Совершенствование методов контроля и оценки интенсивности утечек углеводородных жидкостей из магистральных трубопроводов

Коркишко, Александр Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Совершенствование методов контроля и оценки интенсивности утечек углеводородных жидкостей из магистральных трубопроводов
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методов контроля и оценки интенсивности утечек углеводородных жидкостей из магистральных трубопроводов"

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Коркишко Александр Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И ОЦЕНКИ ИНТЕНСИВНОСТИ УТЕЧЕК

УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ИЗ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Уфа 2013

005537253

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

Научный руководитель

- Багаутдннов Наиль Явдатович,

доктор технических наук

Официальные оппоненты: - Азметов Хасан Ахметзиевич,

доктор технических наук, профессор, ГУП «ИПТЭР», главный научный сотрудник отдела «Безопасность эксплуатации трубопроводных систем»

— Аскаров Роберт Марагимович,

доктор технических наук,

ООО «Газпром трансгаз Уфа», ведущий

инженер Инженерно-технического Центра

Ведущая организация

■ Филиал ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «КогалымНИПИнефть» в г, Тюмень

Защита состоится 28 ноября 2013 г. в II30 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 28 октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор ^_ Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и сжиженных углеводородных газов является самым надежным и экономичным способом доставки сырья потребителю. Возрастающая потребность развивающейся мировой экономики в энергоресурсах увеличивает нагрузку на сложившуюся сеть трубопроводов, требует прокладки линейных участков в сложных климатических и рельефных условиях. В условиях интенсификации работы трубопроводов и естественного старения труб возникают аварийные ситуации, связанные с нарушением их целостности, сопровождающиеся утечками транспортируемой жидкости.

Для сокращения ущерба от аварийных утечек, имеющего как экологическую, так и экономическую составляющие, требуется наличие надежных систем мониторинга за состоянием целостности трубы, быстрого обнаружения факта утечки, локации ее места и оценки объема, являющегося основой оценки экологического ущерба и расчета величины штрафных санкций.

В настоящее время такие системы успешно используются, и чаще всего задача контроля целостности трубы и аварийной сигнализации решается на базе диспетчерских данных непрерывного измерения режимных параметров эксплуатации трубопроводов (расходов, температур, давлений) в начальных, конечных и некоторых промежуточных точках контролируемых участков. Однако на практике нередко возникают ситуации, при которых объем получаемой режимной информации не обладает полнотой, необходимой для использования специализированных способов определения места утечки и оценки ее объема, что требует оснащения дополнительными средствами контроля или разработки новых и совершенствования используемых способов. Автоматизация и компьютеризация систем контроля позволяют создавать базы данных по интересующим проблемам, в том числе контроля и расчета объема аварийных утечек жидкости, и использовать вероятностно-статистические методы их решения.

туллин Ш.И. и многие другие. Однако формулы, используемые при- гидравлическом расчете, и отдельные параметры, как, например, коэффициент расхода через щель, имеют эмпирический характер, и возможность их применения ограничена соответствием ситуации условиям эксперимента.

Многообразие представления расчетных параметров, неопределенность формы отверстия и площади его сечения, непостоянство напора внутри трубопровода от времени истечения, особенности влияния физических свойств перекачиваемых жидкостей на размеры щели определяют сложность выбора способов гидравлического расчета, необходимость их адаптации к конкретным условиям. Углубляющийся мировой экологический кризис накладывает жесткие требования к обеспечению надежности, экологической безопасности трубопроводов, быстроты обнаружения аварий, правильности оценок ущерба, кратно актуализируя проблему.

Цель работы — повышение надежности и безопасности магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов путем оперативного контроля и выявления (локации) утечек жидкости и научно обоснованной оценки их интенсивности на основе режимных данных штатных диспетчерских параметров работы трубопровода (давления, расхода, температуры).

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ методов и средств обнаружения утечек нефти и нефтепродуктов на магистральных нефтепроводах с целью выявления возможных путей их совершенствования с учетом перспектив развития отрасли;

2. Разработать способы локации утечки нефти и нефтепродуктов в условиях ограниченной параметрической информации;

3. Разработать методы гидравлического расчета истечения жидкости при разрыве стенки трубы на основе новых моделей расчета коэффициента расхода;

4. Разработать обобщенную методику гидравлического расчета утечек жидкости из трубопроводов в широком диапазоне чисел Рейнольдса;

5. Исследовать особенности истечения сжиженных углеводородных газов (СУГ) через аварийные отверстия и разработать рекомендации по их учету.

Методы решения поставленных задач

ниченности параметрической информации, анализа результатов численного моделирования с использованием статистической методологии, а также накопленного зарубежного и отечественного опыта экспериментальных исследований в области локации утечек, оценки интенсивности истечений из аварийных отверстий как стабильных, так и нестабильных углеводородных жидкостей.

Научная новизна результатов работы:

1. Разработаны новые методы контроля утечек нефти и нефтепродуктов в условиях ограниченности параметрической информации на основе

- штатных параметров системы «насосная станция - расходомер, расположенный на конце участка»;

- штатного набора датчиков давления, позволяющих косвенным методом определять дебаланс расходов на двух смежных сегментах контролируемого участка трубопровода;

2. Предложены новая обобщенная модель и алгоритм расчета коэффициента расхода аварийных отверстий и объема утечки через них, позволяющие на основе гидравлической аналогии истечения вязкой жидкости из аварийных отверстий при разрыве трубопровода и течения жидкости в диафрагмах повысить уровень достоверности расчета интенсивности утечки жидкости в широком диапазоне чисел Рейнольдса;

3. Предложены методология и модель численного расчета

- минимальной температуры сжиженных углеводородных газов при истечении из аварийных отверстий трубопровода;

- количества вытекающей нестабильной углеводородной жидкости из модельного насадка, имитирующего аварийное отверстие в «толстой» стенке трубопровода;

4. Разработана новая технологическая схема экспериментальной установки для исследования истечения сжиженных углеводородных газов через аварийные отверстия.

