Auf der Suche nach Blasen in Rohren
Rohre und Pipelines sind zu den Adern unserer modernen Gesellschaft geworden. Sie transportieren kostbare Brennstoffe wie Öl und Gas aus den Tiefen des Meeresgrunds, über Ländergrenzen hinweg, durch Städte in unser Heim. Doch dieser erste Schritt, das Leiten von Öl und Gas aus dem Meeresboden durch die Rohre, ist ein hoch komplexer Vorgang, der durch die sich verändernden Druckverhältnisse mehreren Gefahren ausgesetzt ist. Ein internationales Team unter der Leitung von europäischen Forschern hat nun eine neue Methode zur Messung von Gasblasen in Pipelines vorgestellt, mithilfe derer die Arbeiter "Luftausbrüche" wie jede im Golf von Mexiko im Jahre 2010 verhindern können. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Proceedings of the Royal Society A. veröffentlicht. Im April 2010 blickte die Welt schockiert auf den Umweltschaden, der von einer Methangasblase ausgelöst wurde, was zur Explosion einer Bohrinsel führte, wobei 11 Menschen im Golf von Mexiko ums Leben kamen. Eine kleine Methanblase dehnte sich so stark aus, dass sie 73 Meter in die Luft schoss. Um Unfälle wie diese zu vermeiden ist es für Energiewirtschaft sowie für die herstellende und die petrochemische Industrie unabdingbar, einen Weg zu finden, um die Gasblasen in den Pipelines zu messen. Forscher an der Universität Southampton im Vereinigten Königreich entwickelten nun eine neue Methode zur genaueren Messung von Gasblasen in Pipelines. Der Druck auf dem Meeresboden und der Druck an der Wasseroberfläche unterscheiden sich erheblich voneinander. Alle Blasen, die im Öl oder Gas durch das Rohr geleitet werden, dehnen sich natürlich aus, wenn sich der Druck verringert, je näher sie der Oberfläche kommen. Diese sich ausdehnenden Blasen können zu einer Ausbruch führen: Der plötzliche Austritt von Öl und/oder Gas aus einer Quelle. Gegenwärtig wird die Gasblasengrößenverteilung (BSD) geschätzt, indem Klangwellen durch die Blasenflüssigkeit gesendet werden und das gemessene Abklingen der Klangquellen (Verlust der Amplitude während des Ausbreitens) mit dem theoretisch vorhergesagten Wert verglichen wird. Beim Umsetzen der Theorie in die Praxis tauchen jedoch Probleme auf. Die Theorie geht davon aus, dass Blasen in einer endlosen Flüssigkeitskörper existieren. Dies kann zu Fehlern bei der Einschätzung der Blasenmenge führen. Das Forscherteam unter europäischer Leitung mit Vorsitz von Professor Tim Leighton vom Institut für Klang- und Vibrationsforschung an der Universität Southampton entwickelte eine neue Methode, die berücksichtigt, dass es in einem Rohr Blasen gibt. Sie messen, wie Entwicklungsgeschwindigkeiten und Abklingen in einer Flüssigkeit mit Blasen in einem Rohr invertiert werden können, um so die BSD zu schätzen (die unabhängig mithilfe einer optischen Technik gemessen wurde). Diese neue Technik ist für Pipelines wie TTF geeignet und liefert gute BDS-Schätzungen, wenn der Frequenzbereich ausreichend breit ist. Professor Leighton erklärt: "Diese Abhandlung befasst sich mit der Methode, die wir zur Halbzeit des Forschungsvertrages eingeführt haben. Sie funktioniert; aber kaum hatten wir sie erstellt, kam es 2008 zum globalen Finanzcrash und es waren keine Mittel mehr verfügbar, um die Vorrichtung in die Quecksilber-Pipelines von ORNL einzubauen. Eine kostengünstigere Lösung musste gefunden werden und genau an dieser arbeiten wir gegenwärtig. Der Originalentwurf wurde auf Eis gelegt, bis es der Welt finanziell wieder besser geht. Dies war eine fantastische Möglichkeit, mit Nuklearwissenschaftlern und Technikern von ORNL und RAL zusammenzuarbeiten." Professor Leighton und sein Team wurden autorisiert, die Arbeit als Teil eines laufenden Programms durchzuführen und Methoden zur genaueren Schätzung der BDS in den mit Quecksilber gefüllten Stahlpipelines der Zieltestanlage (TTF) der 1,4 Mrd. USD schweren Spallationsneutronenquelle (SNS) am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee in den Vereinigten Staaten zu entwickeln - einer der leistungsstärksten Neutronenquellen der Welt. Diese Anlage ist in der Lage, einen Protonenstrahl mithilfe eines linearen Beschleunigers Hunderte von Metern weit in 20 Tonnen gepumptes flüssiges Quecksilber zu schießen. Spezielle Neutroneninstrumente wurden gebaut, die um die Quelle herum zirkulieren und Neutronenstrahlen auffangen, um diese dazu verwenden, die interne Struktur von Materialien wie Testflugzeugflügel, forensische Proben oder biomedizinische Produkte zu untersuchen. "Die SNS-Anlage wurde mit der Erwartung errichtet, dass sie gelegentlich ausgeschaltet werden muss und der dann hoch radioaktive Quecksilberbehälter durch einen neuen ersetzt werden muss, weil der Stahl durch die Strahlung brüchig wird", erläutert Professor Leighton. "Da der Protonenstrahl das Quecksilber jedoch zusammenpresst und Schockwellen generiert, wodurch Kavitationsblasen im Quecksilber zusammenfallen und den Stahl zerfressen, muss dieser Austausch bei voller Kraft häufiger vorgenommen werden als ursprünglich geplant. Die Erreichung der vollen Entwurfsleistung ist in Gefahr."Weitere Informationen sind abrufbar unter: Institute of Sound and Vibration Research at the University of Southampton: http://www.southampton.ac.uk/engineering/research/centres/isvr.page(öffnet in neuem Fenster) Proceedings of the Royal Society A: http://rspa.royalsocietypublishing.org/(öffnet in neuem Fenster)
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