CC BY
23
21. Sienicka A., 1963. Parki wiejskie wojewodztwa szczecinskiego. Szczec / A. Sienicka. - S. Kownas. - Tow. Nauk., Szczecin.
22. Stachak A., 1993. Zielen Szczecina i najblizszych okolic. W: Stan srodowiska miasta i re-jonu Szczecina, pod red. J. Jasnowskiej. Szcze Tow / A. Stachak. Nauk., Szczecin: 173-190.
23. Stachak A. 2000. Drzewa i krzewy miasta Lipiany. Folia Univ / A. Stachak, B. Maslak. -Agric. Stetin. 215 (86): 3-16.
24. Stachak A., 2001. Drzewa i krzewy miasta Maszewo / A. Stachak, M. Kubus. - Ibidem 221 (88): 257-268.
25. Stachak A., 1999. Drzewa i krzewy miasta Nowe Warpno / A. Stachak, B. Maslak, G. Nowak. - Ibidem 198 (76): 51-60.
26. Stachak A., 1986/1987. Drzewa i krzewy placow i ulic centrum Szczecina oraz glownych arterii komunikacyjnych miasta / A. Stachak, B. Maslak. - Rocz. Dendrol. 37: 169-190.
27. Stachak A., 1989. Drzewa i krzewy parkow centrum Szczecina / A. Stachak, B. Maslak. -Ibidem 38: 73-103.
28. Turek-Kwiatkowska L., 1961. Zarys dziejow miast i osiedli wojewodztwa szczecinskiego. "Szczecin" miesi^cznik Pomorza Zachodniego. Zarz^d Woj / L. Turek-Kwiatkowska, W. Fili-powiak, H. Lesinski, Myslenicki V., Z. Radacki. - Tow. Rozwoju Ziem Zachodnich i Szczec. Tow. Nauk. z.4-5, Szczecin. _
УДК631.432.3:621.643.8 Доц. Ф.Д. MamiKo, канд. техн. наук;
асист. Г. Ф. MamiKo, канд. техн. наук; студ. А.В. Федоришин - НУ "Львiвськa полтехшка"
ВИЗНАЧЕННЯ ГАЗОПРОНИКНОСТ1 ГРУНТ1В ДЛЯ РОЗРАХУНКУ ВТРАТ ГАЗУ ВНАСЛ1ДОК ПОШКОДЖЕНЬ П1ДЗЕМНИХ ГАЗОПРОВОД1В
Наведено опис розроблено! установки та представлено результати експеримен-тальних дослщжень коефщента газопроникносп грунтсв, як застосовують для заси-пання газопроводiв. Показано, що точне визначення об'ему газу, втраченого iз тд-земного газопроводу, можливе тшьки на основi результат експериментальних дослщжень газопроникносп грунту у мющ витоку газу.
Ключов1 слова: газопроникнiсть грунту, експериментальне визначення, втрати газу, пошкодження газопроводу.
Assoc. prof. F.D. Matiko; assist. H.F. Matiko; stud. A.V. Fedoryshyn -
NU "L'vivs'kaPolitekhnika"
Determination of gas permeability of soils for calculation of gas losses as a result of damages of underground gas pipelines
This article contains the description of the developed plant and the results of experimental investigation of coefficient of gas permeability of soils which are applied for backfilling of pipeline ditch. It is rotined that exact determination of volume of gas, lost from an underground gas pipeline, is possible only on the basis of results of experimental researches of gas-penetrability of soil in the place of gas source.
Keywords: gas permeability of soil, experimental investigation, gas losses, pipeline damages.
Постановка проблеми. Велика частина газорозподшьних мереж в Ук-ра1ш збудована is стальних газопровод1в, як за неналежного виконання 1золяци i 1х тдземного прокладання швидко кородують, що призводить до виникнення втрат газу в газорозподшьних оргашзащях. У чинних нормативних документах не передбачено методики визначення втрат внаслщок пошкоджень газопрово-
дав, зокрема й тдземних, що приводить до неоднозначност пiд час розрахунку об'ему втрат газу, тому актуальним е дослiдження цього питання та розроблен-ня методики визначення об'ему газу, втраченого внаслiдок пошкоджень шдзем-них газопроводiв. Для розроблення тако! методики потрiбно дослiдити газоп-роникнiсть порщ, якi застосовують для засипання газопроводiв.
