Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих знаний и технических решений по исследуемой проблеме 14
1.1. Анализ причин аварий на линейной части систем трубопроводного транспорта жидких углеводородов 15
1.2. Виды и классификация геосинтетиков 21
1.3. Использование геосинтетических оболочечных конструкций в строительстве 27
1.4. Экономическая эффективность применения геотубов, заполняемых намывным грунтом 34
1.5. Выводы по главе 41
ГЛАВА 2. Новые технические решения использования геосинтетиков для повышения безопасности работы систем трубопроводного транспорта углеводородов 42
2.1. Превентивные мероприятия, направленные на предотвращение повреждения трубопроводов от внешних воздействий ... 42
2.2. Технические решения, используемые при ликвидации аварий, предназначенные для сокращения наносимого ущерба 64
2.3. Выводы по главе 77
ГЛАВА 3. Теоретические исследования пространственной формы мягких геосинтетических оболочек 78
3.1. Математическая модель пространственной формы грунтозаполненных геотубов 78
3.2. Влияние растягивающих усилий в геотубах на их форму с учётом анизотропности геосинтетического материала 91
3.3. Экспериментальная проверка математической модели пространственной формы геотуба заполняемого намывным грунтом 93
3.4. Описание процесса заполнения мягкой цилиндрической оболочки грунтом методом гидронамыва 97
3.5. Закономерности, описывающие процесс движения пульпы в геотубах 102
3.6. Выводы по главе 111
ГЛАВА 4. Зависимости для практических расчётов конструкций из геотубов, заполняемых намывным грунтом 112
4.1. Расчёт защитных дамб обвалований трубопроводов 112
4.2. Расчёт берегоукрепительных конструкций
4.3. Расчёт оснований технологических проездов 124
4.4. Расчёт размеров защитных дамб обвалований на уклоне, предотвращающих попадание аварийно разливающихся жидких углеводородов в открытые водоёмы 126
4.5. Выводы по главе 138
ГЛАВА 5. Зависимости для практических расчётов оболочечных конструкций из геосинтетиков, предназначенных для сокращения ущерба при аварийном разливе углеводородов 139
5.1. Динамика падения давления в повреждённом трубопроводе и её влияние на величину ущерба от аварии 139
5.2. Расчёт размеров аварийных емкостей для сбора и временного хранения жидких углеводородов 163
5.3. Расчёт устойчивости геосинтетических конструкций и времени высачивания жидких углеводородов под геотубами 168
5.4. Расчёт параметров несгораемых заграждений для локализации пожара 171
5.5. Выводы по главе 180
ГЛАВА 6. Экспериментальные исследования свойств геосинтетических материалов 182
6.1. Экспериментальное определение коэффициента гидравлической шероховатости геосинтетических материалов 182
6.2. Экспериментальное определение коэффициента фильтрации водопроницаемых геосинтетиков 196
6.3. Определение относительного удлинения геосинтетических материалов под действием растягивающих нагрузок
6.4. Выводы по главе 211
Основные выводы и рекомендации 212
Список использованной литературы 214
Приложение 1 236
Приложение 2 281
- Использование геосинтетических оболочечных конструкций в строительстве
- Технические решения, используемые при ликвидации аварий, предназначенные для сокращения наносимого ущерба
- Описание процесса заполнения мягкой цилиндрической оболочки грунтом методом гидронамыва
- Расчёт размеров защитных дамб обвалований на уклоне, предотвращающих попадание аварийно разливающихся жидких углеводородов в открытые водоёмы
Введение к работе
Современные промышленные объекты, в том числе системы трубопроводного транспорта углеводородов достаточно совершенны. Однако полностью устранить аварии на объектах трубопроводного транспорта углеводородов зачастую бывает практически невозможно ввиду множества факторов, вызывающих появление нештатных ситуаций на их линейной части (износ оборудования, человеческий фактор, природные явления и др.). Поэтому вопросы совершенствования трубопроводных систем и, тем самым, повышения их пожарной, промышленной и экологической безопасности всегда остаются актуальными и постоянно привлекают к себе внимание ученых и практиков всего мира. Среди отечественных ученых, внесших значительный вклад в решение этой актуальной проблемы, следует отметить Антипьева В.Н., Бабина Л.А., Байкова И.Р., Березина В.Л., Бородавкина П.П., Быкова Л.И., Гумерова А.Г., Гумерова Р.С, Забелу К.А., Земенкова Ю.Д., Зоненко В.И., Ибрагимова И.Г., Иванова В.А., Иванова И.А., Кершенбау-ма В.Я., Кима СИ., Кузеева И.Р., Коваленко Н.П., Коршака А.А., Крамского В.Ф., Лыщенко Л.З., Мавлютова P.M., Малютина Н.А., Махутова Н.А., Минаева В.И., Мокроусова С.Н., Морозова Е.М., Москвичёва В.В., Назарова В.П., Новосёлова В.В., Ращепкина К.Е., Сидорова А.И., Смирнова В.А., Со-щенко А.Е., Столярова Р.Н., Тугунова П.И., Хретинина И.С, Челомбитко СИ., Черняева В.Д., Черняева К.В., Шабаро-ва А.Б., Шаммазова A.M., Шарафиева Р.Г., Юфина В.А., Ясина Э.М., Яковлева Е.И. и др. авторов многочисленных публикаций, посвященных этим вопросам.
