Способ осушки газопровода
GAS PIPELINE DRYING METHOD

Изобретение относится к технологии испытаний и ремонта газопроводов и может быть использовано в газовой промышленности.
Монтажные, профилактические и ремонтные работы на магистральных газопроводах связаны с трудоемкой и кропотливой работой по удалению остатков воды, попадающей в трубу вследствие атмосферных осадков или конденсирующейся вследствие разности температур. Наличие воды может приводить к образованию льда или гидратов, что отрицательно сказывается на показателях функционирования газопровода. На участках длиной порядка 20-30 км после физического удаления основной массы воды остается конденсатная пленка толщиной 0,1 мм, что соответствует суммарной массе более 10 тонн. Как правило, осушка должна производиться до достижения температуры точки росы на уровне -20°С.
На сегодняшний момент известно множество методов осушки, однако, некоторые из них уже не отвечают современным требованиям. Например, прогонка поршней по трубопроводу, в том числе многоступенчатых поршней с использованием метанольных пробок, стала неприемлемой в связи с использованием внутренних гладкостных и антикоррозионных покрытий, которые могут разрушаться от механических воздействий поршня, а использование метанола является нежелательным с точки зрения экологической безопасности. Известен ряд способов осушки газопроводов, связанных с первоначальным вакуумированием и прокачкой воздуха или инертного газа под пониженным давлением. Низкое давление способствует кипению воды при пониженной температуре, а прокачка обеспечивает вынос пара в приемный коллектор. Однако, вакуумирование и прокачка специально подготовленного воздуха или инертного газа, требуют значительных энергетических и временных затрат.
Высокая теплота парообразования воды обусловливает потребность в доведении в полость трубы газопровода значительного количества тепла, поступающего преимущественно через стенки трубы от окружающего грунта. Вследствие этого темп откачки оказывается ограниченным условиями поступления тепла, необходимого для испарения воды. При интенсивной откачке начинается обледенение, сопровождаемое дополнительным выделением тепла при фазовом переходе вода-лед, и выносом его потоком воздуха. Подлежащие компенсации дополнительные потери тепла на фазовый переход равняются 334 кДж /кг, что на фоне теплоты парообразования 2500 кДж/кг составляет заметную нежелательную добавку. Термодинамические характеристики процесса осушки подробно изложены, например, в источнике [Кудрявцев Д.А. Методы совершенствования технологии вакуумной осушки газопроводов. Автореферат дисс. … канд. т.н. Москва. 2013]. Для борьбы с оледенением предлагается прокачка подогретого воздуха или азота, при этом операция осушки становится многокаскадной: подогрев - откачка - подогрев и т.д. Дополнительные трудовые и энергетические затраты связаны с необходимостью осушать еще и нагнетаемый воздух или инертный газ, например, азот. Однако уже на расстояния в сотни метров воздух охлаждается, между тем как осушаемые участки трубы имеют протяженность в десятки километров.
Одним из аналогов изобретения может служить способ по патенту [RU 2198361], включающий первоначальное вакуумирование и последующую прокачку участка газопровода, находящегося под пониженным давлением. Давление в участке газопровода поддерживается на уровне, соответствующем точке кипения остаточной воды при температуре, меньшей, чем температура внешнего окружения трубопровода. При осуществлении известного способа применяются вакуумные установки с мощностью насосных агрегатов, приближающейся к 100 кВт, а продолжительность процесса составляет сотни и тысячи часов.
Недостаток известного способа, как и ряда других, состоит в большой продолжительности процесса осушки из-за ограниченности потока тепла, поступающего через стенки газопровода от окружающего грунта. Кроме того, технология ваккумирования признается слишком затратной. В последнее время тенденцией стал отказ от метода вакуумирования. Необходимо отметить еще одно важное обстоятельство. Переход на трубопроводы с полимерным покрытием, как упоминалось выше, делает проблематичным, если не сказать невозможным, применение механических средств вытеснения воды (поршней), которые потенциально будут повреждать указанное покрытие. В связи с этим после первичной продувки в местах понижений остается значительно большее по сравнению с конденсатной пленкой количество воды, так или иначе подлежащей удалению. Данное обстоятельство иллюстрируется изменениями в нормативных документах, касающихся осушки газопроводов.
Так, например, можно рассмотреть способы осушки газопроводов после монтажных и ремонтных работ, которые содержатся в источнике [Стандарт организации: СТО Газпром 2-3.5-354-2009 Порядок проведения испытаний магистральных газопроводов в различных природно-климатических условиях, разделы 9, 11]. В них предусмотрена продувка газопровода потоком осушенного воздуха до достижения температуры точки росы (ТТР) минус 20°С. Поскольку осушке предшествуют, как правило, гидравлические испытания, предусматривается вытеснение воды поршнями. Беспоршневое вытеснение воды допускается только при длине трубы до 1 км.
Параллельно с расширением практики покрытия газопроводов внутренним полимерным слоем в более поздних документах предусматривается беспорщневое вытеснение воды продувкой уже на участках до 5 км согласно своду правил [Свод правил СП 411.1325800.2018. Трубопроводы магистральные и промысловые для нефти и газа. Испытания перед сдачей построенных объектов, разделы 6, 9]. Следует ожидать, что беспоршневая методика распространится и на более протяженные участки. Данный документ в этой части может служить прототипом предлагаемого изобретения. Согласно прототипу, осушка газопровода включает продувку его потоком сухого воздуха.
Поскольку, как указано выше, после беспоршневого вытеснения воды в местах понижений могут оставаться ее неконтролирумые объемы, то осушка потоком сухого воздуха растягивается на неопределенное время. Таким образом, существует задача создания способа доставки дополнительного тепла внутрь газопровода на возможно большем ее протяжении.
