Способ определения температуры трубопровода и устройство для его осуществления
METHOD FOR DETERMINING PIPELINE TEMPERATURE AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Группа изобретений относится к трубопроводному транспорту углеводородных продуктов и может быть использована при новом строительстве, ремонте, реконструкции и эксплуатации магистральных трубопроводов.
При строительстве и эксплуатации протяженных трубопроводов в условиях низких и переменных температур грунта на глубине заложения зачастую возникает неопределенность данных о температуре стенки трубы. Это может быть обусловлено тем, что вновь построенный подземный трубопровод, засыпанный мерзлым грунтом, оказывается в переохлажденном состоянии и затем длительное время в нем пребывает, благодаря инерции процесса теплоотдачи. При этом температура трубопровода значительно отличается от температуры ненарушенного грунта на глубине заложения трубопровода вблизи него, что не позволяет использовать данные инженерных изысканий для получения достоверной информации о температуре в полости трубопровода. Кроме того, для длительно эксплуатируемых трубопроводов возможно изменение температурного поля грунта в течение эксплуатации, в таком случае данные изысканий также становятся неактуальными.
Вместе с тем достоверная информация о температуре стенки труб необходима для управления процессами осушки полости, заполнения консервационной средой и транспортируемым продуктом трубопровода.
Нормативными документами установлены требования к степени осушки полости трубопроводов, а также к контролю качества осушки. При этом эффективность такой осушки, а также достоверность и достаточность параметров процесса осушки существенно зависят от влагосодержания среды в полости трубопровода и возможных фазовых состояний находящейся в нем воды, а значит - от температуры в полости трубопровода. Контроль влагосодержания газообразной среды в полости трубопровода необходим для оценки необходимости и/или достаточности глубины осушки и подтверждения отсутствия поступления воды в полость трубопровода извне. Учитывая значительную протяженность участков магистральных трубопроводов, очевидно, что температура грунта по их длине может изменяться, образуя отдельные критические точки (характеризующиеся минимальной температурой), являющиеся потенциальными очагами образования ледяных и гидратных пробок, препятствующих осушке.
В случае консервации трубопровода путем его заполнения инертной средой определение температуры по длине трубопровода необходимо для внесения поправки на величину давления в трубопроводе. В процессе заполнения трубопровода транспортируемым продуктом информация о температуре трубопровода позволяет контролировать возможное выпадение конденсата из газообразных сред, а также повышение вязкости компонентов нефти и нефтепродуктов.
В современной практике измерение температуры подземных трубопроводов выполняют, как правило, путем измерения температуры грунта на глубине заложения трубопровода. Известен способ измерения температуры трубопровода, основанный на предположении уу равенства температуре грунта вблизи трубопровода (ГОСТ 25358-2012 «Грунты. Метод полевого определения температуры». М: Стандартинформ, 2013). Согласно указанному способу, выполняют термометрические скважины в непосредственной близости от трубопровода с определенным шагом по его длине. Затем, обеспечив герметичную изоляцию полости скважины от атмосферы, с помощью гирлянды температурных датчиков выполняют замер температуры в скважине с последующим приравниванием полученных значений к температуре трубопровода.
Описанный способ измерения температуры обладает рядом недостатков. В частности, полученные результаты измерения позволяют установить температуру не по всей протяженности трубопровода, а лишь дискретно, в отдельных точках по его длине. При этом определяют не температуру стенки трубопровода, а температуру грунта, которая может существенно отличаться от температуры собственно трубопровода, что обусловлено более высокой теплоемкостью металла труб по сравнению с окружающим грунтом, а также тем, что грунт, в котором выполнена скважина, может быть ненарушенным, а трубопровод окружен грунтом обратной засыпки, обладающим большей воздухопроницаемостью. Кроме того, указанный способ измерения температуры трубопровода является весьма затратным и трудоемким, в особенности для протяженных трубопроводов. Для участков, проложенных в болотистой местности, для подводных и морских трубопроводов описанный способ неприменим.
Известно устройство для измерения температуры внутренней цилиндрической поверхности (патент РФ №2114403, G01K 1/14, опубл. 27.06.1998), содержащее термопару и штангу для ввода устройства внутрь контролируемого объекта. Устройство также содержит корпус с закрепленным на нем теплоприемником, с которым соединена термопара, два упругих элемента для прижатия теплоприемника к внутренней поверхности контролируемого объекта, один конец которых жестко зафиксирован в корпусе, а второй выполнен с возможностью перемещения в пазу корпуса с одновременным скольжением упругих элементов по внутренней цилиндрической поверхности контролируемого объекта. Штанга выполнена градуированной и жестко соединена с корпусом.