Актуальность данной проблемы постоянно рассматривается на различных уровнях власти и корпоративного управле-
ния. Вопросы снижения аварийности, повышения пожарной, промышленной и экологической безопасности систем трубопроводного транспорта, в том числе путём внедрения инноваций, выносились на заседания Комиссии Правительства по оперативным вопросам, на заседания Правления ОАО АК «Транснефть», Коллегии Министерства, Совета Федерации РФ и т.д. Рассмотренные вопросы отражены в ряде правительственных постановлений, нормативных отраслевых документах, а также в федеральном законе «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
Современные условия хозяйствования выдвигают актуальные требования эффективного применения новых материалов и технологий с максимальным использованием местных ресурсов для совершенствования трубопроводных систем, в том числе путём повышения их промышленной, пожарной и экологической безопасности.
К таким материалам можно отнести широкий спектр геосинтетиков, обладающих различными физическими свойствами, устойчивых к агрессивным воздействиям окружающей среды, а, следовательно, долговечных в эксплуатации. Благодаря своим уникальным свойствам применение геосинтетиков в различных конструкциях на объектах трубопроводного транспорта жидких углеводородов позволяет предотвратить повреждения трубопровода, вызываемые внешними воздействиями, а в случае возникновения повреждений — сократить ущерб от аварийного разлива жидких углеводородов. Совместное применение геосинтетиков в виде цилиндрических оболочек (геотубов) и местных грунтов путём использования средств гидромеханизации земляных работ даёт возможность объединить в единый технологический процесс разработку грунта, его транспортировку и укладку в тело сооружаемых
конструкций, что немаловажно для трубопроводов, прокладываемых в сложных геогидрологических условиях.
Цель работы - повышение безопасности трубопроводного транспорта углеводородов путём совместного применения геосинтетиков в виде геотубов и средств гидромеханизации для предотвращения и сокращения ущерба, вызванного авариями.
Основные задачи исследований '
Разработка технических решений по повышению безопасности трубопроводного транспорта углеводородов на основе применения геосинтетиков в виде геотубов и средств гидромеханизации.
Экспериментальное определение характеристик геосинтетиков, необходимых для расчёта параметров цилиндрических оболочек (геотубов).
Построение математической модели и выявление закономерностей, описывающих пространственное изменение формы геотубов, как основных элементов новых технических решений, в зависимости от давления жидкой среды внутри и степени заполнения геотубов намывным грунтом, с учетом фильтрации воды в грунте и геосинтетике, необходимых для расчета процесса гидронамыва грунта в оболочку и размеров готовых конструкций из геотубов.
Получение аналитических зависимостей для расчёта основных параметров конструкций из геотубов, предназначенных для использования в практике сооружения и реконструкции трубопроводов.
5. Математическое описание основных технологических па
раметров заполнения геосинтетических оболочек и их разме-
ров в конструкциях, предназначенных для применения в практике ликвидации аварий на линейной части трубопроводов, по которым перекачиваются жидкие углеводороды.
Поставленные задачи решались с использованием теории моделирования физических процессов, теории напряженного состояния мягких оболочек, эмпирических исследований и методов математического анализа. Эксперименты проведены на модельных установках, а их результаты обработаны с применением вычислительной техники и методов математической статистики.
