Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор методов определения утечек из трубопроводов 17
1.1 Классификация существующих методов обнаружения утечек 18
1.2 Обзор методов обнаружения утечек, преимущества и недостатки 20
1.2.1 Метод понижения давления с фиксированной или скользящей 20 установкой
1.2.2 Метод отрицательных ударных волн 22
1.2.3 Метод сравнения расходов 24
1.2.4 Метод сравнения скорости изменения расходов (ERM) . 26
1.2.5 Метод линейного баланса 27
1.2.6 Радиоактивный метод 29
1.2.7 Ультразвуковой метод (зондовый) 31
1.2.8 Акустический метод 33
1.2.9 Метод акустической эмиссии 35
1.2.10 Лазерный газоаналитический метод 3 7
1.2.11 Визуальный метод 3 8
1.2.12 Метод статического давления 40
1.2.13 Метод дифференциального давления 40
1.2.14 Метод перепада давлений (зондовый) 42
1.2.15 Метод трассирующих газов 43
1.2.16 Метод вихревых токов 44
1.2.17 Магнитные методы контроля 45
1.2.18 Комбинированный электромагнитный метод контроля 46
1.2.19 Метод ударных волн Н. Е. Жуковского - 47
1.3 Анализ современных отечественных систем обнаружения утечек из магистральных трубопроводов
1.3.1 Системы обнаружения утечек на магистральных нефтепроводах по фронту волны пониженного давления, возникающему при образовании утечки
1.3.2 Параметрические системы обнаружения утечек (ПСОУ) 55
1.4 Требования, предъявляемые к методам и средствам контроля 57
1.5 Область исследований и основные задачи диссертационной работы 60
ГЛАВА 2 Теоретические исследования распространения импульса давления в трубопроводе 61
2.1 Краткий обзор теоретических исследований волновых процессов в трубопроводах
2.2 Выбор метода решения задачи о распространении гидравлического импульса в трубопроводе
2.3 Некоторые задачи о распространении импульса давления прямоугольной формы в трубопроводной системе конечной длины (на примере лабораторного стенда) 71
2.4 Математическое моделирование процесса распространения импульса давления по нефтепродуктопроводу в режиме перекачки 79
2.5 Выводы по главе 2 88
ГЛАВА 3 Лабораторные исследования волновых процессов. разработка нового способа определения места утечки - 89
3.1 Лабораторные исследования волновых процессов в трубопроводе 89
3.1.1 Разработка экспериментального стенда для исследований
3.1.2 Требования к основным параметрам измерительной аппаратуры и выбор средств измерения давления 91
3.1.2.1 Основные параметры измерительной аппаратуры
3.1.2.2 Преобразователь давления измерительный МТУ 91
3.1.3 Проведение стендовых исследований 91
3.1.4 Анализ результатов испытаний и сопоставление с результатами- 95
теоретических исследований 99
3.2 Разработка нового способа определения утечек в трубопроводах 119
3.2.1 Сущность нового способа определения утечек в трубопроводах 119
3.2.2 Расчеты, связанные с движением гидроударной волны в 122 трубопроводе
3.2.2.1 Скорость распространения ударной волны в различных 122 средах
3.2.2.2 Затухание звука в жидкостях и газах. Релаксационное 124 поглощение
3.2.2.3 Повышение давления от ударной волны 126
3.2.2.4 Напряжения в стенках трубопровода 127
3.3 Выводы по главе 3 128
ГЛАВА 4 Опытно-промышленные испытания способа диагностирования утечек в трубопроводах 129
4.1 Характеристика объекта исследований и существующей системы контроля утечек 129
4.1.1 Характеристика нефтепродуктопровода «У фа-Камбарка» " 129
4.1.2 Система контроля утечек 130
4.2 Разработка программы промышленных испытаний способа 137
диагностирования утечки
4.2.1 Программа первого этапа промышленных испытаний разрабатываемого способа определения утечек из магистрального нефтепродуктопровода 138
4.2.2 План проведения промышленного эксперимента 140
4.3 Проведение и результаты опытно-промышленного испытания способа диагностирования утечки 141
4.3.1 Подготовка трубопровода к проведению эксперимента 141
4.3.2 Выполнение первой и второй серии опытов 144
4.3.3 Выполнение третьей серии промышленных экспериментов 149
4.4 Выводы по главе 4 161
Выводы по диссертационной работе 162
Список использованных источников
- Классификация существующих методов обнаружения утечек
- Выбор метода решения задачи о распространении гидравлического импульса в трубопроводе
- Лабораторные исследования волновых процессов в трубопроводе
- Характеристика объекта исследований и существующей системы контроля утечек
Введение к работе
Магистральные трубопроводы занимают значительное место в общей транспортной системе страны. По нефтепроводам и нефтепродуктопроводам осуществляется транспортировка более 50% всех нефтегрузов. Развитие сети магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов сопровождается непрерывным повышением уровня их технической оснащенности, широким внедрением современных средств компьютеризации и автоматизации процессов перекачки. Отечественный опыт показывает, что с внедрением систем телемеханики на магистральных трубопроводах их надежность значительно возрастает.
