Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов в современном мире играет важнейшую техническую и экономическую роль. Для экологического и экономического аспектов трубопроводной отрасли необходимо строго контролировать целостность и герметичность эксплуатируемых трубопроводов. В процессе эксплуатации систем трубопроводного транспорта компании уделяют особое внимание обеспечению надежности и безопасности, реализуя приоритетную программу цифровой трансформации и интеллектуализации производства [1]. Несмотря на автоматизацию процессов эксплуатации, постоянные инспекции трубопроводов и поверки оборудования, на данный момент, к сожалению, невозможно гарантировать полную безопасность эксплуатации. Это связано в большой степени с возникновением утечек или незаконными отборами транспортируемого продукта из трубопроводов по несанкционированным врезкам.
Одной из главных задач нефтяной промышленности является борьба с потерями нефти из трубопроводов, в том числе локализация и ликвидация утечек и несанкционированных врезок (УНВ), которые наносят огромный экономический ущерб компаниям, величина хищений у которых достигает сотен тонн в сутки потерянной нефти и сотен миллионов рублей в год [2, 3]. Несанкционированные врезки не всегда устанавливаются квалифицировано, что довольно часто становится причиной аварий на трубопроводах и загрязнения прилегающих территорий транспортируемой нефтью или нефтепродуктами [4].
На текущий момент разработано и совершенствуется большое количество различных методов обнаружения УНВ, которые обычно разделяют на методы постоянного контроля и периодического либо на параметрические и не параметрические, основная часть которых рассмотрены в [3, 5, 6]. Однако, несмотря на кажущуюся законченность данной темы, это далеко не так и связано с ограниченностью по техническим, технологическим, экономическим или экологическим аспектам применения, что обусловлено достоинствами и недостатками того или иного метода обнаружения УНВ.
Среди реализованных способов обнаружения УНВ наиболее известными и используемыми являются параметрические методы, такие как, например:
Балансовые методы – определение факта утечки или врезки по дебалансу жидкости на контролируемом участке трубопровода, к которым относятся метод сравнения расходов [6], метод линейного баланса [7, 8], метод сравнения изменения скорости расходов [5], модифицированный метод материального баланса [5, 9] и иные модификации метода материального баланса [10];
Метод обнаружения по профилю давления – определение существования утечки или врезки по разности давлений [7];
Метод давление-расход – определение существования утечки или врезки путем сравнения давления и расхода в начальной и конечной точках участка трубопровода [7];
Метод гидравлической локации – по изменению гидравлических уклонов на этих сегментах определяется место и интенсивность утечки – и его модификации [3, 5, 11–13].
В большинстве случаев изучаются и модернизируются методы, связанные именно с изменением расхода или распределения давления по длине трубопровода, так как очевидно, что при наличии врезки или утечки эти параметры будут изменяться. Однако же, несмотря на постоянное совершенствование этих методов, представленное ранее, оперативное обнаружение негерметичности в большинстве случаев все еще не представляется возможным. Определение координаты УНВ с помощью известных методов невозможно, либо же неточно в достаточной мере для оперативного определения мест УНВ и устранения негерметичностей.
В представленной работе произведено моделирование и анализ влияния различных параметров УНВ и трубопровода на гидравлическую систему участка нефтепровода между нефтеперекачивающими станциями (НПС) с учетом влияния изменения объемного расхода на участке на развиваемый НПС напор.
Для начала рассмотрим только линейную часть (ЛЧ) участка нефтепровода между НПС и влияние координаты расположения УНВ на изменения технологических параметров ЛЧ участка нефтепровода.
Для анализа изменения гидравлического уклона при несанкционированной врезке в нефтепровод предположим существование трубопровода с постоянным диаметром d = 630 мм, длиной участка 100 км и высотными отметками.
Произведем расчет необходимых для построения графика гидравлического уклона величин, предполагая отсутствие несанкционированной врезки в нефтепровод.
Расчет полного напора в каждой точке в координате х выполняется по формуле (1)
Гидравлический уклон определяется согласно формуле (2) [14]:
Тогда представим график полного напора без утечек (рис. 1).
Предположим, что в нефтепровод была произведена несанкционированная врезка с помощью отвода диаметром d’ = 0,12 м. Рассчитаем параметры на предложенном участке и рассмотрим их изменение в связи с изменением объемного расхода нефти при ее хищении из трубопровода.
Скорость течения жидкости в месте врезки рассчитывается по формуле (3) [14]:
Расход нефти в нефтепроводе рассчитывается по формуле (4):
Расход нефти в месте несанкционированной врезки рассчитывается по формуле (5):
где 
– диаметр врезки, м.Перепад напоров, благодаря которому происходит истечение, определяется по формуле (6) [15]:
Давление в месте врезки определяется по формуле (7) [16]:
Предположим, что врезка в трубопровод происходит на 70, 130, 180, 330, 390 и 420 км, при высотных отметках z равных 293, 217, 190, 160, 180 и 150 м соответственно. Как видно из расчетных данных о полном напоре, сведенных в таблицу 1, по сравнению со случаем без отбора нефти из нефтепровода полный напор уменьшается. Представим полученные результаты в виде графика (рис. 2).
