CC BY
1
УДК 622.691.48
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2023-5-6-41-46
RTFS-УСЛОВИЕ УТЕЧКИ НА ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДАХ МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕПРОВОДА
RTFS-LEAK CONDITION IN THE UNDERWATER CROSSINGS OF THE MAIN OIL PIPELINE
Альперович И.В.
ООО «Вэйвконтроль», 119454, Москва, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6380-2727, E-mail: alperi@yandex.ru
Резюме: При проверке утечки в магистральном нефтепроводе может использоваться условие Real Time Flow Speed (RTFS). Для сравнительно коротких участков, какими являются подводные переходы, это условие состоит в понижении давления на самом участке при одновременном повышении скорости потока (расхода) выше участка по потоку и ее понижении ниже. Расходы вычисляются в математической модели движения жидкости по трубе при теоретических параметрах, исходя из замеров давления. Приведены примеры реальных отборов и технологических колебаний давления, подтверждающие необходимость и достаточность этого условия.
Ключевые слова: система обнаружения утечек в трубопроводах, подводные переходы, RTFS-условие, скорость потока, волна падения давления, математическая модель.
Для цитирования: Альперович И.В. RTFS-условие утечки на подводных переходах магистрального нефтепровода // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 5-6. С. 41-46.
D0I:10.24412/0131-4270-2023-5-6-41-46
Al'perovich Ilya V.
Wavecontrol LLC, 119454, Moscow, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6380-2727, E-mail: alperi@yandex.ru
Abstract: To check the leakage event in the main oil pipeline may be used the condition Real Time Flow Speed (RTFS). For relatively short sections, which are the underwater crossings, this condition includes: lowering the pressure on the section and simultaneously raising the flow speed up stream section and lowering the flow speed downstream. Flows are calculated in the mathematical model under theoretical parameters based on the pressure measurements. Examples of the sufficiency and necessity of this condition on the real extractions and also in the cases of technological pressure reductions are given.
Keywords: Leak detection system in pipelines, underwater crossings, RTFS-condition, flow speed, negative pressure wave, mathematical model.
For citation: Al'perovich I.V. RTFS-LEAK CONDITION IN THE UNDERWATER CROSSINGS OF THE MAIN OIL PIPELINE. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons, 2023, no. 5-6, pp. 41-46.
DOI:10.24412/0131-4270-2023-5-6-41-46
Из физических законов движения жидкости в трубопроводе следует, что при возникновении утечки вверх и вниз по потоку будут распространяться волны падения давления. На фиксации этих волн базируется метод обнаружения утечек Negative Pressure Wave (NPW) [1]. Но само по себе падение давления еще не является сигналом об утечке, так как оно может прийти извне охраняемой части трубы и быть вызвано технологическими причинами. Для отличия понижения давления, возникшего из-за утечки, от технологического, нужно руководствоваться тем, что в этом случае меняться будет не только давление. Кроме волн давления, возникнут и волны изменения скорости потока (расхода): выше утечки по потоку расход продукта должен увеличиться, а ниже - понизиться [2-5]. Это свойство используется в методе Real Time Flow Speed (RTFS), в котором на волне падения давления сравниваются скорости потоков, вычисленных из решения задачи движения жидкости в трубопроводе при известных граничных давлениях. В [6] метод RTFS демонстрируется на теоретической математической модели, а в [7] - на отборах из достаточно длинного участка реального трубопровода. В этих примерах в начале, середине и конце трубопровода располагаются крановые узлы (КУ) с парами датчиков давления, между которыми 200-300 м. При этом предполагается, что утечки возможны лишь на достаточно длинных участках вне КУ. Для таких участков формулируется признак утечки, состоящий в сравнении динамики расходов на коротких участках между датчиками одного узла с динамикой расходов на соседних коротких участках. Однако на практике есть
трубопроводы с короткими участками, где утечки также возможны. К ним относятся, например, подводные переходы.
Для распознавания событий падения давления, возникших по причине утечки на коротком участке трубопровода, можно сформулировать следующее RTFS-условие: падение давления на коротком участке трубопровода является следствием утечки на нем в том и только том случае, если на участке выше по потоку расчетная скорость продукта увеличится, а на участке ниже по потоку - понизится. Кроме того, если соседний участок достаточно длинный, а отбор развивается быстро, то динамика расхода на дальнем конце такого участка по сравнению с динамикой расхода на ближнем конце будет иметь заметную задержку.