В перспективе магистральные трубопроводы остаются основным видом транспорта нефтегрузов. Развитие трубопроводного транспорта неразрывно связано с выполнением комплекса мероприятий по охране окружающей среды на принципиально новых научно-технических основах проектирования, строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов. Несмотря на очевидные преимущества трубопроводного транспорта, при транспортировании нефти и нефтепродуктов по магистральным трубопроводам имеет место загрязнение атмосферы, водоемов и почвы. В связи с этим серьезное внимание уделяется сокращению потерь на магистральных трубопроводах.
Как правило, потери связаны с нарушением правил эксплуатации, повреждением трубопроводов от коррозии, несвоевременным ремонтом, стихийными бедствиями и т.п. В последние годы в практике трубопроводного транспорта нефтепродуктов и даже нефти участились случаи несанкционированных врезок в трубопровод с целью хищения нефти и нефтепродуктов.
В связи с этим особое значение приобретает исследование, направленное на создание способов и устройств обнаружения утечек из трубопроводов.
Целью диссертационной работы является повышение качества контроля работы магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов путем своевременного обнаружения места и времени образования утечек и несанкционированных
7 подключений при хищении перекачиваемого продукта. Основные задачи исследований
На основе анализа существующих методов и средств обнаружения утечек из трубопроводов определена область исследований и основные задачи диссертационной работы:
Разработка математической модели распространения импульса давления в трубопроводе и* проведение численных экспериментов для оценки адекватности предлагаемой модели.
Разработка экспериментальной установки, подбор измерительных средств и проведение лабораторных исследований волновых процессов в трубопроводе с целью подтверждения принципиальной возможности использования сканирующего импульса для обнаружения утечки.
3. Разработка способа обнаружения утечек из трубопровода, основанного на
его сканировании с помощью импульса давления.
4. Проведение промышленных испытаний с применением разработанного
способа обнаружения утечек из трубопроводов.
Методы решения задач
Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований. При решении задач использовались современные компьютерные технологии, интеллектуальные датчики давления, серийные пьезокерамические датчики давления, математические методы анализа динамических процессов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель распространения импульса давления в
трубопроводе и методы численного решения уравнений модели.
2. Предложен способ обнаружения утечек из трубопроводов с помощью
сканирующих импульсов давления.
3. Установлена возможность использования спектрального анализа процесса
изменения давления для идентификации утечки.
На защиту выносятся: результаты теоретических, лабораторных и промышленных исследований нового способа обнаружения утечек из трубопроводов.
Практическая ценность и реализация работы. Полученные в работе результаты позволяют своевременно и точно определять местоположения утечек и несанкционированных подключений при эксплуатации нефте- и нефтепродуктопроводов.
В результате исследований разработан комплекс программ для изучения волновых процессов и обработки результатов. Разработанный способ обнаружения утечек может быть адаптирован в существующих системах контроля утечек (СКУ).
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались:
на Межрегиональной научно-методической конференции «Проблемы нефтегазовой отрасли», г. Уфа, 14 декабря 2000 г.
на 52-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, г. Уфа, 2001.
на Межотраслевой научно-практической конференции «Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и социогумани-тарного образования специалистов топливно-энергетического комплекса», г. Уфа, 23-25 мая 2001 г.
на III конгрессе нефтегазопромышленников России. Секция Н «Проблемы нефти и газа», г. Уфа, 23-25 мая 2001 г.
на Международной научно-технической конференции «Трубопроводный транспорт - сегодня и завтра», г. Уфа, 28-29 ноября 2002 г.
на 2-й Международной научно-технической конференции. Новоселовские чтения, г. Уфа, 10-12 апреля 2004 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ и получен один патент RU 2197679 С2.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 254 наименования, 3 приложений. В ней содержится 196 страниц машинописного текста, 85 рисунков, 10 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи, научная новизна и практическая ценность результатов
9 проведенных исследований.
Первая глава посвящена обзору методов и технических средств обнаружения утечек из трубопроводов, а так же их классифшсации и анализу.
Выполнен анализ существующих систем классификации применяемых и разрабатываемых методов контроля утечек в трубопроводах по различным показателям: режиму работы трубопровода; периодичности применения; измеряемым параметрам; физическому явлению; принципу действия.
Материалы первой главы показывают, что методы детектирования утечек могут быть самыми разными, но среди них можно выделить несколько типов решений, используемых и предлагаемых в настоящее время: метод отрицательных ударных волн; метод сравнения расходов; метод линейного баланса; радиоактивный метод; ультразвуковой метод (зондовый); акустический метод; метод акустической эмиссии; лазерный газоаналитический метод; визуальный метод; метод вихревых токов; магнитные методы контроля; комбинированный электромагнитный метод контроля; метод ударных волн Н. Е. Жуковского и другие методы, а также их комбинации.
Кроме описания перечисленных методов, в работе приведены их преимущества и недостатки, а также практическое применение в России и за рубежом.
Системы контроля должны удовлетворять следующим требованиям: высокая чувствительность; точность определения места утечки; безопасность в эксплуатации; обеспечение контроля трубопроводов большой протяженности; высокая степень надежности, достоверности и автоматизации; отсутствие помех, оказывающих влияние на режим перекачки; экономичность; готовность к работе при любых климатических и погодных условиях.
