Моделирование параметров опорожнения наклонного нефтепровода при управлении безопасностью в сложных условиях Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Кондратьев Александр Борисович, канд. техн. наук, доцент, kondr48@,mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт,

Кривилев Александр Владимирович, д-р техн. наук, профессор РАН, alexkrivilev@,gmail. com, Россия, Москва, Московский авиационный институт

ANALYSIS OF LA WS OF MOVEMENT OF THE OBJECT WITH A GAZODYNAMIC DRIVE OF A CONSTANT STRAIGHT IN THE PLANE OF A PLANE ROCK MANEUVER

A.B. Kondratiev, A. V. Krivilev

The paper deals with the issues of determining the range of values of the efficiency of gas-dynamic drive control on the basis of the divertor of the parachute landing object flow that meets the requirement of minimizing the reserve of the working body.

Key word: Gas-dynamic drive, optimal control, orientation and stabilization system, control efficiency.

Kondratiev Alexander Borisovich, candidate of technical sciences, docent, kondr48@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),

Krivilev Alexander Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, alexkrivi-lev@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)

УДК 621.6

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОПОРОЖНЕНИЯ НАКЛОННОГО НЕФТЕПРОВОДА ПРИ УПРАВЛЕНИИ БЕЗОПАСНОСТЬЮ В СЛОЖНЫХ

УСЛОВИЯХ

М.Ю. Земенкова, А. А. Гладенко, Ю.Д. Земенков, В.В. Макарочкин

Рассмотрен метод оценки объема нефтепродукта при истечении и аварийном опорожнении. Перед удалением дефектного участка трубопровод освобождается от нефтепродуктов с целью обеспечения безопасности производства ремонтно-восстановительных работ. На основании результатов расчетов и проведенных экспериментов установлено, что для осуществления экспертных оценок по предложенным методам погрешность расчетов удовлетворительна.

Ключевые слова: мониторинг, магистральный трубопровод, утечки, опорожнение, восстановительные работы.

Ущерб окружающей среде в конечном счете зависит от объема потенциального стока нефти и места повреждения. Наличие данных о величине потенциального стока на различных участках трубопровода и вероятности возникновения отказа на них позволяет уже на стадии проектирования предусмотреть наиболее эффективные мероприятия по уменьшению ущерба природе в случае утечки нефтепродукта. В настоящее время предприятия нефтяного комплекса уделяют большое внимание контролю целостности нефтепроводов, создаются системы поддержки принятия решений такие как, системы обнаружения утечек, мониторинга целостности протяженных объектов и т.д.

291

Однако вопросы приборного мониторинга, обнаружения, оценки и прогнозирования объема утечек, определения их местонахождения, вопросы разработки точных оперативных расчетов остаются актуальными [1-12].

Самотечное опорожнение перекрытого участка трубопровода при гидравлических уклонах больше 0,001 характерно для большинства магистральных трубопроводов и происходит при полном сечении. После прекращения самотечного опорожнения оставшийся в трубе продукт откачивают насосными агрегатами. Наиболее длительными операциями (процент от общего времени на ликвидацию аварии) являются: освобождение трубопровода - до 35%; разработка котлована для сбора нефти - до 9%; герметизация внутренней полости трубопровода и подготовка к ведению огневых работ -до 16%; подготовка новой катушки и монтаж ее на трубопроводе - до 15% [1]. Как показывает практика, продолжительность опорожнения поврежденного участка, перекрытого линейными задвижками, колеблется в широких пределах и может составлять более 50% общей продолжительности восстановительных работ.

В различное время вопросами прогнозирования и оценки утечек и моделей истечения проводились исследования под руководством Тугунова П.И., Алиева Р.А., Лурье М.В., Гумерова А.Г., Куклева С.В., Розенберга Г.Д., Антипьева В.Н., Полякова В.А., Шумайлова А.С., Башты Т.М., Руднева С.С., Некрасова Б.Б., Фишера В.А., и других известных ученых.

В настоящее время существуют методики для расчета истечения из трубопроводов, каждая из которых имеет специфику физико-математической постановки, достоинства и недостатки. Например, авторы Донец К.Г. и Черникин В.И. рассмотрели процесс самотечного опорожнения трубопроводов при авариях, связанных с разрывом трубопроводов и прекращением перекачки [2]. Процесс истечения ими описан уравнением Бернулли в интегральной форме с учетом следующих особенностей:

в перевальной точке происходит разрыв сплошности потока жидкости, поэтому над уровнем нефти устанавливается давление, равное давлению насыщенных паров происходит трение жидкости о стенки трубы; учитывается инерционное слагаемое.

Начальные условия для дифференциальных уравнений рассмотрены в издании Волошиной А.П. в следующем виде при 1=0:

2=И; I =0, (1)

а уравнение неразрывности записано с учетом профиля трассы:

Qd1 =

( Р П2 ^

Р П к 4 з1п а у

, (2)

где П, а- диаметр, угол наклона трубопровода к горизонту; Q - объемный расход жид кости в трубопроводе; I - напор жидкости.

При данных условиях получено, что скорость движения жидкости в трубопро воде подчиняется условию

" ( 32•V•1 1 - ехР|--—

ф= g • П2 • 81Иа

(3)

16 • V |_ Ч П2 Существенным недостатком данной методики является тот факт, что скорость движения жидкости в трубопроводе не связана со скоростью истечения жидкости из отверстия, поэтому в данных зависимостях не фигурирует коэффициент расхода, учитывающий реальную скорость истечения. Здесь можно подчеркнуть, что при истечении продукта через отверстие в наклонном трубопроводе наблюдается неустановившееся движение с постоянным снижением скорости и изменением режима течения. Кроме этого, авторы рассмотрели только ламинарный режим движения жидкости в трубопроводе, что также ограничивает сферу применения полученных результатов в практических расчетах. Результаты расчетов [2-4 и др.] показали, что с увеличением диаметра трубопровода, при одинаковом отношении площади отверстия истечения к площади поперечного сечения трубы и других равных условиях продолжительность опорожне-

ния наклонного участка уменьшается. Это объясняется тем, что потери напора на трение по длине трубопровода, приходящиеся на единицу объема истекающего продукта, с увеличением диаметра уменьшаются, а скорость, соответственно, увеличивается.

В работе [2] рассматривалась задача опорожнения трубопровода при внезапном повреждении. Основным вопросом исследования считается вопрос определения времени истечения жидкости из поврежденного участка трубы. Расчет был сделан для трубопровода длиной 10 км, диаметром 500 мм при фиксированном отношении площади отверстия к площади трубы один к десяти. Предполагалось, что трубопровод заполнен бензином с плотностью р = 760 кг/м3. В результате расчетов, приведенных автором, оказалось, что за 25 минут из трубопровода через повреждение вытекает около 210 м3 жидкости.

Работы Бирюкова А.Е., Туркина В.Н., Бобровского С.А., Гросса С.А., Янова Б.Г. посвящены определению объема опорожняющегося участка или времени опорожнения. Но в них процесс рассматривается упрощенно, без учета ряда факторов, например, не учитывают волновую структуру движения жидкости через разрыв, изменяемость во времени коэффициента расхода жидкости, одномерность движения жидкости в трубопроводе и т.д. В работе [7] приведены различные возможные состояния трубопровода, для которых рекомендованы полуаналитические методы расчета утечки. На практике при авариях на магистральных трубопроводах количество нефти, извлекаемое из трубопровода на третьем этапе, определяется по фактическим данным, исходя из способа опорожнения и имеющихся технических средств.

Перед удалением дефектного участка трубопровод освобождается от нефтепродуктов с целью обеспечения безопасности производства ремонтно-восстановительных работ. Объем вытекшего и откачанного продукта можно определить суммированием соответствующих объемов, нисходящих к месту аварии участков. Часть нисходящих участков освобождается от продукта полностью. Эти участки расположены по профилю трассы выше места разрыва и их объем равен

п ,

V = 0.25 • * • Е В2 • 1пп, (4)

г=1

где п - количество нисходящих участков.

Часть же участков освобождается от нефтепродукта частично в зависимости от угла их наклона к горизонту и расположения относительно точки разрыва. Для таких участков объем вытекшей нефти определяется как объем неправильного усеченного цилиндра [8].

Выведем формулу для подсчета таких объемов, введя следующие обозначения, используя трехмерную систему координат (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема трубопровода с углом наклона а к горизонту: а- угол наклона трубопровода к горизонту, град; Н - высота отсеченного участка, м; Ьг - длина горизонта, м; Ь - длина участка трубопровода, м

a- угол наклона трубопровода к горизонту, градус; h - высота отсеченного участка, м; Ьг - длина горизонта, м; Ltp - длина участка трубопровода, м

Из геометрических построений следует:

b = Ьг ■ sin a; (5)

L = Ьг ■ cos a; (6)

b = Ьтр ■ tg a. (7)

Для определения координаты точек B и C (см. рис. 2), через которые проходит секущая плоскость, запишем следующие уравнения:

- окружности

х2 + (y - R)2 = R2 (8)

