Способ оценки увлажненности газопроводных труб
METHOD FOR ASSESSING THE MOISTURE CONTENT OF GAS PIPELINES

Изобретение относится к способам и оборудованию для оценки увлажненности газопроводов и может применяться при их очистке после строительства или ремонта.
Контроль содержания воды в газопроводе имеет большое значение для его эффективной и безопасной работы. Присутствие воды при высоком давлении и низкой температуре способствует формированию гидратов, препятствующих нормальному функционированию газопровода.
Известные способы контроля включают измерение влажности проходящего воздуха в процессе продувки. Руководящим документом для этого является «СТО Газпром 2-3.5-354-2009». Дифференциальная характеристика динамики влажности позволяет судить об интегральной влагонасыщенности. Однако, этот процесс, как правило, растягивается на многие часы, а результат содержит неопределенность. Доступные источники, например, «Способ оценки качества осушки полости трубопровода» по патенту RU 2716801, касаются усовершенствования методов анализа влажности продуваемого воздуха. Практикуются повторяющиеся измерения влажности через несколько часов и т.п., до и после пропуска метанольных поршней. Наиболее грубые методы связаны с определением разности между фактическим объемом частично заполненного водой трубопровода и его теоретическим объемом (Способ определения объема водной фазы в промысловом газопроводе по патенту RU 2369802). В данном способе «промысловый газопровод с накопленной водой перекрывается с обеих сторон, в отсеченном участке промыслового газопровода повышается давление путем закачки газа одновременно с измерением объема закачиваемого газа, величина которого относится к объему газа в промысловом газопроводе как 1:3, с учетом объема закаченного газа и изменения термобарического состояния газа в промысловом газопроводе, рассчитывается объем воды». В источнике [Лекция о методах анализа влаги. Электронный ресурс https://studizba.com/lectues/32-dobycha-resursov/910-lekcii-po-traboprovodnomu-transportu-gaza/16872-13-metody-opredeleniya-kolichestva-zhidkosti-v-gazoprovode.html] обсуждается методика оценки содержания воды по ее корреляции с деградацией пропускной способности газопровода. Указано, что при однократном измерении достигается точность 50%, с использованием повторных измерений - до 10%. Такие методы действуют при заметных скоплениях воды, однако теряют достоверность в отношении малых остаточных количеств воды в виде конденсатной пленки.
Таким образом, существует задача оперативной оценки содержания воды в газопроводах альтернативным методом.
Предлагаемое изобретение не имеет близких аналогов, в связи с чем опирается в качестве прототипа на вышеприведенный нормативный документ [Порядок проведения испытаний магистральных газопроводов в различных природно-климатических условиях. СТО Газпром 2-3.5-354-2009]. Согласно ему для оценки содержания воды определяется разность отсчетов между физическими параметрами отрезка газопровода в различных состояниях в процессе влагоудаления. В известных способах физическим параметром является влажность воздуха на выходе трубы в процессе продувки.
Технический результат - повышение скорости измерений и точности оценки содержания воды, преимущественно при ее малых остаточных количествах.
Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа оценки содержания воды в газопроводных трубах путем определения разности между отсчетами физических параметров отрезка газопровода в процессе влагоудаления, отличие состоит в том, что в качестве физического параметра выбирают затухание электромагнитных волн различной структуры, частоты и поляризации в отрезке трубы, при этом на концах исследуемого отрезка трубы устанавливают источник и приемник электромагнитных волн регулируемой частоты, подключенные к передающей и приемной антеннам, снабженным средствами изменения структуры и поляризации излучаемых и принимаемых волн, при этом источник электромагнитных волн снабжен модулятором, у которого закон модуляции отражает информацию о частоте, структуре и поляризации излучаемой волны, а приемник снабжен соответствующим демодулятором указанной информации.
Достижение технического результата обусловлено следующим.
Выбор в качестве физического параметра затухания электромагнитных волн связано с предельно коротким временем получения данных, поскольку электромагнитные волны распространяются между концами трубы со скоростью, близкой к скорости света. Выбор в качестве физического параметра затухания электромагнитных волн основан также на том факте, что это затухание происходит преимущественно в воде пропорционально ее интегральному количеству в отрезке трубы.
В этой ситуации радиофизический метод, в отличие от механико-термодинамических, характеризуется более короткими временами получения данных, что и служит основанием его использования при решении данной проблемы.
