СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ УТЕЧКИ ЧЕРЕЗ НЕГЕРМЕТИЧНЫЙ ЗАТВОР ШАРОВОГО КРАНА ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК F17D5/02 G01F1/00 G01M3/00 

Область техники

Настоящая группа изобретений относится к способу и устройству для контроля технического состояния запорно-регулирующей арматуры. Группа изобретений может быть использована для мониторинга состояния запорно-регулирующей арматуры без выведения ее из эксплуатации.

Предшествующий уровень техники

В условиях эксплуатации промышленная трубопроводная арматура подвергается многочисленным внутренним и внешним воздействиям, которые связаны с технологическими режимами процессов, протекающих внутри трубопроводов. Так как трубопроводная арматура является наиболее ответственным элементом коммуникаций, для надежного обеспечения ее работоспособности и своевременного ремонта при эксплуатации необходимо прогнозировать или осуществлять контроль основного показателя ее качества - герметичности уплотнительных элементов запорной арматуры, причинами нарушения которой могут являться:

- грязь, попавшая под уплотняющее устройство;

- царапины, выбоины или неравномерный износ на поверхностях уплотнителей.

Известен способ определения протечек в процессе эксплуатации (ОСТ 26-07-2060-83 «Арматура трубопроводная запорная, изменение степени герметичности затворов в зависимости от условий эксплуатации и в процессе наработки»). Стандарт устанавливает метод определения допустимой величины протечки через затвор арматуры, подвергающийся контактному износу и износу частицами абразива, находящимися в проводимой среде. Величины протечек определяются расчетным путем по формуле с учетом размеров уплотнительных элементов затвора, технологических характеристик проводимой среды, времени срабатывания и количества наработки циклов.

Недостатком данного способа является невозможность измерения фактической истинной величины протечек через затвор трубопроводной арматуры в данный момент времени. Способ имеет прогностический характер и основан на экспериментальных данных. Для установления истиной величины протечек необходим демонтаж изделия с трубопровода и проведение испытаний, что трудоемко и связано с остановкой технологического процесса.

Известен способ контроля герметичности затвора запорной трубопроводной арматуры в период эксплуатации (патент РФ №2275610, опубл. 27.04.2006 г.), в котором определение величины протечек производится при закрытом затворе по одному из выходных, в зависимости от направления рабочей среды, каналов, соединенных с кольцевыми канавками, выполненными на уплотнительном поле затвора.

Недостатком указанного технического решения является необходимость предварительной подготовки запорного устройства для формирования в нем специальных измерительных каналов, а также отсутствие возможности его применения для шарового крана ввиду отсутствия возможности формирования кольцевых канавок на уплотнительном поле затвора по причине его малой толщины.

Известна система, содержащая инжектор индикаторного газа и датчики концентрации индикаторного газа, расположенные по разные стороны запорно-регулирующей арматуры на известном расстоянии от инжектора (патент РФ №2309323, опубл. 27.10.2007 г.), при применении которой измеряют время прохождения индикаторным газом (меткой) известного расстояния и концентрацию индикаторного газа в метке, по которым судят об утечке транспортируемого газа через негерметичный затвор закрытого шарового крана.

Недостатками такого решения являются низкая точность контроля размеров утечки газа, связанная с размытостью метки, и невозможность определения размеров утечки газа отдельно через каждое из уплотнений шарового крана.

Также известен способ измерения количества газа (перетечки), протекающего через закрытый шаровой кран, и устройство для его осуществления (патент РФ №2270986, опубл. 27.02.2006 г.), характеризующийся тем, что из полости закрытого шарового крана создают контролируемое стационарное истечение газа через сообщающийся с полостью шарового крана патрубок, снабженный полнопроходным краном и оканчивающийся калиброванным отверстием, определяют расход газа при этом истечении, измеряют полное давление в полости шарового крана при контролируемом стационарном истечении газа из полости шарового крана и без истечения газа из полости закрытого шарового крана при закрытом полнопроходном кране, определяют давление на входе и на выходе из шарового крана, а перетечку газа через закрытый шаровой кран вычисляют по формуле.

Недостатками этого решения являются наличие выпуска продукта из трубопровода в атмосферу, невысокая точность измерений величин утечек газа через негерметичный закрытый шаровой кран, связанная с большим количеством допущений при составлении уравнений, из которых определяют расход газа (величину утечки), а также невозможность прямых измерений утечек газа через каждое уплотнение крана в отдельности.

