CC BY
83
УДК 622.692.48
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-10412
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК И ВРЕЗОК_
EFFECTIVENESS OF APPLYING PIPELINE LEAKS AND CUTAWAYS DETECTION METHODS ANALYSIS
Е.Ю. Гурницкая1, Т.А. Зубаиров12
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2026-2150, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1059-7061, E-mail: [email protected]
2 ООО «РН-БашНИПИнефть», 450006, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1059-7061,
E-mail: [email protected]
Резюме: В работе проведен анализ и группировка основных методов, механизмов и подходов, применяемых для обнаружения и локализации утечек и врезок в трубопроводе. Приведена сравнительная характеристика методов и подходов обнаружения утечек и врезок, выделены их преимущества и недостатки. Применение каждого из предложенных в статье методов было оценено с точки зрения их уникальных особенностей и дальнейшего перспективного направления развития.
Ключевые слова: утечки, врезки, анализ эффективности применения, методы обнаружения, границы применимости.
Для цитирования: Гурницкая Е.Ю., Зубаиров Т.А. Анализ эффективности применения различных методов обнаружения утечек и врезок // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 4. С. 65-68.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-10412
Elena YU. Gurnitskaya1, Timur A. Zubairov12
1 Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2026-2150,
E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1059-7061,
E-mail: [email protected]
2 RN-BashNIPIneft LLC
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1059-7061, E-mail: [email protected]
Abstract: The analysis and grouping of the main methods, mechanisms and approaches used to detect and localize leaks and tie-ins in the pipeline have been conducted. A comparison analysis for leaks and cutaways detection methods and approaches has been given, their advantages and disadvantages have been highlighted. The application of each proposed method has been evaluated in terms of their unique features and further promising direction of development.
Keywords: leaks, insets, effectiveness of applying methods analysis, detection methods, applicability limits.
For citation: Gurnitskaya E.YU., Zubairov T.A. EFFECTIVENESS OF APPLYING PIPELINE LEAKS AND CUTAWAYS DETECTION METHODS ANALYSIS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 4, pp. 65-68.
DOI:10.24411/0131-4270-2020-10412
В настоящее время одной из ключевых целей в области трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов является повышение эффективности транспортировки и снижение операционных затрат.
Оперативность и бесперебойность транспортировки являются особенно важными факторами в современных нестабильных и хаотично изменяющихся мировых ценах на нефть. Одной из основных угроз бесперебойной работы трубопроводов являются утечки нефтепродуктов, а также несанкционированные врезки в существующие сети. Утечки и несанкционированные врезки являются факторами, снижающими эффективность транспортировки продукции. Последствиями врезок являются: загрязнение окружающей среды, затраты на ликвидацию разлива продукта и восстановления поврежденного трубопровода, штрафные санкции, упущенная выгода перекачки.
На рис. 1 приведена диаграмма, которая иллюстрирует статистику основных причин выхода из строя трубопроводов, в том числе и внешние факторы (врезки) [1].
Несмотря на приведенную статистику, невозможно однозначно утверждать, что именно 35% причин выхода из строя трубопроводов относятся к врезкам, поскольку источники отказов различны. Тем не менее, чтобы уменьшить число
разливов нефти, важно контролировать текущее состояние трубопроводов для своевременного обнаружения утечек и врезов, а эффективнее всего научиться их прогнозировать.
За последние время, разработано и представлено множество методов обнаружения утечек в трубопроводе с использованием различных подходов и принципов. Все эти методы можно разделить на три основные группы: - внешние;
I
Рис. 1. Статистика основных причин выхода из строя трубопроводов, %
Дефекты, возникающие в_
процессе эксплуатации; 14%
Коррозия; 22%
Дефекты процессе монтажных работ; 24%
%вх
Человеческий фактор; 5%
Г
Внешние факторы (врезки); 35%
- визуальные/биологические;
- внутренние/вычислительные методы.
Во внешних методах используются различные искусственные сенсорные системы для решения задач обнаружения утечек.
