эксплуатационный контроль герметичности трубопроводов

Метрологія-2014
Харків
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК ЖИДКОСТИ В
ТРУБОПРОВОДАХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Т.А. Полобюк
Институт технической теплофизики НАН Украины
03057, Киев, ул. Желябова, 2а, тел. (044) 453-28-57,
е-mail: [email protected]
The methods that can be used for detecting and locating of fluid leaks in the pipelines of heat
power installations.
Надежность любых теплоэнергетических систем [1] во многом определяется
состоянием их трубопроводного оборудования – водопроводов, паропроводов,
трубопроводов химических растворов, мазуто- и газопроводов, трубопроводов
теплотрасс, запорной и регулирующей арматуры и др. Несмотря на жесткие требования
к производству и монтажу трубопроводного оборудования, в процессе эксплуатации в
них образуются различные дефекты: трещины, утонения стенки и сквозные дефекты,
расклеивания стыковых соединений и др. Последствия аварий, вызванные утечками
рабочего вещества из трубопроводов, приводят к серьезным экологическим проблемам
и значительным материальным затратам на восстановление работы оборудования.
Поэтому проблема своевременного выявления утечек постоянно остается актуальной.
Существует большое число методов и способов обнаружения утечек, основанных
на различных физических явлениях и принципах [2–6]. Основными их
характеристиками являются порог чувствительности и эффективность контроля.
В работе выполнен анализ методов обнаружения утечек жидкости с точки зрения
применения их для диагностики трубопроводов теплоэнергетических установок,
рассмотрены достоинства и недостатки этих методов.
При выборе методов течеискания, учитываются различные обстоятельства,
например, такие как параметры трубопровода, профиль трассы, свойства
перекачиваемого продукта, условия эксплуатации, в том числе и доступность к объекту
контроля, применение специальных пробных (индикаторных) веществ. Некоторые
методы позволяют установить только факт наличия утечки, с помощью других удается
определить место повреждения. Также на выбор метода течеискания влияет объем
утечки: для крупных утечек первоочередным требованием является быстродействие, а
определение местоположения – второстепенным, так как достаточно знать в какой
секции между запорной арматурой произошла авария, чтобы ее локализовать; для
малых утечек первоочередным является чувствительность и точность определения
местоположения течи, а быстродействие – второстепенным [4].
Поиск течей в трубопроводах может выполняться как при тестовой, так и
функциональной диагностике. С точки зрения оперативного контроля интерес
представляет функциональная диагностика, поскольку она выполняется без вывода
объекта из эксплуатации и не требует использования специальных пробных веществ.
Функциональную диагностику можно реализовать как штатными средствами
систем управления по технологическим параметрам перекачки, так и дополнительными
аппаратными средствами. Среди известных методов обнаружения утечек в
трубопроводах штатными средствами наибольшее применение [2–4] получили
следующие методы: мониторинг давления с фиксированной или скользящей
установкой; сканирующих волн («ударная диагностика» Н.Е. Жуковского);
отрицательных ударных волн (Н.Е. Жуковского); сравнения расходов; сравнения
скорости изменения расходов; линейного баланса.
Мониторинг давления с фиксированной или скользящей установкой базируется на
сопоставлении давления, периодически полученного от манометров на приемной и
442
Метрологія-2014
Харків
нагнетательной линиях насосных станций, с различными значениями для заданной
производительности. Позволяет оперативно обнаруживать значительные утечки
(аварии, разрывы); совместим с автоматизированными системами управления
трубопроводов. Недостатки метода: низкая чувствительность (10…15 % от
номинальной производительности); применение только при установившемся режиме
эксплуатации трубопровода; ложное срабатывание при перекачке различных
жидкостей или нарушении сплошности потока; большая погрешность определения
места утечки; не применим в сложных трубопроводных сетях переменного диаметра,
при наличии отводов или аккумулирующих емкостей.
Метод сканирующих волн («ударная диагностика» Н.Е. Жуковского) основан на
анализе переходных процессов в трубопроводах при возникновении гидроудара, место
утечки определяется с помощью ударной диаграммы (кривой зависимости давления от
времени). Эффективен для быстрого обнаружения значительных утечек (прорывов);
дистанционного зондирования утечки; оборудование располагается в пределах
насосной станции. Недостатки метода: создание ударной волны путем быстрого
закрытия задвижки, перекрывающей все сечение трубопровода, в результате чего резко
повышается давление (гидравлический удар с амплитудой 0,5…1,0 МПа) и может
произойти дополнительное разрушение трубопровода; низкая чувствительность к
величине утечки; чувствительность метода понижается при последовательной
перекачке различного рабочего вещества.
