Разработка мероприятий по сбору нефти при авариях на подводных переходах нефтепроводов в зимних условиях

Тупоногов, Александр Александрович

Автореферат диссертации по теме "Разработка мероприятий по сбору нефти при авариях на подводных переходах нефтепроводов в зимних условиях"

На правах рукрписи

¿¡¡¡¡Г

ТУПОНОГОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО СБОРУ НЕФТИ ПРИ АВАРИЯХ НА ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДАХ НЕФТЕПРОВОДОВ В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 03.00.16 - «Экология»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Йошкар-Ола-2004

Работа выполнена на кафедре водных ресурсов Марийского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Поздеев Анатолий Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Канищев Александр Николаевич кандидат технических наук, профессор Войтко Петр Филиппович

Ведущая организация Марийское районное

нефтепроводное управление

Защита состоится "10" марта 2004 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.115.01- в Марийском государственном техническом университете по адресу: 424000, г. Йошкар - Ола, Республика Марий Эл, пл. Ленина, 3, факс (8362) 41-08-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Марийского государственного технического университета

Автореферат разослан " 9 " февраля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

X*

Поздеев А.Г.

Введени

Актуальность работы. Экологическое состояние рек в нашей стране относится сегодня к важнейшим факторам, определяющим качество жизни населения. Антропогенное воздействие на реки создает проблему ухудшения качества вод.

Сохранение водной акватории от загрязнения различными веществами, особенно нефтью, задача исключительно актуальная.

Поддержание стабильного состояния водных ресурсов в большинстве случаев подразумевает изменение качественных характеристик вод и связано с процессами ограничения антропогенного загрязнения при технологическом воздействии.

Эксплуатация магистральных нефтепроводов является одним из наиболее опасных факторов, вызывающих нарушение равновесия водных экосистем. Особую опасность представляют участки нефтепроводов, проходящие через водные преграды: реки, ручьи, болота.

Проблемой, требующей решения в рамках инженерной экологии, является выявление причин и разработка мероприятий по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций на инженерных сооружениях, расположенных в руслах водотоков.

Нарушение гидрологического режима водотоков, связанное с прокладкой в их створах подводных трубопроводов, вызывает русловые процессы, которые, в свою очередь, приводят к деформациям подводных участков трубопроводов и повышению вероятности возникновения аварийных ситуаций, негативным образом влияющих на окружающую среду. Существующие технические и технологические решения, в практике эксплуатации подводных переходов нефтепроводов ориентированы преимущественно на летний период, а для зимнего периода времени таких решений практически не существует. Поэтому исследования, направленные на разработку мероприятий по сбору нефти при авариях подводных переходов нефтепроводов в зимний период, являются актуальной экологической задачей.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка технологических и технических решений по предотвращению загрязнения нефтью водных объектов при эксплуатации подводных переходов нефтепроводов в зимний период, что позволит существенно повысить устойчивость водных экосистем.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1) выполнить анализ причин возникновения предаварийных ситуаций на подводных переходах нефтепроводов;

2) произвести анализ технических и технологических решений средств защиты водных объектов от нефтяных загрязнений при разрушении подводных переходов;

РОС.,НАЦИОНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА ] СПстерСт '

ОЭ Щш«//3_А

3) выполнить оценку причин разрушения подводных переходов и степени загрязнения водоемов;

4) выявить средства контроля загрязнения водоемов нефтепродуктами и способы ликвидации последствий аварий на подводных переходах;

5) произвести анализ процессов разбавления загрязненных вод в проточных водных объектах;

6) разработать теоретическую модель динамики водного потока в зимних условиях с учетом тепловых процессов и построить картину распространения загрязнения под поверхностью льда;

7) разработать способы локализации нефтяных загрязнений в зимний период;

8) произвести лабораторное моделирование процессов сбора нефтяного загрязнения с поверхности водотоков;

9) разработать природоохранную технологическую схему по предотвращению аварий на подводных переходах через водные магистрали в зимних условиях (на примере реки Ветлуги);

10) выполнить оценку эффективности разработанных природоохранных технологий при их внедрении в производство.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются линейные инженерные сооружения.

Предметом исследования является подводный переход магистрального нефтепровода «Сургут - Полоцк».

Научная новизна работы заключается в разработке нового подхода к защите рек в зимний период от загрязнения, основанного на принципе изолирования и ограничения распространения плавающего загрязняющего вещества непосредственно в водотоке.

Для этого автором:

- в результате анализа причин возникновения предаварийных ситуаций на подводных переходах нефтепроводов разработана математическая модель процессов разбавления загрязненных вод проточных водных объектов;

- выполнено математическое моделирование процесса сбора нефти с поверхности водотока в зимних условиях с помощью подледного канала;

- определен характер распространения загрязнения под поверхностью льда на основе анализа процесса конвективного тепломассообмена при обтекании плоской пластины;

- разработаны фазы технологического процесса сбора нефтяных загрязнений с поверхности воды в зимний период;

- дана оценка глубины погружения подледного экрана для сбора нефти с поверхности воды на основе теории пограничного слоя;

- экспериментальным путем изучена модель естественного участка русла реки и характер распространения нефтяного загрязнения под ледовым покровом.

оценена устойчивость решения полученных уравнений в программной среде MathGad.

Методика исследования. В процессе проведения исследований были использованы теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования основывались на использовании уравнений движения вязкой жидкости в форме Навье-Стокса в приближении Буссинеска, уравнений теории пограничного слоя Прандтля. В работе применялись аналитические и полуэмпирические методы исследования тепломассопередачи с привлечением методов теории подобия и размерности в механике жидкости. Экспериментальные исследования проводились на русловой модели. Обработка результатов исследования проводилась с использованием информационных технологий (математический редактор Match Cad 7 Pro, прикладной пакет Statistica 5.0).