Научная новизна
Предложен новый концептуальный подход к повышению безопасности функционирования трубопроводов, заключающийся в совместном применении геосинтетиков в виде геотубов и средств гидромеханизации при возведении защитных конструкций для предотвращения повреждений трубопроводов от внешних воздействий и сокращения ареала растекания транспортируемого продукта при нарушении их герметичности.
Разработана математическая модель, описывающая пространственное изменение формы геотубов в зависимости от давления жидкой среды внутри них и степени заполнения намывным грунтом с учётом фильтрации воды в грунте и материале геосинтетика, позволяющая построить любую пространственную форму геотубов, заполненных намывным грунтом, используемых во всех запатентованных автором конструкциях.
Впервые на основе теории подобия физических процессов и разработанной математической модели пространственной
формы геотубов получены зависимости, связывающие основные геометрические и гидравлические характеристики поперечного сечения грунтонаполненных геотубов, такие как площадь и периметр поперечного сечения геотуба, его высота, длина контакта с основанием, максимальный поперечный размер, толщина геосинтетика и другие с учётом фильтрационных свойств намываемого грунта и материала оболочки, необходимые для расчёта размеров готовых конструкций из геотубов.
Установлены аналитические зависимости для оценки несущей способности и устойчивости конструкций из грунтонаполненных геотубов с учётом относительного удлинения и анизотропности геосинтетического материала, а также времени высачивания жидких углеводородов под геотубами.
Впервые на основе созданной математической модели получены аналитические зависимости для инженерных расчётов новых способов применения грунтонаполненных геотубов в практике сооружения и реконструкции трубопроводов, используемых для транспорта углеводородов, позволяющие определять параметры конструкций из геотубов, с учётом обеспечения ими защитного эффекта.
Впервые предложены аналитические зависимости для инженерных расчётов новых способов применения геотубов в практике ликвидации аварий на линейной части нефтепродук-топроводов и сокращения ущерба от аварий в трубопроводном транспорте жидких углеводородов, позволяющие определять основные параметры конструкций из геотубов, с учётом их функциональной принадлежности.
Практическая ценность и реализация работы
Разработан комплекс новых технических решений, предполагающих использование геосинтетической цилиндрической оболочки, как базового элемента при берегоукреплении створов подводных переходов трубопроводов, сооружении самих переходов, возведении защитных обвалований трубопроводов при прокладке и ремонте в сложных геогидрологических условиях, сооружении быстровозводимых ёмкостей для сбора и временного хранения аварийно разливающейся нефти, возведении защитных дамб-обвалований, предотвращающих попадание аварийно растекающихся углеводородов в открытые водоёмы, несгораемых боновых заграждений и средств локализации пожаров на суше. Представленные технические решения запатентованы в РФ, часть из них отнесена Федеральным институтом промышленной собственности к наиболее перспективным изобретениям страны. Изобретения направлены на повышение пожарной, промышленной и экологической безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородов, позволяют существенно снизить стоимость строительства за счёт сокращения объёма грузоперевозок автотранспортом (для ряда технических решений) и дают возможность осуществлять его в летний период времени на заболоченных территориях.
Теоретические и практические результаты выполненных исследований используются при проектировании нефтегазопроводов в институте "Нефтегазпроект", а также на предприятиях "Сургутгазпром", "Сибнефтепровод" и "Сургутподвод-трубопроводстрой". По результатам исследований совместно с ВНИИСТ разработаны и доведены до строительных подразделений технические решения по применению геотекстильных
синтетических материалов при берегоукреплении подводных переходов магистральных трубопроводов.
Теоретические и практические результаты исследований используются также при чтении лекций для студентов Тюменской государственной архитектурно-строительной академии и Тюменского государственного нефтегазового университета на специальностях 290810 — "Автомобильные дороги и аэродромы", 330500 - "Безопасность технологических процессов", 090701 - "Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ".