Известен способ (патент РФ №2396484, опубл. 10.08.2010 г.), в котором к внутрикрановой полости шарового крана подсоединяют дренажную трубку с реверсивным расходомером и соединяют ее с трубопроводами высокого и низкого давлений импульсными трубками, в которых устанавливают электромагнитные клапаны. Реверсивный расходомер и выходы импульсных трубок соединены через пневматическую крестовину с атмосферой. Система позволяет с помощью реверсивного расходомера прямым способом измерить утечки газа через первое и второе уплотнения по ходу газа у шарового крана.

Недостатками такого способа являются наличие выпуска продукта из трубопровода в атмосферу, а также дороговизна и сложность конструкции.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ (патент РФ №2393380, опубл. 27.06.2010 г), заключающийся в подсоединении к полости крана дренажной трубки и измерении статических давлений в трубопроводах высокого и низкого давлений, а также в полости шарового крана, при этом с дренажной трубкой дополнительно соединяют трубопровод высокого давления и в установившемся режиме измеряют в ней расход газа через уплотнение между полостью крана и трубопроводом низкого давления, а затем соединяют трубопровод низкого давления с последующим измерением в дренажной трубке расхода газа через уплотнение между трубопроводом высокого давления и полостью шарового крана.

Недостатками такого решения также являются наличие выпуска продукта из трубопровода в атмосферу, а также дороговизна и сложность конструкции.

Раскрытие группы изобретений

Задачей настоящей группы изобретений является создание способа и устройства для определения уровня утечки через негерметичный затвор шарового крана запорно-регулирующей арматуры в рабочем режиме для диагностики уплотнительных элементов запорной арматуры без вывода их из эксплуатации и не приводящее в процессе измерений к выбросам транспортируемого продукта в атмосферу.

Технический результат настоящей группы изобретений заключается в повышении безопасности и эффективности эксплуатации негерметичного затвора запорно-регулирующей арматуры в рабочем режиме за счет замера фактической величины протечек без его вывода из эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что в известном способе определения уровня утечки газа через негерметичный затвор закрытого шарового крана запорно-регулирующей арматуры трубопровода, включающем измерение давления в полости шарового крана манометром, перекрытие первого клапана, установленного в трубке, соединяющей трубопровод высокого давления с полостью крана, одновременно с открытием второго клапана, установленного в трубке, соединяющей трубопровод низкого давления с полостью крана, при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом высокого давления и перекрытие второго клапана одновременно с открытием первого клапана при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом низкого давления, при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом высокого давления после стабилизации давления перекрывают второй клапан, проводят измерение манометром установившегося давления Р₁₁ выжидают некоторое установленное время и проводят измерение манометром установившегося давления Р₁₂, в случае неравенства давлений делают вывод о наличии утечки, объем вычисляют по формуле:

где V₀ - объем полости крана при определенном давлении Р₀, а при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом низкого давления после стабилизации давления перекрывают первый клапан, проводят измерение манометром установившегося давления P₂₁, выжидают некоторое установленное время и проводят измерение манометром установившегося давления Р₂₂, в случае неравенства давлений делают вывод о наличии утечки, объем которой вычисляют по формуле:

Технический результат также достигается тем, что в известном устройстве, содержащем манометр, соединенный с полостью шарового крана, и трубки, соединяющие трубопроводы высокого и низкого давлений и полость шарового крана через крестовину, при этом трубки, соединяющие трубопроводы высокого и низкого давлений с крестовиной снабжены клапанами, выполненными с возможностью перекрытия потока газа, манометр соединен трубкой с крестовиной.

Краткое описание фигуры чертежей

На фигуре представлено устройство определения уровня утечки через негерметичный затвор шарового крана запорно-регулирующей арматуры в рабочем режиме, содержащее шаровой кран 1, установленный между трубопроводом высокого давления 9 и трубопроводом низкого давления 5 и состоящим из полости 4, муфты крана высокого давления 2 и муфты крана низкого давления 7. Трубопроводы высокого давления 9 и и низкого давления 5 соединены посредством трубок с первым клапаном 8 и вторым клапаном 3 соответственно с крестовиной, соединенной также с полостью шарового крана 4 и с манометром 6.

Осуществление группы изобретений

Реализация заявленного способа базируется на законе Шарля, определяющем соотношение объема воздуха в зависимости от давления сосуде: V₁/V₂=Р₁/Р₂ и состоит в оценке изменения во времени давления в полости 4 шарового крана 1 при вводе последовательно давления из примыкающих участков трубопровода низкого 5 (после запорной арматуры по направлению движения продукта) и высокого 9 (до запорной арматуры) давлений.

