CC BY
73ТРАНСПОРТИРОВКА
УДК 622.692.4
Е.Е. Милосердов, аспирант; А.О. Николаев, аспирант Сибирский федеральный университет, e-mail: alesha_hancock@mail.ru
КОМПЕНСАЦИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЛН ДАВЛЕНИЯ НА НАДЁЖНОСТЬ МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕПРОВОДА
Магистральные нефтепроводы Сибири в 1,5 раза больше по диаметру зарубежных нефтепроводов. По территории Сибири проложено более 30 тысяч км трубопроводных магистралей. По протяжённости они сравниваются с автомобильными магистралями. Для сооружения магистральных нефтепроводов (далее МН) в основном применяют стальные бесшовные горячекатаные трубы из углеродистых и легированных сталей.
В состав МН входит линейная часть, головные и промежуточные нефтеперекачивающие станции (далее НПС), пункты по приёму и отгрузке нефти, терминалы, пункты подогрева и смешения нефти. Основной движущей силой трубопроводного транспорта является напор. Головные и промежуточные насосные станции предназначены для создания напора и восполнения его потерь при гидравлическом сопротивлении. Понижение давления в трубопроводе (в зависимости от расстояния трубопровода между НПС) можно изобразить графически (рис 1.). На примере зависимости наглядно видно, как на протяжении 250 км трубопровода диаметром 720 мм происходит изменение давления с 4 МПа до 0,5 МПа, и как следствие теряется напор. Промежуточные НПС могут быть с резервуарами (в целях обеспечения надёжности линейной части МН и если на пути прохождения нефтепровода находится месторождение). Головные НПС расположены в начале магистрального нефтепровода, т. е. в голове его, и предназначены для приёма и последующей откачки нефти из своих резервуаров до первой работающей промежуточной НПС. Показателями, характеризующими магистральный нефтепровод в целом, являются протяжённость, пропускная способность, число и взаимное расположение НПС.
Расстояние между НПС, а также их число определяется расчётным путём, в зависимости от параметров линейной части, таких, как:
• максимально допустимое давление в трубопроводе;
• диаметр трубопровода;
• свойства перекачиваемой нефти (плотность, вязкость);
• разность геометрических высот (рельеф местности);
• технические характеристики нефтеперекачивающих агрегатов.
Тысячи тонн нефти, которые движутся по трубопроводу со скоростью более 2 метров в секунду, при внезапной остановке потока в состоянии разру-
шить трубу. Существуют такие режимы работы оборудования трубопроводной системы, при которых возникают либо быстрая остановка потока жидкости, либо резкие изменения скоростей течения транспортируемой жидкости. Причинами внезапного изменения скорости потока, являются быстрое перекрытие сечения трубы задвижкой, остановка работы насосного агрегата или насосной станции в целом, быстрое частичное перекрытие потока задвижкой, остановка внутритрубных устройств диагностики [3].
Известно, что любое изменение скорости движения жидкости вызывает в свою очередь изменение давления
Давление в трубопроводе, МПа
Рис. 1. Зависимость давления в трубопроводе от его длины
62 \\ ТЕРРИТОРИЯ нефтегаз \\
\\ № 5 \\ май \ 2010
\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
№ 5 \\ май \ 2010
жидкости в системе и наоборот. Резкие изменения давления жидкости, вызванные изменением скорости ее движения, принято называть волнами давления или волновыми давлениями. Волны давления жидкости распространяются со скоростью звука в жидкости. Величину давления в трубопроводе принято оценивать с помощью уравнения Н. Е. Жуковского:
р=р+Др=р+р.(1)ги2)-а=р+р'(т)г1)2)'
Ег
р-1+
где Р - давление в трубопроводе, при отсутствии волн давления; Др - амплитуда скачка давления, Па; а - скорость распространения звука в трубопроводе, м/с; р - плотность жидкости, кг/м3; Ef - модуль упругости жидкости, Па; Et -модуль упругости материала трубы, Па; d и 5 - внутренний диаметр и толщина стенки трубы, мм; и - скорость транспортируемой жидкости, м/с [1,4]. Данное уравнение устанавливает связь между изменением скорости движения жидкости в трубопроводной системе и изменением давления жидкости. Так при скорости распространения звука в системе «нефть - стальная труба», около 1000 м/с и плотности нефти 850 кг/м3 изменение скорости транспортируемой нефти на 1 м/с повлечёт за собой изменение величины давления на 0,85 МПа. Если же нефть транспортируется в трубопроводной системе со скоростью более 2 м/с, то существует вероятность скачка давления в системе более чем на 1,7 МПа. Причём изменение давления будет иметь место как вверх по потоку, так и вниз по потоку относительно места возникновения волны давления. Резкое повышение давления, связанное с быстрым изменением скоростей потока жидкости, может привести к достижению и превышению критических значений давления на участках трубопровода, расположенных выше по течению. Волна давления, движущаяся со скоростью распространения звука в «нефть - стальная труба», может вызвать:
• осевое разъединение фланцевых соединений;
• усталостное разрушение труб, приводящее к нарушению целостности сварных швов или образованию продольных трещин;
• нарушение соосности насосов;
• серьезные повреждения трубопроводов и их подвесок;
• повреждения таких компонентов трубопроводов, как наливные рукава, шланги, фильтры, сильфоны и т. п. Волна давления имеет наибольшую опасность для нефтепровода в местах, имеющих дефекты. Причинами возникновения дефектов нефтепровода являются - нарушение технологии строительства (вмятины и гофры, механические повреждения при нарушении перевозки и укладки, брак в сварных стыках, брак изоляции), скрытые дефекты при изготовлении трубы, коррозия металла (коррозия контакта с агрессивными средами и стресс коррозия), нарушение технологического режима эксплуатации, внешнее воздействие (оползни, пучинистые грунты, резкое колебание температур, сейсмичность), вандализм. От совокупности перечисленных причин участились несчастные случаи, инциденты и аварии на нефтепроводном транспорте, повлекшие снижение защищённости интересов общества и экологической безопасности от аварий и их последствий.
Для того, чтобы компенсировать воздействие ударной волны, негативно влияющей на трубопровод и оборудование, должны устанавливаться специальные устройства - системы сглаживания волн давления (далее ССВД). ССВД обеспечивают защиту магистральных трубопроводов и промежуточных перекачивающих станций от перегрузок по давлению. Существуют различные методы и воплощающие их системы для решения проблем, связанных с возникновением волн давления в трубопроводах. Укрупненно их можно разбить на две категории:
• системы, удаляющие из трубопровода жидкость с тем, чтобы понизить критичное для системы давление;
• системы, гасящие волны давления в местах их появления или подавляющие «положительные» волны давления, генерируя волны «отрицательного» давления (разрежения). Наибольшее распространение получили системы, которые удаляют часть транспортируемой жидкости из трубопровода и используют в своем составе в качестве исполнительных элементов клапаны сглаживания давления, пружинные предохранительные клапаны и
аккумуляторы. Специфика таких систем заключается в том, что они должны обеспечить высокую скорость срабатывания на сброс рабочей жидкости (за доли секунды), при этом сброс жидкости должен быть таким, чтобы не создать условий для возникновения дополнительного гидравлического удара. Например, для обеспечения защиты промежуточной НПС от воздействия волны давления жидкости, возникшей в результате остановки одного или нескольких насосных агрегатов, следующей за защищаемой насосной станцией, необходимо обеспечить сброс жидкости с заранее рас-читанным расходом с последующим поддержанием дальнейшего роста давления в трубопроводе с заранее определенной скоростью. Такие системы уже успешно применяют на НПС "Вознесенка", НПС "Чулым" в ОАО "Транссибнефть", которая является одной из дочерних предприятий единственной компании-монополиста в России ОАО "АК "Транснефть" [2].
Внедрение и последующее введение в эксплуатацию систем сглаживания волн давления обеспечит более безопасную и надёжную работу участков магистральных нефтепроводов на максимальных производительностях, что, в свою очередь, в перспективе даёт уверенность в стабильности перекачки и позволит снизить количество инцидентов и аварий на магистральном нефтепроводе.
Литература:
1. И.Е. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - 3-е изд. Переработанное и дополненное - М: «Машиностроение», 1992. -с. 672
2. ООО «ТрансПресс». Журнал "Трубопроводный транспорт нефти". -М: Выпуск № 4, 2008 г. - с. 68
3. Г.Г. Васильев, Г.Е. Коробков А.А. Кор-шак и др. Трубопроводный транспорт нефти/ Под редакцией С.М. Байншто-ка: Учеб. для вузов: в 2 т., 2002. -Т. 1. - с. 407
4. Щеглов Е.М. "Снижение динамических нагрузок в гидроприводе лесопогрузчика". Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Красноярск. 2001 г. Ключевые слова: магистральные нефтепроводы Сибири, повышение работоспособности нефтепровода, система сглаживания волн давления.
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ транспортировка \\ 63
