Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов и средств обеспечения безопасности магистральных нефтепроводов в чрезвычайных ситуациях . 9
1.1 Проблемы обеспечения безопасности магистральных нефтепроводов в аварийных чрезвычайных ситуациях. 9
1.2 Анализ технологического процесса освобождения полости аварийного участка трубопровода от перекачиваемого продукта 19
1.3 Методы и средства освобождения полости участка магистрального нефтепровода при аварии. 25
Выводы по главе 1. 33
2. Исследование процесса освобождения аварийного участка магистрального нефтепровода от перекачиваемого продукта 35
2.1. Исследование опорожнения аварийного участка нефтепровода истечением через разрыв в стенке трубы с одновременной откачкой продукта насосами 36
2.2. Освобождение аварийного участка трубопровода от продукта через аварийный разрыв и откачкой насосами, расположенными с одной стороны от разрыва 48
2.3. Опорожнение участка трубопровода от продукта истечением через аварийный разрыв и откачкой насосами при поступлении продукта к месту разрыва только с одной стороны участка 57
2.4. Исследование истечения нефти из участка магистрального трубопровода через разрыв в стенке трубы 64
2.5. Опорожнение участка нефтепровода через аварийный разрыв при поступлении продукта к месту разрыва только с одной стороны з
2.6. Исследование освобождения участка магистрального трубопровода в случае плановой замены дефектной трубы 70
2.7. Исследование влияния параметров опорожняемого участка трубопровода на потребный напор, развиваемый откачивающими насосами 77
Выводы по главе 2 83
3. Исследование влияния параметров опорожняемого участка трубопровода, узла откачки и аварийного разрыва на процесс освобождения магистрального нефтепровода от продукта 84
3.1. Анализ значений коэффициента сопротивления аварийного разрыва трубы нефтепровода истечению продукта 84
3.2. Экспериментальное исследование истечения жидкости через аварийный разрыв 95
3.3. Исследование зависимостей скорости истечения продукта через аварийный разрыв от характеристик освобождаемого трубопровода и его продольного профиля 100
3.4. Исследование влияния параметров разрыва на скорость истечения и расход продукта через разрыв 105
3.5. Анализ влияния диаметра трубопроводов, соединяющих откачивающие насосы с полостью нефтепровода на скорость
его освобождения от продукта 115
3.6. Влияние изменений количества откачивающих насосов на расход удаления продукта из полости трубопровода 119
Выводы по главе 3 124
4. Разработка методов и средств обеспечения безопасности магистральных нефтепроводов в чрезвычайных ситуациях 125
4.1. Исследование и установление предельной величины площади разрыва
4.2. Выбор рациональных параметров узла откачки продукта 131
4.3. Определение рационального диаметра вантузов для впуска воздуха в опорожняемую полость трубопровода 136
4.4. Исследование и обоснование конструктивных решений защитных сооружений для обеспечения безопасности близлежащих объектов 142
4.5. Анализ и разработка устройства для предотвращения утечки нефти из трубопровода через аварийный разрыв 149
4.6. Методика расчета параметров освобождения от нефти полости аварийного участка магистрального нефтепровода и оценка эффективности применения результатов исследований в чрезвычайных аварийных ситуациях 154
Выводы по главе 4 161
Основные выводы и рекомендации 162
Литература
- Анализ технологического процесса освобождения полости аварийного участка трубопровода от перекачиваемого продукта
- Освобождение аварийного участка трубопровода от продукта через аварийный разрыв и откачкой насосами, расположенными с одной стороны от разрыва
- Исследование влияния параметров разрыва на скорость истечения и расход продукта через разрыв
- Анализ и разработка устройства для предотвращения утечки нефти из трубопровода через аварийный разрыв
Введение к работе
Актуальность проблемы
На современном этапе развития сети магистральных нефтепроводов (МН) проблема обеспечения безопасности приобретает все большую значимость. Достигнуты значительные успехи в области проектирования, строительства и эксплуатации магистральных нефтепроводов и обеспечения их надежности и безопасности. Несмотря на это, иногда на магистральных нефтепроводах возникают аварийные ситуации. Проблемы обеспечения надежности и безопасности нефтепроводов обостряются в силу их естественного старения и возрастания влияния разрушающих факторов как природного, так и искусственного характера. Развитие производственных и транспортных инфраструктур вблизи магистральных нефтепроводов создает дополнительные проблемы обеспечения их надежности. Технический отказ нефтепроводов влечет за собой, кроме материальных убытков, значительный экологический ущерб и повышение пожароопасности.