К недостаткам указанного устройства относится непосредственный механический контакт термочувствительных элементов с внутренней поверхностью трубы, температуру которой измеряют, что приводит к их быстрому абразивному износу, а также не позволяет производить измерение температуры при равномерном длительном перемещении устройства вдоль трубы, поскольку тепло, выделяющееся вследствие трения, будет существенно искажать полученные результаты измерения. Кроме того, устройство не может быть использовано для измерения температуры протяженных трубопроводов.
Известен способ измерения давления и температуры перекачиваемой среды путем пропуска внутритрубного поршня по трубопроводу (Available: http://www.aprodit.ru/Aprodit-RXT-ru.html. Дата обращения: 21 июля 2020), заключающийся в том, что в переднюю часть внутритрубного поршня устанавливают регистратор температуры с целью регистрации изменений, в частности, температуры перекачиваемой среды.
Недостаток указанного способа заключается в том, что регистратор, фактически определяет температуру одного и того же толкаемого перед поршнем объема среды. При этом регистратор находится в точке, наиболее удаленной от внутренней поверхности трубы, что снижает достоверность измерения температуры стенки труб.
Наиболее близкими к предлагаемой группе изобретений (прототипом) являются способ измерения внутренней поверхностной температуры трубы и соответствующее устройство (патент РФ №2472120, G01K 7/06, опубл. 10.01.2013), включающее зонд, содержащий, по меньшей мере, один термочувствительный элемент со свободным концом, средства для отвода свободного конца чувствительного(ых) элемента(ов) в радиальном направлении, средства для приложения усилия к свободному концу радиально отводимого(ых) чувствительного(ых) элемента(ов), при этом контактное усилие является постоянным и воспроизводимым, независимо от точки внутренней поверхности, в которой необходимо произвести измерение температуры.
Согласно известному способу, на измеряемой поверхности перемещают миниатюрные термометры. Эти термометры (термопары), зонды с платиновым резистором, термисторы неподвижно соединены между собой зондом, и их соединяют с внутренней поверхностью трубы либо напрямую, либо при помощи специального контактного элемента с ограниченной термической инерцией, контролируя при этом контактное усилие и, следовательно, термическое контактное сопротивление. Материал, используемый для изготовления этого контактного элемента, должен обладать максимально высокой теплопроводностью, чтобы сократить время температурной стабилизации зонда. В случае зондов, используемых под электрическим потенциалом, материал должен быть также электрическим изолятором (предпочтительно алмаз, либо нитрид алюминия или нитрид бора).
К недостаткам данного способа относится непосредственный механический контакт термочувствительных элементов с внутренней поверхностью трубы, температура которой измеряется, что приводит к их быстрому абразивному износу. Также это не позволяет производить измерения температуры при длительном перемещении устройства вдоль трубы, поскольку тепло, выделяющееся вследствие трения, будет существенно искажать полученные результаты измерения температуры. Устройство не может быть использовано для измерения температуры протяженных трубопроводов.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая группа изобретений, является разработка способа, позволяющего с максимальной точностью определять температуру стенки трубы по всей длине участка магистрального трубопровода с использованием соответствующего устройства.
Техническим результатом, на достижение которого направлена группа изобретений, является расширение функциональных возможностей: возможность выполнения замеров температуры протяженных участков трубопроводов, трубопроводов, проложенных в болотистой местности, подводных и морских трубопроводов, а также повышение точности определения температуры трубопровода за счет конструктивного исполнения устройства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе определения температуры трубопровода, осуществляемом при помощи устройства, включающего внутритрубный поршень, оснащенный пенополиуретановым диском, закрепленным на наружной поверхности внутритрубного поршня, внутритрубный поршень под давлением газа пропускают по трубопроводу. Причем пенополиуретановый диск имеет наружный диаметр, обеспечивающий гарантированный зазор между его внешней поверхностью и внутренней поверхностью трубопровода для свободного прохождения газа в наиболее узком сечении трубопровода. При этом путем образования пристеночного кольцевого канала между внутренней поверхностью трубопровода и внешней поверхностью пенополиуретанового диска создают направленный поток газа вдоль внутренней поверхности стенки трубопровода и измеряют температуру упомянутого потока газа.
