Способ определения мест утечек углеводородных компонент из подземного магистрального трубопровода

Изобретение относится к технике эксплуатации магистральных трубопроводов. Технический результат заключается в возможности производить контроль наличия продуктов утечки из обследуемого трубопровода в расположенном над ним поверхностном слое грунта без использования зондов. В способе определения мест утечек углеводородных компонент из подземного магистрального трубопровода, при котором с помощью всасывающего патрубка, перемещаемого вдоль трассы залегания магистрального трубопровода, осуществляют отбор пробы газовоздушной смеси из приземного слоя атмосферы, а затем измеряют содержание в пробах, по крайней мере, одного из транспортируемых по магистральному трубопроводу углеводородных компонент, одновременно с отбором пробы газовоздушной смеси из приземного слоя атмосферы, расположенного над контролируемым в данный момент участком трассы, с помощью, по крайней мере, одного акустического волновода осуществляют ввод в грунт в направлении на магистральный трубопровод акустических колебаний, а акустический волновод размещают от всасывающего патрубка с площадью проходного сечения S на расстоянии, не превышающем 4. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к технике эксплуатации магистральных газопроводов, нефтепроводов, а также нефтепродуктопроводов.

Эксплуатация магистральных трубопроводов для транспортировки углеводородосодержащих продуктов предусматривает обязательное периодическое их обследование на предмет выявления на ранней стадии возникших в результате, например, деформации или коррозии местных нарушений целостности труб, сварных швов и т.п.

Из уровня техники известен способ определения мест утечек углеводородных компонент из подземного магистрального трубопровода с полым защитным кожухом, расположенным по всей длине трубопровода и зазором относительно его стенки, при котором осуществляют продувку воздухом полости канала между стенкой защитного, кожуха и стенкой трубопровода, при этом воздух, после использования его для продувки полости канала, подвергают анализу на содержание в нем транспортируемых по магистральному трубопроводу углеводородных компонент, а после обнаружения факта утечки определяют расстояние до места утечки. Причем расстояние до места утечки может быть определена либо путем продувки сначала полости канала в противоположном направлении до полной замены воздуха в полости канала с последующей продувкой полости канала в другом направлении и измерении объема воздуха, прокаченного до момента появления в продуваемом воздухе контролируемых углеводородных компонент (см. авторское свидетельство SU - A1 - №1767281, 1992), либо путем приостановки продувки полости канала на заданное время, необходимое для формирования в месте утечки газового ядра повышенной концентрации, с последующим возобновлением продувки воздухом в том же направлении полости канала с заданной скоростью и измерением времени от момента возобновления продувки до момента обнаружения в продуваемом воздухе газового ядра (см. патент RU - С1 №2166669, 2001).

Этот способ позволяет выявить факт утечки транспортируемой среды по всей длине магистрального трубопровода на самых ранних стадиях нарушения его целостности. Однако известный способ не получил широкого распространения из-за существенного увеличения стоимости магистрального трубопровода вследствие размещения его в защитном кожухе. Кроме того, по мере увеличения длины магистрального трубопровода с защитным кожухом уменьшается точность определения места утечки, поскольку из-за колебаний температуры вдоль трассы магистрального трубопровода, а следовательно, плотности продуваемого воздуха скорость потока также будет непостоянна по длине канала между трубопроводом и его защитным кожухом.

Известен также способ определения мест утечек углеводородных компонент из подземного магистрального трубопровода, при котором одновременно по всей длине магистрального трубопровода осуществляют сбор газообразных веществ, которые находятся в грунте над магистральным трубопроводом, с помощью коллектора со стенками, обладающими высокой газо- и паропроницаемостью, с последующей транспортировкой их путем прокачки по коллектору транспортной среды (воздуха или жидкости) к газоанализатору, а место утечки определяют по времени от момента начала транспортировки до момента обнаружения контролируемого компонента и известной скорости транспортной среды (см. В.Иссель, Ф.Свигер. Система обнаружения утечек в трубопроводах, Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1965, №6, с.58-60, авторское свидетельство. SU - A1 - №1665164, 1991, патент US - А - №5301536, 1994).

Недостаток этого способа заключается в высокой стоимости его аппаратной реализации, заключающейся в необходимости установки коллектора по всей длине магистрального трубопровода, имеющего протяженность от нескольких сот до нескольких тысяч километров, а также в создании большого перепада давления для транспортируемой по коллектору транспортной среды. Кроме того, расположение коллектора невплотную к магистральному трубопроводу не позволяет выявлять факты утечки на самой ранней стадии нарушения целостности магистрального трубопровода.

В качестве прототипа взят способ определения мест утечек углеводородных компонент из подземного магистрального трубопровода, при котором с помощью всасывающего патрубка, перемещаемого вдоль трассы залегания магистрального трубопровода, осуществляют отбор пробы газовоздушной смеси из приземного слоя атмосферы, а затем измеряют содержание в них транспортируемых по магистральному трубопроводу углеводородных компонент, при этом о наличии и месте утечки судят по местоположению на трасом участка, во взятой из расположенного над ним приземного слоя атмосферы пробе газовоздушной смеси концентрация контролируемых компонент превышает заданное пороговое значение (см. патент RU - С1 - №2066019, 1996).

Недостаток прототипа заключается в том, что он не обеспечивает возможности обнаружения утечек на ранней стадии нарушения целостности магистрального трубопровода. Действительно, при нарушении герметичности действующих магистральных трубопроводов, по которым транспортируются в жидкий или газообразной фазе органические вещества под высоким давлением, происходит утечка транспортируемого вещества в окружающий магистральный трубопровод грунт. Вещество, выходящее из течи в магистральном трубопроводе за счет диффузионных процессов только через некоторый интервал времени достигнет поверхности грунта. Иными словами, сопутствующие утечке вещества из магистрального трубопровода наличие органических газов или паров транспортируемых углеводородов в приземном слое атмосферы над соответствующим участком трассы залегания магистрального трубопровода и являющееся необходимым условием для осуществления способа, взятого в качестве прототипа, не соответствует ранней стадии образования утечки из магистрального трубопровода. С другой стороны, наличие ветра и конвективных потоков приводит к снижению концентрации контролируемых компонент в приповерхностном слое атмосферы, который расположен вдоль трассы залегания магистрального трубопровода, а следовательно, к необходимости использования высокочувствительных, дорогих газоанализаторов.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению возможности обнаружения на более ранней стадии утечек из подземного, магистрального трубопровода без увеличения капитальных затрат при его строительстве. Достигаемый при этом технический результат заключается в возможности производить контроль наличия продуктов утечки (газа, пара, капель жидкости) из обследуемого трубопровода в расположенном над ним поверхностном слое грунта за счет повышения (во время отбора пробы газовоздушной смеси из приповерхностного слоя атмосферы) эффективности выхода на поверхность грунта газов и капель жидкости, находящихся в указанном выше слое грунта, а также в снижении влияния ветра и конвективных потоков на результаты контроля газового состава в приземном слое атмосферы.

Поставленная задача решена тем, что в способе определения мест утечек углеводородных компонент из подземного магистрального трубопровода, при котором с помощью всасывающего патрубка, перемещаемого вдоль трассы залегания магистрального трубопровода, осуществляют отбор пробы газовоздушной смеси из приземного слоя атмосферы, а затем измеряют содержание в пробах, по крайней мере одного из транспортируемых по магистральному трубопроводу углеводородных компонент, при этом о наличии и месте утечки судят по местоположению на трассе участка, во взятой из расположенного над ним приземного слоя атмосферы пробе газовоздушной смеси концентрация контролируемого компонента превышает заданное пороговое значение, согласно изобретению одновременно с отбором пробы газовоздушной смеси из приземного слоя атмосферы, расположенного над контролируемым в данный момент участком трассы, с помощью, по крайней мере, одного акустического волновода осуществляют ввод в грунт в направлении на магистральный трубопровод акустических колебаний, а акустический волновод размещают от всасывающего патрубка с площадью проходного сечения S на расстоянии, не превышающем

Кроме того, поставленная задача решена тем, что используют всасывающий патрубок с кольцевой насадкой на входе, а кольцевую насадку выполняют со сквозными отверстиями, в которых размещают акустические волноводы.

Преимущества предложенного способа определения мест утечек углеводородных компонент из подземного магистрального трубопровода перед прототипом заключается в том, что в предложенном способе вынесение суждения о наличии утечки в магистральном трубопроводе осуществляется на основании определения газового состава приземного слоя атмосферы, который сформировался не только за счет конкретных условий окружающей трассу залегания магистрального трубопровода среды, а в основном за счет обусловленного вводом в грунт акустических колебаний существенного увеличения (во время отбора проб газовоздушной смеси) эффективности выхода на поверхность газов и капель жидкости, находящихся в расположенном над обследуемым магистральным трубопроводом поверхностного слоя грунта, толщина которого определяется, в частности интенсивностью вводимых на единицу площади грунта акустических колебаний. Иными словами, предложенный способ обеспечивает (в отличие от описанного в заявке DE - А1 - №4416774, 1995) возможность без использования специальных зондов производить контроль наличия продуктов утечки из обследуемого магистрального трубопровода в расположенном над ним поверхностном слое грунта толщиной в несколько десятков сантиметров, а следовательно, позволяет обнаруживать утечки на более ранней стадии, чем в прототипе.

Использование всасывающего патрубка с кольцевой насадкой, которую выполняют со сквозными отверстиями, в которых размещают акустические волноводы, позволяет повысить эффективность сбора выходящих из грунта под действием акустических колебаний газов и капель жидкости, поскольку благодаря использованию указанной выше насадки атмосферный воздух перед тем, как попасть во всасывающий патрубок, с достаточно большой скоростью распространяется почти радиально по отношению к кольцевой насадке и вдоль поверхности грунта, в том числе и над зонами, прилегающими к местам ввода акустических колебаний в грунт с помощью акустических волноводов. Одновременно кольцевая насадка позволяет уменьшить влияние ветра и конвективных потоков на эффективность сбора выходящих из грунта продуктов утечки.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения указанной выше совокупностью существенных признаков ожидаемого технического результата.

На фиг.1 изображена функциональная схема осуществления предложенного способа определения мест утечек углеводородных компонент из подземного магистрального трубопровода; на фиг.2 - вид по стрелке А фиг.1.

На чертежах используются следующие обозначения: магистральный трубопровод 1, грунт 2, поверхность 3 грунта 2, всасывающий патрубок 4, кольцевая насадка 5 со сквозными отверстиями 6 и кольцевыми прокладками 7 из эластичного материала, генератор 8, излучатель 9, акустические волноводы 10, насос 11, фильтр 12, газоанализатор 13.

Выход генератора 8 подключен к излучателю 9, к которому крепятся входные концы акустических волноводов 10, при этом выходные концы акустических волноводов 10 размещают в соответствующем каждому из них сквозном отверстии 6 кольцевой насадки 5 с обеспечением, например, с помощью кольцевых прокладок 7 из эластичного материала акустической изоляции их от кольцевой насадки 5.

В качестве генератора 6 используется генератор переменного тока с частотой в диапазоне от 3 до 25 кГц, а в качестве излучателя 9 - магнитострикционный преобразователь (см. Автоматизация производства и промышленная электроника, Энциклопедия современной техники, М., ГНИ "Сов. энциклопедия", [1], т.2, 1963, с.236-239). Нижняя граница диапазона частот переменного тока, а следовательно, и диапазона частот вводимых в грунт акустических колебаний определяется тем, что поскольку плотность вводимой в грунт акустической энергии пропорциональна квадрату частоты акустических колебаний, то с уменьшением частоты вводимых в грунт акустических колебаний снижается (за счет уменьшения плотности вводимой в грунт энергии) и эффективность выхода на поверхность грунта содержащихся в нем продуктов утечки. Так при частоте вводимых в грунт акустических колебаний, равной 3 кГц, эффективность выхода на поверхность грунта содержащихся в нем продуктов утечки уменьшается в три раза по сравнению с результатами, полученными на частотах 8-12 кГц. Верхняя граница указанного выше диапазона частот определяется тем, что за счет увеличения коэффициента затухания в грунте акустических колебаний с увеличением их частоты уменьшается глубина проникновения в грунт акустических колебаний. Так, при частотах выше 25 кГц глубина проникновения акустических колебаний (для большинства представляющих практический интерес грунтов) не превышает 10-12 см. Таким образом, ввод в грунт акустических колебаний с частотой, большей 25 кГц, приводит не к увеличению, а к уменьшению вероятности определения утечек на ранней стадии.

Для ввода, предпочтительно, контактного, акустических колебаний в грунт могут быть использованы как стержневые, так и трубчатые акустические волноводы 10 (см. [1], т.1, 1961, с.152-153), при этом (для обеспечения попадания не менее 50% вышедших из грунта под действием акустических колебаний продуктов утечки во всасывающий патрубок 4 с площадью проходного сечения S) акустические волноводы 10 размещают на расстоянии L, не превышающем , от всасывающего патрубка 4. Для увеличения эффективности сбора продуктов утечки, выходящих из грунта под действием вводимых в него акустических колебаний и уменьшения влияния ветра и конвективных потоков на результаты контроля, используют всасывающий патрубок 4 с кольцевой насадкой 5, выполненной, например, в виде фланца со стороны его входного отверстия. Всасывающий патрубок 4 соединен с насосом 11, на выходе которого установлен фильтр 12. В качестве фильтрующих материалов в фильтре 12 могут быть использованы хлопчато-бумажная ткань, войлок и т.п. С выхода фильтра 12 очищенная от механических примесей газовоздушная смесь поступает в газоанализатор 13, предпочтительно хроматограф типа ХПМ-2, ХПМ-4.

Способ определения мест утечек углеводородных компонент из подземного магистрального трубопровода осуществляется следующим образом. Используя любой из числа известных трассоискателей вручную или с помощью либо наземного (как в прототипе), либо воздушного) (см. авторское свидетельство SV - А1 - №1615467, 1993) транспортного средства, всасывающий патрубок 4 переменяют вдоль трассы залегания магистрального трубопровода 1 и осуществляют с помощью его отбор пробы газовоздушной смеси из приземного слоя атмосферы. Одновременно с отбором пробы газовоздушной смеси из приземного слоя атмосферы, расположенным над контролируемым в данный момент участком трассы, с помощью, по крайней мере одного, акустического волновода 10 осуществляют, предпочтительно контактно ввод в грунт 2 в направлении на магистральный трубопровод 1 акустических колебаний, генерируемых излучателем 9, питание которого осуществляют от генератора 8. Акустические волноводы 10 размещают от всасывающего патрубка 4, имеющего площадь проходного сечения S, на расстоянии, не превышающем . Под действием вводимых в грунт 2 акустических колебаний происходит повышение эффективности выхода из грунта 2 продуктов утечки, в том числе и в капельной фазе. Таким образом, во всасывающий патрубок 4 поступает газовоздушная смесь из приземного слоя атмосферы вместе с выходящими из грунта (во время отбора пробы) газами и каплями жидкой фазы. Иными словами, ввод в грунт 2 во время отбора пробы акустических колебаний обеспечивает контроль содержания продуктов утечки в слое грунта, который расположен над магистральным трубопроводом 1. Так, при частоте акустических колебаний 10 кГц и плотности акустической мощности (1÷5)·10³ Вт/м² происходит эффективный выход продуктов утечки из слоя, в зависимости от вида грунта, толщиной от 35 до 50 см.

Газовое душная смесь из приземного слоя атмосферы с помощью насоса 11 по всасывающему патрубку 4 поступает в фильтр 12, с помощью которого подлежащую газовому анализу и соответствующую данному участку трассы пробу газовоздушной смеси очищают от механических примесей, а далее с помощью газоанализатора 13 осуществляют измерение содержания в ней по крайней мере одного из транспортируемых по магистральному трубопроводу 1 углеводородных компонент, а о наличии и месте утечки судят по местоположению на трассе участка, во взятой из расположенного над ним приземного слоя атмосферы пробе газовоздушной смеси концентрация контролируемого компонента превышает заданное пороговое значение. Использование всасывающего патрубка 4 с кольцевой насадкой 5 со сквозными отверстиями 6, в которых с обеспечением акустической изоляции размещают акустические волноводы 10, позволяет, как уже отмечалось выше, повысить эффективность сбора выходящих из грунта под действием акустических колебаний продуктов утечки, а также уменьшить влияние ветра и конвективных потоков на эффективность сбора выходящих из грунта продуктов утечки.

Промышленная применимость способа подтверждается возможностью использования при его осуществлении широко известных средств для возбуждения и ввода в различные объекты акустических колебаний звукового и нижнего ультразвукового диапазонов с достижением ожидаемого технического результата.

1. Способ определения мест утечек углеводородных компонент из подземного магистрального трубопровода, при котором с помощью всасывающего патрубка, перемещаемого вдоль трассы залегания магистрального трубопровода, осуществляют отбор пробы газовоздушной смеси из приземного слоя атмосферы, а затем измеряют содержание в пробах, по крайней мере, одного из транспортируемых по магистральному трубопроводу углеводородных компонент, при этом о наличии и месте утечки судят по местоположению на трассе участка, во взятой из расположенного над ним приземного слоя атмосферы пробе газовоздушной смеси концентрация контролируемого компонента превышает заданное пороговое значение, отличающийся тем, что одновременно с отбором пробы газовоздушной смеси из приземного слоя атмосферы, расположенного над контролируемым в данный момент участком трассы, с помощью, по крайней мере, одного акустического волновода осуществляют ввод в грунт в направлении на магистральный трубопровод акустических колебаний, а акустический волновод размещают от всасывающего патрубка с площадью проходного сечения - S на расстоянии, не превышающем 4.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют всасывающий патрубок с кольцевой насадкой на входе, а кольцевую насадку выполняют со сквозными отверстиями, в которых размещают акустические волноводы.