Аналiз останнiх публiкацiй та формулювання цшей дослiдження. Витрату газу через шар пористого середовища (грунту) визначають за законом Дарсi [1, 2, 4]. Застосування рiвняння Дарс можливе за умови, що вщо-мий коефiцiент газопроникностi грунту. У довщковш лiтературi, наприклад [3], наведено даш про коефiцiент проникностi деяких прських порiд, однак !х застосування ускладнене тим, що засипання газопроводiв виконують у де-кiлька шарiв iз сумiшi фракцiй рiзноl геолопчно! природи. Сучасними норма-тивними документами, що стосуються газопроникностi грунтiв, передбачено методики визначення на будiвельних майданчиках [1] та газопроникност гiрських порщ монолгтно! структури [4]. Методика [1] не може бути застосо-вана в багатьох випадках щшьно! мюько! забудови. Методики дослiдження газопроникностi пухких (сипких) порщ в нормативних документах не наведено. Однак, засипку газопроводiв здшснюють саме пухкими породами, i досль димо !хню газопроникшсть у цiй роботi.
Дослiдження газопроникност грунту. Для визначення коефiцiента газопроникност пухких порiд ми застосували залежшсть, похiдну вiд закону Дарсi [1, 2]:
С = б-ц.Д/ / (Г-Ар), (1)
де: Q - об'емна витрата газу, м3/с; С - коефщент проникностi пористого се-2*2 редовища, м ; Г - площа фiльтрування, м ; Ар - перепад тиску на довжиш фь
льтрування А1, Па; ^ - коефiцiент динамiчноl в'язкост рiдини (газу), Па-с;
А1 - довжина шляху фшьтрування, м.
Формулу (1) може бути застосовано для визначення коефщента про-никностi для дiапазону перепаду тиску Ар, у якому залежшсть витрати Q вiд Ар е лiнiйною. Ми експериментально отримали залежностi Q вiд Ар у дiапа-зонi змiни тиску у газопроводах низького тиску (100-300 мм. вод. ст) для по-рщ, якими виконують засипання газопроводiв. Експериментом шдтверджено лiнiйнiсть цих залежностей, чим доведено, що вiдхилення вщ закону Дарсi у цьому дiапазонi змiни перепаду тиску е незначними.
Для експериментального визначення газопроникностi грунту побудо-вано установку, схему якого зображено на рис. 1. Повпря компресором пода-ють на вхщ установки через ротаметр-задавач 2, яким встановлюють потрiб-ну витрату. З виходу ротаметра повгтря потрапляе на вхщ барабанного ль чильника газу 5. Для того щоб стабшзувати тиск повiтря, перед лiчильником до газового тракту пiд'еднано регулятор абсолютного тиску 3, який тдтри-муе постшний тиск "до себе". Лiчильник вимiрюе об'ем повiтря, який проходить через вимiрювальну комiрку за цикл вимiрювання. Тривалiсть циклу визначають за допомогою електронного секундомiра. Надлишковий тиск повгт-ря у вимiрювальнiй комiрцi 6 шд сiткою 8 вимiрюють високоточним перетво-рювачем тиску 9. Додатково до складу установки входять термометр (ТЛ-7)
ртутний для вимiрювання температури повiтря у лаборатори, барометр-ане-ро1д для вимiрювання атмосферного тиску, ваги лабораторш для зважування зразюв грунту.
Рис. 1. Схема експериментально'1 установки для до^дження газопроникностi
tpyHmy: 1 - компресор; 2 - ротаметр задавач витрати (РМ-А); 3 - регулятор абсолютного тиску (САД-305); 4 - манометр надлишкового тиску; 5 - л1чилъник газу барабанний; 6 - вим1рювалъна ком1рка; 7 - проба грунту; 8 - стка; 9 - манометр
надлишкового тиску (SIEMENS Sitrans P)
Методика виконання експерименту полягае у такому. Пробу грунту помщають у вимiрювальну комiрку. Проби грунту однорщно! структури до-цшьно вщбирати методом '^зального кшьця" (зпдно з [5]), таким чином за-безпечують збереження структури та мехашчних характеристик зразка грунту. Вмикають компресор та вентилем ротаметра 2 змшюють витрату повггря, встановлюючи необхщний тиск тд сiткою 8 комiрки. Здшснюють вимiрю-вання витрати повiтря через пробу грунту за встановленого тиску, реестру-ючи початковi покази лiчильника Vn, кiнцевi покази лiчильника VK та час At, за який через лiчильник проходить декшька циклiчних об,емiв повiтря. Зна-чення об'емно! витрати повiтря визначають за формулою
VK - Vn
Q = ■
At
(2)
Вимiрювання витрати здшснюють декшька разiв за встановленого значення тиску та фжсованого значення висоти зразка грунту для усунення шд час обробляння результата вимiрювань випадкових похибок та грубих неточностей.
Об'емну витрату повiтря Q, значення яко! отримано за формулою (2), визначена за умов значення тиску повггря перед лiчильником. Тиск пов^я в комiрцi пiд сiткою вiдрiзняeться вiд тиску перед лiчильником, тому перед вставлянням у формулу (1) потрiбно виконати приведення вимiряного значення витрати до умов тиску пов^я шд сiткою. Враховуючи умови роботи установки, формулу приведення можна спростити до вигляду
P + P
Q = Гб^ГЖ Q Z--ком р + р xi. 1
(3)
де: Pjrr, PKOM - нaдлишкoвий тдок пoвiтpя пеpед лiчильникoм та у кoмipцi пiд ciткoю вiдпoвiднo; P6 - бapoметpичний тиcк; Q - екcпеpиментaльне значення
витpaти, oтpимaне за фopмулoю (2).
Дocлiдження зpaзкiв фунту викoнaне на уcтaнoвцi за cхемoю pиc. 1 за знятoï веpхньoï кpишки вимipювaльнoï кoмipки. За та^го cпocoбу дocлi-дження пoтiк швпря лiнiйнo npori^e чеpез зpaзoк фунту i витжае безш^-pедньo в aтмocфеpу. Отже, дoвжинa фiльтpaцiï Al дopiвнюе виcoтi зpaзкa фунту Нгр, а пеpепaд тдоку Ар на зpaзкoвi фунту дopiвнюе нaдлишкoвoму тиcку пiд ciткoю Ар = Ртм, який ф^уе виcoкoтoчний вимipювaльний пеpетвopю-вач SIEMENS Sitrans P i внocимo дo пpoтoкoлу дocлiджень.
Вpaхoвуючи cкaзaне, фopмулa для poзpaхунку ^ефодента гaзoпpo-никшеи на ocнoвi даних екcпеpименту набувае вигляду:
C = Qom M-Нгр = Q^ МНр •( P, + Pjr ) F P F •P •(P + P )
^M тм \ б шm J
У фopмулi (4) значення ^ефодента динaмiчнoï в,язкocтi шв^я m мo-же бути oбчиcлене для poбoчих темпеpaтуpи та ти^у пoвiтpя за метoдикoю [V], чи oтpимaне iз iнших дocтoвipних джеpел. Плoщa фiльтpувaння F дopiв-нюе плoщi пеpеpiзу зpaзкa фунту.
Автopи викoнaли дocлiдження гaзoпpoникнocтi зpaзкiв пюку, глини, глинo-пiщaнoï cумiшi, щебiннo-гpaвiевoï cумiшi, вiдiбpaних iз фунту над га-зoпpoвoдaми низькoгo тиcку. Дocлiдження вшх вiдiбpaних зpaзкiв ви^нува-ли у еташ ïx пpиpoднoï вoлoгocтi на чac вiдбopу, тoбтo визначали ^ефодент ефективнoï гaзoпpoникнocтi зpaзкiв. Значення ^ефодента ефективнoï гaзoп-poникнocтi декiлькox дocлiджениx зpaзкiв, oбчиcленi за фopмулoю (4) та у^-pедненi за pезультaтaми cеpiï вимipiв для фiкcoвaнoгo тиоту PKoM,, нaведенo у табл. 1, 2.
