Датчик утечек углеводородных жидкостей
HYDROCARBON FLUID LEAKS SENSOR

Изобретение относится к технике определения утечек углеводородных (УГВ) жидкостей и может быть использовано, преимущественно, для определения утечек нефти и нефтепродуктов.
Негативные последствия от несанкционированных утечек углеводородных жидкостей (нефть, бензин, дизельное топливо, керосин и т.п.) общеизвестны.
В настоявшее время существует несколько способов обнаружения утечек УГВ, рассчитанных, преимущественно, для их обнаружения на магистральных продуктопроводах. Они основаны либо на анализе измерений изменений гидродинамических характеристик потоков УГВ (скоростей, давлений), либо на анализе искажений сигналов в параллельно проложенных с трубопроводами световодных кабелях. Эти искажения возникают при попадании УГВ на специальную оболочку световодов.
Недостатком этих методов является их дороговизна и неспособность зарегистрировать незначительные утечки УГВ.В то же время, как показывает статистика, именно они и являются основной причиной увеличения убытков от аварий и простоев технологического оборудования применяемого как при транспортировке УГВ, так и для генерации тепловой и механической энергии (нагреватели, двигатели, турбины и т.п.).
Известен ряд технических решений для определения сравнительно небольших (локальных) утечек УГВ. Все они основаны на измерениях изменений электрического импеданса (сопротивления, емкости).
Известно техническое решение [US 4029889А, 04.04.1975 https://patents.google.com/patent/US4029889], в котором регистрируется воздействие углеводородов на кабель, выполненный в виде двух коаксиальных оболочек с пористой прокладкой между ними. Внешняя оболочка выполнена в виде проницаемой для жидкостей конструкции. Попадая внутрь кабеля углеводороды изменяют электрическую емкость кабеля и, соответственно, форму отраженного зондирующего кабель электрического сигнала. Искажение отраженного сигнала свидетельствует о факте обнаружения утечки нефти.
Недостатком этого технического является относительно низкая помехоустойчивость, поскольку такое искажение может быть и при проникновении в кабель и обычной воды. Она тоже меняет электрическую емкость кабеля и поэтому часто вызывает ложные тревоги. Очевидным недостатком данного решения является также одноразовость его использования, т.к. для его восстановления требуется демонтаж кабеля и восстановление на специальных технологических установках.
Известно также решение фирмы TRACE ТЕК [http://tracetek.uk.com/tracetek_tt5000.php], в котором кабельный сенсор выполнен в виде гибкого стержня вокруг которого параллельно (винтообразно) расположены два пары проводов с оболочкой из электропроводящего пластика. Вся эта конструкция, в свою очередь, окружена внешней оболочкой из специального электропроводящего пластика, разбухающего при попадании на его поверхность УГВ жидкости. В месте попадания УГВ эта оболочка расширяясь замыкает два внутренних сигнальных провода и воспринимается измерительной аппаратурой как сигнал обнаружения протечки углеводородов.
Недостатком такого решения является его низкая чувствительность, т.к. среднее время срабатывания кабеля после фактического попадания углеводородов составляет 30-60 минут (в течении которых разбухает внешняя оболочка).
Кроме того, в силу характера срабатывания (короткого замыкания) с помощью этого кабеля методами зондирующего сигнала можно определить лишь факт утечки и, в лучшем случае, одну границу залива УГВ. Это делает невозможным определить очень важную для практики характеристику - размеры утечки.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство диагностирования утечек из днища наземного вертикального резервуара для нефтепродуктов с использованием специальных пластин [RU 149649, U1, B65D 90/50, 10.01.2015], согласно которому под резервуаром на расстоянии 5-10 см, перпендикулярно днищу и параллельно друг другу, в грунт уложены пластины из меди и ее сплавов на расстоянии 10 см друг от друга, которые через линии связи соединены с клеммами электронного коммутатора, при этом к электронному коммутатору подключен омметр для измерения сопротивлений между пластинами, соединенный через линию связи с компьютером.
Общим ограничением для функциональных возможностей известных, в том числе и для указанных выше решений, является безусловное требование располагать эти датчики строго горизонтально, в специальных технологических желобах, в которые предварительно должны накопиться УГВ в виде слоя жидкости толщиной сопоставимых с толщиной (диаметром) этих датчиков - т.е. должен быть реализован своеобразный «принцип работы в луже, например, из нефти». Поэтому они относятся к классу 2D функциональных датчиков, работающих только на горизонтальных поверхностях, например, на земле или в земле, на полу и т.п.
Это означает, что существующие технические решения не способны обнаруживать утечки на наклонных, вертикальных и изогнутых поверхностях, т.е. в 3D-пространстве. Это сужает область применения известных датчиков.
Задачей изобретения является создание датчика утечек УГВ жидкостей, в котором устранены указанные выше недостатки.
Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, используемый в качестве датчиков УГВ жидкостей, расширении функциональных возможностей путем обеспечения инвариантности к пространственной ориентации области утечек и повышению помехоустойчивости, чувствительности и быстродействию датчика и достоверности обнаружения утечек.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что по первому варианту, в датчик, содержащий два проводника, соединенных со средствами измерения, согласно изобретению, введены чехол из капиллярно-пористого материала и пластина из электропроводящей пластмассы, в которой выполнены сквозные отверстия, при этом, проводники выполнены в виде сеток из металлических проводников или углеродных волокон и каждая из которых закреплена на соответствующей поверхности пластины из электропроводящей пластмассы с обеспечением электрического контакта с пластиной, а чехол из капиллярно-пористого материала предназначен для размещения в нем пластины из электропроводящей пластмассы с закрепленными на ее поверхностях сетками из металлических проводников или углеродных волокон.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что площадь отверстий в пластине из электропроводящей пластмассы оставляет от 10 до 60%.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что толщина пластины из электропроводящей пластмассы составляет 0,5-10 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что сетки из металлических проводников или углеродных волокон выполнены толщиной 0,1-2 мм с размерами ячеек от 0,04 до 0,2 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве капиллярно-пористого материала чехла используют или спанбонд, или целлюлозу, или хлопок, или базальтовое волокно.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, сквозные отверстия в пластине из электропроводящей пластмассы заполнены капиллярно-пористым материалом.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве полимерной матрицы электропроводящей пластмассы используют поливинилбутираль или этиленовый каучук.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что по второму варианту, в датчик, содержащий два проводника, соединенных со средствами измерения, согласно изобретению, введены чехол из капиллярно-пористого материала и сенсорная оболочка из электропроводящей пластмассы, в которой закреплены без обеспечения контакта между собой два проводника, выполненных из металлических проводов или скруток проводов, а чехол из капиллярно-пористого материала предназначен для размещения в нем сенсорной оболочки из электропроводящей пластмассы, в которой закреплены без обеспечения контакта между собой два проводника, выполненных из металлических проводов или скруток проводов.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что диаметр проводов или скруток проводов составляет от 0,2 до 2 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что толщина сенсорной оболочки из электропроводящей пластмассы составляет от 1 до 10 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что ширина сенсорной оболочки из электропроводящей пластмассы составляет от 3 до 20 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве капиллярно-пористого материала чехла используют плетеный материал из стекловолокна или хлопчатобумажной нити, или базальтового волокна, или распушенных синтетических волокон.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - датчик утечек углеводородных жидкостей (планарный вариант);
на фиг. 2 - датчик утечек углеводородных жидкостей (кабельный вариант);
на фиг. 3 - датчик утечек углеводородных жидкостей (кабельный вариант со сквозной перфорацией между проводниками).
Датчик утечек углеводородных жидкостей (планарный вариант, фиг. 1) содержит два проводника 1, соединенных со средствами 2 измерения, чехол 3 из капиллярно-пористого материала и пластина 4 из электропроводящей пластмассы, в которой выполнены сквозные отверстия 5.
В датчике утечек углеводородных жидкостей (планарный вариант, фиг. 1) два проводника 1 выполнены в виде сеток из металлических проводников или углеродных волокон и каждая из которых закреплена на соответствующей поверхностям пластины 4 из электропроводящей пластмассы с обеспечением электрического контакта с пластиной, а чехол 3 из капиллярно-пористого материала предназначен для размещения в нем пластины 4 из электропроводящей пластмассы с закрепленными на ее поверхностях сетками из металлических проводников или углеродных волокон.
