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Unter­was­ser­pipe­lines durch Neu­tro­nen-basier­te Metho­de unterstützt

27. Januar 2022
in Aktuelles, Anlagen & Komponenten, Fokus, Labor, Pharma
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Auf Öl- und Gas­pipe­lines sind Indus­trie und pri­va­te Ver­brau­cher ange­wie­sen, die sich über Tau­sen­de von Kilo­me­tern unter Was­ser erstre­cken. Nicht sel­ten ver­stop­fen Abla­ge­run­gen die­se Pipe­lines. Bis­her gibt es nur weni­ge Mög­lich­kei­ten, die Bil­dung von Pfrop­fen in-situ und zer­stö­rungs­frei zu iden­ti­fi­zie­ren. Neu­tro­nen kön­nen das erheb­lich erleich­tern, wie Mes­sun­gen an der For­schungs-Neu­tro­nen­quel­le Heinz Mai­er-Leib­nitz (FRM II) der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Mün­chen (TUM) zeigen.
Öl- und Gas­pipe­lines sind die Schlag­adern unse­rer Ener­gie­ver­sor­gung. Wie die Nord Stream-Pipe­lines trans­por­tie­ren sie die Ener­gie­trä­ger über wei­te Stre­cken unter Was­ser zu Lager- und Pro­duk­ti­ons­stät­ten an Land.
Aber 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.

Bis­he­ri­ge Ansät­ze funk­tio­nie­ren unter Was­ser nicht

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.

Neu­tro­nen als per­fek­te Sonde

Tech­nipFMC, ein auf Unter­was­ser­pipe­lines spe­zia­li­sier­tes Unter­neh­men mit welt­weit rund 20.000 Mit­ar­bei­tern, war „auf der Suche nach einer effi­zi­en­te­ren Metho­de, um trotz dicker Wän­de sol­che Pfrop­fen berüh­rungs­los, zer­stö­rungs­frei und zuver­läs­sig auf­spü­ren zu kön­nen“, sagt Dr. Xavier Sebas­ti­an, ein Pro­jekt­lei­ter des Unternehmens.
„Neu­tro­nen sind die per­fek­te Son­de für die anste­hen­de Auf­ga­be“, schlug Dr. 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.

Mach­bar­keits­stu­die am FRM II

Dr. 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.

Eine klei­ne Neu­tro­nen­quel­le erkennt Pfropfen

„Unse­re Expe­ri­men­te haben außer­dem gezeigt, dass wir sogar einen in Ent­ste­hung befind­li­chen Pfropf von einer voll ent­wi­ckel­ten Blo­cka­de unter­schei­den kön­nen. Das ist sehr vor­teil­haft, denn dann kann man sogar ein Rohr­seg­ment prä­ven­tiv erhit­zen, um die Ver­stop­fung weg­zu­schmel­zen, bevor sie sich voll­stän­dig ausbildet.“
— Dr. Ralph Gilles

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 Dr. Xavier Sebastian.

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