Методы диагностики запорной арматуры магистральных газопроводов на герметичность Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

н.п. Щукин, начальник Управления трубопроводной арматуры ЗАО «Орггазнефтесервис»

Б.М. райнов, начальник Инженерно-технического центра ООО «Газпром трансгаз Ухта» и.Ю. Быков, заведующий кафедрой Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов Ухтинского индустриального университета

методы диагностики запорной арматуры магистральных газопроводов на герметичность

Современные магистральные газопроводы представляют собой комплекс сложных инженерных сооружений, насыщенных различным оборудованием и оснащенных автоматическими средствами управления, защиты и контроля. Неотъемлемой частью магистральных газопроводов является запорная арматура, безотказная работа которой определяет надежность системы газоснабжения в целом.

Основным критерием работоспособности при этом является надежное отключение и безотказный ввод в работу отключенных участков газопровода. В связи с этим основным требованием, предъявляемым к запорной арматуре, помимо надежного электро- или гидропневматического управления, является герметичность ее узлов, ис-

Рис. 1. Запорная арматура

ключающая перетечки или утечки газа в окружающую среду через затворы и разъемные соединения.

Причинами нарушения герметичности считают: износ уплотнительных поверхностей; снижение кондиционности уплотнительных паст и смазок; нарушение уплотнительных зазоров под воздействием дисбаланса монтажных

нагрузок; механическое разрушение. Основные вероятные места разгерметизации узлов запорной арматуры находятся в уплотнениях затворов и шпинделя, во фланцевых соединениях и соединительных патрубках, а также в сварных стыках и в самом корпусе. Эффективность восстановления герметичности зависит от своевременности обнаружения разгерметизации запорного узла с оценкой уровня образовавшейся утечки, величина которой характеризует, с одной стороны, невозвратные потери товарного продукта, а с другой - интенсивность загрязнения атмосферного воздуха. В связи с этим возникает необходимость формирования комплексной методологии систематического мониторинга технического состояния запорной арматуры, основанного на методах инструментальной и дистанционной диагностики.

К инструментальной диагностике относятся такие методы индикации утечек, которые используют стандартные измерительные инструменты,внесенные в Государственный реестр, прошедшие метрологическую сертификацию и имеющие поверочный аттестат.

К методам инструментальной диагностики, получившим в той или иной мере промышленную апробацию, относятся: метод теплового баланса, пневмо- и

анемометрия; метод трассернои метки; измеритель герметичности; метод локализующих камер.

Метод теплового баланса испытан в 80-х гг. ЦПТЭЛ ПО «Севергазпром» для измерения перетечек газа в кране №3 технологической обвязки ГПА. Основан на положении о смешении потоков газа низкого и высокого давлений, сопровождаемое повышением температуры.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В ТОМ, ЧТО:

1. Измеряется температура в точках А , В, С.

• если кран №3 герметичен, смешение потоков отсутствует; при этом:

ТМ) = Тг (В) < Т2(С) ~ на \Г = 20°С

• если кран №3 негерметичен, в точке Д возникает смешение газа основного потока и газа перетечки; при этом наблюдается прогрев газа на участке Д-В; тогда:

2. 2\ (В) = Тг + М

3. В точке В в момент измерения температуры Т11 измеряется одновременно расход смешанного потока газа

Это явление в принципе описывается уравнением теплового баланса, что позволяет формально получить математическую зависимость для количественной оценки величины перетечек газа через негерметичный кран.

О,

л‘/ = Ча 75,

Ёа

- величина перетечки газа;

<7, - величина расхода газа в трубопроводе после смешения с газом перетечки; Г-, - температура основного потока газа в газопроводе;

Т2 - температура компримированного газа (после ГПА);

д( - температура подогретого газа после смешения;

Кд - коэффициент, учитывающий дроссель - эффект в обследуемом кране. Однако на практике возникает чисто технические осложнения в измерительных процедурах. Во-первых, возникает техническая трудность в достоверном измерении температур основного потока Ту компримированного газа Т2 и потока смешения Т\с точностью не менее ± 0,10С в условиях нестационарности; во-вторых, сложно учесть температурные потери в технологической обвязке из-за многофакторности влияния;

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

[X] - запорный кран;

-+ - основной поток газа;

Рис. 2. Схема метода теплового баланса

• газ перетечки;

ГПА - газоперекачивающий агрегат

1член

2 член

3 член

4 член

здесь: 1 член - температура окружающей среды

2 член - влияние внешнего теплообмена

3 член - влияние дросселирующего эффекта (эффект Джоуля-Томсона)

4 член - влияние уклонов(при подъеме - газ охлаждается, при течении под уклон - нагревается).

