Unsteady Friction for leak detection in pipeline systems

In Europees milieubeleid zijn stevige ambities geformuleerd om lekverliezen in drink- en afvalwater leidingnetten terug te dringen tot 1,5%. Zelfs voor Nederlandse waterbedrijven, waar lekverliezen in internationaal perspectief gezien erg laag zijn, levert dit nog steeds forse uitdagingen. Het vroegtijdig opsporen van lekkages kan grote (milieu)schade voorkomen. Voor deze opsporing bestaat een behoorlijke verscheidenheid aan technologieën, maar er is gebrek aan echt effectieve en in de praktijk goed bruikbare, liefst non-invasieve methoden. Bij het opsporen van lekkages in transportsystemen voor vloeistoffen onder druk (waterleiding, afvalwatertransport, warmtenetten) kan gebruik worden gemaakt van veranderingen in de dynamische respons van het systeem. Om de betrouwbaarheid en de nauwkeurigheid van de numerieke methoden die daarvan gebruik maken te vergroten, is kennis nodig over een aantal fundamentele dynamische processen die tot op heden nog onvoldoende goed begrepen en beschreven zijn. Dit project draagt hieraan bij.

Technologie

Lekkage uit transportsystemen voor vloeistoffen onder druk is een belangrijk aandachtpunt voor alle organisaties die dergelijke systemen onder beheer hebben. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het waterleidingsysteem, afvalwater persleidingen, of stadsverwarmingssystemen. Lekkage uit dit soort systemen leidt niet alleen tot efficiëntieverlies, maar kan ook resulteren in milieuschade (lekkend afvalwater) of het ontstaan van zogenaamde sinkholes waardoor ook substantiële schade kan ontstaan aan de bebouwde omgeving of het bezwijken van andere netwerken. Een voorbeeld hiervan is het herhaaldelijk bezwijken van een drinkwaterleiding die mede tot gevolg had dat een gasdistributieleiding het begaf, waardoor een wijk in Apeldoorn gedurende enige tijd verstoken was van water en gastoevoer. In het geval van warmtenetten leidt lekkage behalve tot de genoemde omgevingsschade ook tot een direct verlies van energie.

De problematiek van lekkende ondergrondse leidingen is niet beperkt tot Nederland alleen, via regulering vanuit de EU worden landen verplicht om in 2026 te rapporteren over de mate waarin drinkwaterdistributiesystemen lekkage vertonen. Op termijn (na 2028) worden op Europees niveau maxima gesteld aan de lekverliezen in deze systemen met daaraan gekoppeld een periodieke rapportage over de actuele status van de waterdistributiesystemen.

Een van de methoden die wordt gehanteerd om lekkages in een drukleidingsysteem in een vroegtijdig stadium op te sporen, is het verifiëren van de zogeheten hydraulische vingerafdruk. Kort samengevat komt dat neer op de respons van een systeem op een drukpuls. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het opstarten of afschakelen van een pomp of het snel openen of sluiten van een klep. De resulterende drukgolf zal in het systeem onderhevig zijn aan demping; verschillen tussen twee opeenvolgende ‘vingerafdrukken’ kunnen onder meer worden verklaard uit de aanwezigheid van lekkages. Met behulp van rekenmodellen kan dan worden bepaald of er sprake is van lekkage, en zo ja, waar deze lekkage zich ongeveer bevindt. Een belangrijke beperking van deze methode is gelegen in het feit dat in de huidige generatie rekenmodellen een aantal processen niet is meegenomen die wel invloed hebben op de gemeten demping van drukgolven. Het gaat hierbij om zogenoemde dynamische weerstand, elasto-plastische vervorming van het buismateriaal en de energiedissipatie naar de omringende grond. Voor ontwerptoepassingen is het verwaarlozen van deze processen geen probleem, omdat de effecten vrij klein zijn. Daarnaast biedt het verwaarlozen een soort extra veiligheidsmarge in het ontwerp van persleidingsystemen. Echter, bij het opsporen van kleine (beginnende) lekkages is de discrepantie in dezelfde orde van grootte als het gezochte effect (lekkage) en wordt het inrekenen van de genoemde processen wel een punt van aandacht. Omdat lekkages vaak klein beginnen en na verloop van tijd groter worden is vroegtijdige detectie van belang om kosten gerelateerd aan onderhoud en (gevolg)schade te minimaliseren.

Wij willen met een project van bescheiden omvang en scope beginnen en laten zien dat de genoemde processen wel degelijk verder moeten worden begrepen en beschreven om de kwaliteit van de lekdetectie in de toekomst belangrijk te verbeteren. Tegelijkertijd mag worden verwacht dat vroegtijdige opsporing van lekkages een belangrijke (maatschappelijke) kostenbesparing met zich meebrengt.

Omdat het een mix van complexe fenomeen betreft en er nog geen acuut praktisch probleem wordt ervaren, is er waarschijnlijk een zetje nodig om de leidingbeherende partijen van het belang van dit onderzoek te overtuigen. Dit ook omdat er niet op zeer korte termijn een kant en klare oplossing te verwachten valt, maar veeleer een wat langer lopend onderzoektraject nodig zal zijn. Binnen de drinkwaterwereld is leveringszekerheid een belangrijk criterium bij de wijze waarop de systemen worden beheerd, het vroegtijdig opsporen van lekkages maakt daar zeker deel vanuit.

Het belang van het monitoren van afvalwaterpersleidingsystemen wordt door de sector ook onderkend. Het hier voorgestelde onderzoek wil bijdragen aan de oplossing van vragen die de genoemde sectoren naar verwachting op termijn van 5 tot 10 jaar beantwoord willen zien, het is daarom van belang om nu te zorgen dat de onderliggende kennisbasis op orde komt.

Uitdaging

Het bouwen van een experimentele opstelling waarmee zeer snelle dynamische processen in versnellende buisstroming (passerende drukgolf) gekwantificeerd kunnen worden, aan de hand waarvan lekdetectiemodellen verbeterd kunnen worden. Tevens wordt belangrijk materiaal voor verder onderzoek verkregen.

In het verleden is enig (experimenteel) onderzoek gedaan naar dynamische weerstand onder relatief langzaam variërende buisstromingen (karakteristieke tijdschaal “seconden), maar het is onduidelijk of deze resultaten ook extrapoleerbaar zijn naar de snelle (tijdschaal “0.001 s) processen die optreden tijdens waterslag. Het gaat om nog weinig bestudeerde aspecten van turbulente stromingen, waarbij metingen over een breed spectrum van tijd en ruimteschalen simultaan gemeten moeten worden. Dit vraagt om de inzet van geavanceerde meettechnieken en zeer geavanceerde, en nog deels te ontwikkelen post processing technieken, om de nodige informatie uit de ruwe metingen te kunnen verkrijgen.

Het voorstel is om een aantal experimenten uit te voeren waarin wordt nagegaan of, en in hoeverre, de bevindingen uit eerder onderzoek (langzame variatie) valide zijn op kleinere tijdschalen.

Oplossingen

Door uit te gaan van een snelle, niet-invasieve meetmethoden (sPIV, LDA) in een experimentele opstelling in het lab, worden data verkregen waarmee (bestaande) modelconcepten kunnen worden getoetst. Tevens kan worden ingeschat wat de meerwaarde kan zijn van nader onderzoek naar de bijdragen van elasto-plastische processen in de buiswand en de energiedissipatie.

Het projectvoorstel geeft invulling aan de Kennis- en Innovatieagenda:

• MMIP D4 Duurzame en veilige verwerking
• MMIP S1 Smart Technologies in Agri-Horti-Water-Food