Unterwasserpipelines durch Neutronen-basierte Methode unterstützt

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.