На защиту выносятся:

1. Методы контроля утечек нефти и нефтепродуктов в условиях ограниченности параметрической информации на основе:

- штатных параметров системы «насосная станция — расходомер, расположенный на конце участка»;

жденных выполненными контрольными расчетами. Достоверность полученных автором результатов подтверждается соответствием теоретических выкладок с результатами численных расчетов, а также теоретических и экспериментальных исследований других авторов.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на:

- методических советах, заседаниях секции Ученого совета ИПТЭР;

- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках Нефтегазового форума и XIX Международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии - 2011» (г. Уфа, 2011 г.);

- XI Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках XI Российского энергетического форума (г. Уфа, 2011 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных трудах, в том числе в 6 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ; получены 2 патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 122 наименования. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков, 16 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

Первая глава посвящена анализу мирового опыта контроля целостности трубопроводов, методов обнаружения повреждений и оценке величины утечек, представлена их классификация и обоснована необходимость и пути их совершенствования. В качестве объектов исследования рассмотрены Трансаляскинский нефтепровод (США), продуктопровод «Сургутский ЗСК -Южно-Балыкский ГПЗ», нефтепроводная система Каспийского трубопроводного консорциума (КТК).

В практике мирового строительства и эксплуатации магистральных нефтепроводов при оценке уровня надежности их технической оснащенности и экологической безопасности Трансаляскинский нефтепровод может служить эталоном, так как с момента его проектирования и строительства Сенатом США предъявлялись беспрецедентно высокие требования к решению этих проблем. Постоянно совершенствующееся высокотехнологичное оборудование, автоматизация и компьютеризация средств контроля работы нефтепровода, сбора и обработки данных позволяют сделать объективный пролонгированный анализ. Однако несмотря на все принимаемые меры на нефтепроводе на всех его объектах происходили аварии различной степени тяжести.

На нефтепроводе применяются несколько методов обнаружения утечек:

- визуальное наблюдение;

- регистрация колебаний расхода;

- фиксирование колебаний давления;

- регистрация колебаний объема;

- компьютерный анализ объемов.

Все они, кроме визуального, основываются на диспетчерских данных непрерывного измерения режимных параметров эксплуатации трубопроводов и широко применяются в мировой практике.

Совершенствование систем обнаружения утечек проходит параллельно совершенствованию вычислительной техники и оборудования систем дистанционного управления и контроля. Интеграция системы обнаружения утечек с базой данных о динамике эксплуатационных условий создает основы для разработки новых методов и адаптации известных с использованием вероятностно-статистической методологии.

Однако данных диспетчерского контроля режимных параметров бывает недостаточно для обнаружения мест незначительных аварий. Для этих случаев разрабатываются специализированные методы и средства контроля.

Аналогичные проблемы возникают и на отечественных магистральных трубопроводах, перекачивающих углеводородное сырье. Нормативная документация не четко определяет требования к выбору систем обнаружения утечек на нефтепроводах. Однако в силу особой взрывоопасности трубопроводов, перекачивающих сжиженные углеводородные газы, на них рекомендуется устанавливать не менее двух систем обнаружения утечек (СОУ).

Известно множество методов контроля, имеющих свои принципы и средства реализации, достоинства и недостатки. На основании анализа преимуществ и недостатков различных методов предложены рекомендации для их одновременного внедрения с целью обеспечения полного контроля над утечками различных объемов и быстрого определения их местонахождения.

Перспективными отечественными разработками являются инфразвуко-вая система мониторинга трубопроводов (ИСМТ) фирмы НПФ «ТОРИ» (г. Новосибирск) и виброакустическая система непрерывного мониторинга, которые можно использовать в качестве второй, в частности, для трубопроводов, перекачивающих СУГ.

Во второй главе рассмотрены вопросы локации утечек нефти и нефтепродуктов на участке трубопровода в условиях ограниченной информации.

В главе представлена математическая модель для реализации метода локации места утечки нефти и нефтепродуктов и оценки ее интенсивности на основе штатных параметров системы «насосная станция — расходомер, расположенный на конце участка нефтепровода».

Математическая модель включает систему уравнений, описывающих параметры работы трубопровода в нормальном и аварийном состояниях: потери напора в трубопроводе для изотермического течения жидкости при наличии аварийной. утечки Нь уравнение баланса энергии, развиваемой насосной станцией, и гидравлических потерь с учетом энергии положения Н0; характеристику насосной станции (центробежного насоса) СЬ - Нь расходы жидкости на сегментах трубопровода до места утечки и за ним с учетом величины утечки ц и

при нормальной работе трубопровода СЬ, СЬ, С)0 соответственно.

Расчет утечки д и определение координат места утечки базируется на решении системы уравнений, описывающих течение в трубе при наличии утечки, получении решения в виде аналитических зависимостей и возможности использования для некоторых параметров численных значений, фиксируемых приборами контроля. Так, величина контролируется расходомером, установленным в конце участка, а снижение развиваемого напора на величину ДН = Н„ — Н] может быть представлено в виде параметрической зависимости от величины утечки я и получено по показаниям манометров на насосных станциях (НС):

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что по показаниям датчиков давления на входе Рвх и выходе Рвых насосной станции (рисунок 1) вычисляют снижение развиваемого напора ЛН= Но - Н, из-за увеличения через нее расхода жидкости, обусловленного возникновением утечки.

Рв* ±

р- |— р - НС —.Рв,„

\ дн

1 - НС; 2 - расходомер

Рисунок 1 - Схема гидравлической системы «насосная станция -

расходомер, расположенный на конце участка трубопровода», и напорная характеристика насосной станции

Уравнение (1) приводится к квадратному уравнению относительно искомой величины q, решение которого дает величину утечки

Ч = -(22 + ^ + (22О> (2)

позволяющему по известным параметрам определять величину утечки ц. Здесь а - коэффициент напорной характеристики насосной станции, определяемой по паспортным данным насосов.

Координаты аварии храсх., хман. устанавливаются при помощи известного метода дистанционного определения места аварий, основанного на различии гидравлических уклонов и ¡ь до и после места разрыва (¡а > ¡ь). Гидравлический уклон Ц можно определить по расходу С>1 = СЬ + Ч, а гидравлический уклон ¡ь по расходу СЬ, контролируемому расходомером в конце перегона; получить расчетным путем, используя уравнения системы и оперативные данные. При наличии на перегоне линейных манометров гидравлические уклоны и ¡ь можно определить по их показаниям.

Сопоставление расчетных храсх. координат утечки, найденных по расходам перекачиваемой жидкости в начале и в конце перегона и показаниям линейных манометров, позволяет точно установить район аварии храсх. - хман .