Метод отрицательной ударной волны основан на регистрации волны понижения
давления, распространяющейся, со скоростью звука по трубопроводу в обе стороны от
места утечки в момент ее возникновения. Время прибытия сигналов от
преобразователей
регистрируется
на
центральном
диспетчерском
пульте.
Вычислительная процедура обрабатывает результаты поступающей информации с
учетом: последовательности поступления сигналов, расстояния до преобразователей,
скорости распространения волны понижения давления, эксплуатационных параметров
перекачки и вычисляет место утечки. Метод не предполагает искусственного
генерирования импульсов давления. Позволяет быстро обнаружить значительные
утечки, применим независимо от длины и конструкции линейной части трубопровода,
обеспечивает непрерывный контроль над появлением утечек, а используемая
аппаратура проста в эксплуатации. Недостатки метода: высокие эксплуатационные
расходы на непрерывный мониторинг; неработоспособность алгоритма в стадии сброса
продукта при постоянном расходе; искажение полезного сигнала на самотечных
участках; блокирование сигнала при разрывах сплошности потока.
Метод сравнения расходов основан на сравнении расхода продукта на входе и
выходе участка продуктопровода. В случае возникновения утечки условие равенства
расхода в различных точках трубопровода не соблюдается. Данный метод не
предусматривает определение места утечки. При нарушении стационарного характера
транспортировки продукта в системах, реализующих данный метод, могут возникать
ложные срабатывания. Несколько лучшие результаты при неустановившихся режимах
эксплуатации получают при измерении скорости измерения расходов.
Метод сравнения скорости изменения расходов основан на измерении
мгновенной скорости измерения расхода в различных сечениях трубопровода.
Повреждение или разрыв трубопровода вызывает резкое изменение скорости расхода
перекачиваемого продукта и система фиксирует изменение. Недостаток данного метода
такой же, как и у предыдущего, заключается в ложных срабатываниях системы,
вызываемых нарушением сплошности потока, изменением свойств партий
перекачиваемого продукта, осложнениями технологических режимов перекачки.
Метод не обеспечивает выявление места утечки, но приближенно его можно
определить по разности времен появления всплесков на трендах расходов в
контрольных сечениях.
443
Метрологія-2014
Харків
Метод линейного баланса основан на сравнении разности расходов
транспортируемого продукта на входе и выходе, который должен быть равен
изменениям его количества в герметичном трубопроводе с учетом температурной
поправки, вязкости, плотности и давления перекачиваемого продукта. Если разность
объемов на входе и выходе участка трубопровода превышает установленное
программой значение, то включается аварийный сигнал появления утечки.
Недостатками являются невозможность определения точного места утечки,
невозможность использования для обнаружения малых утечек, увеличение
погрешности определения утечки при неустановившемся режиме эксплуатации
трубопровода.
Таким образом, эти методы применимы при постоянном контроле значительных
утечек в трубопроводе (порог чувствительности не превышает 0,1 % от расхода
трубопровода), характеризуются требованиями к установившемуся режиму
эксплуатации.
К методам обнаружения утечек, реализуемых дополнительными аппаратными
средствами, относятся [2–6]: тепловые, магнитные, акустические.
Для тепловых методов основной характеристикой утечки служит изменение
распределения температуры на поверхности теплопровода. Измерение температуры
можно реализовать контактным и дистанционным способом. Контактный метод
реализуется при помощи двух конструктивных элементов: термощупа со встроенным в
него термоэлектрическим термометром или термометром сопротивления и блоком
обработки получаемого сигнала. Достоинством является относительная дешевизна
оборудования, недостатком – малая зона контроля, метод ограничен в применении при
наличии большого количества ответвлений и стыковых соединений. Дистанционный
метод называется тепловизионным, и основан на регистрации температуры
поверхности объекта контроля по их собственному инфокрасному излучению.
Магнитные методы неразрушающего контроля применяют для выявления
дефектов в трубопроводах, изготовленных из ферромагнитных материалов (сталь,
чугун), т. е. материалов, которые способны существенно изменять свои магнитные
характеристики под воздействием внешнего магнитного поля. При наличии дефектов в
стенках труб магнитные силовые линии отклоняются, и возникает поле рассеяния,
величине этого поля зависит от размеров и конфигурации дефекта при определенном
значении намагниченности стенки трубы. Метод магнитной памяти металла хорош для
выявления участков с повышенным напряжением металла при непосредственном
контакте с трубопроводом.