Апробация полученных результатов
Основные и наиболее важные результаты, полученные в работе докладывались: на третьей республиканской научно-технической конференции специалистов по проблемам сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов по трубопроводам (Уфа, 1978 г.); на республиканской межвузовской конференции "Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири" (Тюмень, 1979 г.); на республиканской межвузовской конференции "Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири" (Тюмень, 1979 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции по комплексной программе Минвуза РСФСР "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, 1985 г.); на всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа", (Ивано-Франковск, 1985 г.); на IV Всесоюзной конференции "Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа", Москва, (1988 г.); на международной научно-практической конференции "Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири" (Тюмень, 1999 г.); на международном сове-
щании " Проблемы магистрального и промыслового транспорта углеводородов" (Тюмень, 2000 г.); на 4-ой Всероссийской научно-практическая конференции" Окружающая среда " (Тюмень, 2001 г.); на международном совещании "Энергоресурсосберегающие технологии в нефтегазовой промышленности России" (Тюмень, 2001 г.); на научно-технической конференции "Нефть и газ: Проблемы недропользования, добычи и транспортировки", посвященной 90-летию со дня рождения В.И. Муравленко (Тюмень, 2002 г.); на специализированном совещании по применению геосинтетических оболочечных защитных конструкций в Главном управлении по делам ГО и ЧС Тюменской области (Тюмень, 2004 г.).
Результаты работы по использованию геотубов отражены в Большой Тюменской Энциклопедии, посвященной шестидесятилетию области, 2004 г.
Результаты исследований по применению геотекстильных материалов в транспортном строительстве отмечены в 1988 г. серебряной медалью ВДНХ СССР и в 2004 г. — серебряной медалью международного салона промышленной собственности "Архимед 2004" (Москва) - за разработку мягких оболочечных конструкций.
На защиту выносятся
1. Новые технические решения по повышению безопасности
трубопроводного транспорта углеводородов на основе приме
нения геосинтетиков в виде оболочек.
2. Математическая модель и результаты исследований про
странственного изменения формы геосинтетической оболочки,
заполненной намывным грунтом в зависимости от давления
жидкой среды внутри неё и степени наполнения с учётом фильтрации воды в грунте и геосинтетическом материале. 3. Аналитические зависимости для расчёта основных параметров конструкций из геотубов.
Структура и объём диссертации
Работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы, приложений и содержит 235 страниц текста без приложений, включая 16 таблиц и 56 иллюстраций. Библиография включает 198 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Использование геосинтетических оболочечных конструкций в строительстве
Благодаря нескольким успешным и достаточно заметным проектам в 90-х годах XX века технологии использования в инженерном строительстве геосинтетических оболочек (геоту-бов), заполняемых грунтом, получили признание и широкое распространение во всём мире в самых разных сферах.
Многие эксперты в области использования геосинтетиков согласятся, что событием, давшим мощный толчок развитию и широкому распространению технологии использования геоту-бов, заполняемых грунтом методом гидронамыва, стал один из первых подобных проектов в США — реконструкция защитной песчаной дюны в Атлантик Сити, штат Нью Джерси [170, 189, 194, 195]. Между 1993 и 1994 годами из-за смыва песка в море Атлантик Сити потерял более 30 метров территории пляжа. Местами океан "съедал" по 30 см суши за месяц. Прошедшие в течение года штормы размыли, а кое-где и смыли полностью искусственные песчаные дюны, защищавшие городскую набережную, дома, офисы, отели и казино, расположенные вдоль берега. Проблема встала наиболее остро, когда высокие приливы, вызванные штормами в Атлантическом океане, полностью смыли пляж и песчаные дюны, что ставило прибрежные здания под угрозу разрушения. Традиционно принимаемые меры по восстановлению, включавшие в себя регулярное восстановление защитной песчаной дюны и пляжа, обходились до миллиона долларов в год. Требовалось более эффективное решение восстановления береговой линии на продолжительный период. В конце 1994 года инженерам местных муниципальных служб компанией Mirafi были представлены геотубы из высокопрочного тканого полипропиленового полотна [187]. Проектировщики предложили использовать представленные геотубы, заполняемые грунтом, в качестве основы защитной песчаной насыпи (рис. 1.6).
Предложенная ими оболочечная конструкция предназначалась для предотвращения размыва пляжа волнами и, одновременно, задержания песчаных наносов за оболочкой. Инженеры муниципальных служб определили, что оболочки 9 м в диаметре будет достаточно для обеспечения защиты, то есть во время сильных штормов оболочка может оголяться, но насыпь за оболочкой, а значит и береговая линия останется нетронутой.
