Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка мероприятий по предотвращению распространения нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Разработка мероприятий по предотвращению распространения нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов"

На правах руксш

Ф/

ШЕСТИПЁРОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ РАСПРОСТРАНЕНИЯ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИ АВАРИЯХ НА ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДАХ НЕФТЕПРОВОДОВ

Специальность 03.00.16 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Йошкар-Ола - 2005

Работа выполнена в Марийском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Поздеев А.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Алибеков С.Я.

кандидат технических наук, доцент Мануковский А.Ю.

Ведущая организация: кафедра инженерной экологии Казанского

Зашита диссертации состоится «14» декабря 2005 года в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.115.01 в Марийском государственном техническом университете по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технической библиотеке Марийского государственного технического университета (г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан " " ноября 2005 г.

энергетического института

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Г. Поздеев

[£95£>

гтй

3

Актуальность работы. Анализ предаварийных ситуаций и аварий на магистральных нефтепроводах свидетельствует о том, что утечки нефти происходят на наиболее уязвимых участках нефтепроводов, к которым в первую очередь относятся подводные переходы.

Причинами возникновения аварий могут быть различные факторы: внутреннее давление перекачиваемого продукта; изгиб на неровностях рельефа дна; случайные механические воздействия якорей, волокуш, проходящих судов; колебания подводных трубопроводов под воздействием потока воды при размывах дна и т. д. Одни из этих нагрузок носят случайный и кратковременный характер, другие развиваются во времени и действуют в течение длительного периода.

При авариях на подводных переходах магистральных нефтепроводов первоочередной задачей является прекращение дальнейшего распространения нефтяного пятна по водной акватории. Это достигается ограждением нефтяного пятна по всей ширине водоема. Важное значение имеет способность ограждения задерживать весь объем разлившейся нефти, не допуская утечек нефти под ограждением.

При попадании в водную среду нефть оказывает вредное воздействие на многие живые организмы и пагубно влияет на все звенья биологической цепи, что в свою очередь приводит к нарушению экологического равновесия.

Учитывая экологическую опасность, которую влекут за собой аварии на подводных переходах нефтепроводов для флоры и фауны водоема, а также для здоровья человека, разработка мероприятий для решения проблем, связанных с предотвращением распространения нефтяного загрязнения, является актуальной задачей.

Разработанные методы защиты водных объектов от распространения по их поверхности нефтяного загрязнения носят статический характер. Применение комплекса мер, основанного на совместном использовании бонового ограждения и гидравлического потокообразо-вателя, может оказаться эффективным средством предотвращения распространения нефтяных загрязнений в водных объектах.

Цели и задачи исследования. Цель настоящей работы состоит в разработке технических и технологических решений по активному воздействию на распространение нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов в летний период, что позволит сохранить экологическое равновесие водных объектов.

Для достижения поставленной «я™ (-Аппчипипппяич следующие

задачи:

1) Методического характера:

определить проблемную ситуацию в области разработки технических и технологических решений по локализации нефтяного загрязнения на основе морфологического анализа;

произвести классификацию боновых ограждений; выявить базовую модель-аналог для анализа предмета исследования.

2) Теоретического характера:

определить типы внешних силовых факторов, действующих на боновые ограждения;

разработать методику расчета гидравлического потокообразо-вателя для боновых ограждений на основе теории расчета гидравлических ускорителей на лесосплаве;

произвести расчеты наплавных сооружений.

3) Технологического характера:

разработать конструкцию бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем;

сформулировать предложения по установке боновых ограждений.

4) Экспериментального характера:

- составить программу проведения экспериментальных исследований;

- спроектировать и построить модели исследуемых объектов;

- выполнить обработку экспериментальных данных на основе теории планирования эксперимента.

5) Технико-экономического характера:

- произвести оценку экономической эффективности применения комплекса мер по предотвращению распространения и локализации нефтяного загрязнения при аварии на подводном переходе.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются средства локализации нефтяных загрязнений на поверхности водных объектов. Предметом исследования является оборудование боновых ограждений средствами гидродинамического регулирования потоков нефтяных загрязнений.

Научная новизна работы. Заключается в разработке нового подхода к защите рек от нефтяного загрязнения средствами гидродинамики, основанными на применении гидравлического потокообразователя, установленного на боновое ограждение, усовершенствованной конструкции. Для этого:

- составлена многоуровневая структура морфологического анализа технических решений, относящихся к конструкции боновых ограждений.

- разработан активный способ задержания нефтяного загрязнения на основе применения гидравлического потокообразователя;

- определено влияние различных факторов на процесс задержания нефтяного загрязнения боновым ограждением, оборудованным гидравлическим потокообразователем;

- выявлен фактор, имеющий максимальное влияние на процесс задержания нефтяного загрязнения - угол положения бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем, в створе;

- предложена конструкция бонового ограждения, разработанная на основе концепции разделения функций элементов устройства;

- определен эколого-экономический эффект от использования бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем;

Методика исследования. В процессе проведения исследований были использованы теоретические и экспериментальные методы. Проведен морфологический анализ систем локализации нефтяных загрязнений. Применены методы анализа статического состояния плавучих объектов и гидродинамики твердого тела и жидкости. Теоретические методы исследований основывались на использовании уравнений На-вье-Стокса, которые в условиях турбулентного режима и после введения осредненных по времени величин приобретают форму уравнений Рейнольдса. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с теорией подобия и теорией планирования эксперимента на разработанной модели бонового ограждения. Обработка результатов исследования проводилась методами статической обработки экспериментальных данных с использованием прикладных пакетов компьютерных программ Statistica и Microsoft Excel.

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций. Полученные автором научные результаты обоснованы экспериментальными закономерностями, установленными с использованием современных методов исследования и оборудования. Достоверность выводов подтверждается результатами экспериментальных исследований и согласуются с данными литературных источников.

Результаты исследований, изложенные в работе, не противоречат известным положениям теории гидродинамики и согласуются с известным опытом создания гидравлических устройств с гребным винтом.

Ошибка измерения в результате метрологически обеспеченных экспериментальных исследований находится в пределах 5%, что является допустимым значением для результатов подобного рода опытов.

Практическая ценность работы. Предложенная конструктивная схема бонового ограждения может быть использована при разработке мероприятий по снижению последствий возможной аварий на подводном переходе нефтепроводов производственными организациями, занимающимися эксплуатацией магистральных нефтепроводов, службами МЧС России.

Личный вклад автора.

Составлена многоуровневая структура технических решений, относящихся к конструкции боновых ограждений.

Произведен морфологический анализ устройств для задержания нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов.

Разработан способ задержания нефтяного загрязнения на основе применения гидравлического потокообразователя.

Составлена методика определения геометрических, энергосиловых и динамических параметров элементов боновых ограждений, оборудованных гидравлическим потокообразователем.

Спроектирована и построена модель бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем.

Проведены экспериментальные исследования модели бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем при изменении угла положения устройства в створе и частоты оборотов двигателя.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научных конференциях МарГТУ (Йошкар-Ола, 2000-2003 г.г.). На работу имеется акт об использовании марийского районного нефтепроводного управления ОАО «Транснефть».

Публикации. Автором опубликовано 5 научных работ по предмету диссертации.

На защиту выносятся следующие положения:

результаты морфологического анализа технических средств по предотвращению распространения нефтяных загрязнений на водотоках;

способ задержания нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов на основе применения гидравлического потокообразователя;

методика расчета гидравлического потокообразователя, применяемого на боновом ограждении;

экспериментально установленные параметры эксплуатации бо-нового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразовате-лем;

оценки эколого-экономического эффекта от использования бо-нового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразовате-лем.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения; 4 глав, содержащих основные логические обоснования, зависимости и экспериментальный материал; заключения с выводами и рекомендациями; списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы - 179 страниц машинописного текста, включая 44 рисунка, 25 таблиц, библиографию из 112 наименований и приложения на 28 страницах.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, ее цель, научная новизна, основные положения выносимые на защиту, а также значимость для теории и практики.

В первом разделе рассмотрено состояние вопроса в области предотвращения распространения нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов.

Повышению надежности магистральных нефтепроводов посвящен ряд работ известных отечественных ученых Березина В. Л., Боровского А.И., Бородавкина П. П., Гришина В.Г., Кесельмана Г.С., Шадрина О.Б.

При строительстве и эксплуатации подводного перехода для обеспечения его устойчивости требуется предусматривать меры по сохранению экологического равновесия водоема, исключающие серьезные размывы трубопровода. Несоблюдение их в процессе сооружения переходов нефтепроводов через реки (особенно многониточных) может привести к переформированию русла и размыву трубопроводов, лежащих ниже по течению и уже уложенных на проектные отметки. Для их нормальной эксплуатации пришлось бы выполнить дополнительные дорогие и трудоемкие дноуглубительные работы.

Анализ предаварийных ситуаций и аварий на подводных переходах свидетельствует о том, что причинами их возникновения могут быть различные факторы: внутреннее давление перекачиваемого продукта; изгиб на неровностях рельефа дна; случайные механические воздействия якорей, волокуш, проходящих судов; колебания подводных трубопроводов под воздействием потока воды при размывах дна и т. д. Одни из этих нагрузок носят случайный и кратковременный характер, другие развиваются во времени и действуют в течение длительного периода.

Взаимодействие подводного трубопровода с окружающей средой зависит от степени заглубления его в дно водной преграды, качества несущего материала трубы, состояния изоляции, а также от характеристики грунта на дне.

При определении продольной устойчивости трубопровода на дне водной преграды следует учитывать гидрологический режим русла, характер грунтовых условий, степень заглубления его в грунт. Если трубопровод размыт, учитывают динамическое воздействие потока, колебания трубопровода (вместе с присоединенной массой воды), устойчивость берегов в зоне оползней, местные размывы, приводящие к критическим деформациям, а также взаимодействие изоляции трубопровода с непрерывно передвигающимися по дну водотока частицами грунта.

Несоответствие условий эксплуатации требованиям надежности приводит к авариям, которые сопровождаются простоями оборудования и вызывают загрязнение водоемов, т. е. наносят вред окружающей среде.

Характерная особенность аварий подводных трубопроводов — утечка большого количества продукта при небольшом давлении. При аварии на подводном переходе нефтепровода на поверхности водоема скапливается 80...90% нефти. За счет турбулентного движения водного потока происходит ее перемешивание с водой. Вследствие токсичности нефти и нефтепродуктов, попадающих в воду при авариях, значительный ущерб наносится обитателям водной среды, затрудняется эксплуатация использования водоема на больших площадях. Отказы трубопроводов приводят к загрязнению воды, грунта и растительного покрова на берегах и дне водоемов.

Следовательно, проблема сохранения экологического равновесия водных объектов и задержания нефтяных загрязнений остается актуальной и требует для своего решения совершенствования природоохранных мероприятий, что отражено в работах известных отечественных

ученых Альхименко А.И.,Вознесенского Г. Ф., Ерохина А. В., Забелы К. А., Кандина А. Б., Канского А. Б., Колоскова И. А., Кононова А. А., Ле-витского В. С., По дружина М. В. Детально проработано решение сбора нефтяных загрязнений в зимний период в условиях напорного течения при отсутствии волновых процессов.

Технические решения, относящиеся к конструкции боновых ограждений можно классифицировать на основе морфологического подхода. Как показывает анализ существующих устройств для локализации нефтяных загрязнений, они имеют некоторую структуру, отражающую взаимосвязи и взаиморасположение составных частей системы. Структура рассматриваемого типа может быть многослойной или многоуровневой. Предлагается вариант морфологического анализа, имеющий многоуровневую структуру, который состоит из 12 уровней классификационных направлений.

Составим сводную таблицу по признакам классификационных уровней объектов (табл. 1).

Таблица 1

Сводная таблица по признакам классификационных уровней объектов

Обозначения I - порядковый номер классификационного уровня;

II - номер признака уровня.

По данным таблицы строим системную диаграмму обобщенного объекта, выбирая показатели по максимальным рейтинговым оценкам (рис. 1).

Сравнивая структурные диаграммы обобщенного объекта боновых ограждений, составляем общую характеристику устройства в области предотвращения распространения нефтяного загрязнения, основанного на применении задерживающих ограждений.

Рис. 1. Структурная диаграмма обобщенного объекта

Структурная диаграмма обобщенного объекта получена в результате выделения признаков классификационных уровней морфологического анализа по максимальному числу повторений этих признаков в исследуемых объектах. Так наибольшую значимость имеют признаки 1, 2 б и 7 классификационных уровней (рис. 1). Это признаки качества окружающей среды (природоохранный эффект) и использования искусственных материалов для объектов по показателю надежности относящиеся к средненадежным и работающим в акватории рек.

При разработке предполагается интенсивное использование перестраиваемых технологий, направленных на решения динамического характера. Рабочая поверхность, в соответствии с подходом автора, представляет собой линейно протяженные объекты, предназначенные для работы в акватории.

Сравнивая системные диаграммы анализируемых технических решений и диаграмму обобщенного объекта, обнаруживаем следующее число совпадений их характеристик с характеристиками обобщенного объекта: объект 1-8; объект 2-8; объект 3-5; объект 4-7; объект 5 - 4; объект 6-5; объект 7-5; объект 8-6; объект 9-6; объект 10 - 8; объект 11-6 совпадений.

Следовательно, обобщенный объект максимально соответствует объектам 1, 2 и 10. Это боновые ограждения типов «Анаконда» и «Т 0,2*20» и стационарное боновое ограждение разработанное ЦНИЛ Госкомнефтепродукта.

Во втором разделе рассмотрены теоретические основы проектирования устройств по предотвращению распространения нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов.

В состав расчетов наплавных сооружений входят задачи определения характера внешних нагрузок. Расчеты выполняются в предположе-

нии линейного характера силового воздействия на наплавные конструкции сооружений.

Важное место в общем комплексе расчетов наплавных сооружений занимает решение задачи в предположении стационарности действующих внешних сил.

К динамическим задачам относятся прочностные расчеты наплавных конструкций при воздействии изменяющихся во времени нагрузок и ударного их нагружения.

При решении этих вопросов используются способы расчета сооружений при гибком характере удерживающих связей.

Основным видом статического воздействия на наплавные сооружения является влекущая сила водного потока. Способы определения этого типа нагрузки даны, например, в инструкции по изысканиям, проектированию, строительству, монтажу и эксплуатации запаней.

Важным природным фактором, вызывающим динамическое нагру-жение наплавных сооружений является ветровая нагрузка, которая становится основной на акваториях рейдов, находящихся в зонах выклинивания гидротехнических сооружений.

Атмосферные воздействия приводят к возникновению трех типов силовых факторов:

во-первых, область высокого атмосферного воздействия стремится создать барометрический уклон поверхности водохранилища (приблизительно один сантиметр на миллиметр);

во-вторых, ветер, помимо генерации волн, создает уклон на поверхности водохранилища;

в-третьих, воздействие ветра на водную поверхность будет создавать чисто дрейфовые течения, имеющие определенную скорость на поверхности и направленные под углом 45° к направлению ветра.

Направление и скорость дрейфового течения изменяются в зависимости от глубины, и поверхностные течения могут не совпадать по направлению с ветром.

Сложность волнового воздействия на плавучий объект требует разделения волновых режимов по следующим критериям:

1) АУЛ > 1 - почти полное отражение волн;

2) А/ X > 0,2 - преимущественное влияние дифракции;

3) А/ Я < 0,2 - малое влияние дифракционных явлений;

4) A/h0 > 0,2 - инерционная составляющая волновой нагрузки становится доминирующей;

5) A/h0 < 0,2 - преобладает скоростная составляющая волновой нагрузки,

где А - ширина в поперечном сечении бонойого ограждения;

Я - длина волны;

Ьо - параметр ширины орбиты, равный высоте волны на глубокой воде.

Большая протяженность наплавных сооружений требует учета дифракционных явлений, которые в рассматриваемом случае соответствуют режиму полного отражения. Поэтому поле, образовавшиеся в результате волнового воздействия на объект, может быть рассчитано по полю набегающей волны с помощью постоянных коэффициентов.

Сила, приходящаяся на поверхность преграды, равна величине изменения кинетической энергии за период ее действия. Динамическое давление на преграду

Рх"рУ.г=р<1& (1)

где р - плотность воды, кг/м3;

Ув - влекущая скорость воды, м/с;

- невозмущенная скорость воды на глубине, м/с;

% - ускорение свободного падения, ^ = 9,81 м/с2.

Таким образом, силы, действующие на конструкции наплавных сооружений, рассчитываются из предположения линейного характера взаимодействия. Основными действующими силами являются влекущая сила водного потока, ветровая и волновая нагрузка, направление и скорость дрейфового течения.

Нагрузки, действующие на наплавные сооружения, передаются на береговые опоры через выносы. Вертикальные нагрузки уравновешиваются силой водоизмещения наплавных сооружений. Боковые нагрузки в горизонтальном направлении обусловлены действием ветра, течений и волн.

Анализ конструктивных особенностей оперативных и стационарных особенностей боновых заграждений показывает, что они обладают рядом общих черт: определяющих их достоинства и недостатки.

Боны выполняются в виде однорядных конструкций, что не способ- I

ствуют их остойчивости при волнении. Удержание бонов в рабочем состоянии осуществляется теми же элементами, которые обеспечивают их плавучесть. При необходимости наращивания рабочей длины бонов соединение их секций обеспечивается с помощью петель одного и лю-вера другого бонового элемента. Обеспечение непроницаемости бона для нефти осуществляется за счет плавучего основания для всех типов бонов за исключением плавающего ограждения типа «Т 0,2 20». В последнем случае функции несущей конструкции отделены от функций

герметичности, которая реализуется в виде полотнищ из синтетического нефтестойкого полотна.

Следовательно, при необходимости обеспечения остойчивости бонов при волнении, изменения длины при высокой герметичности боно-вое ограждение должно состоять из конструктивных элементов, каждый из которых обеспечивает одну функцию: остойчивость, механическую прочность и удержание в рабочем положении, герметичность (рис. 2).

Подобная концепция проектирования боновых ограждений, связанная с разделением функций их элементов, позволяет одно и то же устройство оптимально адаптировать к различным условиям эксплуатации и в наибольшей степени удовлетворяет признакам объекта эталона, определенного в результате морфологического анализа.

Необходимость сбора нефти с поверхности воды вынуждает создавать различные автономные суда нефтесборщики и нефтесборные приставки к судам общего назначения.

Совмещения свойств бонового ограждения с нефтесборным устройством является достаточно перспективным решением. В этом случае сбор или отвод нефти от мест её накопления повышает надежность работы бонового ограждения и уменьшает его габариты.

Рис 2 Конструктивная схема бонового ограждения, оборудованного гидравлическим гтотокообразователем, где ! - боны, 2 - нефтестойкое полотно, 3,4- несущие канаты, 5 - гребной вал, 6 - винты

В результате применения гидромеханизации бонового ограждения, т. е. оборудования его гидравлическим потокообразователем, число рубежей удержания нефти существенно снижается, что повышает эффективность природоохранных мероприятий.

В практике лесосплава широко распространены струйные гидравлические ускорители. Например, известны винтовые гидравлические ускорители, представляющие собой струеобразующие аппараты с гребным винтом.

Недостатком винтовых гидравлических ускорителей данного типа является уменьшение скорости вдоль оси возбуждаемого потока и большая затрата мощности на единицу длины возбуждаемого потока.

Предлагаемый гидравлический потокообразователь позволяет устранить отмеченные недостатки.

Потокообразователь (рис. 3) состоит из следующих основных элементов: 1 - корпус, 2 - электродвигатель, 3 - механическая передача, 4 - опорный подшипник, 5 - сальниковое уплотнение, 6 - гибкий привод, 7 - водонепроницаемое полотно, 8 - гребные винты, 9 - боны, 10 - гребной вал.

Для достижения цели вал выполнен длинным и расположен вдоль оси возбуждаемого транспортного потока так, что свободный конец его через гибкий привод укреплен в опоре вращения, а по всей длине распределены гребные винты.

Рис. 3 Схема винтового гидравлического потокообразователя

Винтовой гидравлический потокообразователь имеет герметичный корпус, в котором установлен электродвигатель, механическая передача, радиально-упорный подшипник и сальниковое уплотнение. Через сальниковое уплотнение пропущена жесткая часть вала, которая

соединена с другой его частью, выполненной в виде гибкого вала из стального каната. Часть вала, идущая от механической передачи, и гибкая его часть соединены муфтой, введенной для удобства монтажа. На валу с некоторым интервалом расположены гребные винты, которые жестко укреплены на валу. Свободный конец вала укреплен в опоре вращения, которая может быть выполнена в виде радиально-упорного подшипника.

Вращение ближайшего к корпусу винта вызывает появление потока жидкости, движущегося к следующему винту. За счет расширения струи на участке между первым и следующим за ним винтом на длине, а также за счет вязкой диссипации энергии струи, происходит уменьшение скорости возбуждаемого потока по гиперболическому закону

у, (2)

где У0 - скорость струи вблизи винта;

У1 - скорость в сечении, удаленном на расстояние от плоскости винта;

<р - опытная константа;

4, - диаметр струи вблизи винта.

Однако, действие следующего винта приводит к поддержанию возбужденного первым винтом гидравлического потока. Каждый последующий винт выполняет аналогичную задачу поддержания потока. В результате падение продольной скорости У/ происходит лишь в интервалах между винтами на расстоянии I. Подбирая необходимое значение расстояния /, можно выбрать заранее заданное уменьшение продольной скорости К; относительно скорости струи вблизи винта Уц. Это позволяет добиться требуемой минимальной неравномерности скоростного поля по длине возбуждаемого потока.

В винтовых гидравлических ускорителях, применяемых на лесосплаве, неравномерность скорости определяется необходимой длиной возбуждаемого потока и не может быть уменьшена.

V, м/с

Уо

V» V,"

дУ

1 _ ' '

...............

дУ

Ь, н

Рис 4 Зависимость скорости потока от расстояния V = /У ^^

Пусть необходимая длина транспортного гидравлического потока равна Ь. Использовав к винтов, расположенных на валу с интервалом 1 найдем среднее значение продольной скорости возбуждаемого потока

(3)

Среднее значение продольной скорости потока, возбуждаемого винтовым гидравлическим ускорителем, применяемым на лесосплаве, может быть записано

¡7=1, 1 2

к-1

(4)

где штрихами отмечены параметры потока, возбуждаемого винтовым гидравлическим ускорителем.

Из сравнения двух последних соотношений видно, что при выполнении равенств <р = <р' среднее значение скорости будет выше у винтового гидравлического потокообразователя предлагаемого типа. Это, очевидно, указывает на большую равномерность скоростного поля по длине потока, возбуждаемого винтовым потокообразователем предлагаемого типа.

Коэффициент неравномерности, в данном случае, определяется по формуле

где к - коэффициент неравномерности скорости потока, возбуждаемого винтовым гидравлическим ускорителем, применяемым на лесосплаве,

к - коэффициент неравномерности скорости потока, возбуждаемого предлагаемым винтовым гидравлическим ускорителем.

Очевидно, что к будет значительно меньше чем к

к'«к, (6) следовательно, предлагаемый гидравлический потокообразователь, имеет большую равномерность скоростного поля по длине потока.

Винтовой гидравлический потокообразователь может быть рассчитан по стандартной методике расчета движительных комплексов [31] после внесения ряда поправок и совершенствований.

В предлагаемом винтовом гидравлическом потокообразователе используется зависимость для продольной скорости потока (формула 2).

При сохранении диаметра винтов используем винты без насадка, поэтому

*он =<Мо =(\-Су)-<р, (7)

поскольку корпус ускорителя оставлен без изменения.

Коэффициент засасывания комплекса на швартовных в данном случае

(ок=1он~(0> 00

поэтому определив значение упора отдельного винта

РК=р-Рр-У02=р-^-У02, (9)

найдем расчетную скорость гребного винта

у — *ок ' ^ + ) I_^ • Рк_

1 + ^ Ур-Рг-О + ЪУ

Упор винта будет

Р = ' (11)

Коэффициент задания определяют по формуле

Kä=D-Vpo.^. (12)

Ii

По диаграмме расчета характеристик гребных винтов (диаграммы Папмеля) находим Лр, НЮ, T}p=f(Kd).

Коэффициент нагрузки винта на швартовых будет

l+t„

аро

поэтому мощность, потребляемая движителем, составит

(13)

V3

N„= 0,534 -аро-02-^. (14)

Чр

Мощность электродвигателя будет равна

= „ > О5)

1,36 -г}„ •т)в

где к - количество винтов, установленных на гребном валу.

Общая длина потока, возбуждаемого предлагаемым винтовым гидравлическим потокообразователем, составит

! = *■/, (16) поэтому предлагаемый коэффициент качества будет

Гидравлический потокообразователь, рассчитанный по предложенной методике, имеет большую равномерность скоростного поля по длине потока, что способствует более спокойному перемещению нефтяного пятна вдоль бонового ограждения.

По существующей схеме защиты водотока от нефтяного загрязнения устанавливается три рубежа защиты бонов. Применение разработанной конструкции бонового ограждения позволит сократить в три раза количество рубежей защиты.

Предложенная конструкция боновых ограждений, оборудованных гидравлическим потокообразователем имеет ряд особенностей, к которым в первую очередь следует отнести большое количество составных частей конструкции. Что усложняет процесс установки изделия в рабочее положение.

1 Решение поставленной задачи достигается установкой устройства для развертывания бонового ограждения в рабочее положение.

Рис 5 Схема установки бокового ограждения I - стационарное положение, II - рабочее положение

Рис б Существующая схема установки боновых ограждений I, II, III - рубежи задержания нефти

Устройство представляет собой лебедку 4 установленную на понтон 3, который соединен с бонами 5. Боновое ограждение, оборудованное гидравлическим потокообразователем, устанавливается вдоль берега ниже по течению у береговой опоры. При поступлении сигнала об аварии при помощи легкого катера или моторной лодки на противоположный доставляется трос 2 и закрепляется за береговую опору 1. Затем при помощи лебедки, установленной на понтоне, приводят в рабочее положение боновое ограждение. Гидравлический потокообра-зователь соединяется с двигателем, который приводится в действие либо от дизельной подстанции, либо от стационарного источника.

Предлагаемый вариант установки бонового ограждения значительно сокращает время развёртывания устройства и не требует большого количества средств, как людских, так и механических. Для оперативной установки в данном случае необходимо всего два человека, один специалист и один рабочий и наличие легкого катера или моторной лодки.

В третьем разделе проведены экспериментальные исследования бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем.

В настоящее время разработано большое количество устройств для задержания и предотвращения растекания нефтяного загрязнения по поверхности водотока. Боновые ограждения получили наибольшее распространение как средства локализации разливов нефтяного пятна.

В качестве объекта моделирования выбирается боновое ограждение, снабженное гидравлическим потокообразователем.

Подобие группы явлений, объединяемых теми или иными физическими закономерностями, в некоторых случаях могут быть описаны системой дифференциальных уравнений математической физики. При движении жидкости такой системой являются уравнения Навье-Стокса, которые в условиях турбулентного режима и после введения осредненных по времени величин приобретают форму уравнений Рей-нольдса.

Так как подобие систем является заданным, обеспечено геометрическое подобие, и поэтому

МИ = М„ = А/,,

а в силу неразрывности потока

МОг = МО„ = МО, = МО.

Л у 2

Считая две заданные системы подобными можно записать:

ин = »мМи> 1н =1мМГ> %н V» = *ММУ>

где МО, Ми М& Му не зависят от координат и представляют постоянные масштабные соотношения или коэффициенты, которые можно вынести за знак производной.

Переходя от масштабных коэффициентов к самим величинам, находим

и/ и2 _ Ар „ и! .,„.

— = 57?;— = Рг ; = ; — = Яе. (18)

I ро1 у

Это и есть критерии подобия явлений (БИ - Струхал, Рг - Фруд, Ей - Эйлер, Яе - Рейнольде).

" Критерий гомохронности Струхала получен из первого члена уравнения, который существует лишь при неустановившемся движении. В условиях установившегося движения он выпадает из рассмотрения.

Если изучается движение жидкости при турбулентном режиме, когда силы вязкости не определяют характер явления, соблюдение тождественности 11е=чс1ет не является необходимым.

В открытом потоке, обладающем свободной поверхностью, основными действующими силами являются силы тяжести, подобие которых обеспечивается критерием Фруда Бг.

При моделировании бонового ограждения, снабженного гидравлическим потокообразователем, турбулентное течение определяется, в основном, силами тяжести. Силы вязкости в условиях турбулентного течения проявляют себя сравнительно слабо, а силы поверхностного натяжения настолько малы, что ими можно пренебречь. Поэтому такое течение моделируется по Фруду. Силы вязкости и поверхностного натяжения будут воспроизводиться не в надлежащих масштабах, но, так как влияние этих сил очень мало по сравнению с влиянием сил тяжести, ошибки масштабирования будут пренебрежительно малыми.

При моделировании процессов, в которых важны силы тяжести, необходимо обеспечить равенство в модели и натуре чисел Фруда, т. е.

(19)

УГ

ШГ)н

где индексы мин относятся соответственно к модели и натуре.

В результате получается система масштабов необходимая для моделирования бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем

Ми=М)п- -Мд^М5/2-

М(=М}/2; (20)

Мр = М} ; МЫ=М]\

которая и является основой для планирования экспериментов.

Для проверки работоспособности предлагаемого устройства экспериментальные исследования проводились в гидравлическом лотке кафедры водных ресурсов Марийского государственного технического университета.

Экспериментальные исследования бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем, состояли из двух этапов.

На первом этапе определялись силовые характеристики двигателя ДМ-2-26. Для этого к двигателю был присоединен при помощи гибкого привода тахометр. Проводилась серия опытов, в которых при задан-

ном напряжении изменялась нагрузка на двигатель с измерением числа оборотов.

По результатам опытов построены графики работы двигателя ДМ-2-26.

На втором этапе определялась скорость возбуждаемого потока. Были проведены четыре серии опытов: при перпендикулярном расположении бйнового ограждения к створу, при расположении под углом 10,20 и 30 градусов к створу.

Для определения скорости потока, возбуждаемого гидравлическим потокообразователем, на измерительном приборе выставлялось соответствующее значение напряжения подаваемого на двигатель и снимались показания по силе тока и данные трубки Пито. Как показали расчеты в разделе планирования экспериментов, 10 опытов в каждой серии эксперимента вполне достаточно для получения достоверных данных.

В ходе проведения экспериментов на расстоянии 1,5 м от бонового ограждения, что обеспечивало образование равномерной пленки, со дна гидравлического лотка запускалось загрязнение объемом 5 мл по физическим свойствам сопоставимое с нефтью.

Двигаясь по течению, пленка попадала под воздействие потока, возбужденного гидравлическим потокообразователем. В дальнейшем перемещение пятна происходило вдоль бонового ограждения к месту сбора. При этом конструкция бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем, исключала возможность под-ныривания нефти под ограждением за счет образования направленного и равномерного потока.

При расположении бонового ограждения перпендикулярно к створу движение нефтяной пленки под воздействием потока происходило только в узкой зоне действия потокообразователя. Остальная нефть достаточно медленно продвигалась к боновому ограждению и отводилась к месту сбора при попадании в зону действия потокообразователя.

При расположении бонового ограждения под углом 10 градусов к створу характер движения нефтяного пятна стал равномерным.

С увеличением угла до 20 градусов попутное течение потока стало оказывать влияние на характер движения загрязнения. Теперь нефть отводилась к месту сбора не только в узкой зоне действия потокообразователя, но и все нефтяное пятно стало отводиться к берегу.

0,7 г ...........у-

о,в...........— ; / - - —

Я 0,5- .........^ - - -

г ^

о,4- ^^ ; о,з | ;

0,2 I---1-,-

0,8 1 1,2 1,4 1,6

УЛ/п

Рис. 7 График зависимости скорости потока от мощности двигателя при расположении бонового ограждения под углом 10 градусов к створу

При расположении бонового ограждения под углом 30 градусов к створу характер движения загрязнения стал более направленным. Вся нефтяная пленка направленным потоком относилась к месту сбора.

Экспериментальные исследования показали, что при образовании тонкой плавающей пленки нефтепродуктов для предотвращения распространения по поверхности воды наиболее эффективным оказалось расположение бонового ограждения под углом 10 градусов к створу, т. к. в данном случае достигнута наибольшая сходимость теоретических и экспериментальных данных.

Оптимальные скорости эксплуатации гидравлического потокооб-разователя лежат в пределах 0,75...0,82 м/с. Дальнейшее увеличение скорости потока приводило к перемешиванию нефтяного пятна с водой и, как следствие, проникновение нефтяной пленки под боновое ограждение.

После обработки экспериментальных данных статистическими методами было установлено, что:

- проведена оценка данных теоретической функции с результатами экспериментальных измерений;

- сравнение остаточных дисперсий, рассчитанных по экспериментальным данным и полученных по аналитическому уравнению, по критерию Фишера показало, что расчетный критерий Фишера при коэффициенте значимости а=0,05 был менее табличного во всех сериях эксперимента;

- однородность рядов полученных данных оцененная критерием Стьюдента находится в допустимых пределах, а среднеквадратическая ошибка не превышает 7,8%.

Сравнение результатов эксперимента и расчетных исследований позволяет сказать, что полученные данные являются полностью адекватными теории.

В четвертом разделе рассмотрена эколого-экономическая эффективность применения боновых ограждений, оборудованных гидравлическим потокообразователем.

Оценка экономической эффективности природопользования необходима:

для оценки уже полученных результатов;

для выбора наиболее целесообразного варианта природопользования и отдельных мероприятий по охране окружающей среды;

для определения объема затрат, необходимых для достижения оптимальных эколого-экономических эффектов.

Ущерб, наносимый вследствие загрязнения природной среды - это фактические или возможные потери: экологические, социальные и экономические.

Причиненный ущерб окружающей природной среде составит: при применении существующих устройств 10855 тыс. рублей; при применении бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем 2171 тыс. рублей; без применения устройств, с учетом штрафов 14459 тыс. рублей.

Эффективность применения боновых ограждений, оборудованных гидравлическими потокообразователями выше по сравнению с существующими технологиями на 8,4 млн. рублей.

Основные выводы и рекомендации

1. Новым способам и средствам, обеспечивающим предотвращение распространения нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов, должны соответствовать новые виды боновых ограждений.

2. Силы, действующие на конструкции наплавных сооружений, рассчитываются из предположения линейного характера взаимодействия. Основными действующими силами являются влекущая сила водного потока, ветровая и волновая нагрузка, направление и скорость дрейфового течения.

3. Нагрузки, действующие на наплавные сооружения, подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Боковые нагрузки подчиняются закону цепной линии, при этом горизонтальные составляющие натяжения постоянны во всех поперечных сечениях.

4. В результате применения гидромеханизации бонового ограждения, т. е. оборудования его гидравлическим потокообразователем, в три раза сокращается число рубежей удержания нефти, что повышает эффективность природоохранных мероприятий.

5. Приведенная методика расчета наплавных сооружений учитывает действия внешних силовых факторов статического и динамического характера, что позволило теоретически обосновать и создать боновое ограждение на основе концепции разделения функций элементов устройства.

6. Предложен вариант установки бонового ограждения, который значительно сокращает время развёртывания устройства и не требует больших затрат. Для оперативной установки необходимо всего два человека, один специалист и один рабочий и наличие легкого катера или моторной лодки.

7. Гидравлический потокообразователь, рассчитанный по предложенной методике, имеет большую равномерность скоростного поля по длине потока, что способствует более спокойному перемещению нефтяного пятна вдоль бонового ограждения.

8. Физическое моделирование бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем выполнено на основе теории подобия. При определении условий моделирования бонового ограждения было обосновано, что основными действующими силами являются силы тяжести, а моделирование гидравлического потокооб-разователя основывается на использовании критерия подобия Фруда.

9. На основе определения системы масштабов в гидравлическом лотке была изучена модель бонового ограждения. Результаты экспериментов позволили разработать рекомендации по применению скоростных режимов для транспортировки нефти к местам сбора.

10. Эксплуатация бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем, наиболее эффективна при расположении его под углом 10 градусов к створу, т. к. в данном случае достигнута наибольшая сходимость теоретических и экспериментальных данных. ,

11. Статистическая обработка экспериментальные дарных показала, что расчетный критерий Фишера при доверительной вероятности 95% не превышает значение табличного критерия Фишера, что позво-

ляет сделать вывод о пригодности, т.е. адекватности полученных результатов эксперимента.

12. Приведенный расчет экономической эффективности свидетельствует о перспективности применения боновых ограждений, оборудованных гидравлическими потокообразователями. При сравнительно большой стоимости устройства значительный экономический эффект, полученный в результате применения природоохранной технологии, говорит о целесообразности ее использования.

13. Рекомендуется проводить эксплуатацию бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем при рабочих скоростях 0,75.. .0,82 м/с.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Шестиперов Д. Н. Водохозяйственные дамбы обвалования для защиты пойменных участков; Материалы 53-й межвузовской студенческой научно-технической конференции, часть И. - Йошкар-Ола: Мар-ГТУ, 2000. - 167 с.

2. Шестиперов Д.Н. Проектирование боновых заграждений; Седьмые Вавиловские чтения. Глобализация и проблемы национальной безопасности России в XXI веке: Сб. материалов/ Под общей редакцией проф. В. П. Шалаева. В 2-х ч. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. - 364 с.

3. Шестиперов Д. Н. Мероприятия по локализации нефтяных загрязнений при авариях на подводных переходах нефтепроводов; Сборник статей студентов, аспирантов и докторантов по итогам научно-технических конференций МарГТУ в 2003 году. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004.-385 с.

4. Определение условий моделирования системы защиты водных потоков от нефтяного загрязнения/ Шестиперов Д. Н.; Марийск. гос. техн. университет. - Йошкар-Ола, 2003. - 9 с. - Библиогр.: 10 назв. -Рус. - Деп. в ВИНИТИ 20.11.2003, № 2001 - В2003.

5. Шестиперов Д.Н. Применение гидравлического потокообразова-теля как одного из возможных факторов влияния на экологическую обстановку РМЭ в области водных ресурсов, Восьмые Вавилонские чтения. Мировоззрение современного общества в фокусе научного знания и практики: Сб. материалов/ Под общей редакцией проф. В. П. Шалаева. В 2-х ч. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - 4.2. -

260 с.

Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 3162.

Редакционно-издательский центр Марийского государственного технического университета 424006 Йошкар-Ола, ул.Панфилова, 17

¿21828

РНБ Русский фонд

2006-4 16950

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Шестипёров, Дмитрий Николаевич

Введение

1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследований

1.1. Магистральные нефтепроводы

1.1.1. Линейная часть магистральных нефтепроводов

1.1.2. Эксплуатационное обслуживание подводных переходов

1.1.3. Взаимодействие подводного перехода с окружающей средой

1.1.4. Магистральный нефтепровод «Сургут-Полоцк»

1.2. Загрязнение окружающей среды при авариях

1.3. Средства локализации нефтяных загрязнений

1.4. Морфологический анализ предмета исследования 35 1.4.1. Классификационные уровни морфологического анализа

1.4.2. Описание основных типов объектов исследования

1.4.3. Структурные диаграммы технических объектов

1.5. Постановка задач исследований

2. Теоретическая часть

2.1. Воздействие водных потоков на боновые ограждения 56 2.1.1. Типы внешних силовых факторов, действующих на наплавные сооружения

2.1.2. Статические уравнения равновесия наплавных сооружений

2.1.3. Гидродинамическое воздействие на плавучие объекты

2.2. Проектирование боновых ограждений

2.2.1. Конструктивная схема бонового ограждения

2.2.2. Методика расчета сил, действующих на боновое ограждение

2.2.3. Расчет несущего каната

2.3. Теория и расчет винтового гидравлического потокообразователя

2.3.1. Конструктивная схема винтового гидравлического потокообразователя

2.3.2. Методика расчета винтового гидравлического потокообразователя

2.3.3. Расчет винтового гидравлического * потокообразователя

2.4. Технологические предложения по установке боновых ограждений

2.5. Выводы по главе

3. Экспериментальная часть

3.1. Определение условий моделирования системы защиты водных потоков от нефтяного загрязнения

3.2. Планирование экспериментов

3.3. Описание модели и лабораторного оборудования

3.4. Проведение экспериментов

3.5. Статистическая обработка экспериментальных данных

3.6. Выводы по главе

4. Эффективность применения природоохранной технологии

Введение Диссертация по биологии, на тему "Разработка мероприятий по предотвращению распространения нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов"

В настоящее время Российская Федерация является крупнейшим поставщиком нефти на мировой рынок. Согласно прогнозам Министерства экономики и торговли РФ, добыча нефти в нашей стране, включая газовый конденсат, составит в 2004 году 450 млн т. Существенная часть добываемой нефти экспортируется по системе магистральных нефтепроводов.

С 1985 по 2000 год в России не было построено ни одного метра новых трубопроводных мощностей. Происходило также общее ухудшение состояния трубопроводов.

Динамичное развитие российской трубопроводной системы является одним из необходимых условий успешной реализации энергетической политики нашей страны.

Согласно прогнозам, приведенным в Энергетической стратегии России до 2020 года, добыча жидких углеводородов будет последовательно нарастать. В 2010-м она должна составить порядка 490 млн т, а к 2020 году достигнуть 520 млн т.

Развитие системы магистральных нефтепроводов требует постоянного контроля за их надежностью, безопасностью и экологичностью.

Анализ предаварийных ситуаций и аварий на магистральных нефтепроводах свидетельствует о том, что утечки нефти происходят на наиболее уязвимых участках нефтепроводов, к которым в первую очередь относятся подводные переходы.

Причинами возникновения аварий могут быть различные факторы: внутреннее давление перекачиваемого продукта; изгиб на неровностях рельефа дна; случайные механические воздействия якорей, волокуш, проходящих судов; колебания подводных трубопроводов под воздействием потока воды при размывах дна и т. д. Одни из этих нагрузок носят случайный и кратковременный характер, другие развиваются во времени и действуют в течение длительного периода.

При авариях на подводных переходах магистральных нефтепроводов первоочередной задачей является прекращение дальнейшего распространения нефтяного пятна по водной акватории. Это достигается ограждением нефтяного пятна по всей ширине водоема. Важное значение имеет способность ограждения задерживать весь объем разлившейся нефти, не допуская утечек нефти под ограждением.

При попадании в водную среду нефть оказывает вредное воздействие на многие живые организмы и пагубно влияет на все звенья биологической цепи, что в свою очередь приводит к нарушению экологического равновесия.

Учитывая экологическую опасность, которую влекут за собой аварии на подводных переходах нефтепроводов для флоры и фауны водоема, а также для здоровья человека, разработка мероприятий для решения проблем, связанных с предотвращением распространения нефтяного загрязнения, является актуальной задачей.

Разработанные методы защиты водных объектов от распространения по их поверхности нефтяного загрязнения носят статический характер. Применение комплекса мер, основанного на совместном использовании бонового ограждения и гидравлического потокообразователя, может оказаться эффективным средством предотвращения распространения нефтяных загрязнений в водных объектах.

Цель настоящей работы состоит в разработке технических и технологических решений по активному воздействию на распространение нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов в летний период, что позволит сохранить экологическое равновесие водных объектов.

Объектом исследования являются средства локализации нефтяных загрязнений на поверхности водных объектов. Предметом исследования является оборудование боновых ограждений средствами гидродинамического регулирования потоков нефтяных загрязнений.

Методы исследования. В процессе проведения исследований были использованы теоретические и экспериментальные методы. Проведен морфологический анализ систем локализации нефтяных загрязнений. Применены методы анализа статического состояния плавучих объектов и гидродинамики твердого тела и жидкости. Теоретические методы исследований основывались на использовании уравнений Навье-Стокса, которые в условиях турбулентного режима и после введения осредненных по времени величин приобретают форму уравнений Рейнольдса. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с теорией подобия и теорией планирования эксперимента на разработанной модели бонового ограждения. Обработка результатов исследования проводилась методами статической обработки экспериментальных данных с использованием прикладных пакетов компьютерных программ Statistica и Microsoft Excel.

Научная новизна работы. Заключается в разработке нового подхода к защите рек от нефтяного загрязнения средствами гидродинамики, основанными на применении гидравлического потокообразователя, установленного на боновое ограждение, усовершенствованной конструкции. Для этого: разработан активный способ задержания нефтяного загрязнения на основе применения гидравлического потокообразователя;

- выявлен фактор, имеющий максимальное влияние на процесс задержания нефтяного загрязнения - угол положения бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем, в створе;

- предложена конструкция бонового ограждения, разработанная на основе концепции разделения функций элементов устройства;

- определен эколого-экономический эффект от использования бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем; составлена многоуровневая структура морфологического анализа технических решений, относящихся к конструкции боновых ограждений.

Достоверность результатов обоснована совпадением результатов теоретических расчетов с опытными данными, полученными в результате лабораторных исследований. Результаты исследований, изложенные в работе, не противоречат известным положениям теории гидродинамики и согласуются с известным опытом создания гидравлических устройств с гребным винтом.

Практическая ценность работы. Предложенная конструктивная схема бонового ограждения может быть использована при разработке мероприятий по снижению последствий возможной аварий на подводном переходе ^ нефтепроводов производственными организациями, занимающимися эксплуатацией магистральных нефтепроводов, службами МЧС России.

На защиту выносятся следующие положения: результаты морфологического анализа технических средств по предотвращению распространения нефтяных ^ загрязнений на водотоках; способ задержания нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов на основе применения гидравлического потокообразователя; методика расчета гидравлического потокообразователя, применяемого на боновом ограждении; экспериментально установленные параметры эксплуатации бонового ограждения, оборудованного ^ гидравлическим потокообразователем; оценки эколого-экономического эффекта от использования бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем.

Личный вклад автора.

Составлена многоуровневая структура технических решений, относящихся к конструкции боновых ограждений.

Проведен морфологический анализ устройств для задержания нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов.

Разработан способ задержания нефтяного загрязнения на основе применения гидравлического потокообразователя.

Составлена методика определения геометрических, энергосиловых и динамических параметров элементов боновых ограждений, оборудованных гидравлическим потокообразователем.

Спроектирована и построена модель бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем.

Проведены экспериментальные исследования модели бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем при изменении угла положения устройства в створе и частоты оборотов двигателя.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения; 4 глав, содержащих основные логические обоснования, зависимости и экспериментальный материал; заключения с выводами и рекомендациями; списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы - 184 страницы машинописного текста, включая 44 рисунка, 21 таблицу, библиографию из 114 наименований и приложения на 29 страницах.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Шестипёров, Дмитрий Николаевич

Основные выводы и рекомендации

1. По общественным ценностям приоритет в разработке технических решений отдается качеству окружающей среды и безопасности жизнедеятельности. Проектирование новых объектов по макроэкономическим показателям ориентировано на использование как природных, так и искусственных материалов.

2. При разработке предполагается интенсивное использование перестраиваемых технологий, направленных на решения динамического характера. Рабочая поверхность, в соответствии с подходом автора, представляет собой линейно протяженные объекты, предназначенные для работы в акватории.

3. Разрабатываемые технические решения по показателю надежности относятся к классу средне- и высоконадежных объектов, направленных на ликвидацию любого типа аварий на подводном переходе нефтепровода.

4. Новым способам и средствам, обеспечивающим предотвращение распространения нефтяного загрязнения при авариях на подводных переходах нефтепроводов, должны соответствовать новые виды боновых ограждений.

5. Силы, действующие на конструкции наплавных сооружений, рассчитываются из предположения линейного характера взаимодействия. Основными действующими силами являются влекущая сила водного потока, ветровая и волновая нагрузка, направление и скорость дрейфового течения.

6. Нагрузки, действующие на наплавные сооружения, подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Боковые if нагрузки подчиняются закону цепной линии, при этом горизонтальные составляющие натяжения постоянны во всех поперечных сечениях.

7. Приведенные зависимости позволяют рассчитать гидродинамическое воздействие на наплавные сооружения и определить их основные параметры.

8. В результате применения гидромеханизации бонового ограждения, т. е. оборудования его гидравлическим потокообразователем, число рубежей удержания нефти существенно снижается, что повышает эффективность природоохранных мероприятий.

9. Приведенная методика расчета наплавных сооружений учитывает действия внешних силовых факторов статического и динамического характера, что позволило теоретически обосновать и создать боновое ограждение на основе концепции разделения функций элементов устройства.

10. Предложен вариант установки бонового ограждения, который значительно сокращает время развёртывания устройства и не требует больших затрат. Для оперативной установки необходимо всего два человека, один специалист и один рабочий и наличие легкого катера или моторной лодки.

11. Гидравлический потокообразователь, рассчитанный по предложенной методике, имеет большую равномерность скоростного поля по длине потока, что способствует более спокойному перемещению нефтяного пятна вдоль бонового ограждения.

12. Физическое моделирование бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем выполнено на основе теории подобия. При определении условий моделирования бонового ограждения было обосновано, что основными действующими силами являются силы тяжести, а моделирование гидравлического потокообразователя основывается на использовании критерия подобия Фруда.

13. На основе определения системы масштабов в гидравлическом лотке была изучена модель бонового ограждения. Результаты экспериментов позволили разработать рекомендации по применению скоростных режимов для транспортировки нефти к местам сбора.

14. Эксплуатация бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем, наиболее эффективна при расположении его под углом 10 градусов к створу реки, т.к. в данном случае достигнута наибольшая сходимость теоретических и экспериментальных данных.

15. Статистическая обработка экспериментальных данных показала, что расчетный критерий Фишера при доверительной вероятности 95% не превышает значение табличного критерия" Фишера, что позволяет сделать вывод о пригодности, т.е. адекватности полученных результатов эксперимента.

16. Приведенный расчет экономической эффективности свидетельствует о перспективности применения боновых ограждений, ' оборудованных гидравлическими потокообразователями. При сравнительно большой стоимости устройства значительный экономический эффект, полученный в результате применения природоохранной технологии, говорит о целесообразности ее использования.

17. Эффективность применения боновых ограждений, оборудованных гидравлическими потокообразователями выше по сравнению с существующими технологиями на 8,4 млн. рублей.

18. Рекомендуется использовать предложенный вариант установки бонового ограждения с использованием лебедки, который значительно сокращает время развёртывания устройства.

19. Рекомендуется проводить эксплуатацию бонового ограждения, оборудованного гидравлическим потокообразователем при расположении его под углом 10 градусов к створу реки.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Шестипёров, Дмитрий Николаевич, Йошкар-Ола

1. А.с. № 651086 СССР, МПК Е 02 В 15/04; В 63 В 35/32. Устройство для сбора нерастворимых жидкостей с поверхности воды / А.В.Ерохин и др. (СССР). 2864577/29-15; Заявлено 22.12.77; Опубл. 05.03.79, Бюл. № 9. С. 141.

2. А.с. № 667508 СССР, МПК С 02 С 1/38; Е 02 В 15/04. Устройство для сбора жидких плавающих веществ / А.Б. Канский и др. (СССР). 2491631/29-26; Заявлено 01.06.77; Опубл. 30.05.79, Бюл. № 22. С. 77.

3. А.с. № 874861 СССР, МПК Е 02 В 15/04. Устройство для удаления нефти с поверхности воды / А.А.Кононов, А.Р.Курбанов (СССР). 2864577/29-15; Заявлено 07.01.80; Опубл. 23.10.81, Бюл. № 39. с. 162.

4. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий: Учеб. пособ. / Под ред. В.А. Котляревского,

5. A.В. Забегаева.- М.: Изд-во Ассоц. Строит. Вузов Кн. 4. -1998. 203 с.

6. Анурьев, В.И. Справочник конструктора машиностроения /

7. B.И. Анурьев. — М.: Машиностроение, 1978, т.З. 557 с.

8. Астанин, Л.П. Охрана природы / Л.П. Астанин, В.Н. Благосклонов. М.: Колос, 1984. — 255 с.

9. Банников, А.Г. Охрана природы / А.Г. Банников, А.К. Рустамов. М.: Колос, 1984. - 192 с.

10. Банников, А.Г. Охрана природы / А.Г. Банников. М.: Агропромиздат, 1985. - 287 с.

11. Беккер, А.А. Охрана и контроль загрязнений природной среды / А.А. Беккер, Т.Е. Агаев. М.: Гидрометеоиздат, 1989. - 285 с.

12. П. Боровков, А. А. Математическая статистика / А. А. Боровков. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 424 с.

13. Боровский, А.И. Защита внутренних водных путей от загрязнения / А.И. Боровский, В.Г. Гришин, Н.Д. Черкасов. -М.: Транспорт, 1981. 128 с.

14. Бородавкин, П.П. Подводные трубопроводы / П.П. Бородавкин, B.JI. Березин, О.Б. Шадрин. М.: Недра, 1979. -284 с.

15. Бородавкин, П.П. Подземные магистральные трубопроводы / П.П. Бородавкин. М.: Недра, 1982. - 384 с.

16. Борьба с потерями нефти и нефтепродуктов при их транспортировке и хранении / Ф.Ф. Абузова, И.С. Бронштейн, В.Ф. Новоселов и д. р. М.: Недра, 1981. - 248 с.

17. Бреббиа, К. Динамика морских сооружений / К. Бреббиа, С. Уокер. Д.: Судостроение, 1980. - 230 с.

18. Брусельницкий, Ю.М. Судовые устройства для очистки трюмобаластных вод от нефтепродуктов / Ю.М. Брусельницкий. JL: Судостроение, 1966. - 201 с.

19. Владимирский, А.Н. Методы и средства обнаружения мест утечек на магистральных нефте и продуктоводах / А.Н. Владимирский, A.JI. Каплан. М.: Наука, 1966. 28 с.

20. Водный кодекс Российской Федерации. Официальный текст (по состоянию на 20 января 1996 г.) -М.: Издат. группа ЦИФРА М - Кодекс, 1996. - 107 с.

21. Водный транспорт леса и механизация лесосплавных работ / С.Х. Будыка и др. Минск: Высшая школа, 1970. -440 с.

22. Вознесенский, Г.Ф. К оценке содержания нефтепродуктов в речной воде при разливах на подводных переходах / Г.Ф. Вознесенский, И.А. Колосков. // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. 1979, №6. - С. 32 - 35.

23. Галлеев, В.Б. Магистральные нефтепродуктопроводы / В.Б. Галлеев, М.З. Карпачев, В.И. Харламенко. М.: Недра, 1988. - 296 с.

24. Гарин, В.М. Инженерная экология / В.М. Гарин. -Ростов-на-Дону: РГУПС, 1997. 144 с.

25. Гиляров, И.П. Моделирование речных потоков / И.П. Гиляров. JL: Гидрометеоиздат, 1973. - 200 с.

26. Гольдин, Э.Р. Механизация строительства подводных сооружений / Э.Р. Гольдин, К.А. Забела. М.: Стройиздат, 1979. - 267 с.

27. ГОСТ 17.1.3.10-83. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к охране поверхностных и подземных вод от загрязнения нефтью и нефтепродуктами при транспортировке по трубопроводу. Гос. Стандарты. Изд. офиц. - М.: Изд-во стандартов, 1994. - 104 с.

28. Гришин, М.М. Гидротехнические сооружения / М.М. Гришин. М.: Стройиздат, 1949. - 295 с.

29. Губин, В.Е. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов / В.Е. Губин, В.В. Губин. — М.: Недра, 1982.- 296 с.

30. Гусев, А.Г. Охрана рыбохозяйственных водоемов от загрязнения / А.Г. Гусев. М.: Пищевая промышленность, 1975. - 368 с.

31. Гухман, А.А. Обобщенный анализ / А.А. Гухман, А.А. Зайцев. М.: Изд-во «Факториал», 1998. - 304 с.

32. Дмитриев, Ю.Я. Гидравлические ускорители на лесосплаве / Ю.Я. Дмитриев. М.: Лесная промышленность, 1974. - 200 с.

33. Дмитриев, Ю.Я. Математическое моделирование экологических систем: Учебное пособие / Ю.Я. Дмитриев,

34. A.Г. Поздеев. Йошкар-Ола: МарГТУ, 1997. - 206 с.

35. Донской, И.П. Водный транспорт леса / И.П. Донской,

36. B.В. Савельев. М.: Лесная промышленность, 1973. - 288 с.

37. Дегтярев, В.В. Охрана окружающей среды: Учебник для вузов / В.В. Дегтярев. М.: Транспорт, 1989. - 212 с.

38. Езекиел, И. Методы анализа корреляций и регрессий / И. Езикиел, К.А. Фокс. М.: Статистика, 1966. - 170 с.

39. Забела, К.А. Ликвидация аварий и ремонт подводных переходов нефтепроводов / А.А. Забела. М.: Недра, 1986 -146 с.

40. Зайдель, А.Н. Погрешности измерений физических величин / А.Н. Зайдель. Л.: Наука, 1985. - 147 с.

41. Звонков, В.В. Судовые тяговые расчеты / В.В. Звонков.- М.: Речной транспорт, 1956. 173 с.

42. Зегжда, А.П. Гидравлические потери в каналах и трубопроводах / А.П. Зегжда. Д.: Гос. изд-во лит. по строительству и архитектуре, 1957. - 277 с.

43. Зегжда, А.П. Теория подобия и методика расчета гидротехнических моделей / А.П. Зегжда. М.: Госстройиздат, 1938. - 163 с.

44. Зубрилов, С.П. Охрана окружающей среды при эксплуатации судов / С.П. Зубрилов, Ю.Г. Ищук, В.И. Косовский. Д.: Судостроение, 1989. - 256 с.

45. Иванов, В.А. Подготовка диссертаций в системе послевузовского профессионального образования: Учебное пособие / В.А. Иванов, Г.С. Ощепков, С.Г. Селедков. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000. 195 с.

46. Иванов, Н.Д. Эксплуатационные и аварийные потери нефтепродуктов и борьба с ними / Н.Д. Иванов. Д.: Недра, 1973.- 165 с.

47. Инструкция по изысканиям, проектированию, строительству, монтажу и эксплуатации запаней. — М.: Лесная промышленность, 1971. 104 с.

48. Инструкция по проектированию лесосплавных предприятий. ВСН 4-78 Минлеспром СССР. Д.: Гипролестранс, 1979. - 294 с.

49. Исследования в области надежности и эффективность эксплуатации магистральных нефтепроводов: Сб. науч. тр. / ВНИИ по сбору, подготовке и транспорту нефти. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1987. - 140 с.

50. Кабардин, О.Ф. Физика: Справ, материалы / О.Ф. Кабардин. М.: Просвещение, 1991. - 367с.

51. Кесельман, Г.С. Защита окружающей среды при добыче, транспортировании нефти и газа / Г.С. Кесельман, Э.А. Махмудбеков. М.: Недра, 1981. - 256 с.

52. Кублановский, Л.Б. Определение мест повреждений напорных трубопроводов / Л.Б. Кублановский. М.: Недра, 1971. - 153 с.

53. Кукушкин, Б.М. Строительство подводных трубопроводов / Б.М. Кукушкин, В.Я. Канаев. М.: Недра, 1982 - 146 с.

54. Кульмач, П.П. Якорные системы удержания плавучих объектов / П.П. Кульмач. Л.: Судостроение, 1980. - 336 с.

55. Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооружениям / Под ред. B.C. Лапшенкова.- М.: Агропромиздат, 1989. 448 с.

56. Кутырин, И.М. Охрана водных объектов от загрязнений / И.М. Кутырин. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 40 с.

57. Ламб, Г. Гидродинамика / Г. Ламб. М.-Л.: ГИТТЛ, 1947. - 288 с.

58. Лебедев, А.Н. Климат СССР. Вып. 1. / А.Н. Лебедев. -Л.: Гидрометеоиздат, 1958. 268 с.

59. Леви, И.И. Моделирование гидравлических явлений / И.И. Леви. М. - Л.; Госэнергоиздат, 1966. - 210 с.

60. Левин, С.И. Подводные трубопроводы / С.И. Левин. — М.: Недра, 1970. 315 с.

61. Лосев, К.С. Вода / К.С. Лосев. — Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 272 с.

62. Луньев, В.А. Планирование и обработка технического эксперимента. Учеб. пособие / В.А. Луньев. Л.: ЛПИ, 1982.- 84 с.

63. Львовский, Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие для втузов / Е.Н. Львовский.- 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1988. -239 с.

64. Машины и механизмы для лесосплава. Каталог. М.: ВНИИ ПИЭИЛеспром, 1980. - 72 с.

65. Машины, суда и оборудование лесосплава: Справочник. М.: Лесная промышленность, 1983. - 336 с.

66. Мелиорация и водное хозяйство.Т.5. Водное хозяйство: Справочник / И.И. Бородавченко, Ю.А. Килинский, И.А. Шикломанов и др.; Под ред. И.И. Бородавченко. М.: Агропромиздат, 1988. - 399 с.

67. Мелник, М. Основы прикладной статистики. / Пер. с англ. Ю.А. Данилова. М.: Финансы и статистика, 1983. -278 с:

68. Методика определения ущерба нанесенного окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах. М.: Транс Пресс, 1996. - 68 с.

69. Митропольский, А.К. Элементы математической статистики. Введение в статистические исчисления / А.К. Митропольский. Л.: 1969. - 273 с.

70. Новиков, Ю.В. Охрана окружающей среды / Ю.В. Новиков. М.: Высш. шк., 1987. - 287 с.

71. Новицкий, П.В. Оценка погрешности результатов измерений / П.В. Новицкий, Н.А. Зограф. 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 103 е.

72. Нунупаров, С.М. Предотвращение загрязнения моря с судов / С.М. Нунупаров. М.: Транспорт, 1985. - 288 с.

73. Об охране водных объектов и утверждении размеров их водоохранных зон и прибрежных защитных полос по Республике Марий Эл. Постановление Правительства РМЭ от 29 марта 1997г. № 105.

74. Об усилении охраны малых рек РСФСР от загрязнения, засорения и истощения и о рациональном использовании их водных ресурсов. Постановление СМ РСФСР от 14.01.81г. № 28.

75. Об утверждении порядка определения платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействия. Постановление правительства Российской

76. Федерации от 28.08.92г. № 632.

77. Определение условий моделирования системы защиты водных потоков от нефтяного загрязнения / Шестиперов Д. Н.; Марийск. гос. техн. университет. Йошкар-Ола, 2003. — 9 с. - Библиогр.: 10 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 20.11.2003, № 2001 - В2003.

78. Орлов, В.Т. Основы теории размерностей и подобия. Моделирование гидравлических явлений: Учебное пособие /

79. В.Т. Орлов. Д., ЛПИ, 1990. - 84 с.

80. Основы научных исследований: Учеб. для техн. вузов / В.И. Крутов, И.М. Грушко, В.В. Попов и др. Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова. М.: Высш. шк., 1989. - 400 с.

81. Основы проектирования лесосплавных объектов. / И.А. Беленов, Ю.Я. Дмитриев, В.И. Патякин, B.C. Сербский. М.: Экология, 1992. - 128 с.

82. Охрана окружающей среды / A.M. Владимиров, Ю.И. Ляхин, Л.Т. Матвеев, В.Г. Орлов. М.: Гидрометеоиздат, 1991. - 424 с.

83. Охрана окружающей среды: Справ, пособие. М.: Изд-во стандартов, 1991. - 127 с.

84. Охрана окружающей среды: Справочник / Сост. Л.П. Шариков. Л.: Судостроение, 1978. - 558 с.

85. Охрана природы / А.В. Михеев и др. М.: Просвещение, 1987. - 340 с.

86. Панасенко, А.Д. Водяные насосы / А.Д. Панасенко.- М.: Лесн. пром-сть, 1964. 147 с.

87. Патякин, В.И. Водный транспорт леса / В.И. Патякин, Ю.Я. Дмитриев, А.А. Зайцев. М.: Лесная промышленность, 1985 - 336 с.

88. Пижурин, А.А. Методика планирования экспериментов и обработки их результатов при исследовании технологических процессов в лесной и деревообрабатывающей промышленности: Учеб. пособие для ФПКП и аспирантов. Ч. 1 / А.А. Пижурин. М.: ЛТИ, 1972.56 с.

89. Пурво, У. Применение боновых заграждений в открытом море / У. Пурво // Материалы семинара по борьбе с разливом нефти в Арктике. Канада. 1980. 5 с.

90. Расчет платежей за загрязнение окружающей природной среды и размещение отходов: Метод, указ-ния к выполнению практ. работ. 2-е изд., с изм. / Сост. Е.Ю. Колесников. — Йошкар-Ола: МарПИ, 1995. - 44 с.

91. Рябчиков, А.К. Экономика природопользования: Учебное пособие / А.К. Рябчиков. М.: «Элит-2000», 2002. -192 с.

92. Седов, Л.И. Методы подобия и размерности в механике / Л.И. Седов. М.: Наука, 1977. - 439 с.

93. Серафинович, Л.П. Статистическая обработка опытных данных / Л.П. Серафинович. Томск: Изд-во Томского университета, 1980. - 76 с.

94. Соколов, П.А. Вариационная статистика / П.А. Соколов, В.Л. Черных. Йошкар-Ола: МарПИ, 1990. - 104 с.

95. Спиридонов, В.П., Черкасов И.Д. Технические средства предотвращения загрязнения водоемов нефтью / В.П. Спиридонов, И.Д. Черкасов. М.: ЦБНИТИ Минречфлота, 1983. - 48 с.

96. Справочник по гидравлике / Под ред. В.А. Большакова, 2-е изд., перераб. И доп. - К.: Вища школа, 1984. - 343 с.

97. Справочник по гидравлическим расчетам. М.: Энергия, 1974. - 313 с.

98. Стахов, Е.А. Очистка нефтесодержащих вод предприятий, хранение и транспортировка нефтепродуктов / Е.А. Стахов. Л.: Недра, 1983. - 263 с.

99. Телегин, Л.Г., Ким Б. И., Зоненко В. И. Охрана окружающей среды при сооружении и эксплуатации газонефтепроводов / Л.Г. Телегин, Б.И. Ким, В.И. Зоненко. — М.: Недра, 1988. 188 с.

100. Техника защиты окружающей среды: Учеб. пособие / Н.С. Торогешников и др. М.: Химия, 1981. - 368 с.

101. Трубопроводный транспорт / Итоги науки и техники. — М.: 1978, т.7.

102. Тув, И.А. Судовые технические средства предотвращения загрязнения водоемов нефтепродуктами / И.А. Тув. М.: Транспорт, 1976. - 128 с.

103. Тупоногов А.А. Разработка мероприятий по сбору нефти при авариях на подводных переходах нефтепроводов в зимних условиях / Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. т. н. А.А. Тупоногов.- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004.- 24 с.

104. Численное решение задач гидромеханики / ред. Рихтмайер /. М.: Мир, 1977. - 208 с.

105. Чистякова, О.Б. Охрана окружающей среды / О.Б. Чистякова. М.: Стройиздат, 1988. - 272 с.

106. Шарп, Дж.Дж. Гидравлическое моделирование / Пер. с англ.; Под ред. С.С. Григоряна. М.: Мир, 1984. - 280 с.

107. Шевцов, Н.М. Внутрипочвенная очистка и утилизация сточных вод / Н.М. Шевцов. М.: Агропромиздат, 1988. -141 с.

108. Шестиперов, Д.Н. Водохозяйственные дамбы обвалования для защиты пойменных участков / Д.Н. Шестиперов // Материалы 53-й межвузовской студенческой научно-технической конференции, часть II. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000. - 167 с.

109. Шикломанов, И.А. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток / И.А. Шикломанов. Л.: Гидрометиоиздат, 1989. - 333 с.

110. Штеренлихт, Д.В. Гидравлика; В 2 кн.: Учебник для студентов вузов по спец. «Гидромелиорация» / Д.В. Штеренлихт. М.: Энергоатомиздат, 1991. - Кн. 2. 366 с.

111. Эксплуатация магистральных трубопроводов / П.И. Тугунов, М.В. Нечеваль, В.Ф. Новоселов и др. Уфа, Башкирское книжное издательство, 1975. - 129 с.

112. Юдицкий, Ф.Л. Защита окружающей среды при эксплуатации судов / Ф.Л. Юдицкий. Л.: Судостроение, 1978. - 157 с.

113. Яковлев, B.C. Хранение нефтепродуктов: Проблемы защиты окружающей среды / B.C. Яковлев. М.: Химия, 1987. - 152 с.

114. Daniel D. Chiras Environmental science: Action for a sustainable future / D. Chiras. The Benjamin/Cummings publishing company Inc, 1991. - 345 c.

115. Maartje Henket Letting the sea back in // Holland horizon. 2000. №10. - C. 22-25.

116. Monique Van Nieuwenhuizen Water management driving force behind the Dutch economy // Holland horizon. 1999. №8. - C. 10-14.г > 156 «