Нестационарные течения нефти при гильотинном порыве на линейной части магистральных нефтепроводов

УДК 622.692.4

На правах рукописи

НАЛОБИН ИЛЬЯ НИКОЛАЕВИЧ

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ТЕЧЕНИЯ НЕФТИ

ПРИ ГИЛЬОТИННОМ ПОРЫВЕ НА ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ

Специальность: 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2012

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Научный руководитель	доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Антипьев Владимир Наумович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Нугаев Раис Янфурович доктор технических наук, профессор Гаррис Нина Александровна
Ведущая организация	ОАО «Институт «Нефтегазпроект», г. Тюмень

Защита диссертации состоится 29 февраля 2012 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР») по адресу: 450055, Республика Башкортостан, г. Уфа,
пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 27 января 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Одним из условий получения лицензии на право эксплуатации магистральных нефтепроводов является наличие декларации промышленной безопасности (ДПБ). Разработка ДПБ предполагает всестороннюю оценку риска аварии и связанной с ней угрозы; анализ достаточности принятых мер по предупреждению аварий, по обеспечению готовности организации к эксплуатации опасного производственного объекта в соответствии с требованиями промышленной безопасности, а также к локализации и ликвидации последствий аварии на опасном производственном объекте; разработку мероприятий, направленных на снижение масштаба последствий аварии и размера ущерба, нанесенного в случае аварии на опасном производственном объекте.

При проведении анализа риска должны рассматриваться различные гипотетические аварии, в том числе и самые «тяжкие». Для магистральных нефтепроводов к числу «тяжких» относятся аварии с порывом трубопровода на полное сечение. Такой порыв трубопровода называют гильотинным. При оценке ожидаемого ущерба необходимо вычислять количество нефти, вылившейся из нефтепровода при аварии. От точности вычисления этой величины зависят конечные результаты анализа риска, в том числе экологические и экономические показатели ожидаемого ущерба, а также разработка компенсирующих мероприятий.

Актуальность темы диссертационной работы подтверждается тем, что расчеты количества аварийно вылившейся нефти при гильотинном порыве, выполняемые по различным существующим в настоящее время методикам, дают результаты, отличающиеся между собой на порядок и более.

Настоящая диссертационная работа направлена на изучение процесса аварийного истечения нефти из магистрального нефтепровода при гильотинном порыве и разработку методов расчета, основанных на законах механики сплошной среды с учетом нестационарности режима истечения.

Цель работы установление закономерностей неустановившегося истечения нефти при гильотинном порыве и аварийного опорожнения магистрального нефтепровода в зависимости от свойств товарной нефти, профиля трассы и расположения места аварии, а также разработка методики расчетов по определению наиболее опасных участков магистральных нефтепроводов с учетом расстановки линейной запорной арматуры.

В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:

- исследование механизма нестационарного истечения нефти из магистрального нефтепровода при гильотинном порыве на линейной части;

- изучение закономерностей аварийного опорожнения магистраль-ного нефтепровода при гильотинном порыве в зависимости от профиля трассы и свойств товарной нефти;

- разработка математической модели нестационарного истечения нефти из магистральных нефтепроводов при гильотинном порыве с учетом физических свойств товарной нефти и профиля трассы прокладки трубопровода;

- разработка методики расчетов определения потенциально наиболее опасных участков магистральных нефтепроводов.

Научная новизна работы:

- установлены закономерности аварийного истечения нефти из магистрального нефтепровода в случае гильотинного порыва при нестационарном режиме с учетом физических свойств товарной нефти, профиля трассы и места расположения аварии;

- установлено влияние различных факторов на процесс затухания волны понижения давления, вызванной гильотинным порывом на линейной части магистрального нефтепровода;

- разработаны математическая модель и алгоритм расчета количества вытекшей нефти из участка магистрального нефтепровода, отсеченного линейными задвижками, с учетом профиля трассы, места аварии и свойств товарной нефти.

Практическая ценность результатов работы

Разработана методика расчетов по определению наиболее опасных участков магистрального нефтепровода с учетом расстановки запорной линейной арматуры и профиля трассы трубопровода.

Методика может применяться организациями, проектирующими магистральные нефтепроводы, для определения оптимальной расстановки запорной линейной арматуры с учетом профиля трассы трубопровода.

Методика также может использоваться предприятиями, эксплуатирующими магистральные нефтепроводы, при разработке деклараций промышленной, экологической и пожарной безопасности.

Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью значений, полученных расчетным методом по предлагаемым математическим зависимостям, со значением возможного пролива нефти при гильотинном порыве для частного случая – случая, когда до аварии нефть находилась в состоянии покоя под давлением в отсеченном линейными задвижками участке нефтепровода. При этом возможное количество вылившейся нефти определялось в соответствии с законом сохранения массы и с учетом коэффициента объемного сжатия товарной нефти.