- плоскости XOY

Z = 0, (9)

- плоскости, пересекающейся с XOY по прямой КД

y = b. (10)

Проведем преобразования уравнения (8):

(y - R)2 + х2 - R2 = 0, (11)

или

y2 - 2 R y + х2 = 0. (12)

Решая последнее уравнение, для R <b < 2R получаем корень:

y

а для интервала 0 <b < R получим:

= R WR2 -х2, (13)

или

y = R -VR2 - х2. (14)

Рассмотрим уравнение (13). Из уравнения (11) следует, что

R WR2 - х2 = b,

Vr2 - х2 = b - R. (15)

Возведем в квадрат левую и правую части:

Я2 - х2 = (Ь - Я)2. После преобразований получим

х,2 =±д/Я2 -(Ь - Я)2. (16)

Теперь можно записать координаты 3-х точек, через которые проходит горизонтальная секущая плоскость:

т.А (0,0,Ь),

т.В ( д/Я2 -(Ь - Я)2,Ь,0 ),

т.С ( -у!Я2 -(Ь-Я)2,Ь,0 ). Решаем систему уравнений:

у А г А1 г А хА1 х А у А1 хА у А гА

уе гВ 1 ■х + ге хв 1 ■у + хе ув 1 ■ г = хе у в гВ

уСгС1 гСхС1 хСуС1 хСуСгС

Определитель при х

Д х =

0 Ь 1 Ь 0 1 Ь 0 1

= Ь ■ Ь - Ь ■ Ь = 0.

Определитель при у Ь

А у =

0 ^Я2-(Ь - Я )2 1 0 Я2-(Ь - Я )2 1

= Ь ^ Я2 -(Ь - Я )2 +

Ь ^ Я2-(Ь - Я )2 +

+ Ь ^ Я2-(Ь - Я )2 = 2Ь ^ Я2-(Ь - Я )2. Определитель при г

0 0 1

Д г = ^Я2-(Ь - Я )2 Ь 1

Я2-(Ь - Я )2 Ь 1

+ Ь ^ Я2-(Ь - Я )2 = 2Ь ^ Я2-(Ь - Я )2. Главный определитель системы (18)

0 0 Ь

Д = ^Я2-(Ь - Я )2 Ь 0

Я2-(Ь - Я )2 Ь 0

+ Ь ■ Ця2-(Ь - Я )2 = 2Ь ■ Ь^Я2-(Ь - Я )2. Запишем уравнение плоскости:

2Ь ^Я2 -(Ь - Я)2 ■ у + 2Ь ^Я2 -(Ь - Я)2 ■ г = 2ЬЬ ^Я2 -(Ь - Я)2

Поделим левую и правую части на 2д/Я2 -(Ь - Я)2, получим

Ь-у + Ь -г - Ь ■Ь=0,

= Ь ■ Ь ^ Я2-(Ь - Я )2 +

или

г =

Ь ■(Ь - у)

Ь

Переходим к определению объема усеченного цилиндра:

ЬЬ - Ь-у).

0 ^Я2 -(у-Я)2

295

V = Ц г^х^у

Ь

=

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

0

1

= 2 • Ь •

0 ь

ь ^я2-(у - я )2 • dy - ^ь • }• ^2-(у - л )2 •

(26)

Преобразуем второй интеграл в уравнении (26):

ь I- ь I-

| у^Я2-(у - Я )2 ^у = {• (у - Я + Я )• у]я2-(у - Я )2-ау =

Получим

= Я •

V = 2 Ь

• / • л/я 2-(у - Я )2 • dy + {• (у - Я )• ^Я2-(у - Я )2 • dy.

(27)

•{ • ^Я2-(у - Я )2 • dy - ТЬ-Я }• д/я 2-(у - Я )2 • dy-

- ^ {• ^Я2-(у - Я )2 (у - Я )• dy.

ь

Объединим в этом выражении два первых члена:

V =

2 • ЬЬ - 2^ ЬЯ

•/л/Я2-(у - Я)2 • dy - }д/Я 2-(у - Я)2 • (у - Я)•

ь

ь

(28)

(29)

0 0 Используя табличные интегралы, получим:

V = -

(2Ь (ь - Я +Я2

" Я2-(у - Я )2"

ь

2

- 2Ь \-1

ь '[ 3

Подставив пределы интегрирования, получим:

Я2

• (у - Я)

— аго8т --1

2Я

(30)

V =

2Ь'ь - Я > { <ь_Я1. VЯ7^(Ь-Я)7

2

- агс81п

(ь - Я)

Я

Я2 * |

+---У +

22

+-

2Ь ( 1

ь I 3

Я2-(ь - Я )2

(31)

Таким образом, используя табличные интегралы при решении формулы (28), после преобразований, определим объем продукта, подлежащего откачке:

V = 2Ь |(ь - Я) ь I 2

(ь - ЯХ/Я2 -(ь - Я)2 + Я2 агс81п^^^

>-Я \ * • Я2

Я ) + 2

+1Я-ь - я)2 П

Получим решение и для другого корня, в интервале (0<ь <Я). Используя уравнения (14), запишем

Я + 7я2 -х2 = ь,

(32)

(33)

или

ТЯ^-Х2 = я - ь.

Возведем в квадрат левую и правую части:

Я2 - х2 = (Я -ь)2 После преобразований получим

хи = ±^1 Я2 -(Я-ь)2.

(34)

(35)

Рассуждая таким же образом, как и для предыдущего корня (13), получим уравнение плоскости (25).

Переходим к определению объема усеченного цилиндра для корня (14):

296

0

0

0

0

0

0

0

0

0

гг ь ^Я2-(Я-у )2 (Ь•Ь - ¿•у) ь (¿•ь - ¿•у) Г—,-тг

V = Л z•dx•dy = | dy | ^-^ •аХ = р-^ •2-^Я2-(Я - у)2 •ау =

АВСВ 0 Г~г, 22 ь 0 ь

Я2 -(Я-у )22

= 2^ Ь

•L•]• ^/я2-(Я - у )2 • ау - ^Я2 -(Я - у )2 • ау.

Получим

ь

ь

V = 2Ь •} • ^Я2-(Я - у )2 • ау - ^Я} • ^Я2 -(Я - у )2 • ау-

0

0

(36)

2Ь

• |^Я2-(Я - у )2 (у - Я )• ау.

Объединим в этом выражении два первых члена:

V = -

2^ ьь - 2^ ЬЯ

ь

• ^Я2-(Я - у)2 • -у)-

2Ь

Я2-(Я - у )2 • (Я - у )• а(я - у).

Используя табличные интегралы: (2Ь (ь - Я)) [Я - у

V = --

Подставим пределы:

2 Vя 2-(Я - у )2 + ^-апяш- Я

Я - у)!

2Ь ь

1

Я2-(Я - у )2

V =

2Ь • (ь - Я) [ (ь - Я)

2 Я2 . Г Я - ь Л Я2 *|

•,/я2-(Я -ь)2 -— агс81п 2 * V 7 2 I Я

+---У+

2 2 I

+

2Ь [1

ь I 3

Я2-(Я -ь)2

(37)

(38)

(39)

(40)

Таким образом, используя табличные интегралы при решении формулы (36), можно получить объем продукта, подлежащий откачке:

V = 2Ь I (ь - Я) ь I 2

(ь - Я \/ Я2 -(Я - ь)2 - Я2 агсяп^

Я -ь Л *• Я2

+ ■

Я

2

+ 3 [я2-(Я-Ь)2Я (41)

Проверяя формулы (при ь=К), получаем хорошо известную формулу для объе-

ма:

V = -

2 • Ь 1

ь 3

-1-(я

2 ^ = 2 • ЬЯ2.

3

(42)

Полученные формулы (32) и (41) охватывают весь диапазон значений величины ь в интервале (0 < ь < 2К).

Формулы (32) и (41) достаточно просты и удобны для практического использования при экспресс-анализах в полевых условиях, а также легко реализуются с помощью программных комплексов.

Список литературы

1. Аварийно-восстановительный ремонт магистральных нефтепроводов на болотах / Л.Т. Свиридова, В.Л. Березин, В.И. Минаев и др. // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов: Обз. инф. М.: ВНИИОЭНГ, 1989. 60 с.

297

ь

ь

3

ь

2. Донец К.Г., Черникин В.Н. Самотечное опорожнение трубопровода от вязких нефтей и нефтепродуктов // Транспорт и хранение нефти, 1963. № 11. С. 3-6.

3. Шумайлов А.С., Гумеров А.Г., Джаржиманов А.С. и др. Контроль утечек нефти и нефтепродуктов на маги,стральных трубопроводах при эксплуатации // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов: Обз. инф. М.: ВНИИОЭНГ, 1981. Вып. 10. 80 с.

4. Шумайлов А.С., Гумеров А.Г., Молдаванов О.И. Диагностика магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1992. 291 с.

5. Бирюков А.Е., Туркин В.Н. Определение времени опорожнения трубопровода при его разрыве на мелиоративных системах // Гидрологомелиоративные расчеты и характеристики некоторых районов Сибири и Казахстана: Сб.науч.тр. Омск: 1983. С. 58-63.

6. Бобровский С.А. Определение времени простоя нефтепроводов при ликвидации аварий // Тр. МИНХиГП им. Губкина. М: 1963. Вып. 45. 181 с.

7. Методика по определению ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах. Минтопэнерго. М.: ТрансПресс, 1996. 66 с.

8. Мониторинг гидродинамических и техических характеристик трубопроводных систем / Под ред. Ю.Д.Земенкова. Тюмень: Вектор Бук, 2008. 445 с.

9. Руководство по безопасности «Методические рекомендации по классификации техногенных событий в области промышленной безопасности на опасных производственных объектах нефтегазового комплекса» Утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 24 января 2018 г. N 29 [Электронный ресурс]. URL: http://sudact.ru/law/prikaz-rostekhnadzora-ot-24012018-n-29-ob/ rukovodstvo-po-bezopasnosti-metodicheskie-rekomen datsii/ (дата обращения: 01.04.2018).

10. Венгеров А.А., Гладенко А.А., Земенкова М.Ю., Соколов С.М. Повышение эффективности режимов работы неизотермических трубопроводов // Современные проблемы науки и образования, 2015. № 2-3. 33 с.

11. Эксплуатация объектов хранения и распределения жидких углеводородов / Земенков Ю.Д., Пашков М.И., Богатенко Ю.В. и др./ Под общей ред. Д. Ю. Земенкова. СПб.: Недра, 2007. 536 с.

12. Земенкова М.Ю., Сероштанов И.В., Шантарин В.Д., Земенков Ю.Д., Торопов С.Ю. Мониторинг функциональной надежности при управлении процессами транспорта углеводородных ресурсов. Фундаментальные исследования. Пенза: Издательский Дом "Академия Естествознания" (Пенза), 2015. № 10-2. 259 с.

Земенкова Мария Юрьевна канд. техн. наук, доцент, muzemenkovaamail.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,

Гладенко Алексей Анатольевич д-р техн. наук, профессор, gladenkol96layandex.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Земенков Юрий Дмитриевич д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, yd zemenkova mail.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,

Макарочкин Валерий Володарович, старший преподаватель, [email protected], Россия Омск, Омский государственный технический университет

THE MODELLING OF THE SLOPING PIPELINE DEFLATION DURING SAFETY CONTROL IN DIFFICULT CONDITIONS

M.Y. Zemenkova, A.A. Gladenko, Y.D. Zemenkov, V.V. Makarochkin

The work is devoted to the method of estimating the volume of oil while leaking and emergency deflation. Before removing the defective section, the petroleum products are removed from the pipeline to ensure security of repair and renewal operations. Based on the results of calculations and conducted experiments it was determined that to implement the expert assessments the accuracy of calculations for the proposed methods is satisfactory.

Key words: monitoring, the trunk pipeline, leaks, deflation, repair and renewal operations.

Zemenkova Mariya Yurevna, candidate of technical sciences, docent, muzemenkovaamail. ru, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen,

Gladenko Aleksei Anatolevich, doctor of technical sciences, professor, gladenkol96layandex.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical Universit,

Zemenkov Yuri Dmitrevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, ydzemenkova mail. ru, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen,

Makarochkin Valery Volodarovich, senior lecturer, gladenkol96layandex. ru, Russia Omsk, Omsk State Technical University

УДК 621

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И СКОРОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОЙ ГЕТЕРОФАЗНОЙ СТАЛИ СЛИТКОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

Н.Е. Стариков, А.А. Калинин, А.Е. Гвоздев

Для разработки и внедрения в промышленность актуальных ресурсосберегающих малопереходных технологий обработки давлением сталей и сплавов черных и цветных металлов необходимы математические модели, связывающие критерии пластического деформирования с термомеханическими варьируемыми факторами. В работе представлены математические модели сопротивления деформированию и коэффициента скоростного упрочнения высоколегированной стали Р6М5, полученной способом традиционного металлургического передела. Построены трехмерные графические зависимости изменения данных критериев и установлены закономерности развития процессов пластического деформирования и скоростного упрочнения стали Р6М5 в сопряженных температурно-скоростных полях при растяжении.

Ключевые слова: деформирование, скоростное упрочнение, математическая модель, критерий, фактор, ресурсосберегающий процесс.

Разработка и внедрение в промышленность прогрессивных малопереходных технологических процессов с целью повышения эффективности производства, производительности труда и качества изделий, снижения затрат материалов и трудоемкости

299