В ходе работ по реконструкции песчаной дюны геотекстильная оболочка протянулась вдоль побережья Атлантик Сити, создав устойчивую защиту от штормов и предотвратив дальнейший размыв и потери территорий. При этом использовались геотубы 9 м в диаметре и длиной от 12 до 277 м. Отверстия для наполнения оболочек намывным песком располагались вдоль верхней образующей оболочки на расстоянии 7,5 м друг от друга. По окончании заполнения оболочки были засыпаны песком и засеяны травой. В результате реконструкции дюна выглядела естественной (рис. 1.7).
Летом 1995 года, всего через три месяца после окончания работ, на восточное побережье Соединённых Штатов обрушился ураган Льюис. Ветер, скорость которого достигала 48 км/ч, вызывал волны до 3 - 3,6 м высотой. Шторм, продолжавшийся три дня, полностью смыл песчаный пляж и дюны, находящиеся перед оболочкой со стороны океана, в то время как береговая линия за оболочкой осталась невредимой (рис. 1.8).
Таким образом, обустройство береговой защитной насыпи с использованием грунтозаполненных геосинтетических оболочек позволило сэкономить миллионы долларов, которые в противном случае пришлось бы потратить на восстановление прибрежной части города.
В мае 2001 года технология использования геосинтетических оболочек была впервые представлена в странах Персидского залива при осуществлении проекта строительства курортного острова в Бахрейне [177, 178].
Компания ТС Mirafi (США), мировой лидер в области решений по использованию геосинтетических оболочек, выиграла тендер на поставку и монтаж мягких геосинтетических оболочечных конструкций, заполненных песком методом гидронамыва, для применения их при реализации проекта строительства у побережья Бахрейна курортных островов, рассчитанных на один миллиард туристов (рис. 1.9). Это первый подобный опыт применения грунтонаполняемых геотубов в Персидском заливе. По окончании строительства на искусственных островах, получивших название Амваж острова, будет расположена фешенебельная курортная зона с роскошной набережной, лагунами, резидентскими виллами и кондоминиумами, пятизвездными отелями и парками развлечений. Проект общей площадью три миллиона квадратных километров будет состоять из группы островов, соединённых между собой мостами и каналами, напоминая Венецию. Весь комплекс будет находиться в двух километрах от побережья и будет сообщаться с "большой землёй".
Технические решения, используемые при ликвидации аварий, предназначенные для сокращения наносимого ущерба
Характерной особенностью трубопроводного строительства является то, что оно ведется на узкой полосе значительной протяженности. Трассы магистральных трубопроводов пересекают реки, болота, озера и другие естественные преграды. При авариях на линейной части трубопроводов окружающей среде может быть нанесён непоправимый ущерб, а последствия наиболее крупных аварий могут наблюдаться ещё в течение долгого времени. Основной экологический ущерб при авариях на нефте- и продуктопроводах — это долговременное загрязнение почв и вод, которое приводит к дестабилизации гидрологической обстановки, уничтожению растительности, гибели фауны [115]. Природоохранные мероприятия, проводимые при строительстве переходов через водные преграды, должны быть направлены на недопущение загрязнений акваторий, размыва берегов, оскудение фауны водоемов, изменения гидрологического режима водотоков [122, 165].
Для снижения возможного ущерба на практике применяются дамбы обвалования, выполненные из грунта вдоль урезов воды вблизи водных объектов. Но такие обвалования под действием ветровой эрозии, атмосферных осадков и паводковых вод уже через очень короткий период времени (примерно через год) разрушаются и требуют восстановления. Преждевременного разрушения дамб можно избежать, если выполнять их в виде геосинтетических оболочек, заполненных грунтом методом гидронамыва [112, 162].
Основное назначение дамб обвалований — задерживать вытекшую при аварии нефть в течение времени, достаточного для устранения аварии и сбора этой нефти. Дамбы обвалований должны отвечать следующим требованиям: - не должна нарушаться гидрология суши при устройстве дамб, то есть последние должны хорошо пропускать воду в количестве паводкового и дождевого расходов; - дамбы должны иметь простую конструкцию при условии обеспечения технологичности строительства и максимального применения местных материалов.
Отличительной особенностью дамб обвалования в виде оболочек является то, что даже при полном и длительном их обводнении грунт не подвержен растеканию с формированием свободного, так называемого пляжного откоса, что свойственно обычной грунтовой насыпи, а принимает форму капли. Более надежная работа конструкции в виде оболочки с грунтовым заполнителем по сравнению с обычным грунтовым обвалованием объясняется тем, что в процессе гидронамыва достигается высокая плотность укладки грунта и исключается возможность его растекания, так как он заключен в замкнутую оболочку.