Теоретическая необходимость и достаточность RTFS-условия очевидна из физических соображений. Но его практичность надо проверять, так как погрешности в замерах давления и неточности в параметрах модели могут привести к его невыполнению. Ниже справедливость этого условия демонстрируется на примерах отборов из двух реальных подводных переходов, расположенных на магистральном нефтепроводе диаметром 510 мм. Давления измерялись с частотой 20 Гц, расходы вычислялись на теоретической конечно-разностной модели [6, 7]. Достаточность RTFS-условия показывается на примерах падения давления от отборов, его необходимость - на примерах понижения давления при отсутствии отборов. Для определенности предполагается, что перекачка производится по трубе слева направо, так что левый соседний участок находится выше по потоку, а правый - ниже.
Результаты анализа показаны на рис. 1-11. На всех рисунках изображено по три диаграммы. На верхней диаграмме показан график давления в начальный период прохождения фронта волны падения давления через переход. Давление представлено в технических единицах ати (атмосфера избыточная над атмосферным давлением, 1 ати = 0,101 МПа). На средней диаграмме каждого рисунка выводятся расходы по концам левого участка, расположенного выше по потоку. Более темная линия - расход на правом, ближнем к переходу конце участка, более светлая - расход на левом дальнем от перехода конце участка. На нижней диаграмме рисунка выведены расходы по концам правого участка, расположенного ниже по потоку. Здесь более темная линия -расход на левом ближнем к переходу конце участка, более светлая -расход на правом дальнем от перехода конце участка. Таким образом, темные линии - расходы на границах соседних участков рядом с переходом, серые - расходы на удаленных границах. Единица измерений на оси ординат в диаграммах расхода -м3/ч. По оси абсцисс на всех графиках отложено время в диапазоне 1-3 мин. Расходы выводятся за тот же период времени, что и давление на верхнем графике. Поскольку расчетные расходы имеют значительный дребезг вследствие колебаний исходных замеров давлений, на рисунках представлены усредненные расчетные значения расходов. Усреднение выполняется по методу медианного среднего при глубине усреднения 30 сек. Отметим, что абсолютные значения расходов на участках выше и ниже перехода отличаются, так как задача подбора параметров модели для их совпадения не ставилась. Цель расчета здесь не абсолютные значения расходов, а динамика во времени их относительного изменения.
На рис. 1-3 представлены измеренные давления и результаты расчетов усредненных расходов для трех отборов на первом переходе, длина которого примерно 1 км. Слева от этого перехода находится участок длиной 16 км, а справа - участок в 5,25 раза длинней, до соседнего кранового узла 84 км. В качестве иллюстрации выбраны отборы с
Рис. 1. Первый переход, отбор 4,3 м3/ч
Рис. 2. Первый переход, отбор 5 м3/ч
Рис. 3. Первый переход, отбор 5,7 м3/ч
I Рис. 4. Второй переход, отбор с развитием 10 сек
23,1 23,05 Е 15 22,95 22,9 22,85 Давление
1021 1020 т 1019 «1018 = 1017 Расходы слева
""" " 1 —*
915 910 ^ 905 Ю £ 5 900 Расходы справа
— ' ---^
I Рис. 5. Второй переход, отбор с развитием 20 сек
20,4 20,35 20,3 £20,25 20,2 20Д5 20,1 Давление
1478 1476 т 1474 ^ 1472 £ Расходы слева
^--X
/ —---
1468 —
Расходы справа
1490
у 1485
® 1475 1470
| Рис. 6. Второй переход, отбор с развитием 30 сек
22,9 22,85 22,8 * 22,75 22,7 22,€5 Давление
Расходы слева
994 993 ю 992 Щ ® 991 990 ^^^--
^^^ ^--
^--—----^
806 Расходы справа
804 802 10 | 800
■ ----
одинаковым периодом развития до полного открытия, равным 60", но различной интенсивности. На рис. 1 показан первый отбор величиной 4,3 м3/ч.