Практическая значимость. Основные результаты работы были использованы при разработке мероприятий по снижению последствий возможной аварии на подводном переходе нефтепровода "Сургут-Полоцк" через реку Ветлугу.

Результаты работы могут быть использованы:

- производственными организациями, занимающимися эксплуатацией магистральных нефтепроводов, транспортировкой и хранением нефтепродуктов;

- службами МЧС России при организации работ по устранению последствий аварий на подводных переходах нефтепроводов;

- административными органами управления хозяйственной деятельностью;

- учреждениями, занимающимися экологической экспертизой проектов.

Практическая значимость выполненной работы подтверждена актом внедрения результатов научно-исследовательских работ в практику эксплуатации объектов Марийского районного нефтепроводного управления (МарРНУ).

Практическая ценность и реализация работы. Практическая ценность выполненной работы состоит в решении проблемы экологической безопасности водного объекта.

Рекомендации по сбору нефти в зимних условиях при авариях на подводных переходах нефтепроводов используются Марийским районным нефтепроводным управлением.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно — практической конференции "Рациональное использование водных ресурсов в системе управления регионом" посвященной Международному дню воды (Йошкар-Ола, 2001), на Всероссийской конференции "Химико-лесной комплекс - проблемы и решения" (Красноярск, 2002), на первой республиканской научно-технической конференции "Проблемы государственного мониторинга природной среды на территории Республики Марий Эл" (Йошкар-Ола, 2002), на конференции "Водные ресурсы - проблемы и пути их решения" (Йошкар-Ола, 2003).

Публикации. Автором опубликованы 8 научных работ по предмету диссертации.

На защиту выносятся следующие положения:

- математическая модель распространения загрязнения под поверхностью льда на основе анализа процесса конвективного тепломассообмена при обтекании плоской пластины;

- теоретическая модель сбора нефти с поверхности водотока в зимних условиях с помощью подледного канала;

- результаты экспериментального изучения распространения нефтяного загрязнения под ледовым покровом;

- технологический процесс сбора нефтяных загрязнений с поверхности воды в зимний период.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованной литературы в количестве 141 наименования и приложений. Основное содержание изложено на 125 страницах машинописного текста, иллюстрированного 29 рисунками и 11 таблицами. Приложение включает 60 страниц с 42 рисунками и 4 таблицами.

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 анализа экологических аспектов хозяйственной деятельности при эксплуатации подводного перехода нефтепровода, где особую опасность для окружающей среды представляют аварии, сопровождающиеся разливом нефти на поверхности водоемов.

Строительство и эксплуатация подводных переходов нефтепроводов вносят негативные изменения в природную среду. Они многократно усугубляются при авариях. К инициированию аварий, сопровождающихся разрушением инженерных сооружений, нефтепроводов, приводит множество факторов различного происхождения. Трассы нефтепроводов характеризуются разнообразными геологическими, гидрогеологическими и почвенными условиями с различной чувствительностью компонентов ландшафта к техногенному воздействию. Поэтому нельзя гарантировать, что на подводных участках нефтепроводов, или на объектах их инфраструктуры не произойдут инциденты и аварии. При строительстве и эксплуатации подводных переходов для обеспечения их устойчивости требуется предусматривать меры по сохранению экологического равновесия водоемов.

Таким образом, проблема сохранения экологического равновесия водных объектов и задержания нефтяных загрязнений является актуальной и требует для своего решения совершенствования природоохранной техноло-

гии, что отражено в работах известных отечественных ученых А. В. Ерохи-на, А.Б. Кандина, А.Б. Каннского, А.А. Кононова, B.C. Левитанского, М.В. Подружина, И.В. Слободника, Г.Ф. Вознесенского, И.А. Колоскова, К.А. Забелы.

Анализ причин аварийных ситуаций на подводных переходах нефтепроводов показывает, что причинами их возникновения являются различные факторы, такие как усталость металла, заводские дефекты, коррозия, нарушение русла реки. При прорыве трубопровода в реку попадает значительное количество нефти, что пагубно сказывается на окружающей природной среде, нарушает биологические процессы в водотоке и приводит к отравлению живых организмов. Попавшая в водоток нефть распространяется, в основном, в виде пленки по его поверхности на большое расстояние от места выброса под воздействием течения и ветра..

К сожалению, большинство научных исследований и технических разработок посвящены задержанию нефтяного загрязнения на водной поверхности в летнее время года, а для зимних условий эффективных, малозатратных решений в этой области не найдено. В качестве основных средств контроля, за степенью загрязнения водоемов выступают устройства оптического, акустического и физического принципов действия, которые приблизительно одинаковы по своей эффективности и устойчиво работают только в летний период. Для обнаружения нефтяного пятна, после оценки конкурентоспособности приборов для обнаружения нефтяных загрязнений, предлагается устройство на базе промышленно выпускаемого прибора охранно-пожарного назначения "Топаз", которое может быть встроено в состав ледового канала и таким образом обеспечить обнаружение нефти не только на поверхности или в глубине водотока, но и под ледовым покровом в зимних условиях.

С учетом особенностей формирования ледового покрова реки Ветлуги толщина льда, при которой возможна установка предлагаемого устройства, по расчету равна h=0,25 м. (рис. 1).

Рис.1. График кривой обеспеченности средней толщины льда

Расстояние от места аварии подводного перехода нефтепровода до места всплытия нефти под поверхность льда (рис.2) определяется по формуле.

£=нс

ср~

а)п

О)

где Нср — средняя глубина воды в реке, м.; V - скорость течения воды в реке, м/с; (О0 - скорость всплытия нефтяных частиц, м/с. Скорость всплытия нефтяных частиц (рис.3,4)

а>о° (2)

18 v(p-A)

где g - ускорение силы тяжести, м/с2; р! - плотность нефти кг/м2; V - кинематическая вязкость нефти, для нефти м2/с; р - плотность воды, кг/м2; d — диаметр частицы нефти, м.

PWW^^WWSP

Рис.2. Распространение нефтяного загрязнения под ледовым покровом: £ - расстояние от загрязнителя до места всплытия нефти; Ь - расстояние от загрязнителя до рубежа задержания; Н - глубина воды; 8, - высота воды в канале 8к=0,9 5Л; 5Л - толщина ледяного покрова

ОД5 0,1 0.15 г

Скорость всплыли пузырьков нефгв, м/с

tutztzztr [=z[=z{z::[=:

I I

rzmpzc:

Расстояше or места выброса до места всплытия нефтяных пузырьков в водотока I м

Рис.3. Зависимость всплытия нефтяных пу- Рис.4. Зависимость скорости всплытия нефтяных зырьков на поверхность водотока от глубины пузырьков в водотоке от их диаметра

водотока, при скорости потока 0,1 м/с

С учетом значения величин, входящих в формулы (1) и (2) расстояние Ь от места аварии до рубежа задержания должно быть не менее величины I, или =22,5 м.

Таким образом, защита окружающей природной среды при авариях на подводных нефтепроводах в зимний период полностью зависит от природоохранных технологических мероприятий, которые в настоящее время, основаны на организации прорезей в ледяном покрове и установке нефтенаправ-ляющих сооружений. При этом устанавливается несколько рубежей задержания нефти и поэтому площадь загрязнения может быть значительна, что требует внедрения в практику более простых и мобильных технологий для локализации выброса нефти в водоток в зимних условиях.

Во втором разделе рассмотрены теоретические основы процессов распространения и сбора нефтяных загрязнений в зимних условиях.

Выброс нефти из нефтепровода приводит к загрязнению водоема, которое распространяется под действием течения вниз по потоку. В процессе движения нефтяное загрязнение перемешивается с водой.

Предлагаемый способ сбора нефти в зимний период основан на образовании канала под ледяной поверхностью, поэтому теоретическая модель процесса должна учитывать процессы тепломассобмена в нем. Течение нефти в ледовом канале моделируется течением в пограничном слое под плоской горизонтальной поверхностью с поперечной выемкой прямоугольного сечения (рис. 5).

В зимний период распределение слоев водного потока по температуре воды выглядит следующим образом: нижние слои самые теплые, верхние -самые холодные. Таким образом, выемка будет находиться в зоне самой низкой температуры, тем самым создаются восходящие потоки со дна водоема, взаимодействующие с основным течением.

1 1

и.ииз .¿^СЧ О- / «Я-Шч

Л

е. 11 А

01»

0.21

Рис 5. Линии тока в случае Сг=1!/\ Не=10$ и эпюра распределения скоростей потока

Для численного моделирования течения использовались уравнения На-вье-Стокса в форме Буссинеска. Для искомых функций T, эти уравнения, записанные в безразмерной форме имеют вид:

где

Gr=gРо1?{0/,-0оУ,/2 - число Грасгофа; Рг-=у/а - число Прандтля;

Яе=и^ НУ

число Рейнольдса; р - функция тока; Т- темпетаттоа жид-

кости, К; А - завихренность; L - характерная длина потока, $0» & - относительная температура потока на поверхности и на расстоянии Ъ от нее; g - ускорение свободного падения, g =9,81м/с; V - коэффициент кинематической вязкости, м^с; Д) - температурный коэффициент объемного расширения, 1/К; !/„, - скорость невозмущенного потока, м/с; и, ^ - компоненты скорости потока в проекции на оси координат х и z соответственно, м/с.

Использовались следующие граничные условия:

- на стенке

где Т5 - температура источника холода (льда);

- на границе вверх по течению

8 (ЗиЛ

где - температура в невозмущенном потоке

- на верхней границе

и= 1/да , \м=0, Т= Гда ;

■ на границе вниз по течению

дуу _ да дх ~0' дх

-0, Т= .

(7)

(8)

(9)

На рисунке (рис. 5) представлено стационарное решение в случае выполненное в среде МаШСаё. В этом случае вынужденная конвенция, обусловленная движением пограничного слоя под выемкой, преобладает над естественной конвекцией от нижних теплых слоев воды. Область возвратного течения, существующая внутри выемки, устойчива, и ее влияние на внешний поток весьма ограничено. Все поле течения сравнительно быстро достигает стационарного состояния без возникновения физических неустойчивостей.

Определим трение и теплоотдачу при взаимодействии ледовой поверхности с продольным потоком воды, расстоянии от источника загрязнения до рубежа задержки 1= 120 м, скорости набегающего потока Ух=0,1 м/с и его температуре Тоо=4°С, нормальном атмосферном давлении и температуре

поверхности пластины =0°С. Примем критическое число Рейнольдса

11^=1000.

Число Рейнольдса в продольном направлении равно Яе^ = Уххх / V , поэтому длина ледовой поверхности, на которой сохраняется ламинарный

режим, равна хк =Ке.ог>су/Ух =3,2-103.м. Поскольку хк«1, то в дальнейшем расчете участок ламинарного режима не учитывается.

Определим характеристики турбулентного режима движения на рубеже /=120 м. Число Рейнольдса будет равно

= = 18,5-Ю5. (Ю)

Примем среднее значение числа Рейнольдса равным

Яе1 = Кеда/2 = 9,25-105. (И)

Определим толщину турбулентного пограничного слоя

<Ут„ = 0,374/Яе°'2= 1,19

м.

(12)

При этом толщина вязкого подслоя в турбулентном пограничном слое будет равна

5я = 1943тр / Яе0,7 = {

= 0,0014 м.

(13)

Толщина вытеснения в турбулентном пограничном слое

8*тр = 0,П55тр = 0,0002л/. (14)

Толщина потери импульса в пограничном слое

8**=1,115тр= 0,011л<. (15)

Локальный коэффициент трения в пограничном слое

с/=0,0592/Ке°-2= 0,0019. (16)

Локальный коэффициент теплоотдачи в пограничном слое определяется на основе вычисления числа Стентона по формуле

На рисунке (рис. 6) показан график решения системы уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска выполнений в среде МаШСас!.

В третьем разделе рассмотрены предлагаемые технические решения по предотвращению аварий на подводном переходе через реку Ветлугу в зимний период. Основным техническим средством сбора- нефти в настоящее время являются подледные барьеры. Подледные барье-Рис. 6. Зависимость локального коэффициента выполняя те же функции

теплоотдачи а от длины ледовой поверхности /

удержания нефтяного пятна, что и боновые ограждения в летний период, в качестве средства обеспечения плавучести и несущей конструкции используют ледовый покров.

Установка подледного барьера производится под некоторым углом к потоку, что создает условия для перемещения собранной нефти к одному из берегов. Основной расчетной характеристикой подледного барьера является глубина его погружения для обеспечения гарантированного сбора нефти.

Следует отметить, что технология работы подледного барьера в настоящее время только начинает создаваться.

Барьер выполняется из плоской полосы, установленной под углом а к направлению течения. Глубина погружения нижней кромки экрана равна Ь, а средняя скорость потока WCp (рис. 7).

Величина поверхностной скорости потока определяется из соотношения

м/с по данным гидрологических измерений.

Определим силу гидродинамического воздействия потока на слой нефти, удерживаемый барьером. Запишем уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 потока ограниченного плоскостями, расположенными под поверхностью льда (1-1) и под нижней кромкой экрана (2-2),

Z.+

Р, , «Л '

=z,+

Pl

а21У? ,

(19)

PhS 2 S ' PHS 2g

где Z] Z2 - центры тяжести плоских сечений 1-1 и 2-2 относительно плоскости сравнения (дна водотока), Z\ =0,5h, Z2 =0,5 h;

Wi, W2 - скорости потока в сечениях, W] = Wcp, W2 = Wnp, м/с; Wcp -средняя скорость потока, м/с; Wnp - скорость движения слоя нефти толщиной 5t вдоль экрана. Wnp = 0,6W<;p cosa; a - угол установки экрана, град;

ai <Х2 - коэффициент кинетичности потока, которые для турбулентного режима равны щ = a2= 1;

Pi Р2 - давления в сечениях 1-1 и 2-2, Па;

рн - плотность нефти, р = 876 кг/м3; g-ускорение свободного падения, д = 9,8 м/с2; Ь„,-удельные потери энергии при трении, м.

Рис 7 Схема расположения подледного экрана В - ширина реки, Н - глубина реки, Ъ - высота экрана, а - угол установки экрана, №ср - средняя скорость течения, \¥пр - продольная скорость движения слоя нефти, \¥(В) - распределение скорости по ширине п оока, \У(Ь) — распределение скорости по глубине потока, \Уо - поверхностная скорость потока, с^а, с1Рт, сЩд, с1Рн - элементарные силы Архимеда, трения, инерции и гидродинамическая соответственно

Перепад давления между сечениями 1-1 и 2-2 равене

Ap=pr-pl=£N__PjvL_ h =0,5pW;Р2(1-0,36cos2a) +pghj-pgh. (20) 2 2

Удельная сила трения нефти о экран равна hf = FT/G, где FT - сила трения потока нефти о экран; G- сила тяжести, действующая на слой нефти толщиной ôt =1 м.

Сила трения определяется в виде

FT = twHL = xwHB/sina, (21)

где т„ = 0,009pWrp I,75u 0,255,"0,i5cos1,7îa - касательное напряжение на поверхности экрана; У - коэффициент кинематической вязкости нефти при температуре t0= 3...50С, v=150-10"6m2/c; H - высота экрана, м; В — ширина потока, м; L - длина экрана,, м; 6г - толщина пограничного слоя нефти на э 5,= 0,37 LReL"0,2'; ReL = WnpL/v = 0,6WcpB ctg а/ч число Рей-нольдса, его критическое значение равно ReL = 1(000.

Сила тяжести равна G = pS,HL = p5tHB / sina. Для упрощения вычислений определим число Рейнольдса при угле а = 30° и получим

ReL= 0,6WcpBctg a/v = 1516320. (22)

Режим движения турбулентный, поскольку Ret. > Re^. При вычислении учтено, что ширина реки равна В = 270 м. Толщина пограничного слоя на экране равна

Ô, = 0,37В ReL"0,2/sm a » 4/sina. (23)

Касательное напряжение на экране составит

т„ = 0,009pWep ''75U '■25ô",0,25cosl-75a = 0,533Wc U7S-cos,,75a sin0,25a. (24) Удельная сила трения имеет значение

hf = F/G = tw /pg St = 0,533Wep l'75-cos,-75a sin°'25a/pg. (25) Перепад давлений между сечениями равен

Др = 157,68Wep2 (1- cos2a)+0,533Wcp '-"cos'^a sin^a - 8593,56 h3. (26) Если этот перепад давлений равен нулю, то нефть удерживается экраном. Из этого условия определим уравнение

h, = 0,009(1- cos2a) + 0,286-cosU7Sa sin°'25a = 0,435 м. (27) Пограничный слой при больших значениях числа Рейнольдса приходит в волновое движение. Максимальная амплитуда волны может достигать толщины пограничного слоя. Окончательно, с учетом двукратного запаса, примем высоту экрана равной

Более перспективным способом сбора нефти является применение подледных каналов, которые образуются в поверхности льда при изменении конструкции прорези в ледяном покрове. Для этого под некоторым углом а к течению реки выполняется прямолинейная прорезь во льду шириной а на его полную толщину t (рис. 8). Для герметизации подледного экрана лед из прорези выкладывается над нею и на полученную конструкцию намораживается изолирующий слой поливом из насосной установки. Принцип действия подледного канала состоит в использовании понижения давления в его сечении относительно давления в основном потоке реки. Для работы канала

необходимо обеспечить условия гидродинамической устойчивости течения в канале при и конвективных потоках, возникающих за счет градиента температуры в воде.

мОмЗнпй канал

«1 * ш * * щ я» иг в» 31-

Рис. 8 Схема устройства подледного канала а - угол направления подледного канала, Ь - ширина канала, 1 - глубина канала

Для проверки работоспособности предлагаемого устройства и исследования его воздействия на характер процессов, протекающих в естественном водотоке, на русловой • площадке кафедры Водных ресурсов Марийского государственного технического университета была спроектирована и построена модель прямолинейного участка ледяного покрова реки. Основной целью моделирования явилось получение результатов исследований явления на модели, которые позволяют затем установить характер взаимосвязи величин, определяющих данное явление в натуре Условием, определяющим* возможность распространения .результатов модельных опытов на натуру, является удовлетворение критериям подобия.

В верхнем створе участка реки, на котором расположен подводный переход нефтепровода распределение скоростей и глубин определяется условиями движения потока на вышележащем участке реки, который не входит в состав исследуемой модели. Поэтому возникает необходимость в присоединении к модели верхнего дополнительного участка русла, в пределах которого достигается нужное распределение скоростей.

В низлежащих створах необходимо обеспечить условие равномерного распределения скоростей и глубин, которое достигается добавлением нижнего дополнительного участка модели.

Следовательно в состав условий однозначности решения поставленной' задачи входит ряд характеристик изучаемой группы явлений, подобие которых обеспечивают: геометрические свойства системы (форма русла, шероховатость дна, форма сооружения и его расположение в русле); граничные условия в верхних и нижних створах (распределение скоростей и уровней воды); характеристики изучаемой среды (плотность и вязкость).

Определение достоверных экспериментальных зависимостей можно обеспечить с помощью неполного гидродинамического подобия.

Так как системы сил моделируемого и натурного объекта являются одноименными и векторы сил, действующие на систему, являются геометрически подобными и одинаково ориентированными относительно границ

системы, то они будут являться динамически подобными. Движущаяся в открытом русле жидкость находится под действием сил тяжести и трения. В открытых потоках, обладающих свободной поверхностью, основными действующими силами являются силы тяжести, подобие которых обеспечивается критерием Фруда Бг. В потоках также действуют силы трения, которые замедляют течение, и, чтобы учесть их влияние, нужно обеспечить подобие по критерию Рейнольдса Яе. Эти критерии несовместимы, поэтому в качестве определяющего критерия» приближенного моделирования выбираем критерий Фруда.

Как известно, критерий Фруда для натурного и модельного потоков имеет вид

^ = (28) 8К ёК'

где V,,, V,,, - скорость течения потока на натуре и модели соответственно, м/с; g - ускорение свободного падения,, м/с2; Ь„, Ьм - глубина потока на натуре и модели соответственно, м.

Выбираем плановые масштабы, исходя из возможностей размещения русловой площадки. Размер русловой площадки 2x7 м. Исходя из плановых размеров лабораторной площадки, наиболее подходящим с точки зрения удобства расчета и проведения эксперимента будет являться линейный масштаб М=16.

Моделирование по Фруду позволяет записать масштабы преобразования физических величин в зависимости от геометрического масштаба М1=Ь„/Ь„ где - геометрические размеры на натуре и модели соответственно.

Поэтому получаем систему масштабов:

'г,приМг =1;

(29)

где Му - масштаб скорости; М„ - линейный вертикальный масштаб; М! - линейный горизонтальный масштаб; Мд - масштаб расхода; М, - масштаб уклона дна русла; Мк - масштаб силы тяжести; Му — масштаб кинематической вязкости; - масштаб по числу Рейнольдса.

Моделируя по Фруду были учтены все необходимые условия и расчетная модель соответствует неполному подобию натурного объекта, для которого выполняется данное условие.

Модели прорезей испытывались в русловом лотке треугольной формы лаборатории кафедры водных ресурсов МарГТУ при различных скоростных режимах.

Лабораторная установка включает основное и вспомогательное оборудование. В состав лабораторной установки (рис. 9) включает: 1 бассейн-

X

накопитель; 2 - всасывающая линия трубопровода; 3 -насосная установка; 4 - напорный трубопровод; 5 - регулирующий резервуар; 6 - труба верхнего регулирующего резервуара; 7 - регулирующий бассейн с треугольным мерным водосливом.

Гасительная часть представляет собой участок русла с погруженными трубками для устранения волновых явлений и придания прямолинейного равномерного движения воды на модели. Длина гасительной части была< принята равной ширине участка русла по верху составила 1,7 метров.

Подпорное устройство представляет собой прямоугольную жесткую конструкцию с вертикально расположенными спицами и герметичным щитом, обеспечивающим поддержание постоянного уровня воды во время остановки главного насоса.

Экспериментальные исследования проводились на моделях ледовых прорезей в русловом лотке.

Цель испытаний состояла в определении:

№

Рис. 9. Схема лабораторной установки- - условий задержания максимального

количества нефти в зимний период;

- угла ледовой прорези экспериментальной модели для задержания максимального количества нефтяного загрязнения;- ширины ледовой прорези модели для максимального задержания загрязнения;

- оптимального расстояния установки рубежа задержания от места выброса загрязнения;

- границ распространения нефтяного загрязнения под ледовым покровом.

Экспериментальная модель представляла собой каркас прямоугольной формы с раздвижными пластинами, выполненными из дерева, на которую был наморожен лед (рис. 10). Угол прорези а и ширина между пластинами а задавались в ходе эксперимента.

Рис. 10. Схема установки прорези

Измерительное оборудование располагалось на переносном помосте, позволяющем измерять скорости течения,* уровни воды и глубины на промерных вертикалях в створах русловой модели.

На модели прямолинейного участка русла в водном потоке устанавливалась экспериментальная модель прорези, на которую предварительно был наморожен лед определенной толщины. Угол наклона а по отношению к нормальному и ширина прорези задавалась в ходе эксперимента.

На некотором расстоянии от прорези со дна русловой модели запускалось загрязняющее вещество (минеральное масло) объемом 1,5 мл и определялись его количество и условия задержания. Экспериментальные исследования показали, что при образовании тонкой до 0,1 мм плавающей пленки нефтепродуктов для. предотвращения и распространения по поверхности воды наиболее эффективным оказалась установка с измененным профилем прорезей.

Рис. 13. Определение оптимального угла прорези экспериментальной установки при задержании нефтяного загрязнения При скорости течения воды У=0,1 м/с, ширине прорези а=6 см, расстояния от места выброса загрязнения до рубежа задержания Ь=100 см

Рис. 14. Определение расстояния от места выброса до рубежа задержания нефтяного загрязнения. При скорости течения воды У=0,18 м/с, угле прорези а=30 град, ширине прорези а=6 см

Экспериментальные исследования показали, что наиболее эффективными для сбора загрязнения являются следующие параметры модели: ширина прорези 6 см; угол прорези на первом рубеже задержания - 30 град; на втором рубеже - 30 град; расстояние от места выброса до рубежа задержания -120 см (рис. 11-14).

В процессе экспериментальных исследований было определено распространение нефтяного загрязнения под ледовым покровом." Для лучшей визуализации в лабораторных условиях на пластину органического стекла намораживался слой льда и при залповом выбросе ^залп= 1,5 мл) со дна русловой модели загрязнения определялись и фиксировались размеры распространения пятна на водной поверхности под ледовым покровом при различных скоростных режимах. Затем, с помощью прикладных компьютерных программ были рассчитаны геометрические характеристики растекания нефтяного пятна, проведена оцифровка границ растекания загрязнения под ледовым покровом (рис. 15).

Таким образом задержание нефти наиболее эффективно при малых скоростях течения воды. При больших скоростях потока нефть, влекомая быстрым потоком, минуя первый рубеж, уходит ко второму. При небольших скоростях нефть, попадая в прорезь первого рубежа, по каналу уходит к месту сбора. На втором рубеже оставшаяся нефть собирается практически полностью. Необходимым условием работы устройства является установление сборной емкости в конце прорези, для недопущения скопления загрязнения в канале, и дальнейшей его утилизации. Исходя из экспериментальных исследований, можно сделать вывод, что рубеж задержания нефтяного загрязнения под ледовым покровом необходимо устанавливать на определенном расстоянии от всплывшей нефти (по экспериментальным данным -120 см). Влекомое течением пятно загрязнения распространяется под нижней поверхностью льда, при этом толщина его уменьшается. Если расположить рубеж задержания непосредственно в месте всплытия загрязнения, то в прорези будет оставаться незначительное количество нефти, а большая ее часть уйдет под ледовый канал, что недопустимо.

Данные исследований позволили разработать технологическую схему сбора нефти в водотоке при наличии льда, которая включает в себя изготовление ледового канала, его герметизацию, путем укладки и намораживания вырезанного льда, мониторинг р. Ветлуги, также предусматривается утилизация аварийной нефти.

В четвертом разделе рассмотрена технико — экономическая эффективность предлагаемых природоохранных технологий позволяющих повысить эффективность зашиты вод от нефтяного загрязнения и открывающих дополнительные возможности по быстрому задержанию пятна загрязнения от разлива нефтесодержащей жидкости, созданию условий для сбалансированной бесперебойной работы хозяйственных объектов с соблюдением необходимых мер безопасности и условий технологического процесса. Оценка степени загрязнения водных объектов нефтью и нефтепродуктами состоит в определении массы загрязнителя, находящейся в пределах водного объекта. Плата за загрязнение нефтью и нефтепродуктами водного объекта определяется по специальной методике определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах.

Причиненный ущерб окружающей природной среде по расчетам составит: при существующей технологии Ук„1=17609 тыс. рублей; при предлагаемой технологии Укв2=1387 тыс. рублей; без применения технологий, с учетом штрафов Уквз=176090 тыс.. рублей.

Экономический эффект при внедрении предлагаемой природоохранной технологии составит Э„ = 176090 - (1387+16) = 174687 тыс. рублей; при существующей технологии Эс = 176090 - (17609+16) = 158465 тыс. рублей. Эффективность применения предлагаемой технологии будет выше на 16,2 млн. рублей.

Решение этих вопросов обещает принести значительный экономический эффект.

Основные выводы и рекомендации

При разработке мероприятий по ликвидации последствий аварий на подводных переходах нефтепроводов должны учитываться не только гидравлические и руслоформирующие процессы, но и климатические особенности географического района их расположения. Сведения о природно-климатических условиях района расположения трубопровода показывают, что система мероприятий по локализации нефтяных загрязнений на поверхности водоемов особенно усложняется в зимний период.

В этой связи в настоящей работе были решены нижеследующие задачи.

1. В результате анализа причин возникновения аварийных ситуаций на подводных переходах нефтепроводов установлено, что основными из них являются заводские дефекты швов труб, коррозия, усталость металла, нарушение русла реки, механические повреждения.

2. Анализ технических и технологических решений средств защиты водных объектов от нефтяных загрязнений при разрушении подводных переходов показал, что причиной неустойчивой работы систем обнаружения загрязнения на поверхности водотоков в производственных условиях состоят не в недостатках свойств датчиков, а в выборе схем анализа сигнала поступающего от них. Поэтому в настоящей работе выбран самый простой вариант кондуктивного датчика контактного типа.

Для обнаружения нефтяного пятна предлагается устройство на базе промышленно выпускаемого прибора охранно-пожарного назначения «Топаз», которое может быть встроено в состав ледового канала и таким образом сможет обеспечить обнаружение нефти не только на поверхности или в глубине водотока, но и под ледовым покровом в зимних условиях.

3. Оценка разрушения подводных переходов и степени загрязнения водоемов показала, что разрушения представляют собой трещины сложной формы, вытянутые вдоль оси трубопровода, а также изломы возникающие при неблагоприятной эксплуатации нефтепровода. Степень загрязнения зависит от концентрации нефтепродуктов в воде, их вязкости, скорости движения. Поэтому можно сделать вывод, что при аварии, нефть из подводного перехода нефтепровода чаще всего сочится непрерывно и в небольшом количестве, относительно залпового выброса.

4. Выявленные средства контроля загрязнения водоемов нефтепродуктами и способы ликвидации последствий аварий на подводных переходах показали необходимость разработки новых, экономичных природозащит-ных технологий водных объектов от нефтяного загрязнения.

5. Предложенная численная характеристика сбора нефти с помощью подледного экрана позволяет определить условия сохранения устойчивости потока удаляемого нефтяного загрязнения. При исходных характеристиках реки рассчитана высота экрана Иэ=0,9 м.

6. Разработанная теоретическая модель динамики водного потока в зимних условиях с учетом тепловых процессов и модель распространения загрязнения под поверхностью льда позволяют дать оценку распространения нефти под ледовой поверхностью.

Картина распространения загрязнения под поверхностью льда построена на основе теории гидродинамического и теплового пограничного слоя. Она дает возможность оценить кинематические и тепловые характеристики нефтяных загрязнений под ледовой поверхностью.

Численное решение гидродинамических уравнений для поперечной прорези привело к количественным оценкам условий стационарного состояния вихрей, формируемых в подледном канале. Данные расчета свидетельствуют о том, что при увеличении отношения числа Грасгофа к числу Рейнольдса устойчивость вихря в прорези снижается и нефтяной поток перестает концентрироваться в подледном канале. Последнее означает, что углы установки прорези и, в конечном счете, величина расхода нефти, отво-

димой к местам сбора является функцией отношения указанных критериев подобия.

7. Разработан способ локализации нефтяных загрязнений в зимний период.

Предлагаемое устройство для сбора нефти в зимний период основано на создании подледного канала, закрытого намороженным льдом в верхней. его части, который использует принцип вихревого воздействия потока на движущийся слой нефти.

Обеспечение работоспособности предлагаемого устройства связано с гидродинамической устойчивостью течения в подледном канале при движении руслового потока и конвекции за счет градиента температуры в воде.

8. Произведено лабораторное моделирование процессов сбора нефтяных загрязнений с поверхности водотоков при наличии льда.,

Физическое моделирование участка ледового покрова реки выполнено на основе теории подобия. Произведено физическое моделирование процессов по критерию Фруда.

На основе определения системы масштабов в русловом лотке гидравлической лаборатории были изучены модели прорезей в ледовом покрове. Результаты экспериментов позволили разработать рекомендации по применению различных схем сбора нефти на рубежах ее задержания. Наиболее эффективными для сбора загрязнения являются следующие параметры модели:

- ширина прорези 6 см;

- угол прорези на первом рубеже задержания - 30 град; - на втором ру-беже-30 град;

- расстояние от места всплытия загрязнения до рубежа задержания -120 см.

9. Разработана природоохранная технологическая схема по предотвращению аварий на подводных переходах через водные магистрали в зимних условиях (на примере реки Ветлуги). Полученный технический эффект связан с упрощением технологической схемы, что позволит гораздо быстрее проводить природозащитные мероприятия, и как следствие уменьшить негативное воздействие нефтяного загрязнения на водную среду.

10. Произведена оценка эффективности разработанных природоохранных технологий при их внедрении в производство.

Расчет экономической эффективности свидетельствует о перспективности применения технологий с использованием подледных каналов. Сравнительно небольшая стоимость устройства и значительный экономический эффект, полученный в результате применения природоохранной технологии, говорит о целесообразности ее использования.

На основе проведенных исследований сформулированы следующие рекомендации.

1. Исходя из условий безопасности выполнения технологических работ по изготовлению ледовой прорези, а также обеспечения задержания нефтя-

ного загрязнения в ледовом канале работы необходимо начинать с установлением льда на реке, толщина которого составляет не менее 25 см, то есть ориентировочно, в первой декаде декабря.

2. Для эффективной локализации нефтяного загрязнения в технологической схеме необходимо предусматривать два рубежа задержания.

3. Ледовые прорези для задержания нефтяного загрязнения должны быть расположены ниже по течению от места аварии.

4. Расстояние от места расположения подводного перехода нефтепроводы (места аварии) до расположения первого рубежа задержания должно составлять 22,5 м, а до второго 120 м. Это обусловлено особенностями распространения нефти под поверхностью льда.

5. Угол наклона прорези относительно нормального должен составлять 30 градусов.

6. Ширину ледового канала (с учетом нарастания льда) нужно предусматривать не менее 1 м.

Вырезанный лед укладывают на канал и намораживают водой с помощью насосной установки.

7. Для мониторинга загрязнения воды на реке Ветлуга при установившемся ледовом покрове необходимо предусматривать просмотровые лунки по ширине реки ниже и выше предлагаемого канала. Это позволит оперативно изучить ситуацию и предпринять необходимые меры в случае загрязнения.

8. Для системы оповещения о залповом выбросе нефти из подводного перехода нефтепровода целесообразно использование контактных датчиков, встроенных в ледовый канал и обеспечивающих обнаружение нефти под ледовым покровом в зимних условиях.

9. При аварии, откачка загрязнения из канала осуществляется с помощью насоса, для чего, после обнаружения аварии в конце канала вырезается майна, где и скапливается аварийная нефть.

»-2802

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Тупоногов, А.А., Анализ методов предупреждения и ликвидации аварий на подводных участках нефтепроводов / А. А. Тупоногов, А. В. Ша-ровуева. Научно-практическая конференция посвященная Международному дню воды. - Йошкар-Ола: 2001. - с. 194-197.

2. Тупоногов, А.А. Анализ способов и устройств для контроля за выбросами нефти в водотоки / А.А Тупоногов. Map. гос. техн. ун-т. - Йошкар-Ола, 2002. - 18 с: библиогр.: 2 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 06.02.02, № 253-В 2002.

3. Тупоногов, А.А., Задержание нефтяного пятна при авариях нефтепроводов в зимних условиях / А. А. Тупоногов, А. В. Шаровуева. Map. гос. техн. ун-т. - Йошкар-Ола, 2002. - 5 с: библиогр.: 2 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 06.02.02, № 253-В 2002.

4. Поздеев, А.Г., Руслоформирующие процессы, как основной фактор возникновения деформаций на подводных переходах нефтепроводах / А.Г. Поздеев, А.А. Тупоногов. Материалы первой республиканской научно-технической конференции Проблемы государственного мониторинга природной среды на территории Республики Марий Эл. Йошкар-Ола,

2002.-5с.

5. Тупоногов, А.А. Технология задержания нефти в зимний период / А.А. Тупоногов. Химико-лесной комплекс - проблемы и решения. - Красноярск, 2002. - Том 1, с. 215-218.

6. Тупоногов, А.А. Расчет глубины погружения подледного барьера для сбора нефти в зимний период с поверхности водотока / А.А. Тупоногов. Водные ресурсы: проблемы и пути их решения. МарГТУ - Йошкар-Ола,

2003.-с. 163-166.

7. Тупоногов, А.А. Математическая модель распространения загрязнения под поверхностью льда / А.А. Тупоногов. Водные ресурсы: проблемы и пути их решения. МарГТУ - Йошкар-Ола, 2003. - с. 173-177.

8. Тупоногов, А. А. Численная модель сбора нефти с помощью подледного с поверхности водотока в зимний период / А.А. Тупоногов. Водные ресурсы: проблемы и пути их решения. МарГТУ — Йошкар-Ола, 2003. — с. 181-185.

ПЛД№ 2018 от 06.10.99 Усл.печл. 1,0 Тираж 100 экз.

ООП Map ГТУ. 424006 г. Йошкар - Ола, ул. Панфилова, 17

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Тупоногов, Александр Александрович

Введение

1 Состояние вопроса

1.1 Анализ предаварийных ситуаций и аварий на подводных переходах

1.2 Загрязнение окружающей среды при повреждении подводного перехода

1.3 Существующие способы сбора аварийной нефти

1.4 Анализ способов регистрации и контроля загрязнения водоемов нефтепродуктами

1.5 Оценка конкурентоспособности приборов для обнаружения нефтяных загрязнений

1.6 Особенности формирования ледового покрова рек

1.7 Постановка задач исследований

2. Математические модели процессов распространения и сбора нефтяных загрязнений в зимних условиях

2.1 Математические моделирование процессов разбавления загрязненных вод в проточных водных объектах

2.2 Теоретические основы сбора нефти с помощью подледного канала

2.3 Теоретическая модель распространения загрязнения под поверхностью льда

2.4 Выводы

3. Разработка мероприятий по предотвращению аварий на подводном переходе через реку Ветлугу

3.1 Сведения о природно-климатических условиях в районе расположения магистрального трубопровода

3.2 Существующие способы локализации нефтяных 83 загрязнений в зимний период

3.3 Технологическая схема задержания и сбора нефти 84 в зимний период

3.4 Определение глубины погружения подледного экрана для сбора нефти

3.5 Разработка способов локализации нефти в зимний период. Конструктивные схемы предлагаемых средств сбора нефти в зимний период

3.6 Предлагаемая технологическая схема задержания и сбора нефти в зимний период

3.7 Методика планирования эксперимента

3.8 Моделирование естественного участка ледяного покрова реки

3.9 Экспериментальные исследования устройств на русловой модели

3.10 Выводы 112 4. Эффективность применения природоохранной технологии 1 14 Основные выводы и рекомендации 120 Список использованной литературы 126 Приложения

Введение Диссертация по биологии, на тему "Разработка мероприятий по сбору нефти при авариях на подводных переходах нефтепроводов в зимних условиях"