Технический результат изобретения - уменьшение продолжительности процесса осушки и снижение связанных с этим эксплуатационных потерь.
Заявленный результат достигается тем, что при осуществлении способа осушки газопровода, включающего его продувку сухим воздухом, отличие состоит в том, что дополнительно в газопровод вводится поток микроволнового излучения в виде распространяющейся моды Н01.
Достижимость технического результата определяется способностью воды активно поглощать микроволновое излучение, что приводит к ее разогреву и кипению.
Поток микроволнового излучения сравнительно слабо поглощается металлическими стенками газопровода. В то же время, доходя до места скопления воды, излучение рассеивается в ней в форме тепла, стимулируя испарение. По мере осушения увлажненного участка, стимулируемого прокачкой, зона теплового воздействия продвигается вдоль трубы, что способствует более быстрой осушке. Такое нежелательное явление, как отвод тепла металлом трубы, в значительной степени снижается при наличии полимерного внутреннего покрытия, именно в той ситуации, когда исключается предварительное удаление воды поршнями.
0
Достижимость технического результата определяется наличием в отечественной и зарубежной технике магнетронных источников микроволнового излучения мощностью до 100 кВт при частоте 915 МГц [Морозов О.А. Промышленное применение СВЧ-нагрева / О.А. Морозов, А.Н. Каргин, Г.П. Савенко, В.П. Требух, И.Г. Воробьев // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2010. - №3. - С. 2-6.], [https://muegge.de/us/product-category/microwave-generators-us/]. Излучение с такой частотой способно распространяться в виде моды Н01 в металлических трубах, имеющих диаметр от 300 мм и более. Уникальной особенностью указанной моды является то, причем с увеличением диаметра трубы затухание излучения на единицу длины монотонно уменьшается. Затухание прочих мод с увеличением радиуса трубы достигает минимума, после чего возрастает. Для иллюстрации приведен график фиг.1, где показаны зависимости затухания а в децибелах от соотношения радиуса трубы R и длины волны λ для различных распространяющихся мод. Принимая во внимание, что диаметры труб магистральных газопроводов составляют порядка 1420 мм, можно рассчитывать на проникновение излучения на расстояния в несколько километров.
Малое затухание волны Н01 объясняется отсутствием концентрации электрической составляющей поля около стенок. У стенок присутствует магнитное поле, вызывающее кольцевые токи, распределенные по всей поверхности трубы. Чем больше диаметр трубы, тем меньше напряженность поля, и меньше поверхностная плотность тока, вызывающая потери. В то же время в случае наличия на внутренней поверхности трубы воды в ней возникают вихревые токи, ведущие к нагреву. Следует заметить, что естественные неоднородности поверхности - сварные швы и изгибы - вызывают появление мод, обладающих электрической составляющей поля у стенок и еще активнее взаимодействующих с водой. По мере распространения основной моды в трубе формируется попутный поток альтернативных мод, поглощаемых водой и повышающих эффективность осушки.
Новизна предложенного решения обусловлена отсутствием в литературе сведений об использовании микроволнового излучения для выпаривания воды в газопроводах. Известные применения микроволновой сушки, например, древесины или зерновых продуктов, связаны с относительно небольшими объемами и временами воздействия. Длительное воздействие на большом протяжении трубы характеризуется своими особенностями динамики тепло- и массопереноса, которые ранее не были представлены в уровне техники.
В зависимости от возможности привлечения дополнительного оборудования и источников энергоснабжения наряду с осушкой путем продувки может приниматься вариант вакуумной осушки.
Оценка эффекта дополнительного теплового воздействия микроволнового излучения при осушке газопровода потоком воздуха показывает следующее. Теплота испарения воды равна 2500 кДж/кг. При рассеянии в воде мощности 100 кВт скорость ее испарения составит 0,04 кг/сек, или 2,4 кг/мин, или 144 кг/час. Для выпаривания 10 тонн воды потребуется не менее 70 часов, если не учитывать дополнительных потерь. Поскольку дополнительные потери в металле и в полимерном покрытии так или иначе неизбежны, следует говорить о сотнях часов. Традиционные методы осушки характеризуются затратами времени, исчисляемыми тысячами часов. Таким образом, предложенное решение позволяет существенно повысить темпы осушки, при этом энергозатраты, связанные с генерацией микроволнового излучения, сравнимы с энергозатратами компрессорных установок. Например, установка, описываемая в источнике [https://www.lbmvac.ru/a20140318-vakuumnye-sistemy-dlya-osusheniya.html], имеет мощность порядка 80 кВт.
Способ осушки газопровода включает прокачку его потоком сухого воздуха. Темп осушки определяется потоком тепла, поступающего в полость газопровода преимущественно через стенки от окружающего грунта. Отличие предлагаемого способа состоит в том, что в полость трубы газопровода дополнительно вводится поток микроволнового излучения в виде слабо затухающей моды Н01. Преобразование конфигурации полей стандартного волноводного выхода генератора микроволнового излучения в конфигурацию моды Н01 производится любым из стандартных устройств, например приведенным в источнике [https://textarchive.ru/c-1412795-pall.html] раздел 3.2.
Распределение интенсивности излучения и концентрации влаги вдоль трубы газопровода в процессе осушки иллюстрируются на фиг.2. Взаимодействие микроволнового излучения с водой происходит преимущественно на границе осушенного и увлажненного участков. Прокачка обеспечивает вынос паров в направлении коллектора.
Ввод излучения может осуществляться, например, через узел запуска очищающих поршней. При большой длине осушаемого участка микроволновые генераторы могут быть установлены на обоих концах трубы. Поступление микроволновой энергии с интенсивностью порядка 100 кВт является существенной добавкой к поступлению тепла от грунта и позволяет сократить время осушки газопровода и связанные с этим эксплуатационные потери.