Как видно на рисунке 2, при возникновении врезки в нефтепровод в некоторой координате происходит искажение линии гидравлического уклона, причем, согласно расчетам и как видно графически, происходит увеличение гидравлического уклона на промежутке от НПС, расположенной в начале участка, до места врезки. А также уменьшение гидравлического уклона на промежутке от места врезки до НПС, расположенной в конце участка.
Таким образом, можно заметить серьезные отклонения линий гидравлического уклона во множестве точек с предположительными врезками. Наиболее «незаметными» являются врезки с координатой х равной 85 км. Линия гидравлического уклона приближена к «эталонной» линии гидравлического уклона без врезки в местах, где врезка дает наименьшую разницу между напорами в требуемой координате.
Проанализируем известный метод локализации утечек и несанкционированных врезок по разности расхода, для этого произведем расчет по формуле (5) и сведем полученные данные в таблицу. Расход в герметичном нефтепроводе без врезок и утечек, рассчитанный по формуле (4), составляет Q = 2748,71 м3/с.
Из таблицы видно, что при наличии врезки в нефтепровод не соблюдается постоянство объемного расхода по длине участка нефтепровода. Из-за совершающейся откачки нефти объемный расход в конце участка значительно уменьшается. Причем в связи с зависимостью расхода нефти в месте утечки от разности напоров
, согласно формуле (5), наиболее рациональным все так же считается отбор на 85 км. Метод определения несанкционированных врезок в нефтепровод по разности расходов в начале и конце участка является наиболее частым в использовании предприятиями, однако в связи с тем, что врезка, установленная квалифицированной группировкой, учитывает необходимость минимального изменения напора, то есть , от которого зависит расход откачки, а также в связи с существованием вентиля, необходимого для регулировки расхода откачки, в большинстве случаев преступники продолжают оставаться незамеченными.
Теперь рассмотрим влияние утечки в связи с возникновением несанкционированной врезки в трубопровод, для этого проведем расчет.
Известно, что в связи с истечением нефти из трубопровода в окружающую среду, а не откачкой, как в первом случае, для нахождения объемного расхода в месте утечки, необходимо учитывать коэффициент расхода.
Таким образом, объемный расход нефти, проходящий через место утечки, может быть рассчитан по формуле (8) [15]:
Число Рейнольдса рассчитывается по формуле (9) [18]:
Предположим, что существует утечка из нефтепровода с диаметром отверстия 0,01 м. По формулам, предложенным выше, произведем расчет напора с учетом утечки (табл. 4) и построим линии уклонов (рис. 3).
Как видно на графике, все шесть линий уклона с наличием утечки также деформировались по сравнению с линией гидравлического уклона первоначального участка трубопровода, не имеющего ни врезок, ни утечек. В данном случае искажение не так велико, как в случае с врезкой. Это связано с более незначительными отклонениями напора в нефтепроводах с утечкой, которые в масштабе графика дают относительно небольшие отклонения. Тем не менее оперативно определить небольшую утечку с диаметром отверстия всего 1 см в большинстве случаев не удается.
Предположим, что откачка из нефтепровода происходит с помощью насоса, расположенного между начальной и конечной точками участка, и проанализируем его влияние на линию гидравлического уклона.
На насосной станции работают три насосных агрегата, тогда напор, развиваемый насосами, определяется по формуле (10) [14]:
Принимая, что плотность перекачиваемой нефти ρ = 875 кг/м3, скорость= 2 м/с, подпор = 60 м, высотная отметка, на которой находится перекачивающая станция z = 68 м, определим полный напор (11) [15]:
Определим полезную мощность работающих насосов (12) [14]:
При подключении насоса для отбора нефти в районе места несанкционированной врезки в нефтепровод изменяется расход нефти. На участке от врезки до следующей перекачивающей станции расход уменьшается, а на участке от первоначальной перекачивающей станции до места врезки возрастает. Предполагая, что врезка произошла на 40 км, получим новый расход м3/ч. Таким образом, изменяется и полный напор. Так как врезка и подкачка произошли между промежуточными перекачивающими станциями, то подпор остается 
.
Результаты расчетов приведены в таблице 5.
Сравним, как изменяются графики гидравлических уклонов с учетом насосов и без их учета. Как видно из произведенных расчетов, полный напор снизился на ∆ в связи с уменьшением напора, развиваемого работающими станциями при прочих принятых константах и с учетом подпора.
На рисунке 4 линия гидравлического уклона искажается из-за существования врезки в нефтепровод и, как следствие, ее хищения. Увеличивается перепад напоров, связанный с истечением в конкретной координате. В таблицах 6, 7 представлены изменения параметров с учетом и без учета насосов.
Таким образом, анализируя полученные выше результаты, можно сделать вывод, что при наличии насоса на участке между НПС напор, развиваемый ими, будет падать при возникновении УНВ на участке магистрального нефтепровода после НПС вследствие увеличения расхода на участке до УНВ и снижении его после. Также можно прийти к выводу о том, что с помощью анализа изменений мощности НПС, можно определить наличие факта УНВ на участке МН [19]. Однако из исследования линий гидравлического уклона при различных УНВ следует, что остается много вопросов к тому, как именно обнаружить местоположения УНВ параметрическими методами. Это связано с искажениями, вносимым изменением создаваемого на НПС насосами, напора в общую гидравлическую систему, что, в свою очередь, приводит к большим ошибкам при определении координаты УНВ параметрическими методами.