диаметр газопровода

где А = ккД/МС„

коэффициент '^'массовый теплопередачи расход газа

массовая теплоемкость газа

в-третьих, практическая сложность в измерении величины расхода газа в трубопроводе после смешения с газом перетечки.

Рис. 3. Схема измерений

А<у = 3600 У7 • и », м’/ч

/ 4

/ скорость потока

У в мерном сечении, м/с

площадь мерного сечения, м2

, 2

Я»„ = (2/Ур)«, 9, -

\

Г^рО. 5\

J____

количество точек измерения

плотность газа

динамическое давление

В силу этих причин достоверность расчета величины перетечки газа по этому методу становится сомнительной, в связи с чем метод теплового баланса в производственных условиях распространения не получил. Анемомометрический и пневмометри-ческий методы испытывались при замере утечек через свечной выброс. Основаны в одном случае на измерении скоростей движения газового потока в поперечном сечении свечи (анемомометрия), а в другом - на измерении динамического давления потока газа в том же сечении (пневмометрия).

Оба метода позволяют выполнить количественную оценку величины утечки, однако при анемомометрических измерениях возникают большие погрешности, особенно при малых скоростях потока,а пневмометрический метод ограничен нижним пределом скорости течения газового потока. Эти недостатки существенно снижены в приборах фирмы «^^» (Германия), что позволяет использовать пневмо-и анемо-мометрию в качестве самостоятельных методов измерения.

Рис. 4. ТИГ-8

Метод трассерной метки основан на введении в поток газа на высокой стороне давления микродозы маркирующего вещества с последующей регистрацией его концентрации в потоке на стороне низкого давления с помощью газоанализирующего прибора ТИГ - 8 (течеискатель газовый). Рекомендуется для определения герметичности рассечных кранов №20 узлов подключения КС к магистрали и рассечных кранов газоизмерительных станций, а также внутрицеховых кранов №6 и кранов 3 - бис. В качестве маркирующего вещества используют галогены (четыреххлористый углерод СС14, фреон, треххлористый метил и др.). Измерения выполняются по специальной схеме обвязки, предусматривающей узлы ввода трассера и газоанализирующего регистратора.

Принцип измерения - определение степени разбавления потоком трассирую-

щего вещества, импульсно введенного в трубопровод.

Метод имеет расчетную формулу для количественной оценки величины утечки газа:

А^г - величина утечки газа;

дтр - количество импульсно введенного

трассера в поток газа, м3/с;

С„ач - исходная (начальная) концентрация трассера, %; т _

О

интегральное значение

концентрации трассера, %, определяемое из графика в зависимости от показаний шкалы прибора Ряиз - давление на низкой стороне для приведения величины утечки к нормальным условиям.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

1 - обследуемый кран;

2, 2, - патрубки;

3, 3, - вентили;

4 - инжекционный патрубок;

5 - инжектор;

6 - дозирующее устройство;

7 - высоконапорная линия;

8 - вентиль регулирующий;

9 - баллон высокого давления;

10 - высоконапорный отвод;

11 - детектор - щуп (датчик);

12 - газовый анализатор -течеискатель;

13, 13', 13" - манометры

Рис. 5. Схема обвязки

Рис. 6. Зависимость интегрального значения концентрации трассера от показания шкалы прибора

Однако измерение и определение расчетных параметров выполняется по сложным схемам с недостаточно обоснованными допущениями, что приводит к неповторяемости результатов измерений, которые к тому же выходят за пределы допустимых измерений по прибору ТИГ-8. Это существенный недостаток метода с точки зрения количественной оценки величины перетечек, но с точки зрения качественной оценки факта их существования метод является однозначно достоверным.

Измеритель герметичности ИГ - 4 разработан Ухтинским индустриальным институтом в 90-х гг. и по настоящее время применяется в ООО «Газпром трансгаз Ухта», предназначен для измерения утечек газа через сбросные (свечные) краны. Основан на отсечении известного объема свечи с помощью надувного герметизатора, снабженного калиброванными насадками для управления потоком истекающего из негерметичного крана газа с последующим измерением параметров этого истечения стандартными физическими приборами,показания которых абсолютно достоверны и находятся в пределах допустимых погрешностей.

Расчет величин утечек производится по известным формулам газодинамики, а повторяемость результатов находится в пределах ошибки измерений. Методика определения утечек газа расходным способом (при кт > 20 мм вод. ст.) заключается в следующем.

1. Отверстие патрубка 4 {йотв = 83,5 мм) соединяют газоотводом 7 с жидкостным манометром 11 и контролируют давление газа в полости свечи.

2. Если давление йвз » 20 мм вод. ст., рассчитывают величину утечки газа по формуле:

где Q - величина утечки газа;

^отв - диаметр отверстия истечения газа;

Кт - атмосферное давление по барометру анероиду, мм рт. ст. йиз - измеренное давление по шкале жидкостного манометра, мм ст. жидкости;

р - плотность жидкости в трубке жидкостного манометра, г/см3;

УслОвНыЕ ОБОЗНАчЕНиЯ:

1 - шаровой кран;

2 - свеча;

3 - герметизатор ИГ-4;

4 - патрубок с резьбовым отверстием;

5 - пневматический ручной насос;

6 - штуцерная насадка (комплект);

7 - газоотводная трубка;

8 - датчик температуры;

9 - температурный преобразователь;

10 - барометр - анероид;

11 - жидкостной манометр;

12 - заглушка с обратным клапаном.

Рис. 7. Измеритель герметичности ИГ - 4. Схема измерений

Тг - температура газа в полости свечи, 0С.

3. Если давление к„3 < 20 мм вод. ст., отверстие патрубка 4 последовательно сужают с помощью штуцерных насадок

6 (йшт = 46,5; 28,5; 16 мм) до тех пор, пока не возникнет состояние, при котором показание шкалы жидкостного манометра примет значение

Авз > 20 мм вод. ст.

4. Вычисляют величину утечки газа при условии при диаметре йвтв = йшт.

5. Если при диаметре штуцера = 16 мм показание шкалы жидкостного манометра не превышает А < 20 мм вод. ст., от расходного способа определения утечек газа следует отказаться из-за возможной недопустимой погрешности измерений.

ЗАТЕМ ПЕРЕХОДЯТ К ОБЪЕМНОМУ СПОСОБУ.

1. На отверстие штуцерной насадки 6 устанавливается заглушка 12 с предохранительным клапаном на давление срабатывания 0,02 МПа.

2. Измеряется время т, за которое давление газа в свече поднимается до некоторого значения йвз по шкале жидкостного манометра.

3. Величина утечки б газа через свечной кран рассчитывается по формуле:

, тыс.м3/год

(273 + д)х

где ьсв - расчетный объем полости свечи между краном и герметизатором, м3.

усв = 0,785 Ду2 • Ь

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

1- Арматура(запорный кран);

2- Место утечки (фланец);

3 - Локализующая камера (полиэтиленовая пленка);

4 - Измерительная линия;

5 - Воздуходувка;

6 - Манометр;

7 - Термометр;

8 - Анализатор;

9 - Газовый счетчик;

А - А - измерительное сечение.

Рис. 8. Схема утечки от отдельного элемента

здесь: Ду - внутренний диаметр свечи, м;

L - длина свечной линии,м.

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА Расходный метод:

h„3 = 95 мм ст. жидкости (спирт) йшт = 16 мм ham = 750 мм рт.ст. р = 0,8 г/см3 (спирт)

Т, = -80С

объемный метод:

Ду = 410 мм = 0,41 м,

hU3 = 210 мм ст. жидкости (вода),

р = 1,0 г/см3 (спирт)

X = 50с, Ь = 50м, Тг = 140С.

() = 832,5 -т~-------— = 79 тыс.мз/гол.

(273 + 17>50

Vсв = 0,785 • 0,412 • 50 = 6,6 м3.

Метод прост в реализации и надежен в достоверности измерений, в том числе при малых утечках.