Для идентификации начала аварии (по показаниям манометров и расходомера) на предварительной стадии определяется пороговое значение дебалан-са расходов жидкости с привлечением методологии статистического анализа.

Для сложной системы трубопроводов с отводами и параллельными нитками предложен способ локации утечки из линейного участка трубопровода, основанный на непрерывном контроле дебаланса массовых расходов, измеряемых косвенным методом на двух смежных сегментах контролируемого участка трубопровода путем определения с помощью датчиков давления гидравлического уклона каждого сегмента и использования методологии статистического анализа.

Метод позволяет на контролируемом участке трубопровода, не оснащенном системой расходомеров, используя только диспетчерские данные, определяемые с помощью обычного и характерного для любого трубопровода набора датчиков давления и температуры, производить непрерывный мониторинг за целостностью трубопровода.

Контролируемый участок (перегон) трубопровода делится на два базисных сегмента. С помощью датчиков давления, размещенных на концах каждого сегмента, производится измерение потерь давления на трение и, пользуясь формулой (3), для каждого из них определяются гидравлические уклоны:

(Рн + § " Р" 2н ) ~ (Рк + §' Р" 2к ) т

11,2 =-„ „ т •

Здесь р- плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; Р - давление, Н/м"; г - геодезическая отметка, м; Ъ - длина трубопровода (сегмента), м; g - ускорение свободного падения, м/с2; «н», «к» - индексы соответственно начала и конца каждого сегмента трубопровода.

По гидравлическим уклонам определяются массовые расходы жидкости на каждом сегменте и 62-3) и производится контроль значения деба-

ланса расходов:

01_2-02_з=|8| . (4)

Вычисление дебаланса в проводится с целью определения поля допуска, которое дает вероятность 2(3 риска утечки не более некоторого наперед задаваемого числа Р. Для статистического анализа желательно иметь

е,, е2,..., ел , количество данных п > 20. По заданным Р (надежность поля допуска) и а (вероятность риска) определяются границы поля допуска - ^).

Вычисляется критерий Смирнова-Граббса Т^ для проверки возможной ошибки в наибольшей из наблюдаемых величин и Т] в наименьшей из наблюдаемых величин и производится сравнение найденных критериев с критическим значением Та при заданном уровне значимости а в числе наблюдений п.

Если расчетное значение Т^ или Т1 больше Та, то е^ (или Е1) исключаются как ошибочные, и принимается решение о возможности утечки (для значения дебаланса, не попавшего в поле допуска -)).

Расчетные зависимости и основанный на них алгоритм, используемый для определения порогового значения дебаланса расхода епор, дают возможность предложить способ гидравлической локации утечек жидкости из линейного участка трубопровода, не оснащенного системой расходомеров.

В главе приводятся результаты исследования влияния зон (оврагов, водных преград, теплотрассы и т.д.), температура среды которых выше или ниже чем до и после них, на скорость прохождения сигнала возмущения и точность определения момента и места повреждения трубопровода. Они показывают их существенное искажающее воздействие, которое не может быть учтено аналитическими методами, а требует установки с обеих сторон датчиков повреждения трубопроводов, о чем авторами предложено внести дополнение в СНиП 111-4-80*.

Третья глава посвящена совершенствованию методов расчета истечения нефти и нефтепродуктов из аварийных отверстий трубопроводов.

В большинстве случаев расчет истечения жидкости из аварийных отверстий базируется на известной зависимости гидромеханики для определения расхода жидкости через отверстия и насадки

где (х0 — коэффициент расхода отверстия, насадка; 8 — площадь живого сечения отверстия, насадка; g - ускорение силы тяжести; Н = ДР/р-§ - напор, при котором происходит истечение; ДР = Р1 - Р2 - перепад давлений; р - плотность жидкости; Р[, Рг — давления до и после отверстия, насадка.

Достоверное определение каждого из ее членов сопряжено с методологическими сложностями. Так, коэффициент расхода р0 - сугубо эмпирическая величина, не имеющая теоретических предпосылок для численного моделирования, - применима в области параметров выполненного эксперимента. Она

(5)

зависит от свойств истекающей жидкости, свойств среды, куда происходит истечение, формы отверстия, образованного в месте разрыва трубопровода, условий и характера струи в щели, энергетических показателей истекающей жидкости. Сложная форма аварийных отверстий делает величину площади Б весьма приближенной. Давление внутри трубы является параметром, который не является постоянной величиной, а меняется во времени в процессе аварийной ситуации.

Используемые в настоящее время коэффициенты расхода аварийных щелей, включая щели ромбовидной формы для турбулентной и ламинарной областей, получены базируясь на аналогии с истечением жидкости из круглого отверстия с учетом специфики рассматриваемого случая. При этом в случае истечения жидкости из щели, образованной разрывом стенки трубопровода, ■предлагается- при- расчете числа Еейнольдса_.охверстия ввести друлой харак=_ терный диаметр - так называемый гидравлический (эквивалентный) радиус, равный отношению живого сечения к смоченному периметру. При этом не учитывается характер течения, определяемый продольным расстоянием отверстия, задающим форму струи в самом отверстии — насадке.

В работе предложен подход к модели течения жидкости из аварийной ромбовидной щели, основанный на аналогии с плоскопараллельным ламинарным течением жидкости между параллельными пластинами (рисунок 2).

у,

и.

а) плоскопараллельные пластины; б) развертка ромбовой щели; в) схема ламинарного течения между пластинами

Рисунок 2 - Развертка аналоговой аварийной щели,

ее геометрические размеры и схема ламинарного течения между параллельными пластинами

Решение дифференциального уравнения ламинарного движения жидкости в ромбовидной щели дает распределение скорости, имеющее параболический закон:

-ц— = — -у. (6)

йу 5тр

где ц - динамическая вязкость жидкости; и - скорость; Р - давление на длине 5тр по величине, равной толщине стенки трубопровода у - координата по оси ординат.

С учетом представления геометрии ромбовидной щели и эквивалентного ему по площади прямоугольника получены формулы для определения

средней скорости между пластинками

у = (7)

12у-р 5тр

и расхода в ромбовидной щели 2 Ь Ь

<2 = — ' ' 8-Щ ' = ^ромб.щ " ^ромб.щ • л12ёН > (8)

12 ^тр г

где Цр0Мб щ = ^ ■ --коэффициент расхода ромбовидной щели; Ь = — -

г- Ь • 71 • Ь ^ромб.щ ^тр _ _

относительная величина зазора Ь =-=-—; от„ =-; -

тЛ-лЬ (яЬ) Ш1

толщина стенки трубы; Ь = —высота прямоугольника (расстояние между пластинами); тгЬ - расстояние ромбовидной щели на развертке - ширина зазора между пластинами; 11еш = ^ • IIг - число Рейнольдса, при котором

происходит истечение через щель; =_!Н. - гидравлический радиус щели;

Пщ

Бщ - площадь поперечного сечения щели; Пщ - периметр щели; Яг = О.У4; Ог= 48Щ/ПЩ - гидравлический радиус ромбовидной щели.

Полученное из теоретических предпосылок выражение (8) подтверждает необходимость учитывать тип отверстия, геометрические размеры, характер течения в щели. Анализ теоретических предпосылок и экспериментальных исследований истечения вязкой жидкости через ромбовидные щели показывает, что существующие методы расчета, опирающиеся на значения коэффициента круглых отверстий и использование числа Рейнольдса, определяемого по

гидравлическому радиусу, могут считаться приемлемыми лишь для сугубо оценочных расчетов и нуждаются в актуализации.

Коэффициенты расхода жидкости, вытекающей из ромбовидной щели, при турбулентном режиме

Ищлурб = 1/ Л5 + (A/ReS)- (5CT/Dr), (9)

при ламинарном режиме

Цщ.лам = Wi1^ ■ReS)]+(A-5CT)4Refn-Dr). (10) Здесь а = 0,062; 0,094 и 0,113 — коэффициенты пропорциональности, соответствующие щелям с относительными размерами A/(7th)=0,077; 0,119 и 0,150 и показателями степени п = 0,6; 0,5 и 0,45 числа Рейнольдса щели Re,„; Д = 2S/(7ih) - ширина щели; значения коэффициентов А и m представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Значения коэффициентов А и m

Наименование режима течения Ш А

Ламинарный режим 1 64

Турбулентный режим в зоне Блазиуса 0,25 0,3164

Область квадратичного закона трения (к - величина эквивалентной шероховатости) 0 А. = 0,11(к/Бг)0'25

В главе представлена обобщенная методика гидравлического расчета истечения через аварийные щели при ламинарном, переходном и турбулентном режимах.

В случае малой щели, гидравлический диаметр которой меньше толщины стенки трубы, рассматривают модельный насадок. С динамической точки зрения аварийное отверстие, близкое к круглому, действует аналогично диафрагме, и поэтому методика гидравлического расчета базируется на аналогии с истечением жидкости из диафрагмы с малым соотношением п = Рохв/Ртр. Здесь Ботв и Ртр - соответственно площадь отверстия диафрагмы и площадь сечения трубы, где она установлена. Для построения закономерностей, определяющих зависимость искомых параметров: коэффициента сопротивления круглого отверстия и коэффициента расхода, используются известная теоретическая зависимость для определения потери давления при истечении из круглого отверстия и результаты экспериментальных исследований Н.В. Лев-коевой, А.Д. Альтшуля.

Гидравлический расчет истечения для переходной области строится на следующих предпосылках. Переходная область истечения для местного сопротивления определяется как область, расположенная между началом квадратичной области и окончанием чисто ламинарной, и характеризуется степенной зависимостью между коэффициентом местного сопротивления и числом Рейнольдса в следующем виде:

где Втр - численный коэффициент, зависящий от вида местного сопротивления; ф - показатель степени различный для местных сопротивлений.

Принимая показатель степени (р = 0,285, величина коэффициента местного сопротивления Вхр для круглого отверстия (или диафрагмы с п = 0,05) определяется из условия сращивания квадратичной (£кв = const) и нелинейной зависимостей в точке их соприкосновения.

Гидравлический расчет истечения жидкости из круглого отверстия при турбулентном режиме также базируется на использовании результатов экспериментальных исследований и зависимостях диафрагм с малым раскрытием.

Предложены математическая модель и алгоритм расчета истечения жидкости из малого отверстия типа модельного насадка на основе гидравлической аналогии с течением вязкой жидкости через диафрагму, позволяющие для любого местного сопротивления, пользуясь его значениями в квадратичной зоне, получить зависимости от числа Re во всем диапазоне чисел Рейнольдса.

В случае малого отверстия (dr < 5тр, - толщина стенки трубы) в качестве расчетной модели рассматривается модельный насадок цилиндрического типа. На рисунке 3 показаны модель течения через модельный насадок и его параметры.

Рисунок 3 - Расчетные модели реальной аварийной щели при разрыве трубы

£тр =BTp/Re?p, ReTp =(vTp-dTp)/v,

(П)

а) реальное отверстие б) модельный насадок

и его аналог — круг

Задача определения расхода Q вытекания жидкости из щели с учетом

Р -Р

вышеизложенного при условии, что известны напор Н = —----—, длина

g-P

модельного насадка и гидравлический диаметр, решается с помощью форму__1

лы (6), где Но - i = - коэффициент расхода модельного насад-

Jl + Я,—+ £ +£ d вых

ка; Í;BX Í;BUX — коэффициенты сопротивления внезапного сужения и внезапного расширения, отнесенные к скорости внутри насадка; Рвх, Рвых - давления на входе и выходе из насадка; р — плотность жидкости.

Для квадратичной области коэффициенты сопротивления не зависят от числа Рейнольдса и могут быть найдены по справочным данным.

Для неквадратичной области прямое вычисление затруднительно, так как коэффициенты X, i;BX, ^вых являются функциями числа Рейнольдса, которое в условиях данной задачи связано с неизвестным искомым расходом Q.

В том случае если для коэффициентов известны математические или эмпирические модели, связывающие коэффициенты X, ^вх, ^ВЬ1Х с числом Рейнольдса, решение находится методом попыток, полагая в первом приближении квадратичный закон сопротивления. В случае модельного насадка для коэффициента X такие зависимости существуют.

Предложен метод, по которому для любого местного сопротивления, пользуясь его значениями в квадратичной зоне, можно получить зависимости коэффициентов £вх и £вьк от числа Re во всем диапазоне чисел Рейнольдса.

Сущность метода состоит в том, что сначала определяют коэффициенты местного сопротивления (в нашем случае ^вх и £вьтх), пользуясь известными справочными данными или математическими соотношениями, справедливыми для квадратичной зоны. После этого, пользуясь гидравлической аналогией течения вязкой жидкости при внезапном сужении и расширении с течением через диафрагму с малым проходным сечением (по отношению к диаметру трубы, в которой она расположена), используют данные влияния числа Рейнольдса на величины коэффициентов сопротивления диафрагм (исследования Н.В. Левкоевой), считая их эквивалентными сумме коэффициентов сопротивления внезапного сужения и расширения:

^д.экв = ^вн.суж.кв.тр.1 + ^вн.рас.кв.тр! • . (1^)

В результате для модели с некоторыми допущениями и упрощениями установлено: при Яе < 1,35 течение вязкой жидкости происходит в ламинарной области; в диапазоне 1,35 < Яе < 100 — в переходной области; при Яе > 100 наступает квадратичный режим.

Предложенный алгоритм позволяет с удовлетворительной точностью выполнить расчет истечения жидкости из аварийной щели, образующейся при разрыве стенки трубопровода при неквадратичном и квадратичном законах сопротивления.

Четвертая глава посвящена исследованию особенностей истечения сжиженных углеводородных газов через аварийные отверстия и разработке:

- методических основ прогнозирования и численного моделирования минимальной температуры, возможной при аварийном истечении через дефектное отверстие продуктопровода СУГ (этанизированной широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), конденсата);

- рекомендаций по оценке количества вытекающей нестабильной жидкости через насадок, моделирующий дефектное отверстие в трубопроводе, в канале которого происходит фазовое превращение;

- технологической схемы экспериментальной установки для исследования истечения сжиженных углеводородных газов.

Методические основы прогнозирования минимальной температуры базируются на моделях теплового равновесия в области парообразования, описываемого уравнением

-Рп 'гп = уж "Рж 'Сж 'ДТ, (13)

на соотношении между понижением температуры ДТ в области парообразования (зона кавитации) и адекватным снижением давления насыщенных паров Др:

ДТ = Тж - Тп = —^— (14)

ж п аРп/с!т 4

и значении с1рп /с!Т, которое может быть определено по расчетным данным зависимости рп = рп(т) или из уравнения Клапейрона-Клазиуса

Фп = гп • Рж • Рп (15)

¿Т (рж-Рп)'Т' Здесь Уп - объем паровых пузырей; рп - плотность пара; гп - теплота парообразования СУГ; Уж - объем жидкости, от которой отбирается тепло на па-

рообразование; рж, Стж - соответственно плотность и теплоемкость жидкости; ДТ = Тж — Тп — разность температур, возникающая в результате охлаждения жидкости при парообразовании; Тж - температура жидкости вне области парообразования (кавитации); Тп - температура охлажденной жидкости (СУГ) в зоне кавитации; с!Рп / сГГ - производная, характеризующая наклон кривой Рп = РП(Т) (зависимость давления насыщенных паров Рп жидкости (СУГ) от температуры Т).

Выполнено численное моделирование минимальной температуры СУГ с массовым содержанием этана 9,37 % (вариант 1) и 11, 66 % (вариант 2). На рисунках 4 и 5 представлены полученные результаты.

Рисунок 4 - Зависимость произвол- Рисунок 5 - Зависимость минимальной ной упругости насыщенных паров температуры СУГ при истечении через от температуры СУГ (1 - вариант 1; дефектное отверстие от температуры 2 - вариант 2) СУГ в трубопроводе (в сечении

расположения дефектного отверстия) (1 — вариант 1; 2- вариант 2)

В результате выполненных расчетов:

- определены значения минимальных температур, до которых могут локально охладиться СУГ и стенка (максимальный сценарий) трубопровода при истечении через дефектное отверстие широкой фракции легких углеводородов с различным содержанием этана (вариант 1: количество этана 9,37 % по массе; вариант 2: количество этана 11,6 % по массе);

- установлено, что величина локальной минимальной температуры СУГ при истечении из аварийной щели зависит от температуры транспортируемых СУГ;

- установлено, что чем ниже температура транспортируемых СУГ, тем ниже локальная минимальная температура СУГ и, следовательно, минимальная температура стенки трубы; чем больше содержание этана в составе СУГ, тем меньше минимальная температура.

Разработанная методология позволяет осуществлять правильный выбор требований к трубам при разработке Специальных технических условий (СТУ) - нормативного документа, регламентирующего нормы и правила проектирования и эксплуатации продуктопроводов для сжиженных углеводородных газов.

Разработан алгоритм гидравлического расчета истечения жидкости из аварийных щелей сложной конфигурации с учетом специфики рассматриваемого случая.

Показано, что гидравлический расчет истечения из аварийной щели, у которой отношение (^/с1) > 2 (£ — длина отверстия; с! — эквивалентный диаметр), следует производить по уравнению истечения из круглого отверстия в среду с давлением, равным давлению парообразования, с учетом того, что в зоне кавитации происходит понижение температуры неиспарившейся части жидкости. Для инженерных расчетов расхода рекомендована формула

<3 = !-1отв-®отв- [Р0-(РП-ё-Рж-ДЬт)], (16)

и-Рж

29-ё-р Рж(Рж-Рл)-СТж -Т-Е 1 где ДПТ =-17Т>м; --т—т-' —'

р -В?/3 Рп-Гп М

Размерности параметров здесь таковы: давление перед отверстием Ро в Па;

давление насыщенных паров Рп в Па; плотность жидкости рж и пара рп в

Дж

кг/м ; удельная теплоемкость жидкости Стж в кг к ; температура в К (градусах Кельвина); скрытая теплота парообразования гп в Дж/кг.

Для исследования истечения нестабильных сжиженных углеводородных газов была разработана технологическая схема экспериментальной установки, показанная на рисунке 6.

Установка включает патрубок приема сжиженного газа 1, расходную емкость 2, насос 3, байпасную линию 4, сбросной клапан 5, кавитационную трубку 6, батарею расходомеров 7, манометры 8, испытательную емкость 9, предохранительные клапаны 10, линию сброса газа 11, сборную емкость 12, баллон с инертным газом 13, регулятор давления 14, запорный клапан 15, огнепреградитель 16, свечу рассеивания 17 и узел истечения 18.

Особенность установки в отличие от подобных установок для исследования стабильных жидкостей состоит в том, что она обеспечивает герметичность, т.е. безопасность ее эксплуатации, схема носит многофункциональный характер: позволяет измерять давление насыщенных паров рабочей жидкости, определять коэффициент расхода модельного отверстия, минимальную температуру нестабильной жидкости при истечении.

Рисунок 6 — Схема установки для исследования истечения сжиженных газов через модельные отверстия

Установка может быть использована для тестирования измерительных приборов и насосов, используемых в системе транспорта СУГ на предмет возникновения кавитации.

Для определения критического давления кавитации часть потока перекачиваемой жидкости пропускалась через прозрачную трубку типа Вентури во всасывающую магистраль, что позволило визуально фиксировать процесс

начала и развития кавитации и замерять параметры движения. При определенном значении перепада и расхода в «горле» 2 кавитационной трубки возникает кавитационная каверна, хорошо различимая в виде небольшого (£<1, 5...2 мм) светлого кольца.

При некотором значении перепада (Р| - Р2)кр происходит «запирание» кавитационной трубки, сопровождающееся ростом перепада давлений на трубке при неизменных расходе и давлении в сечении кавитационной каверны. Давление в каверне при этом, соответствующее развитой стадии кавитации, определяет величину критического давления кавитации Ркр. потока. По результатам измерения строятся графические зависимости, по которым и определяется значение Ркр.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании обзора и анализа методов и средств обеспечения безопасности магистральных трубопроводов, транспортирующих углеводородное сырье, установлена необходимость их совершенствования применительно к условиям ограниченной параметрической информации. В частности, установлено, что задача гидравлической локации утечек транспортируемой жидкости на трубопроводе может быть решена на базе обычного штатного набора датчиков давления, температуры, расхода жидкости и использована как в случае отсутствия специализированных систем контроля, так и адаптирована при их наличии с целью повышения надежности оценки состояния трубопровода.

2. Предложен новый способ определения утечки жидкости, базирующийся на измерении штатных параметров гидравлической системы «насосная станция - расходомер, расположенный в конце контролируемого участка трубопровода». Разработаны математическая модель и алгоритм локации утечки углеводородной жидкости и оценки ее интенсивности.

3. Предложен способ контроля утечек нефти и нефтепродуктов для сложной системы трубопроводов, располагающей участками (отводами, параллельными нитками), не оснащенными приборами непрерывного прямого контроля дебаланса расхода перекачиваемой жидкости. Способ основан на измерении гидравлических уклонов и определении косвенным методом дебаланса расходов жидкости на двух смежных сегментах контролируемого участка с использованием статистической методологии.

4. Разработана новая математическая модель расчета коэффициента расхода аварийных отверстий при неквадратичных и квадратичных режимах истечения, основанная на гидравлической аналогии истечения из аварийных отверстий с течением вязкой жидкости в диафрагмах. Определены критические числа Рейнольдса для оценки ламинарной, переходной и турбулентной зон течения вязкой жидкости через аварийные отверстия. Разработаны обобщенная математическая модель и алгоритм гидравлического расчета истечения жидкости через аварийные отверстия во всем диапазоне изменения чисел Рейнольдса.

5. Предложена методология определения и выполнено численное моделирование минимальной температуры сжиженных углеводородных газов при истечении из аварийных отверстий трубопровода. Предложена методика расчета количества вытекающей нестабильной жидкости из модельного насадка, имитирующего аварийное отверстие в «толстой» стенке.

6. Разработана многофункциональная схема экспериментальной установки для исследований истечения сжиженных углеводородных газов из отверстий и модельных насадков, имитирующих аварийные отверстия в «тонкой» и «толстой» стенках трубопровода. Предложены метод расчета критического давления кавитации для тестируемых устройств и модель расчета коэффициента истечения сжиженных углеводородных газов в атмосферу.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Рахматуллин, Ш. И. Способ обнаружения утечек нефти или нефтепродукта из трубопровода [Текст] / Ш. И. Рахматуллин, А. Г. Гумеров, А. Н. Коркишко, Н. П. Захаров, В. Г. Карамышев // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2011. -Вып. 2 (84). - С. 83-88.

2. Коркишко, А. Н. Локация утечек нефти, нефтепродуктов и нестабильных углеводородных жидкостей на магистральных трубопроводах [Текст] / А. Н. Коркишко, Ш. И. Рахматуллин, В. Г. Карамышев // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2011. - Вып. 2 (84). - С. 142-147.

3. Рахматуллин, Ш. И. Математическое моделирование истечения жидкости при аварийном разрыве трубопровода [Текст] / Ш. И. Рахматуллин, А. Н. Коркишко, В. Г. Карамышев // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2011. - Вып. 3 (85). -С. 133-136.

4. Рахматуллин, Ш. И. Моделирование истечения жидкости из щели сложной конфигурации при разрыве стенки трубопровода [Текст] / Ш. И. Рахматуллин, А. Н. Коркишко, В. Г. Карамышев // Нефтяное хозяйство. - 2011.-№ 11. - С. 104-107.

5. Рахматуллин, Ш. И. Расчет истечения жидкости из щели при разрыве стенки трубопровода в неквадратичной области гидравлического сопротивления [Текст] / Ш. И. Рахматуллин, В. Г. Карамышев, А. Н. Коркишко, М. X. Султанов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2011. - Вып. 4 (86). - С. 135-140.

6. Султанов, Р. Г. Определение места повреждения участка трубопровода с температурной неоднородностью [Текст] / Р. Г. Султанов, В. Г. Карамышев, Р. Н. Файзулин, А. Н. Коркишко // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2011. - Вып. 4 (86). - С. 54-59.

7. Рахматуллин, Ш. И. Об оценке коэффициента расхода жидкости через аварийные щели по экспериментальным данным проливок [Текст] / Ш. И. Рахматуллин, Н. П. Захаров, А. Н. Коркишко, В. Г. Карамышев // Нефтяное хозяйство. - 2012. - № 3. - С. 106-108.

8. Коркишко, А. Н. Особенности расчета истечения нестабильных жидкостей из аварийных щелей [Текст] / А. Н. Коркишко, Ш. И. Рахматуллин, В. Г. Карамышев // Нефтяное хозяйство. - 2011. - № 12. - С. 128-129.

Патенты па изобретения

9. Пат. 2464484 Российская Федерация, МПК Р 17 Б 5/00. Установка для исследования истечения сжиженных углеводородных газов [Текст] / Гу-меров А. Г., Рахматуллин Ш. И., Карамышев В. Г., Коркишко А. Н.; патентообладатель Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (1Ш). - № 2011118902/06; заявл. 11.05.2011; опубл. 20.10.2012, Бюл. № 29.

10. Пат. 2460009 Российская Федерация, МПК Б 17 Б 5/02. Способ определения момента и места повреждения трубопровода [Текст] / Султанов Р. Г.,

Яруллин Ч. А., Запасной Н. В.; Мугафаров М. Ф., Мухаметшин С. М., Ура-' зов Р. Р., Коркишко А. Н.; патентообладатель Уфимский государственный авиационный технический университет (1Ш). - № 2011119691/06; заявл. 16.05.2011; опубл. 27.08.2012, Бюл. № 24.

Прочие печатные издания

11. Коркишко А.Н., Рахматуллин Ш.И. Определение критического давления кавитации [Текст] / А. Н. Коркишко, Ш. И. Рахматуллин // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. научн.-практ. конф. 25 мая 2011 г. в рамках XIX Междунар. специализир. выставки «Газ. Нефть. Технологии - 2011». - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2011. - С. 223-226.

12. Коркишко А.Н., Рахматуллин Ш.И. Определение минимальной температуры истечения сжиженных углеводородов через дефектное отверстие трубопровода [Текст] / А. Н. Коркишко, Ш. И. Рахматуллин // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. XI Всеросс. научн.-практ. конф. 19 октября.2011 г. в рамках XI Российского энергетического форума. -Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2011. - С. 228-231.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 25.10.2013 г. Формат 60 х 90 1/16. Усл. печ. л. 1,09. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 235. Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Коркишко, Александр Николаевич, Уфа

Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

УДК 622.276 На правах рукописи

Коркишко Александр Николаевич

04201365098

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И ОЦЕНКИ ИНТЕНСИВНОСТИ УТЕЧЕК

УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ИЗ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук Н.Я. Багаутдинов

Уфа 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................... 5

1. Состояние и тенденции развития систем мониторинга магистральных трубопроводов углеводородного сырья для предотвращения экологического и экономического ущерба .... 11

1.1 Анализ современного состояния надежности и экологической безопасности на зарубежных магистральных трубопроводах.............. 11

1.1.1 Основные тенденции в развитии систем мониторинга магистральных трубопроводов (на примере Трансаляскинского трубопровода).................................................................... 11

1.1.2 Обнаружение утечек по изменениям расхода и давления................ 13

1.1.3 Обнаружение утечек по балансу объемов нефти в трубопроводе...... 13

1.1.4 Совершенствование систем обнаружения утечек......................... 14

1.2 Опыт выбора систем обнаружения утечек на отечественных

действующих магистральных трубопроводах углеводородного

сырья................................................................................. 16

1.2.1 Нормативная база на проектирование и эксплуатацию

магистральных трубопроводов для транспортирования углеводородного сырья (нефти, нефтепродуктов, сжиженных углеводородных газов) и методы обнаружения утечек углеводородных жидкостей на трубопроводах............................ 16

1.2.2 Обнаружение утечек широкой фракции легких углеводородов

на продуктопроводе «Сургутский ЗСК- Южно-Балыкский ГПЗ».... 18

1.2.3 Обнаружение утечек на Нефтепроводной системе Каспийского трубопроводного консорциума ............................................. 19

1.3 Классификация методов контроля утечек нефти и нефтепродуктов

на магистральных нефтепроводах............................................. 20

1.3.1 Классификация методов контроля утечек по режиму работы

нефтепроводов................................................................... 20

1.3.2 Классификация методов контроля утечек по режиму контроля

(периодически).................................................................... 20

1.3.3 Классификация методов контроля по физическим методам............. 22

1.4 Анализ наиболее применимых методов и средств обнаружения

утечек углеводородного сырья в трубопроводах, в том числе и при его оснащении только штатными приборами........................ 22

1.5 Оценка потерь углеводородного сырья через аварийные отверстия

при повреждениях на магистральных трубопроводах.................... 32

Выводы по главе 1..................................................................... 35

2 Разработка способов локации утечки из трубопровода в условиях

ограниченной параметрической информации.............................. 36

2.1 Гидравлическая локация утечек нефти и нефтепродуктов на участке магистрального трубопровода в условиях ограниченной информации......................................................................... 36

2.2 Математическая модель для реализации способа локации утечек

нефти и нефтепродуктов на основе штатных параметров системы «насосная станция — расходомер, расположенный па конце участка нефтепровода»...................................................................... 37

2.3 Теоретические предпосылки и разработка способа локации утечек

нефти и нефтепродуктов на основе контроля измеряемого косвенным методом дебаланса массовых расходов....................................... 44

2.4 Влияние зон с температурной неоднородностью окружающей среды

на определение места аварийного разрыва участка трубопровода..... 50

Выводы по главе 2....................................................................... 56

3 Совершенствование методов расчета истечения нефти

и нефтепродуктов при разрыве стенки трубопровода.................. 57

3.1 Анализ моделей истечения жидкости через аварийные отверстия

при разрыве стенки трубопровода и методы их решения.................. 57

3.2 Частная математическая модель ламинарного истечения жидкости

через щель ромбовидной формы............................................... 59

3.3 Моделирование коэффициента расхода для щелевидных отверстий

ромбовидной формы при ламинарном и турбулентном истечениях.... 62

3.4 Обобщенная математическая модель гидравлического расчета истечения через аварийные щели при ламинарном, переходном

и турбулентном режимах......................................................... 68

3.4.1 Гидравлический расчет истечения при ламинарном режиме............ 69

3.4.2 Гидравлический расчет истечения для переходной области............. 73

3.4.3 Гидравлический расчет истечения при турбулентном режиме......... 75

3.5 Моделирование истечения жидкости из малого отверстия типа

«модельного насадка» на основе гидравлической аналогии

с течением вязкой жидкости через диафрагму.............................. 78

Выводы по главе 3....................................................................... 85

4 Исследование особенностей и разработка рекомендаций

по моделированию истечения сжиженных углеводородных газов... 86

4.1 Краткая постановка задачи исследований..................................... 86