Табл. 1. Коeфщieнт eфeктивноï газопроникностi теку_
Нгр, мм
Зpaзoк №1, аб^лютна вoлoгicть 21,43 мг/кг
^oiui кПа
1
C, м2
10"
Зpaзoк №2, aбcoлютнa вoлoгicть 35,71 мг/кг
^oiui кПа
1
C, м
2
Ю"
3,6540'
100
4,35
4,9V
2,0428
10-
10
2,0328
2,03V5
10
4,05 40'
10-
ТО"
10
ТО"
4,95
5,84
ТО"
1,68V8 10
10
1
1,6825
10
1,6856
1
10
ТО"
10
ТО"
ТО"
5,84
10-
2,0865
10-
6,88
10
1,6458
10
200
V,14
10-
2,0820
10-
ТО"
8,5140
-г
1,6426
10
ТО"
8,61
10-
2,0828
10
ТО"
1,032
1,6380
10
ТО"
Табл. 2. Коeфщieнт eфeктивноï газопроникностi глини
Зpaзoк №1 Зpaзoк №2
Ркoм, кПа C, м2 Ркoм, кПа C, м2
1.466 4.5114 • e-13 1.496 3.3693 • e-13
156 мм 1.9V6 4.2843^-13 1.99V 3.1846 • e-13
2.465 4.250V • e-13 2.528 3.0559 • e-13
1з pезультaтiв екcпеpиментiв виднo, щo кoефiцiент гaзoпpoникнocтi nopw iз oднopiднoю cтpуктуpoю не залежить вiд тиcку газу (у дiaпaзoнi rac-
ку, характерного для газопроводiв низького тиску). Це особливо чггко видно на прикладi такого однорiдного непластичного середовища, як тсок. Макси-мальне вiдхилення значень коефщента газопроникностi пiску вiд його се-реднього значення становить 1,3 %.
Два зразки глини, результати дослщжень яких наведено у табл. 2, вь дiбранi iз шурфiв, розгорнених над одним iз газопроводiв низького тиску. Зразок №1 вадбраний на глибинi 1,0 м безпосередньо над верхньою твiрною газопроводу, зразок №2 - на глибиш 1,1 м на вщсташ 0,1 м вщ бiчноl твiрноl газопроводу. Як видно iз результатiв дослiджень, коефщенти газопроникнос-тi цих двох зразюв iстотно вiдрiзняються. Причиною цього е наявнiсть домь шок пiску у зразку глини №1, вщбраному над газопроводом.
Шд час дослiдження проникност зразкiв щебiнно-гравiевоl сумiшi, внаслiдок неоднорщност структури зразкiв та рiзного вмюту фракцiй значення 1хньо1 газопроникност можуть iстотно вiдрiзнятися. За результатами дос-
10 2 9 2
лщжень автори отримали значення у дтпазош вiд 1-10 м до 1,75-10 м .
Отримат середнi значення коефщента газопроникностi та середньо-квадратичнi вщхилення середнiх значень для дослiджуваних зразюв порiд наведено у табл. 3. Як видно iз табл. 3, кожен окремий зразок дослщжених по-рiд можна охарактеризувати середшм значенням коефiцiента газопроникнос-тi iз достатньою для практичних задач точшстю. Тобто можна стверджувати, що коефщент газопроникностi шарiв грунту вiдомий iз встановленою похиб-кою для мюця вiдбору зразкiв.
Табл. 3. Середш значення та середньоквадратичш вiдхилення середнього зна-
чення коефт цента газопроникностi
Середовище С, м2 Ос, %
Шсок Зразок №1 2,06-10-10 0,5
Зразок №2 1,66-10-10 0,5
Глино-пщана сумш 2,68-10-12 4,9
Глина Зразок №1 4,35-10-13 1,9
Зразок №2 3.29-10-13 1,9
Щебшно-гравтева сумтш Зразок №1 1,46-10-9 7,4
Зразок №2 1,1610-10 4,9
Водночас, результати дослщження зразюв одного i того ж середовища мають значш вiдмiнностi для рiзних мiсць вiдбору. Тобто точне визначення об'ему витоку газу iз шдземного газопроводу можливе тiльки на основi ре-зультатiв експериментальних дослiджень газопроникност грунту у мiсцi витоку газу.
Однак, розрахунок об'ему газу, втраченого внаслщок пошкоджень тд-земних газопроводiв, в бiльшостi випадкiв ведеться за наближеними значен-нями параметрiв (тиску у газопроводi, площi пошкоджень та ш.), похибки визначення яких сягають десяткiв вiдсоткiв. Тодi похибка визначення коефь цiента газопроникностi не перевищуе похибок визначення iнших параметрiв, навiть якщо використати у розрахунку значення коефщента газопроникнос-тi, усереднеш для певного регiону. У таких випадках значення коефщента газопроникностi, визначеш в цiй роботи, можуть бути застосоваш для визна-
чення об'ему витоку газу у довшьному мющ прокладання газопроводiв, де шар грунту складаеться i3 дослiджених у цш робот порiд.
Коефщент ефективно! газопроникност порiд iстотно залежить вiд ступеня насичення породи наявними флю!дами [2]. Зокрема, присутшсть води ютотно знижуе газопроникнiсть породи. Наприклад, середш значення га-зопроникностi двох зразюв пiску рiзноl вологостi (див. табл. 3) вiдрiзняються на 19,4 %. У випадку, якщо витiкання газу iз пiдземного газопроводу вщбува-лося протягом тривалого перiоду, пiд час якого волопсть грунту змшювала-ся, то для розрахунку об'ему витоку газу повинен бути визначений усередне-ний коефщент газопроникност протягом цього перюду.
У вiдомих авторам випадках виявлення пошкоджень пiдземних газоп-роводiв, даних про змiну вологостi грунту протягом перюду витжання газу от-римати не вдаеться. Тому пропонуемо визначати газопроникшсть зразкiв грунту за умов його природно! вологост пiд час сухого перiоду. Це дае змогу виз-начити максимально можливий об'ем витоку газу шд час перiоду витiкання. Зокрема зразки порщ, дослiдженi в цiй робот^ вiдiбранi пiд час сухого перюду i мають природну вологiсть, що вiдповiдае сухiй частинi лiтнього перюду.
Висновки. Таким чином, автори експериментально довели, що вщхи-лення вщ закону Дарсi для умов витшання газу iз газопроводiв низького тис-ку е незначними, а, отже, рiвняння Дарсi може бути застосоване для визна-чення витрати газу через отвори у шдземних газопроводах. Показано, що то-чне визначення об'ему газу, втраченого iз шдземного газопроводу, можливе тiльки на основi результатiв експериментальних дослiджень газопроникностi грунту у мющ витоку газу. Однак у випадку, коли розрахунок об'ему витоку ведеться за наближеними значеннями параметрiв витоку, експериментальш значення коефщента газопроникност визначенi у цiй робот^ можуть бути застосованi для визначення об'ему витоку газу у довшьному мющ прокладання газопроводiв низького тиску, де шар грунту складаеться iз дослщжених у цiй робот порiд.
Рiвняння Дарсi не дае змогу визначити площу поширення газу у грунт та загальний об'ем витоку газу, тому автори розробляють математичну модель, яка дае змогу за вщомими значеннями коефщента газопроникност грунту, проводити розрахунок витрати витоку газу та загального його об'ему iз пiдземного газопроводу за певний промiжок часу.
Л1тература
1. Грунты. Методы полевых испытаний проницаемости: ГОСТ 23278-78. - М. : Изд-во "Стандартов", 1978. - 36 с.
2. Мала прнича енциклопед1я / за ред. В.С. Бшецького . - Донецьк : Изд-во "Донбас", 2007 - T.2: Л-Р. - 2007. - 652 с.
3. A catalog of porosity and permeability from core plugs in siliclastic rocks. U.S. Geological Survey. Open-file report 03-420, 2003.
4. Метод определения коэффициента абсолютной газопроницаемости при стационарной и нестационарной фильтрации: ГОСТ 26450.2-85. - М. : Изд-во "Стандартов", 1986. - 14 с.
5. Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов: ДСТУ Б-В.2.1-8-2001 (ГОСТ 12071-2000). - К. : Вид-во "Держспоживстандарт Украши", 2001. - 11 с.
6. Воздух. Расчет коэффициента динамической вязкости: ГСССД 109-87. - М. : Изд-во "Стандартов", 1988. - 45 с. _