Апробация работы

Основные положения работы и результаты исследований докладывались на:

- научно-практической конференции молодых ученых, специалистов и студентов ТюмГНГУ (Тюмень, май 2005 г.);

- III-ей научной школе молодых ученых «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника» при Тюменском государственном университете, возглавляемой профессором Шабаровым А.Б. (Тюмень, май 2007 г.);

- Международной научно-технической конференции «Безопасность морских объектов» (SOF2007) (Москва, октябрь 2007 г.);

- IV Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт – 2008» (Уфа, декабрь 2008 г.);

- III Всероссийской научно-технической конференции «Безопасность критичных инфраструктур и территорий» (Екатеринбург, 2009 г.);

- НТС Тюменского государственного нефтегазового университета (февраль 2010 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 100 наименований. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 7 таблиц и 15 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и основные задачи, показаны научная новизна и практическая ценность работы, приведены сведения об апробации основных положений диссертации.

В первом разделе диссертации приводятся основные положения и определения, связанные с анализом риска применительно к магистральным нефтепроводам.

Исследованиям в области аварийных утечек нефти из магистральных нефтепроводов, а также разработке методов минимизации потерь нефти от аварий посвящены работы Азметова Х.А., Антипьева В.Н., Бобровского С.А., Бронштейна И.С., Векштейна М.Г., Гумерова А.Г., Долговых В.Л.,
Идрисова Р.Х., Земенкова Ю.Д., Лисанова М.В., Лурье М.В., Постникова В.В., Ращепкина К.Е., Самойлова Б.В., Челомбитко С.И., Ясина Э.М. и др. Однако процессы истечения, связанные с гильотинным порывом на магистральных нефтепроводах, требуют дальнейшего изучения.

По магистральным нефтепроводам перекачивается товарная нефть, удовлетворяющая требованиям ГОСТ Р 51858-2002. Магистральный нефтепровод представляет собой сложное инженерное сооружение, имеющее в своем составе нефтеперекачивающие станции (НПС) и собственно трубопровод, как правило, большого диаметра и большой протяженности. Автоматизация нефтеперекачивающих станций позволяет в автоматическом режиме отключать насосные станции (НС) от превышения или понижения давления на выходе НПС и от понижения давления на приеме насосов.

Разлитие нефти при авариях на линейной части трубопровода можно условно разбить на три этапа. Первый этап – период времени с момента нарушения герметичности трубопровода до отключения насосной станции; второй этап – это период времени с момента отключения НС до момента отсечения аварийного участка нефтепровода линейными задвижками; третий этап – период времени с момента отсечения аварийного участка до момента начала аварийно-восстановительных работ или полного прекращения самопроизвольного истечения нефти через повреждение. В случае гильотинного порыва первый этап характеризуется неустановившимся напорным истечением нефти. Второй и третий этапы можно рассматривать как квазиустановившееся истечение под действием сил тяжести с учетом профиля трассы нефтепровода.

В работе приводится анализ существующих методик по аварийному истечению нефти из трубопровода. В частности, анализируется возможность применения одномерных моделей, основанных на дифференциальных уравнениях в частных производных, в которых одним из основных уравнений является уравнение движения вида

, (1)

где t время, с;

х расстояние от начала трубопровода, м;

P, значения соответственно давления, Па, плотности, кг/м3 и скорости, м/с, движения нефти;

коэффициент гидравлических сопротивлений по длине;

d внутренний диаметр трубопровода, м;

g ускорение силы тяжести, м/с2;

локальный угловой коэффициент трассы нефтепровода, = dz/dx;

z геодезическая отметка точек трассы нефтепровода, м.

Всякое дифференциальное уравнение выводится в предположении, что выполняется условие сплошной среды. При авариях с гильотинным порывом в отдельных точках трассы происходит парообразование с нарушением сплошности потока, что делает непригодным применение дифференциальных уравнений. Кроме того, в уравнение (1) входит член , который учитывает потери давления на гидравлические сопротивления и носит название формулы Дарси-Вейсбаха. Для коэффициента гидравлических сопротивлений по длине известны эмпирические зависимости, которые, строго говоря, справедливы для установившегося движения. Аварии на линейной части магистральных нефтепроводов с порывом гильотинного типа приводят к явно выраженному неустановившемуся движению. В подобных случаях применение как самой формулы Дарси-Вейсбаха, так и эмпирических зависимостей для может приводить к значительным ошибкам. Применение формулы Дарси-Вейсбаха для случая турбулентного неустановившегося движения неправомерно. Режим движения жидкости в магистральных нефтепроводах, как правило, турбулентный, причем при штатном режиме эксплуатации движение нефти установившееся.

В результате анализа установлено, что для случая гильотинного порыва при неустановившемся напорном истечении нефти упрощенные модели дают многократное завышение количества вытекшей нефти и противоречат физическому закону сохранения массы.

Во втором разделе предлагается физическая модель явления аварийного опорожнения нефти при гильотинном порыве нефтепровода.