В результате исследований В.Л. Березина, А.Г. Гумерова, Э.М. Ясина, Р.С. Зайнуллина, К.М. Ямалеева, М.Х. Султанова, К.М. Гумерова, Р.Х. Идрисова, Х.А. Азметова и других ученых созданы методы и средства обеспечения безопасности магистральных нефтепроводов.
Однако в связи с все возрастающими требованиями к защите окружающей среды и пожаробезопасности объектов и сооружений нефтегазовой отрасли, в первую очередь в чрезвычайных ситуациях, совершенствование методов и средств обеспечения безопасности магистральных нефтепроводов является весьма актуальной.
Экологический ущерб и материальные убытки от аварий на магистральных нефтепроводах и пожаробезопасность на прямую зависят от объема выхода нефти в окружающую среду через аварийный разрыв. Важным для сокращения аварийного простоя магистрального нефтепровода и повышения безопасности является ускорение процесса освобождения аварийного участка от нефти. В связи с этим особую важность приобретает создание методов и средств снижения объема выхода нефти в окружающую среду через аварийный разрыв и сокращение продолжительности освобождения полости аварийного участка трубопровода от нефти. Существенной для повышения безопасности является разработка мер, направленных на исключение попадания нефти, выходящей через аварийный разрыв, на территории близлежащих населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий, зданий и сооружений.
Основные исследования по диссертационной работе выполнены в соответствии с межгосударственной программой «Высоконадежный трубопроводный транспорт», утвержденный Правительствами Российской Федерации и Украины.
Цель работы – обеспечение безопасности магистральных нефтепроводов в чрезвычайных ситуациях на основе совершенствования методов и средств освобождения аварийного участка от нефти и уменьшения ее аварийного разлива в окружающей среде.
Основные задачи работы:
-
Анализ методов и средств обеспечения безопасности магистральных нефтепроводов;
-
Оценка параметров освобождения полости аварийного участка трубопровода от перекачиваемого продукта;
-
Анализ влияния параметров узла откачки и разрыва труб на безопасность нефтепроводов в аварийных ситуациях;
-
Разработка эффективных методов и средств обеспечения безопасности магистральных нефтепроводов в аварийных чрезвычайных ситуациях.
Методы решения поставленных задач
Решение поставленных задач основано на использовании современных методов и принципов теории движения жидкостей и математической статистики, выявлении и оценке степени значимости факторов, влияющих на безопасность магистральных нефтепроводов, анализе экспериментальных исследований и промышленного опыта.
Научная новизна
-
Установлены закономерности процесса опорожнения аварийного участка магистрального нефтепровода откачкой продукта и его истечением через аварийный разрыв и основные критериальные соотношения для оценки параметров опорожнения.
-
Получены аналитические зависимости производительности откачки и скорости истечения продукта через аварийный разрыв труб магистральных нефтепроводов от параметров узла откачки и аварийного разрыва.
-
Определены рациональные параметры узла откачки продукта и предельные величины площади разрыва стенки труб нефтепровода в зависимости от характеристик опорожняемого участка магистрального нефтепровода и его продольного профиля, а также от свойств нефти.
-
Разработан метод определения параметров освобождения аварийного участка от перекачиваемого продукта откачкой насосами, учитывающий истечение нефти через аварийный разрыв.
