Способ определения места течи жидкости или газа на участке трубопровода и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области транспортировки жидких и газообразных сред и касается вопросов определения места утечки из трубопроводов, предназначенных для транспортировки жидкости или газа, в частности для определения течи среды на участке трубопровода, отсеченного от магистрали задвижками. Техническим результатом изобретения является повышение экономичности и эффективности определения конкретного места утечки жидкости или газа в трубопроводе за счет отказа от детального обследования всей поверхности контролируемого участка внутри или снаружи трубопровода, что особенно важно для труб, проложенных под землей, водой или недоступных для наблюдения. В способе определения места течи в начале и конце контролируемого участка трубопровода замеряют одновременно расходы и давления противоположно движущихся потоков, для чего в указанном участке осуществляют подачу жидкости или газа одновременно с противоположных концов участка трубопровода во взаимно встречных направлениях, а место течи определяют по результатам измерений по соотношению:

где Р₁ и P₂ - давления на противоположных концах контролируемого участка трубопровода (для случая негоризонтального расположения трубопровода на верхнем и нижним концах контролируемого участка соответственно);

l - длина участка трубопровода между точками замера давления жидкости или газа на противоположных концах контролируемого участка;

l₁ - расстояние от места замера давлением P₁ до места течи;

d_г - гидравлический диаметр трубопровода;

λ - коэффициент сопротивления трения единицы относительной длины трубы;

γ - удельный вес среды;

α - угол наклона оси трубопровода относительно горизонтальной плоскости;

G₁ и G₂ - расходы противоположно двигающихся потоков жидкости или газа в трубопроводе контролируемого участка под давлением Р₁ и Р₂ соответственно;

f(λ, d_г, γ, G) - функция, определяющая удельные потери давления на трение и зависящая от коэффициента сопротивления, гидравлического диаметра, удельного веса и расхода среды, причем значения функции f(λ, d_г, γ, G) либо определяют экспериментально, замеряя перепады давления ΔР при различных расходах G на длине L того же трубопровода или аналогичного, и, рассчитывая по соотношению

либо определяют экспериментально на гидродинамически подобных контролируемому участку моделях, либо рассчитывают по общепринятым методикам и справочным данным. В устройстве для определения места течи жидкости или газа на участке трубопровода измерители расхода и давления установлены в начале и конце контролируемого участка трубопровода, а к трубопроводу между задвижками и упомянутыми измерителями расхода и давления через клапаны с помощью патрубков подсоединены емкости жидкости или газа с устройствами для подачи среды, регулировки и измерения расходов и давления. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области транспортировки жидких и газообразных сред и касается вопросов определения места утечки из трубопроводов, предназначенных для транспортировки жидкости или газа, в частности для определения течи среды на участке трубопровода, отсеченного от магистрали задвижками.

Известен способ контроля трубопроводов и улавливания утечек транспортируемой среды, включающий соединение каждого участка трубопровода с накопительной емкостью, по времени накопления которой судят о характере утечек (Патент РФ №2106570, кл. F 17 D 5/02, 1998). При этом к накопительной емкости через специальные трубы подсоединяются места состыковки отдельных участков трубопровода, поэтому и место течи можно определить на участке состыковки, а не по всей длине контролируемого участка. Кроме того, при больших длинах контролируемых участков необходимы существенные материальные затраты для прокладки дополнительных трубопроводов.

Известен также способ обнаружения течи в трубопроводе и ее местоположения путем определения разности расходов в начале и конце контролируемого участка (Авторское свидетельство СССР №1645750, кл. F 17 D 5/02, 1991) - прототип. Указанный способ применим только при транспортировке газа по двухтрубной системе параллельных трубопроводов, работающих в едином гидравлическом режиме, и не может быть использован в однотрубных магистралях.

Известно устройство для путевого обследования внутренней поверхности трубопроводов, которое может быть использовано для поисков места течи (Патент РФ №2169307, кл. F 17 D 5/02, 2001). Однако оно неприменимо в трубопроводах, имеющих резкие изгибы или для труб малого диаметра.

Известен также магистральный трубопровод (Авторское свидетельство СССР №1651015, кл. F 17 D 5/02, 1991), содержащий установленные по трассе трубопровода задвижки с приводами, разделяющими трассу на отдельные участки, на каждом из которых установлены релейные датчики расхода и давления, контакты которых последовательно включены в электрическую цепь выработки сигналов управления задвижками - прототип.