При оценке преимуществ и недостатков отдельных методов учитываются различные обстоятельства. Применение тех или иных методов ограничено параметрами трубопровода, профилем трассы, свойствами перекачиваемой жидкости, зависит от направления и режима перекачки. Некоторые методы позволяют установить только факт наличия утечки, с помощью других удается определить также место повреждения.
Наибольшее распространение получили транспортабельные средства обнаружения утечек следующих фирм: НИИинтроскопии Томского
10 политехнического университета (акустико-эмиссионный течеискатель АФ41), ООО "ТЕХНОАС" подразделением фирмы "ИНТЕКО" (г. Коломна, Московской обл.) (акустико-эмиссионный специализированный течеискатель АЭТ1МС, течеискатель акустический портативный "УспехАТГ1, течетрассопоисковый комплект "УспехАТГЗ»).
В настоящее время эксплуатируются или проходят стадию внедрения стационарные системы контроля утечек разработки следующих отечественных фирм: ГП ВНИИФТРИ Госстандарта РФ совместно с ВНРШГАЗ (система автоматического контроля герметичности продуктопроводов), НИИинтроскопии (г. Томск) (система непрерывного контроля герметичности участков нефтепровода), 000 «Энергоавтоматика» (г. Москва) совместно с АОЗТ «ЭлеСи» (г. Томск) (система обнаружения утечек в магистральных нефтепроводах по волне давления), АОЗТ "Электронные технологии и метрологические системы" (система контроля утечек СКУ Ф900) и др.
За рубежом нашли распространение стационарные средства и системы контроля утечек следующих фирм: американской корпорации акустических систем ASI (система "WaveAlert VI"), "SpectraTec" (система контроля "WAVEALERT"), "PerinAlert E.S.P.Inc. " (США) (автоматическая 'система обнаружения и локализации утечек "LeaComSystem") и др.
Анализ существующих методов и средств обнаружения утечек показал, что они требуют дальнейшего совершенствования и развития. Основным их недостатком является невозможность достоверно зафиксировать утечку, если момент ее образования совпал с началом нестационарного процесса (отключение - включение насосного агрегата, регулирование давления на выходе насосной станции и т.п.). Несанкционированные подключения характеризуются тем, что процесс отбора продукта делится на три этапа: включение отбора; отбор продукта (истечение жидкости с практически постоянным расходом без быстрых перепадов давления, распространяющихся от места отбора); отключение отбора. При малых скоростях открытия (закрытия) задвижки на несанкционированном подключении существующие системы контроля не гарантируют обнаружение утечки на первом и третьем ее этапе, а второй этап может длиться достаточно долго.
В конце первой главы показана актуальность проблемы оперативного
выявления утечек из трубопроводов, определена область исследований и основные задачи диссертационной работы, заключающиеся в разработке нового способа диагностики трубопроводов, проведении теоретических и экспериментальных исследований.
Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям волновых процессов при диагностировании трубопроводов.
Основы теории неустановившегося течения жидкости в напорных трубопроводах были изложены в работах Н.Е. Жуковского. Полученные им дифференциальные уравнения движения невязкой жидкости легли в основу дальнейшего развитии теории напорного и безнапорного течения вязкой жидкости. С помощью этой теории было получено объяснение физического явления, получившего название гидравлического удара. Н.Е. Жуковским было введено понятие эффективной скорости звука, позволившее свести задачу о движении сжимаемой жидкости в упругом цилиндрическом трубопроводе к задаче о движении сжимаемой жидкости в жестком трубопроводе, но с меньшим модулем упругости жидкости.
Дальнейшее исследование нестационарных процессов в трубопроводах
получило в работах И.А. Чарного, С.А. Христиановича, А.Х. Мирзаджанзаде,
М.А. Гусейн-Заде, В.А. Юфина, Х.Н. Низамова, Р.Ф. Ганиева, Л.Б. Кубланов-
ского, Л.В. Полянской, М.В. Лурье, A.M. Шаммазова, А.К.Галлямова,
і Е.В. Вязунова, А.Г. Гумерова, А.С. Шумайлова, А.С. Казака, Е.М. Климов-
ского, А.А. Кандаурова и др.
Теоретические исследования, приведенные в диссертационной работе, посвящены разработке математической модели процесса изменения давления в трубопроводе и ее численному решению.
Гидравлические, электрические и акустические колебательные процессы описываются эквивалентными уравнениями и имеют общие физические модели. Физическая сущность этих процессов связана с преобразованием кинетической и потенциальной энергий, которые определяют физические свойства среды и характер волновых процессов в ней.
Дифференциальные уравнения, входящие в предлагаемую модель и описывающие неустановившееся движение реальной жидкости по трубам выведены на основании следующих допущений:
труба - цилиндрическая с постоянной площадью сечения при исходном давлении, достаточно жесткая; течение жидкости по трубе - одномерное;
принято, что характеристики сопротивлений, установленные для стационарных течений и для нестационарных течений, эквивалентны;
стенки трубы - упругие и площадь поперечного сечения трубы описывается линейной зависимостью от давления в соответствии с законом Гука;
скорость течения жидкости V меньше скорости звука с;
жидкость малосжимаема и ее плотность р линейно зависит от давления р.