Конструкция дамб обвалования представляет из себя узкопрофильные оболочечные сооружения. На местности вдоль оси возводимого сооружения расстилают мягкое полотнище из геосинтетического материала в виде пустотелой оболочки, после чего оболочка заполняется грунтом методом гидронамыва. Оболочка может заполняться двумя способами. Первый - при нулевом пьезометрическом напоре на входе в отверстия, выполненные на верхней образующей оболочки с выбранным шагом. Второй - с торца оболочки под напором, обеспечивающим заданные параметры сечения конструкции. С целью сохранения гидрологического режима конструкция оборудуется водопропусками, препятствующими прохождению через них нефти. Для этого в них вставляются сменные патроны из гранулированного каучука. Вода проходит через каучуковые гранулы беспрепятственно, а нефть, растворяет каучук до клеепо-добной массы, которая делает патроны непроницаемыми.
Своевременная организация и проведение необходимых ликвидационных мероприятий для трубопроводных систем, транспортирующих углеводороды, может способствовать снижению количества неблагоприятных последствий в случае аварийного разлива жидких загрязнений. Максимально повысить эффективность таких мероприятий, особенно на грунтах со слабой несущей способностью, позволяет использование современных геомембранных материалов. На основе проведённых исследований автором был предложен способ, позволяющий оперативно реагировать в случае аварийного разлива жидких загрязнений из повреждённого участка трубопровода на местности. Суть способа заключается в ликвидации загрязнений путём сбора и временного хранения растекающейся нефти в быстровозводимые на месте аварии ёмкости. В непосредственной близости от места аварии на трубопроводе, в наиболее низкой части поверхности грунта укладывают мягкие непроницаемые оболочки из геосинтетического материала по спирали с образованием кольца в плане (рис. 2.9) [127].
Оболочки укладывают плотно друг к другу в несколько рядов по вертикали. Очевидно, что чем больше количество оболочек в ряду, тем выше устойчивость получаемого в итоге заграждения. Число витков спирали в каждом последующем ряду уменьшают на единицу. Концы оболочек одного ряда соединяют с другим и заполняют жидкостью, начиная с нижнего ряда под давлением не менее гидростатического давления столба жидкости высотой, равной высоте ограждения аварийной ёмкости. Жидкостью, которой заполняют оболочки, может быть как сама нефть, так и вода. После заполнения последней верхней оболочки получившаяся ёмкость готова к эксплуатации. Внутрь сформированного оболочками кольцевого ограждения закачивают аварийно выливающиеся из трубопровода жидкие углеводороды, то есть заполняют ёмкость.
Описание процесса заполнения мягкой цилиндрической оболочки грунтом методом гидронамыва
Заполняемая оболочка цилиндрической формы с одного конца герметично соединяется с трубопроводом или рукавом, подающим водогрунтовую смесь. На пульпопроводе перед входом в оболочку последовательно устанавливают запорную арматуру и манометр. С противоположного конца оболочки монтируется патрубок, соединённый с трубопроводом (или мягким рукавом), предназначенным для отвода осветлённой воды. На патрубке аналогично, но в обратной последовательности устанавливается манометр и запорная арматура для поддержания необходимого давления внутри оболочки в процессе её заполнения. Заполнение происходит следующим образом: с помощью задвижки на пульпопроводе устанавливается требуемый расход, и оболочка заполняется водогрунтовой смесью до тех пор, пока манометры, расположенные на противоположных концах оболочки, не будут показывать расчётное давление, приводящее к полному вытягиванию геосинтетического материала. После чего задвижка на выходном патрубке приоткрывается, и осветлённая вода отводится с карты намыва. Очевидно, что в процессе заполнения мягкой цилиндрической оболочки грунтом методом гидронамыва давление внутри неё уменьшается по длине вследствие потерь на трение при движении жидкости, а в случае водопроницаемой оболочки и за счёт фильтрации воды через боковую поверхность геотуба. Это означает, что геометрические параметры сечения конструкции также изменяются по длине. Известно, что главная характерная особенность мягких геосинтетических оболочек — их податливость, то есть способность изменять геометрическую форму под воздействием нагрузок в процессе заполнения намывным грунтом [3, 135]. Если на входе в оболочку создаётся давление жидкой среды, обеспечивающее круглость её поперечного сечения, то по мере удаления от места соединения мягкой оболочки с пульпопроводом поперечное сечение оболочки постепенно будет принимать форму вытянутой капли.