Однако такое устройство позволяет определить поврежденный участок и отсечь его от основной магистрали, но не позволяет установить конкретное место утечки по длине трубопровода.

Задачей настоящего изобретения является повышение экономичности и эффективности определения конкретного места утечки жидкости или газа в трубопроводе за счет отказа от детального обследования всей поверхности контролируемого участка внутри или снаружи трубопровода, что особенно важно для труб, проложенных под землей, водой или недоступных для наблюдения.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения места течи в начале и конце контролируемого участка трубопровода замеряют одновременно расходы и давления противоположно движущихся потоков, для чего в указанном участке осуществляют подачу жидкости или газа одновременно с противоположных концов участка трубопровода во взаимно встречных направлениях, а место течи определяют по результатам измерений по соотношению

где Р₁ и P₂ - давления на противоположных концах контролируемого участка трубопровода (для случая негоризонтального расположения трубопровода на верхнем и нижним концах контролируемого участка соответственно);

l - длина участка трубопровода между точками замера давления жидкости или газа на противоположных концах контролируемого участка;

l₁ - расстояние от места замера давлением P₁ до места течи;

d_г - гидравлический диаметр трубопровода;

λ - коэффициент сопротивления трения единицы относительной длины трубы;

γ - удельный вес среды;

α - угол наклона оси трубопровода относительно горизонтальной плоскости;

G₁ и G₂ - расходы противоположно двигающихся потоков жидкости или газа в трубопроводе контролируемого участка под давлением Р₁ и Р₂ соответственно;

f(λ,d_г,γ,G) - функция, определяющая удельные потери давления на трение и зависящая от коэффициента сопротивления, гидравлического диаметра, удельного веса и расхода среды, причем значения функции f(λ,d_г,γ,G) либо определяют экспериментально, замеряя перепады давления ΔР при различных расходах G на длине L того же трубопровода, или аналогичного, и, рассчитывая по соотношению

либо определяют экспериментально на гидродинамически подобных контролируемому участку моделях, либо рассчитывают по общепринятым методикам и справочным данным.

А в известном устройстве для определения места течи жидкости или газа на участке трубопровода магистрали указанный технический результат достигается тем, что измерители расхода и давления установлены в начале и конце контролируемого участка трубопровода, а к трубопроводу между задвижками и упомянутыми измерителями расхода и давления через клапаны с помощью патрубков подсоединены емкости жидкости или газа с устройствами для подачи среды, регулировки и измерения расходов и давления.

Кроме того, в известном устройстве задвижки и клапаны снабжены приводами, связанными с блоком сбора и обработки информации, в который поданы сигналы от датчиков расхода и давления.

Движение потока жидкости или газа во взаимно встречных направлениях с разных концов участка трубопровода, в котором потери давления на прокачку определяются в основном потерями на трение, позволяет легко рассчитать точное место утечки жидкости или газа.

Потери давления на трение при движении жидкости или газа в трубопроводе имеют различную зависимость от величины расхода и удельного веса среды, его гидравлического диаметра и коэффициента сопротивления трения единицы относительной длины трубы (Л.Г.Лойцянский. Механика жидкости и газа, Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1957 г.). Например, потери давления на трение при движении вязкой несжимаемой жидкости при ламинарном течении пропорциональны первой степени расхода среды и обратно пропорциональны четвертой степени диаметра трубы, а при турбулентном имеет место более сложная зависимость, но в любом случае потери на трение пропорциональны длине трубы, поэтому потери давления на трение жидкости или газа в общем случае можно представить в следующем виде:

где l - длина рассчитываемого участка трубы;

d_г - гидравлический диаметр трубы;

G - расход жидкости или газа;

λ - коэффициент сопротивления трения единицы относительной длины трубы;

γ - удельный вес среды;

f(λ,d_г,γ,G) - функция, определяющий потери давления на трение и зависящий от коэффициента сопротивления, гидравлического диаметра трубы, удельного веса и расхода среды.

В общем случае контролируемый участок общей длиной l может быть расположен так, что его продольная ось распложена под углом α относительно горизонтальной плоскости.