Из рис. 1 видно, что на фронте волны падения давления тенденции расчетных расходов на границах соседних длинных участков (темные графики на двух нижних диаграммах расходов) противоположны: выше перехода расходы поднимаются, ниже - опускаются. Расходы на границах участка слева меняются примерно одинаково, так как отбор был медленным. На существенно более длинном участке справа на его левой границе расход понижается сразу, а на дальней правой границе расход сначала возрастает, но после прихода туда волны падения давления он также в среднем понижается.
На рис. 2 представлен второй отбор на первом переходе величиной 5 м3/ч. В отличие от предыдущего рисунка здесь на обоих соседних участках на ближних к переходу границах расход меняется больше, чем на дальних. При этом слева на участке расход сначала увеличивается, а затем немного понижается. На участке справа расход понижается и остается ниже прежнего уровня.
На рис. 3 показан максимальный отбор на этом переходе величиной 5,7 м3/ч. Здесь на участке выше отбора расход увеличивается и на время отбора остается повышенным. На участке ниже отбора расход понижается и остается меньше начального уровня и после закрытия отбора. По примерам отборов на первом переходе можно заключить, что RTFS-условие здесь выполняется. На левом участке выше отбора сначала происходит скачок расхода вверх, а после окончания отбора расход понижается. На правом участке ниже отбора в среднем происходит монотонное снижение расхода, который на некоторое время и после прекращения отбора остается ниже исходного уровня. При этом справа падение расхода всегда больше, чем слева.
Далее представлены примеры трех отборов на втором подводном переходе длиной 3 км. Слева находится участок длиной 84 км, который для первого перехода был правым. Справа теперь участок длиной 31 км.
Величина всех трех отборов здесь одинакова и составляет 5 м3/ч, но время развития отборов разное: 10, 20 и 30 секунд. На рис. 4 представлен первый отбор с временем развития 10 секунд. В этом примере расход на границе слева рядом с переходом повышается на фронте волны сразу, а на дальней границе повышение возникает с задержкой. Несколько более короткая задержка понижения расхода также имеет место справа.
На рис. 5 показан второй отбор со временем развития 20 сек. В этом случае расход на обоих границах участка выше отбора возрастает на время прохождения фронта волны падения давления, а после окончания отбора возвращается к прежнему уровню. Справа расход понижается и после окончания отбора остается меньше начального значения.
Пример третьего отбора с развитием 30 сек показан на рис. 6. Здесь расход на участке выше отбора также сначала повышается, а по окончании отбора возвращается к прежнему значению. Расход на участке справа ниже отбора уменьшается и восстанавливается не сразу.
По отборам на втором переходе также можно заключить, что и здесь RTFS-условие выполняется. На левом участке сначала происходит скачок расходов вверх, затем снижение. На правом участке видно монотонное снижение расходов. Справа падение расхода всегда также больше, чем слева.
Для иллюстрации необходимости RTFS-условия утечки далее приведены примеры падений давления на этих переходах, не являющихся следствием отбора. На рис. 7 показан пример случайных колебаний давления на первом переходе. Здесь расходы на участке слева немного понижаются. На участке справа расходы в среднем остаются на прежнем уровне. Таким образом, здесь нет подъема расхода слева и падения расхода справа от перехода.
На рис. 8 показан второй пример случайных колебаний давления на первом переходе. Колебание расходов происходит с убыванием на участке слева, причем расход сначала понижается на дальнем конце, что свидетельствует о приходе волны падения давления слева. Таким
Рис. 7. Первый пример случайных колебаний давления на первом переходе
Рис. 8. Второй пример случайных колебаний давления на первом переходе
Рис. 9. Третий пример случайных колебаний давления на первом переходе
I Рис. 10. Первый пример понижения давления на втором переходе
Рис. 11. Второй пример понижения давления на втором переходе
образом, не выполняется условие повышения расхода слева от перехода.
На рис. 9 представлен третий пример случайных колебаний давления на первом переходе. Видно, что справа расход в среднем по времени не понижается, так что и в этом случае не выполняется RTFS-условие утечки уменьшения
расхода справа от перехода. Далее, на рис. 10 и 11, представлены два примера понижения давления для второго перехода. На рис. 10 при падении давления расходы повышаются справа и слева от перехода. Так как на обоих концах расходы повышаются, RTFS-условие утечки не выполняется. По времени изменения расхода на левом участке можно заключить, что плавное понижение давления с увеличением потока пришло с правого конца трубы.