В визуальных/биологических методах обнаружения используется внешний визуальный осмотр трасс опытным персоналом, а также осязательные или обонятельные чувства обученных собак.
Внутренний подход состоит из программных методик, которые используют интеллектуальные вычислительные алгоритмы с помощью датчиков, отслеживающих внутреннюю среду в трубопроводе [2].
На рис. 2 представлена блок-схема различных методов обнаружения утечек в трубопроводе.
I Рис. 2. Блок-схема различных методов обнаружения утечек в трубопроводе
I Таблица 1
Сводные данные по внешним методам обнаружения утечек
1 Метод Принцип действия Преимущества Недостатки 1
Акустическая эмиссия Обнаружение утечек путем Простота установки. Подходит Чувствителен к случайным внешним
распознавания сигналов, исходящих для раннего обнаружения утечек. шумам. Склонен к ложным
от трещин (отверстий, врезок) в Мобильность. Экономичность срабатываниям. Не применим для
трубопроводе маленьких утечек
Волоконно-оптический Обнаруживает утечки путем фиксации Нечувствителен к электромагнитным Высокая стоимость внедрения .
метод изменения требуемых параметров в помехам. Оптическое волокно может Недолговечность. Не применим к
оптических свойствах кабеля действовать как датчик так и средство трубопроводам, защищенным катодными
передачи данных системами защиты
Инфракрасная Обнаружение утечек с помощью Высокая эффективность для Количественное определение трещин
термография инфракрасного отображения путем преобразования обнаруженных объектов (отверстий, врезок) менее 1,0 мм с
выявления изменений температуры в в визуальные изображения. Простота использованием систем на основе ^
среде трубопровода использования. Быстрота отклика затруднительно
Георадар Использует электромагнитные волны, которые передаются в объект мониторинга с помощью перемещения антенны вдоль трассы. Возможность своевременного обнаружения утечки в подземных трубопроводах Сигналы могут быть искажены в глинистой почве. Высокая стоимость. Требуется высококвалифицированный оператор
Флуоресценция Соотносит объем утечки к количеству света, излученного при разных длинах волн Пространственный охват. Быстрое обнаружение утечки Транспортируемое вещество должно иметь свойство «подсвечиваться»
Электромеханическое сопротивление Используются изменения механического импеданса (полного сопротивления), полученные в результате дефекта трубопровода Один пьезоэлектрический преобразователь может служить в качестве датчика и привода Применимо только для металлических трубопроводов. Эксплуатационные ограничения при высоких температурах окружающей среды
Емкостное зондирование Фиксируются изменения в диэлектрической проницаемости среды, окружающей датчик Может использоваться для обнаружения утечек в неметаллических трубопроводах Требуется прямой контакт с местом утечки
Спектральные сканеры Сравнение спектральной сигнатуры с нормальным фоном Возможность идентификации типа нефти и плотности нефтяного пятна Спектральный сканер генерирует большое количество данных, что ограничивает его способность работать в режиме реального времени
Лидарные системы Используется импульсный лазер в качестве источника освещения для обнаружение метана Способен обнаруживать утечки при отсутствии изменения температуры между газом и окружающей средой Высокая стоимость . Высокая частота ложных сигналов
Электромагнитное отражение Измеряет излучаемую энергию на разных длинах волн Может указывать на место утечки Искажения при плохих погодных условиях
I Таблица 2
Сводные данные по внутренним/вычислительным методам обнаружения утечек
Метод Принцип действия Преимущества Недостатки
Массовый баланс При возникновении утечки продукта расход на входной точке становится больше расхода на выходной точке Высокая стабильность (чувствительность). Низкая эксплуатационная стоимость. Оперативность обнаружения незначительных утечек Невозможность локации места утечки. Влияние газовой фазы в жидкости на погрешность расходомеров
Волна отрицательного давления Обнаружение волны давления, которая формируется при возникновении утечки в нефтепроводе Быстрое время отклика. Подходит для локализация утечки Эффективно для больших кратковременных утечек