На защиту выносятся:
-
Закономерности процесса опорожнения аварийного участка магистрального нефтепровода откачкой перекачиваемого продукта и истечением его через аварийный разрыв;
-
Аналитические зависимости производительности откачки и скорости истечения продукта через аварийный разрыв труб магистральных нефтепроводов от параметров узла откачки и аварийного разрыва;
-
Технические решения по обеспечению безопасности магистральных нефтепроводов в чрезвычайных ситуациях;
-
Методика расчета производительности опорожнения аварийного участка магистрального нефтепровода от перекачиваемого продукта.
Практическая ценность результатов работы
-
Предложены рациональные конструктивные решения узла откачки продукта, позволяющие обоснованно с учетом обеспечения сокращения продолжительности процесса опорожнения при бескавитационной работе насосов выбрать их количество и тип, диаметр трубопроводов, соединяющих нефтепровод с откачивающими насосами.
-
Разработаны и обоснованы основные конструктивные параметры технических средств и сооружений, обеспечивающих ускорение процесса опорожнения, снижение объема выхода нефти через аварийный разрыв и ограничение распространения вылившейся нефти.
-
Разработана методика расчета производительности освобождения аварийного участка магистрального нефтепровода от перекачиваемого продукта, учитывающая геометрические характеристики участка нефтепровода, его протяженность и высотные отметки, свойства нефти, параметры узлов соединения откачивающих насосов с нефтепроводом и аварийного разрыва и позволяющая определить технологические и технические параметры откачки, которые обеспечивают ускорение процесса опорожнения и существенное снижение объема истечения нефти через разрыв, повышение безопасности магистральных нефтепроводов в чрезвычайных ситуациях.
По результатам научных исследований разработан руководящий документ РД 39 Р-00147105-041-2011 «Методика расчета продолжительности освобождения от нефти аварийного участка магистрального нефтепровода».
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на II (2009 г.) и III (2010 г.) Международных научно-технических конференциях «Китайско-российское научно-техническое сотрудничество. Наука – Образование – Инновации» (г. Урумчи, КНР), VII Международной научно-технической конференции «Химия нефти и газа» (г. Томск, 2009 г.), научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России (г. Уфа, 2009 г.), Девятой Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках IX Российского энергетического форума (г. Уфа, 2009 г.), научно-техническом семинаре «Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (г. Уфа,
2009 г.), научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках XVIII Международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии-2010» (г. Уфа, 2010 г.), VI Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2010» (г. Уфа, 2010 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных трудах, в том числе в 4 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получен 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 114 наименований. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 50 рисунков.
Анализ технологического процесса освобождения полости аварийного участка трубопровода от перекачиваемого продукта
Воздействие объектов нефтяной и газовой промышленности на природу может быть очень велико. Поэтому при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов, промыслов и других нефтегазовых объектов предусматриваются специальные мероприятия с тем, чтобы ликвидировать или значительно уменьшить ущерб, который наносится окружающей среде и снизить пожароопасность.
Магистральные трубопроводы большой протяженности пересекают различные природно-климатические зоны с разнообразными геологическими, гидрогеологическими, гидрологическими и мерзлотными условиями с различной чувствительностью поверхности к техногенному воздействию. Все технические и технологические решения МН должны исходить не только из учета непосредственно действующих факторов, но и из учета прогнозирования возможных неблагоприятных последствий влияния на окружающую среду в ближайшем и отдаленном будущем.
Современные магистральные трубопроводы для транспортировки газа, нефти, нефтяных и химических продуктов вносят существенные изменения в природную среду. Трубопроводы оказывают постоянное воздействие на окружающую среду практически в течение всего периода эксплуатации и одновременно являются объектами воздействия возникающих необратимых изменений природных процессов. Поэтому мероприятия, направленные на охрану окружающей среды, одновременно способствуют повышению надежности трубопроводов.
Магистральные трубопроводы в экологическом смысле представляют собой весьма специфические сооружения, существенно влияющие в период строительства и эксплуатации на экологическом равновесие.