Устройство для определения температуры трубопровода включает внутритрубный поршень, содержащий заглушку, имеющую сквозной канал, выполненный по центральной оси, и трубчатый корпус с закрепленными на нем передней и задней парами эластичных манжет, имеющий отверстия круглого сечения в средней части, выполненные с равным шагом по окружности корпуса в двух параллельных плоскостях, по меньшей мере, по четыре в каждой плоскости и снабженный закрепленным на средней части наружной поверхности корпуса пенополиуретановым диском, имеющим наружный диаметр, обеспечивающий гарантированный зазор между его внешней поверхностью и внутренней поверхностью трубопровода для свободного прохождения газа в наиболее узком сечении трубопровода. В задней относительно направления движения внутритрубного поршня части пенополиуретанового диска в радиальном направлении с равным шагом по окружности выполнены, по меньшей мере, четыре изогнутых канала круглого сечения, в которых установлены распыляющие трубки, проходящие через соответствующие отверстия в корпусе и соединяющие полость внутритрубного поршня с пристеночным кольцевым каналом, образованным внутренней поверхностью трубопровода и наружной поверхностью пенополиуретанового диска, при этом концы распыляющих трубок, выходящие в пристеночный кольцевой канал, изогнуты в противоположную от эластичных манжет сторону. В полости внутритрубного поршня перед выходящими в полость поршня концами распыляющих трубок установлена поперечная герметичная перегородка. В передней относительно направления движения внутритрубного поршня части пенополиуретанового диска в радиальном направлении с равным шагом по окружности выполнены, по меньшей мере, четыре изогнутых канала круглого сечения, в которых установлены принимающие трубки, проходящие через соответствующие отверстия в корпусе и сообщающиеся одним концом с пристеночным кольцевым каналом, а другим - с осевым каналом заглушки, в котором установлен датчик температуры, оснащенный записывающим устройством. Причем концы принимающих трубок, сообщающиеся с пристеночным кольцевым каналом, изогнуты в противоположную от эластичных манжет сторону.
В предлагаемом способе для определения температуры трубопровода измеряют температуру пристеночного потока воздуха, которая максимально приближена к температуре стенки трубопровода. Причем значения температуры получают с минимальной погрешностью за счет конструкции элементов предлагаемого устройства: нижний конец распыляющих и принимающих трубок изогнут в противоположную от эластичных манжет сторону, что обеспечивает возможность измерения температуры воздуха на достаточно отдаленном расстоянии от эластичных манжет и позволяет исключить влияние на измеряемую температуру трубопровода разогрева эластичных манжет вследствие их трения о стенку трубопровода. Таким образом, реализация предлагаемого способа с использованием предлагаемого устройства обеспечивает повышение точности определения температуры трубопровода на всем его протяжении.
На чертеже изображено устройство для определения температуры трубопровода (разрез).
Устройство включает внутритрубный поршень 1, содержащий трубчатый корпус 2 с закрепленными на нем двумя парами манжет 3, выполненными из эластичного синтетического материала. В средней части корпуса 2 в двух параллельных плоскостях с равным шагом по окружности выполнены отверстия круглого сечения, по меньшей мере, по четыре в каждой плоскости. В средней части поршня 1 для создания пристеночного кольцевого канала вдоль стенки трубопровода установлен пенополиуретановый диск 4, закрепленный на корпусе 2. Наружный диаметр пенополиуретанового диска 4 подбирают таким образом, чтобы при прохождении внутритрубного поршня 1 через наиболее узкое сечение трубопровода гарантированно обеспечить зазор для свободного прохождения газа между внутренней поверхностью трубопровода и наружной поверхностью пенополиуретанового диска 4. В задней относительно направления движения внутритрубного поршня 1 части пенополиуретанового диска 4 в радиальном направлении с равным шагом по окружности выполнены, по меньшей мере, четыре изогнутых канала круглого сечения, в которых установлены распыляющие трубки 5, выполненные из материала с низкой теплоемкостью, например из пластика, проходящие через соответствующие отверстия в корпусе 2 и соединяющие полость внутритрубного поршня 1 с пристеночным кольцевым каналом. С помощью распыляющих трубок 5 создают направленный поток газа в пристеночном кольцевом канале вдоль стенки трубопровода для того, чтобы измеряемая в дальнейшем температура газа сравнялась с температурой стенки трубопровода. В полости внутритрубного поршня 1 перед выходящими в полость поршня 1 концами распыляющих трубок 5 установлена поперечная герметичная перегородка 6 для направления потока воздуха в распыляющие трубки 5. Концы распыляющих трубок 5, выходящие в пристеночный кольцевой канал, изогнуты в сторону, противоположную от эластичных манжет 3, что обеспечивает возможность измерения температуры воздуха на достаточно отдаленном расстоянии от эластичных манжет 3 и позволяет исключить влияние на измеряемую температуру трубопровода разогрева эластичных манжет 3 вследствие трения о стенку трубопровода. Посредством эластичных манжет 3 обеспечивают герметичное разделение областей разного давления перед внутритрубным поршнем 1 (область пониженного давления) и за ним (область повышенного давления), за счет чего происходит движение внутритрубного поршня 1, а также переток газа сквозь корпус 2 по распыляющим трубкам 5. В передней относительно направления движения внутритрубного поршня 1 части пенополиуретанового диска 4 в радиальном направлении с равным шагом по окружности выполнены, по меньшей мере, четыре изогнутых канала круглого сечения, в которых установлены принимающие трубки 7, выполненные из материала с низкой теплоемкостью, например из пластика, проходящие сквозь полость внутритрубного поршня 1 через соответствующие отверстия в корпусе 2 и сообщающиеся одним концом с пристеночным кольцевым каналом, а другим - с осевым каналом 8 установленной в передней относительно движения части поршня 1 заглушки 9, в котором установлен оснащенный записывающим устройством датчик температуры 10 (можно использовать, например, регистратор температуры Восток BP). Концы принимающих трубок 7, сообщающиеся с пристеночным кольцевым каналом, имеют изгиб в сторону, противоположную от эластичных манжет 3, что обеспечивает возможность измерения температуры воздуха на достаточно отдаленном расстоянии от эластичных манжет 3 и позволяет исключить влияние на измеряемую температуру разогрева эластичных манжет 3 вследствие трения их о стенку трубопровода.
Способ осуществляют следующим образом.
Для определения температуры трубопровода по всей его длине и выявления мест локального охлаждения по указанному трубопроводу используют устройство для определения температуры трубопровода, которое изготавливают на базе стандартных очистных внутритрубных поршней для газо- и нефтепроводов. Упомянутое устройство перемещают по участку трубопровода под давлением сжатого газа, при этом часть газа за счет разности давлений за внутритрубным поршнем 1 и перед ним и посредством перегородки 6 направляют по распыляющим трубкам 5 в пристеночный кольцевой канал вдоль стенки трубопровода, образованный внутренней поверхностью трубопровода и наружной поверхностью диска 4 для создания направленного пристеночного потока газа. Проходя по упомянутому кольцевому каналу, направленный поток газа приобретает температуру стенки трубы, после чего направленный поток газа, значение температуры которого достигло значения температуры стенки трубы, с помощью принимающих трубок 7 направляют на датчик температуры 10, где измеренные значения температуры фиксируют посредством записывающего устройства.
Пропуск устройства по участку трубопровода осуществляют в соответствии с требованиями нормативных документов, регламентирующих применение внутритрубных поршней на магистральных трубопроводах, при помощи стандартных средств, применяемых при строительстве и эксплуатации трубопроводов: камер пуска и приема внутритрубных устройств под давлением сжатого воздуха (азота), подаваемого компрессорами или ресивером.
В результате реализации способа получают графическую зависимость изменения температуры вдоль трубопровода от момента измерения, после чего полученную зависимость совмещают с планом трассы трубопровода.
Исходя из допущения, что внутритрубный поршень пропускали по трубопроводу равномерно, полученные данные сравнивают с данными о температуре грунта на глубине заложения трубопровода, полученными в результате полевых изысканий.
В случае обнаружения отклонений измеренной температуры трубопровода от данных, полученных в результате полевых изысканий (прежде всего, выявления локальных аномально холодных участков по длине трубопровода), предпринимают корректирующие действия: проводят обследование грунта засыпки на предмет скоплений льда, обеспечивают локальный подогрев трубопровода в процессе его осушки, обустраивают дополнительную теплоизоляцию трубопровода на охлажденных участках и т.п.