Анализ точки давления Отслеживает изменения давления в различных точках внутри трубопровода Быстрое время отклика. Низкая эксплуатационная стоимость. Обнаружение утечки затруднительно при переходных процессах
Цифровая обработка сигналов Использует извлекаемые сигнальные признаки из полученных данных, такие как амплитуда, частота, коэффициенты вейвлет-преобразований и др. Высокая производительность. Подходит для обнаружения и определения области Ложные срабатывание (шумы)
Динамическое Обнаруживает утечки, используя
моделирование расхождение между измеренными
данные и смоделированными значениями на основе уравнений сохранения и уравнение состояния для жидкости
Метод оценки Оценивает недостающие переменные, Подходит для реконструкции вектора Низкая сходимость. Высокая
используя набор алгебраических и оценочного подбора отсутствующей вычислительная сложность
уравнений, который сравнивает наборы переменной
входных и выходных сигналов, и
переменных состояний
Внешние методы в основном включают использование специальных чувствительных устройств для контроля внешней части трубопроводов. Эти методы могут использоваться для определения аномалий в трубопроводе, а также для обнаружения утечек. Независимо от принципов работы, на которых основаны эти методы, они требуют определенного физического контакта между датчиками и трубопроводом. Примеры таких устройств включают акустическое зондирование, оптоволоконное зондирование, инфракрасную термографию и георадар.
Существуют менее популярные методы обнаружения утечек на трубопроводе. К ним относятся спектральные сканеры, лидар-ные системы и электромагнитное отражение.
Спектральные сканеры - это пассивные датчики, которые анализируют солнечный свет, отраженный материалом. Он обнаруживает утечки из трубопровода, сравнивая спектральные сигнатуры с нормальным фоном.
Лидарные системы используют импульсное лазерное излучение в качестве источника освещения для
Применим для обнаружения утечек. Высокая вычислительная сложность. Быстрая обработка кластера данных Трудоемкость (высокая стоимость)
Рис. 3. Трехуровневый анализ производительности методов
ей ей
го го
со го
Эксплуатационные расходы Быстрота обнаружения
Чувствительность Ложное срабатывание
определения присутствия метана. Поглощение энергии лазером по длине трубопровода определяется с помощью импульсного лазерного детектора. Излучаемая энергия на разных длинах волн измеряется с помощью электромагнитного отражения.
Электромагнитное отражение и другие механизмы обнаружения утечек, такие как ультрафиолетовый сканер, микроволновый радиометр и камеры визуального наблюдения, рассматриваются как устройства пассивного мониторинга, которые работают посредством обнаружения либо излучения, испускаемого утечкой природного газа, либо фонового излучения. Это делает пассивные системы менее дорогими в целом [3].
В табл. 1 приведены сводные данные преимуществ и недостатков внешних методов обнаружения утечек.
В табл. 2 приведены сводные данные преимуществ и недостатков внутренних/вычислительных методов обнаружения утечек.
На рис. 3 приведена диаграмма, представляющая трехуровневый анализ рассмотренных методов на основе их специфики, направленности, уникальных достоинств и недостатков. В трехуровневом анализе сравниваются эксплуатационные затраты, чувствительность, быстрота обнаружения утечек и частота ложных срабатываний в диапазоне низкого, среднего и высокого уровня. Большинство методов имеют высокие эксплуатационные расходы, кроме волны отрицательного давления [4].
В целом все методы хорошо работают с точки зрения чувствительности, кроме инфракрасной термографии, георадара и волны отрицательного давления. Частота ложных срабатываний в большинстве методов, таких как акустическая эмиссия, волна отрицательного давления,
динамическое моделирование и цифровая обработка сигналов, высока. Несмотря на то что многие исследователи работали над устранением этих недостатков, уменьшение ложных срабатываний акустической эмиссии и цифровой обработки сигналов представляется сложной задачей, поскольку акустическая эмиссия очень чувствительна к случайным окружающим шумам, а подход цифровой обработки сигналов в основном зависит от точности калибровки прибора.
Среди вышерассмотренных методов метод динамического моделирования демонстрирует высокую чувствительность при обнаружении утечек в трубопроводе. Тем не менее высокая сложность математических моделей и строгие требования к квалификации персонала являются ключевыми проблемами данного метода.
Благодаря последним достижениям в области высокопроизводительных вычислений и технологий облачных вычислений подход к динамическому моделированию является перспективным и может найти широкое применение в нефтегазовой отрасли [5].
В данной работе проведен анализ научно-технической литературы и данных открытых источников по существующим методам, механизмам и подходам для обнаружения и локализации утечек и врезок в трубопроводе. Рассмотренные методы были выделены в три группы, по которым выполнен перекрестный анализ применимости, а также выделены их основные достоинства и недостатки. Однако применимость каждого метода варьируется в зависимости от условий эксплуатации трубопровода, характеристик перекачиваемой среды, материала исполнения трубопровода, наличия активных и пассивных методов защиты трубопровода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bolotina I., Borikov V., Ivanova V., Mertins K., Uchaikin S. Application of phased antenna arrays for pipeline leak detection. J. Pet. Sci. Eng. 2018, vol. 161, pp. 497-505.
2. Boaz L., Kaijage S., Sinde R. An overview of pipeline leak detection and location systems. In Proceedings of the 2nd Pan African International Conference on Science, Computing and Telecommunications (PACT 2014), Arusha, Tanzania, 14-18 July 2014; IEEE: Piscataway, NJ, USA, 2014.
3. Xiao Q., Li J.; Sun, J., Feng H., Jin S. Natural gas pipeline leak location using variational mode decomposition analysis and cross-time-frequency spectrum. Measurement, 2018, vol. 124, pp. 163-172.
4. Adedeji K.B., Hamam Y., Abe B.T., Abu-Mahfouz A.M. Towards achieving a reliable leakage detection and localization algorithm for application in water piping networks: An overview. IEEE Access 2017, vol. 5, pp. 20272-20285.
5. Rehman K., Nawaz F. Remote pipeline monitoring using Wireless Sensor Networks. In Proceedings of the International Conference on Communication, Computing and Digital Systems (C-CODE), Islandbad, Pakistan, 8-9 March 2017; IEEE: Piscataway, NJ, USA, 2017.
REFERENCES
1. Bolotina I., Borikov V., Ivanova V., Mertins K., Uchaikin S. Application of phased antenna arrays for pipeline leak detection. J. Pet. Sci. Eng., 2018, vol. 161, pp. 497-505.
2. Boaz L., Kaijage S., Sinde R. An overview of pipeline leak detection and location systems. Proc. of the 2nd Pan African International Conference on Science, Computing and Telecommunications (PACT2014). Arusha, Tanzania, 2014.
3. Xiao Q., Li J.; Sun, J., Feng H., Jin S. Natural gas pipeline leak location using variational mode decomposition analysis and cross-time-frequency spectrum. Measurement, 2018, vol. 124, pp. 163-172.
4. Adedeji K.B., Hamam Y., Abe B.T., Abu-Mahfouz A.M. Towards achieving a reliable leakage detection and localization algorithm for application in water piping networks: An overview. IEEE Access, 2017, vol. 5, pp. 20272-20285.
5. Rehman K., Nawaz F. Remote pipeline monitoring using Wireless Sensor Networks. Proc. of the International Conference on Communication, Computing and Digital Systems (C-CODE). Islandbad, 2017.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Гурницкая Елена Юрьевна, магистрант, кафедра промысловых трубопроводных систем, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Зубаиров Тимур Артурович, к.т.н., доцент кафедры промысловых трубопроводных систем, Уфимский государственный нефтяной технический университет, вед. специалист отдела моделирования и оптимизации трубопроводов, ООО «РН-БашНИПИнефть».
Elena YU. Gurnitskaya, Undergraduate, Department of Field Pipeline Systems, Ufa State Petroleum Technological University. Timur A. Zubairov, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Field Pipeline Systems, Ufa State Petroleum Technological University, Leading Specialist, Pipeline Modeling and Optimization Department, RN-BashNIPIneft LLC.
