CC BY
12
УДК 681.586.772
КОНТРОЛЬ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПРИ ОЧИСТКЕ НЕФТЕПРОВОДНЫХ ТРУБ
А.И. ОРЛОВ
Марийский государственный университет
В статье представлены результаты математического моделирования и экспериментального исследования метода и устройства неразрушающего контроля фазового перехода парафиновых отложений по диэлектрической проницаемости при его плавлении в демонтированных нефтепроводных трубах. Разработана схема управления устройства очистки нефтепроводных труб на основе предложенного метода контроля.
Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, контроль фазового перехода, парафиновые отложения, очистка нефтепроводных труб.
Очистка от парафиновых отложений является ключевой операцией при ремонте демонтированных нефтепроводных труб с целью последующего использования. Рассматриваемый метод состоит в оплавлении пристеночного слоя парафиновых отложений без расплава их основной массы путем индукционного нагрева теплоизолированной трубы последовательно по секциям и последующего извлечения отложений. Оплавленный пристеночный слой снижает сцепление твердой массы отложений с внутренней поверхностью трубы и выполняет роль смазки при их извлечении. Метод позволяет выполнять очистку труб с парафиновыми отложениями любой толщины, поскольку она не влияет на эффективность метода.
Конструкция устройства, реализующего данный метод, и его принцип действия подробно раскрыты в работе [1]. Теплофизические процессы, происходящие в слое парафиновых отложений при индукционном нагреве металла трубы, критерий безопасности метода и вопросы оптимизации по энергетическим затратам рассмотрены в статье [2]. Проведено сравнение способов электронагрева [3], показано, что применительно к решаемой задаче оптимальной конструкцией нагревателя является внешний индуктор, создающий осесимметричное продольное магнитное поле. Описан выбор его параметров и расчет магнитного поля.
Предлагается метод контроля, позволяющий определять момент образования жидкой фазы парафиновых отложений и толщину расплавленного пристеночного слоя, необходимую для снижения энергозатрат при очистке труб и своевременного переключения секций нагревателя.
Парафиновые отложения представляют собой смесь неполярных диэлектриков, основным компонентом которых является парафин. Температура парафина непосредственно не влияет на процесс поляризации его молекул, но из-за теплового расширения его плотность уменьшается, поэтому диэлектрическая проницаемость падает. Свойство парафиновых отложений изменять свою диэлектрическую проницаемость при изменении температуры положено в основу метода контроля при очистке труб.
Величина эквивалентной диэлектрической проницаемости определяется измерением емкости между обкладками цилиндрического конденсатора, внешним электродом которого служит труба, внутренним - тонкая струна из проводящего
© А.И. Орлов
Проблемы энергетики, 2011, № 5-6
материала, натянутая соосно с трубой. На струне закреплена расширенная рабочая часть электрода из проводящего материала, которая представляет собой цилиндр, свободно входящий в трубу с парафиновыми отложениями и имеющий длину, равную длине нагреваемого участка трубы. Рабочая часть внутреннего электрода всегда расположена под нагреваемым участком трубы и перемещается внутри неё при переключении секций нагревателя.
Математическая модель метода контроля фазового перехода парафиновых отложений из твердого состояния в жидкое по их диэлектрической проницаемости на примере локального участка нефтепроводной трубы описана в работе [4]. В результате математического моделирования установлено, что момент начала плавления характеризуется резким изменением скорости падения эквивалентной диэлектрической проницаемости и пиками ее ускорения, что подтверждено экспериментально (рис. 1). В случае последовательного нагрева нескольких участков показано, что контроль состояния парафиновых отложений производится строго в области расположения рабочей части внутреннего электрода, и состояние других участков трубы практически не влияет на эквивалентную диэлектрическую проницаемость.
х КГ4
о
800
Рис. 1. Экспериментальные данные (точки) и расчетная кривая (линия) эквивалентной диэлектрической проницаемости парафиновых отложений при нагреве участка трубы от
времени, её скорости и ускорения
До включения нагревателя температура парафиновых отложений в трубе с известными размерами распределена равномерно. При известном значении эквивалентной диэлектрической проницаемости гг , определяемой через емкость, толщина отложений может быть найдена по формуле
А^пар = ГЬ - гс,
(1)
где га - радиус рабочей части внутреннего электрода; гь - радиус внутренней поверхности трубы; гс - радиус внутренней границы парафиновых отложений (рис. 2, а):
\
= ехр
£возд £пар г
■ 1п(гъ/га )
+ £пар 1п га £возд 1п гЬ
£пар £возд
га Ге гь га Гс Га ГЬ
а) б)
Рис. 2. Диэлектрическая проницаемость парафиновых отложений вдоль радиальной координаты: а) до включения нагревателя; б) при фазовом переходе
В последней формуле ввозд - диэлектрическая проницаемость воздуха; гпар -
диэлектрическая проницаемость парафиновых отложений при температуре окружающей среды.
