СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА УТЕЧКИ ГАЗА ИЗ ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR DETECTION OF GAS LEAK POINT IN UNDERGROUND PIPELINE (VERSIONS)

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначенной для контроля герметичности газосодержащего оборудования, и, более конкретно, к технике дистанционного определения места утечки газа из магистрального трубопровода, находящегося в траншее под грунтом.
Известны способы визуального контроля трубопровода, заключающиеся в периодическом осмотре земли вдоль трассы с целью выявления утечек (см., например, Ионин Д.А., Яковлев Е.И. Современные методы диагностики магистральных газопроводов. - Л.: Недра, 1987. - С.69-71). Но эти способы весьма трудоемки и не всегда осуществимы из-за климатических и природных условий.
Известны также способы обнаружения утечек путем пропуска внутри контролируемого трубопровода различных устройств с установленными средствами измерения, обработки и хранения данных измерения (см., например, RU 15518 U1). Недостатки таких способов - сложность аппаратуры, необходимость в специальном оборудовании и низкая чувствительность к малым и средним утечкам газа из трубопровода.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ определения места утечки газа из подземного трубопровода, описанный в заявке США 2004/0154380. Указаный способ также предусматривает использование распределенного оптоволоконного датчика температуры, уложенного непосредственно на трубу трубопровода и закрытого экраном. Недостаток данного способа заключается в том, что в случае повреждения экрана при разрыве трубопровода с большими потерями газа эффективность работы системы детектирования сильно снижается из-за фильтрации газа вокруг экранированного трубопровода, минуя оптоволоконный датчик температуры. Кроме того, при малых расходах газа из разрыва трубопровода имеет место низкая эффективность работы системы детектирования из-за интенсивного теплообмена потока фильтрующегося газа утечки с основным потоком газа в трубопроводе через стенку трубы.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в обеспечении эффективного способа определения места прорыва газа в трубопроводе, вне зависимости от его азимутального расположения, при помощи одного распределенного оптоволоконного датчика температуры.
Данный технический результат достигается за счет того, что в траншее над поверхностью расположенного в грунте трубопровода и параллельно его оси размещают по меньшей мере один распределенный оптоволоконный датчик температуры, снабженный экраном, направляющим поток газа из трубопровода в случае утечки от места утечки в верхнюю центральную область траншеи, примыкающую к датчику, и препятствующим течению газа в периферийные области траншеи, удаленные от датчика, и осуществляют непрерывное измерение температуры, по понижению которой судят о наличии и месте утечки. Экран может быть размещен между распределенным оптоволоконным датчиком температуры и трубопроводом или над оптоволоконным датчиком температуры. Экран может быть выполнен в виде металлического или пластикового листа с перфорацией в центральной части, примыкающей к вертикальной оси трубопровода. Экран может быть также выполнен в виде по меньшей мере двух металлических или пластиковых листов, расположенных в траншее с зазором, в котором размещают датчик, и препятствующих течению газа в периферийные области траншеи.
Другой вариант реализации изобретения предусматривает зигзагобразное расположение распределенного оптоволоконного датчика температуры в горизонтальной плоскости над трубопроводом.
Распределенный оптоволоконный датчик температуры должен находится на расстоянии от 20 до 80 см над трубопроводом. Точное расстояние от трубопровода до датчика определяется в зависимости от диаметра трубопровода (прямо пропорционально диаметру).
Способ определения места утечки природного и других газов с помощью непрерывного измерения температуры основан на идее использования теплового эффекта значительного падения давления в потоке газа, вытекающего из трубопровода. Изменение температуры в потоке газа или жидкости, вызванное падением давления, известно как эффект Джоуля-Томсона. В стационарном приближении падение температуры может быть рассчитано как произведение коэффициента Джоуля-Томсона на величину падения давления. В случае смесей природных газов это соответствует охлаждению с характерной величиной коэффициента Джоуля-Томсона порядка нескольких градусов на один мега паскаль падения давления. При этом полное падение температуры между потоком в трубе и потоком газа утечки в траншее может достигать 100 градусов Цельсия. Это падение температуры может быть измерено с помощью распределенного оптоволоконного датчика температуры, уложенного выше трубопровода по причинам технологического удобства размещения распределенного оптоволоконного датчика в траншее.
Обычно можно считать, что проницаемость материала, заполняющего траншею трубопровода намного выше, чем проницаемость окружающей почвы. Местом образования утечки газа может быть как нижний сегмент трубопровода, поскольку причиной образования сквозных повреждений или трещин трубопроводов является коррозия, которая наиболее вероятна в местах скопления воды в траншее, так и верхний сегмент трубопровода, где высока вероятность механических повреждений трубопровода при его укладке в траншею. В обоих случаях благодаря более высокой проницаемости засыпки в траншее по сравнению с неповрежденным грунтом вне ее, наиболее вероятное направление движения газа из места утечки - наверх, к поверхности земли через засыпку. Полный поток газа распределяется по поперечному сечению траншеи. Вследствие этого в случае малых и умеренных расходов утечки газа локальное охлаждение газа и материала засыпки в зоне расположения распределенного оптоволоконного датчика температуры может быть ниже порога чувствительности измерительной системы датчика.
Расположение перфорированного экрана в виде металлического или пластикового листа между трубопроводом и распределенным оптоволоконным датчиком температуры или выше датчика позволит сконцентрировать поток холодного газа в центральной зоне в верхней части траншеи. Перфорационные отверстия в экране делаются таким образом, чтобы обеспечить поток газа к поверхности через центральную область траншеи и блокировать течение газа через периферийные области траншеи. Вместо перфорированных листов для тех же целей может быть использованы пара листов, уложенных с зазором между ними вблизи вертикальной оси трубопровода, в котором размещают датчик, и препятствующих течению газа в периферийные области траншеи. Возможно также крепление оптоволоконного датчика к экрану.
Таким образом, перфорированный экран или листы с зазором между ними улучшают чувствительность системы измерения температуры к расходу газа утечки за счет концентрации теплового эффекта в области измерения температуры.
Зигзагообразное расположение оптоволоконного датчика в горизонтальной плоскости над подземным газовым трубопроводом позволяет увеличить интегральное уменьшение температуры на интервале усреднения температуры, что приводит к улучшению эффективного пространственного разрешения применительно к данному конкретному случаю применения. Преобладающее направление течения газа из места утечки - вверх, к поверхности земли, преимущественно через засыпку с углом расширения потока газа около 90 градусов. Полная длина вдоль горизонтальной оси трубопровода, на которой засыпка охлаждается в достаточной степени для регистрации распределенным оптоволоконным датчиком температуры, составляет по порядку величины 3-4 диаметра трубопровода, принимая во внимание интенсивный нагрев охлажденного объема за счет потока газа в трубопроводе. Мониторинг температуры вдоль трубопровода подразумевает большое расстояние измерения, от 10 до 30 км, при увеличенном пространственном интервале усреднения температуры до величины порядка 10 м (по сравнению с более короткими расстояниями измерения температуры с помощью распределенного оптоволоконного датчика температуры). Поэтому в случаях малых и умеренных расходов газа из течи среднеинтегральное значение падения температуры на интервале усреднения может оказаться ниже порога чувствительности датчика, принимая во внимание температурные возмущения, вызванные другими факторами, не относящимися к нарушению целостности трубопровода.
Зигзагообразное размещение распределенного оптоволоконного датчика температуры в виде волнистой линии в горизонтальной плоскости позволяет увеличить длину отрезка распределенного оптоволоконного датчика температуры, подверженного воздействию пониженной температуры, вызванной потоком холодного газа из течи, возникшей в трубопроводе. Полное число изгибов распределенного оптоволоконного датчика температуры на единицу длины трубопровода ограничивается полной допускаемой длиной оптоволоконного датчика. Таким образом, количество изгибов и их ширина поперек траншеи могут быть определены расчетами исходя из требуемого пространственного разрешения и допустимой полной длины кабеля.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема расположения оптоволоконного датчика температуры и экрана в траншее с трубопроводом, на фиг.2 - схема зигзагообразного расположения оптоволоконного датчика температуры в траншее с трубопроводом.
В траншее 1 с высокопроницаемой засыпкой над трубопроводом 2 на расстоянии 20-80 см от его поверхности и параллельно его оси размещают по меньшей мере один распределенный оптоволоконный датчик температуры 3 серийного производства. В случае утечки направление потока газа из места 4 утечки показано стрелками 5. В соответствии с фиг.1 между датчиком 3 и трубопроводом 2 устанавливают экран 6, направляющий поток газа из трубопровода от места 4 утечки в верхнюю центральную область траншеи, примыкающую к датчику 3, и препятствующий течению газа в периферийные области траншеи, удаленные от датчика 3. Экран 6 обеспечивает концентрацию потока газа из места 4 утечки в области, в которой помещен распределенный оптоволоконый датчик 3. Для обеспечения концентрации потока в зоне расположения датчика экран 6 должен быть выполнен с перфорационными отверстиями в центральной части, примыкающей к вертикальной оси трубопровода. Экран 6 может быть также выполнен в виде по меньшей мере двух металлических или пластиковых листов, расположенных в траншее 1 с зазором, в котором размещают датчик 3. Осуществляют непрерывное измерение температуры, по падению которой судят о наличии и месте утечки.
За счет выполнения отверстий в экране 6 вблизи вертикальной оси трубопровода обеспечивается блокирование потока газа по периферии траншеи вдали от распеределенного оптоволоконного датчика 3 и поток газа направляется через отверстия вблизи датчика 3. Концентрация потока холодного газа позволяет значительно увеличить падение температуры вблизи распределенного оптоволоконного датчика, что улучшает чувствительность системы.
В соответствии с фиг.2 распределенный оптоволоконный датчик 3 температуры расположен зигзагообразно в горизонтальной плоскости над трубопроводом 2. Направление потока газа из места 4 утечки показано стрелками 5. Преобладающее направление течения газа из места утечки - вверх, к поверхности земли, преимущественно через засыпку с углом расширения потока газа около 90 градусов. Осуществляют непрерывное измерение температуры, по падению которой судят о наличии и месте утечки.
Зигзагообразное расположение распределенного оптоволоконного датчика 3 температуры позволяет увеличить длину отрезка датчика, подверженного воздействию пониженной температуры, вызванной потоком 5 холодного газа из места 4 утечки в трубопроводе 2, что улучшает чувствительность системы.