Introduzione: La sfida del metano nelle infrastrutture industriali e l’esigenza di rilevazione precisa
Il metano, con un potenziale di riscaldamento globale 28-36 volte superiore a CO₂ a 100 anni, rappresenta una delle principali fonti di emissioni industriali, soprattutto in impianti petrolchimici, gasdotti e discariche. La sua rilevazione tempestiva è cruciale non solo per la conformità normativa – tra cui il Regolamento F-Gas europeo e gli obblighi di reporting ANMIA – ma anche per prevenire rischi ambientali e di sicurezza. I sistemi tradizionali, basati su sensori puntuali o monitoraggi globali, risultano inadeguati per identificare fughe a bassa portata (<1% della capacità di emissione), spesso responsabili di perdite silenziose e difficili da individuare. La sfida tecnologica risiede nell’implementare una soluzione continua, distribuita e sensibile, capace di localizzare con precisione micro-fughe lungo percorsi critici, sfruttando le tecnologie avanzate del Distributed Acoustic Sensing (DAS) su fibre ottiche.
Fondamenti del DAS e DTS per il monitoraggio di fughe gassose
Il Distributed Acoustic Sensing (DAS) e il Distributed Temperature Sensing (DTS) si basano sull’interferometria a reticolo di Bragg (FBG) e sull’analisi delle variazioni di scattering Rayleigh indotte da onde acustiche generate da flussi anomali. Nel caso del DAS, una sorgente laser impulsa segnali lungo la fibra; le variazioni di scattering (Rayleigh) causate da vibrazioni meccaniche – come quelle generate da micro-fughe di gas – vengono rilevate con alta sensibilità, fino a 0.1 kPa di variazione di pressione e <0.01°C di variazione termica. Questo consente una copertura continua su lunghezze di fibra fino a 50 km con risoluzione spaziale sub-metrica, superando di gran lunga le capacità dei sistemi convenzionali. L’interferometria a reticolo di Bragg, integrata nelle fibre a singolo modo (SMF-28) operanti a 1550 nm, massimizza la sensibilità e la stabilità in ambienti industriali aggressivi.
Scelta e preparazione della fibra ottica per monitoraggio puntuale
Per un sistema a singola misura, si utilizza una fibra ottica a singolo modo (SMF-28) con lunghezza d’onda operativa 1550 nm, ottimizzata per il DAS. Il rivestimento protettivo in acrilato o poliuretano, resistente fino a 150°C, garantisce durabilità in condizioni di alta temperatura e esposizione a solventi, tipiche di impianti petrolchimici e di liquefazione del gas. Durante l’installazione, la fibra deve essere fissata con supporti anti-vibrazione per evitare artefatti acustici falsi, evitando fissaggi rigidi su superfici soggette a dilatazione termica. Un esempio pratico è la trenching a bassa profondità o l’applicazione superficiale su tubazioni critiche, seguita da un test di integrità ottica post-installazione per verificare assenza di rotture o micro-pieghe che possano compromettere il segnale.
Fasi operative dettagliate per l’implementazione del sistema DAS
- Fase 1: Valutazione del sito e analisi del rischio
- Mappatura delle zone a rischio fughe tramite analisi storica di perdite, pressione operativa, materiali conduttivi e dati di manutenzione.
- Identificazione dei percorsi critici, con simulazioni FEM per ottimizzare il tracciato della fibra, massimizzando sensibilità e copertura.
- Fase 2: Progettazione del percorso con ottimizzazione FEM
- Simulazione numerica per modellare la propagazione delle onde acustiche e la risposta DAS lungo il tracciato, considerando riflessioni e attenuazioni.
- Definizione di nodi di installazione con distanze ottimali (tipicamente 10-30 m) per garantire risoluzione spaziale sub-metrica.
- Fase 3: Installazione fisica e trenching a basso impatto
- Posa della fibra con tecniche di trenching minimale o applicazione superficiale, con giunti flessibili per gestire espansioni termiche.
- Applicazione di rivestimenti protettivi localizzati su punti di stress, evitando sovrapposizioni o pieghe strette.
- Fase 4: Calibrazione con vibrazioni controllate
- Generazione artificiale di segnali acustici controllati (impulsi a diverse frequenze) per validare la risposta DAS e correggere il rumore di fondo.
- Verifica della sensibilità e linearità del sistema in condizioni simulate di fuga.
- Fase 5: Connessione e integrazione con piattaforme di analisi
- Collegamento a sistemi SCADA o piattaforme IoT con algoritmi di riconoscimento pattern e allerta automatica a soglia di 0.5% di perdita volumetrica.
- Visualizzazione in dashboard con mappatura termo-acustica in tempo reale e tracciabilità delle anomalie.
Elaborazione dati e identificazione precisa delle fughe
L’analisi dei segnali DAS richiede tecniche avanzate di filtraggio, come la trasformata wavelet e la trasformata di Fourier, per isolare vibrazioni anomale da rumore ambientale (traffico, vento, vibrazioni meccaniche). La correlazione incrociata tra canali consente una localizzazione sub-metrica (±0.5 m) con elevata precisione, fondamentale per interventi mirati. Algoritmi dinamici discriminano emissioni transitorie da rumore operativo, basandosi su soglie calibrate con medie storiche del sito. In un impianto di compressione del gas in Lombardia, un picco di vibrazione a 20 Hz correlato a un’onda acustica a 20 Hz è stato identificato come indicativo di una micro-fuga con portata stimata del 0.3%, confermando la capacità diagnostica del sistema. L’integrazione con dati meteorologici locali riduce falsi positivi dovuti a variazioni di pressione esterna.
Errori frequenti e mitigazioni operative
- Posizionamento errato della fibra: fissaggio su superfici soggette a dilatazione termica senza giunti di dilatazione induce distorsioni del segnale. Soluzione: utilizzo di supporti elastomerici e monitoraggio continuo della temperatura.
- Assenza di validazione post-installazione: rischio di localizzazioni imprecise senza test con sorgenti artificiali. Obbligatorio: generazione controllata di vibrazioni per verifica della risposta DAS.
- Deriva termica non compensata: sensibilità ridotta a causa di variazioni di temperatura non calibrate. Implementare sistemi di compensazione attiva o registrazioni a intervalli regolari.
- Sovrapposizione di segnali da più sorgenti: necessità di deconvoluzione avanzata per distinguere emissioni vicine, soprattutto in reti complesse.
“La reale forza del DAS risiede non solo nella sensibilità, ma nella capacità di trasformare la fibra ottica in un sensore distribuito ‘intelligente’, capace di raccontare la storia acustica di un impianto con dettaglio operativo senza precedenti.”
— Esperto in monitoraggio industriale, ANMIA, 2024
Ottimizzazione avanzata e integrazione con sistemi predittivi
Per massimizzare l’efficacia operativa, si combinano due approcci: il monitoraggio continuo con allerta automatica a 0