3.2.2. Малые утечки

Малые утечки зафиксировать значительно сложнее, так как их появ­ление не приводит к видимым изменениям режима перекачки. Вместе с тем в определенном смысле небольшая, но длительно функционирующая утечка может быть опаснее крупной аварии, так как суммарное количество вытекшей нефти (нефтепродукта, газа) от момента разгерметизации трубы до обнаруже­ния малой утечки может оказаться существенно больше.

Основные методы диагностики малых утечек удобно разделить на пат­рульные и дистанционные.

Патрульные методы

К патрульным относятся методы, предусматривающие периодическое перемещение средств диагностики утечек вдоль трассы трубопроводов (ви­зуальный, тепловизионный, газоанализаторный и радиоактивный методы, метод акустической эмиссии, а также прослушивание шумов над местом течи, использование специально обученных собак и применение зондовых при­боров).

Визуальный метод наиболее прост, применяется уже давно и повсемест­но. Его сущность заключается в обнаружении мест утечек в ходе осмотра трас­сы обходчиками или при ее патрулировании с использованием автотранспорта, плавсредств и авиации.

Признаками наличия утечки являются: 1) видимый выход перекачиваемо­го продукта на поверхность; 2) пожелтение растительности; 3) появление пены или пузырей на поверхности воды.

Наряду с достоинствами, данный метод не лишен и недостатков: 1) тру­доемкость регулярного патрулирования трассы обходчиками и с помощью наземного транспорта; 2) ограниченные возможности патрулирования в труд­нодоступных местах трассы, в темное время суток и при неблагоприятных погодных условиях; 3) невозможность обнаружения малых утечек до выхода перекачиваемого продукта на поверхность грунта или воды; 4) большие затра­ты при патрулировании трубопроводов с применением авиации.

Использование тепловизионной аппаратуры, устанавливаемой на вертолете, позволяет значительно упростить и ускорить процедуру контроля за наличием малых утечек в трубопроводах. В основе метода лежит контроль за локальной аномалией температуры поверхности грунта в месте утечки. Такая аномалия может быть связана с отличием температуры потока в трубопроводе от температуры окружающей среды, с дроссельным эффектом, с переходом пе­рекачиваемого продукта (например, широкой фракции легких углеводородов) из жидкой фазы в газовую.

Метод прошел успешную апробацию в ходе эксплуатации продуктопро-вода ШФЛУ Тобольск—Южный Балык—Белозерный общей протяженнос­тью около 800 км. Инспектирование проводилось ежемесячно в течение 2,5 лет. За это время было выявлено 135 утечек продукта. Однако с помощью теплови­зионной аппаратуры утечка может быть зафиксирована, если температурная аномалия является достаточно большой (около 10 градусов).

Газоанализаторный метод используется в том случае, когда перекачива­емый по трубопроводу продукт имеет достаточно высокую летучесть, либо со­держит специальные добавки, отличающиеся высокой летучестью. Присутствие этих летучих веществ в окружающей среде фиксируется с помощью перенос­ных газоанализаторов. Чувствительность применяемой аппаратуры высокая, но быстрота обнаружения утечек ограничивается частотой проверок. Кроме того, этот метод трудоемок, и его сложно применять в труднодоступных местах.

Для устранения указанных недостатков в Западной Европе стали приме­нять стационарные газоанализаторы, расположенные вблизи контролируемых объектов. Пробы воздуха поступают в них через специальные шланги с интер­валом 1...48 часов. Система надежна, точна и долговечна.

Радиоактивный метод основан на регистрации радиоактивного излу­чения вещества, специально введенного в поток и проникшего в грунт через сквозные повреждения в стенке трубы. Для реализации данного метода пробку жидкости с повышенным содержанием изотопа помещают между двумя разде­лительными поршнями и прокачивают по трубопроводу.

Радиоактивные изотопы должны обладать достаточной энергией гамма-лучей и относительно небольшим периодом полураспада. Наибольшее рас­пространение получили изотопы Na²⁴.

50

51

Достоинствами метода являются точное определение мест малых утечек и его высокая достоверность. Однако применение радиоактивных изотопов представляет определенную опасность для обслуживающего персонала и не­безопасно с экологической точки зрения.

Метод акустической эмиссии заключается в регистрации высокочувст­вительными пьезоэлектрическими датчиками, расположенными на контроли­руемом участке трубопровода, упругих волн, излучаемых при его нагружении давлением.

Явление излучения подобных волн твердыми телами известно уже более 100 лет. Так, при деформировании древесины и олова возникающие механи­ческие волны обладают в звуковом диапазоне частот энергией, достаточной для восприятия их на слух даже без применения специальной аппаратуры.