С выходом через аварийный разрыв в окружающую среду нефти происходит загрязнение земли, атмосферы, водных объектов и грунтовых вод. Загрязнение нефтью земли приводит к негативным последствиям на объектах и сооружениях расположенных на загрязненной территории, к потерям сельскохозяйственных ресурсов и лесных ресурсов. Негативное влияние нефти на землю, атмосферу, водные объекты, грунтовые воды на прямую зависит от объема нефти вылившегося в окружающую среду через аварийный разрыв и продолжительности контакта нефти с окружающей средой.
В связи с этим с целью снижения негативного влияния аварий на окружающую среду необходимо уменьшить объем выхода нефти через аварийный разрыв в окружающую среду и в короткие срок собрать разлившуюся нефть. Разлившаяся нефть представляет большую пожарную опасность. С увеличением объема нефти и площади разлива эта опасность становится еще больше. Устранение этой опасности возможно только путем полного сбора разлившейся нефти.
Многочисленные лабораторные и полевые эксперименты, выполненные в нашей стране и за рубежом показывают, что характер и степень влияния нефти на окружающую среду определяются видовым составом растительного покрова, объемом ингредиента и его свойствами, временем года и другими факторами. Наиболее токсичными являются углеводороды с температурой кипения в пределах от 150 до 275 С, т.е. нафтеновые и керосиновые фракции. Углеводороды с меньшей температурой кипения оказываются либо низкотоксичными, либо безопасными, особенно летучие фракции, поскольку испаряются с поверхности растений, не успевая проникнуть через растительную ткань.
Высококипящие тяжелые фракции нефти оказываются также менее опасными для растений, чем нафтеновые и керосиновые фракции, ввиду их высокой вязкости.
Последствия нефтяного загрязнения почвы проявляются в течение длительного времени.
В отличии от районов с относительно умеренным климатом загрязнение нефтью на Крайнем Севере характеризуется более серьезными последствиями [32]. Низкие температуры воздуха и грунтовой среды, сильные ветры, небольшая продолжительность летнего теплого периода, во время которого активизируются биологические процессы, обусловливают чрезвычайно сложный режим функционирования наземного растительного покрова. Поэтому всякое нарушение этого режима может привести к необратимым процессам.
Для изучения последствий загрязнения наземного растительного покрова нефтью и нефтепродуктами ученые обследовали несколько участков вдоль одного продуктопровода на Аляске. На всех пораженных нефтепродуктами участках наблюдалось лишь незначительное восстановление растительного покрова. Даже по истечению 15 лет растительность на залитой ранее нефтепродуктами площади была восстановлена менее чем на половину. Причем во всех случаях отмечалось полное уничтожение растительного покрова в начальный момент после разлива нефтепродукта.
При наличии снежного покрова растительность в меньшей степени подвергается токсическому воздействию нефти. Кроме того, причиной относительно низкой поражаемости растений зимой является прекращение вегетации в этот период. При воздействии нефтью на растительность в период ее вегетации процент гибели значительно увеличивается. При этом следует отметить, что в летний период уже через два дня после поражения нефтью листва некоторых растений увядает.
Утечки нефти, возникающие при повреждении магистральных нефтепроводов, резервуаров, сливно-наливных операциях, приводят к загрязнению так же прилегающих грунтовых участков. При поверхностной миграции (например, с дождевыми водами) и инфильтрации нефть и нефтепродукты загрязняют поверхностные и подземные воды. Самоочищение загрязняемых таким образом сред происходит крайне медленно, что обусловливает возможность длительного исключения их из пользования.
Аварии на подводных переходах сопровождаются, как правило, выходом нефти на поверхность воды. Нефтяные пленки на поверхности водных объектов нарушают обмен энергией, влагой и газами между водой поверхностью и атмосферой, что может влиять на климатические условия и баланс кислорода в атмосфере и толще воды. Осевшая на дно нефть вызывает вторичное загрязнение водоемов, приводит к гибели флоры и фауны.
Освобождение аварийного участка трубопровода от продукта через аварийный разрыв и откачкой насосами, расположенными с одной стороны от разрыва
Рассмотрим аварийный участок нефтепровода, ограниченного (по части движения продукта в полости трубопровода) линейными запорными арматурами и перевальными точками (рис. 2.1). Перевальной точкой для нашей задачи будет вершина профиля наивысшей высотной отметкой на участке между запорной арматурой и местом аварийного разрыва, а высотная отметка данной запорной арматуры при этом меньше высотной отметки перевальной точки. В общем случае аварийный участок может ограничиваться справа и слева перевальными точками. Может быть перевальная точка только с одной стороны или же аварийный участок может быть ограничен справа и слева от места разрыва запорными арматурами. До закрытия линейных запорных арматур опорожняемый участок будет ограничен наивысшими высотными отметками продольного профиля трубопровода.
Для ускорения процесса опорожнения аварийного участка, при заданных характеристиках этого участка, следует добиться максимально возможного суммарного расхода удаления продукта из полости участка магистрального нефтепровода. Суммарный расход включает расход продукта через аварийный разрыв и производительность откачки насосов. Производительность откачки продукта из аварийного участка не может быть больше объема продукта,
Расчетная схема освобождения участка трубопровода от продукта откачкой насосами и истечением через аварийный разрыв поступающего к месту откачки за единицу времени. Этот объем обеспечивается напором, определяемым разностью геодезических отметок уровня продукта в трубопроводе и места откачки, а также разностью давления в полости трубопровода над продуктом и давления во всасывающем патрубке насоса. Потерю этого напора вызывают гидравлическое сопротивление движению жидкости в полости трубопровода, местные сопротивления, изменение направления и сужение потока жидкости в месте врезки насосов к трубопроводу, гидравлическое сопротивление соединительных трубопроводов между насосом и освобождаемым нефтепроводом.
Известно, что удаление продукта из полости аварийного участка нефтепровода включает этапы удаления с момента повреждения до остановки магистральных нефтеперекачивающих насосов, с момента остановки перекачки до закрытия линейных запорных арматур, локализирующих аварийный участок трубопровода и с момента закрытия запорных арметур до полного освобождения опорожняемых участков. Удаление продукта из аварийного участка с момента повреждения до остановки насосов достаточно полно рассмотрены в работе [66]. Нами рассматривается удаление продукта с момента остановки насосов до полного освобождения опорожняемых участков.
В общем случае к месту разрыва продукт поступает с правого и левого участков трубопровода. Так же следует отметить, что в ходе опорожнения значение напора, под действием которого происходит истечение жидкости, снижается в связи со снижением уровня продукта в опорожняемом трубопроводе. Одновременно уменьшается гидравлическое сопротивление движению продукта по трубопроводу из-за уменьшения протяженностей участков трубопровода, по которым движется продукт. В результате значения скорости истечения и расхода продукта через аварийный разрыв в ходе опорожнения меняются.
Суммарная протяженность опорожняемых участков представляет собой часть длины участка между запорными арматурами или перевальными точками, равную протяженности возвышенных участков, обращенных к месту разрыва и откачки.
На рисунке 2.1 представлена расчетная схема, где L - расчетная длина освобождаемого участка; Ц, L2, L3, L4 и L5 - длины участков, освобождаемых от продукта (опорожняемого участка); \ и 1\ - расстояния от мест разрыва трубопровода до мест откачки продукта насосами; w и w2 -скорости движения продукта в полости освобождаемого трубопровода справа и слева от места откачки; w и w 2 - скорости движения продуктов между местом откачки и разрывом справа и слева; vm и vB2 - скорости движения продукта в трубопроводах, соединяющих насосы с освобождаемым трубопроводом; vp - скорость истечения продукта через аварийный разрыв.
Суммарный объем продукта, откачиваемый насосами и вытекаемый через аварийный разрыв V = 0,25?rD2{L1 +L2+LS+L4 +L5). Для определения скорости и продолжительности освобождения трубопровода от продукта необходимо найти скорости wx, w2, vm, vB2 и vp.