Для того чтобы жидкость или газ с разных концов трубопровода потекли навстречу друг другу должно выполняться следующее соотношение:

где P₁ и Р₂ - давления жидкости или газа на противоположных участках трубопровода (для случая не горизонтально расположенного трубопровода на верхнем и нижнем концах соответственно);

ΔP₁ и ΔР₂ - суммарные потери потери давления на трение и преодоление гидростатического давления при движении среды с разных концов трубопровода соответственно.

При движении среды сверху вниз появляется дополнительная движущая сила, равная: γ·h₁, где:

h₁=l₁·sinα - разность высот между верхним концом трубопровода и местом течи;

l₁ - расстояние до места течи со стороны движения жидкости или газа от места подачи жидкости или газа под давлением P₁ и с расходом G₁.

При движении среды снизу вверх помимо сопротивления на трение на участке l₂ до места течи необходимо преодолеть вес всего столба среды: γ·h, где h=l·sinα - разность высот между верхним и нижним концами трубопровода; l - длина участка трубопровода между местами подачи среды во взаимно встречном направлении.

Поэтому выражения для перепадов давления ΔP₁ и ΔР₂ можно записать в следующем с учетом формулы (1) виде:

где G₁ и G₂ - расходы взаимно встречных потоков под давлением P₁ и Р₂ соответственно;

l₂ - расстояние до места течи со стороны движения жидкости или газа от места подачи жидкости или газа под давлением Р₂ и с расходом G₂.

Использовав очевидное соотношение l₂ = l - l₁, выражения для h и, h₁ и выполнив несложные преобразования, получим следующую формулу для определения места течи жидкости или газа:

Для случая горизонтального расположения трубопровода и равенства давлений Р₁ и P₂ формула (3) преобразуется к виду:

где d_г - гидравлический диаметр трубы;

γ - удельный вес среды.

В качестве конкретного примера расчета места течи рассмотрим случай движения вязкой несжимаемой жидкости при ламинарном течении в прямой трубе постоянного сечения.

Учитывая, как отмечалось выше, что для случая ламинарного течения жидкости потери давления на трение пропорциональны расходу среды, выражение (4) можно в следующем виде:

Из соотношения (5) следует, что координата места течи зависит только от отношения расходов с разных концов трубопровода и не зависит от коэффициентов сопротивления и гидравлического диаметра, что особенно важно при расчетах места течи в старых трубопроводах, в которых сложно определить эти величины.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа определения места течи на участке трубопровода, а на фиг.2 - аналогичная схема с использованием автоматизации способа определения места течи.

Устройство, представленное на фиг.1, имеет задвижки 1, 2 с электроприводами, отделяющими контролируемый участок 3 от магистрали, датчики расходов 4, 5 и давления 6, 7, установленные в начале и конце контролируемого участка 3, а между задвижками 1, 2 и упомянутыми датчиками 4, 5, 6, 7 через клапаны 8, 9 с помощью патрубков 10, 11 к контролируемому участку подсоединены дополнительные емкости 12, 13 со средствами подачи среды и дополнительными средствами измерения расхода (не показаны).

Устройство, представленное на фиг.2, имеет задвижки 1, 2 с приводами, разделяющими контролируемый участок 3 от магистрали, датчики расходов 4, 5 и давления 6, 7 с непрерывными выходными электрическими сигналами, установленные в начале и конце контролируемого участка 3, а между задвижками 1, 2 и упомянутыми датчиками 4, 5, 6, 7 через клапаны 8, 9 с помощью патрубков 10, 11 к контролируемому участку подсоединены дополнительные емкости 12, 13 со средствами подачи среды и дополнительными измерителями расхода (не показаны), а электрические сигналы от датчиков 3, 4, 5, 6 заведены в блок 14 управления задвижками, сбора и обработки информации, в который поданы сигналы от датчиков расхода и давления 3, 4, 5, 6.

С помощью устройства по п.2 указанный способ реализуется следующим образом.

При движении жидкости или газа через контролируемый участок клапана 7, 8 (фиг.1) закрыты. Через определенные промежутки времени датчиками расхода 4, 5 и давления 6, 7 измеряются расходы G₁, G₂ и давления P₁, Р₂ вначале и конце контролируемого участка 3, которые при отсутствии течи и постоянном расходе должны оставаться неизменными, при этом расходы G₁, G₂ должны быть равными друг другу. При появлении разбаланса расходов G₁–G₂ и изменении величины Р₂ большее определенной контролируемый участок 3 с помощью задвижек 1 и 2 отсекается от магистрали. После этого открываются клапаны 8 и 9 и жидкость или газ подается во взаимно встречном направлении на контролируемый участок 3. После чего производятся измерения расходов G₁ и G₂, давлений P₁ и Р₂ и по результатам этих измерений по формуле (3) определяют место течи.

С помощью устройства по п.3 указанный способ реализуется следующим образом.

При движении жидкости или газа через контролируемый участок 3 клапаны 7, 8 закрыты, а блок 14 через определенные промежутки времени измеряет расходы G₁, G₂, и давления P₁, Р₂ вначале и конце контролируемого участка 3, которые при отсутствии течи и постоянном расходе должны оставаться неизменными, при этом расходы G₁, G₂ должны быть друг другу. При появлении разбаланса расходов G₁ - С₂ и изменении величины Р₂ большее определенной величины блок 14 с помощью задвижек 1 и 2 отсекает контролируемый участок от магистрали. После этого открываются клапаны 7 и 8 жидкость или газ из емкостей 12, 13 подаются во взаимно встречном направлении на контролируемый участок 3, блок 14 производит измерения расходов G₁ и G₂, давлений Р₁ и Р₂ и рассчитывает положение места течи.

Предлагаемый способ был проверен на действующей лабораторной модели. Результаты испытаний подтвердили возможность использования предлагаемого способа для определения места течи среды с приемлемой точностью.

Формула изобретения

1. Способ определения места течи жидкости или газа на участке трубопровода, включающий измерение расходов в начале и конце контролируемого участка, по величинам которых определяют место течи по длине этого участка трубопровода, отличающийся тем, что в начале и конце контролируемого участка трубопровода замеряют одновременно расходы и давления противоположно движущихся потоков, для чего в указанном участке осуществляют подачу жидкости или газа одновременно с противоположных концов участка трубопровода во взаимно встречных направлениях, а место течи определяют по результатам измерений по соотношению

где Р₁ и P₂ - давления на противоположных концах контролируемого участка трубопровода (для случая негоризонтального расположения трубопровода на верхнем и нижним концах контролируемого участка соответственно);

l - длина участка трубопровода между точками замера давления жидкости или газа на противоположных концах контролируемого участка;

l₁ - расстояние от места замера давлением P₁ до места течи;

d_г гидравлический диаметр трубопровода;

λ - коэффициент сопротивления трения единицы относительной длины трубы;

γ - удельный вес среды;

α - угол наклона оси трубопровода относительно горизонтальной плоскости;

G₁ и G₂ - расходы противоположно двигающихся потоков жидкости или газа в трубопроводе контролируемого участка под давлением Р₁ и Р₂ соответственно;

f(λ,d_г,γ,G) - функция, определяющая удельные потери давления на трение и зависящая от коэффициента сопротивления, гидравлического диаметра, удельного веса и расхода среды, причем, значения функции f(λ,d_г,γ,G) либо определяют экспериментально, замеряя перепады давления ΔР при различных расходах G на длине L того же трубопровода или аналогичного, и рассчитывая по соотношению

либо определяют экспериментально на гидродинамически подобных контролируемому участку моделях, либо рассчитывают по общепринятым методикам и справочным данным.

2. Устройство для определения места течи жидкости или газа на участке трубопровода, включающее отделяющие контролируемый участок трубопровода от магистрали задвижки, измерители расхода и давления, установленные на участке трубопровода, отличающееся тем, что измерители расхода и давления установлены в начале и конце контролируемого участка трубопровода, а к трубопроводу между задвижками и упомянутыми измерителями расхода и давления через клапаны с помощью патрубков подсоединены емкости жидкости или газа с устройствами для подачи среды, регулировки и измерения расходов и давления.

3. Устройство для определения места течи жидкости или газа на участке трубопровода по п.2, отличающееся тем, что задвижки и клапаны снабжены приводами, связанными с блоком сбора и обработки информации, в который поданы сигналы от датчиков расхода и давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2