Для определения местонахождения утечек данным методом трубопровод нагружают либо изнутри (увеличивая внутреннее давление на 10 % выше рабо­чего), либо снаружи (например, создавая изгибающий момент с помощью проез­да над трубопроводом тяжелого транспорта). Наличие трещин или сквозных от­верстий в стенке трубы приводит к изменению сигналов акустической эмиссии.

Достоинства метода заключаются в возможности обнаружения мест ма­лых утечек и микротрещин с высокой точностью и достоверностью. К его не­достаткам относятся периодичность контроля герметичности, необходимость выполнения шурфовки труб для установки датчиков и высокая стоимость об­следования (до $ 2000/км).

Метод прослушивания шумов течи с поверхности грунта предусмат­ривает использование переносных приборов и передвижных установок для акустического контроля линейной части трубопроводов. Для достоверной фик­сации шумов, вызываемых утечкой, требуется, чтобы датчики приборов нахо­дились в непосредственном контакте со стенкой трубы. Поэтому трудоемкость данного метода из всех патрульных наиболее высока.

Метод контроля малых утечек по запаху применяется за рубежом. Для этого в трубопровод вводят вещество с резким запахом гниющих овощей, а за­тем патрулируют трассу, используя специально обученных собак-лабрадоров (только мужские особи). Они в 98 случаях из 100 распознают «свой» запах на глубине до 4 м под землей и до 2 м под водой.

Наряду с общими недостатками патрульных методов (трудоемкость, огра­ниченные возможности применения в труднодоступных местах, зависимость от погодных условий, а также времени суток) данный метод предполагает пред­варительное освобождение полости трубы от перекачиваемого продукта.

Значительно облегчает патрулирование применение приборов, транспор­тируемых по трубопроводу потоком перекачиваемого продукта. Наиболее эф­фективны ультразвуковые течеискатели, фиксирующие при своем движении по трубе места аномально высоких шумов, характерных для утечки. Так, на-

52

пример, отечественный зонд УТН-1, предназначенный для обследования неф-те- и нефтепродуктопроводов диаметром 500 мм, позволяет фиксировать утеч­ки с расходом около 30 л/ч, а место утечки находить с погрешностью ±10 м.

В определенной степени о местонахождении утечек можно судить по ре­зультатам инспекции трубопроводов с помощью дефектоскопов, фиксирую­щих потери металла в местах коррозионного поражения труб, а также наличие продольных или поперечных трещин.

Одним из основных недостатков всех патрульных методов является перио­дичность контроля за наличием малых утечек.

Дистанционные методы

К дистанционным относятся методы, не требующие перемещения средств диагностики вдоль трассы трубопровода (периодического переиспытания тру­бопроводов, отрицательных волн давления, сравнения расходов, линейного баланса, ударных волн Н. Е. Жуковского, газоанализаторный и другие).

Одним из более распространенных методов выявления дефектов трубо­проводов (в том числе и утечек) является их периодическое переиспытание. Для нефте- и нефтепродуктопроводов наиболее предпочтительны гидравли­ческие испытания, а для газопроводов—пневматические.

Испытательное давление (Р_исп) в наивысшей точке профиля должно быть в 1,1...1,25 раза выше рабочего давления (Р_раб). Испытания проводятся в не­сколько циклов с изменением давления по схеме Р_исп - 0,75 • Р_исп - Р_исп - 0,75 х... ...^хР_исп и т. д. Общее время выдержки участка под испытательным давлением без учета времени снижения и восстановления давления должно составлять 24 ч. О наличии утечек судят по падению испытательного давления.

Метод периодических переиспытаний применяется достаточно широко. Однако он не дает полной и достоверной информации о количестве, размерах и местах расположения дефектов труб. Кроме того, при проведении переиспы­таний повышенным давлением трубопроводы надо выводить из эксплуатации на срок до нескольких суток, что создает перебои в поставках энергоносителей.

Метод отрицательных волн давления все шире применяется в системах контроля утечек на нефте- и нефтепродуктопроводах. Он основан на явлении скачкообразного понижения давления в месте утечки в момент ее образования и последующего перемещения в обе стороны от нее со скоростью звука волн пониженного (отрицательного) давления.

Место утечки по данному методу определяется следующим образом. Пусть на перегоне между двумя перекачивающими станциями длиной в € в мо­мент времени г₀ образовалась утечка. Распространяясь в обе стороны, в момент времени т_{ волна пониженного давления достигнет одной перекачивающей станции, а в момент времени т₂—второй. Время и путь, пройденный волнами, связаны очевидными соотношениями

53

_ILV

(3.24)

-1. _ _

где х—расстояние от места утечки до первой станции; с—скорость звука в пе­рекачиваемой жидкости.

Вычитая почленно из второго уравнения (3.24) первое, получаем

£-2х

откуда искомая координата утечки

где А г —время, прошедшее между приемами волн пониженного давления на станциях, Ат = т₂ - т_л.

Достоинством метода отрицательных волн давления являются: 1) непре­рывность контроля за герметичностью трубопровода; 2) одновременное реше­ние задач как фиксации наличия утечки, так и определения ее местоположения. Однако по мере распространения по трубопроводу амплитуда волны вследст­вие трения постепенно уменьшается. Поэтому он также имеет ограниченную чувствительность к размерам утечки, а ее место определяется с погрешностью ±1,5 км. Кроме того, возможны ложные срабатывания системы контроля уте­чек, поскольку отрицательные волны давления могут возникать и по другим причинам.

Метод сравнения расходов основан на постоянстве мгновенного массо­вого расхода в трубопроводе при отсутствии утечки и установившемся режи­ме перекачки. Для его реализации в начале и в конце участка трубопровода фиксируются мгновенные объемные расходы. Показания поступают в ЭВМ, где в них вносятся коррективы на изменение температуры перекачиваемого продукта. Если разность расходов превышает допустимый предел, установлен­ный программой, автоматически срабатывает аварийная сигнализация.

Подобная система смонтирована, в частности, на подводных нефтепро­водах компании «Shell Pipe Line Corp.» в Мексиканском заливе, общей протя­женностью 1200 км. Будучи автоматизированной, она дает возможность отка­заться от операторов на платформах; кроме того, резко ускоряется определение наличия утечки. Система обеспечивает выявление утечек, составляющих 20 % от текущего расхода в трубопроводе, в течение 2 часов.

Для измерения расхода используются ультразвуковые расходомеры, ха­рактеризующиеся повышенной точностью и монтируемые вне трубопровода, без проникновения в его полость.

Достоинством метода является непрерывность контроля, что обеспечивает оперативность выявления утечек. Однако он обладает низкой чувствительнос­тью, место утечки определяется с большой погрешностью. При последователь-

54

ной перекачке различных нефтей и нефтепродуктов, а также при нестационар­ных режимах возможны ложные срабатывания системы.

Метод линейного баланса отличается от предыдущего тем, что одно­временно контролируется суммарное количество закачанного в трубопровод и принятого из него нефтепродукта. Тем самым чувствительность данного метода несколько выше, чем при сравнении расходов.

Метод ударных волн Н. Е. Жуковского заключается в том, что в трубопро­воде искусственно вызывают гидравлический удар (например, быстрым при­крытием задвижки), а затем фиксируют волну, отраженную от места утечки. Данный метод относительно недорог и позволяет довольно точно определить место утечки, но только на участках трубопроводов небольшой длины (около 2 км).

Кроме того, любой гидроудар в трубопроводе нежелателен, т. к. может сыграть роль детонатора в развитии крупной аварии.

Само существование многочисленных (в том числе не названных здесь) методов определения местоположения утечек свидетельствует о том, что среди них нет признанного лидера. Дистанционные методы удобны тем, что менее трудоемки, но они имеют порог чувствительности к размеру утечки, а ее мес­тоположение позволяют определить с погрешностью до нескольких километ­ров. Патрульные методы, как правило, имеют более высокую чувствительность к величине утечки, а ее местонахождение фиксируют е погрешностью 10 м и менее. Но, к сожалению, они либо неоперативны (пропуск зондов), либо весь­ма трудоемки. Поэтому с целью минимизации объемов земляных работ задачу диагностики малых утечек необходимо решать комплексно: сначала дистанци­онными методами фиксировать их возникновение (существование) и ориен­тировочное местонахождение, а затем патрульными методами устанавливать фактическое место утечек. Совсем мелкие утечки, не фиксируемые дистанци­онно, должны устанавливаться в ходе плановых обследований с применением средств внутритрубной диагностики.

Кроме того, для увеличения достоверности распознавания утечек контроль за их появлением необходимо осуществлять параллельно сразу несколькими способами. Так, на Транс аляскинском нефтепроводе одновременно использу­ются визуальный метод, а также методы падения давления, сравнения расхо­дов и линейного баланса. Аналогичный подход реализован на трубопроводах АК «Транснефть».

В системе нефтепродуктопроводного транспорта очень популярен метод отрицательных волн давления. Это связано с двумя причинами: во-первых, с особенностями последовательной перекачки, в ходе которой давление и рас­ход изменяются и в герметичном трубопроводе, а во-вторых, данный метод позволяет оперативно фиксировать несанкционированные врезки.

55