Метод локализующей камеры аналогичен предыдущему методу по методике измерений управляемого потока газовоздушной смеси через калибровочный канал с регистрацией параметров течения этого потока стандартными сертифицированными физическими приборами с использованием газоанализаторов,

газовых счетчиков и побудителей протяжки газовоздушной смеси. Особенностью метода является обустройство локализующей (изолирующей) камеры вокруг источника утечки газа. В качестве камер могут служить любые газонепроницаемые оболочки -от пленочной обмотки до каркасных сооружений, способные локализовать газ утечки и направить его в измерительный канал.

Для этой цели локализующая камера оборудуется калиброванным подсосным и отсосным патрубками для организации направленного и управляемого потока газовоздушной смеси, параметры течения которой измеряются по стандартным методикам.

Метод включает также известные формулы расчета величин утечек газа, основанные на известных газодинамических законах. Метод требует специальной подготовки к измерительным процедурам, но физически надежен и достоверен в пределах ошибки измерений.

РАСЧЕТ УТЕЧКИ ГАЗА ОТДЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА Измеряют:

пнач, пкон - начальное и конечное показания газового счетчика, м3 х - время измерений, ч;

Ссш - объемная концентрация метана в аспирируемой газовой смеси, %

Рассчитывают:

• расход газовой смеси

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

1 - технологический узел (запорная арматура);

2 - утечки;

3 - изолирующая палатка;

4 - измерительная линия;

5 - манометр;

6 - термометр;

7 - измеритель скорости потока (анемометр);

8 - анализатор метана;

9 - воздуходувка; ----

А - А - измерительное сечение.

Рис. 9. Схема определения утечки газа в технологическом узле

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

1 - свеча;

2 - хомут крепежный;

3 - измерительный патрубок;

4- анализатор метана;

5 - измеритель скорости потока газа (анемометр);

6 - термометр;

7 - манометр;

8 - площадка для обслуживания;

9 - лестница;

А - А - измерительное сечение.

Рис. 10. Схема определения утечки газа от свечного крана

• величина утечки метана через обследуемый элемент

, Я3-{В + Ра)

С7/4 0,1033(273 + ^)

• в нормальных условиях

РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ УТЕЧКИ ГАЗА ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УЗЛА Измеряют:

иг - скорость потока, м/с;

<1„н - внутренний диаметр измерительной линии, м;

Сси4 - объемная концентрация.

Рассчитывают:

• расход газовоздушной смеси 0_г" = 0,785 ьг • йвн2, м3/ч

• величина утечки метана обследуемый узел

• в нормальных условиях

273 (В + PS)

сн,

Qch1

0,1033(273 + да)

РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ УТЕЧКИ ГАЗА

ИЗ СВЕЧЕЙ

Измеряют:

угс - скорость потока газа в свече, м/с;

Ду - внутренний диаметр свечи, м. Рассчитывают:

• расход газовоздушной смеси через измеряемое сечение

Ог"' = 0,785 ьгс ■ Ду2, м3/ч

• величина утечки метана через свечной кран

• в нормальных условиях

Л° ,0 273

СН4 *СНА 0{ 033(273 + ой)

К дистанционной диагностике герметичности запорной арматуры относят методы акустики, основанные на измерении уровней ультразвуковых колебаний, возникающих при эмиссии газа через различные сужения в виде трещин оболочек, патрубков и сварных швов, а также зазоров уплотнительных узлов и соединений.

Существует обширный ассортимент акустических измерительных приборов.

Все они принципиально содержат преобразователь высокочастотных вибраций (ультразвуковых колебаний) в электрический сигнал, который по линии связи передается в генерирующеусилительный блок, где этот сигнал

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

1 - преобразователь Д9203А;

2 - соединительный сигнальный проводник;

3 - корпус прибора ПАМ4103;

4 - аттенюатор (расширитель диапазона измерений);

5 - монитор (шкала измерений);

6 - усилительный блок.

Рис. 11. Портативный акустический монитор ПАМ-4103/Д9203А

119421, г. Москва, ул. Новаторов, д. 36, к. 3, офис 42 Тел./факс: +7 (495) 983-31-12, +7 (495) 627-66-43 Е -mail: [email protected] www.pssert.ru

_и —3 __g 7_J

Рис. 12. Звуковые диаграммы шумов байпасного узла

трансформируется в показатель уровня звукового давления, градуированный в децибелах (дБ). Этот показатель и служит качественным критерием оценки герметичности запорного механизма: чем больше значение (амплитуда) показателя, тем вероятнее наличие протечки. Однако количественная оценка величины утечки методически отработана лишь для портативного акустического монитора ПАМ 4103/Д9203А, фирмы «Дунеган» корпорации «Фи-зикал акустикс» (Британия), который снабжен прогностической формулой для расчета величины утечки по измеренным значениям акустических шумов. Этот прибор и формула рекомендуются разработчиками для расчета утечек газа в шаровых механизмах тоже, но достоверного сравнения на запорной арматуре магистральных газопроводов не проводилось. Усовершенствованный аналог этого прибора марки ПАК-5131, («Physical Aoucustics Corporation») рекомендует-

ся для определения перетечек газа в надземной запорной арматуре. Прибор снабжен автоматической системой обработки измеряемых данных,памятью для хранения показателей и ввода в компьютер.

Является перспективным для разработки методики количественной оценки утечек газа в кранах подземного исполнения.

ВЕЛИЧИНА УТЕЧКИ СОСТАВЛЯЕТ:

при этом:

/*0 = 0,168 + 0,0453 • I - 0,286 & Ри +

где Ь-измеренный уровень сигнала по измерительной шкале монитора, дБ; Рвх - давление газовой среды на входном патрубке, бар;

Ду - номинальный диаметр проходного отверстия, дюймы;

5 с закрыт

(утечка 50000 м /год 415 км П-У-Г-5)

- коэффициент, учитывающий конструкцию запорной арматуры:

• Шиберная задвижка К0 =+ 0,568

• Шаровой затвор = - 0,269 Существенный интерес представляет акустико-диагностический комплекс АДК - 1 «Искатель». Он рекомендован для диагностики запорной арматуры подземного исполнения и снабжен выводом звуковых картин протечек на монитор компьютера.

Разработка методики обработки звуковых диаграмм позволит использовать метод для количественной оценки величины утечек в конкретных местах их проявления.

Наличие амплитудных усилений сигнала свидетельствует об утечках, больший амплитудный всплеск соответствует большей величине утечек.

Таким образом, акустический тестер АДК - 1 не адаптирован для количественного измерения утечек газа через запорную арматуру и не имеет прогностической формулы расчета величины утечек по результатам измерений.

Существует сигнализирующие тестеры ТА-4, ТА-3, ЕFCO - LDE и др., позволяющие выявлять и фиксировать места утечек при их малых и сверхмалых проявлениях,а также контролировать ход восстановительных работ, но конструктивно не предназначены для количественной оценки величины утечек газа.

Таким образом, как показывает приведенный анализ, единая или универсальная методика измерения утечек газа через запорную арматуру с оценкой ее количественного показателя до настоящего времени не разработана. Методы инструментального контроля, обеспечивающие достоверность измерений, громоздки и малопроизводительны; методы дистанционной диагностики не позволяют пока выполнять достоверную оценку количественных показателей, но потенциально способны к регистрации весьма насыщенной информации, интерпретация которой может обеспечить высокую доверительность и точность определений. В этом направлении и необходимо в настоящее время сосредоточить инженерную проработку проблемы, решение которой возможно только на пути стендово-компораторных исследований.

5 с закрыт утечка 50000 м ’/год 415 км П-У-Г-5) j5 с закрыт (утечка 0 м /год 415 км І1-У-Г-5)

Рис. 13. Звуковые диаграммы крана 5 с до и после набивки уплотнительной смазки

Ы27и(>, Московская обл„ Ленинский р-н, г. Видное, ул, Донбасская, д, 2 Тел.: +7 (445) 933-23-74 ЗОШРКСЮШ: 3£СА2@уаш1ехт1|

Целями деятельности является производство, реализация и использование оборудования для газораспределительных станций (ГРС) и систем газоснабжения, оказание услуг по сооружению, модернизации, диагностике оборудования.

► развитие научно-исследовательской, опытно-конструкторе кой и внедренческой деятельности производителей и потребителей оборудования ГРС и систем газоснабжении;

► экспертно-аналитические работы;

» методическая и органнзацнонно-тсхиичсская помощь:

► маркетинговые исследования и обеспечение конкурентоспособности а области производства оборудования ГРС и систем газоснабжения.

НП «СоюзПрогрессГаэ»