Аналогия между движением реальной жидкости в трубах и распределением электрического тока по кабелю позволяет использовать математический аппарат, развитый в электротехнике, для описания распространения импульса давления или скорости в трубопроводной системе.
Трубопроводная система имеет достаточно сложную структуру и состоит из конструктивных участков, т.е. простых трубопроводов и конструктивных узлов - устройств, нарушающих однородность магистралей (например, к ним относятся места изменения поперечного размера труб, разветвления, резкие повороты, места установки насосов, задвижек, кранов, гидроаккумуляторов и т.п.). Процессы распространения давления и скорости в трубопроводе описываются телеграфными уравнениями. В работе приведено решение телеграфного уравнения в виде соотношений. Использование этих соотношений позволяет решать задачи о периодических движениях жидкости при общем виде граничных условий, в том числе "для сложных систем трубопроводов.
Разработанная математическая модель использована для решения задачи при распространении импульса давления прямоугольной формы в трубопроводной системе конечной длины.
В работе приведены результаты расчетов распространения импульсов давления прямоугольной формы и длительностью т в трубопроводе постоянного диаметра d и длины / «без утечек», правый конец которого закрыт. Далее описаны данные теоретических исследований распространения импульса давления прямоугольной формы при наличии «утечки». По результатам исследований можно определить расстояние до утечки и другие параметры.
Также рассмотрены задачи распространения импульса давления в трубопроводе при наличии поворотов. Построены графики распространения импульсов давления в рассмотренных моделях.
Для оценки волновых процессов, которые могут происходить в реальном нефтепродуктопроводе, выполнено математическое моделирование процесса распространения импульса давления по нефтепродуктопроводу в режиме перекачки. Расчеты по модели показали, что сканирующий импульс от 0,2 МПа до 0,5 МПа может быть использован для обнаружения места утечки.
Третья глава посвящена лабораторным исследованиям волновых процессов в трубопроводе и разработке нового способа определения утечки, основанного на использовании сканирующего импульса.
Для проверки результатов счета по теоретической модели и в связи с тем, что процесс распространения импульсов давления - довольно сложный динамический процесс, с учетом основных положений теории подобия была разработана экспериментальная установка.
Для проведения лабораторных экспериментов, разработана методика проведения испытаний и требования к точности, быстродействию и объему запоминающего устройства. На основании требований подобрана аппаратура и датчики давления. В качестве датчиков давления выбраны ЛХ-6, интеллектуальные датчики давления фирмы «Грант» и «НТ-Центр» с приведенной погрешностью 0,025 % и частотою дискретизации 2,5 мс. Эксперименты проведены с использованием компьютеров IBM РИ, РШ и специального программного обеспечения, что позволяет накопить базу данных проведенных экспериментов.
Исследованы волновые процессы на лабораторном стенде при распространении импульсов давления различной амплитуды и длительности, с утечкой и без нее.
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований показывает на удовлетворительную сходимость их результатов и подтверждают принципиальную возможность обнаружения утечек из трубопроводов с помощью сканирующих импульсов давления.
Заключительный раздел третьей главы посвящен разработке нового
14 способа определения утечек из трубопроводов. На способ диагностирования получен патент RU 2197679 С2.
С помощью предлагаемого способа возможно решение технической задачи повышения вероятности и скорости определения места утечки, зондирования утечек на больших расстояниях от источника гидроударных волн.
Сущность изобретения заключается в том, что место утечки жидкости из трубопровода определяют по интервалу времени между зондирующей и отраженной гидроударными волнами, которые, согласно изобретению посылают с амплитудой 50-6,5-106 Па и частотой колебаний в диапазоне от 0,004 Гц до 500 кГц, а расстояние до места утечки определяют по формуле
X=t-v/2, где X - расстояние до места утечки; т - время прохождения волны от источника до приемника; v - скорость волны.
При этом характер утечки определяют по изменению амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик отраженного сигнала волнового поля.
Способ осуществляют следующим образом: с помощью гидравлического генератора волн давления, который расположен в начале участка трубы, создается импульс давления определенной длительности и амплитуды, который распространяется по трубе, и отраженный сигнал с фиксацией его пьезоэлектрическими датчиками давления, преобразованный в цифровой код с помощью АЦП (аналого-цифровой преобразователь), фиксируется в ПЕС (персональный компьютер). Датчики давления расположены в непосредственной близости от генератора волн. После определения времени т при известной скорости v определяют место утечки и ее характер.
Предлагаемое изобретение может быть использовано для диагностики состояния магистральных трубопроводов, а также трубопроводов в нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производствах.
Четвертая глава посвящена промышленным испытаниям способа определения утечки, основанного на использовании сканирующего импульса.
В первом разделе дается характеристика нефтепродуктопровода
15 «Уфа - Камбарка» и существующей системы контроля утечек, разработанной ООО «Компания Телекомнур». Система контроля утечек предназначена для обнаружения утечек на нефтепродуктопроводах на участках между соседними перекачивающими станциями и решает следующие задачи:
оперативное выявление аварийной ситуации на магистральном нефтепродуктопроводе (МНПП), обусловленной негерметичностью МНПП, с определением места утечки;
оперативное выявление несанкционированных врезок в МНПП с определением места врезки;
предоставление оперативной информации об утечке или врезке оператору перекачивающей станции (ПС) и предупреждение оператора-с выдачей звукового и светового сигнала.
Информацией обнаружения утечек для основной комплектации являются показания датчиков давления. Для контроля давления используются датчики избыточного давления со встроенным контроллером. Выход измерителя давления преобразуется в цифровую форму с разрешением 0,0001 МПа, частотой опроса до 3 Гц.
Для обнаружения утечек используются метод, который основан на обнаружении "волны расширения", образуемой при возникновении утечки. Минимально обнаруживаемая утечка определяется с погрешностью не более ±300 м и время обнаружения не более 3 минут с момента возникновения утечки.
Погрешность определения расстояния зависит от величины расхода в месте утечки, от расстояния до ее места и от скорости перекачки. Теоретическая погрешность определения места утечки составляет 0,1 % от длины контролируемого участка (при длине 130 км составляет 130 м). Алгоритм автоматического определения обеспечивает определение места утечки с точностью 1,5 % от длины контролируемого участка. Это определяется дискретностью опроса давления, влиянием скорости течения жидкости, погрешностью синхронизации датчиков и пофешностью обнаружителя. При этом влияние скорости течения составляет ОД %, влияние дискретности 1,3 %, погрешность обнаружителя 0,2 %,
Во втором разделе четвертой главы описана программа промышленного испытания способа диагностирования утечки.
Промышленные испытания были выполнены на нефтепродуктопроводе «Уфа-Камбарка» диаметром 325 мм. Датчик давления и источник сканирующего импульса были установлены на камере пуска разделителя на линейной производственно-диспетчерской станции (ЛЦЦС) «Черкассы». Утечку имитировали открытием задвижки на трубопроводе-отводе к нефтебазе «Подьгмалово». Расстояние от датчика давления до места утечки составляло 47000 м. Испытания вьшолнялись при перекачке автомобильного бензина АИ-92. Была выполнена серия испытаний при различных значениях амплитуды и длительности сканирующего импульса. Испытания показали работоспособность предлагаемого способа определения утечек.
В работе выполнен спектральный анализ давления, замеренного с помощью высокочувствительного пьезоэлектрического датчика давления МТУ, установленного рядом с датчиком существующей СКУ на ЛПДС «Черкассы».
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что для выявления утечки с помощью сканирующего импульса весьма эффективным оказывается применение спектрального анализа и изучение характера изменения спектра давления во времени.
В заключении четвертой главы даются практические рекомендации по реализации полученных результатов исследований.
Автор благодарит профессоров Уфимского . государственного нефтяного технического университета Галиакбарова В.Ф. и Коробкова Г.Е. за ценные консультации и советы, высказанные ими в процессе выполнения диссертации.
Классификация существующих методов обнаружения утечек
Возможны несколько систем классификации существующих и разрабатываемых методов контроля утечек в трубопроводах по различным показателям [21, 57, 59, 83, 84, 160, 161, 171, 181, 192, 197, 217, 242].
1. Классификация методов по режиму работы трубопровода.
В зависимости от режима работы трубопровода методы контроля могут быть разбиты на две группы: динамические (без остановки трубопровода) и статические (с остановкой трубопровода).
При динамическом контроле удается обнаружить лишь значительные (более 50 л/ч) утечки. Малые (до 10 л/ч) утечки можно выявить только при остановке трубопровода, т.е. статическими методами. К методам динамического контроля относятся методы отрицательных ударных волн, линейного баланса, ультразвуковой и радиоактивный.
Статический контроль осуществляется методом дифференциального давления и методом падения давления.
2. Классификация методов по периодичности применения.
В зависимости от периодичности применения методы контроля делятся также на две группы: периодический контроль, осуществляемый через определенные интервалы времени (от нескольких суток и более), и постоянный (непрерывный) контроль, осуществляемый в течение всего времени эксплуатации трубопровода. Периодический контроль является единственным надежным способом обнаружения очень маленьких отверстий цилиндрической формы.
Существует несколько способов такого контроля: традиционное патрулирование трубопровода (пешком, на автомобилях, лодках, легких самолетах) обычно не реже одного раза в неделю. При этом используются различные портативные приборы, позволяющие установить наличие и место повреждения; - запуск в трубопровод различных зондов, оборудованных приборами для обнаружения утечки. При передвижении зонда с потоком жидкости прибор фиксирует наличие и место утечки; гидравлические испытания остановленного трубопровода, непрерывный контроль при этом осуществляется с помощью методов контроля давления в фиксированных точках трубопровода, контроля мгновенного расхода в фиксированных точках трубопровода и линейного баланса. Методы линейного баланса позволяют обнаружить утечку путем сопоставления количества продукта на входе и выходе контролируемого участка трубопровода. Количество продукта измеряется установленными на трубопроводе счетчиками или уровнемерами в резервуарах. Сведение баланса с помощью счетчиков производится непрерывно, а с помощью уровнемеров - с интервалами в 1 -2 ч; - использование отрицательных ударных волн. Этот метод впервые нашел применение в Западной Европе. В других регионах, в частности в США и Японии, использование этого метода датируется значительно более поздним периодом. - применение нефтерастворимой пластмассовой трубки. Метод был использован для контроля утечек из Трансальпийского нефтепровода- на участке длиной 30 км, проложенном по территории ФРГ через зоны забора питьевой воды. Трубка заполнялась воздухом или жидкостью под давлением. Предполагалось, что в случае утечки материал трубки растворится в нефти, и давление в ней упадет. Однако 10-летний опыт показал, что эта система абсолютно неработоспособна.
