Kalte Neutronen spüren verstopfte Pipelines auf

Öl- und Gaspipelines sind die Schlagadern unserer Energie­versorgung. Nicht nur Liefer­engpässe können zu Versorgungs­problemen führen. Unter bestimmten Bedingungen kann das Gemisch in den Pipelines, das typischer­weise aus Gas, Öl und Wasser besteht, sehr zähflüssig werden und sogar feste Phasen bilden. Besonders unangenehm für Betreiber sind feste Hydrate, die sich aus Gas und Wasser bilden, etwa, wenn sich das Gemisch bei längerem Stillstand der Pipeline auf die niedrigen Temperaturen des Meeres­bodens abkühlt.

Um eine Verstopfung vor Ort zu beheben, muss zunächst der betroffene Abschnitt der Pipeline gefunden werden. Da sie sich überall entlang der Pipeline gebildet haben kann, ist es eine große Heraus­forderung, die Verstopfung von außen zu lokalisieren. Bisher werden Wärmebild­kameras und Gammastrahlen verwendet, um die Verstopfungen zu erkennen. Keine dieser Methoden funktioniert jedoch unter Wasser. Ultraschall hingegen dringt problemlos in Wasser ein, allerdings sind durch die Pipeline­wand die Hydrat­blöcke nur im Nahbereich von außen zu erkennen. Da Unterwasser­pipelines in Tiefen von bis zu 2000 Metern verlegt werden und oft natürlicherweise von Meeresboden­materialien wie Sand oder Schlick bedeckt sind, wirft dies weitere praktische Schwierig­keiten auf. Hinzu kommt, dass sich die akustischen Impedanzen der Hydratphase und anderen Phasen des Rohöl­gemischs kaum unterscheiden.

TechnipFMC, ein auf Unterwasser­pipelines spezialisiertes Unternehmen war „auf der Suche nach einer effi­zienteren Methode, um trotz dicker Wände solche Pfropfen berührungslos, zerstörungs­frei und zuverlässig aufspüren zu können“, sagt Xavier Sebastian, ein Projektleiter des Unternehmens. „Neutronen sind die perfekte Sonde für die anstehende Aufgabe“, schlug Sophie Bouat, CEO von Science-S.A.V.E.D. – Scientific Analysis Vitalises Enterprise Development – daraufhin vor und stellte den Kontakt zu den Wissenschaftlern des Heinz Maier-Leibnitz-Zentrums in Garching bei München her. „Mit der Prompten Gamma-Neutronen-Aktivierungs­analyse lassen sich insbesondere leichte Atome und Wasserstoff sehr genau nachweisen“, fährt sie fort. Da sich Hydrate sowie Öl und Gas in ihrem Wasserstoff­gehalt erheblich unterscheiden, sollte es möglich sein, Verstopfungen durch Messung der Wasserstoff­konzentration zu erkennen.

Ralph Gilles, Industrie­koordinator an der Forschungs-Neutronen­quelle FRM II führte zusammen mit weiteren Kollegen der Technischen Universität München und des Forschungs­zentrums Jülich eine Machbar­keitsstudie zu diesem Thema durch. Mit dem Instrument PGAA – Prompt Gamma Activation Analysis –, das kalte Neutronen des FRM II nutzt, durch­leuchtete das Forschungs­team Proben und konnte belegen, dass auf diese Weise tatsächlich zwischen Öl und Gas beziehungs­weise dem Pfropf unterschieden werden kann. An der Radiographie- und Tomographie­anlage Nectar und dem Instrument Fangas – Fast Neutron Induced Gamma Ray Spectroscopy – zeigten sie mit Hilfe schneller Neutronen aus dem FRM II, dass eine ausreichend große Anzahl von Neutronen die Metallwände der Pipeline durch­dringen, um die jewelige Messung zu ermög­lichen, und dass die Messung auch unter Wasser gut funktioniert.

Die Ergebnisse zeigen klar, dass Neutronen für diese Anwendung ideal geeignet sind. „Unsere Experimente haben außerdem gezeigt, dass wir sogar einen in Entstehung befindlichen Pfropf von einer voll entwickelten Blockade unterscheiden können“, sagt Ralph Gilles. „Das ist sehr vorteilhaft, denn dann kann man sogar ein Rohrsegment präventiv erhitzen, um die Verstopfung wegzu­schmelzen, bevor sie sich vollständig ausbildet.“ In der Praxis bewegt sich ein mobiler Detektor mit einer kleinen Neutronen­quelle entlang der Pipeline hin und her, um nach Pfropfen zu suchen. „Wir freuen uns sehr, dass wir mit Hilfe der Messungen an der Forschungs-Neutronen­quelle nun eine effiziente Methode gefunden haben, die in Zukunft das Auffinden dieser Pfropfen deutlich erleichtert“, sagt Xavier Sebastian.

TUM / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Bouat et al.: Detection of hydrate plugs inside submarine pipelines using neutrons, Nondestructive Testing and Evaluation, online 25. Oktober 2021; DOI: 10.1080/10589759.2021.1990284
• Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II), Garching
• Science-S.A.V.E.D. – Scientific Analysis Vitalises Enterprise Development, Grenoble