На рис. 11 показан второй пример понижения давления на втором переходе. Здесь расходы понижаются слева и справа от перехода, что также свидетельствует о невыполнении RTFS-признака. Так как при этом на более длинном участке слева от перехода расход сначала понизился на левом дальнем конце (серый график), можно сделать вывод, что понижение давления с уменьшением потока пришло слева.
Общий вывод
Утечке в трубопроводе всегда сопутствует относительное понижение давления. Однако это событие может быть следствием не только утечки. То есть падение давления -это необходимое условие утечки, но не достаточное. В качестве необходимого и достаточного условия утечки на коротком участке, каким является подводный переход, выступает одновременное наступление трех событий: падение давления на рассматриваемом переходе, повышение расчетной скорости потока выше по потоку и ее понижение ниже. Приведенные примеры, а также анализ случаев падения давления, не вошедших в статью, показывают, что при понижении давления и выполнении этих признаков для расходов отбор продукта имеет место, а если падение давления не сопровождается указанным изменением скоростей потоков, то отбора нет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. API 1130: Computational Pipeline Monitoring for Liquid Pipeline. Pipeline Segment. API 1130 SECOND EDITION, NOVEMBER 2002. URL: https://law.resource.org/pub/us/cfr/ibr/002/api.1130.2002.pdf (дата обращения 25.08.2023)
2. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. М.: Недра, 1975. 296 с.
3. Альперович И.В. Фронт и шлейф волны от утечки в магистральном нефтепроводе // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 4. С. 29-33.
4. Альперович И.В. Сравнение отборов из магистрального нефтепровода с математической моделью утечки // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 2-3. С.3 2-35.
5. Альперович И.В. Волновой анализ отборов жидкости и газа на лабораторной трубе // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 3-4. С. 32-36.
6. Альперович И.В.Численные эксперименты с методом RTFS на математической модели отборов из нефтепровода при стационарном режиме перекачки // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 2. С. 11-15.
7. Альперович И.В. Применение метода RTFS к реальным отборам на стационарном режиме нефтепровода // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 5-6. С. 35-40.
REFERENCES
1. API 1130: Computational pipeline monitoring for liquid pipeline. Pipeline segment. API 1130 SECOND EDITION, NOVEMBER2002. Available at: https://law.resource.org/pub/us/cfr/ibr/002/api.1130.2002.pdf (accessed 25 August 2023)
2. Charnyy I.A. Neustanovivsheyesya dvizheniye real'noy zhidkosti v trubakh [Unsteady motion of real fluid in pipes]. Moscow, Nedra Publ., 1975. 296 p.
3. Al'perovich I.V. Front and tail of a wave from a leak in a main oil pipeline. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2020, no. 4, pp. 29-33 (In Russian).
4. Al'perovich I.V. Comparison of withdrawals from the main oil pipeline with a mathematical model of leakage. Transport ikhraneniye nefteproduktoviuglevodorodnogo syr'ya, 2021, no. 2-3, pp. 32 - 35 (In Russian).
5. Al'perovich I.V. Wave analysis of liquid and gas sampling on a laboratory pipe. Transport ikhraneniye nefteproduktov iuglevodorodnogo syr'ya, 2022, no. 3-4, pp. 32 - 36 (In Russian).
6. Al'perovich I.V. Numerical experiments with the RTFS method on a mathematical model of extraction from an oil pipeline under stationary pumping mode. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2023, no. 2, pp. 11-15 (In Russian).
7. Al'perovich I.V. Application of the RTFS method to real extractions in a stationary mode of an oil pipeline. Transport ikhraneniye nefteproduktoviuglevodorodnogo syr'ya, 2023, no. 5-6, pp. 35-40 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Альперович Илья Владимирович, к.т.н., ведущий специалист, ООО Ilya V. Al'perovich, Cand. Sci. (Tech.), Leading Specialist, Wavecontrol «Вэйвконтроль». LLC.