3. Классификация методов по измеряемым параметрам, явлению, принципу действия. В зависимости от измеряемого параметра, эффекта, сопровождающего утечку, и принципа действия методы контроля утечек включают контроль расхода в одной или нескольких точках трубопровода, давления в одной или нескольких точках трубопровода, уровня звука в трубопроводе и наличия радиоактивного вещества вблизи трубопровода. Ниже приводится описание некоторых методов обнаружения утечек [38,40].
Выбор метода решения задачи о распространении гидравлического импульса в трубопроводе
Вопросу определения скоростей, с которыми распространяются импульсы в упругих цилиндрических трубах, наполненных жидкостью, посвящена обширная литература. Первые исследования были связаны скорее с физиологическими вопросами (распространение пульса в кровеносных сосудах), чем с техническими.
Первым исследованием количественной стороны явления, как указывает И.С. Громека [44], была работа Г. Резаля [233]. В ней определена скорость распространения волны без учета инерции стенок труб и сжимаемости жидкости. С учетом последних двух факторов задачу рассмотрел Д. Кортевег [216], однако его работа имеет некоторые недостатки. Анализ распространения осесимметричных волн в трубе, наполненной вязкой несжимаемой жидкостью, учитывающей радиальную и продольную инерцию трубы, а также трение о стенки, дал в 1883 г. И.С. Громека [44]. Это во многих отношениях замечательная работа. В ней использована система уравнений осесимметричных колебаний оболочки, условия равновесия скоростей газа и оболочки на колеблющейся поверхности и т.д. Более подробный анализ автор повел для невязкой жидкости и получил две скорости распространения волны. Аналогичную задачу (звуковые колебания) без учета вязкости рассмотрел Г. Лэмб [220].
Основы теории неустановившегося течения жидкости в напорных трубопроводах были изложены в работах Н.Е. Жуковского [55, 56]. Полученные им дифференциальные уравнения движения невязкой жидкости легли в основу дальнейшего развитии теории напорного и безнапорного течения вязкой жидкости. С помощью этой теории было получено объяснение физического явления, получившего название гидравлического удара. Н.Е. Жуковским было введено понятие эффективной скорости звука, позволившее свести задачу о движении сжимаемой жидкости в упругом цилиндрическом трубопроводе к задаче о движении сжимаемой жидкости в жестком трубопроводе, но с меньшим модулем упругости жидкости.
В широко известной работе о гидравлическом ударе в трубопроводах Н.Е. Жуковский [54] принимает во внимание сжимаемость жидкости и показывает, что влияние инерционных и моментных членов в уравнении движения упругой трубы для рассматриваемой им задачи несущественно. Он получил следующее выражение для скорости распространения ударной волны V Eh где р0 с - плотность и скорость звука в жидкости; Е, R, h - модуль упругости, радиус и толщина стенки трубы.
По-видимому, эта работа явилась первым техническим приложением разбираемой здесь теории. В книге Ф.М. Морза и Г. Фешбаха [104] приводится исследование распространения осесимметричных звуковых волн, где как частный случай (низший корень уравнения) получена скорость звука, равная скорости, определяемой формулой Кортевега - Жуковского.
Более поздние исследования в этом направлении можно проследить по работам Г.В. Моргана и В.Р. Ферранте [229], Р. Скалака [240], Дж.Е.Гринспона [209], Н.А. Кильчевского и др. [66], И.Т. Селезова [141], К.С. Колесникова [75]. В некоторых из них использованы классические уравнения оболочек и учтены радиальные и продольные инерционные силы, что позволило установить существование волн, соответствующих возмущениям либо преимущественно в оболочке, либо преимущественно в жидкости. И.Т. Селезов [141], используя более точные уравнения оболочек (не основанные на гипотезах Кирхгофа-Лява), показал существование еще нескольких семейств волн.
Рассматривая теорию гидравлического удара применительно к напорному трубопроводу, питающему турбинную установку, Л. Аллиеви получил решение дифференциальных уравнений, устанавливающее связь между скоростью и давлением во времени с учетом потерь в местных сопротивлениях. Дальнейшее развитие теория гидравлического удара получила в работах М.М. Мосткова [106, 107], которым были предложены методы расчета простых и разветвленных трубопроводов гидростанций и гидроэнергетического оборудования. Весьма подробная библиография работ по неустановившемуся движению и исторический очерк разработки теории гидравлического-удара содержится в работах. С.А. Христиановича [173], А.А. Сурина [163], Н.А. Картвелишвили [68].
