Методы обнаружения утечек газа из магистральных трубопроводов – тема научной статьи по механике и машиностроению читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка

Information about the authors

Sudnikovich V.G., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Department engineering services and life-support systems, tel.: 89025610609; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Kudryavtsev A.S., Post-graduate, Department engineering services and life-support systems, tel.: 89501377869; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

УДК 622.691.4.053

МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК ГАЗА ИЗ МАГИСТРАЛЬНЫХ

ТРУБОПРОВОДОВ

В.Р. Чупин, Е.В. Гаськов, Д.И. Майзель

Рассмотрены современные методы обнаружения мест утечек газа в магистральных трубопроводах. Проанализированы широко используемые способы обнаружения мест утечек газа – визуальный и инструментальный. Особое внимание уделено одним из самых распространенных автоматических газоанализаторов – датчикам загазованности. Кроме того, изучены другие способы обнаружения мест утечек газа, в том числе по профилю давления, объемно-балансовый, метод акустической эмиссии. По каждому из рассматриваемых методов выявлены их преимущества и недостатки.

Ключевые слова: обнаружение утечки газа, магистральные трубопроводы, инструментальные методы, автоматические газоанализаторы, датчики загазованности.

METHODS TO REVEAL GAS LEAKING FROM TRUNK PIPELINE V.R. Chuprin, E.V. Gaskov, D.I. Maizel

In the article examined advanced methods of gas leaking in trunk pipeline. Analyzed commonly used methods of gas leaking – visual and instrumental. Special focus on commonly used automatic gas-analyzer – gas sensors. Moreover, examined other methods to reveal gas leaking, including pressure profile, volumetric balance, method of acoustic emission. For each of the methods considered its strengths and weaknesses.

Key words: gas leaking reveals, trunk pipeline, instrumental methods, automatic gas-analyzer, gas sensors.

Одним из основных источников национального богатства Российской Федерации является природный газ. По объемам разведанных месторождений Россия занимает первое место в мире [1]. При этом в ближайшее десятилетие ожидается спрос на газ, превосходящий рост спроса на другие источники энергии. Необходимо отметить, что из таких видов первичных энергоресурсов, как нефть и уголь, именно природный газ является самым чистым в экологическом отношении.

Одной из актуальных проблем в газовой отрасли на сегодняшний день остается проблема своевременного обнаружения мест утечек газа в трубопроводах. При этом, как показал проведенный анализ, наиболее распространенными местами утечек газа являются сварные, фланцевые и резьбовые соединения, поврежденные коррозией; участки, пораженные блуждающими токами; места механических повреждений; присоединения контрольно-измерительных приборов (КИП) и газовой арматуры.

Существуют разнообразные способы обнаружения утечек газа в трубопроводах. Самыми распространенными способами являются визуальный и инструментальный методы. Визуальный способ основан на фиксации запаха, вспенивании мыльной эмульсии; наличии звука, образовании наледи или снежной шубы; появлении желтой травы летом и бурого снега зимой.

Более точным является инструментальный метод. В качестве приборов применяют газоанализаторы, предназначенные для определения качественного и количественного состава смесей газов. Различают газоанализаторы ручного и автоматического действия. Среди ручных распространены абсорбционные газоанализаторы, в которых компоненты газовой смеси последовательно поглощаются различными реагентами [3, 4]. Автоматические газоанализаторы непрерывно измеряют какую-либо физическую или физико-химическую характеристику газовой смеси или её отдельных компонентов.

Наиболее распространенными автоматическими газоанализаторами являются датчики загазованности, основанные на измерении теплового эффекта реакции каталитического окисления газа. Датчики загазованности применяют для определения концентраций горючих газов. Действие этого типа датчика основано на том, что при прохождении газовоздушной смеси на поверхности катализатора возникает горение и выделяющееся тепло повышает температуру шарика. Вызванное этим увеличение сопротивления платиновой катушки регистрируется мостовой схемой, второе плечо которой не имеет оболочки – катализатора. При малых концентрациях изменение сопротивления находится в прямой зависимости от концентрации газа в окружающей среде.

Безусловно, датчики загазованности являются надежным методом обнаружения утечек газа. При этом, по нашему мнению, необходимо отметить, что экономически невыгодно и нецелесообразно устанавливать их на всем протяжении газопроводов. В связи с этим такие датчики можно эффективно использовать только в местах хранения и переработки газа.

В целом отметим, что и визуальный, и инструментальный методы обнаружения газа в силу их специфики невозможно использовать в отдаленных и труднодоступных местах. При этом более половины всех газопроводов расположены именно в отдалении от населенных пунктов.

Кроме вышеперечисленных методов, выделяют и другие способы обнаружения утечек газа – по профилю давления; объемно-балансовый; метод акустической эмиссии.

Метод выявления утечек по анализу профиля давления основан на моделировании распределения давления вдоль трубопровода и статистическом анализе [2]. При появлении утечки расход на участке до места утечки становится больше первоначального расхода на этом участке, а расход на участке после места возникновения утечки становится меньше первоначального расхода. Поэтому перепад давления на участке до места утечки увеличивается, а после утечки – уменьшается, что приводит к появлению излома в приведенном профиле давления.

Проведенный нами анализ выявил, что данный метод работает только в стационарном режиме, так как многие факторы вызывают похожие изменения. Кроме того, недостатком данного метода является его низкая точность и наличие ложных срабатываний.

Объемно-балансовый метод контроля основан на том, что при образовании утечки расход на входе становится больше расхода на выходе. Кроме того, в этом методе учитывается также количество газа в самой трубе, которое при образовании утечки уменьшается. Для реализации этого метода необходимо измерять расход на концах контролируемого участка с помощью высокоточных приборов. Параметром контроля газопровода при объемно-балансовом методе является не давление потока, а нормализованный расход газа через сечение трубы, то есть, по сути, сохранение количества перекачиваемого газа. Контроль участка газопровода осуществляется путем вычислений разности нормализованных объемов газа, входящих и выходящих из участка газопровода между двумя локальными расходомерами. Этот метод позволяет диагностировать, как быстро развивающиеся раз-

рывы в трубе, так и медленно развивающиеся утечки. Метод позволяет диагностировать утечки на больших участках трубопровода между расходомерами. Минимальная величина диагностируемой утечки определяется, в первую очередь, погрешностью измерения расхода и при имеющихся в настоящее время средствах измерения расхода находится на уровне 0,5-1 %.

На наш взгляд, существенный недостаток объемно-балансового метода заключается в том, что он не позволяет определять координату утечки. Расход объемного баланса по участкам дает возможность определять место утечки в газопроводе только с точностью до участка. Это, в свою очередь, приводит к дополнительным затратам времени и потерям газа с момента утечки до момента её обнаружения и устранения.

Метод анализа акустической эмиссии является лидирующим среди методов автоматического обнаружения утечек в трубопроводах. Этот метод основан на регистрации и анализе акустических волн, возникающих в процессе пластической деформации и разрушения (роста трещин) трубопровода, а также при истечении рабочего тела (жидкости или газа) через сквозные отверстия в контролируемом объекте. Для приема сигналов акустической эмиссии применяются пьезоэлектрические преобразователи и быстродействующие измерители давления.

Преимуществами метода анализа акустической эмиссии являются высокая чувствительность к растущим дефектам, малое время обнаружения, высокая точность определения координат места утечки.

При этом отметим, что основным недостатком этого метода является трудность выделения сигнала акустической эмиссии на фоне шумов и помех. Для повышения помехоустойчивости и уменьшения количества ложных срабатываний применяются специальные алгоритмы обработки принимаемых сигналов. Точность метода зависит от точности расходомеров. Невозможно обнаружить утечку, которая меньше, чем погрешность измерения расхода. В данном случае не имеет значения абсолютная величина погрешности измерения, а только относительная погрешность одного прибора относительно другого.

Рассмотрим способы определения момента и места повреждения трубопровода [5]. Известен акустический способ определения момента и места повреждения трубопровода, состоящий в том, что на противоположных концах контролируемого участка трубопровода устанавливаются датчики, чувствительные к действию волн разряжения, возникающих в месте повреждения и распространяющихся по перекачиваемому продукту вдоль трубопровода. При этом, момент возникновения повреждения определяют по времени срабатывания датчика, до которого волна разряжения дойдет быстрее, а место повреждения – по разности времени срабатывания датчиков.

На наш взгляд, недостатком рассматриваемого способа является необходимость предварительного определения скорости распространения волны возмущения, причем не учитывается изменение ее величины по длине трубопровода из-за изменения температуры и других факторов.

Так же известен способ определения момента и места утечки газа из трубопровода, основанный на контроле скорости распространения волн давления в двух сечениях и измерении температуры потока газа как на входе, так и на выходе линейного участка трубопровода и температуры грунта на глубине укладки трубопровода на его входе. Основной недостаток этого способа заключается во временном запаздывании, связанном с регулированием температурного режима трубопровода, а так же из-за невозможности проведения терморегулирования в местах пересечения с оврагами и водными преградами, на участках открытой прокладки трубопровода.

Известен также способ определения момента и места повреждения трубопровода [1], в котором скорость распространения волн давления определяют в двух сечениях трубопровода. Как известно, скорость распространения волн возмущения в среде зависит от температуры среды. Трубопроводы, особенно магистральные, имеют большую протяженность и пересекают многочисленные овраги и водные преграды, которые иногда бывают

достаточно протяженными и из-за которых происходит изменение температуры перекачиваемой среды. Имеются также участки открытой прокладки трубопроводов. В стесненных условиях населенных пунктов газопроводы, например, прокладываются в нормативной близости от теплотрасс, а также зачастую пересекают их. Температура перекачиваемого продукта во всех этих местах отличается от температуры перед и за преградами (местами со значительными изменениями температуры), и это оказывает влияние на точность определения момента и места повреждения трубопровода.

При прохождении трубопровода через места значительного изменения температуры транспортируемый продукт меняет свою температуру ( Т ), в результате чего меняется и скорость (V ) прохождения волн возмущения, которая равна:

-йг- (1)

где у = Ср[Су – отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении Ср и постоянном объеме С;

К – газовая постоянная;

М – молярная масса газа.

Известно также, что скорость прохождения звуковой волны VI как в жидкости, так и в газе зависит от температуры среды:

V = V аМ, (2)

где V – скорость прохождения звуковой волны в среде при начальной температуре Т, м/сек; At – отклонение температуры среды от начальной Т, град.

Учитывая, что величина измеренной температуры перекачиваемого продукта зависит от координаты трубопровода, т. е. места установки датчика, реагирующего на волны возмущения в трубопроводе, то и определяемая скорость прохождения волны возмущения также будет зависеть от координаты установки датчика. Датчики устанавливаются на концах контролируемого участка трубопровода. Кроме того, устанавливают датчики до и после мест значительных изменений температуры, что позволяет, зная координаты установки датчиков по трассе трубопровода и вводя соответствующие поправки, существенно повысить точность определения момента и места повреждения трубопровода. При прорыве трубопровода возникает отрицательная ударная волна, которая распространяется в обе стороны от места порыва с неизвестной скоростью. Эти сигналы в виде резкого изменения давления улавливаются датчиками повреждения трубопровода.

По разности прихода и фиксирования сигналов на контролируемые пункты (КП) вычисляется скорость V прохождения сигнала по трубопроводу, которая, даже в идеальном случае (отсутствие рек, морей, океанов, открытой прокладки трубопроводов, параллельно проложенных теплотрасс) отличается по величине в начале и конце трубопровода хотя бы из-за изменения по трассе трубопровода температуры, давления перекачиваемого продукта:

Р=? (3)

где I – фиксированное расстояние между датчиками на КП1-КП2, КП3-КП4, м;

t – разница времени прихода сигналов, сек.

Далее определяется средняя скорость прохождения сигнала на контролируемом отрезке трубопровода, которая вводится в выражение определения места повреждения трубопровода:

Ьп = (Ь – V*0/2, (4)

где Ьп – расстояние до места повреждения трубопровода длиной Ь , м; t – разница времени прихода сигнала в конечные точки трубопровода, сек.

Таким образом, существуют различные методы обнаружения утечек газа в трубопроводах. Однако в большинстве случаев все они имеют недостатки, которые заключаются в значительных временных затратах с момента утечки газа до его обнаружения. Поэтому требуются дальнейшие исследования и разработка эффективных методов обнаружения утечек газа. Очевидно, эти методы должны представлять комплекс математических моделей течения газа и инструментальных средств контроля режимов и автоматических средств отключения и опорожнения газопроводов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Степанов В.С. Топливо: виды, происхождение, характеристики. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2002. 116 с.

2. Чупин В.Р., Майзель Д.И. Обнаружение утечек газа из магистрального газопровода // Известия вузов: Инвестиции. Строительство. Недвижимость. Изд-во ИрГТУ, 2022. № 1 (1). С. 142-148.

3. www.panent.ru

4. www.scribd.com/doc/104262780/LB-Group-Wavecontrol

5. http://www.findpatent.ru/patent/246/2460009.html

Информация об авторах

Чупин Виктор Романович, доктор технических наук, профессор, директор Института архитектуры и строительства, тел.: (3952) 405145, e-mail: Chupinvr@istu.edu; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Гаськов Егор Викторович, аспирант кафедры «Городское строительство и хозяйство», тел. 89041528751, e-mail: egor.123456789@mail.ru; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Майзель Денис Игоревич, соискатель кафедры «Городское строительство и хозяйство», тел. 89086471719, e-mail: Chupinvr@istu.edu; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Information about the authors

Chupin V.R., Doctor of Technical science, professor, Director of the Institute of Architecture and Construction, tel.: (3952) 405145, e-mail: Chupinvr@istu.edu; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Gaskov E.V., Post-graduate, Urban development and economy, tel.: 89041528751, email: egor.123456789@mail.ru; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Maizel D.I., Candidate, Urban development and economy, tel.: 89086471719, e-mail: Chupinvr@istu.edu; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.