Метод магнитной томографии основан на использовании магнитной памяти
металла, не требует специального намагничивания, позволяет выполнить интегральную
оценку состояния узла с учётом качества металла, фактических условий эксплуатации и
конструктивных особенностей узла. Метод имеет мало статистики, и пока трудно
сказать о его эффективности, требует разработки отдельных методических указаний по
бесконтактной магнитной диагностике по расшифровке магнитограмм с учетом
специфики условий и конструктивных, технологических особенностей обследуемых
трубопроводов.
Таким образом, тепловизионный метод и метод магнитной памяти металла
являются трудоемкими и требуют постоянного присутствия на исследуемом участке
объекта персонала, оснащенного специальным оборудованием. Эти методы наиболее
эффективны для оперативного контроля небольшого участка, но позволяют
контролировать объект сложной формы.
Метод акустической диагностики течеискания основан на анализе акустических
колебаний, генерируемых течью в окружающей ее среде. Он может быть как
бесконтактным, так и контактным – наличие контакта приемного преобразователя со
стенкой объекта контроля. Бесконтактный метод требует постоянного присутствия на
444
Метрологія-2014
Харків
объекте контроля. Преимущества акустического контактного метода очевидны –
лучшая помехоустойчивость, большая дистанционность, позволяет определять
координаты источников сигналов с помощью стационарных приемных
преобразователей. Метод является интегральным и имеет перспективу для выявления
информативных составляющих в комплексе методов постоянного мониторинга
состояния действующих трубопроводов.
Акустический контактный метод течеискания можно реализовать различными
способами: амплитудным, спектральным и корреляционным. Амплитудный способ
заключается в сравнении мгновенных значений амплитуд акустических сигналов,
принимаемых в различных точках поверхности объекта контроля. Координаты
определяют по известному затуханию акустических колебаний в выбранном диапазоне
частот. Принцип действия приборов, реализованных на спектральном и
корреляционном способе, основан на вычислении и анализе функций взаимной
корреляции, взаимной спектральной плотности сигналов утечки, зарегистрированных
парой приемных преобразователей. Корреляционный и спектральный способ нередко
сопровождается погрешностями определения координат утечек, амплитудный –
погрешностями с собственными шумами обнаружителя, зависимостью затухания
сигнала от частоты. Также на чувствительность метода влияет наличие шумов,
возникающих при эксплуатации трубопроводного оборудования.
Таким образом, наибольшие возможности и перспективы с точки зрения
функциональной диагностики трубопроводов теплоэнергетических установок,
реализации постоянного и периодического контроля имеют акустические методы
обнаружения утечек в трубопроводах, которые могут использоваться как
самостоятельно, так и в комбинации с другими методами диагностики и контроля,
например тепловыми.
Основное направление развития этих методов – нахождение новых
информативных параметров и улучшение алгоритмов их обработки с целью
повышения чувствительности к утечкам (повышение помехоустойчивости), точности
их локации и расширение типов контролируемых объектов.
Список литературы
1. Беляев С. А. Надежность теплоэнергетического оборудования ТЭС / С. А. Беляев,
В. В. Литвак, С. С. Солод. – Томск: Изд-во НТЛ, 2008. – 218 с.
2. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т.2: В
2 кн. Кн. 1: Контроль герметичности / А. И. Евлампиев, Е. Д. Попов, С. Г. Сажин и
др.; Кн. 2: Вихретоковый контроль / Ю. К. Фелосенко, В. Г. Герасимов,
А. Д. Покровский и др. – 2-е изд., испр. – М.: Машиностроение, 2006. – 688 c.
3. Дробот Ю. Б. Акустическое контактное течеискание / Ю. Б. Дробот,
В. А. Грешников, В. Н. Бачегов. – М.: Машиностроение, 1989. – 120 с.
4. Кутуков С. Е. Проблема повышения чувствительности, надежности и
быстродействия систем обнаружения утечек в трубопроводах / С. Е. Кутуков //
Нефтегазовое дело. – 2004. – Т.2. – С. 29–45.
5. Притужалов А. Д. Контроль утечек в трубопроводной арматуре в процессе
эксплуатации / А. Д. Притужалов, Н. Л. Капитонов, А. В. Воронцов,
А. М. Капитонов // Технологии нефти и газа. – 2012. – № 3. – С. 50–53.
6. Раянов Р. Неразрушающий контроль при эксплуатации городских трубопроводов /
Р. Раянов // ТехСовет. – 2011. – № 6, июнь. – С. 31–32.
445