Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода
DEVICE FOR SAMPLING LIQUID FROM THE PIPELINE

Изобретение относится к технологии и технике отбора проб жидкости из трубопровода и может найти применение в нефтедобывающей и других отраслях промышленности.
При разработке продуктивного нефтяного пласта в продукции скважины присутствуют нефть, вода и попутный газ, а также, хлористые соли и различные мелкие механические примеси в твердой фазе (твердые углеводороды, минеральные частицы и др.). Состав добываемой многофазной жидкости для каждой скважины уникален и требует постоянного контроля, так как концентрация каждого компонента может изменяться по времени, что, в свою очередь, нарушает стабильность физических свойств и режим течения нефтеводогазового потока.
Известно устройство для отбора проб жидкости из трубопровода, включающее пробозаборный элемент в виде одной пробозаборной трубки с загнутым концом, которую устанавливают на оси трубопровода входным отверстием навстречу потоку (см. Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-85, п.2.13.1.7, черт. 14).
При наличии в потоке жидкости свободного газа известные технология и техника отбора проб не обеспечивают высокой представительности пробы.
/
=
/
–
–
Известно устройство в виде кожухотрубного теплообменного аппарата, внутри которого для движения теплоносителя установлены трубы Корпорации HRS Group (Испания), на наружной поверхности которых выполнены в шахматном порядке углубления в виде отрывных сферических выемок для интенсификации теплообмена (см. монографию «Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена: Интенсификация теплообмена» / И.А. Попов, Х.М. Махянов, В.М. Гуреев; под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. – Казань: Центр инновационных технологий, 2009. – 560 с). Экспериментально установлено повышение эффективности конвективного теплообмена при нанесении отрывных выемок в шахматном порядке на наружной поверхности трубы в 2,1 раза при умеренных гидравлических потерях (см. работу Мунябина К.Л. Эффективность интенсификации теплообмена углублениями и выступами сферической формы // Теплофизика и аэромеханика. 2003. №. 2. С. 235-247). Основным отличительным признаком отрывных выемок является их относительная глубина hd>0,2, где h – максимальная глубина выемки, d 4FП – гидравлический диаметр выемки в плане. Здесь Fплощадь выемки в плане, а Пее периметр. При обтекании турбулентным потоком теплоносителя отрывной сферической выемки в ней образуется самоорганизующаяся крупномасштабная вихревая структура, которая возникает последовательно то в одном, то в другом эпицентре выемки и выходит из нее в виде смерча на теплообменную поверхность, увеличивая теплоотдачу. Кроме того, в результате турбулентных пульсаций потока теплоносителя в отрывных сферических выемках происходит снижение интенсивности их загрязнения различными осадками в твердой фазе, переносимыми потоком или возникающих в нем под действием физических или химических факторов, как отмечается в работе //Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2 / С. 74. Пер. с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и др. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 352 с. Гидродинамическая очистка теплообменной поверхности, обусловленная формой отрывных сферических выемок, продлевает срок службы теплообменного аппарата.
В кожухотрубных теплообменниках, составляющих до 80% от всего количества устройств данного назначения, нанесение отрывных сферических выемок на внутреннюю поверхность достаточно длинных труб не производится из-за необходимости использования более сложных, отличных от традиционных (накатка, вдавливание) технологий, например, аддитивные технологии или литье по выплавляемым моделям. Применение современных технологий для создания внутреннего рельефа в виде системы отрывных сферических выемок для достаточно длинных труб удорожает процесс производства теплообменных аппаратов.
Известно устройство для отбора проб жидкости из трубопровода (см. Патент РФ № 2215277, МПК G01N 1/10, опубл. 27.10.2003, Бюл. № 30), наиболее близкое по технической сущности к заявляемому изобретению и принятое за прототип, содержащее пробозаборный элемент, установленный на трубопроводе с ориентацией входного отверстия навстречу потоку; на трубопроводе перед пробозаборным элементом устанавливают смеситель, выполненный из соосно с трубопроводом расположенной перфорированной трубы, выполненной состыкованной с блоком поперечно сужающихся и расширяющихся секций. Использование в смесителе перфорированной трубы с достаточно мелкими отверстиями, системы конфузорно-диффузорных каналов, образованных внутри блока поперечно сужающихся и расширяющихся секций, решает проблему равномерного распределение попутного газа и уменьшения его концентрации на входе в пробозаборный элемент.
Однако в смесителе данной конструкции имеются участки, где при турбулентном режиме течения происходит образование осадков твердых частиц, нарушающих гидродинамику многофазного потока и снижающих эффективность процесса перемешивания. К участкам, наиболее склонным к засорению, относятся: отверстия в перфорированной трубе; участок кольцевой полости между трубопроводом и перфорированной трубой в месте состыковки её с блоком поперечно сужающихся и расширяющихся секций; места наибольшего расширения секций внутри блока, входящего в состав смесителя.
При наличии в потоке жидкости различных мелких механических примесей в твердой фазе известные технология и техника отбора проб не обеспечивают высокой представительности пробы и не устраняют   склонность к засорению гидродинамического тракта смесителя.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышения представительности пробы при её отборе пробозаборным элементом и устранение загрязнений в виде осадков твердых частиц на рабочих поверхностях.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении интенсивности перемешивания компонентов, входящих в состав многофазной жидкости и точности определения её состава при гидродинамической очистке от загрязнений рабочих поверхностей устройства.
Это позволяет обеспечить равномерное распределение газа в потоке, уменьшить его концентрацию и снизить дисперсность на единицу объема потока, а также увеличить ресурс надежной работы устройства.
отвi
д
Технический результат на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в том, что в устройстве для отбора проб жидкости из трубопровода, содержащем пробозаборный элемент, установленный на трубопроводе с ориентацией входного отверстия навстречу потоку, перед пробозаборным элементом в трубопроводе соосно с ним установлен смеситель для перемешивания потока, включающий последовательно расположенные перфорированную трубу и блок поперечно суживающихся и расширяющихся секций, новым является то, что смеситель установлен и закреплен внутри цилиндрического корпуса концентрично с образованием кольцевой полости между ними, цилиндрический корпус соединен с трубопроводом переходником, выполненным с центральным отверстием, переходящим в гладкий кольцевой диффузор, на нижней части цилиндрического корпуса закреплена сливная воронка, в блоке поперечно суживающихся и расширяющихся секций смесителя в местах наибольшего поперечного расширения секций выполнены отрывные сферические выемки по всей длине окружности, а в местах наибольшего поперечного сужения секций выполнены радиальные каналы, соединяющие кольцевую полость между цилиндрическим корпусом и смесителем, суммарная площадь проходных сечений этих каналов меньше площади на выходе из кольцевого диффузора ΣF < F, выполненного в переходнике.
д
Угол раскрытия гладкого кольцевого диффузора в переходнике составляет θ = 75…100°.
Относительная глубина отрывных сферических выемок в местах наибольшего поперечного расширения секций блока смесителя составляет , а относительный шаг между отрывными выемками в окружном направлении составляет .
Рабочие поверхности поперечно суживающихся и расширяющихся секций блока смесителя выполнены плавно очерченными.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлен продольный разрез трубопровода с установленным в нем устройством для отбора проб жидкости.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение А-А цилиндрического корпуса смесителя.
На фиг. 3 представлены поперечное сечение Б-Б блока поперечно суживающихся и расширяющихся секций смесителя.
Где:
1 – пробозаборный элемент, установленный вертикально входным отверстием навстречу потоку;
2 – трубопровод;
3 – перфорированная труба смесителя;
4 – отверстия в перфорированной трубе смесителя;
5 – блок поперечно суживающихся и расширяющихся секций смесителя;
6 – цилиндрический корпус смесителя;
7 – переходник;
8 – гладкий кольцевой диффузор в переходнике;
9 – радиальные каналы в плоскости поперечного сечения блока поперечно суживающихся и расширяющихся секций смесителя;
10 – отрывные сферические выемки;
11 – сливная воронка;
12 – кран для отбора проб;
13 – кран для гидродинамической очистки смесителя;
d – диаметр сферических отрывных выемок;
1
d – диаметр отверстий в перфорированной трубе;
2
d – диаметр радиальных каналов в блоке поперечно суживающихся и расширяющихся секций смесителя;
ц.к
D – внутренний диаметр цилиндрического корпуса смесителя;
БЛ
D – наружный диаметр блока поперечно суживающихся и расширяющихся секций;
h – глубина отрывной сферической выемки;
u
t – шаг между отрывными сферическими выемками в окружном направлении;
д
θ – угол раскрытия кольцевого диффузора в переходнике;
– направление движения потока жидкости.
Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять более точный количественный и качественный учет перекачиваемой по трубопроводу жидкости и продлевает срок эксплуатации устройства для отбора проб за счет его гидродинамической очистки.
1
1
Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода работает следующим способом. Поток жидкости (направление движения показано стрелками на фиг.1) двигаясь при турбулентном режиме по трубопроводу 2 через переходник 7 поступает в цилиндрический корпус 6. Одна часть потока через отверстия 4 диаметром d, выполненными в перфорированной трубе 3, состыкованной с блоком 5 поперечно суживающихся и расширяющихся секций, сразу попадает внутрь смесителя, где происходит смешение потока не только в продольном направлении внутри перфорированной трубы 3, но и в поперечном сечении в блоке 5 поперечно суживающихся и расширяющихся секций. Количество отверстий 4 в перфорированной трубе 3 и их диаметр dдолжны обеспечить смешение потока в продольном направлении и быть устойчивы к засорению.
u
Повышению интенсивности процесса перемешивания потока в смесителе способствуют отрывные сферические выемки 10, выполненные в местах наибольшего поперечного расширения секций блока 5 по всей длине окружности (фиг. 1 и 3). Это происходит в результате возникновения в выемках 10 пульсирующих самоорганизующихся крупномасштабных вихревых структур (см. монографию «Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов» / А.В. Щукин, А.П. Козлов, Р.С. Агачев, Я.П. Чудновский; под ред. акад. В.Е. Алемасова. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2003. – 143 с.), которые турбулизируют и перемешивают поток в поперечном направлении. Кроме того, генерация в выемках 10 пульсирующих вихревых структур способствует гидродинамической очистке поверхностей поперечно расширяющихся секций в местах наибольшего их расширения внутри блока 5, входящего в состав смесителя, где образуются осадки мелких твердых фракций загрязнений многофазной жидкости (см. работу //Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2 / С. 74. Пер. с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и др. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 352 с.). Использование отрывных сферических выемок для повышения интенсивности перемешивания потока внутри смесителя в поперечном сечении и его гидродинамической очистке наиболее эффективно при относительных глубине выемок  и шаге между ними в окружном направлении , где h, d и t – глубина, диаметр сферических отрывных выемок и шаг в окружном направлении между ними.
Современные технологические способы изготовления деталей сложной геометрии, например, аддитивные технологии и технология литья по выплавляемым моделям, позволяют выполнять цилиндрические смесители сравнительно небольшой длины с отрывными выемками на их внутренней поверхности. Сравнительно небольшие длинновые и диаметральные размеры смесителя не потребуют больших затрат на его изготовление, особенно при массовом производстве.
Для снижения дополнительных гидравлических потерь, возникающих при обтекании потоком поперечно суживающихся и расширяющихся секций внутри блока 5 смесителя, рабочие поверхности секций выполняются плавно очерченными.
БЛ
ц.к
БЛ
д
2
отвi
д
Другая часть потока (фиг. 1) через центральное отверстие в переходнике 7, переходящее в гладкий кольцевой диффузор 8, выполненный на входе в цилиндрический корпус 6, поступает в кольцевую полость между наружным диаметром D блока 5 поперечно суживающихся и расширяющихся секций смесителя и внутренним диаметром D цилиндрического корпуса 6 (см. фиг. 2). Переходник 7 соединяет трубопровод 2 и цилиндрический корпус 6 и скреплен с ними. При этом в кольцевой полости создается повышенное статическое давление, под действием которого через каналы 9 (фиг. 1 и 2), выполненные в радиальном направлении в поперечном сечении смесителя в местах наибольшего сужения его секций на внутреннем диаметре d, возникает струйное течение из кольцевой полости внутрь блока секций 5. Для создания необходимой величины статического давления потока в кольцевой полости целесообразно обеспечить угол раскрытия гладкого кольцевого диффузора в переходнике 7 на входе в цилиндрический корпус 6 смесителя θ = 75…100° (см. работу Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.). В результате действия струйного течения в поперечном сечении смесителя через радиальные каналы 9 внутри его происходит интенсификация процесса перемешивания потока жидкости. Количество радиальных каналов 9 и их диаметр d (фиг. 1 и 2) зависят от условий эксплуатации и состава многофазной жидкости и подбираются индивидуально при обязательном выполнении условия ΣF < F, суммарная площадь проходных сечений этих каналов меньше площади на выходе из гладкого кольцевого диффузора 8, выполненного в переходнике 7. При соблюдении этого условия обеспечивается оптимальный характер процесса течения жидкости в гидравлическом тракте смесителя с допустимым уровнем гидравлических потерь.
Для гидродинамической очистки кольцевой полости между цилиндрическим корпусом 6 и смесителем от загрязнений в виде осадков твердых частиц из потока жидкости используется сливная воронка 11, закрепленная на нижней части цилиндрического корпуса 6 смесителя. Удаление загрязнений производится перед отбором пробы при открытом кране 13, который закрывают после завершения этой операции. Загрязненная жидкость собирается в ёмкость (не показана на чертеже) для последующей утилизации. Так как процесс формирования осадков, загрязняющих кольцевую полость смесителя, занимает достаточно много времени, гидродинамическая очистка смесителя производится периодически.
Эффективно перемешанный поток жидкости, вытекая из смесителя, попадает в пробозаборный элемент 1, с помощью которого производится отбор пробы для её анализа при открытом кране 12.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволит обеспечить более качественное перемешивание компонентов жидкости в смесителе, установленном в трубопроводе перед пробозаборным элементом, что позволит повысить представительность пробы и точность определения её состава. Использование гидродинамической очистки смесителя от загрязнений в виде осадков твердых частиц из потока сохраняет высокую эффективность процесса перемешивания и увеличивает ресурс надежной работы предлагаемого устройства для отбора проб жидкости.