При этом увеличение давления в полости 4 шарового крана 1 при сбросе давления в полости 4 шарового крана 1 в трубопровод низкого давления 5 характеризует утечку через муфту 2 крана высокого давления, а снижение давления при подаче давления из области трубопровода высокого давления 9 характеризует утечки через муфту 7 крана низкого давления.

Сущность изобретения состоит в соединении последовательно полости 4 шарового крана 1 с участками трубопровода низкого 5 (после запорной арматуры по направлению движения продукта) и высокого 9 (до запорной арматуры) давлений, и измерении изменения давления в полости 4 шарового крана 1 при подаче последовательно давления из подключенных к шаровому крану 1 трубопроводов низкого 5 и высокого 9 давления. При вводе в полость 4 шарового крана 1 низкого давления дальнейшее увеличение давления характеризует утечку через уплотнение крана в область высокого давления. При вводе в полость шарового крана высокого давления дальнейшее снижение давления характеризует утечку через уплотнение крана в область низкого давления.

Для реализации заявленного способа в первую очередь необходимо определить объем V₀ полости 4 шарового крана 1 при определенном (либо атмосферном) давлении Р₀. Данный параметр можно получить из технических характеристик на шаровой кран 1, либо путем прямых измерений, либо вычислить экстраполированием линейной зависимости объема V от давления Р.

Для измерения утечки через муфту крана высокого давления 2 открывают второй клапан 3, устанавливают в полости шарового крана 4 давление, равное давлению в примыкающем участке трубопровода низкого давления 5 (после шарового крана 1 по направлению движения продукта). После стабилизации давления второй клапан 3 закрывают и с помощью манометра 6 фиксируют начальное значение давления P₁ в полости 4 шарового крана 1. После этого объем продукта в полости 4 шарового крана 1 определяют по формуле V₁₁=P₁₁V₀/P₀.

Затем через заданный промежуток времени Т повторно манометром 6 измеряют давление Р₂ в полости 4 шарового крана 1. После этого объем продукта в полости 4 шарового крана 1 определяют по формуле V₁₂=P₁₂V₀/P₀.

Объем V_B утечки продукта через муфту крана высокого давления 2 (до запорной арматуры по направлению движения продукта) определяют по формуле V_B=V₁₂-V₁₁ (при этом V₁₁ составляет заведомо меньшую величину, поскольку при утечке через уплотнение высокого давления давление увеличится).

При этом следует иметь в виду, что если V_B=0, это само по себе может говорить как о полной исправности муфты высокого давления, так и о наличии преобладающего дефекта в муфте низкого давления (утечка через муфту низкого давления превышает утечку через муфту высокого давления).

Для измерения утечки через муфту крана низкого давления 7 открывают клапан 8, устанавливают в полости 4 шарового крана 1 давление, равное давлению внутри примыкающего участка трубопровода высокого давления 9 (до шарового крана 1 по направлению движения продукта). После стабилизации давления первый клапан 8 закрывают и манометром 6 фиксируют начальное значение давления Р₂₁ в полости 4 шарового крана 1. После этого объем продукта в полости шарового крана определяется по формуле V₂₁=P₂₁V₀/P₀.

Затем через заданный промежуток времени Т повторно манометром 6 измеряют давление Р₂ в полости 4 шарового крана 1. После этого объем продукта в полости шарового крана определяют по формуле V₂₂=P₂₂V₀/P₀.

Объем V_H утечки продукта через муфту крана низкого давления 7 (после запорной арматуры по направлению движения продукта) определяют по формуле V_H=V₂₁-V₂₂ (при этом V₂₂ составляет заведомо меньшую величину, поскольку при утечке через уплотнение низкого давления давление снижается).

Для повышения точности вычислений давления на всех этапах измерений возможно дополнительно ввести корректировку на изменение температуры

При наличии утечки через обе муфты объем утечки можно оценить по динамике роста/падения значений давления P₁ и Р₂ при измерениях, а также по установившемуся значению давления. Например, при равном значении утечки установившийся уровень давления будет приблизительно равен среднему от значений P₁ и Р₂.

Следует отметить, что при неисправности уплотнения высокого давления шарового крана невозможно оценить утечку через уплотнение низкого давления. Однако, полученных в этом случае данных уже достаточно, чтобы считать запорно-регулирующую арматуру неисправной.