Эти скорости зависят от характеристик освобождаемого трубопровода, разрыва, откачивающих насосов, а также высотных отметок трубопровода, мест разрыва и откачки. Характеристикам освобождаемого трубопровода в наших исследованиях относятся его диаметр, значения гидравлического сопротивления полости трубопровода, местные гидравлические сопротивления, расчетная длина, ограниченная линейными запорными арматурами и перевальными точками и длины участков, освобождаемых от продукта, их высотные отметки. Решение задачи осуществляется с использованием соответствующих уравнений Бернулли и баланса количества, .продукта в сечениях освобождаемого трубопровода и сечениях соединительных трубопроводов откачивающих насосов и разрыва стенки трубыj [5, 39, 94]. Обозначим индексом 1 параметры участка, которая находится справа от разрыва, а индексом 2 - параметры участка, находящегося слева от разрыва. Уравнение Бернулли (рис. 2.1) для сечения 1-І и сечения сжатия струи продукта после его выхода через разрыв в окружающую среду для конкретного момента времени примем в виде L-J±+ZI-Z Щл + Yi,-lV-( f .Є +1)+ 1Г + Л. (2.1) у у 2g{ D tT" ) 2g " 2g{ D S"J Аналогичное уравнение для левого участка (сечения П-П и Ш-Ш) будет у у 2g\ D tT 2 ) 2gKh 2g{ D "J В уравнениях (2.1)- (2.2) D - внутренний диаметр освобождаемого от продукта трубопровода; 1 и 2 - протяженности участков трубопроводов соответственно справа и слева от места разрыва, по которым в данный момент времени двюкется продукт со скоростями w: и w2; Л - коэффициент гидравлического трения; и, Е,л, gt2 - соответственно коэффициенты гидравлического сопротивления разрыва, изменения направления потока, местного сопротивления правого и левого участков; /- номер местного сопротивления; - коэффициент сжатия струи при выходе продукта через разрыв; Zj, z2, zv - геодезические отметки уровня продукта в трубопроводе соответственно (справа и слева), и разрыва; g - ускорение силы тяжести; у - удельный вес продукта.
Исследование влияния параметров разрыва на скорость истечения и расход продукта через разрыв
Большие расходы продукта через аварийный разрыв, особенно в начальный период аварии до прибытия аварийно-восстановительных служб, и подключения откачивающих насосов создают значительные проблемы по защите окружающей среды. Поэтому дальнейшее уточнение расчета параметров самотечного опорожнения трубопровода при авариях через разрыв в стенке трубы с учетом всех влияющих факторов имеет важное значение.
Для трубопровода, представленного на рисунке 2.9, суммарная протяженность опорожняемых участков Lp = Ц + L2 + Ц + L4 + L5 + L6 + L7.
Скорости истечения продукта в правом и левом участках (относительно места разрыва) трубопровода, а также через аварийный разрыв могут быть определены с использованием уравнений Бернулли и баланса количества продукта в сечениях трубопровода (справа и слева) и разрыва стенки трубы.
Для первого участка уравнение Бернулли для сечения «1-І» (на достаточном удалении от разрыва) и сечения сжатии струи продукта после его выхода в окружающую среду для конкретного момента времени с учетом рекомендаций работ [4, 5] примем в виде: у 2g р у 2g l2g bp2g (2.77) v i где /г, =ЛТГ + 2 ІІ +,э« і " геодезическая отметка уровня продукта в трубопроводе (сечение «1-І»); Zp - геодезическая отметка места разрыва стенки трубы; рх - давление в полости трубопровода на. опорожненном участке; / -номер местного сопротивления; v - скорость истечения продукта в сечении сжатия струи; vp - скорость истечения продукта непосредственно через разрыв; п - коэффициент сопротивления поворота течения продукта в месте разрыва (при разрыве трубопровода по всему поперечному сечению %п = 0). II место разрыва w, U L7 - трубопровод; 2 - запорная арматура Рисунок 2.9 - Расчетная схема освобождения полости участка нефтепровода от продукта самотечным истечение через t аварийный разрыв
Уравнение вида (2.77) может быть; написано и для второго участка, принимая параметры w, z, р, Л, и для второго участка с индексом 2: w, Рг . Щ Ра , V Z,+ + - = Z_+ + —+ /z2 - + " 7 2g Г 2g 2g "2g (2.78) где /г2=Ліг + Е4+ Коэффициенты Л, t и p зависят от режима течения продукта, его свойств, шероховатости внутренней поверхности трубопровода, вида местного сопротивления, толщины стенки трубы, параметров разрыва и шероховатости поверхности разрыва.
Из уравнения баланса количества продукта, поступающего с двух сторон к месту разрыва и вытекающего через разрыв в окружающую среду, имеем (wl+w2)FCB=vp-Fp. (2.79) Используя вышеупомянутые уравнения Бернулли и уравнение баланса количества продукта, после определенных преобразований получено выражение разрыв, в сечении сжатия. Выражение (2.80) содержит только безразмерные параметры и является уравнением с одним неизвестным \Vj. Представленные выражения (2.77- -2.81) позволяют найти скорости wx и W2, а также расход продукта 2 через аварийный разрыв. Определяя wl по (2.80) из уравнения w1 = Wl 2gHl вычисляется скорость wl.
Скорость движения продукта на втором участке м 2 вычисляется из выражения В случае, если Ни = 1 параметры wx и х 2 определяются по формулам Определение расхода продукта через разрыв позволяет найти продолжительность опорожнения локализованного участка трубопровода от продукта.
По полученным аналитическим зависимостям проведем анализ влияния исходных факторов на расход продукта через аварийный разрыв. Изменение расхода однозначно характеризует изменение продолжительности опорожнения локализованного участка трубопровода. Как видно из аналитических выражений (2.83) и (2.84) анализ влияния исходных параметров на расход Q может быть проведен путем анализа влияния исходных параметров на безразмерную величину Q . Такой анализ. носит общий характер, не относящийся только к одному конкретному варианту, и результаты анализа будут справедливы для всех возможных случаев истечения продукта через аварийный разрыв.
Полученные нами аналитические зависимости (2.80- 2.83) позволяют установить характер изменения расхода продукта через аварийный разрыв в связи с изменениями исходных параметров по продольному профилю трубопровода, самому трубопроводу, перекачиваемому продукту, аварийному разрыву, а также количественные изменения расхода.
Опорожнение участка нефтепровода через аварийный разрыв при поступлении продукта к месту разрыва только с одной стороны
Расчетная схема опорожняемого участка представлена на рисунке 2.10. Уравнение Бернулли для сечения 1-І и сечения сжатия струи продукта после выхода в окружающую среду примем в виде Р W Ра V W С С W - W V — + z + — = —+ z„ + — + Т— + + Я .+ f — ,(2.84) где z - геодезическая отметка уровня продукта.в трубопроводе (сечении 1-І); р - давление в полости участка трубопровода, освобожденного от продукта; w - скорость движения продукта в трубопроводе; і -протяженность участка, по которому в данный момент времени движется продукт к месту истечения.
Протяженность опорожняемых участков в соответствии с рисунком 2.10 будет Ь = ЬХ+Ь2+ЬЪ. Объем опорожняемого продукта V = 0,25xD2L. Расчетный участок равен Lp и ограничен запорной арматурой и перевальной
Анализ и разработка устройства для предотвращения утечки нефти из трубопровода через аварийный разрыв
Имеется ряд экспериментальных исследований истечения жидкости через аварийный разрыв [3, 114]. В институте ИПТЭР было проведено экспериментальное исследование по определению коэффициента расхода ромбовидных разрывов (щелей) [58]. На основе анализа результатов этого экспериментального исследования установим закономерности изменений коэффициента сопротивления ромбовидного разрыва от режима истечения и геометрических характеристик разрыва.
Экспериментальные исследования проведены на лабораторной установке (рис. 3.3), которая включала в себя следующее оборудование: напорную 3 и приемочную I емкости, обвязанные с насосным агрегатом 2, и эстакаду 7, служащую наблюдательным пунктом в ходе фиксирования (снятия показаний) процесса истечения жидкости через ромбовидные щели из напорной емкости в приемную. Напорная емкость диаметром 0,21 ми высотой 3 м была снабжена мерной трубкой - пьезометром 4 для замера высоты напора жидкости и фланцем 6, на поверхности которого крепилась специально изготовленные металлические пластинки - шайбы 5, имеющие ромбовидные щели трех различных размеров (ширины - d и длины -с), перекрываемые заглушкой до начала опытов. Относительная ширина ромбовидных щелей изменялась в интервале dlc = 0,077 -І-0,150. В качестве рабочих жидкостей использовались вода, глицерин и водоглицериновые смеси, кинематическая вязкость которых колебалась в пределах (1- -935)10_б м с.
Рисунок 3.3 - Схема экспериментальной установки по исследованию процесса истечения вязких жидкостей через ромбовидные щели
Методика проведения экспериментов была такова. Заполнялась рабочей жидкостью, забранной из приемной емкости с помощью насоса, напорная емкость. Затем снималась заглушка с исследуемой ромбовидной щели и одновременно началом процесса истечения через щель проводились замеры времени, соответствующие определенному и постоянному 97 изменению (снижению) уровня жидкости в напорной емкости от 7/j до Н т.е. определялось время изменения уровня АЯ = Н2—Н1. Эти изменения уровня жидкости в напорной емкости составляли для каждого размера щели определенную (постоянную) величину АН, меньшую для малых щелей (малых die) и большую для больших щелей (больших die). Так, для щелей с относительной шириной d/c = 0,077 ДЯ = 0,Ю м, для щелей с d/c=0,H9 АН = 0,15 мис d/c=0,l5Q ДЯ = 0,20 м. Указанному изменению уровня соответствовало время истечения, равное для жидкостей исследованных вязкостей от 2,4 до 15,7 с. Такой процесс истечения жидкостей, протекающий непродолжительное время при переменном напоре, принимался как процесс истечения при постоянном напоре. Исходя из этого допущения, экспериментальные значения коэффициента расхода исследуемых ромбовидных щелей рассчитывали по формуле: О V ju = —Щ— = т= (3-2) FPpg-H Fprpg-H где Ор - расход жидкости через разрывы (щели), м /с; Fp - площадь поперечного сечения щели, м ; g - ускорение силы тяжести, м/с ; Н - напор, под которым происходило истечение жидкости через щель в каждый малый отрезок времени, м; V - объем жидкости, протекающий через щели за время, м3; т - время истечения жидкости через щель, с.
Критерий (число) Рейнольдса, при котором происходило истечение жидкости через щель, определяли по выражению: Ке = НП1Ка, (3.21) У F где Ra=—E-- гидравлический радиус разрыва, м; Sp - периметр разрыва, м; Sp v - кинематическая вязкость рабочих жидкостей, м /с. При анализе использовались известные соотношения между коэффициентами расхода ju, скорости р, гидравлического сопротивления %р и сжатия є: М = є р; р = (і+РУ 5. (3.22) Использовались так же результаты экспериментов зависимости є, ср и ju от режима течения жидкости, представленные в [4]. Согласно [5], форма отверстия (разрыва) оказывает слабое влияние на величину коэффициента сжатия струи є, зависит от числа Рейнольдса. С учетом этого при анализе нами использовались экспериментальные значения є при различных режимах течения для отверстий круговой формы, представленные в работе [4].
В таблице 3.2 даны значения числа Рейнольдса Rew и коэффициента расхода ju, определенные по результатам экспериментов [58], а также значения коэффициента є, определенные по [4] в зависимости от числа Рейнольдса и коэффициента ,v, определенные с использованием результатов эксперемента