Развитие ракетно-космической и авиационной техники, энергетического комплекса привело к интенсификации исследований по теории колебаний жидких и газообразных сред в трубопроводах, результаты которых были изложены в книгах А.П. Владиславлева, А.А. Козобкова и В.А.Малышева [18], Р.Ф. Ганиева и Х.Н. Низамова [30, 31, 32], Б.Ф. Гликмана [36], Э.И. Григолюка и А.Г. Горшкова [43], М.А. Ильгамова [61], Н.А. Картвелишвили [68], С.С. Кутателадзе и М.А. Стыриковича [86], Д.Н. Попова [124], И.М. Рапопорта [131, 132], В.А. Светлицкого [140], В.А. Юфина и М.А. Гусейнзаде [189, 190], Б.М. Пустовойта [129].
Вопросами взаимодействия цилиндрических оболочек и акустической среды посвящены работы Г.Г. Блейха и М.Л. Барона [193], Г.Г. Блейха [194], М.Г. Джангера [213], В.В. Болотина [11, 12, 13], Г.В. Гахне [210], Н.Н. Моисеева [103], Б.Н. Бублика и В.И. Меркулова [15], Г.Б. Варбуртона [250], В.Е. Бреславского [14], Н.А. Килчевского и др. [70], Б.И. Рабиновича [130], В.П. Шмакова [177], B.C. Гонткевича [42], Л.И. Балабуха, А.И. Ганичева и А.Г. Молчанова [9], И.М. Рапопорта [131], В.Ф. Натушкина и И.С. Рахимова [109], Н.И.Карпова и Л.С.Палько [67], НА.Николаенко [ПО], В.В.Степанюка [162], Ю.Н. Новичкова [111], Ш.У. Галиев, М.А. Ильгамов [28, 29] и др. Вопросам колебаний в системах и их предотвращению посвящены работы [34, 111,128,152,165,178].
Лабораторные исследования волновых процессов в трубопроводе
Для проведения лабораторных исследований волновых процессов в трубопроводе был разработан экспериментальный стенд (рисунок 3.1). Он состоял из трубопровода диаметром dy= х/г\ смонтированного в виде змейки в четыре ряда и закрепленного на массивных стойках. Трубы имели толщину стенки =2,5 мм.
Для размещения датчиков давления на трубопроводе установлены 5 специальных тройников с резьбой Ml 8,5x1,5 (сечения a, b, d, е и f). Повороты трубопровода вьшолнены с помощью уголков заводского изготовления с углом поворота 90.
Утечка из трубопровода организовывалась с помощью коротких вставок, имеющих отверстия различной формы и размеров (круглые отверстия диаметром 2 и 3 мм и щелевые отверстия размерами 2x3 и 3x5 мм).
Расстояние между контрольными точками на лабораторном стенде следующие: а-Ь- 10,20 м; Ь-с-4,18 м; c-d-0,18 м; d-e- 15,72 м; e-f- 11,73 м; f-g - 0,24 м. Общая длина трубопровода (от сечения а до концевого крана в сечении g) составила 41,68 м.
Заполнение трубопровода водой осуществлялось прокачкой с помощью насоса через кран 2 при- открытом кране 3 и закрытой утечке.
На описанной экспериментальной установке было проведено четыре серии испытаний.
Из анализа условий проведения стендовых испытаний волновых процессов на лабораторной установке (длина трубопровода 50-100 м, скорость распространения импульса давления 1000-1200 м/с, давление в трубопроводе 0,1-0,3 МПа) были сформулированы основные требования к измерительной аппаратуре, позволяющей с достаточной точностью идентифицировать утечку и определить ее месторасположение [39]. 1. Погрешность определения давления: 0,0001 МПа. 2. Наличие встроенной памяти для хранения значений величины импульса давления после преобразования аналогового сигнала в цифровой. 3. Объем встроенной памяти должен позволять запись данных в течение 150-200 с. 4. Дискретность записи сигнала: не более 2,0-2,5 мс. 5. Возможность запуска и остановки датчика давления с .помощью компьютера. 6. Наличие программного обеспечения, позволяющего выполнять в процессе выполнения экспериментов просмотр результатов измерений, их первичный анализ, вывод на печать и импортирование.
Анализ показал, что этим требованиям после некоторой доработки может отвечать интеллектуальный датчик фирмы «Грант» и «НТ-Центр» с приведенной погрешностью 0,025 % и частотой дискретизации 2,5 мс.
Эксперименты проводились с использованием компьютеров IBM РП, РШ и специального программного обеспечения, позволившего создать" базу данных по результатам проведенных экспериментов.
В стендовых испытаниях был использован измерительный преобразователь давления МТУ (манометр-термометр универсальный) [52], в разработке требований к основным параметрам которого автор принимал непосредственное участие.
МТУ, как средство измерения, разрабатывался для измерения и контроля давления и температуры на нефтегазодобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях, предприятиях теплоэнергетики и водоснабжения, для работы в составе систем обнаружения утечек, предназначенных для контроля целостности газопровода и выявления места и объема утечки на контролируемом участке, или как автономный прибор для регистрации значений давления и температуры жидкостей или газов на различных технологических установках. Кроме того, в МТУ заложена возможность работы в дистанционном режиме с вторичными регистрирующими устройствами по протоколу RS-485.
Для считывания информации с МТУ непосредственно на контролируемом объекте разработан переносной модуль сбора информации (МСИ), подключаемый к герметичному разъему МТУ через адаптер. МСИ позволяет переписывать информацию из МТУ в собственную энергонезависимую память. При работе в лабораторных условиях МТУ может подключаться к ЭВМ по любому свободному СОМ-порту через расположенный под крышкой МТУ разъем.
Программа верхнего уровня позволяет контролировать состояние МТУ, программировать прибор для работы, запускать прибор в работу и считывать информацию из памяти прибора [52]. При этом используется протокол RS-232, а скорость обмена по порту может устанавливаться от 9600 бит/с до 115200 бит/с в зависимости от типа ЭВМ.
Для нормализации логического сигнала последовательного интерфейса UART микроконтроллера в стандарты RS-232 ЭВМ и RS-485 используется специальные микросхемы-интерфейсы.
Общий вид преобразователя МТУ-04.04 показан на рисунке 3.2. Конструктивно МТУ представляет собой цилиндрический корпус 5 с герметичной крышкой 1 с одной стороны и резьбовым соединением для присоединения к месту отбора давления с другой. Внутри корпуса размещены датчик давления 8, электронная плата 6 и кассеты для элементов питания 4.
Характеристика объекта исследований и существующей системы контроля утечек
Всякое скачкообразное во времени изменение А и - Uj - и2 скорости течения жидкости в трубопроводе рождает скачкообразное изменение Ар =ргРо давления согласно формуле Н. Е. Жуковского Величина Ар называется амплитудой волны или амплитудой скачка давления.
При исследованиях нестационарных процессов на лабораторных установках необходимо регулировать амплитуду волны. Этого можно добиться с помощью, например, мембраны, которая перемещается в пределах величины / с определенной частотой / Если принять величину перемещения мембраны равную 1 мм, то при частоте, например, 100 Гц скорость перемещения мембраны составит 0,001-100=0,1 м/с. Эту величину можно принять за Ли и использовать в формуле (3.8). В таблице 3.6 представлены результаты расчетов скачка давления для различных жидкостей при прочих равных условиях.
При прохождении волны давления в стенках трубопровода возникают дополнительные напряжения, которые в сумме с напряжениями от номинального давления перекачки могут дать результат, превышающий допустимое напряжение. Это может привести к разрушению стенок трубопровода в ослабленных какими либо дефектами местах. Формула для напряжения в стенках трубы, возникающих вследствие прохождения ударной волны, имеет следующий вид
В таблице 3.7 приведены результаты расчетов дополнительного напряжения от гидроударной волны для разных жидкостей при D - 515мм и = 7 мм, где значения Лр взяты из таблицы 3.6.
Из таблицы 3.7 следует, что дополнительные напряжения в стенке трубопровода от гидроударной волны малого порядка не представляют опасности для стенки трубы. Это обусловлено еще и тем, что прирост давления носит кратковременный характер. 1. Разработан лабораторный стенд для исследования волновых процессов в трубопроводе. В качестве преобразователя давления использован интеллектуальный датчик давления типа МТУ-04 с дискретностью 2,5 мс и точностью 0,0001 МПа. 2. Выполнено несколько серий экспериментов с использованием различных способов создания сканирующего импульса давления. Анализ результатов лабораторных экспериментов показал удовлетворительную сходимость с результатами численного эксперимента, что говорит о принципиальной возможности использования сканирующего импульса для обнаружения утечки. 3. Для повышения вероятности идентификации утечки в ряде экспериментов использован высокочувствительный датчик типа ЛХ, предназначенный для измерения звукового давления в жидких и газообразных средах. Проведенный спектральный анализ результатов измерения давления показал на дополнительную возможность повышения точности определения утечки с помощью анализа амплитудно-частотных характеристик волнового процесса. 4. Разработан и запатентован способ определения места утечек из трубопровода (патент RU 2197679 С2), который может быть использован для диагностики систем трубопроводов
МНПП «Уфа - Камбарка» длиной 1,=256,2 км состоит из двух участков длиной 146,94 км и 107,26 км, наружные диаметры которых 325 мм и 273 мм. Толщины стенок изменяются от 8 мм до 10 мм. Высотная отметка начального пункта головной перекачивающей станции (ГПС) "«Черкассы"» Z4 = 222,9 м, конечного пункта «Камбарка» - ZK = 94,2 м.
Объем линейной части МНПП (без резервных ниток) V = 16555,5 м3. На МНПП установлены три насосные станции: «Черкассы», «Чекмагуш» и «Андреевка». Соответственно расстояния между насосными станциями 103,8 км, 70 км и 82,4 км. Эквивалентная шероховатость всех трубопроводов (по данным ОАО «Уралтранснефтепродукт») принята к = 0,6 мм.