Весь процесс заполнения оболочки намывным грунтом можно разбить на два этапа. Первый этап - намытый грунт растекается внутри оболочки с, так называемым, "пляжным" откосом. Экспериментально установлено, что угол наклона откоса составляет 15-20. Грунт выпадает в осадок из пульпы в начале оболочки из-за резкого снижения скорости движения жидкости на входе подводящего пульпопровода в геотуб. На большей части длины геотуба на этом этапе движется осветлённая вода с очень маленькими скоростями из-за большой разницы в площадях поперечного сечения подводящего пульпопровода и самого геотуба. Потерями напора при движении осветлённой воды в геотубе на этом этапе можно пренебречь. Напорная характеристика геотуба при заполнении его намывным грунтом на первом этапе не изменяется во времени. Следовательно заполнение геотуба на начальном этапе происходит при установившемся движении жидкости с постоянным расходом пульпы во времени. Начало второго этапа заполнения геотуба намывным грунтом характеризуется оттеснением "пляжного" откоса, намытого на первом этапе грунта в сторону движения жидкости в геотубе с образованием перед ним карты намыва грунта, соответствующей критической скорости движения пульпы на всей длине этой карты. Длина образующейся карты намыва на втором этапе заполнения геотуба грунтом постоянно увеличивается во времени, что приводит к изменению напорной характеристики оболочки. Потерями напора при движении пульпы вдоль карты намыва с критическими скоростями на этом этапе пренебрегать уже нельзя. Под критической скоростью понимается такая скорость, ниже значения которой начинается осаждение твёрдых частиц в потоке пульпы [155]. Исследованиями многочисленных авторов установлено, что критическая скорость является функцией гидравлического радиуса и физических свойств пульпы. Изменение напорной характеристики геотуба во времени приводит к смещению рабочей точки в системе нагнетатель — сеть, уменьшению расхода пульпы на входе в геотуб и повышению входного давления. То есть второй этап заполнения геотуба намывным грунтом характеризуется неустановившимся движением жидкости внутри геотуба. Изменение скорости движения пульпы осуществляется плавно во времени, возникающие ускорения крайне малы. Поэтому при математическом описании этого этапа заполнения геотуба намывным грунтом можно воспользоваться методом смены стационарных состояний. В конце второго этапа с конца геотуба истекает не осветлённая вода, а пульпа, это означает, что оболочка наполнена намывным грунтом и заполнение её прекращается. Напорная характеристика геотуба стабилизируется во времени. Дальнейшее заполнение оболочки намывным грунтом невозможно без принудительного смещения рабочей точки системы нагнетатель — сеть влево по характеристике нагнетателя, например, путём перекрытия задвижек на концах геотуба. Первый этап заполнения геотуба намывным грунтом краток по времени и незначителен по длине. Наибольший интерес представляет второй этап заполнения, так как он в основном характеризует время и возможную длину заполнения оболочечных конструкций намывным грунтом.
Движение пульпы на входе в оболочку представляет собой затопленную струю, работающую в стеснённых условиях, что вызывает, так называемые, концевые эффекты в геотубах, влияющие на процесс осаждения твёрдой составляющей пульпы при входе в конструкцию. Для снижения длины концевых эффектов рекомендуется устанавливать гасители струи на входящем пульпопроводе, приводящие к быстрому снижению скорости пульпы вдоль затопленной струи и, соответственно, осаждению твёрдой составляющей пульпы в непосредственной близости от входа в геотуб, что способствует равномерности заполнения его намывным грунтом по длине.
Расчёт размеров защитных дамб обвалований на уклоне, предотвращающих попадание аварийно разливающихся жидких углеводородов в открытые водоёмы
На рис. 4.11 внешним не заштрихованным контуром показана эпюра опорожнения расчётного участка от дегазированной нефти без учёта расстановки внутри него запорных линейных узлов. Внутренним заштрихованным контуром показана эпюра опорожнения этого участка трубопровода с учётом рационального размещения внутри него двух задвижек. Количество задвижек определяется по соответствующим нормативным документам. Рациональной считается такая расстановка задвижек по трассе расчётного участка трубопровода, при которой заштрихованная эпюра опорожнения имеет наименьшую площадь или наименьшую среднеинтегральную длину опорожнения со всего рассматриваемого расчётного участка трубопровода. перегона где Rc(x) - среднеинтегральная длина опорожнения расчётного участка от нефти; w3n - заштрихованная площадь эпюры опорожнения.