При гильотинном порыве давление в месте аварии практически мгновенно падает до атмосферного, и весь нефтепровод разбивается на два аварийных участка: первый участок от НПС (начала трубопровода) до места аварии, второй – от места аварии до конца трубопровода (или до следующей нефтеперекачивающей станции). Оба участка гидродинамически не связаны между собой (произошел разрыв сплошности потока), и процессы истечения жидкости из обоих участков не зависимы друг от друга. Поэтому и закономерности истечения нефти из этих участков будут различными.

По обоим аварийным участкам от места аварии пойдут волны понижения давления в противоположных направлениях. Этот процесс не мгновенный, но быстропротекающий. На границе раздела возмущенной и невозмущенной областей течения нефти, называемой фронтом волны понижения давления, происходит скачкообразное изменение параметров потока. Давление как функция линейной координаты терпит разрыв непрерывности на фронте волны. По одну сторону фронта волны давление равно давлению невозмущенного потока в этом сечении трубопровода, по другую сторону давление скачкообразно падает на величину P (это значение одинаково для всех точек «живого» сечения трубопровода, но зависит от места аварии). Скачкообразное падение давления приводит к скачкообразному уменьшению плотности нефти во всех точках сечения трубы и, соответственно, к скачкообразному изменению скорости движения во всех точках сечения на одну и ту же величину, а следовательно, градиент скорости за фронтом волны не изменяется. Поэтому вполне естественно допустить, что для первого аварийного участка за фронтом волны кривая падения давления проходит ниже на величину P и параллельно кривой падения давления при штатном режиме перекачки.

Фронт волны разделяет возмущенную область и невозмущенную. В невозмущенной области нефтепровод еще «не почувствовал», что произошла авария. Поэтому в невозмущенной области изменение давления по длине трубопровода определяется так же, как и при установившемся режиме перекачки, т.е. по формуле

Pо(x) = Pн -- , (2)

где Pо(x) давление в нефтепроводе на расстоянии х от его начала при штатном режиме перекачки, Па;

Рн давление в начале нефтепровода, Па;

z разница геодезических отметок начала трубопровода и сечения трубопровода, характеризуемого координатой x, м;

w средняя по сечению скорость движения нефти при стационарном режиме перекачки, т.е. до аварии, м/с.

Для построения математической модели истечения для первого участка трубопровода выбирается элементарный контрольный объем, представляющий собой отсек трубы произвольной длины x. Один торец отсека совпадает с местом гильотинного порыва. Боковая поверхность контрольного отсека (поверхность трубы) непроницаемая. Через левое сечение отсека нефть будет втекать в контрольный объем, а через правое вытекать из него. Пусть t некоторый промежуток времени, отсчитываемый от момента гильотинного порыва трубопровода. Значение t непроизвольное. Оно выбирается таким образом, чтобы выполнялось соотношение

= Св ·, (3)

где Св скорость распространения волны понижения давления, м/с.

В результате такого подхода в течение всего рассматриваемого промежутка времени t скорость движения нефти в первом сечении контрольного отсека постоянная, равная скорости невозмущенного потока wо (фронт волны понижения давления достигнет этого сечения только через время t). Плотность нефти в контрольном объеме в течение времени t изменяется (в данном случае сжимаемостью нефти пренебрегать нельзя) на величину , обусловленную падением давления в контрольном отсеке на величину P. Применение закона сохранения массы для выбранного контрольного объема (разница масс нефти, втекающей через первое сечение контрольного объема и вытекающей из него за время t, равна изменению массы нефти в контрольном объеме за то же самое время t) позволило получить выражение для вычисления скорости нестационарного истечения нефти из первого (по ходу движения) участка нефтепровода при гильотинном порыве:

wист1 = wо · + . (4)

Аналогичным образом получаем выражение для вычисления скорости нестационарного истечения нефти из второго участка нефтепровода при гильотинном порыве:

wист2 = – wо ·. (5)

В выражениях (4) и (5) приняты следующие обозначения:

Еж модуль упругости жидкости, Па;

Ет модуль упругости материала стенки трубы, Па;

P перепад давления на фронте волны понижения давления, Па;

плотность нефти при атмосферном давлении (т.е. при истечении), кг/м3;

плотность нефти в нефтепроводе (т.е. при давлении P), кг/м3;

wо скорость движения нефти в нефтепроводе при штатном режиме эксплуатации, м/с;

толщина стенки трубы диаметром d, м;

с скорость распространения звука в жидкой среде (в нефти), определяемая по формуле

с = . (6)

При выводе предполагалось, что скорость распространения фронта волны определяется по формуле

, (7)

которая была получена Жуковским для случая распространения прямой волны (повышенного давления) и обратной волны (пониженного давления) при гидравлическом ударе в трубопроводах.

Перепад давления на фронте волны P в зависимости от места нахождения фронта определяется выражением

P = Pо(x) – Pп, (8)

где Pо(x) – давление, Па, определяемое по формуле (2);

Pп – противодавление среды, куда истекает нефть, Па.

Нестационарность процессов истечения нефти по-разному проявляется для первого и второго аварийных участков трубопровода. Общее количество вылившейся нефти при нестационарном режиме истечения определяется как сумма масс вылившейся нефти из обоих участков трубопровода: