Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Снижение опасностей при нарушении герметичности подводных нефтепроводов

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Снижение опасностей при нарушении герметичности подводных нефтепроводов"

На прявах рукописи

Идрисова Карина Робертовна

СНИЖЕНИЕ ОПАСНОСТЕЙ ПРИ НАРУШЕНИИ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ПОДВОДНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ

Специальности; 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтепроводов, баз и хранилищ»; 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (нефтегазовый комплекс)

Ашореферяг диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2004

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУЛ «ИПТЭР»)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Зайнуллин Рашит Сибагатович

Научный консультант - кандидат технических наук

Сущев Сергей Петрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Азметов Хасан Ахметзиевич

кандидат технических наук, доцент Ларионов Валерий Иванович

Ведущая организация - Автономная некоммерческая организация Научно-

технический центр «Башпромбезопасность» (AHO НТЦ «Башпромбезопасность»)

Зашита состоится «19» ноября 2004 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Л 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР») по адресу: 450055. г.Уфа. пр.Октября. 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР>> Автореферат разослан 18 октября 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, сР/* ь {\ с -1

доктор технических наук * ь - ,___ Р.Х. Идрисов

'¿4Ш4 7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Подводные переходы магистральных нефтепроводов (ГТПМН) через водные преграды, несмотря на их сравнительно небольшой удельный вес от общей протяженности магистральных нефтепроводов (МН), являются наиболее ответственными сооружениями линейной части. К надежности ГТПМН, как к одному из конструктивных элементов МН, предъявляются высокие требования, вызванные. прежде всего, тем, что даже незначительные повреждения подводных нефтепроводов с потерей герметичности могут привести к тяжелым экологическим последствиям.

Обеспечению надежности и безопасности подводных переходов нефтепроводов посвящены известные исследования Бородавкина П.П., Березина B.JL, Быкова Л.И., Шадрина О.Б., Гумерова А.Г., Гумерова P.C., Забелы К.А., Азме-това Х.А., Идрисова Р.Х. и научных и проектных организаций, таких как ВНИИСТ, ИПТЭР, Гипротрубопровод, Гипроречнефтетранс.

Однако, как показывает практика эксплуатации ППМН, повышенные требования к их проектированию, строительству и эксплуатации не всегда исключают возможность возникновения аварий.

Снижение уровня воздействия аварийных разливов нефти на окружаю-« щую природную среду является актуальнейшей задачей. Снижение опасностей

во многом зависит от своевременного обнаружения аварийных утечек, определения возможных объемов выхода нефти, принятия оперативных мер по локализации и сбору разлившейся нефти с поверхности воды. Немаловажное значение при решении данной проблемы имеют исследование процессов формирования и распространения нефтяного пятна по поверхности водоема и водотока, прогнозирование его перемещения по течению, взаимодействие двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой (боновым заграждением) и выбор рациональных решений по ликвидации аварийных разливов.

PGC НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА Ц С.Петербург ГСОуРСу _

gooÜ.

Цель диссертационной работы

Исследование условий распространения нефти по поверхности водного объекта и разработка рекомендаций по снижению опасностей при нарушении герметичности подводных нефтепроводов.

Основные задачи работы:

• исследование истечения и распространения нефти в водном потоке при потере герметичности подводных переходов нефтепроводов;

• экспериментальные исследования взаимодействия двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой;

• совершенствование методики расчета объема выхода нефти при авариях на подводных переходах нефтепроводов;

• разработка технологических схем локализации аварийных разливов нефти при авариях на переходах нефтепроводов через водные преграды.

Методы решения поставленных задач

При решении поставленных задач использовались экспериментальные исследования путем моделирования русловых процессов в лабораторных условиях, методы математического анализа и численного моделирования, натурные исследования на стендах и в промышленных условиях.

Научная новизна результатов, полученных в работе

• Разработаны методика и программа расчета объемов выхода нефти через дефектное отверстие на подводных переходах нефтепроводов с учетом противодавления окружающей среды и фазового перехода при достижении критических скоростей истечения.

• На основе экспериментальных данных определена критическая толщина слоя нефти перед преградой.

• Рекомендованы технологические решения и обоснованы параметры по локализации нефтяного пятна в потоке воды.

• Предложен расчетный метод определения геометрических и пространственных параметров нефтяной струи при истечении из дефектного отверстия и всплытии в водотоке.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Результаты, полученные в работе, позволяют определить уточненные объемы выхода нефти с учетом фактических условий истечения.

На основе результатов лабораторных и экспериментальных исследований возможна оценка загрязнения береговой зоны водного объекта при аварийном разливе нефти.

Результаты научных исследований нашли практическое применение в руководящем документе «Правила аварийного ремонта подводных переходов магистральных нефтепроводов и ликвидации последствий аварий», а также реализованы в 3 нормативно-технических документах и внедрены при техническом обслуживании и ремонте подводных переходов магистральных нефтепроводов на предприятиях магистрального транспорта нефти.

Апробация работы

Полученные результаты докладывались на всероссийских, республиканских и международных конференциях, совещаниях и семинарах, посвященных проблемам обеспечения технологической и экологической безопасности эксплуатации магистральных нефтепроводов, в том числе:

-III конгрессе нефтегазопромышленников России, г. Уфа, 2001 г.;

- научно-технической конференции «Нефть и газ на старте XXI века», г. Уфа, 2002 г.;

- белорусско-российском научно-практическом семинаре «Технологии ликвидации последствий аварийных разливов нефти и нефтепродуктов», г. Новополоцк, 2004 г.

Диссертация заслушана на расширенном заседании методического совета отдела «Безопасность сложных технических систем» ГУП «ИПТЭР» и рекомендована к защите.

На защиту выносятся:

Уточненная методика и программа расчета определения объема выхода нефти через дефектное отверстие с учетом противодавления окружающей среды и фазового перехода при достижении критических скоростей истечения.

Результаты экспериментальных исследований взаимодействия двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой (боновым заграждением).

Результаты экспериментальных и теоретических исследований распространения нефти при всплытии и растекании по поверхности воды.

Публикации

Основное содержание работы отражено в 6 публикациях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и основных выводов, изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 17 таблиц и список литературы из 83 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, определена научная новизна и показана практическая ценность работы.

В первой главе приведены сведения об аварийности эксплуатируемых подводных переходов нефтепроводов, дан анализ действующих методических документов по определению объемов выхода нефти при нарушении герметич-

ности подводных трубопроводов, приведены данные о технических средствах, применяемых для локализации и сбора нефти с поверхности воды.

Действующие в настоящее время методики по определению объемов выхода нефти при авариях дают значительно завышенные объемы вытекающей нефти, что приводит, в конечном счете, к необоснованному увеличению штрафных выплат за причиненный ущерб.

В таблице 1 приведены данные различных организаций по определению объемов выхода нефти и нанесенного ущерба на примере аварии на подводном переходе нефтепровода ТОН-2 через р. Белая в декабре 1995 года.

Таблица 1 - Сравнительные показатели расчетов по определению объемов нефти и экологического ущерба при аварии на нефтепроводе ТОН-2 через р. Белая

№ п/п Расчетные показатели Данные МЧС и ЭБ РБ Данные комиссии Госгортехнадзора

количе- организация, количест- организация,

ство выполнившая расчет во выполнившая расчет

1 Общее кол-во вытекшей нефти, т в том числе: 4285 ИППЭиП 977 Уфимский ГНТУ

1.1 1.2 Убрано термообработкой, т (сжигание) Количество нефти впи- 3394 УГАТУ ИППЭиП 795 АООТ УСМН АООТ УСМН

1.3 тавшейся в грунт на дне реки, т Масса нефти удаленная со льдом, т 230 299 ИППЭиП 0,5 28 ИПТЭР

1.4 Масса нефти собранная нефтесборщиками в емкости, т 126 ИППЭиП 145,2 По данным актов комиссии, созданной штабом по ликвидации ава-

1.5 Эмульгированная (растворенная) в воде нефть, т 236 ИППЭиП 7,8 рии АООТ «УСМН»

2 Сумма экологического - АООТ «УСМН»

ущерба 452,99 по методике, утвержденной Минтопэнерго от 01.11.95 г.

Анализ технических средств для локализации и сбора нефти с поверхности воды свидетельствует о том, что в настоящее время имеется достаточное количество боновых заграждений различных типоразмеров, которые можно использовать при скоростях течения до 1,5 м/с. В этом случае требуется подбор конкретных технологических схем для локализации и отвода нефти к месту организованного сбора.

Во второй главе рассмотрена методология оценки риска возможных аварий на подводных переходах нефтепроводов через водные преграды.

Отмечено, что основными этапами анализа риска на опасных производственных объектах являются:

планирование и организация работ;

идентификация опасностей;

оценка риска;

разработка рекомендаций по снижению опасностей.

Применительно к подводным переходам нефтепроводов рекомендован метод анализа риска - анализ «дерево отказов».

На рисунке 1 приведено «дерево отказов» аварий на подводном переходе МН через водные преграды.

Приводятся данные определения частоты нежелательных событий на основе обработки статистических данных по аварийности подводных переходов нефтепроводов за 4 года эксплуатации.

Оценка последствий нежелательных событий производится на основе учета возможных объемов аварийного выхода нефти через дефектное отверстие. Рассмотрена уточненная методика расчета объемов выхода нефти, учитывающая наличие противодавления окружающей среды и возможных фазовых переходов при достижении критических скоростей истечения.

Согласно методике процесс истечения предлагается разбить на два этапа:

1 этап - напорное истечение (под напором, создаваемым насосным агрегатом);

2 этап - безнапорное истечение (после остановки перекачки).

Логический знак "ИЛИ" означает, что вышестоящее на "дереве отказов" (более позднее по времени) событие происходит в результате возникновения хотя бы одного из нижестоящих событий, знак «И» означает, что вышестоящее событие возникает в случае одновременного наступления нижестоящих события.

Рисунок 1 - «Дерево отказов» аварии на подводном переходе МН

Такой подход вызван тем, что не на всех действующих нефтепроводах задвижки телемеханизированы. Одна из крайних по отношению к дефекту задвижек уже закрыта, а другая может быть еще открыта. Поэтому второй этап как бы «размазывается» по профилю нефтепровода.

Напорное истечение происходит с момента нарушения герметичности трубопровода до остановки насосного агрегата. При этом необходимо учитывать изменение напора насосного агрегата и противодавление окружающей среды (рс).

На первом этапе рассмотрены следующие случаи истечения:

- истечение через дефектное отверстие и в резервуар - давление в конце уменьшается до кавитационного запаса подпорного насоса (или нижней точки резервуара);

- весь объем нефти от подачи насоса истекает через дефектное отверстие;

- через дефектное отверстие истекает весь объем нефти от подачи от насоса и плюс справа от перевальной точки.

Гидравлически задача представляет собой задачу о трех резервуарах. Режимы истечения считаем квазистационарными. В общем случае неизвестными величинами являются скорости нефти в нефтепроводе слева от дефекта и справа от него. Математически задача сводится к многомерной оптимизации поиска целевой функции от двух переменных. Для решения этой задачи применяем метод координатного спуска, заключающийся в поочередном поиске минимума сначала по скорости нефти У| слева, а затем по скорости Уг справа.

Целевая функция Р(Уь Уг) = (0/ - £>. ± &.)2 и поиск производим до значения функции, равной нулю.

Последовательность расчета следующая.

Задаются скорость слева V), точность результата, шаг по скорости и направление изменения на увеличение. В качестве начального значения принимаем значение V) = <20 / Определяем расход в трубе слева <2ь давление, создаваемое насосом Р и потери на трение Рц.

Вычисляем перепад давления над дефектом. Зная перепад давления над дефектом, определяем скорость истечения V. и расход нефти Q., вытекающей через дефектное отверстие.

Расчеты коэффициента расхода через дефекты, имеющие ромбовидный характер, проведены для ламинарного, переходного и турбулентного режимов истечения (Re > 2000).

При учете кавитации, возникающей при больших перепадах давления, ко-

-,07 J'dL..

эффициент расхода умножаем на коэффициент к = 0.54+1.34 • е """•.

Зная величину гидравлических потерь справа от дефекта, определяем возможный расход нефти справа. Если значение (Q, -Q.±QrУ уменьшается, то изменяем значение скорости слева и повторяем расчет.

Если отсутствует истечение от перевальной точки в сторону дефекта, то объем истечения на 1 этапе определим по формуле Wl=Q.-ir

При истечении от перевальной точки по вычисленному значению Q. -At,

уменьшаем высоту гш( на величину dh=Q,-At

Также увеличиваем текущее время истечения на At и повторяем расчет до тех пор, пока текущее время истечения не совпадет с заданным временем первого этапа.

На втором этапе определяем максимальные геодезические отметки слева и справа от дефекта. При каждой итерации сравниваем текущее время с временем закрытия задвижек и, при необходимости, уточняем границы истечения по длине. В остальном алгоритм расчета подобен вышеприведенному за исключением расчета напора, создаваемого насосом.

Расчетные данные сохраняются на листе электронной таблицы Excel, что позволяет производить дополнительные расчеты, не предусмотренные программой.

Алгоритм реализован в программе, разработанной в визуальной среде программирования Delphi 6. Исходные данные и данные расчета представлены в международной системе СИ.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований всплытия нефти в водном потоке при авариях на подводном переходе нефтепровода.

Исследован процесс распространения нефти в толще речного аллювия при истечении ее из коррозионных повреждений типа «свищ». С момента выхода нефть распространяется в пустотах грунтовой толщи с последующим замещением воды в Ию^ШчИмИЙ: дН

Г'"' "-V*»- к ЛЛ

порах грунта. Далее нефть рас- [Д^.-у;- , пространяясь во все стороны, приближается к границе раздела грунт - вода и начинает всплывать в потоке. После прекращения подачи нефти отдача ее из грунта в поток происходит еще в течение

длительного времени. Последова- '-^^^^ЩШ^к^и^^кШ тельные снимки процесса накоп- ■ ■ "•««ет

ления и распространения нефти Рисунок 2 - Фазы движения нефти приведены на рисунке 2. из грунта

Приведены результаты исследований всплытия нефти в речном потоке. Выпуск нефти осуществлялся из изогнутой под прямым углом трубочки, ориентированной в попутном потоку направлении. Выходящая струя нефти первоначально имеет скорость истечения, превышающую местную скорость водного потока, и распространяется в виде компактной струи. Израсходовав кинетическую энергию, порции введенной в воду нефти оказываются фактически в состоянии невесомости, при этом силы поверхностного натяжения превращают каждую порцию в шарик. Нефть всплывает в виде шариков (рисунок 2,6), которые при выходе на поверхность «взрывообразно» распадаются и разбегаются по поверхности воды в виде кругов (рисунок 3).

Рисунок 3 -Разбегание нефти по поверхности воды

Опыты с разбеганием нефти показали:

- одна капля нефти за 48 секунд разбегается с уменьшающейся по экспоненте скоростью, образуя на поверхности воды круг площадью примерно 1,5 м2;

- при подаче одинаковых порций нефти одна за другой в последовательном порядке после завершения процесса разбегания каждой из них центральный круг занимает последняя порция, а предыдущие образуют кольца уменьшающейся ширины по мере удаления от центра.

Исследования дальнейшего распространения нефти показали, что нефть, выпущенная с постоянным расходом посередине водотока, движется вниз по течению в виде струи, форма которой похожа на речные меандры. В дальнейшем ширина струи увеличивается в соответствии с вышеописанным процессом разбегания нефти.

Приведены результаты исследований кинематики поверхностного течения при взаимодействии потока с преградой (боновыми заграждениями).

Рассмотрена кинематика течения при различных схемах установки боно-вых заграждений включающих:

- полное однорядное перекрытие русла;

— полное перекрытие русла двумя секциями бонового заграждения под углом друг к другу;

— перекрытие русла двухсекционным боновым заграждением по схеме «Каскад»;

— организацию проточного заграждения, установленного у берега.

По результатам анализа экспериментальных исследований рекомендуется отвод нефтяного загрязнения к месту возможного сбора с минимальными поверхностными скоростями течения воды и не рекомендуется установка по схеме проточной установки боновых заграждений ввиду того, что в этом случае происходит увеличение скорости поверхностного течения потока, в связи с чем увеличивается возможность «подныривания» нефти под преграду.

Приводятся результаты исследований взаимодействия двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой (боновым заграждением). По результатам исследований сделан вывод, что максимальная толщина слоя нефти удерживаемого преградой без «подныривания» нефти под него составляет 10-15 мм, после чего происходит сползание и «подныривание» нефти под преграду.

Иллюстрация процесса взаимодействия нефти с преградой представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Взаимодействие нефти с преградой

На основе обработки экспериментальных данных определен критерий, характеризующий способность нефти «подныривать» под преграду, который назван «критерием бона» (КБ), записываемый в виде

р„К3 ЯрК2 '

где р„ и р - соответственно плотности воды и нефти, а - коэффициент поверхностного натяжения нефти; Н - глубина погружения преграды в водную среду; V - скорость набегания поверхностного слоя двухслойной среды на преграду.

Графическая зависимость КБ по результатам экспериментов приведена на рисунке 5.

0 0.04 0 Й6 0 га 6'1 012 0 14 0.1б 0 18 0*2 0 22' 0 54

У,м\с

Рисунок 5 - Зависимость критерия бона от скорости набегания потока на преграду

В четвертой главе представлены результаты математического моделирования распространения нефтяной струи в речном потоке при авариях на подводном переходе нефтепровода.

Проблема изучения характеристик однородных и плавучих турбулентных струй, истекающих из плоской щели или круглого отверстия в сносящий поток, актуальна для многих практических приложений, в частности при решении вопросов определения места и условий локализации и сбора вытекающей нефти при авариях на подводных переходах нефтепроводов.

Имеется ряд теоретических и экспериментальных работ Адлера Д., Барона Б., Богомолова E.H., Бруяцкого Е.В., Дина Р.Б., Вязовского Ю.П., Голубева В.А., Климкина В.Ф. и др., в которых рассматривались задачи этого класса. На основании результатов этих работ рассмотрена задача о распространении вертикальной плавучей турбулентной струи, вытекающей из круглого отверстия диаметром d0 = 2г0 со скоростью V0 и начальной температурой Т0 в однородный шюскопараллельный поток, имеющий скорость W = const и неоднородную температуру Т0, распределенную, например, по линейному закону

To = To0+vy,

где у - параметр вертикальной стратификации.

Рассматривались течения, когда векторы скорости сносящего потока W и начальной скорости струи v0 находятся в одной плоскости. Начальный угол между их направлениями ао. Движение жидкости рассматривалось как квазидвухмерное в криволинейной ортогональной системе координат Osr, начало которой О находится в центре отверстия. Поместив начало декартовой системы координат в ту же точку О, вертикальную ось обозначили через у, а ось х направили горизонтально и параллельно W так, чтобы она попала в плоскость Osr, где лежит вектор v0. Проекции скорости в струе на оси s и г обозначили соответственно через vs и vr. Под осью струи понимаем геометрическое место точек, в которых скорость максимальна (vs = vm). Координата s совпадает с осью струи, а г - нормаль к ней. Локальный угол между ортом оси s и направлением W обозначим а. Общая схема рассматриваемого течения, принятая система координат и основные обозначения с выделением начального и основного участков приведены на рисунке 6.

Задача о влиянии сносящего потока, сил плавучести и стратификации внешней среды на основе закономерности развития турбулентной среды решались интегральными методами. Сформулированная задача решалась численным методом с помощью математического пакета «Maple V Release 5».

Рисунок 6 - Принципиальная схема распространения круглой струи в сносящем потоке

В качестве примера на рисунке 7 представлены результаты расчета положения оси плавучей струи, распространяющейся в речном потоке, где Ri0 - число Ричардсона, представляющее собой локальную характеристику течения, изменяющуюся от точки к точке.

У

Рисунок 7 - Положение оси круглой плавучей струи, распространяющейся в боковом сносящем потоке

В пятой главе представлены сведения о внедрении результатов выполненных исследований.

Полученные в процессе исследований данные послужили основой разработки руководящего документа «Правила аварийного ремонта подводных пере-

ходов магистральных нефтепроводов и ликвидации последствий аварий» для Республики Казахстан.

Опытно-промышленные испытания предложенных технологических схем локализации и сбора нефти с поверхности воды апробировались в процессе проведения региональных учений в Республике Башкортостан в 1999 и 2003 гг.

Основные выводы

Рассмотрена методология анализа риска аварий на подводных переходах магистральных нефтепроводов и предложена уточненная методика определения объема выхода нефти через дефектное отверстие с учетом противодавления окружающей среды и фазового перехода при достижении критических скоростей истечения.

На основе экспериментальных исследований распространения нефти в толще речного аллювия, всплытия и распространения нефти при выходе на поверхность воды предложена зависимость для определения объема нефти, загрязняющего береговые участки рек малой и средней ширины.

Экспериментальными исследованиями взаимодействия двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой (боновыми заграждениями) установлена максимально допустимая толщина локализуемого нефтяного слоя без «подныривания» нефти под преграду.

На основе математического моделирования распространения струи нефти в потоке воды определены параметры плавучей струи нефти при ее всплытии и течении в водотоке.

На основе результатов выполненных экспериментальных и опытно-промышленных исследований предложены технологические схемы локализации разлитой нефти и разработан руководящий документ «Правила аварийного ремонта подводных переходов магистральных нефтепроводов и ликвидации последствий аварий» для Республики Казахстан.

Основные, положения диссертационной работы опубликованы в следующих научных трудах:

1. Илрисова K.P., Идрисов Р.Х., Целищев В.А. Распространение струй нефти в сносящем потоке воды// Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья. Тез.докл.темат. секции в рамках IV конгресса нефтегазопромышленников России 20-23 мая 2003 г. - Уфа: Трансгж, 2003. - С. 197-201.

2. Идрисова K.P., Сущев С.П. Исследование распространения нефти в толще речного аллювия и в придонном слое речного потока при авариях на подводных нефтепроводах // Мониторинг и безопасность трубопроводных систем. Научн.-практ. рецензируемое изд. - 2004 г. - № 2 - Уфа: ТРАНСТЭК, 2004.

- С.7-10.

3. Нагимов P.M.. Идрисова K.P. К организации мониторинга участков рек в зонах расположения подводных переходов трубопроводов // Проблемы и методы обеспечения наяежнпсти и ftrKWiacHocTw гЛиктпв TnyftxinriRnminm ттинатопта vnientv лоропнот сырья. Тез.докл.научн.-практ. конф. 19 мая 2004 г. в рамках Международной специализированной выставки «Нефть.Газ.Технологии - 2004». - Уфа: ТРАНСТЭК, 2004. - С.193-195.

4. Идрисова K.P. Шараев В.А., Зайнуллин P.C. Модель взаимодействия двухфазного потока жидкости с плоской преградой // Мониторинг и безопасность трубопроводных систем. Научн.-практичес. рецензируемое изд. - 2004 г.

- № 2 - Уфа: ТРАНСТЭК, 2004. - С.3-6.

5. Беспалов Г.И.. Морозов Ю.И., Идрисова K.P. Опьп локализации нефти на водотоках установкой боновых заграждений типа «Уж-2М»// Технологии ликвидации последствий аварийных разливов нефги и нефтепродуктов. Тез.докл. белорусско-российской научн.-практ.семинара 1-2июня2004г. - Новополоцк,2004. С. 15-17.

6. Габдюшев Р.И.. Каримов Р.Ф.. Абдульманов A.M.. Гумеров А.Г.. Гуме-ров Р.С . Идрисов Р.Х., Идрисова К.Р Локализация и сбор нефти с полной поперхно-сти в зимних условиях// Безопасность труда в промышленности. - 2003. - № 12. -С.14-16

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати «13» октября 2004 г. Бумага писчая. Заказ № 943. Тираж 100. Ротапринт ГУП «ИПТЭР», 450055, г.Уфа, проспект Октября, 144/3.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Идрисова, Карина Робертовна

Введение

1 Анализ литературных данных по аварийности подводных нефтепроводов и средствам локализации и сбора нефти с поверхности водоемов

1.1 Обзор информации об аварийности эксплуатируемых подводных переходов нефтепроводов через водные преграды

1.2 Анализ методов и средств локализации и сбора нефти с поверхности воды

2 Методология оценки риска аварий на подводных переходах магистральных нефтепроводов

2.1 Идентификация опасностей возможных аварий

2.2 Методика расчета объема выхода нефти при авариях на подводных нефтепроводах

3 Экспериментальные исследования всплытия нефти в водном потоке при авариях на подводных трубопроводах

3.1 Исследования распространения нефти в толще речного аллювия и в придонном слое речного потока

3.2 Исследования процесса всплытия нефти от дна реки до поверхности воды в речном потоке

3.3 Экспериментальные исследования локализации нефти в водном потоке на моделях боновых заграждений

3.3.1 Исследования разбегания (распространения) нефти при выходе на поверхность воды

3.3.2 Исследование кинематики поверхностного течения при взаимодействии потока с преградой (боновыми заграждениями).

3.4 Исследование условий взаимодействия двухфазного потока жидкости с плоской преградой

3.4.1 Методика проведения эксперимента

3.4.2 Модель взаимодействия двухфазного безнапорного течения жидкости с плоской преградой

3.5 Загрязнение берегов при распространении нефти на малых реках 4. Исследования условий распространения и параметров всплывающей нефтяной струи в речном потоке при авариях на подводном трубопроводе

4.1 Распространение всплывающей нефтяной струи в сносящем потоке воды 62 4.2. Моделирование распространения струи нефти в сносящем потоке

4. 3. Расчет параметров круглой плавучей струи нефти в сносящем потоке воды

5. Опытно-промышленная отработка методов локализации и сбора разлитой нефти с поверхности воды на водотоках

5.1 .Опыт локализации нефти на водотоках установкой боновых заграждений типа «Уж-2М» 105 5.2. Разработка «Правил аварийного ремонта подводных нефтепроводов и ликвидации последствий аварий» 108 Основные выводы 113 Библиографический список использованных источников

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Снижение опасностей при нарушении герметичности подводных нефтепроводов"

Подводные переходы магистральных нефтепроводов (ППМН) через водные преграды, несмотря на их сравнительно небольшой удельный вес от общей протяженности магистральных нефтепроводов (МН), являются наиболее ответственными сооружениями линейной части. К надежности ППМН как к одному из конструктивных элементов МН предъявляются высокие требования, вызванные, прежде всего, тем, что даже незначительные повреждения подводных нефтепроводов с потерей герметичности могут привести к тяжелым экологическим последствиям.

Обеспечению надежности и безопасности подводных нефтепроводов посвящены известные исследования Бородавкина П.П., Березина B.JL, Быкова Л.И., Шадрина О.Б., Гумерова А.Г., Гумерова Р.С., Забелы К.А., Азметова Х.А., Идрисова Р.Х. и научных и проектных организаций, таких как ВНИИСТ, ИГГГЭР, Гипротрубопровод, Гипроречнефтетранс.

Однако, как показывает практика эксплуатации ППМН, повышенные требования к их проектированию, строительству и эксплуатации не всегда исключают возможность возникновения аварий.

Снижение уровня воздействия аварийных разливов нефти на окружающую природную среду является актуальнейшей задачей. Снижение опасностей во многом зависит от своевременного обнаружения аварийных утечек, определения возможных объемов выхода нефти, принятия оперативных мер по локализации и сбору разлившейся нефти с поверхности воды. Немаловажное значение в решении данной проблемы имеют исследование процессов формирования и распространения нефтяного пятна по поверхности водоема и водотока, прогнозирование его перемещения по течению, взаимодействие двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой (боновым заграждением) и выбор рациональных мер по ликвидации аварийных разливов.

Цель диссертационной работы

Исследование условий распространения нефти по поверхности водного объекта и разработка рекомендаций по снижению опасностей при нарушении герметичности подводных нефтепроводов.

Основные задачи работы:

• Исследование истечения и распространения нефти в водном потоке при потере герметичности подводных нефтепроводов.

• Экспериментальные исследования взаимодействия двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой.

• Совершенствование методики расчета объема выхода нефти при авариях на подводных нефтепроводах.

• Разработка технологических схем локализации аварийных разливов нефти при авариях на переходах нефтепроводов через водные преграды.

Методы решения поставленных задач

При решении поставленных задач применялись экспериментальные исследования с использованием моделирования русловых процессов в лабораторных условиях, методы математического анализа и численного моделирования, натурные исследования на стендах и в промышленных условиях.

Научная новизна результатов, полученных в работе

• Разработаны методика и программа расчета объемов выхода нефти через дефектное отверстие на подводных нефтепроводах с учетом противодавления окружающей среды и фазового перехода при достижении критических скоростей истечения.

• На основе экспериментальных данных определена критическая толщина слоя нефти перед преградой.

• Рекомендованы технологические решения и обоснованы параметры по локализации нефтяного потока в потоке воды.

• Предложен расчетный метод определения геометрических и пространственных параметров нефтяной струи при истечении ее из дефектного отверстия и всплытии в водотоке.

Практическая ценность работы

Результаты, полученные в работе, позволяют определить уточненные объемы выхода нефти с учетом фактических условий истечения.

На основе данных лабораторных и экспериментальных исследований возможна оценка загрязнения береговой зоны водного объекта при аварийном разливе нефти.

Результаты научных исследований нашли практическое применение в руководящем документе «Правила аварийного ремонта подводных переходов магистральных нефтепроводов и ликвидации последствий аварий».

Реализация результатов работы

Результаты работы реализованы в 3 нормативно-технических документах и внедрены при техническом обслуживании и ремонте подводных переходов магистральных нефтепроводов на предприятиях магистрального транспорта нефти.

Апробация работы

Полученные результаты докладывались на всероссийских, республиканских и международных конференциях, совещаниях и семинарах, посвященных проблемам обеспечения технологической и экологической безопасности эксплуатации магистральных нефтепроводов, в том числе:

- III конгрессе нефтегазопромышленников России, г. Уфа, 2001 г.;

- научно-технической конференции «Нефть и газ на старте XXI века», г. Уфа, 2002 г.;

- белорусско-российском научно-практическом семинаре «Технологии ликвидации последствий аварийных разливов нефти и нефтепродуктов», г. Новополоцк, 2004 г.

Диссертация заслушана на расширенном заседании методического совета отдела «Безопасность сложных технических систем» ГУЛ «ИПТЭР» и рекомендована к защите.

На защиту выносятся:

- уточненная методика и программа расчета определения объема выхода нефти через дефектное отверстие с учетом противодавления окружающей среды и фазового перехода при достижении критических скоростей истечения;

- результаты экспериментальных исследований взаимодействия двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой (боновым заграждением);

- результаты экспериментальных и теоретических исследований распространения нефти при всплытии и растекании по поверхности воды.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Идрисова, Карина Робертовна

Основные выводы

1. Рассмотрена методология анализа риска аварий на подводных переходах магистральных нефтепроводов и предложена уточненная методика определения объема выхода нефти через дефектное отверстие с учетом противодавления окружающей среды и фазового перехода при достижении критических скоростей истечения.

2. На основе экспериментальных исследований распространения нефти в толще речного аллювия, всплытия и распространения нефти при выходе на поверхность воды предложена зависимость для определения объема нефти, загрязняющей береговые участки рек малой и средней ширины.

3. Экспериментальными исследованиями взаимодействия двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой (боновыми заграждениями) установлена максимально допустимая толщина локализуемого нефтяного слоя без «подныривания» нефти под преграду.

4. На основе математического моделирования распространения струи нефти в потоке воды определены параметры плавучей струи нефти при ее всплытии и течении в водотоке.

5. На основе результатов выполненных экспериментальных и опытно-промышленных исследований предложены технологические схемы локализации разлитой нефти и разработан руководящий документ «Правила аварийного ремонта подводных переходов магистральных нефтепроводов и ликвидации последствий аварий» для Республики Казахстан.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Идрисова, Карина Робертовна, Уфа

1. Самойлов Б.В., Ким Б.И., Зоненко В.И. и др. /Учебное пособие для ВУЗов. М.: Недра, 1995. - 304 е.: ил.

2. Положение о проведении работ по диагностированию магистральных нефтепроводов. М.: АК «Транснефть», ЦТД, 1994. - 37 с.

3. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах: Руководящий документ Минтопэнерго РФ, АК «Транснефть». М.: Транспресс, 1996. - 67 с.

4. Методическое руководство по оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах: Руководящий документ. М.: Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. - 96 с.

5. Правила по предотвращению загрязнения с судов (Конструкция и оборудование) // Речной Регистр РСФСР. М.: Транспорт, 1983. - 54 с.

6. ВСН 010-88. Строительство магистральных трубопроводов. Подводные переходы. М.: ВНИИСТ, 1989. - 103 с.

7. ВСН 011-88. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Очистка полости и испытание. М.: Миннефтегазстрой, 1990. - 98 с.

8. РД 39-0147103-347-89. Инструкция на технологический процесс приборного обследования подводных переходов трубопроводов и кабелей связи. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1991. - 35 с.

9. РД 39-30-1090-84. Методика расчета предельно допустимых давлений в подводных переходах эксплуатируемых нефтепроводов. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1985. - 46 с.

10. РД 08-204-98. Порядок уведомления и представления территориальным органам Госгортехнадзора информации об аварийных утечках, авариях и опасных условиях эксплуатации объектов магистрального трубопровода транспорта опасных жидкостей. М., 1999. - 7 с.

11. Гебхарт Б. Свободноконвектирующие течения в технике. (Фримановская лекция) // Теоретические основы инженерных расчетов. 1979. - 101. - №1. - С. 109-142.

12. Гогин В.Е. Ремонт нефтепровода под водой // Нефтепромысловое строительство. 1981. - № 9. - С. 5-7.

13. А.с. 1606608 СССР. Установка для сбора нефтепродуктов с поверхности воды/ В.И. Логиновский, Р.Х. Идрисов, Н.В. Медингер (СССР). Заявлено 27.04.88; Опубл. 15.11.90, Б.И. 42.

14. А.с. 1606609 СССР. Устройство для сбора нефти с поверхности воды / Р.Х. Идрисов и др. (СССР). Заявлено 08.07.88; Опубл. 05.11.90, Б.И. 42.

15. А.с. 1657645 СССР. Устройство для удаления жидкости с поверхности земли / Р.Х. Идрисов и др. (СССР) Заявлено 01.03.89; Опубл. 23.06.91, Б.И. 23.

16. А.с. 1735481 СССР. Устройство для сбора жидкости с поверхности воды / Р.Х. Идрисов и др. (СССР). Заявлено 25.09.89; Опубл. 22.01.92, БИ 19.

17. А.с. 1807166 СССР. Боновое заграждение / Р.Х. Идрисов и др. (СССР). Заявлено 16.08.90; Опубл. 07.04.93, Б.И. 13.

18. Бруяцкий Е.В. Расчет параметров плоской горизонтальной плавучей турбулентной струи // Гидромеханика. 1980. - № 41. - С. 87-95.

19. Гиневский А.С. Теория турбулентных струй и следов. М.: Машиностроение, 1969. - 400 с.

20. Богданов В.И. Всероссийские учения по ликвидации аварий и их последствий на переходах нефтепроводов через водные преграды // Трубопроводный транспорт нефти. 1995. - № 9. - С. 10-20.

21. ВСН 014-89. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов / Охрана окружающей среды. М.: Миннефтегазстрой, 1989. - 84 с.

22. ВСН 163-83. Учет деформации русел, берегов водоемов в зоне подводных переходов магистральных трубопроводов. М.: Миннефтегазстрой, 1990. - 117 с.

23. СНиП Ш-42-80*. Магистральные трубопроводы. Правила производства и приемки работ. М.: Минстрой России ГУЛ ЦПП, 1997. - 75 с.

24. СНиП 2.05-06-85*. Магистральные трубопроводы. М.: Стройиздат,1997. 59 с.

25. ППБ-01-23. Правила пожарной безопасности в РФ. М.: МВД России,1998.-90 с.

26. Правила охраны магистральных трубопроводов. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1992. - 12 с.

27. Методика расчета напряженного состояния подводного трубопровода при капитальном ремонте методом подсадки. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1987. - 26 с.

28. РД 39-0147103-370-86. Нормы на проектирование капитального ремонта подводных переходов магистральных нефтепроводов. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1987. - 115 с.

29. РД 39-0147098-005-88. Правила охраны окружающей среды при сборе, подготовке и транспорте нефти. Уфа: ВостНИИТБ, 1988. — 42 с.

30. РД 39-30-692-82. Положение о формуляре подводного перехода магистрального нефтепровода. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1982. - 32 с.

31. РД 39-0147103-91. Положение о взаимодействии министерств и ведомств при эксплуатации подводных переходов магистральных нефтепроводов, пересекающих внутренние водные пути. Уфа: ВНИИСПТнефть, Росречфлот, 1991. -47 с.

32. РД-39-1-80. Руководство по метрологическому обеспечению строительства подводных переходов магистральных нефтепроводов. -М. ВНИИСТ, 1981.-30 с.

33. Аскис А.В. Подводная сварка и резка металлов. Киев: ИЭС им. Патона АН Украины, 1980. - 56 с.

34. Бабин JI.A., Григоренко П.Н., Ярыгин Е.Н. Типовые расчеты при сооружении трубопроводов. М.: Недра, 1979. - 176 с.

35. Бородавкин П.П., Березин B.JL, Шадрин О.Б. Подводные трубопроводы. М: Недра, 1968. - 304 с.

36. Галюк В.Х., Забела К.Н. Ликвидация повреждения подводных переходов магистральных нефтепроводов. М.: ВНИИОЭНГ, 1980. -68 с.

37. Баранин И.Е., Кислов А.И., Мелкозеров В.М. Ликвидация нефтезагрязнений с использованием сорбентов // Трубопроводный транспорт нефти. 2002. - № 8. - С. 20-23.

38. Черняев В.Д., Забела К.А. Ликвидация аварий на подводных нефтепроводах // Трубопроводный транспорт нефти. 1995. - № 4. -С. 10-14.

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

40. СНиП 3.06.07-86. Мосты и трубы. Правила обследования и испытаний. М.: Стройиздат, 1987. - 42 с.

41. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (Волновые, ледовые и от судов). М.: Минстрой России ГУЛ ЦПП, 1996.-33 с.

42. РД 39-00147105-024-02. Методика расчета напряженного состояния подводных переходов магистральных нефтепроводов при техническом обслуживании и ремонте. Уфа: ТрансТЭК, 2001. - 57 с.

43. РД 153-39-4-074-01. Инструкция по ликвидации аварий и повреждений на подводных переходах магистральных нефтепродуктопроводов. М.: ОАО АК «Транснефтепродукт», 2001. -70 с.

44. Богомолов Е.Н. Расчет эффективности газовой завесы за перфорированным участком поверхности, омываемой турбулентным потоком // Изв. вузов. Энергетика. 1979. - № 1. - С. 23-89.

45. Бруяцкий Е.В. Основные интегральные соотношения для струи в сносящем потоке // Прикладная механика. 1976. - 12. - № 39. - С. 1421.

46. Вязовский Ю.П., Голубев В.А., Климкин В.Ф. Исследование круглой турбулентной струи в сносящем потоке // Инженерно-физический журнал 1982. - 42. - № 4. - С. 548-554.

47. Колпаков Л.Г. Насосы нефтеперекачивающих станций. Уфа: Изд-во УНИ, 1981.-96 с.

48. Идрисова К.Р., Шараев В.А., Зайнуллин Р.С. Модель взаимодействия двухфазного потока жидкости с плоской преградой // Мониторинг и безопасность трубопроводных систем. 2004. — № 2. - Уфа: ТРАНСТЭК, 2004. - С. 3 - 6.

49. А. с. 1605154 СССР от 08.07.90. Стенд для исследования характеристик устройств для сбора нефти / В.И. Логиновский, Р.Х. Идрисов, Н.С. Минигазимов (СССР). Заявлено 28.09.88; Опубл. 07.11.90, Б.И.41.

50. Бруяцкий Е.В., Приходько В.П. Расчет вертикальных осесимметричных плавучих турбулентных струй интегральным и численным методом // Гидромеханика. 1986. - вып. 54. - С. 48-54.

51. Бруяцкий Е.В., Дин Р.Б. Деформация турбулентной струи в сносящем потоке // Прикладная механика. 1976. - 12. - № 6. - С. 116-122.

52. Bradshaw P. The analogy between streamline curvature and buoyancy in turbulent shear flow. Ibid. 1969. 36. - pt 1. - P. 117-191.

53. Адлер Д., Барон А. Расчет трехмерного течения круглой струи в поперечном потоке // Ракетная техника и космонавтика. 1979. - 17. -№ 2.- С. 53-60.

54. Богомолов Е.Н. Искривление плоской струи в ограниченном сносящем потоке при наличии застойной зоны // Изв. вузов. Авиационная техника. 1978. - № 1. - С. 22-30.

55. Грудницкий Г.В., Жданов Ф.А. Опыт использования подводной сварки при ремонте подводных газопроводов // Проектирование, строительство и эксплуатация магистральных нефтегазопроводов и нефтебаз. 1989. - № 2. - С. 21-25.

56. Джалурия И. Естественная конвекция. Тепло- и массообмен. М.: Мир, 1983. - 400 с.

57. Зельдович Я.Б. Предельные законы свободно-восходящих конвективных потоков // Журнал экспериментальной и технической физики. 1937. - 7. - № 12. - С. 1463-1465.

58. Идрисов Р.Х. Эффекты плавучести нефти в воде. Состояние вопроса // Башкирский экологический вестник. 2000. - №1 (8). - С. 64-68.

59. Идрисов Р.Х., Целищев В.А. Структура стратифицированных течений плавучих вертикальных струй // Вестник УАГТУ «Аэрокосмическая техника». 2001. - № 9. - С. 27-33.

60. Идрисов Р.Х., Целищев В.А. Структура стратифицированных вертикальных плавучих струй нефти // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов: Сб. науч. тр. -Уфа, 2000. вып. 59. - С. 152-164.

61. Ламли Дж.Л., Пановский Г.А. Структура атмосферной турбулентности. М.: Мир, 1966. - 264 с.

62. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Физматгиз, 1962. -480 с.

63. Монин А.С., Обухов A.M. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы // Тр.ин-та / Геофиз. ин-т АН СССР. 1954. - № 24. - С. 163-187.

64. Munk W.H., Anderson E.R. Notes on the theory of the thermoline // J. Mar. Res. 1948.- 1.-276 p.

65. Процессы переноса в турбулентных течениях со сдвигом // Теплофизика. Таллин, 1973. -103 с.

66. Струминский В.В. Трехмерный пограничный слой на произвольной поверхности // Вестник АН СССР. 1956. - № 4. - С. 595-598.

67. Голубев В.А., Климкин В.Ф., Макаров И.С. Траектория одиночных струй различной плотности, распространяющихся в сносящем потоке // Инженерно-физический журнал. 1978. - 34. - № 4. - С. 594-599.

68. Гиршович Т.А. Теоретическое и экспериментальное исследование плоской турбулентной струи в сносящем потоке // Изв. АН СССР Серия «Механика жидкости и газа». 1966. - № 5. - С. 121-126.

69. Войтович Л.П., Гиршович Т.А., Коржов Н.П. Экспериментальное исследование начального участка круглой турбулентной струи в поперечном потоке // Изв. АН СССР. Серия «Механика жидкости и газа». 1978.-№5.-С. 151-155.

70. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. М.: Госком СССР по делам стр-ва, 1986. - 35 с.

71. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений. М.: Госстрой СССР, 1988. - 35 с.

72. Fortmann Е. Uber turbulente Strahlausbreitung // Ing. Arch. 1934. — 5. -Nl.-S. 42-54.

73. Гогиш Л.В., Степанов Г.Ю. Турбулентные отрывные течения. М.: Наука, 1979. - 368 с.

74. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960. -715 с.

75. Иванов Ю.В. Некоторые закономерности свободной круглой струи, развивающейся во внешнем поперечном потоке // Изв. АН СССР-Серия «Отделение техн. наук». 1954. - № 8. - С. 37-54.

76. Сообщение ЦКТИ. Л., 1936. - С. 10-21.

77. Keffer J.F., Baines W.D. The round turbulent jet in a cross-wind // J. Fluid Mech.- 1963.- 15:pt4.-P. 481-496.

78. РД 39-065-03 Правила аварийного ремонта подводных переходов магистральных нефтепроводов и ликвидации последствий аварий. -Уфа: ГУЛ «ИПТЭР», 2003. 107 с.