4.2 Численное моделирование минимальной температуры СУГ

при ее истечении через дефектное отверстие при разрыве стенки трубопровода....................................................................... 87

4.2.1 Методические основы прогнозирования минимальной температуры СУГ и стенки трубы в окрестности дефектного отверстия............... 87

4.2.2 Алгоритм расчета минимальной температуры СУГ....................... 89

4.2.3 Исходные данные для расчета.................................................. 89

4.2.4 Численное моделирование минимальной температуры СУГ

при их истечении через дефектное отверстие................................ 93

4.3 Особенности расчета истечения нестабильных жидкостей

из аварийных щелей............................................................... 98

4.4 Установка для исследования истечения сжиженных углеводородных

газов через модельные щели......................................................................................................102

4.5 Определение критического давления кавитации на примере

модельного отверстия аварийной щели............................................................................105

Выводы по главе 4............................................................................................................................................108

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ........................................................................................................................110

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................................................112

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

В настоящее время такие системы успешно используются, и чаще всего задача контроля целостности трубы и аварийной сигнализации решается па базе диспетчерских данных непрерывного измерения режимных параметров эксплуатации трубопроводов (расходов, температур, давлений) в начальных, конечных и некоторых промежуточных точках контролируемых участков. Однако на практике нередко возникают ситуации, при которых объем получаемой режимной информации не обладает полнотой, необходимой для использования специализированных способов определения места утечки и оценки ее объема, что требует оснащения дополнительными средствами контроля или разработки новых и совершенствования используемых способов. Автоматизация и компьютеризация систем контроля позволяют создавать базы данных по интересующим проблемам, в том числе контроля и расчета объема аварийных утечек жидкости, и использовать вероятностно-статистические методы их решения.

Разработке способов локации и оценки объема утечек углеводородных жидкостей из магистральных трубопроводов, совершенствованию методов гидравлического расчета утечек посвящено множество исследований крупных ученых и специалистов. Среди них Жуковский Н.Е., Френкель Н.З., Альт-шуль А.Д., Яблонский B.C., Антипьев В.Н., Кублановский Л.Б., Азметов Х.А., Лерке Г.Э., Левкоева Н.В., Карев В.Н., Коршак A.A., Шумайлов A.C., Рахма-туллин Ш.И. и многие другие. Однако формулы, используемые при гидравлическом расчете, и отдельные параметры, как, например, коэффициент расхода через щель, имеют эмпирический характер, и возможность их применения ограничена соответствием ситуации условиям эксперимента.

Цель работы - повышение надежности и безопасности магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов путем оперативного контроля и выявления (локации) утечек жидкости и научно обоснованной оценки их интенсивности на основе режимных данных штатных диспетчерских параметров работы трубопровода (давления, расхода, температуры).

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ методов и средств обнаружения утечек нефти и нефтепродуктов на магистральных нефтепроводах с целыо выявления возможных путей их совершенствования с учетом перспектив развития отрасли;

Методы решения поставленных задач

Поставленные в диссертационной работе задачи решены на базе новых теоретических методов и алгоритмов моделирования гидродинамических процессов в трубопроводных системах при штатных ситуациях с учетом ограниченности параметрической информации, анализа результатов численного моделирования с использованием статистической методологии, а также накопленного зарубежного и отечественного опыта экспериментальных исследований в области локации утечек, оценки интенсивности истечений из аварийных отверстий как стабильных, так и нестабильных углеводородных жидкостей.

Научная новизна результатов работы:

- штатных параметров системы «насосная станция - расходомер, расположенный на конце участка»;

3. Предложены методология и модель численного расчета

На защиту выносятся:

- штатных параметров системы «насосная станция - расходомер, расположенный на конце участка»;

2. Модели гидравлического расчета истечения вязких и маловязких углеводородных жидкостей из дефективных отверстий сложной формы, образующихся при разрыве стенки трубопровода при неквадратичном и квадратичном режимах истечения;

3. Обобщенная методика расчета коэффициента расхода аварийных отверстий и объема утечки через них в широком диапазоне чисел Рейнольдса;

4. Математическая модель и численное моделирование:

- оценки минимальной температуры сжиженных углеводородных газов при истечении из аварийных отверстий трубопровода;

- количества вытекающей нестабильной углеводородной жидкости из модельного насадка, имитирующего аварийное отверстие в «толстой» стенке трубопровода.

Практическая ценность результатов работы

1. Полученные в работе результаты позволяют оперативно и относительно малозатратными способами фиксировать факт и местоположение утечек.

2. Предлагаемые методы и алгоритмы применимы в системах трубопроводов, в которых затруднен балансовый учет массы транспортируемого продукта из-за отсутствия расходомеров (например на параллельных нитках, отводах).

3. Предлагаемые способы обнаружения утечек могут быть адаптированы в существующих системах контроля утечек (СКУ) и способствовать повышению их надежности и достоверности оценок.

4. Рекомендации по расчету истечения нефти и нефтепродуктов позволяют повысить достоверность оценки количества вытекающей жидкости через дефективные отверстия при авариях трубопроводов, используемого при расчетах масштабов ущерба.

5. Экспериментальная установка по исследованию истечения сжиженных углеводородных газов может быть использована для тестирования измерительных приборов и насосов, используемых в системе транспорта сжиженных углеводородных газов на предмет возникновения кавитации.

Достоверность результатов исследования

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций следует из проведенного автором комплекса теоретических исследований, подтвержденных выполненными контрольными расчетами. Достоверность полученных автором результатов подтверждается соответствием теоретических выкладок с результатами численных расчетов, а также теоретических и экспериментальных исследований других авторов.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на:

- методических советах, заседаниях секции Ученого совета ИПТЭР;

1. СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ

МОНИТОРИНГА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО И ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА

1.1 Анализ современного состояния надежности и экологической безопасности на зарубежных магистральных трубопроводах

В мировой практике строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов при оценке их уровня надежности и экологической безопасности в качестве эталона может быть рассмотрен Трансаля�

Информация о работе

Коркишко, Александр Николаевич
кандидата технических наук
Уфа, 2013
ВАК 25.00.19

Диссертация

Совершенствование методов контроля и оценки интенсивности утечек углеводородных жидкостей из магистральных трубопроводов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Совершенствование методов контроля и оценки интенсивности утечек углеводородных жидкостей из магистральных трубопроводов - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы