Спосіб визначення місця витоку газу з підземного трубопроводу (варіанти)
Власники патенту UA 2365889:
Винахід відноситься до області контрольно-вимірювальної техніки і спрямоване на можливість забезпечення ефективного способу визначення місця прориву газу в трубопроводі незалежно від азимутального розташування за допомогою одного розподіленого оптоволоконного датчика температури. Цей результат забезпечується за рахунок того, що один з варіантів здійснення способу передбачає розміщення в ґрунті над поверхнею трубопроводу паралельно його осі щонайменше одного розподіленого оптоволоконного датчика температури. Між трубопроводом і датчиком або над датчиком встановлюють екран, що направляє потік газу з трубопроводу у разі витоку у верхню центральну область траншеї, що примикає до датчика, і перешкоджає течії газу в периферійні області траншеї, віддалені від датчика. Інший варіант здійснення способу передбачає зигзагоподібне розміщення розподіленого оптоволоконного датчика температури горизонтальній площині над трубопроводом. Здійснюють безперервний вимір температури, за зниженням якої судять про наявність і місце витоку. 2 зв. та 2 з.п. ф-ли, 2 іл.
Винахід відноситься до контрольно-вимірювальної техніки, призначеної для контролю герметичності обладнання, що містить газо, і, більш конкретно, до техніки дистанційного визначення місця витоку газу з магістрального трубопроводу, що знаходиться в траншеї під грунтом.
Відомі способи візуального контролю трубопроводу, що полягають у періодичному огляді землі вздовж траси з метою виявлення витоків (див., наприклад, Іонін Д.А., Яковлєв Є.І. Сучасні методи діагностики магістральних газопроводів. - Л.: Надра, 1987. - З .69-71). Але ці способи дуже трудомісткі і не завжди здійсненні черезкліматичних та природних умов.
Відомі також способи виявлення витоків шляхом пропуску всередині контрольованого трубопроводу різних пристроїв із встановленими засобами вимірювання, обробки та зберігання даних вимірювання (див., наприклад, UA 15518 U1). Недоліки таких способів - складність апаратури, необхідність у спеціальному обладнанні та низька чутливість до малих та середніх витоків газу з трубопроводу.
Найбільш близьким аналогом заявленого винаходу є спосіб визначення місця витоку газу з підземного трубопроводу, описаний у заявці США 2004/0154380. Зазначений спосіб також передбачає використання розподіленого оптоволоконного датчика температури, покладеного безпосередньо на трубу трубопроводу та закритого екраном. Недолік даного способу полягає в тому, що у разі пошкодження екрану при розриві трубопроводу з великими втратами газу ефективність роботи системи детектування сильно знижується через фільтрацію газу навколо екранованого трубопроводу, минаючи оптоволоконний датчик температури. Крім того, при малих витратах газу з розриву трубопроводу має місце низька ефективність роботи системи детектування через інтенсивний теплообмін потоку витікання газу, що фільтрується, з основним потоком газу в трубопроводі через стінку труби.
Технічний результат, що досягається при реалізації винаходу, полягає у забезпеченні ефективного способу визначення місця прориву газу в трубопроводі, незалежно від його азимутального розташування, за допомогою одного розподіленого оптоволоконного датчика температури.
Даний технічний результат досягається за рахунок того, що в траншеї над поверхнею розташованого в ґрунті трубопроводу і паралельно його осі розміщують щонайменше один розподіленийоптоволоконний датчик температури, з екраном, що направляє потік газу з трубопроводу у разі витоку від місця витоку у верхню центральну область траншеї, що примикає до датчика, і перешкоджає течії газу в периферійні області траншеї, віддалені від датчика, і здійснюють безперервне вимірювання температури, за зниженням якої судять про наявність та місце витоку. Екран може бути розміщений між розподіленим оптоволоконним датчиком температури та трубопроводом або над оптоволоконним датчиком температури. Екран може бути виконаний у вигляді металевого або пластикового листа з перфорацією центральної частини, що примикає до вертикальної осі трубопроводу. Екран може бути також виконаний у вигляді щонайменше двох металевих або пластикових листів, розташованих у траншеї з зазором, в якому розміщують датчик, і перешкоджають перебігу газу в периферійні області траншеї.
Інший варіант реалізації винаходу передбачає зигзагообразне розташування розподіленого оптоволоконного датчика температури горизонтальній площині над трубопроводом.
Розподілений оптоволоконний датчик температури повинен знаходитись на відстані від 20 до 80 см над трубопроводом. Точна відстань від трубопроводу до датчика визначається залежно від діаметра трубопроводу (прямо пропорційно діаметру).
Спосіб визначення місця витоку природного та інших газів за допомогою безперервного вимірювання температури заснований на ідеї використання теплового ефекту значного падіння тиску в потоці газу, що з трубопроводу. Зміна температури в потоці газу або рідини, спричинена падінням тиску, відома як ефект Джоуля-Томсона. У стаціонарному наближенні падіння температури може бути розраховане як добуток коефіцієнта Джоуля-Томсона навеличину падіння тиску. У разі сумішей природних газів це відповідає охолодженню з характерною величиною коефіцієнта Джоуля-Томсона близько кількох градусів на один мега паскаль падіння тиску. При цьому повне падіння температури між потоком у трубі та потоком газу витоку в траншеї може досягати 100 градусів Цельсія. Це зниження температури може бути виміряно за допомогою розподіленого оптоволоконного датчика температури, покладеного вище трубопроводу з причин технологічної зручності розміщення розподіленого оптоволоконного датчика в траншеї.
Зазвичай можна вважати, що проникність матеріалу, що заповнює траншею трубопроводу набагато вище, ніж проникність навколишнього ґрунту. Місцем утворення витоку газу може бути як нижній сегмент трубопроводу, оскільки причиною утворення наскрізних пошкоджень або тріщин трубопроводів є корозія, яка найбільш вірогідна в місцях скупчення води в траншеї, так і верхній сегмент трубопроводу, де висока ймовірність механічних пошкоджень трубопроводу при укладанні в траншею. В обох випадках завдяки більш високій проникності засипки в траншеї в порівнянні з неушкодженим грунтом поза нею, найбільш ймовірний напрямок руху газу з місця витоку - вгору, до поверхні землі через засипку. Повний потік газу розподіляється по поперечному перерізі траншеї. Внаслідок цього у разі малих та помірних витрат витоку газу локальне охолодження газу та матеріалу засипки в зоні розташування розподіленого оптоволоконного датчика температури може бути нижчим за поріг чутливості вимірювальної системи датчика.
Розташування перфорованого екрану у вигляді металевого або пластикового листа між трубопроводом і розподіленим оптоволоконним датчиком температури або вище датчикадозволить сконцентрувати потік холодного газу у центральній зоні у верхній частині траншеї. Перфораційні отвори в екрані робляться таким чином, щоб забезпечити потік газу до поверхні через центральну область траншеї та блокувати перебіг газу через периферійні області траншеї. Замість перфорованих листів для тих же цілей може бути використана пара листів, покладених із зазором між ними поблизу вертикальної осі трубопроводу, в якому розміщують датчик, і перешкоджають течії газу в периферійні області траншеї. Можливе також кріплення оптоволоконного датчика до екрану.
Таким чином, перфорований екран або листи із зазором між ними покращують чутливість системи вимірювання температури до витрати газу витоку за рахунок концентрації теплового ефекту в області вимірювання температури.
Зигзагоподібне розташування оптоволоконного датчика в горизонтальній площині над підземним газовим трубопроводом дозволяє збільшити інтегральне зменшення температури на інтервалі усереднення температури, що призводить до поліпшення ефективного просторового дозволу стосовно даного конкретного випадку застосування. Переважний напрямок течії газу з місця витоку - догори, до поверхні землі, переважно через засипку з кутом розширення потоку газу близько 90 градусів. Повна довжина вздовж горизонтальної осі трубопроводу, на якій засипка охолоджується достатньою мірою для реєстрації розподіленим оптоволоконним датчиком температури, становить по порядку величини 3-4 діаметра трубопроводу, зважаючи на інтенсивне нагрівання охолодженого об'єму за рахунок потоку газу в трубопроводі. Моніторинг температури вздовж трубопроводу має на увазі велику відстань виміру, від 10 до 30 км, при збільшеному просторовому інтерваліусереднення температури до величини близько 10 м (порівняно з більш короткими відстанями вимірювання температури за допомогою розподіленого оптоволоконного датчика температури). Тому у випадках малих і помірних витрат газу з течі середньоінтегральне значення падіння температури на інтервалі усереднення може виявитися нижчим за поріг чутливості датчика, беручи до уваги температурні обурення, спричинені іншими факторами, що не належать до порушення цілісності трубопроводу.
Зигзагоподібне розміщення розподіленого оптоволоконного датчика температури у вигляді хвилястої лінії в горизонтальній площині дозволяє збільшити довжину відрізка розподіленого оптоволоконного датчика температури, схильного до впливу зниженої температури, викликаної потоком холодного газу з течі, що виникла в трубопроводі. Повне число вигинів розподіленого оптоволоконного датчика температури на одиницю довжини трубопроводу обмежується повною довжиною оптоволоконного датчика, що допускається. Таким чином, кількість вигинів та їх ширина впоперек траншеї можуть бути визначені розрахунками виходячи з необхідного просторового дозволу та допустимої повної довжини кабелю.