С точки зрения радиофизики труба представляет собой круглый волновод, в котором способны распространяться электромагнитные волны различной структуры при условии, что их длина не превышает некоторого критического значения. Это условия трактуются таким образом, что конкретная структура волны должна укладываться в поперечное сечение трубы. Исчерпывающие сведения о структуре волн в круглых трубах содержатся в источнике: [Constantine A. Balanis Circular Waveguides // Электронный ресурс http://www.tuks.n1/pdf/Reference_Material/Circular_Waveguides.pdf, стр. 643-653]. Возбуждение волн различной структуры производится, например посредством системы элементов связи, как это предусмотрено в патентах [RU №2639736 от 22.12.2017] или [RU 169535 от 22.04.2016].
Идея применения электромагнитных волн для диагностики содержания воды связана с тем, что волна в пустой металлической трубе способна распространяться на большие расстояния, в то время как при наличии включений воды волна испытывает интенсивное поглощение. Данный факт подтвержден экспериментами, проведенными на объектах ООО «Газпром Трансгаз Томск»: учебном полигоне в г. Томске, на участках газопровода в районах пос. Чажемто и Сковородино. Измерительное оборудование функционировало на частоте 915 МГц. Установлено, что в сухих отрезках трубы диаметра 1000 мм длиной от 10 до 50 м затухание настолько мало, что не определяется на фоне погрешностей, связанных с интерференцией волн. В открытом участке длиной 2 км с естественным увлажнением затухание составило 23 дБ (200 раз). В участке 50 м после искусственного увлажнения вливанием 10 л воды затухание составило 18 дБ (63 раза). В соответствии с данными из вышеприведенного стандарта СТО Газпром 2-3.5-354-2009, максимальное количество воды в пленке конденсата при диаметре трубы 1000 мм может составлять 300 г/м, или 15 кг на 50 м. Согласно теории возмущений, при относительно небольшом объеме водяного включения интенсивность его взаимодействия с полем электромагнитной волны не зависит от форм-фактора. Таким образом, можно сделать вывод, что присутствие в трубе, независимо от ее длины, 10-15 кг воды существенно влияет на затухание. Уже этот факт подтверждает, что простым измерением затухания можно регистрировать присутствие воды в количествах, составляющих даже малые доли от тех, что содержатся в конденсатной пленке. В то же время, современные приемопередающие устройства позволяют регистрировать сигналы с ослаблением порядка 120 дБ, что составляет один триллион раз. Осуществление заявляемого способа предполагает, что радикально освобожденный от влаги отрезок трубы аттестуется по коэффициентам затухания электромагнитных волн различной частоты и структуры, после чего реальное затухание после, например, ремонтных работ служит индикатором количества накопленной в трубе воды.
Приведенные частные примеры относится к конкретным значениям диаметра трубы и частоты зондирующего сигнала. Для различных диаметров и дистанций могут быть подобраны оптимальные частоты. Еще больше информации может быть получено при использовании вариаций частоты и структуры возбуждаемых в трубе волн. Информативность методики определяется последовательностью возникновения распространяющихся волн различной структуры по мере увеличения частоты, характеристиками их затухания и скоростей их распространения в трубе. На трансформацию структуры волн будут влиять как стационарно присутствующие основные неоднородности (сварные швы, изгибы), так и неоднородности, представленные нежелательными включениями. Равномерно распределенные по периметру включения (пленка конденсата) преимущественно влияют на скорость распространения и коэффициент затухания, в то время как скопления в понижениях (лужи) с большей вероятностью участвуют в трансформации структуры волн. Наличие гидратов будет, видимо, иметь свои особенности по характеристикам затухания и структурной неравномерности.
Модуляция излучаемого сигнала на передающем конце трубы позволяет передавать в направлении приемного конца информацию, которая демодулируется и обрабатывается в приемном устройстве для составления отчета об измерениях.
Эффективность заявляемого способа состоит в практически мгновенном получении результатов по сравнению с многочасовыми измерениями, что позволяет значительно сократить затраты времени, то есть простоя трубопровода и связанные с этим финансовые потери. Кроме того, эффективный контроль содержания воды обеспечивает высокое качество газа и предотвращает штрафы. Особенно важна чувствительность к малым количествам воды, трудно улавливаемым стандартными методами.