Как правило, потери нефти и нефтепродуктов из магистральных трубопроводов 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 исследования является повышение качества контроля работы магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов путем своевременного обнаружения места и времени образования утечек и несанкционированных подключений при хищении перекачиваемого продукта.

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.

Проанализированные материалы показывают, что методы определения 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 [1, 2], а также их комбинации.

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.

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.Р.Inc. "(США) (автоматическая система обнаружения и локализации утечек "LeaComSystem") и др.

Наибольшее распространение получили транспортабельные средства обнаружения утечек следующих фирм: НИИинтроскопии Томского политехнического университета (акустико- эмиссионный течеискатель АФ41), 000 "ТЕХНОАС" подразделением фирмы "ИНТЕКО" (г. Коломна, Московской обл.) (акустико-эмиссионный специализированный течеискатель АЭТ1МС, течеискатель акустический портативный "УспехАТ1", течетрассопоисковый комплект "УспехАТГ3») [3].

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.

Таким образом, проблема оперативного выявления утечек из трубопроводов все еще очень актуальна. Цель исследования заключается в разработке нового способа диагностики трубопроводов, проведении теоретических и экспериментальных исследований.

Проведен анализ теоретических исследований волновых процессов при диагностировании трубопроводов. Основы теории неустановившегося течения жидкости в напорных трубопроводах были изложены в работах Н. Е. Жуковского [4]. 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.

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, получены 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 ρ линейно зависит от давления р.

В качестве исходной использована система уравнений:

 p  ( )      2

t t 8  R ;

 p  c 2 (  ) , (1)

t   x

где λ − коэффициент гидравлического сопротивления, R − гидравлический радиус сечения.

   2

 

Уравнения (1) содержат нелинейный член

8  R

. Однако, принимая множитель

8  R

постоянным, равным его среднему значению по длине и по времени

(  

8  R

 (   )

8R cp

 2  a)

можно получить линеаризованную систему для функций ρv, p − массовой скорости и давления:

 p  ( )  2  a(  )

x t

 p  c 2 (  ) , (2)

t   x

Получено, что погрешность вследствие линеаризации составляет не более 10 % от максимального давления.

Для капельной жидкости в уравнениях (2) можно принять ρ=const и заменить эти уравнения следующими:

 p   ( ( )  2  a )

x t

 p  c 2 (  ) , (3).

t   x

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.). Предложено решение телеграфного уравнения (3) в виде соотношений. Использование этих соотношений позволяет решать задачи о периодических движениях жидкости при общем виде начальных и 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.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гольянов А.А., Шаммазов А.М. Обеспечение безопасности и экологической защиты магистральных нефтепроводов // НИС, ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ. Сер. «Транспорт и хранение нефтепродуктов». Вып. 10-11, 2002. – С. 15-18.
2. Галлямов А.К., Черняев К.В., Шаммазов А.М. Обеспечение надежности функционирования системы нефтепроводов на основе технической диагностики. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1997.- 583 с.
3. Курочкин В.В. Старение нефтепровода и капитальный ремонт.//Проблемы безопасности и надежности трубопроводного транспорта: Тез.докл. – Новополоцк. ПГУ, 1999- с.10-12.
4. Лаптева Т.И., Мансуров М.Н. Обнаружение утечек при неустановившемся течении в трубах// Нефтегазовое дело, 2006-15 с.