Реализация способа может быть осуществлена с помощью управляющего модуля, соединенного с описанными выше узлами. При этом управляющий модуль последовательно:

- подает сигнал на открытие второго клапана 3;

- при стабилизации давления в манометре 6 подает сигнал на закрытие второго клапана 3;

- измеряет изменение давления за определенный промежуток времени и вычисляет объем утечки;

- подает сигнал на открытие первого клапана 8;

- при стабилизации давления в манометре подает сигнал на закрытие первого клапана 8;

- измеряет изменение давления за определенный промежуток времени и вычисляет объем утечки;

- сохраняет либо передает полученные результаты.

Промышленная применимость

Заявленная группа изобретений позволяет повысить безопасность и эффективность эксплуатации негерметичного затвора запорно-регулирующей арматуры в рабочем режиме за счет замера фактической величины протечек без его вывода из эксплуатации и может быть применена для мониторинга состояния запорно-регулирующей арматуры во всех областях ее применения.

Группа изобретений относится к способу и устройству для контроля технического состояния запорно-регулирующей арматуры и может быть использована для мониторинга состояния запорно-регулирующей арматуры без выведения ее из эксплуатации. Способ определения уровня утечки газа через негерметичный затвор закрытого шарового крана запорно-регулирующей арматуры трубопровода включает измерение давления в полости шарового крана манометром. Затем происходит перекрытие первого клапана, установленного в трубке, соединяющей трубопровод высокого давления с полостью крана, одновременно с открытием второго клапана, установленного в трубке, соединяющей трубопровод низкого давления с полостью крана, при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом высокого давления. Далее происходит перекрытие второго клапана одновременно с открытием первого клапана при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом низкого давления. При измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом высокого давления, после стабилизации давления, перекрытие второго клапана, проведение измерения манометром установившегося давления Р₁₁, проведение через некоторое время измерения манометром установившегося давления Р₁₂, при этом в случае неравенства давлений делают вывод о наличии утечки, объем которой вычисляют по формуле

где V₀ - объем полости крана при определенном давлении Р₀. При измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом низкого давления, после стабилизации давления способ включает перекрытие первого клапана, проведение измерения манометром установившегося давления P₂₁, проведение через некоторое время измерения манометром установившегося давления Р₂₂, в случае неравенства давлений делают вывод о наличии утечки, объем которой вычисляют по формуле

Техническим результатом является создание способа и устройства для определения уровня утечки через негерметичный затвор шарового крана запорно-регулирующей арматуры в рабочем режиме для диагностики уплотнительных элементов запорной арматуры без вывода их из эксплуатации и не приводящее в процессе измерений к выбросам транспортируемого продукта в атмосферу. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения уровня утечки газа через негерметичный затвор закрытого шарового крана запорно-регулирующей арматуры трубопровода, включающий измерение давления в полости шарового крана манометром, перекрытие первого клапана, установленного в трубке, соединяющей трубопровод высокого давления с полостью крана, одновременно с открытием второго клапана, установленного в трубке, соединяющей трубопровод низкого давления с полостью крана, при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом высокого давления и перекрытие второго клапана одновременно с открытием первого клапана при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом низкого давления, отличающийся тем, что при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом высокого давления, после стабилизации давления, перекрывают второй клапан, проводят измерение манометром установившегося давления Р₁₁, выжидают некоторое установленное время и проводят измерение манометром установившегося давления Р₁₂, в случае неравенства давлений делают вывод о наличии утечки, объем которой вычисляют по формуле

где V₀ - объем полости крана при определенном давлении Р₀, а при измерении утечки через уплотнение между полостью крана и трубопроводом низкого давления, после стабилизации давления, перекрывают первый клапан, проводят измерение манометром установившегося давления Р₂₁, выжидают некоторое установленное время и проводят измерение манометром установившегося давления Р₂₂, в случае неравенства давлений делают вывод о наличии утечки, объем которой вычисляют по формуле

2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее манометр, соединенный с полостью шарового крана, и трубки, соединяющие трубопроводы высокого и низкого давлений и полость шарового крана через крестовину, при этом трубки, соединяющие трубопроводы высокого и низкого давлений с крестовиной, снабжены клапанами, выполненными с возможностью перекрытия потока газа, отличающееся тем, что манометр соединен трубкой с крестовиной.