Скачкообразное изменение диэлектрической проницаемости парафиновых отложений при фазовом переходе может быть использовано для контроля толщины расплавленного слоя. Диэлектрическая проницаемость каждой из фаз отдельно несущественно меняется от температуры, и основное влияние на эквивалентную диэлектрическую проницаемость оказывает их толщина. Принимая диэлектрическую проницаемость жидкой и твердой фаз парафиновых отложений постоянной, можно определить границу фазового перехода гй парафиновых отложений в любой момент времени (рис. 2, б). Тогда толщина жидкой фазы парафиновых отложений при известном значении эквивалентной диэлектрической проницаемости гг и внутренней границе парафиновых отложений гс равна
Айж = гЬ — гй , (2)
где Гй - радиальная координата границы фазового перехода:
£возд £тв£ж/£г ■ 1п(гй/га)— £тв£ж(гс/га£возд£ж 1пгс — £возд£тв 1пГЬ
гй = ехР
£возд (ж
о
Здесь £ж и гтв - диэлектрические проницаемости жидкой и твердой фаз парафиновых отложений соответственно.
Формулы (1) и (2) позволяют по геометрическим размерам трубы и эквивалентной диэлектрической проницаемости определять толщину парафиновых отложений и момент достижения требуемой толщины © Проблемы энергетики, 2011, № 5-6
г
с
расплавленного пристеночного слоя в процессе нагрева трубы независимо от мощности источника и распределения температуры, что подтверждено экспериментально и при математическом моделировании тепловых процессов в слое парафина.
С использованием предлагаемого метода контроля разработана схема управления расплавом парафиновых отложений, описание которой для локально-разогреваемого участка трубы приведено в работе [4]. Схема управления обеспечивает поочередное включение секций нагревателя трубы при достижении требуемой толщины расплавленного пристеночного слоя на данном участке и переводит предыдущую секцию в режим поддержания температуры, не допуская охлаждения соответствующего участка трубы. Применение современных вычислительных средств, работающих в реальном масштабе времени [5], позволит оптимизировать режим плавления парафиновых отложений с наименьшими энергозатратами.
Полученные результаты подтверждают, что метод контроля фазового перехода парафиновых отложений по диэлектрической проницаемости при очистке нефтепроводных труб является работоспособным и достоверным. Это подтверждается хорошим совпадением результатов математического моделирования и экспериментальных измерений, обеспечивших среднеквадратическое отклонение эквивалентной относительной диэлектрической проницаемости о = 0,02 .
Summary
In the article results of mathematic modeling and experimental research of method and device for nondestructive testing of phase transition of paraffin residue by dielectric permittivity at their fusing in demounted oil tubes have revealed. Control circuit of oil tubes cleaning devise on basis of proposed testing method has been designed.
Key words: dielectric permittivity, control of phase transition, paraffin residue, cleaning of oil tubes.
Литература
1. Орлов А. И., Попов И. И., Зелди И. П. Особенности электроиндукционного метода очистки демонтированных нефтегазопроводных труб от отложений парафина // Материалы Четвёртой международной научной школы «Наука и инновации - 2009». 2009. С. 312-318.
2. Орлов А.И., Попов И.И., Соловьев В.Г. Электроиндукционный метод очистки нефтегазопроводных труб от отложений парафина // Вестник Чувашского университета. 2009. № 2. С. 114-120.
3. Орлов А.И., Попов И.И., Соловьев В.Г. Сравнительное исследование способов электронагрева нефтепроводных труб при их очистке от парафиновых отложений // Материалы Пятой международной научной школы «Наука и инновации - 2010». 2010. С. 111-121.
4. Орлов А.И., Попов И.И., Соловьев В.Г. Система контроля и управления плавлением парафиновых отложений на локально-разогреваемом участке нефтепроводной трубы // Материалы Пятой международной научной школы «Наука и инновации - 2010». 2010. С. 121-129.
5. Сидорова В.Т., Попов И.И., Кокурин М.Ю., Орлов А.И. Метод циклического многоимпульсного режима возбуждения сигналов фотонного эха и
его применение // Учёные записки Казанского государственного университета. Серия физико-математическая. 2009. Том 151. С. 172-180.
Поступила в редакцию 01 декабря 2010 г.
Орлов Александр Игоревич - аспирант кафедры «Электромеханика» Марийского государственного университета (МаргУ). Тел.: 8 (8362) 43-03-62; 8-917-7044913. E-mail: karlorlov@gmail. com.
