24 марта 2019г.
Несмотря на высокую экономическую выгоду при перекачке нефти и нефтепродуктов по трубопроводам, не удаётся избежать утечек перекачиваемой жидкости на различных этапах транспортировки. Одной из причин наибольших потерь продукта являются незаконные врезки. Так, объём потерь нефти и нефтепродуктов в сутки может составлять сотни тонн, которые выкачиваются через десятки нелегальных врезок на всём протяжении магистрального трубопровода. Длина каждого нелегального трубопровода от врезки может составлять несколько сотен метров.
Контроль за участком трубопровода сейчас в первую очередь осуществляется визуальным осмотром, при помощи передвижных лабораторий, либо с воздуха при помощи летательных аппаратов. Кроме передвижных лабораторий могут использоваться и измеряющие средства, установленные стационарно. В данной статье описывается метод поиска утечек, при котором регистрируется шум, возникающий при прохождении струи нефтепродукта через точку повреждения или врезки.
Шум утечки распространяется во все стороны трубопровода: его передаёт материал, из которого изготовлена труба, и непосредственно перекачиваемый продукт. Чтобы найти утечку, расстояние до которой равно 𝒙, необходимо провести измерения уровня шума и сдвига фазы с помощью сигналов на разных концах участка.
Если точек измерения шума две, то, исходя из разности времени Δ𝒕, за которое шум проходит расстояние 𝑳 между измерителями, при известной скорости 𝑽 звука в среде, точка врезки вычисляется следующим образом:
На схеме, изображенной на рисунке 1, обозначены: a и b – точки измерения, 1 – устройство задержки, 2 – устройство сравнения, 3 – устройство воспроизведения, 4 – датчики звука, 5 – трубопровод.
Аналогично, при наличии трёх измерительных точек (см. рисунок 2):
На рисунке 2 обозначены: a, b и c – точки измерения, 1 – устройство задержки, 2 – устройство сравнения, 3 – устройство воспроизведения, 4 – датчики звука, 5 – трубопровод.
Оба метода являются корреляционными методами обнаружения утечек. Для длинных трубопроводов с наибольшим количеством точек можно применять метод автокорреляции.
При автокорреляции время 𝒙(𝒕) коррелируется с тем же временем 𝒙(𝒕 + 𝝉). Тогда точка трубопровода, в которой происходит утечка продукта, вычисляется следующим образом:
При появлении утечки поток меняет свои динамические характеристики. Это изменение потока расходится в стороны и через некоторый промежуток времени угасает, в результате чего поток получает новый режим.
Сигналы датчиков пропорциональны амплитуде обнаруженной волны, и, зная расстояние 𝑳 между ними, и найдя Δ𝒕 сближения сигналов, можно найти точку 𝑳𝒙, в которой появилась течь:
Возможна ситуация, когда перекачка продукта приостановлена. В этом случае для нахождения места врезки требуются дополнительные параметры, такие как модули Юнга и упругости нефти. По теории нестационарных
процессов
в
момент
возникновения
течи в трубопроводе
возникают
расходящиеся в стороны разгрузочные волны. Тогда, при известных плотности нефти 𝝆, диаметре трубопровода и толщине его стенки, возможно найти скорость волн:
Момент поступления волн фиксируется датчиками на концах участка трубопровода, и разница во времени указывает на смещение места утечки. Таким образом, место утечки определяется по формуле:
Кроме контроля динамических параметров потока измерение статических данных также применяется в рассматриваемом вопросе.
Чаще всего проводятся измерения расхода при поступлении и выходе из трубопровода. Это параметр называется линейным балансом, и его контроль позволяет найти потерю в пределах 5% потока без определения точной точки утечки.
Описываемый метод определения утечек отличается использованием корреляционного анализа данных о давлении и расходе на концах участка трубопровода. Он заключается в выборе двух значений массового расхода 𝒎∗(𝟎) и 𝒎∗(𝟏). При значениях массового расхода из трубопровода без утечек 𝒎(𝟎) и 𝒎(𝟏) за дискретное время 𝒌 = 𝒕⁄𝑻𝟎 возникают отклонения:
Отсюда выводится корреляционная функция:
которую далее следует привести к среднему значению по 𝝉, в результате получив:
При 𝒙(𝒌) > 𝟎 и 𝒚(𝒌) < 𝟎, а также Ф𝑬 < 𝟎 делается вывод о появлении утечки на трубопроводе.
Измерение низкочастотных параметров потока нефти даёт еще один метод, который заключается в контроле баланса объема нефти в трубопроводе в разные промежутки времени: 5 минут, 60 минут и сутки. Для этого участок трубопровода делится на части, со входов и выходов которых собираются данные об объёме, давлении и температуры. Данные приводятся к среднему значению и сохраняются, а затем алгебраически суммируются по истечению интервалов.
Давление и температуры должны совпадать со своими граничными значениями. Пока проходит стабилизация трубопровода с момента запуска, каждая величина текущего давления используется в качестве эталона со своими ограничениями.
Далее с этим эталоном давления сравниваются средние значения давления в циклах, и если они выходят за ограничения, то следует подача сигнала. После чего среднее значение становится эталонным.
Большинство подобных методов требуют применения датчиковой аппаратуры и ЭВМ. Они успешно применяются, но имеют существенный недостаток, связанный с невозможностью учёта важных технологических параметров перекачки.
Существующие инструментальные методы по контролю материала трубопровода
не столь эффективны, т.к. из-за угасания колебаний в материале трубы и в грунте нужен контакт первичных преобразователей непосредственно
с трубопроводом, вследствие чего
значительно растёт их себестоимость. Передвижные посты и лаборатории по понятным причинам также не могут приносить желаемый результат. Поэтому наиболее эффективным может быть использование методов, основанных на контроле статических и динамических значений параметров потока, получаемых с использованием стационарно установленных датчиков.
