, und viele Leckagen können behoben werden, bevor sie spürbare Auswirkungen haben.

Für Branchen wie Petrochemie, Erdgas und Kohlechemie ist das Acoustic Imaging Leak Detection System kein auffälliges Spielzeug, sondern ein Mittel, um Leckagen früher zu erkennen, Inspektionen sicherer zu organisieren und Risiken systematischer zu managen.

Wichtig ist zu betonen, dass das Acoustic Imaging Leak Detection System kein Ersatz für alle herkömmlichen Detektionsverfahren ist, sondern ein wichtiges Puzzleteil. In realen Projekten kombinieren wir das Acoustic Imaging Leak Detection System in der Regel mit Konzentrationsüberwachung, Prozessverriegelungen und manuellen Inspektionen und setzen auf ein mehrschichtiges Schutzkonzept, um die Gesamtleistung der Leckagekontrolle zu verbessern.

Wenn Ihre Anlage mit Problemen wie vielen hochgelegenen Punkten und häufigem Gerüstbau, spät erkannten und nur langsam eingegrenzten kleinen Leckagen oder hohem Inspektionsdruck bei Nacht und schlechtem Wetter konfrontiert ist, sollten Sie den Einsatz eines ultraschallbasierten Bildgebungs-Leckdetektionssystems wie dem Acoustic Imaging Leak Detection System in Betracht ziehen - damit Probleme zuerst klar auf dem Bildschirm erscheinen und Menschen sie ruhiger und sicherer angehen können. Um Ihre Anwendung zu besprechen oder zu prüfen, ob das Acoustic Imaging Leak Detection System für Sie geeignet ist, nehmen Sie bitte über unser Kontaktformular Kontakt mit uns auf.