Минимизация w3„ или i? ,)может осуществляться различными способами, с использованием динамического программирования, применением релаксационного метода Гаусса, градиентного метода и др.
Для рассмотренного профиля трубопровода (рис. 4.11) среднеинтегральная длина опорожнения от дегазированной нефти без учёта расстановки задвижек внутри расчётного участка составляет 11,7 км, а с учётом рационального размещения двух задвижек Rc(x)= 3,97 км.
При истечении из повреждённого участка газонасыщенной нефти опорожняются от жидкости участки трубопровода, движение нефти в которых нисходящее по отношению к месту расположения разрыва [4, 79, 80]. С учётом этого эпюра опорожнения от газонасыщенной нефти ранее рассмотренного расчётного участка трубопровода примет вид, представленный на рис. 4.12.
Внешним контуром показана эпюра опорожнения трубопровода без учёта расстановки внутри него линейных задвижек, а внутренним контуром — с учётом рационального размещения внутри перегона двух задвижек [8]. При этом среднеин-тегральная длина опорожнения для внешней эпюры составляет 26,4 км, а для заштрихованной эпюры 6,15 км.
Из сравнения рисунков 4.11 и 4.12 видно, что среднеин-тегральная длина опорожнения рассматриваемого участка трубопровода при перекачке по нему газонасыщенной нефти значительно больше, чем при перекачке дегазированной. Однако уменьшение средней длины опорожнения Rc(x) на единицу запорной арматуры внутри расчётного участка при рациональной её установке наблюдается большее при газонасыщенной перекачке нефти, чем при дегазированной. То есть арматура используется эффективнее. Следует отметить, что координаты установки рационального числа задвижек для сравниваемых видов транспорта нефти, для одного и того же участка трубопровода не совпадают друг с другом.
Для сокращения потерь газонасыщенной нефти до значения потерь дегазированной нефти, а соответственно и количества защитных дамб обвалования, можно идти по пути увеличения числа линейных задвижек. Увеличивая каждый раз число задвижек на единицу, нужно производить рациональное секционирование до тех пор, пока среднеинтегральная длина опорожнения Rc(x) от газонасыщенной нефти не станет меньшей или равной значению Rc(x) для дегазированной нефти на рассматриваемом расчётном участке трубопровода. Объём аварийного стока углеводородов из повреждённого трубопровода определяется произведением длины опорожняющихся участков на площадь поперечного сечения трубопровода. 1. Установлены аналитические зависимости для определения линейных размеров, площади поперечного сечения гео-тубов с намывным грунтом и других параметров, необходимых для обеспечения защитного эффекта предложенных автором конструкций. 2. На основании проведённого гидравлического расчёта геосинтетического коллектора берегоукрепительного мата, располагаемого на откосе, получена аналитическая зависимость для расхода пульпы на входе, обеспечивающего равномерность заполнения намывным грунтом всех горизонтальных оболочек мата. 3. Предложен метод определения потенциального аварийного стока нестабильных углеводородов из повреждённого трубопровода, необходимая для расчёта параметров защитных конструкций. Повреждения линейной части трубопровода и связанные с ними простои ведут к нарушению нормальной работы трубопроводной системы. К тому же аварийный разлив нефти наносит ущерб угодьям в окрестности трубопровода и приводит к потере ценных продуктов перекачки. Весь ущерб от аварий на линейной части нефтепровода можно разделить на косвенный, характеризующий внеплановые перерывы в работе трубопроводного транспорта углеводородов, и прямой. Прямой ущерб включает в себя стоимость потерянной нефти, затраты на восстановление трубопровода и убытки нанесённые загрязнением местности и уничтожением различных природных богатств. Прямой ущерб Un можно представить как сумму следующих слагаемых [131]: стоимость безвозвратных потерь нефти У/, затраты, связанные со сбором и восстановлением качества разлитой нефти Сн, затраты, связанные с устройством ремонтной траншеи, вырезкой дефектного участка, врезкой катушки Ст, убытки, нанесённые загрязнением местности У3. Тогда прямой ущерб запишется в виде:
