Системы обнаружения утечек на магистральных трубопроводах нефти, газа и нефтепродуктов призваны решить, главным образом, следующие задачи:
ü эффективная защита окружающей среды от загрязнения путём снижения объёма нефти, которая выйдет из трубопровода при возникновении разрыва, за счет сокращения времени от возникновения утечки до её обнаружения;
ü защита нефтепровода от несанкционированных врезок.
Появление утечки на магистральном трубопроводе сопровождается целым рядом изменений физико-технического состояния трубопровода и окружающего пространства вблизи места её появления:
ü изменение скорости и давления потока перекачиваемого продукта;
ü изменение мощности, потребляемой перекачивающими агрегатами;
ü возникновение специфического акустического шума;
ü повышение процента загазованности воздуха окружающей среды;
ü изменение температуры грунта вблизи места утечки и др.
В связи с вышесказанным, в настоящее время для обнаружения утечек и несанкционированных врезок разработано огромное количество методов [1–3], основанных на различных физических явлениях и законах.
Ниже представлена одна из возможных систем классификации утечек.
Классификация методов обнаружения утечек в зависимости от режима работы трубопровода:
1. методы, применение которых возможно при статическом режиме работы трубопровода, т.е. когда перекачка продукта остановлена, а отдельные секции трубопровода его находятся под гидравлическим давлением;
2. методы, применение которых возможно при динамическом режиме работы трубопровода.
Классификация методов обнаружения утечек в зависимости от периодичности контроля:
1. методы периодической проверки наличия утечек, осуществляющиеся через некоторые промежутки времени. К данной группе относятся патрульные, газовые, радиоактивные и другие методы, применяемые для обнаружения мест незначительных утечек.
2. методы непрерывной проверки наличия утечек, действующие постоянно.
Классификация методов обнаружения утечек в зависимости от их конструктивного исполнения:
1. стационарные (встроенные) системы (метод сравнения расходов, отслеживание давления в трубопроводе);
2. методы, использующие элементы, транспортируемые по трубопроводу с перекачиваемым продуктом, например, радиоактивный жидкий изотоп;
3. патрульные, это, как правило, обходчики, оснащённые устройствами обнаружения утечек.
Классификация методов контроля утечек в зависимости от физического метода:
1. снижение давления перекачиваемого продукта при появлении утечки (метод понижения давления с фиксированной или скользящей установкой);
2. скорость распространения волны понижения давления, отрицательная ударная волна (метод отрицательных ударных волн);
3. расход перекачиваемого продукта (метод сравнения расходов);
4. изменение расхода (метод сравнения изменения скорости расходов;
5. количество перекачиваемого продукта (линейный баланс);
6. введенный жидкий изотоп (радиоактивный метод);
7. акустические шумы утечки (ультразвуковой метод, акустический (наземный), метод акустической эмиссии);
8. газ (метод трассирующих газов, лазерный газоаналитический метод);
9. изменение состояния поверхности трассы трубопровода (визуальный метод наблюдения за трассой);
10. давление абсолютное (метод контроля герметичности гидравлическим испытанием – опрессовкой);
11. скорость понижения давления (метод статического давления);
12. скорость перепада давления (метод дифференциального давления);
13. изменение перепада давления (метод перепада давления зондовый).
Классификация методов контроля утечек по характеру взаимодействия с перекачиваемой средой:
1. активные (излучение в перекачиваемую среду ультразвуковых колебаний определенной частоты и прием в месте повреждения);
2. пассивные (измерение шумов утечки);
3. прямой способ (зонды, кабели и.т.д.);
4. косвенный способ (давление, скорость потока, расход и скорость распространения волн).
В настоящее время эффективную практическую реализацию представляют два направления, обеспечивающие точный и оперативный контроль:
1. Математическое моделирование, представляющее собой комплекс методов и экспертной модели для определения утечек, реализованный посредством программных и аппаратных средств;
2. Акустические методы определения утечек.
1 Методы математического моделирования
В результате внезапного возникновения течи в трубопроводе появляется кратковременное изменение динамических параметров потока, которое от места разрыва распространяется в обе стороны трубопровода. Через определенное время волны возмущения постепенно затухают, и устанавливается новый стационарный режим течения с учетом величины расхода утечки. Методы, основанные на измерении и анализе параметров возмущения потока, вызванного утечкой, широко применяют в системах управления.
При совершенствовании систем обнаружения утечек в трубопроводах одним из главных является вопрос исключения ошибок управления обслуживающим персоналом, погрешностей показаний приборов, математических методов, средств сбора и передачи данных.
Одним из перспективных направлений контроля трубопроводов является использование параметрических методов, основанных на использовании штатных серийных приборов и средств сбора и передачи информации в составе типовых проектов автоматизации трубопроводов.
Параметрические методы могут также успешно применяться для обнаружения местных засорений трубопроводов и определения контакта разносортных продуктов при последовательной перекачке по трубопроводу.
В случаях, когда отсутствие необходимых датчиков или средств сбора и обработки информации не позволяет произвести точную оценку технического состояния объекта трубопровода, целесообразно применять комбинированные методы технической диагностики и контроля, каждый из которых имеет различную физическую основу. Так, например, комбинация методов акустической эмиссии и параметрической диагностики позволяет уменьшить процент ложных срабатываний и повысить чувствительность системы контроля линейной части трубопровода.
Комплексная система диагностики может базироваться на параметрических методах контроля как наиболее универсальных, достаточно эффективных и относительно простых. Ниже изложены краткие описания основных наиболее используемых методов.
2.1.1 Методы статического контроля
Данная группа методов обнаружения утечек применима к тем трубопроводам, на которых остановлена перекачка. При статическом контроле утечку можно обнаружить методом падения давления и методом дифференциального давления. При использовании первого метода перекрываются задвижки на некотором участке трубопровода, а затем на этом участке создаётся давление определённой величины. В течение некоторого времени, например 20 мин., наблюдают за изменением давления. Снижение давления свидетельствует о наличии дефекта трубопровода, через который происходит утечка. Этот метод больше известен как метод гидравлических испытаний или опрессовка.
Аналогичным недостатком обладает и метод дифференциального давления, при использовании которого создают некоторое давление во всем трубопроводе, после чего перерывают задвижки и сравнивают давление до и после каждой задвижки. Разница в давлениях указывает на существование утечки.
Данные методы считаются достаточно точными и позволяют обнаруживать утечки порядка 0,1–1,0 м3/ч. Существенным недостатком данных методов является невозможность фиксации места повреждения трубопровода.
2.1.2 Методы на основе моделирования процесса перекачки
Наиболее простым методом данной группы является метод сравнений расходов. Если течение продукта в трубопроводе поддерживается строго установившимся, то расход на входе должен строго соответствовать расходу на выходе, а любое различие расходов будет свидетельствовать о наличии утечки. Однако на практике течение редко является установившимся вследствие колебаний температуры, давления и плотности. Размер утечки, которую можно детектировать по изменению расходов, зависит от точности измерений колебаний этих параметров и всегда больше допустимой погрешности. Расходы на входе в данный участок или выходе из него измеряются обычно расходомерами, в конструкции которых предусмотрена компенсация колебаний давления и температуры. Чем чаще производится сравнение расходов, тем быстрее может быть обнаружена утечка.
При внезапно произошедшей утечке в трубопроводе образуется отрицательная волна давления, перемещающаяся в обоих направлениях от места утечки. Однако обнаружение утечки по отрицательной волне давления достаточно затруднительна, так как требуется сложная система идентификации ложных сигналов, являющихся следствием происходящих при перемещении волны давления переходных процессов. Небольшие и медленно нарастающие утечки не могут быть обнаружены данным методом.
2.2 Акустические методы контроля утечек
В общем случае акустические методы включают контроль энергетических характеристик колебаний, дающих представление об общем состоянии объекта, и спектральный акустический анализ, с помощью которого, посредством определения изменения амплитуд вибрации в широком диапазоне частот, уточняют место и характер возникшего нарушения. Благодаря таким преимуществам, как полнота получаемых сведений о состоянии элементов трубопровода, малое число используемых датчиков и быстродействие, акустический метод контроля привлекает к себе всё большее внимание специалистов.
Акустические методы контроля делятся на две группы:
1. активные методы, основанные на излучении акустических колебаний и волн;
2. пассивные методы, основанные только на приёме колебаний и волн.
Активные методы, в свою очередь, подразделяются на две группы с использованием бегущих и стоячих волн. Ультразвуковой контроль (УЗК) основывается на законах распространения, преломления и отражения упругих волн частотой 0,5–2,4 МГц. При наличии дефектов в металле поле упругой волны изменяет в окрестностях дефекта свою структуру. Преимущество ультразвуковых детекторов перед другими средствами проверки объясняется природой звуковых и ультразвуковых волн. Поскольку звуковые волны имеют большую длину, то они могут проникать через стены и компоненты оборудования, а также могут отражаться от различных поверхностей. Все это затрудняет определение местоположения источника подобных волн. Ультразвуковые волны распространяются по прямой линии и не могут проникать через твердые тела, но в то же время проходят через мельчайшие отверстия. Приведённые свойства ультразвуковых волн делают ультразвуковые детекторы практически невосприимчивыми к внешнему шуму.
Ниже приведены основные методы УЗК:
1. Теневой метод, при котором используют звуковую «тень» за дефектом, т.е. ослабление амплитуды прошедшей волны. Излучатель и приемник ультразвука располагают соосно на противоположных поверхностях излучателя. Теневой метод можно применять только при двухстороннем доступе к объекту.
2. Эхо-метод, при котором в качестве признака дефекта используют сигнал, отражаемый поверхностью дефекта. Эхо-метод наиболее широко применяется на практике. Кроме преимущества одностороннего доступа для него характерна наибольшая «чувствительность» к выявлению мелких дефектов.
3. Зеркально-теневой метод, при котором признаком дефекта служит ослабление амплитуды сигнала, отраженного от противоположной поверхности (ее обычно называют донной поверхностью) изделия. Этот метод дополняет эхо-метод тем, что позволяет выявлять наклонные дефекты, не дающие прямого отражения.
Корреляционный метод применяют при сильных акустических помехах или недосягаемости трубопровода. В этом случае шум утечки прослушивают в двух точках поврежденного трубопровода. Так как точки находятся на различных расстояниях от места повреждения, то на прохождение расстояния шумом утечки требуется разное время. По известному расстоянию между точками измерения и разности времени пробега сигналов коррелятор точно рассчитывает место дефекта.
Недостатком акустических методов обнаружения утечек, основанных на замере акустических колебаний на поверхности материала труб или контакта жидкостью в трубе, является необходимость дополнительных работ по обеспечению непосредственного контакта датчиков с поверхностью труб или установки гидрофонов (на подводных трубопроводах). Достаточно развитым направлением акустической диагностики, исключающим эти недостатки, является использование автономных средств, пропускаемых внутри трубопровода.
В настоящее время акустические методы обнаружения утечек не могут быть эффективно использованы для трубопроводов из пластиковых труб и трубопроводов большого диаметра (свыше 500 мм).
Очевидно, что не существует какого-то одного метода, который был бы одинаково эффективен для диагностики любых утечек. Следовательно, чтобы иметь максимальную эффективность система должна включать комбинацию различных методов. При использовании нескольких независимых методов, возникает необходимость в специальном алгоритме (экспертной системе). Поскольку условия эксплуатации меняются, то система обнаружения утечек должна быть адаптивной.
Литература:
1. Бутиков Ю.А., Чура Н.И., Широченский С.И. Современные дистанционные методы и аппаратура контроля утечек из магистральных трубопроводов // Автоматизация, телемеханизация и связь в газовой промышленности. М.: ИРЦ Газпром, 1995.
2. Гольянов А.А. Анализ методов обнаружения утечек на трубопроводах // Транспорт и хранение нефтепродуктов. М.: НПП КАТС. 2002. №10. С. 5–14.
3. Некрасова А.П. О статистике аварийных и несанкционированных врезок на магистральных нефтепроводах и мероприятия по их снижению // Транспорт и хранение нефтепродуктов. М.: НПП КАТС. 2000. №8. С.9–11.