Винахід пояснюється кресленнями, де на фіг.1 зображено схема розташування оптоволоконного датчика температури і екрану в траншеї з трубопроводом, на фіг.2 - схема зигзагоподібного розташування оптоволоконного датчика температури в траншеї з трубопроводом.
У траншеї 1 з високопроникною засипкою над трубопроводом 2 на відстані 20-80 см від його поверхні і паралельно його осі розміщують щонайменше один розподілений оптоволоконний датчик 3 температури серійного виробництва. У разі витоку напрям потоку газу з місця 4 витоку показано стрілками 5. Відповідно до фіг.1 міждатчиком 3 і трубопроводом 2 встановлюють екран 6, напрямний потік газу з трубопроводу від місця 4 витоку у верхню центральну область траншеї, що примикає до датчика 3, і перешкоджає течії газу в периферійні області траншеї, віддалені від датчика 3. Екран 6 забезпечує концентрацію потоку газу з місця 4 витоку в області, в якій поміщений розподілений оптоволоконний датчик 3. Для забезпечення концентрації потоку в зоні розташування датчика екран 6 повинен бути виконаний з перфораційними отворами центральної частини, що примикає до вертикальної осі трубопроводу. Екран 6 може бути також виконаний у вигляді щонайменше двох металевих або пластикових листів, розташованих у траншеї 1 з зазором, в якому розміщують датчик 3. Здійснюють безперервне вимірювання температури, падіння якої судять про наявність і місце витоку.
За рахунок виконання отворів в екрані 6 поблизу вертикальної осі трубопроводу забезпечується блокування потоку газу по периферії траншеї далеко від розділеного оптоволоконного датчика 3 і потік газу направляється через отвори поблизу датчика 3. Концентрація потоку холодного газу дозволяє значно збільшити падіння температури поблизу розподіленого оптоволокон чутливість системи.
Відповідно до фіг.2 розподілений оптоволоконний датчик 3 температури розташований зигзагоподібно в горизонтальній площині над трубопроводом 2. Напрямок потоку газу з місця 4 витоку показано стрілками 5. Переважний напрямок течії газу з місця витоку - вгору, до поверхні землі, переважно через засипку з кутом розширення потоку газу близько 90 градусів. Здійснюють безперервний вимір температури, за падінням якої судять про наявність і місце витоку.
Зигзагоподібне розташуваннярозподіленого оптоволоконного датчика 3 температури дозволяє збільшити довжину відрізка датчика, схильного до впливу зниженої температури, викликаної потоком 5 холодного газу з місця 4 витоку в трубопроводі 2, що покращує чутливість системи.
1. Спосіб визначення місця витоку газу з підземного трубопроводу, що знаходиться в траншеї під грунтом, що передбачає розміщення в грунті над трубопроводом паралельно його осі щонайменше одного розподіленого оптоволоконного датчика, за показаннями якого судять про наявність і місце витоку, який відрізняється тим, що розподілений оптоволоконний датчик розташовують над поверхнею трубопроводу, в грунті між трубопроводом і датчиком або над датчиком встановлюють екран, напрямний потік газу з трубопроводу у разі витоку у верхню центральну область траншеї, що примикає до датчика, і перешкоджає течії газу в периферійні області траншеї, віддалені від датчика, здійснюють безперервне вимірювання температури, за зниженням якої судять про наявність і місце витоку.
2. Спосіб визначення місця витоку газу з підземного трубопроводу за п.1, який відрізняється тим, що екран виконаний у вигляді металевого або пластикового листа з перфорацією в центральній частині, що примикає до вертикальної осі трубопроводу.
3. Спосіб визначення місця витоку газу з підземного трубопроводу за п.1, який відрізняється тим, що екран виконаний у вигляді щонайменше двох металевих або пластикових листів, розташованих у траншеї з зазором, в якому розміщують датчик, і перешкоджають перебігу газу в периферійні області траншеї.
4. Спосіб визначення місця витоку газу з підземного трубопроводу, що передбачає розміщення в ґрунті над трубопроводом паралельно його осі щонайменше одного розподіленогооптоволоконного датчика, за показаннями якого судять про наявність і місце витоку, який відрізняється тим, що розподілений оптоволоконний датчик розташовують зигзагоподібно в горизонтальній площині над поверхнею трубопроводу.