СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ УТЕЧКИ ЧЕРЕЗ НЕГЕРМЕТИЧНЫЙ ЗАТВОР ШАРОВОГО КРАНА ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING LEVEL OF LEAKAGE THROUGH LEAKY GATE OF BALL VALVE OF SHUT-OFF AND CONTROL VALVE IN OPERATING MODE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Настоящая группа изобретений относится к способу и устройству для контроля технического состояния запорно-регулирующей арматуры. Группа изобретений может быть использована для мониторинга состояния запорно-регулирующей арматуры без выведения ее из эксплуатации.
Предшествующий уровень техники
В условиях эксплуатации промышленная трубопроводная арматура подвергается многочисленным внутренним и внешним воздействиям, которые связаны с технологическими режимами процессов, протекающих внутри трубопроводов. Так как трубопроводная арматура является наиболее ответственным элементом коммуникаций, для надежного обеспечения ее работоспособности и своевременного ремонта при эксплуатации необходимо прогнозировать или осуществлять контроль основного показателя ее качества - герметичности уплотнительных элементов запорной арматуры, причинами нарушения которой могут являться:
- грязь, попавшая под уплотняющее устройство;
- царапины, выбоины или неравномерный износ на поверхностях уплотнителей.
Известен способ определения протечек в процессе эксплуатации (ОСТ 26-07-2060-83 «Арматура трубопроводная запорная, изменение степени герметичности затворов в зависимости от условий эксплуатации и в процессе наработки»). Стандарт устанавливает метод определения допустимой величины протечки через затвор арматуры, подвергающийся контактному износу и износу частицами абразива, находящимися в проводимой среде. Величины протечек определяются расчетным путем по формуле с учетом размеров уплотнительных элементов затвора, технологических характеристик проводимой среды, времени срабатывания и количества наработки циклов.
Недостатком данного способа является невозможность измерения фактической истинной величины протечек через затвор трубопроводной арматуры в данный момент времени. Способ имеет прогностический характер и основан на экспериментальных данных. Для установления истиной величины протечек необходим демонтаж изделия с трубопровода и проведение испытаний, что трудоемко и связано с остановкой технологического процесса.
Известен способ контроля герметичности затвора запорной трубопроводной арматуры в период эксплуатации (патент РФ №2275610, опубл. 27.04.2006 г.), в котором определение величины протечек производится при закрытом затворе по одному из выходных, в зависимости от направления рабочей среды, каналов, соединенных с кольцевыми канавками, выполненными на уплотнительном поле затвора.
Недостатком указанного технического решения является необходимость предварительной подготовки запорного устройства для формирования в нем специальных измерительных каналов, а также отсутствие возможности его применения для шарового крана ввиду отсутствия возможности формирования кольцевых канавок на уплотнительном поле затвора по причине его малой толщины.
Известна система, содержащая инжектор индикаторного газа и датчики концентрации индикаторного газа, расположенные по разные стороны запорно-регулирующей арматуры на известном расстоянии от инжектора (патент РФ №2309323, опубл. 27.10.2007 г.), при применении которой измеряют время прохождения индикаторным газом (меткой) известного расстояния и концентрацию индикаторного газа в метке, по которым судят об утечке транспортируемого газа через негерметичный затвор закрытого шарового крана.
Недостатками такого решения являются низкая точность контроля размеров утечки газа, связанная с размытостью метки, и невозможность определения размеров утечки газа отдельно через каждое из уплотнений шарового крана.
Также известен способ измерения количества газа (перетечки), протекающего через закрытый шаровой кран, и устройство для его осуществления (патент РФ №2270986, опубл. 27.02.2006 г.), характеризующийся тем, что из полости закрытого шарового крана создают контролируемое стационарное истечение газа через сообщающийся с полостью шарового крана патрубок, снабженный полнопроходным краном и оканчивающийся калиброванным отверстием, определяют расход газа при этом истечении, измеряют полное давление в полости шарового крана при контролируемом стационарном истечении газа из полости шарового крана и без истечения газа из полости закрытого шарового крана при закрытом полнопроходном кране, определяют давление на входе и на выходе из шарового крана, а перетечку газа через закрытый шаровой кран вычисляют по формуле.
Недостатками этого решения являются наличие выпуска продукта из трубопровода в атмосферу, невысокая точность измерений величин утечек газа через негерметичный закрытый шаровой кран, связанная с большим количеством допущений при составлении уравнений, из которых определяют расход газа (величину утечки), а также невозможность прямых измерений утечек газа через каждое уплотнение крана в отдельности.
Известен способ (патент РФ №2396484, опубл. 10.08.2010 г.), в котором к внутрикрановой полости шарового крана подсоединяют дренажную трубку с реверсивным расходомером и соединяют ее с трубопроводами высокого и низкого давлений импульсными трубками, в которых устанавливают электромагнитные клапаны. Реверсивный расходомер и выходы импульсных трубок соединены через пневматическую крестовину с атмосферой. Система позволяет с помощью реверсивного расходомера прямым способом измерить утечки газа через первое и второе уплотнения по ходу газа у шарового крана.
Недостатками такого способа являются наличие выпуска продукта из трубопровода в атмосферу, а также дороговизна и сложность конструкции.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ (патент РФ №2393380, опубл. 27.06.2010 г), заключающийся в подсоединении к полости крана дренажной трубки и измерении статических давлений в трубопроводах высокого и низкого давлений, а также в полости шарового крана, при этом с дренажной трубкой дополнительно соединяют трубопровод высокого давления и в установившемся режиме измеряют в ней расход газа через уплотнение между полостью крана и трубопроводом низкого давления, а затем соединяют трубопровод низкого давления с последующим измерением в дренажной трубке расхода газа через уплотнение между трубопроводом высокого давления и полостью шарового крана.
Недостатками такого решения также являются наличие выпуска продукта из трубопровода в атмосферу, а также дороговизна и сложность конструкции.
Раскрытие группы изобретений
Задачей настоящей группы изобретений является создание способа и устройства для определения уровня утечки через негерметичный затвор шарового крана запорно-регулирующей арматуры в рабочем режиме для диагностики уплотнительных элементов запорной арматуры без вывода их из эксплуатации и не приводящее в процессе измерений к выбросам транспортируемого продукта в атмосферу.
Технический результат настоящей группы изобретений заключается в повышении безопасности и эффективности эксплуатации негерметичного затвора запорно-регулирующей арматуры в рабочем режиме за счет замера фактической величины протечек без его вывода из эксплуатации.
11
12
Технический результат достигается тем, что в известном способе определения уровня утечки газа через негерметичный затвор закрытого шарового крана запорно-регулирующей арматуры трубопровода, включающем измерение давления в полости шарового крана манометром, перекрытие первого клапана, установленного в трубке, соединяющей трубопровод высокого давления с полостью крана, одновременно с открытием второго клапана, установленного в трубке, соединяющей трубопровод низкого давления с полостью крана, при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом высокого давления и перекрытие второго клапана одновременно с открытием первого клапана при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом низкого давления, при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом высокого давления после стабилизации давления перекрывают второй клапан, проводят измерение манометром установившегося давления Р выжидают некоторое установленное время и проводят измерение манометром установившегося давления Р, в случае неравенства давлений делают вывод о наличии утечки, объем вычисляют по формуле:
0
0
21
22
где V - объем полости крана при определенном давлении Р, а при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом низкого давления после стабилизации давления перекрывают первый клапан, проводят измерение манометром установившегося давления P, выжидают некоторое установленное время и проводят измерение манометром установившегося давления Р, в случае неравенства давлений делают вывод о наличии утечки, объем которой вычисляют по формуле:
Технический результат также достигается тем, что в известном устройстве, содержащем манометр, соединенный с полостью шарового крана, и трубки, соединяющие трубопроводы высокого и низкого давлений и полость шарового крана через крестовину, при этом трубки, соединяющие трубопроводы высокого и низкого давлений с крестовиной снабжены клапанами, выполненными с возможностью перекрытия потока газа, манометр соединен трубкой с крестовиной.
Краткое описание фигуры чертежей
На фигуре представлено устройство определения уровня утечки через негерметичный затвор шарового крана запорно-регулирующей арматуры в рабочем режиме, содержащее шаровой кран 1, установленный между трубопроводом высокого давления 9 и трубопроводом низкого давления 5 и состоящим из полости 4, муфты крана высокого давления 2 и муфты крана низкого давления 7. Трубопроводы высокого давления 9 и и низкого давления 5 соединены посредством трубок с первым клапаном 8 и вторым клапаном 3 соответственно с крестовиной, соединенной также с полостью шарового крана 4 и с манометром 6.
Осуществление группы изобретений
1
2
1
2
Реализация заявленного способа базируется на законе Шарля, определяющем соотношение объема воздуха в зависимости от давления сосуде: V/V=Р/Р и состоит в оценке изменения во времени давления в полости 4 шарового крана 1 при вводе последовательно давления из примыкающих участков трубопровода низкого 5 (после запорной арматуры по направлению движения продукта) и высокого 9 (до запорной арматуры) давлений.
При этом увеличение давления в полости 4 шарового крана 1 при сбросе давления в полости 4 шарового крана 1 в трубопровод низкого давления 5 характеризует утечку через муфту 2 крана высокого давления, а снижение давления при подаче давления из области трубопровода высокого давления 9 характеризует утечки через муфту 7 крана низкого давления.
Сущность изобретения состоит в соединении последовательно полости 4 шарового крана 1 с участками трубопровода низкого 5 (после запорной арматуры по направлению движения продукта) и высокого 9 (до запорной арматуры) давлений, и измерении изменения давления в полости 4 шарового крана 1 при подаче последовательно давления из подключенных к шаровому крану 1 трубопроводов низкого 5 и высокого 9 давления. При вводе в полость 4 шарового крана 1 низкого давления дальнейшее увеличение давления характеризует утечку через уплотнение крана в область высокого давления. При вводе в полость шарового крана высокого давления дальнейшее снижение давления характеризует утечку через уплотнение крана в область низкого давления.
0
0
Для реализации заявленного способа в первую очередь необходимо определить объем V полости 4 шарового крана 1 при определенном (либо атмосферном) давлении Р. Данный параметр можно получить из технических характеристик на шаровой кран 1, либо путем прямых измерений, либо вычислить экстраполированием линейной зависимости объема V от давления Р.
1
11
11
0
0
Для измерения утечки через муфту крана высокого давления 2 открывают второй клапан 3, устанавливают в полости шарового крана 4 давление, равное давлению в примыкающем участке трубопровода низкого давления 5 (после шарового крана 1 по направлению движения продукта). После стабилизации давления второй клапан 3 закрывают и с помощью манометра 6 фиксируют начальное значение давления P в полости 4 шарового крана 1. После этого объем продукта в полости 4 шарового крана 1 определяют по формуле V=PV/P.
2
12
12
0
0
Затем через заданный промежуток времени Т повторно манометром 6 измеряют давление Р в полости 4 шарового крана 1. После этого объем продукта в полости 4 шарового крана 1 определяют по формуле V=PV/P.
B
B
12
11
11
Объем V утечки продукта через муфту крана высокого давления 2 (до запорной арматуры по направлению движения продукта) определяют по формуле V=V-V (при этом V составляет заведомо меньшую величину, поскольку при утечке через уплотнение высокого давления давление увеличится).
B
При этом следует иметь в виду, что если V=0, это само по себе может говорить как о полной исправности муфты высокого давления, так и о наличии преобладающего дефекта в муфте низкого давления (утечка через муфту низкого давления превышает утечку через муфту высокого давления).
21
21
21
0
0
Для измерения утечки через муфту крана низкого давления 7 открывают клапан 8, устанавливают в полости 4 шарового крана 1 давление, равное давлению внутри примыкающего участка трубопровода высокого давления 9 (до шарового крана 1 по направлению движения продукта). После стабилизации давления первый клапан 8 закрывают и манометром 6 фиксируют начальное значение давления Р в полости 4 шарового крана 1. После этого объем продукта в полости шарового крана определяется по формуле V=PV/P.
2
22
22
0
0
Затем через заданный промежуток времени Т повторно манометром 6 измеряют давление Р в полости 4 шарового крана 1. После этого объем продукта в полости шарового крана определяют по формуле V=PV/P.
H
H
21
22
22
Объем V утечки продукта через муфту крана низкого давления 7 (после запорной арматуры по направлению движения продукта) определяют по формуле V=V-V (при этом V составляет заведомо меньшую величину, поскольку при утечке через уплотнение низкого давления давление снижается).
Для повышения точности вычислений давления на всех этапах измерений возможно дополнительно ввести корректировку на изменение температуры
1
2
1
2
При наличии утечки через обе муфты объем утечки можно оценить по динамике роста/падения значений давления P и Р при измерениях, а также по установившемуся значению давления. Например, при равном значении утечки установившийся уровень давления будет приблизительно равен среднему от значений P и Р.
Следует отметить, что при неисправности уплотнения высокого давления шарового крана невозможно оценить утечку через уплотнение низкого давления. Однако, полученных в этом случае данных уже достаточно, чтобы считать запорно-регулирующую арматуру неисправной.
Реализация способа может быть осуществлена с помощью управляющего модуля, соединенного с описанными выше узлами. При этом управляющий модуль последовательно:
- подает сигнал на открытие второго клапана 3;
- при стабилизации давления в манометре 6 подает сигнал на закрытие второго клапана 3;
- измеряет изменение давления за определенный промежуток времени и вычисляет объем утечки;
- подает сигнал на открытие первого клапана 8;
- при стабилизации давления в манометре подает сигнал на закрытие первого клапана 8;
- измеряет изменение давления за определенный промежуток времени и вычисляет объем утечки;
- сохраняет либо передает полученные результаты.
Промышленная применимость
Заявленная группа изобретений позволяет повысить безопасность и эффективность эксплуатации негерметичного затвора запорно-регулирующей арматуры в рабочем режиме за счет замера фактической величины протечек без его вывода из эксплуатации и может быть применена для мониторинга состояния запорно-регулирующей арматуры во всех областях ее применения.