Acoustic pipeline monitoring : theory and technology

This thesis deals with monitoring of pipelines through acoustic measurements. Acoustic monitoring is a technique that exploits the fact that any disturbance occurring in the pipe infrastructure or in the conveyed fluid produces or influences acoustic transients which propagate as waves within the fluid at distances of many kilometers, carrying information on the originating event and on the propagation channel. I first analyze the theory of elastic wave propagation in pipelines and present a suitable matrix method to compute propagation parameters in fluid-filled pipelines possibly buried or submerged, taking into account several propagation effects among which fluid thermo-viscosity, pipe elasticity, external load and radiation. The propagation parameters can be found at any frequency and for any axisymmetric propagation mode. The theoretical study was functional to the design and development of a registered technology (e-vpms®) for pipeline monitoring which I contributed to. This system in fact employs a discrete network of vibro-acoustic monitoring stations mounted along gas or liquid pipelines which measure synchronized physical signals. Thanks to measurements performed on a buried in-service oil pipeline, I have experimentally validated the propagation method presented in the whole range of frequency of interest. Propagation parameters of acoustic waves were also measured in many in-service gas pipelines and found in agreement with theory. An important application of the monitoring system is the leak detection system that was tuned and validated on an in–service oil pipeline. In gas pipelines instead I describe some methods of pig (pipeline inspection gauge) tracking and a successful application of acoustic reflectometry on a pipeline to find and characterize anomalous pipe sections. Moreover I propose, through real examples, further advanced processing to measured and stored data such as the long term monitoring which allows to identify the standard operational conditions in a pipeline and therefore detect possible anomalous situations. A last type of application concerns the use of theoretical models of wave propagation and of fluid properties to interpret the measurements and obtain further information on the conveyed fluid and the flow regime.

Questa tesi riguarda il monitoraggio di linee di trasporto per mezzo di misure acustiche. Il monitoraggio acustico è una tecnica che sfrutta il fatto che qualsiasi disturbo che si verifica nell’infrastruttura di trasporto o nel fluido trasportato produce o influenza transienti acustici che si propagano come onde nel fluido a distanze anche di molti chilometri, trasportando informazioni sull’evento originario e sul canale di propagazione. Inizialmente analizzo la teoria della propagazione di onde elastiche e presento un metodo matriciale apposito, per calcolare i parametri di propagazione in condotte contenenti fluidi eventualmente sommerse o interrate, prendendo in considerazione diversi effetti di propagazione tra i quali termo-viscosità dei fluidi, elasticità del tubo, carico e radiazione esterni. E’ possibile poi ottenere i parametri di propagazione a qualsiasi frequenza e per qualsiasi modo di propagazione assi-simmetrico. Lo studio teorico è stato propedeutico alla progettazione e sviluppo di una tecnologia registrata (e-vpms®) per il monitoraggio di linee di trasporto a cui ho contribuito. Questo sistema infatti impiega una rete discreta di stazioni di monitoraggio montate su linee per gas o liquidi che misurano segnali fisici sincronizzati. Grazie alle misure eseguite su una linea ad olio interrata e in funzione, ho validato sperimentalmente il metodo di propagazione presentato nell’intero intervallo di frequenze di interesse. I parametri di propagazione delle onde acustiche sono stati misurati anche su diverse linee a gas in servizio e risultati in accordo con la teoria. Un’importante applicazione del sistema di monitoraggio è il sistema di rilevazione di fuoriuscite che è stato messo a punto e validato su una linea ad olio in funzione. Per linee a gas invece descrivo alcuni metodi di tracciamento di PIG (sonde di ispezione per linee di trasporto) e un’applicazione di successo di riflettometria acustica su una condotta per trovare e caratterizzare sezioni di tubo anomale. Propongo inoltre, attraverso esempi concreti, ulteriori elaborazioni avanzate di dati misurati e immagazzinati come il monitoraggio a lungo termine che permette di identificare le condizioni operative standard di una condotta e dunque rilevare eventuali situazioni anomale. Un ultimo tipo di applicazione prevede l’uso di modelli teorici di propagazione delle onde e delle proprietà dei fluidi per interpretare le misure e ottenere ulteriori informazioni sul fluido trasportato e il regime di flusso.