Особенностью датчика утечек углеводородных жидкостей (планарный вариант, фиг. 1) является то, что, площадь сквозных отверстий 5 в пластине 4 из электропроводящей пластмассы оставляет от 10 до 60%, толщина пластины 4 из электропроводящей пластмассы составляет 0,5-10 мм, сетки из металлических проводников или углеродных волокон выполнены толщиной 0,1-2 мм с размерами ячеек от 0,04 до 0,2 мм, в качестве капиллярно-пористого материала чехла используют или спанбонд, или целлюлозу, или хлопок, или базальтовое волокно, а в качестве полимерной матрицы электропроводящей пластмассы используют поливинилбутираль или этиленовый каучук.
Датчик утечек углеводородных жидкостей (кабельный вариант, фиг. 2, 3) содержит два проводника 6, соединенных со средствами измерения 7, чехол 8 из капиллярно-пористого материала и сенсорную оболочку 9 из электропроводящей пластмассы, в которой закреплены без обеспечения контакта между собой два проводника 6, выполненных из металлических проводов или скруток проводов, а чехол 8 из капиллярно-пористого материала предназначен для размещения в нем сенсорной оболочки 9 из электропроводящей пластмассы, в которой закреплены без обеспечения контакта между собой два проводника 6, выполненных из металлических проводов или скруток проводов. (Зона контакта с УГВ условно показано позицией 10 на фиг. 2, сквозные отверстия - позицией 11 на фиг. 3).
Особенностью датчик утечек углеводородных жидкостей (кабельный вариант, фиг. 2, 3) является то, что, диаметр проводов 6 (или скруток проводов) составляет от 0,2 до 2 мм, толщина сенсорной оболочки 9 из электропроводящей пластмассы составляет от 1 до 10 мм, ширина сенсорной оболочки 9 из электропроводящей пластмассы составляет от 3 до 20 мм, а в качестве капиллярно-пористого материала чехла используют плетеный материал из стекловолокна или хлопчатобумажной нити, или базальтового волокна, или распушенных синтетических волокон.
Используются датчики утечек углеводородных жидкостей (варианты) следующим образом.
Датчики могут быть выполнены в виде двух форм-факторов: планарном (фиг. 1) и кабельном (фиг. 2 и фиг. 3).
Планарная конструкция датчика (фиг. 1) представляет из себя пластину 4 из высоко электропроводящей пластмассы с поверхностным электрическим сопротивлением Rs от 1 до 1000 om. В качестве полимерной матрицы этой пластмассы использован полимер активно поглощающий углеводородные жидкости и увеличивающий за счет этого свои линейные размеры, например поливинилбутираль, этиленовые каучуки и т.п. В качестве электропроводного наполнителя - углеродные сажи. Вследствие увеличения линейных размеров полимерной матрицы у этих пластмасс наблюдается резкое (от 10ехр2 до 10ехр6 раз) увеличение их электрического сопротивления. Будучи последовательно включенной в электрическую цепь такая пластина при поглощении УГВ срабатывает на разрыв и ток перестает течь.
Пластмассовая пластина 4 пронизана сквозными отверстиями 5 произвольной формы (круглые, квадратные, прямоугольные и т.д) таким образом, чтобы общая площадь сквозных отверстий составляла 10-60% от общей площади пластины 4.Толщина пластины 4 колеблется в пределах 0,5-10 мм (предпочтительно 1-2 мм.) Форма пластины 4 является произвольной (предпочтительно круглая или прямоугольная. Площадь пластины 4 от 5 до 10ехр6 квадратных миллиметров.
С обеих сторон пластины 4 расположены (предпочтительно - термически впаянные) проводники 1, выполненные в виде сеток из металлических проводников или углеродных волокон. Толщина сетки в пределах от 0.1 до 2 мм, размеры ячеек сетки от 0,04 до 2 мм, «живое» сечение сетки от 0,3 до 0,7).
Пластина 4 с проводниками 1, выполненными в виде сеток из металлических проводников или углеродных волокон, помещены в чехол 3, выполненный из капиллярно-пористого ткани. В качестве материала чехла 3 может быть использован любой материал, обладающий ярко выраженной капиллярнопористой структурой, например спанбонд, целлюлоза, хлопок, базальтовое волокно и т.д.).
Модифицированная планарная конструкция датчика (фиг. 1) отличается от базовой введением в нее дополнительного капиллярно-пористого материала который размещают внутри сквозных отверстий 5. В качестве такого быть использован материал, обладающий ярко выраженной капиллярно-пористого структурой (предпочтительно в виде мелкодисперсной массы, например, в виде мелкорубленной целлюлозы, стекловолокна, базальтового волокна).
Введение этого наполнителя уменьшает за (счет активного капиллярно-пористого эффекта всасывания) время поступления детектируемой УГВ жидкости на боковые поверхности отверстий 5 и увеличивает сенсорную, взаимодействующую с УГВ жидкостью, поверхность. В конечном итоге это уменьшает время срабатывания датчика (увеличивает быстродействие датчика) и его чувствительность.
При малейшем контакте (попадании УГВ жидкости на любой участок поверхности чехла 3) УГВ жидкость быстро впитывается и перераспределяется за счет капиллярно-пористого эффекта по всему своему датчика. При попадании УГВ жидкости на поверхность пластины 4 она начинает впитываться электропроводящим пластиком. По мере впитывания УГВ жидкости начинает расти электрическое сопротивление пластины 4. Это увеличение сопротивления регистрируется средствами 2 измерений, подсоединенными к проводникам 1, выполненных в виде сеток из металлических проводников или углеродных волокон и размещенных с противоположных сторон пластины 4 и интерпретируется как регистрация факта утечки УГВ жидкости.
В силу гравитационно - независимого механизма впитывания капиллярно-пористого материалов (способности впитывать жидкости при любой их ориентации в пространстве) датчик предлагаемой конструкции впитывает и обнаруживает практически любые количества УГВ жидкости на любых поверхностях - вертикальных, наклонных, криволинейных и т.д., т.е. является полноценным 3D датчиком обнаружения утечек УГВ жидкости.
Другой вариант датчика - кабельный (фиг. 2, фиг. 3) из двух металлических проводов 6 или эквивалентных им по электрическому сопротивлению скруток из нескольких проводов, вокруг которых образована (методом экструзии на специализированных кабельных технологических линиях) сенсорная оболочка 9 из высоко электропроводящей пластмассы с поверхностным электрическим сопротивлением Rs от 1 до 1000 om и с теми же свойствами и составом как было указано выше для планарных датчиков (фиг. 1). Диаметр проводов 6 может колебаться в пределах от 0,1 до 2 мм (предпочтительно 0,2-0,5 мм). Толщина сенсорной оболочки 9 в пределах от 1 до 10 мм (предпочтительно 2-5 мм), ширина сенсорной оболочки 3-20 мм (предпочтительно 5-10 мм). Чехол 8 из капиллярно-пористого материала предпочтительно плетется из стекловолокна, хлопчатобумажной нити, базальтового волокна, распушенных синтетических волокон и т.п.
УГВ жидкость, попадая на чехол 8 и сенсорную оболочку 9, впитывается ими и происходит расширение сенсорной оболочки 9 в зоне 10 контакта с УГВ жидкостью и сопутствующее этому изменение электрофизических характеристик внутри этой зоны. Появление этой зоны с измененным электрофизическим состоянием можно зарегистрировать средствами 7 измерений двумя способами: потециометрическим, регистрируя резкое увеличение сопротивления, или рефлектометрическим, анализируя изменения формы отраженного зондирующего сигнала посылаемого с одного из концов проводника 6. При потенциометрическом способе средства 7 измерений подключаются к двум проводникам 6. Резкое (на несколько порядков) увеличение сопротивления интерпретируется как факт обнаружения утечки УГВ жидкости. При рефлектометрическом способе зондирующий сигнал передается, а отраженный принимается также через два проводника 6. Резкое изменение формы, амплитуды и других характеристик отраженного сигнала интерпретируется как факт обнаружения утечек УГВ жидкости.
Конструкция кабельного датчика (фиг. 2, фиг. 3) отличается от планарной наличием сквозной перфорации 11 (фиг. 3) в виде отверстий различной в плане формы, предпочтительно в виде круга или прямоугольника. Расположение частота и максимальный размеры отверстии должны быть таковы, чтобы обеспечить максимально возможную их суммарную площадь и не допускать обнажение «впаянных» в нее проводников 6.
Введение отверстий 11 увеличивает площадь взаимодействия УГВ жидкости с сенсорной оболочкой 9 из высоко электропроводящей пластмассы, увеличивая, тем самым, быстродействие датчика и его чувствительность.
Таким образом, в предложении заявителя достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении арсенала технических средств, используемых в качестве датчиков УГВ жидкостей, расширении функциональных возможностей путем обеспечения инвариантности к пространственной ориентации области утечек и повышению помехоустойчивости, чувствительности и быстродействию датчика и достоверности обнаружения утечек.