автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Характеристики переходных гидравлических процессов при утечках в магистральных трубопроводах

На правах рукописи

РГБ ОД

Колесников Андрей Валерьевич^ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕХОДНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ УТЕЧКАХ В МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ

Специальность 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Алышсв В.М. Научный консультант - кандидат технических наук Рыбаков И В. Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Алиев Т.А. кандидат технических наук, доцент Ильин С.П.

Ведущая организация - А/О ВодНИИинформпроект

Защита состоится "2. " а^р-ё'/Я 2000 г. в часов на

заседании диссертационного Совета К 120.16.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул.Прянишникова, 19, ауд. 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП.

Автореферат разослан "■РЗ " 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук

И.М.Евдокимова

О Ц-0!М&»<-64^6,0

Актуальность темы. Состояние магистральных напорных трубопроводе!!, постоянно находящихся под механическим и коррозионным воздействием перекачиваемого продукта и окружающей среды, с течением времени закономерно ухудшается. Это приводит к возникновению разрывов трубопровода и аварийным ситуациям.

Сложившаяся в России экономическая ситуация не позволяет осуществить капитальный ремонт линейной части выработавших амортизационный срок службы напорных трубопроводов путем сплошной замены труб. Проведение расчетов с применением <_ предлагаемого метода создает возможность для выборочного ремонта линейной части с обеспечением прогнозируемых и управляемых условий эксплуатации, продления срока службы трубопроводной системы при минимальных затратах на поддержание ее функционирования, а также проведение мероприятий, связанных с охраной окружающей среды. Все это определяет актуальность темы диссертации.

Основная цель работы. Разработать метод расчета и программный комплекс для определения характеристик переходных гидравлических процессов при утечках г. магистральных трубопроводах.

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

- разработать методику расчета характеристик переходных гидравлических процессов при утечках в магистральных трубопроводах;

- разработать методику расчета максимального обьема утечек;

- разработать программный комплекс для расчетов характеристик гидравлических переходных процессов при утечках в магистральных трубопроводах;

- провести численные эксперименты на ЭВМ для условий существущих и проектируемых магистральных трубопроводов.

Научная__новизна. На основе выполненных теоретических

исследований и численных экспериментов были получены следующие основные результаты:

- разработана методика расчета характеристик переходных гидравлических. процессов при утечках из магистральных трубопроводов;

- разработан программный комплекс для расчетов гидравлических характеристик переходных процессов при утечках в магистральных трубопроводах.

- проведены обширные численные эксперименты на ЭВМ для условий ряда существующих и проектируемых магистральных трубопроводов. В результате этих экспериментов установлены наиболее опасные места разрывов и утечек на существующих и проектируемых трубопроводах с максимальной потерей обьема перекачиваемого продукта;

- в результате выполненных расчетов получены также данные об изменении напоров и скоростей при переходных гидравлических процессах и проведен их анализ.

Практическая значимость результатов исследования. С помощью разработанного программного комплекса можно производить многовариантные гидравлические расчеты магистральных трубопроводов при наличии в них утечек и определить наиболее опасные сечения трубопровода, что имеет практическое значение как для существующих, так и для проектируемых трубопроводов. В результате выполненных расчетов можно предусмотреть специальные меры защиты магистральных трубопроводов от аварийных ситуаций и повысить надежность их работы.

Основные научные выводы и результаты, получеЕшые в работе, обоснованы и достоверны. Достоверность подтверждается применением экспериментально проверенных дифференциальных уравнений неустановившегося волнового напорного движения

жидкости, решаемых экспериментально проверенным методом характеристик, применением современной вычислительной техники, большим объемом выполненных численных экспериментов и достаточной степенью их точности. Достоверность результатов также подтверждается применением экспериментальных значении коэффициентов расходов, определяемых по методике "Транснефти".

Апробация работы. Основные положения диссертации изложены в 5 работах и доложены на научно-технических конференциях М1УГ1 (1996...2000 гг.).

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Список литературы включает 148 наименований отечественных и зарубежных авторов. Работа содержит <Э£ страниц машинописного текста, б том числе 32 таблиц, 7? рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится обзор и анализ некоторых работ по исследованию неустановившегося напорного движения жидкости.

Явление гидравлического удара при движении невязкой жидкости было детально исследовано великим русским ученым Н.Е.Жуковским. В дальнейшем исследованиями неустановившегося напорного движения жидкости и гидравлического удара занимались И.А.Чарный, М.А.Мостков, Н.А.Каргвелишвили, И.В.Егиазаров, Г.И.Кривченко, Л.Ф.Мошнин, А.Ф.Мостовский, БЛ.Буниатян, Д.А.Догонадзе, В.СДикаревский, А.Г.Джваршеншвили, В.М.Овсепян, Н.А.Панчурин, Г.И.Мелконян, Б.ФЛямаев, Д.Н.Попов, Г.Д-Розенберг, Л.И.Махарадзе, В.И.Виссарионов, Н.Т.Мелещенко, В.М.Папин, М.А.Гусейнадзе, В.М.Усаковский, В.М.Алышев, К.П.Вишневский, Н.Н.Аршеневский, В.И.Блохин, Л.Бержерон, ДЛгадевиг, Еванжелисти, Мартин, Уайли, Фокс и многие другие исследователи.

Б диссертации также приводятся основные существующие методы и формулы для определения объемов утечек, определения мест разрывов, а также дается краткое описание некоторых интересных экспериментов.

На основании проведенного анализа был обоснован вывод о необходимости продолжения исследований в зтой области.

Во второй главе приводится разработанная методика расчета утечки из напорного трубопровода. Предлагаемая методика основывается на системе дифференциальных уравнений неустановившегося волнового движения жидкости в напорных трубопроводах. На конструктивных участках напорных гидросистем такое движение описывается уравнениями

М^ьНГ ; (1)

(И (о дх ах '

+ + = , (2)

д[ со дх ¿'со дх со дх

где О - расход; Н - напор; со - площадь внутреннего сечения трубопровода; g - ускорение свободного падения; Р - слагаемое; учитывающее потери на трение; с - скорость распространения волны гидравлического удара; г - высотная отметка оси трубопровода; х, г -координаты длины и времени.

Для численного интегрирования уравнений (1-2) применялся метод характеристик в регулярной прямоугольной разностной сетке.

Система характеристик и характеристических соотношений для исходных уравнений имеют вид

¿х. (2 , /

= с; (л)

ш со

Ш . , Л5+1 С (йО.

Ж £(0

+ (-1) —- ^ + = (4)

л

/

[1 - для прямой хар-кы где 5 = ]

О - для ооратнои .тар-км

Шаги интегрирования по времени Л/ и по пространству Лд"

задавапись постоянными с учетом условия Куранта-Фридрихса-Иеви

(5)

М со

В результате решения уравнений и соотношений па прямой и обратной характеристиках получены расчетные формулы для определеня напора Н1■ ^, и расхода в промежуточном /-том

сечении. Эти формулы приведены в диссертации.

Расчетные зависимости для определения характеристик неустановившегося напорного волнового движения в конструктивных узлах получаются исходя из условий:

- условие неразрывности

= (6)

К---1

где N - количество труб, примыкающих к узлу, Ок - расход в граничном (примыкающем к узлу) сечении к ветви трубопровода в момент времени ¡+1, 0„т - расход в момент времени ]+!

притока (оттока) в (из) узел (узла), поступающего (вытекающего) через (из) устройство (а), установленного в узле.

- условие равенства напоров в узле и граничных сечениях примыкающих к узлу трубопроводов

Яи+1 =■ • ■ = Нк.]+\ =••■- . (7)

Исходные уравнения (1-2) представляются в характеристическом

виде

д( дг

л я®

где А — —

— + Р I- УА д1 ) дх

* ЗЙ , ,,, дН

со

8=1 - для прямой характеристики (к у:шу), 5=0 - для обратной характеристики (от узла).

Записывая для каждой ветви трубопровода соответствующее характеристическое уравнение и производя суммирование с учетом уравнений (6-7), получаем зависимость для определения напора в узле разветвления в момент времени у+7. Эта формула приводится в диссертции.

Расчет различных типов конструктивных узлов проводился по следующим зависимостям:

Обратный клапан (ОЮ

При открытом ОК узел рассчитывается как простое разветвление из двух трубопроводов

А<2„р,;+1 = Щт,,п = 0; (9)

при закрытом ОК имеем

(10)

Напор слева от ОК рассчитывается по уравнению прямой характеристики (8) при напор справа - по уравнению обратной характеристики (8) при 5=7.

Задвижка (ЗД)

Напор с одной из сторон задвижки определялся путем совместного решения уравнений (8) при условии (6) с учетом потери напора в задвижке

(И)

где С 7+1 " коэффициент потерь напора для задвижки, <2,;+1 -расход через задвижку в момент времени }+1.

где сос - площадь дефектного отверстия, - коэффициент расхода дефектного отверстия, На - напор, соответствующий атмосферному давлению, Ны ^х - напор в рассматриваемом узле.

С учетом (6), (8) и (12) расход <2У ;Ч1 утечки из аварийного узла

определялся из уравнения, приведенного в диссертации.

Коэффициент расхода |ДС дефектного отверстия определялся по методике "Транснефти".

Разработанная методика практически может быть реализована только на ЭВМ для выполнения численных экспериментов, которые моделируют исследуемое явление. В основу алгоритма расчета положены волновые уравнения, решаемые методом характеристик при заданных начальных и граничных условиях изучаемого магистрального трубопровода. На основе этого алгоритма был разработан программный комплекс с использованием языка Фортран. Данный программный комплекс позволяет в частности получить расчетные диаграммы изменения напоров и расходов в различных сечениях магистрального трубопровода, определить продолжительность переходного процесса и обьем утечек транспортируемого продукта на окружающую территорию.

Аварийный разрыв

Расход утечки через аварийный разрыв равен

(12)

В третьей главе приводится краткий статистический анализ по характеру разрывов на магистральных трубопроводах, в частности какова часто встречающаяся форма разрыва, а также размеры. Как показал проведенный анализ, наиболее характерными формами разрывов являются ромб и щель, естественно, существуют и исключения. Площади разрывов колеблются в пределах от 150 см2 до 550 см2. Приводятся также примеры аварийных ситуаций на некоторых магистральных трубопроводах. Дается краткое описание аварийных ситуаций: где произошла авария, когда, каков размер аварийного отверстия, какова его форма, а также каков ущерб от аварии. Во второй части главы приводится описание рассматриваемых в диссертации магистральных трубопроводов.

Прежде всего выбирались трубопроводные системы для проведения численных экспериментов. После того, как были выбраны магистр;щыше трубопроводы, выбирались конструктивные участки, наиболее интересные для расчета на ЭВМ (геодезия, конструктивные узлы, компактность).

На рассматриваемых магистральных трубопроводах:

1. нефтепровод "Баку-Грозный-Новороссийск";

2. нефтепровод "Уса-Ухта";

3. Балтийская трубопроводная система;

4. Южная водопроводная система

были выбраны следующие участки трубопроводов:

- нефтепровод "Баку-Грозный-Новороссийск":

1) участок "Вознесенская-Тихорецк"

2) участок "Самур-Вознесенская"

- нефтепровод "Уса-Ухта":

3) участок "Зеленоборск-Ухта"

- Балтийская трубопроводная система:

4) участок "Кириши-Приморск" (северный вариант);

5) участок "Песь-Кириши";

- Южная водопроводная система:

6) участок "Туроно-Подольск".

Для выполнения расчета на ЭВМ необходимо было иметь профиль трубопровода с указанием местоположения запорно-регулируюшей арматуры, характеристик трубопровода и параметров насосного оборудования. По расчетным данным участка воспроизводили профиль трубопровода на ЭВМ.

Кроме того, в исходные данные входили:

1. плотность перекачиваемого продукта;

2. кинематическая вязкость перекачиваемого продукта;

3. расчетный расход системы;

4. рабочее давление на насосной станции;

5. скорость течения при установившемся движении;

6.гидравлический уклон.

В_четвертой главе приводятся результаты численных

экспериментов гидравлического расчета утечек из магистральных трубопроводов.

После выбора участка на нем намечались расчетные места разрывов. Варьируя координатами разрывов, выявляли наиболее опасные сечения, т.е. определяли, в каком сечении конструктивного участка трубопровода произошла максимальная утечка (объем) продукта. Следовательно, в этом сечении следует бояться аварии. Это в свою очередь дает возможность провести профилактические работы по защите трубопровода. В процессе численных экспериментов изменяли размеры дефектных отверстий, их диапазон выбирался в результате проведения анализа реальных аварий. В работе эквивалентные диаметры изменялись от 100 до 800 мм.

В процессе численных экспериментов были определены наиболее опасные сечения на участках трубопроводов (табл.1... габл.6), (рис.1... рис.6). Расчеты были выполнены на ПЭВМ РепПит-П. В процессе расчетов также определялись напоры и расходы в узлах гидросистемы.

Результаты расчетов представлены в виде 1рафиков зависимости изучаемой величины от времени (например, Н=-Н{1)) при возникновении утечки в магистральном трубопроводе (см. рис. 7... 12). По графикам. в частности, можно наглядно определит!., продолжительность переходного процесса в рассматриваемых узлах. В качестве расчетных узлов были рассмотрены задвижка, соединение трубопроводов и обратный клапан.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчета характеристик переходных гидравлических процессов при утечках в магистральных трубопроводах.

2. Разработан вычислительный алгоритм и программный комплекс для расчета характеристик неустановившегося напорного движения жидкости при угечках в магистральных трубопроводах, позволяющий определить обьем утечек, напоры и расходы в узлах гидросистемы в расчетные моменты времени.

3. Предложенная методика и программный комплекс для ЭВМ универсальны и позволяют проводить многовариантные расчеты переходных гидравлических процессов при угечках в магистрачьных трубопроводах.

4. В результате проведения обширных численных экспериментов н ЭВМ для условий существующих и проектируемых магистральных трубопроводов установлены наиболее опасные места разрывов и утечек с максимальной потерей обьема перекачиваемого продукта, что имеет практическое значение.

5. Полученные результаты позволяют также наметить пути охраны окружающей среды от пролитого продукта, а также заранее подготовить план действий и специальные меры по защите магистральных трубопроводов и повышению надежности их работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Рыбаков И.В., Колесников A.B. Расчеты на ЭВМ аварийных утечек из магистральных трубопроводов. Депониров. рукопись ВИНИТИ N регистр. 2846-В 98, М„ 199S.

2. Рыбаков И.В., Колесников A.B. Расчеты на ЭВМ аварийных угечек из магистральных трубопроводов (основные положения). Тезисы докладов научн. техн. конференции М1УП., М., МГУТ1, -1998.

3. Колесников A.B., Рыбаков И.В. Расчеты утечек на магистральных трубопроводах при аварийных ситуациях. Тезисы докладов научи, техн. конференции МГУП., М., МГУП., - 1999.

4. Колесников A.B. Расчет аварийных утечек по трассе Южной водопроводной системы г.Москвы. Депониров. рукопись ВИНИТИ, N регистр. 609-В 99, М„ 1999.

5. Алышев В.М., Колесников A.B. Расчеты на ЭВМ объемов утечек и напоров в узлах гидросистемы при образовании разрывов на магистральных трубопроводах. Тезисы докладов научн. техн. конф. МГУП., М„ МГУП, - 2000.

и

Нефтепровод "Баку-Грозный-Новороссийск" участок " Вознесенская-Тихоренк"

Исходные данные для расчета

Плотность 0,860 т/м куб.

Кинематическая вязкость 0,076 СМ2/с

Коэффициент загрузки трубопровода 1

Мест оположение разрыва 468 км

Расстояние от НПС до разрыва 30 км

Эквивалентный диаметр разрыва 700 мм

Площадь дефектного отверстия 0,38483 М2

Время отключения насосов 2 мин.

Время закрытия задвнжек (от момента возникновения аварийной) разрыва) 7 мин.

Параметры трубопровода:

протяженность 488 км

материал стенок сталь

внутренний диаметр 720 мм

толщина стенок 1 мм

эквивалентная шероховатость 0,1 мм

Параметры НПС:

высотная отметка НПС 387 м

марка насоса НМ2500-230

количество насосных агрегатов 2 '

предельный напор 500 м

Результаты гидравлическою расчета режимов работы трубопровода и обьема аварийной утечки

Нормальный режим:

рабочее даклепие па НПС 4,15 мПа

расход на НПС 0,1844 М3/с

скорость течения 0,453 м/е

Аварийный режим:

Давление (мПа): в начале трубопровода 2,26284

в конце трубопровода 5,43697

в месте разрыва 1,45643

расход па НПС 1,0478 М3/с

3 Обьсм аварийных утечек (М ):

- до остановки перекачки 538,494

- до закрытия задвижек 464,084

- после закрытия задвижек 2034,720"

Итого: 3037,298 Л<3

Нефтепровод "Баку-Грозный-Новоросснйск" участок "Самур-Возпесенская"

Исходные данные для расчета

Плотность 0,860 г/м куб.

Кинематическая вязкость 0.370 см2¡С

Коэффициент загрузки трубопровода 1

Местоположение рафытш 52,500 км

Расстояние от НПС до разрыва 18 км .

Эквивалентный диаметр разрыва 800 мм

Плоп;адь дефектного отверстия 0,50264 М2

Время отключения насосов 2 мин.

Время закрытия задвижек (от момента возникновения аварийного разрыва) 7 мин.

П а рамстры трубон ровода:

протяженность 403,500 км

материал стенок стань

внутренний диаметр 700 мм

толщина стенок 10 мм

эквивалентная шероховатость 0,1 мм

Параметры НПС:

высотная отметка НПС 128 м

марка насоса НМ2500-230

количество насосных агрегатов 3

предельный напор 780 м

Результаты гидравлического расчета режимов работы трубопровода и обьема аварийной угсчкн

Нормальный режим:

рабочее давление па НПС 6,468 мПа

расход па НПС 0,1917 М3/с

скорость течения 0,448 м/с

Аварийный режим:

Давление (мПа): в иачапс трубопровода 5,09124

в конце трубопровода 2,47975

в месте разрыва 0,24995

расход на НПС 0,7186 М3¡С

3 Обьем аварийных утечек (Л1 ):

- ло остановки перекачки 145,145

- до закрытия задвижек 0.00

- после закрытия чэдг.ижек 961.625

Итого: 1106,770 Л<3

Нефтепровод "Уеа-Ухта" участок "Зеленоборск-Ухта:'

Исходные данные дли расиста [

Плотность 0,860 т/м куб. !

Кинематическая вязкость 0.40!) СМ7¡С

Коэффициент лафузки трубопровода 1

Местоположение разрыва 322,400 км

Расстояние от НПС до разрыва 35,9 км

Эквивалентный диаметр разрыва 700 мм

Площадь дефектного отверстия 0,38483 М1

Время отключения насосов 2 мин.

Время закрытия задвижек (от момента возникновения аварийного разрыва) 7 мин.

Параметры трубопровода:

протяженность 119,5 км

материал стенок сталь

внутренний диаметр 700 мм

толщина стснок 10 мм

эквивалентная шероховатость 1_ 0,1 мм

Параметры НПС:

высотная отметка НПС 123,1 м

марка насоса НМ 2500-230

количество насосных агрегатов 3

предельный напор 750 м

Результаты гидравлического расчета режимов работы трубопровода и обьема аварийной утечки

Нормальный режим:

рабочее давление на НПС 5,260 мПа

расход па НПС 0,6010 м6/с

скорость течения 1,562 м/с

Аварийный режим:

Давление (мПа): в начале трубопровода 3,70184

в конце трубопровода 0,14214

в месте разрыва 0,36121

расход на НПС 0,9603 „И3/С

з Обьем аварийных утечек (Л ):

- до остановки перекачки 171,719

- до закрытия задвижек 163,970

- после закрытия задвижек 769,300

Итого: 1104.989 „И3

Нефтепроводная система Б'ГС участок "Кириши-Приморск" (северный вариант)

Таблица 4

Исходные дашшс для расиста

Плотность 0,860 т/м куб.

Кинематическая вязкость 0,400 см'¡С

Коэффициент за! ручки трубопровода 1

Местоположение разрыва 619,500 км

Расстояние от НПО до разрыва 81,5 км

Эквивалентный диаметр разрыва 800 мм

Площадь дефектного отверстая 0.50264 М2

Время отключения насосов 2 мни.

Ирсмя закрытия задвижек (от момента возникновения аварийною разрыва) 7 мни.

Параметры трубопровода:

ПрОТЯЖСННОС1Ь 119,5 км

материал стенок сталь

внутренний диаметр 700 мм ■

толщина стенок 10 мм

эквивалентная шероховатость 0,1 мм

Параметры НПС:

высотная отметка НПС 123,1 м

марка насоса НМ 2500-230

количество насосных агрегатов 3

предельный напор 750 м

Результаты гидравлического расчета режимов работы трубопровода и обьема аварийной утечки

Нормальный режим:

рабочее давление на НПС 6.529 мПа

расход на НПС 0,6697 М^/с

скорость течения 1,562 м/с

Аварийный режим:

Давление (мПа): в начале трубопровода 5.02705

в копне трубопровода 1,04516

в месте разрыва 0,3821

расход на НПС 0,9651 М3/с

Обьем аварийных утечек (Л^):

- до остановки перекачки 327,277

- до закрытия задвижек 293.114

- после закрытия задвижек 753,600

Итого: 1373.991 .И3

11ефтепроводна>1 система БТС участок "Песь-Кириши"

Исходные данные для расчета

Плотность 0.86!) т/м куб.

Кинематическая вязкость 0,400 СМ2¡С

Коэффициент загрузки трубопровода

Местоположение разрыва 388,200 км

Расстояние от НПС до разрыва — 16,2 км

Эквивалентный диаметр рафыва 200 мм

Площадь дефектного отверстия 0.03142 М2

Время отключения насосов 2 мин.

Время закрытия задвижек (от момента возникновения аварийного ра!рыва) 7 мин.

Параметры трубойровода:

протяженность 170 км

материал стенок сталь

внутренний диаметр 700 мм

толщина стенок 10 мм

эквивалентная шероховатость 0,1 мм

Параметры НПС:

высотная отметка НПС 164,5 м

марка насоса НМ 2500-230

количество насосных агрегатов 3

предельный напор 750 м

Результаты гидравлического расчета режимов работы трубопровода и обьема аварийной утечки

Нормальный режим:

рабочее давление на НПС- 6,097 мПа

расход на НПС 0,6697 М3/с

скорость течения 1,562 м/с

Аварийный режим:

Давление (мПа): в начале трубопровода 5,09878

в конце трубопровода 0.4454

1» месте разрыва 1,4681

расход на НПС 1,4777 М3/с

Обьем аварийных утечек (М"*):

- по остановки перекачки 168,132

- до закрыт ия задвижек 16,796

- после закрыт ия задвижек 567,359

Итого: 752,287 .М3

Южная Водопроводная Система участок "Турово-Подольск"

Исходные данные для расчета

Плотность 1 т/м куб.

Кинематическая вязкость 0,01 см2 ¡С

Коэффициент загрузки трубопровода !

Местоположение разрыва 12 км -

Расстояние от НПС до разрыва 12 км

Эквивалентный диаметр разрыва 200 мм

Плоталь дефектного отверстия 0.03142 М2

Время отключения насосов 3 мин.

Время закрытия задвижек (от момента возникновения аварийного разрыва) 5 мин.

Параметры з рубопровода:

протяженность 47,300 км

материал стенок сталь

внутренний диаметр 2000 мм

толщина стенок 10 мм

эквивалентная шероховатость 0.1 мм

Параметры НПС:

высотная отметка НПС 169,00 м

марка насоса Д6300-60

количество насосных агрегатов 1

предельный напор 120 м

Результаты гидравлического расчета режимов работы трубопровода и объема аварийной утечки

Нормальный режим:

рабочее давление па НПС 1,177 мПа

расход па НПС 0,0316 л<3/е

скорость течения 0,010 м/с

Аварийный режим:

Давление (мПа): в начале трубопровода 1,17962

в конце трубопровода 1,13236

в месте разрыва 1,16716

расход на НПС 0,8629 М3/с

Объем аварийных утечек (.М3):

- до остановки перекачки 153,904

- до закрытия задвижек 5,733

- после закрытия задвижек 3768.00

Итого: 3927.637 .И3

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ -РАСЧЕТ АВАРИЙНОГО ТРУБОПРОВОДА Нефтепровод " Б а к у - Г р о з н ыи-Новоросс ийск" участок " 8 о з н е с о н с к а я - Т их о р е ц к ' Нормальный режим работы т р у 6 о п р о е о да (1) Рабочее давление : 4 . 1 5 1 м П а ; Расход не^-тч- б . I ЗНмЗ/с

Аварийный реким(г)~ через 2 мин. поел г р а з р Ыз а 0 э ч>= ? 0 0 м к'■ Расстояние до разрыв а:38 км; Расход неЧ>ти< 1.0478мЗ/с Давление (мпа) - в начале- £.2 626 4; в конце : 5.4 3 697

Нчц

А- ^ Обр. клапан ^Задвижка

+ Р а ; р Ыв

б.О 48.3 9 6. 6144. 9 1 9 3 . Е г 4 1 . 52 6 9.8338. 1 386. 4434. 7483.0

Р ис .1

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АВАРИЙНОГО ТРУБОПРОВОДА Нефтепровод "Баку-Грозн Ыт1- Новороссийск" участок "Саиур-Вознесенская" НориалЬн ыи р э жим работы трубопровода (1) Рабочее давление •• б . 4 6 8 м П а ; Расход нефти' 3 . 1917кЗ/с

Аварийный режим&)- через £ мим. после разрыва И э <р= 8 0 О м м ° Расстояние до р а з р Ыз а ; 1 8 к м ; Расход нефти-- 0.7186мЗ/с Давление <мПа> - в начале' 5.09124; в конце' 2.47575

Р ис .2

757 . 68 1. 605 . 53 0. 451 . 378 . ЗВ£ . 227 . 15 1. 75 . 0..

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ -РАСЧЕТ АВАРИЙНОГО ТРУБОПРОВОДА Нефтепровод "Уса-Ухта" уч.Зеленоборск-Ухтд Нормальный рении работы тру6опроводаГ1) Рабочее давление' 5.26ВмПа; Расход н е <рт и : 0 . 6 0 1 м 3 с

Аварийный ремимв)- через 2мин.после разрыва Озч^ 7130мм Расстояние до разрыв а135.9 км; Расход не^ти- 0.9603м3ус Давление (м П а ) - в начале' 3.78184; в конце ' 0.14214

ч*

^ Обр . клапан ^Задвижка ^ Р

^ Р а з р Ыв

0.0 1 2.0 23.9 35'. 9 47.8 59.8 71.7 8 3.7 95. 6187.61 19. 5

Рис .5

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АВАРИЙНОГО ТРУБОПРОВОДА

Н е епрово дн а Я с ис тема 6 Т С уч. К ир иу и- П р им орск (северн Ь!и б- а р иа нт ) Нормальный режим работы тру б опро в о да И) Рабочее давление: 6.5£9мПа; Расход не-?>ти: 0.6697мЗ''с

Авар иин ыи р е кин(2)- через 2 м ин .после разрыва О Э = 30Оии : Расстояние до р а з р Ыв а■ 81 . 5 к м; Расход не гти : 0.9651мЗ'с Да вление < «Па) - в начале- 5.02705; в конце: 1.01516

82 1. 7 3 8. 655 . 5 7 £ . 489 . 406 . 323 . 2 4 0. 157. 7 5 .

Н > М ^ Обр . хяэпан Ззяеияхз ^Разрыв

, КМ

О.0 £5.4 50.8 76. 2 101. 6 127. 0 152. 4 177. 8 £03. 2228. 6254. 0

Рис.4

Ы и)

Трубопроводная система Б ТС уч.ПесЬ-Кириии Нормальный ре мим работы трубопровода(1) Рабочее да впение : 6 . 0 9 7 м П а ; Расход но и: 0.6697мЗ-'с

Аварийный режим(2)-- через £ м ин . после разрыва ОЭ^=£00мм: Расстоян ие до разрЫва-16.£ки; .Расход не 4>т и- 1 , 477?мЗ/с Да в л е н ие < м П а > - е- начале1 5.09378; б конце : 0.4454

9 1 5 8£3 7 3 £ 6 4 0 5 49 457

За дгинка

+ Разр Ыб

, КМ

0.0 1 6.6 3 3. £ 49.3 66.4 .93.0 99. 6116. £132.814 9. 4)66

Р ис .5

ю

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АВАРИЙНОГО 'ТРУБОПРОВОДА Трубопроводная система Тугоио-Ройо1гк Портальный режим работы трубопровода^!) Рабочее давление- 1.177мПа; Расход нефти: О . О 3 1 6м3✓с

А в а р ийн ыи р е жимй)- через Змин. после разрыва 0 31>-' 2 0 0 м « РасстоЯн ие до разрЫва:12км; Расход нефти1 0.36£5«3''с

293 .

Давление <мПа) - в начале

V Обр. клапан

1.17962; в к о н и е ЧТ 3 а дв имк а

1.13236

^ Р а з р Ыв

0.0 4.7 9.5 1 4.2 1 3.9 23.7 28.4 33.1 37.8 42.6 47.3

Рис 6

4 4 . В

6 0 0 . ■ б.

4 5 6. 3

312 , а.............-

167 , 8

о. 12

2 4 . 3 6 . '48; I 6 О 72 .

9 в: .108 . 120

Рис.7. Участок "Вознесенская-Тихорецк" (30 км) ¡узел 10 (задвижка), узел 25 (задвижка), узлы 86, 93, 99 (соединение | трубопроводов)

3 4 3 .3

7 91 . 9

7 3 5 . 4

1 Э . О-

г-;2 2

I/

ъ\

/35 : 46

......:

1 3 1

: 3 5

■■гут.....

-----£---- -------

! I 5 3

ЬЪЪ

•X

1—...

О 12. 2 4

3 б

4а . бо

2

9 6. 100. 12 О

1 Рис.8. Участок "Самур-Вознесенская" (18 км)

¡узел 31 (задвижка); узлы 35, 46, 49, 53 (соединения трубопроводов)

г.

с:

7 . 4

6 2 0

5 О О . .1

3 7 1,4

2 4 2 . -7

114 , о!__

. О 1

.2 4

6 . ;. 4 8 . 60 , 72, 8 4 . 9 6. 1 О В . 12 О

: ! Рис.9. Участок "Зеленоборск-Ухта" (35,9 км)

1 узел 5 (задвижка); узел 8 (соединение трубопроводов); узел 15 | (задвияска); узлы 21, 28 (соединения трубопроводов)

(о со

9X5 ,4-

7 3 8 .6

.561, В

3 8 5 , О.

:20 8 . 2

1 . 4

. О 1

4 . 3 б . 48 . 6 0 7 2 .

4 9 6. 10.8 120

1 Рис.11. Участок "Песь-Кириши" (16,2 км)

!узел 2 (задвижка); узел 20 (задвижка); узлы 33, 41, 52 (соединения

I трубопроводов)

Введение.

Глава 1. Общие положения.

1.1 Анализществующих методов решения проблем неустановившегося напорного движения жидкости.

1.2 Гидравлический удар в перфорированном трубопроводе.

1.3 Существующие методы расчета утечек в магистральных трубопроводах.

1.4 Классификация аварий и повреждений на линейной части нефтепровода.

1.5 Классификация методов контроля и обнаружения утечек.

1.5.1 Классификация методов контроля по режиму работы трубопровода.

1.5.2 Классификация методов по периодичности применения.

1.5.3 Классификация методов по измеряемым параметрам, явлению, прнципу действия.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Методика расчета утечек из магистральных трубопроводов.,.,.

2.1 Основные уравнения.

2.2 Численное интегрирование уравнений.„

Выводы по главе 2.

Глава 3. Описание исходных данных.

3.1 Статистические данные об авариях на некоторых магистральных трубопроводах.

3.2 Схемы трубопроводов.

Глава 4. Результаты численных экспериментов и их анализ.

4.1 Краткое описание процесса неустановившегося движения жидкости при возникновении утечки в трубопроводах.

4.2 Гидравлический расчет аварийного трубопровода.

4.3 Расчет напоров в узлах магистральных трубопроводов.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы. Состояние магистральных напорных трубопроводов, постоянно находящихся под механическим и коррозионным воздействием перекачиваемого продукта и окружающей среды, с течением времени закономерно ухудшается. Это приводит к возникновению разрывов трубопровода и аварийным ситуациям.

Сложившаяся в России экономическая ситуация не позволяет осуществить капитальный ремонт линейной части выработавших амортизационный срок службы напорных трубопроводов путем сплошной замены труб. Проведение расчетов с применением предлагаемого метода создает возможность для выборочного ремонта линейной части с обеспечением прогнозируемых и управляемых условий эксплуатации, продления срока службы трубопроводной системы при минимальных затратах на поддержание ее функционирования, а также проведение мероприятий, связанных с охраной окружающей среды. Все это определяет актуальность темы диссертации.

Основная цель работы. Разработать метод расчета и программный комплекс для определения характеристик переходных гидравлических процессов при утечках в магистральных трубопроводах.

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

- разработать методику расчета характеристик переходных гидравлических процессов при утечках в магистральных трубопроводах;

- разработать методику расчета максимального объема утечек;

- разработать программный комплекс для расчетов характеристик гидравлических переходных процессов при утечках в магистральных трубопроводах;

- провести численные эксперименты на ЭВМ для условий существущих и проектируемых магистральных трубопроводов.

Научная новизна. На основе выполненных теоретических исследований и численных экспериментов были получены следующие основные результаты:

- разработана методика расчета характеристик переходных гидравлических процессов при утечках из магистральных трубопроводов;

- разработан программный комплекс для расчетов гидравлических характеристик переходных процессов при утечках в магистральных трубопроводах.

- проведены обширные численные эксперименты на ЭВМ для условий ряда существующих и проектируемых магистральных трубопроводов. В результате этих экспериментов установлены наиболее опасные места разрывов и утечек на существующих и проектируемых трубопроводах с максимальной потерей обьема перекачиваемого продукта;

- в результате выполненных расчетов получены также данные об изменении напоров и скоростей при переходных гидравлических процессах и проведен их анализ.

Практическая значимость результатов исследования. С помощью разработанного программного комплекса можно производить многовариантные гидравлические расчеты магистральных трубопроводов при наличии в них утечек и определить наиболее опасные сечения трубопровода, что имеет практическое значение как для существующих, так и для проектируемых трубопроводов. В результате выполненных расчетов можно предусмотреть специальные меры защиты магистральных трубопроводов от аварийных ситуаций и повысить надежность их работы.

Основные научные выводы и результаты, полученные в работе, обоснованы и достоверны. Достоверность подтверждается применением экспериментально проверенных дифференциальных уравнений неустановившегося волнового напорного движения жидкости, решаемых экспериментально проверенным методом 6 характеристик, применением современной вычислительной техники, большим обьемом выполненных численных экспериментов и достаточной степенью их точности. Достоверность результатов также подтверждается применением экспериментальных значений коэффициентов расходов, определяемых по методике "Транснефти".

Апробация работы. Основные положения диссертации изложены в 5 работах и доложены на научно-технических конференциях МГУП (1996.2000 гг.).

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Список литературы включает 148 наименований отечественных и зарубежных авторов. Работа содержит 76 страниц машинописного текста, в том числе 33 таблиц, 76 рисунков.