автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Нестационарные процессы в трубопроводах с возможным разрывом сплошности потока транспортируемой среды

< Ь гО^дарственная ордена Октябрьской револющы и ордена ,.Трудовсг<хКрасного Знанени Академия нефти и газа ии.И.М.ГуС;мна

На правах рукописи УЖ 532.595.С

АДИЛОБА Мария Дмитриевна

КЕСТА1К0НАРК1Е ПРОЦЕССЫ В ТРУБОПРОВОДАХ С ВОЗМОЖНЫМ РАЗРЫВОМ СПЛОШНОСТИ ПОТОКА ТРАНСПОРТИРУЕМОМ СРЕДЫ

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хрзгалвд

Автореферат диссертации на соиска;ие ученей степени кандидэта технических наук'

Мосхра - 1994

Работа вшюлнена на кафедра транспорта к хранения нефти и газа Государственной академии нефти и газа иу..И.М.Губкина

Научный руководитель: доктор технических наук.

профессор ДУРЬЕ М.В.

Официальные оплокенти: доктор технических наук,

профессор ХАРИН В.Т.

доктор технических наук,

профессор

ОДИШАРКЯ Г.З.

Ведущее предприятие: Акционерная компания "Транснефтепродукт"

Зааита диссертации состоится " аПрбЛЯ 1994 г. в _ ч.

ка заседании специализированного совета Д.053.27.02 по защите диссертаций ка соискание ученой степени доктора техничесглх наук по специальности 05.15.13 "Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ" при Государствашюй академии нефти и газа им. И.М.Губкина по адресу: П7917, Москва, ГСП-1, Ленинский пр., 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной академии нефти и газа им.И.М.Губкина.

Автореферат разослан "_"_1594г.

Ученый секретарь

специализированного совета

д.т.п., профессор

"Т.Г.Васильев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию неустановившихся течений жидкости в трубопроводе с возможным разрывом сплошности потока при снижении давления в транспортируемой среде до давления ее насыщенных пзрсв. Особое внимание уделено нестабильным жидкостям, таким как гз-.зовий кснденсгт, широкая фракция легких углеводородов (ШЗДУ), ак, этилен, оолздзюагам высокими давлениями насыщенных пзров. Предложена математическая модель волновых процессов в трубопроводах, учитывающая возможность разрыва сплошности потока жидкости; разработан алгоритм расчета характерных для трубопровода ситуаций (включение-отключение насосных станций, открытие-закрытие запорной арматуры, разрыв стенок трубы и пр.); выполнены расчеты и проведено исследование переходных процессов при перекачке нестабильных жидкостей в горизонтальных и рельефных трубопроводах; выявлены сопутствующие га эффекты, учет которых необходим при проектировании трубопроводных систем с целью повышения их надежности и безопасности.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМУ диссертационного исследования обуславливается увеличением числа трубопроводных систем, транспортирующих среды с повышенными давлениями насыщенных па-ров. Так, например, давление насыщенных паров гззоеого конденсата составляет 0.15-3.0 МПа, ВШУ -0.7-0.9 МПа, аммиака - 0.5-0.8 .МПа, этилена - 3.5-5.0 МПа. Следовательно, нестабильные жидкости могут испытывать фазовый переход, в результате которого нарушается сплошность потока и часть жидкости превращается з газ, уже при давлениях 0.7-3.0 МПа, соответствующих нормальным условиям перекачки. Обычно при проектировании трубопроводов нестабильных жидкостей выбирают такой режим перекачки, при котором не нарушается сплошность установившегося потока жидкости. При этом не учитывается возможное "разгззирование" жидкости при распространении волн разрежения, связанных с различными технологическими

операциями и нештатными ситуациями. В ряде случаев возникающие Кб стационарные процессы могут иметь опасные последствия, устранение р торых связано с большими материальными затратами, поэтому зашита с таких последствий должна быть предусмотрена на стадии проектирован»

Работа выполнялась в соответствий с Государственной программе "Экологическая безопасность России" (раздел "Разработка "методологи и программных средств прогнозирования, оценки и предотвращения экол гических последствий крупномасштабных аварий на магистральных конде сатспрсводах и трубопроводах, перекачивающих нестабильные жидкости"

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ:.уточнить теорию и метод расчета нестационарны процессов в магистральных трубопроводах с возможным разрывом сплош ности потока транспортируемой жидкости с тем, чтобы:

- еыяеить сопутствующие им физические явления;

- предотвратить опасные последствия, связанные с распространени ем волн разрешения;

- предложить соответствующие изменения и добавления в действую ше нормы проектирования и регламенты эксплуатации трубопроводов дл. перекачки нестабильных жидкостей, направленные на. предотвращен» разрыва сплопности потока среды и обеспечение управляемости трубопроводной системой при волновых процессах.

осиовит ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Для осуществления целей диссертацм потребовалось:

- дополнить классическую теорию неустановившегося движения жидкости в' трубопроводе уравнениями, описывающими гидродинамически« процессы при разрыве сплошности потока;

- исследовать скорость распространения ударной еолны з трубопроводе, транспортирующем жидкость с газовыми включениями;

- распространить численный метод характеристик на случай нестационарного течения жидкости с разрывом сплошности потока;

- разработать алгоритм и программу расчета переходных процессог

трубопроводах с возможным разрывом сплошности потока;

предложить совокупность безразмерных критериев, определяющих |ДоОие нестационарных процессов в трубопроводе с возможным разрывом шошности потока;

- выполнить комплекс гидродинамических расчетов основных пере-|дных процессов, возникающих в горизонтальных и рельефных трубопро-!дах с нестабильной жидкостью и еыяеить типичные явления, сопрсвож-|вдие распространение по таким трубопроводам волн разрешения;

- определить критерии безопасного выполнения типичных технологи-■>ских операций на трубопроводах, транспортирующих нестабильные среды.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в обобщении теории неустановившего-; течения жидкости в магистральном трубопроводе на случай возможного ¡зрыЕз сплошности потока перекачиваемой среды. Разработаны алгоритм пакет вычислительных программ, позволяющих анализировать нестацио-¡рные процессы в трубопроводах с разрывом сплошности потока ¡гадкос-г. Получены критериальные условия неразрывности потока жидкости при ¡реходных процессах в горизонтальных и рельефных трубопроводах. Выявлены характерные особенности распространения волн разрежения трубопроводах с нестабильными жидкостями, связанные с разгазирова-гем потока. В частности, обнаружен эффект ослабления амплитуды вол-I разрежения при нарушении сплошности потока жидкости, затрудняющий :оеЕременную регистрацию и идентификацию переходкого процесса.

Показано, что вопреки сложившимся представлениям, для сохранения мощности штока нестабильной жидкости при ее транспортировке недо-?аточно поддерживать ео всех точках трубопровода давление, превышала давление насыщенных паров, необходимо также учитывать условия ¡разрывности потока при переходных процессах. НА ЗАЩИТУ ЕУНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И УЕТОЛИКИ: I. Утверждение, что классическая теория нестационарных течений шости в трубопроводе, не предусматривающая возможность разрыва

сплошности потока жидкости, не может бить использована для гидродинамического расчета среды, содержащей газовые включения.

2. Математическая модель, методика и пакет вычислительных программ, позЕоляшие рассчитывать неустановившееся движение жидкости с возможным разрывом сплошности потока в трубопроводе.

3. Вывод о том, что в рельефных трубопроводах, перекачивающих жидкости с еы-;оким давлением насыщенных паров, амплитуда распространяющейся волны разрежения может существешга уменьшаться при'разрыве сплошности потока или при взаимодействии с газовыми полостями, что затрудняет идентификацию аварийных ситуаций существующими'средствами контроля. '

4. Рекомендации по расстановке регулирующих устройств и безопасному времени их открытия (закрытия), по необходимому запасу "давления на конце трубопровода, по расположению 'датчиков контрольно-измерительной'аппаратуры, позволяющие сохранить сплошность'потока жидкости при переходных процессах, обеспечить регистрацию 'и управляемость волновых процессов в трубопроводе и тем самым предотвратить тяжелые последствия аварий.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТУ. В выполненных исследованиях проанализированы основные явления, происходящие при нестационарных, в том числе аваржшых, процессах в трубопроводах, транспортирующих нестабильные жидкости. Указана опасность эксплуатации таких трубопроводов, состоящая в том, что волны разрежения, образующиеся при разрывах стенок трубопровода, не всегда могут быть обнаружены на насосной станции вслгдстЕие их возможного затухания при рэзгазировании потока' или взаимодействии с газовыми кавернами. "

Теория и метод расчета", предложенные в диссертации, позволяют уже

стадии проектирования трубопровода для транспортировки нестабильных жидкостей принять меры по предотвращению крупномасштабных последствий от возможных аьарий.

РЕ.ШЗАЦИЯ РАБОТУ В ходе исследования разработаны алгоритм и пакет программ расчета неустановившегося течения жидкости по трубопроводам с возможным разрывом сплошности потока, использованные для получения конкретные рекомендаций (по расстаноЕке регулирующих устройств и безопасному времени их срабатывания; необходимому запасу давления на конце трубопровода; региональному расположению датчиков контрольно-измерительной аппаратуры и.др.) и моделирования аварийные ситуаций на магистральных трубопроводах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТУ Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры транспорта и хранения нефти и газа ГАНГ им.И.М.Губкина, на XII школе - семинаре по проблемам трубопроводного транспорта (Уфа, 1989), на Всесоюзных конференциях (Кр.Курган, 1989,1991).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, изложенных на 204 страницах, включая 36 рисунков и 8 таблиц. Список литературы содержит 97 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ¿ведении-показана актуальность-исследований, изложенных в диссертации, кратко охарактеризованы основное содержание работы и практическая ценность рассмотренных задач.

3 первой глсЗе- содержатся общие сведения о нестабильных углеводородных жидкостях, технологии их перекачки по трубопроводам; рассматриваются проблемы, возникающие при их транспортировке. Здесь же дается обзор основных работ, относящихся к нестационарным процессам з трубопроводных системах, формулируются цели и задачи исследований.

Гидравлический расчет- трубопровода обычно производится только для стационарных условий. Еместе с тем, для рациональной эксплуатации трубопроводов необходимо также уметь рассчитывать и анализировать

нестационарные процессы, связанные с переходными и аварийными ситуациями. Нестационарные процессы могут сопровождаться разрывом сплошности потока транспортируемой среды. Наиболее подвержены этому явление нестабильные жидкости с еысокими давлениями насыщенных пароЕ.

Способность нестабильных жидкостей разгазироваться при давлениях С.7-5.0 МПа препятствует их транспортировке по трубопроводам к месту переработки, з результате чего .более 80% такого ценного сырья, как попутный нефтяной газ, до последнего Бремени терялось.

В последние годы увеличилось число трубопроводных систем, транспортирующих нестабильные жидкости. Технологический регламент таких систем предусматривает перекачку продукта в однофазном жидком состоянии. Для обеспечения однофазного состояния стационарного потока в диапазоне рабочих температур нз практике во всех сечениях трубопровода поддерживается определенный запас давлений.

При распространении по трубопроводу с нестабильной жидкостью волны разрежения, являющейся следствием, например, разрыва стенки трубы, сплошность потока нарушается, жидкость вскипает, образуя газовые скопления. Газовые скопления в свою очередь сглаживают амплитуду волны разрежения, ограничивая дальность ее распространения, что может привести к нераспознзванию сигнала аварии. Возможно, этими явлениями объясняются трагические последствия аварии 1989 года в Башкирии: длительное время после разрыва трубы истечение жидкости оставалось незамеченным с перекачивающей станции.

Существующие регламенты транспортировки нестабильных жидкостей по трубопроводам составлены на основе опыта перекачки стабильных жидкостей и не учитывают указанные выше особенности.

Таким образом, в настоящее Бремя существует противоречие м-.-жду потребностью промышленности в транспортировке все возрастающего обье ма нестабильных жидкостей и отсутствием научно-обоснованного регламента для ит. рациональной и безаварийной перекачки. Исследования,

¿зложенные з настоящей диссертации, способствуют созданию такого регламента.

Анализ исследований по неустановившимся течениям жидкостей, сопровождающимся разрывами сплошности потока, показывает, что существует несколько подходов к прогнозированию развития нестационарного процесса при разрыве сплошности перекачиваемой среды. Однако ввиду сложности происходящих процессов имеющиеся подхода не обобщены и разработаны для конкретных технических проблем:

- охлаждающих контуров в ядерной энергетике (Б.З.Арсентьев, A.M. йвандзэз, Ю.А.Кэлайдэ, Б.П.Спассков, В.В.Фисенко, Б.М.Низин и др.);

- гидросистем питания энергетических установок О.S.Венгерский, Б.Ф.Лямаев, В.А.Мороз, Г.П.Небольсин, Б.А.Келюбов, Г.Л.Усов и др.);

- криогенных насосов з аэрокосмических аппаратах (А.Б.Буланов, К.В.Филин и др.).

Б этой связи существующие математические модели неустановившегося течения жидкости с разрывом сплошности потока не могут сыть применены для аналогичных процессоз в магистральных продуктовроводах, т.к. отличаются от последних как параметрами системы, так и характерными временами переходных-процессов.

Основы теории нестационарных процессов в нефте- и газопроводах рассмотрены в классических трудах К.Е,Чуковского, L.Ailievi, Л.Бержерона, И.А.Чзрного, а также в работах Л.П.Ёлздиславлева, М.А. Гусейн-5зде, К.А.Картвелишвили, А.Л.Козоокова, Л.Е.Кублановского, М.З.Лурье, В.М.Писарезского, Л.3.Полянской, Г.Л.гозенСерга, Л.М.Гар-кс, Л.Гсксз, С.А.Хачатуряна,В.Л.Бфшз и др. вместе с тем исследования, посвященные особенностям нестационарных процессов в .трубопроводах с разрывом сплошности потока жидкости (Л.Еержерона, Д.А.Фокса, ?.!■•!. Кигматулина, А.Б.Ларипского, Ш.М.Рахматуллина и др.), ограничены, э предложенные з них модели из-за принятых допущений могу.о рассматривать лишь в первом приближении.

Во отооой г.юАе рассматривается основная математическая модель для расчета течения жидкости по трубопроводам. Эта модель и разработанные на ее основе методы и алгоритмы позволяют рассчитывать нестационарные процессы в трубопроводе, сопровождающиеся разггзированием перекачиваемой среда.

Одномерное течение вязкой жидкости з трубопроводе в общем случае (рис.1) описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных, впервые полученной Н.Е.Жуковским и включающей в себя уравнение неразрывности и уравнение количества движения жидкости:

(эр ди>

— + рсг — =0

¡П йг (1)

0ш агр+ргг; р и||щ| р — +--- \- _ о .

^ бх дх га

Для решения классической системы уравнений неустановившегося движения жидкости ее необходимо дополнить граничными условиями: для насосной станции, резервуара,- запорно-регулирующего органа или разрыва'стенки трубопровода.

Для интегрирования системы уравнений (1) используется численный метод характеристик, по которому система дифференциальных уравнений в частных производных сначала сводится к системе уравнений в полных производных, а затем заменяется конечными разностями.

Классическая теория нестационарных течений жидкости в трубопроводе не предусматривает возможность разрыва сплошности потока перекачиваемой среды: ничто не мешает давлению в трубопроводе становиться в ходе процесса меньше давления насыщенных паров жидкости. Таким образом, классическая теория не может быть использована для "расчета среды, когда получаемые по ней давления оказываются ниже давления насыщенных паров жидкости, что соответствует разрыву сплошности потока, поэтому формулы (1), полученные в предположении непрерывности потока, нуждаются в дополнениях.

Для расчета нестационарных процессов в трубопроводах с разрывом сплошности потека обычно используют модель Л.Вержерона, основывающуюся на следующих допущениях:

- разрыв сплошности потока жидкости происходит при снижении давления в расчетном узле до давления насыщенных паров жидкости;

- кавитационный разрыв локализован в расчетном узле и не распространяется по длине трубопровода;

- давление в кавитационной полости не изменяется за время ее существования и остается равным давлению насыщенних паров-жидкости;

- в результате разрыва сплошности потока появляется скачок скоростей (расходов) жидкости до и* и пссле «Г образовавшейся каверны, который и определяет ее текувдй объем г.

Таким образом, для расчета неустановившегося течения жидкости в точках разрыва сплошности потока систему уравнений (1) согласно

Л.Бвржерону необходимо дополнить условиями р = р

" - 4.' (2)

¿V = (цг - и> ' ) злг;

3 отличие от данной методики, с должной точностью не описывающей реальные физические процессы и являющейся первым приближением, в защищаемой работе принимается, что:

1) образование газовых полостей в жидкости происходит при давлении насыщенных паров р , но давление з полости не остается постоянным, а может становится визе рд и изменяться при развитии процесса;

2) процесс изменения давления ¿г в газовой полости - адиабатический;

3) образующаяся з результате паде:шя давления каверна не сосредоточена з расчетном узле, а может растягиваться по трубопроводу, при этом мгновенное давление в каверне одинаково во всем ее объеме. Следовательно, если трубопровод не горизонтальный игг^аеп), то помимо скачка скоростей до и после образовавшееся полости, может появиться и скачок приведенного давления р = ? + р^г :

1Р] = ргЛх! . (3)

Таким ооразсм, по предлагаемому усовершенствованному методу расчета неустановившегося течения жидкости с возможным разрывом сплошности потока переменные расчетного узла гр.ш.у; определяются:

- при течении жидкости сплошным потоком (Р>?д. у~о) - по системе уравнений (1);

- при падении давления ниже (по расчету) давления насыщенных паров жидкости - пересчетом по уравнениям (1) с учетом условий (2);

- при дальнейшем развитии процесса - по уравнениям (1), дополненным

при р ^ рд - условиями (2); при р > ре - условиями

Р V ' (4)

¿V = (и> " - ш + ) злг;

Математическая модель движения разгазированной жидкости представлена двухфазным континуумом, состоящим из жидкости и чередующихся газовых пузырьков, в котором скорость распространения возмущений совпадает со скоростью звука в жидкости, а присутствие газовых пузырьков влияет только на гидродинамическое- состояние среды, обусловленное взаимосвязью изменений давления ¿р и скорости вш. Такое представление при малых концентрациях газа эквивалентно другому подходу, рассматривающему жидкость с газовыми пузырьками как однофазный континуум, в котором скорость распространения возмущений зависит от концентрации газовых включений.

В третьей гиаве приводится основной алгоритм расчета переходных процессов в трубопроводах с разрывом. сплошности потока жидкости, производится апробация соответствующей этому алгоритму вычислительной программы; сравниваются результаты расчета неустановившегося движения жидкости с разрывом сплошности по предлагаемой программе и

программе, основанной на классической системе уравнений (1). Здесь же рассматривается безразмерная форма уразрений течения жидкости в трубопроводе, выводятся критерии подобия и исследуются показатели переходных процессов.

Принятые допущения вместе с системой дифференциальных уравнений (1; и гранич:-.ыми условиями составляют предлагаемую математическую модель неустановившегося течения жидкости по трубопроводам с разрывом сплошности потока, реализованную в вычислительной программе.

Апробация вычислительной программы проводится на конкретном примере - горизонтальном трубопроводе диаметром 273 мм и длиной 100 км, по которому перекачивается продукт типа !ШУ с плотностью а = 560 кг/м3 и давлением насыщенных пэроЕ ? = 0.735 МПа.

В работе производится сопоставление результатов расчетов переходного процесса, вызванного разрывом стенки в конце рельефного трубопровода (рис.1), по классической (рис.2а) и предлагаемой (рис.20) "моделям. При распространении волны разрежения давление на возвышенности снижается до давления насыщенных паров жидкости, происходит нарушение сплошности потока, образуется каверна, которая растет по мере развития процесса (рис.26). При этом амплитуда еолны разрежения сглаживается. Эти физические явления не учитывает классическая модель, расчет по которой позволяет давлению на возвышенности падать ниже давления насыщенных паров жидкости (рис.2а), что приводит к погрешности расчета, превышающей Г00%.

Для описания не одного частного процесса, а ряда гидродинамически подобных процессов, которые могут отличаться«друг от друга геометрическими, кинематическими, механическими характеристика?,и, а также физическими свойствами жидкости, математическая модель была приведена к безразмерному виду. 3 качестве базовых были пржяты ударное давление Рсш , фаза гидроудара ь/о, длина трубопровода ь, стационарные значения скорости а и коэффициента гидравлического сопро-

Рис.1 Расчетная схема трубопроводной системы:

I - насосная станция; 2 - профиль трубопровода; 3 - задвижка; 4 - сечение разрыва стенки трубы.

Р.МГа

Р.МПа

25

75 Хш

К- -75 - /Я?'

Ркс.2 Распределение давления по длине рельефного трубопровода в различные моменты времени переходного процесса", рассчитанного:

а - по классической модели; б - по предлагаемой модели

I - 4=0; 2 - 1=5с; 3 - г=80с; 4 - г=160с; 5 - 1=240с; 6 - 4=320с; 7 - г=560о; 8 - 4=740с.

жвления X , объем столба жидкости в трубопроводе зь. При принятых Зазовых единицах система дифференциальных уравнений неустановквшего-:я движения жидкости (1) в общем случае примет безразмерный вид:

= о

(5)

дг

ар с>ш

— + —

в1 <5 г

дли ар

— + —

91 бх

2. Ш, Р, , X -

X _

:= Ь ' 2

П. — - пт X = О

И_. Ь-Л-.- 5; -Р

з — и' Г Л

-г—: ш=-; --; Л=-т—.

Ь р си; Л.

о о о

¡3 - показатель режима течения жидкости:

Ьг - при ламинарном потоке, (3=о.25 - при турбулентном потоке;

Пь - безразмерные критерии подобия течения жидкости в тру-

зопроводе, соответственно определяющие влияние гидравлического соп-

эотивления и профиля трассы г г г;:

ъ» X и «ь и - П^ \0—2 - . Пь - - - - .

2<Хс 26. сш Тг

о

а(, Рг - числа Мзхз и Фруда стационарного потока:

2

и> Ш

* = —2 . ,г = _2_ .

с ¿ь

Дополнительные условия (2) и (4), налагаемые на систему (1) при

эазрыве сплошности потока зшдкости, в безразмерном Еиде сводятся к . * - •

7 ар

ц, и, * =--- — , (7)

унр 51

лде р - безразмерный параметр жидкости: ? =р /рсю ;

а - - з з о

V - безразмерный объем гззоеой полости: у=у/зь. Граничные условия рассматриваемой системы (рис.1) в безразмерном здде записываются:

I.

-16- для насосной станции (сечение х=о):

? = П 5 % ♦ П . (8)

а о с

где П , П&. По - безразмерные критерии подобия насосной станции

а Зхш Ъ Б с * Р„

П = --^ ; П„ = ; П = -2- ;

ре Ро ° Рсио

- для резервуара (сечение *=/):

р = П„ . - (9)

где П^ - безразмерный критерий'подобия резервуара: Пн = ;

о

- для задаижки (сечение £=»-!„):

АР = ^ 4 П* <10>

р " -

где ч. р - безразмерные коэффициент гидравлического сопротивления и площадь проходного сечения задвижки, зависящие от степени ее открытия а: р=р/ро;

для круглой задвижки в работе выведена нелинейная зависимость 7=1 —(агссоз а - а VI-а 2) ; (11)

при равномерном закрытии задвижки

а , » - Л—

П Т

3 О

П*, П„- безразмерные критерии подобия задвижки в стационарном

и нестационарном режимах:

С ш б2

П О О ' . гт 3 .

П, = -— , 11, = ;- ,

2с? " 1П

а о

- для разрыва стенки трубы' (сечение ==(-То):

Д р = Дш2П^, ' (12)

где Дш - безразмерная разность скоростей жидкости в сечении разрыва П^- безразмерный критерий подобия истечения через поврежденное отверстие площадью / : 2 П =

2СЦ V 2

при полном разрыве стенки трубы

р=р . (13)

_ 7 Г1 __

Таким образом, предложенная математическая модель неустановившегося течения жидкости в трубопроводе с возмолякм разрывом сплошности потока в безразмерном виде включает в себя 9 безразмерных переменных (т, = , 1. т. р, V. л. Т_, 5), 13 безразмерных критериев подобия (Гц, Пт, П0, Г.ь, Пе, Пн, П*, П3,. П^, рд, и, 7, и безразмерную координату источника гидроудара Т0= 1/1, определяющую расположение задвижки или поврежденного сечения трубы Ср^с.1).

Б общем случае характер протекания переходных процессов зависит зт рельефа трубопровода г(х>. В частном случае горизонтального тру-эопровода {г(х)=1аеп) й2/а.х=о, математическая модель упрощается и не ьулючэет в себя г и Пг.

За осноеной показатель, качественно и количественно определяющий »арзктер протекания нестационарных (переходных) процессов в трубо-троводе, выбран кавиташонный запас трубопроводной системы равный отношению минимального давления в трубопроводе Рт1п к давлению насыщенных паров жидкости р .

В четвертой главе приведены результаты исследований неустановившегося движения жидкости по трубопроводу вследствие срабатывания регулирующих устройств и аварийного разрыва трубопровода. Получены ¡налитические выражения условий неразрывности потока для мгновенного ¡акрытия задвижки и полного разрыва трубопровода; кавитационного за-:аса трубопроводной системы. Произведена оценка допустимого времени ¡акрытия задвижки, обеспечивающего сохранение сплошности потока жид-сости в трубопроводе; проанализирован баланс падения давления при распространении волны разрежения; выявлен эффект демпфирования паде-шя дазления при распространении волны разрежения в случае разгази-ювания потока на возвышенностях.

Разрывы сплошности потока жидкости в магистральных трубопроводах :вязаны с распространением в них волн пониженного давления, которые югут возникнуть при аварийном разрыве стенки трубопровода или изме-

нении режима работы граничных регулирующих устройств.

Опасное сечение трубопровода, где может произойти разгазнрованш потока при переходных процессах, расположено:

- до сечения разрыва стенок труоы при разгерметизации трубопровода

- за сечением задвижки при перекрытии трубопровода.

На кавитацлокный запас системы оказывает влияние не только величина ударного давления, но также и'эффект линейного затухания, связанный с перераспределением давления в трубопроводе после прохожде: ния по нему фронта волны разрежения и имеющий место при любых пара-мэтрах трубопровода (рис.З). В случае распространения волн понижен ного давления эффект линейного затухания приводит к тому, что давлений за сечением задвижки после ее закрытия продолжает падать до ко мента возвращения отраженной волны. Причем, падение давления вслед ствие линейного затухания йрд0п может превысить ударный пер" -давления Ар .

, о

Процессы, связанные с разгазировэниеч^кидкости, чаще всего пред ставляют собой недопустимые явления, вызывающие расстройство работ гидросистемы. Поэтому обеспечение условий, при которых давление пр волновом процессе не опускается ниже давления насыщенных паров жид кости, весьма актуально в практике эксплуатации трубопроводов.

Условия неразрывности потока жидкости анализируются для перекры тия трубопровода и разрыва стенки трубы горизонтального (=i=>=idem) И рельефного (z(x)jHdan) трубопроводов.

При полном гидроударе в горизонтальном трубопроводе на кавитаци онный запас системы влияют только 3 безразмерных параметра: коэффи циент запаса давления на конце трубопровода к =РК/Рв; относительна давление насыщенных пароЕ жидкости р ; кштесий затухания амплитуд

з * *

волны П^, пропорциональный гидравлическому сопротивлению трубопровс дз на пройденном волной участке трубопровода г: ПА = = -j-^-

На основании численного расчета по предлагаемой программе для гс

ризонтального трубопровода получены зависимости необходимого запаса давления на конце трубопровода ск ] (рис.4), согласно которым 'при перекрытии трубопровода необходимый запас давления на конце трубопровода при прочих равных условиях уменьшается с ростом и критерия затухания амплитуды волны П .

3 рельефно)/ трубопроводе на кавитационный запас системы оказывают влияние не только критерии к , р£ и Пд| не и критерии подобия трубопровода П£ и Пт, относительные высота К и координата <1^= возвышенности (рис.1). При этом для сохранения неразрывности потока при распространении волн разрежения, вызванных перекрытием трубопровода, на его конце всегда необходимо поддерживать запас давления (рис.5, кривая I). При разрыве стенки трубы (рис.5, кривая 2) во избежание разгазирования потока запас давления на конце трубопровода нужно поддерживать лишь при определенной высоте возвышенности. Для обоих типов гидроудара необходимый коэффициент запаса цавления [кр] увеличивается с ростом еысоты возвышенности К (рис.5) При медленном закрытии задвижки горизонтального трубопровода (неполном гидроударе) на распространение волны разрежения также оказы-зает влияние и процесс распространения волны повышенного давления на зерхнем (по потоку) участке трубопровода, так что трубопровод необ-содимо рассматривать как единую гидродинамическую.систему и к вышесказанным безразмерным параметрам добавить еще два: стационарный П* I нестационарный И, критерии подобия задвижки.

Кавитационный запас системы при медленном закрытии задвижки (при высоких значениях П3) минимален при расположении задвижки в середи->е трубопровода, что видно из представленных графиков (рис.6), Полуниных на основании численного расчета по предлагаемой модели.

Таким образом, для снижения вероятности разгазирования потока идкости перекрытие трубопровода при альтернативных вариантах целе-:ообразнее осуществлять задвижкой, расположенной в начале или в

Рис.3 Измененнз давления за задвижкой после ее мгновенного закрытия: а - без разгазирования потока; б - с разгазированием потока.

[Кр] 3

М

3

б

,5

2

О I 2 Л, 0 /

Рис.4 Зависимости необходимого коэффициента запаса давления на конце трубопровода скр] при мгновенном закрытии задвижки:

а - от безразмерного критерия р пси различных значениях П.; б - от безразмерного критерия ПЛ3при различных значениях ?а

Ы

¡0

2

I

Е-ю3

Рис.5 Зависимость необходимого коэффициента запаса давления на конце трубопровода а: ) с? относительной высоты ЕсзЕи-деккости к:

1 - ;тг.: эазоыве стенки ксг-цз тоуСс.тсоводг (1=0 , Т. =0.3};

2 - при мгновенном парекрьг.к трубопровода ! Го=0.8,1/=0.3)

конце трубопровода при его постепенном перекрытии и в начале трубопровода - при мгновенном перекрытии (рис.4-6).

При расположении задвижки в начале трубопровода (То- I), изменить кавитациснный запас системы путем регулирования скорости ее закрытия не представляется возможным (рис.б). При расположении задвижки з конце трубопровода, напротив, мероприятия по плавному перекрытии трубопровода вполне оправданы.

При распространении волны разрежения, вызванной разрывом стенки трубы, в рельефном трубопроводе падеже давления Ар в данном сечении трубопровода определяется ударным перепадом давления Лго, изменением давления вследствие гидравлического сопротивления Др^ и разрыва сплошности потока на возвышенности Др^. В безразмерном виде уравнение баланса падения давления имеет вид

Ар = Др/Д?0 - > + д?а + Др^ . (14)

Построенные зависимости составляющих падения давления от относительной высоты всзвышешости К при различных ?з, к и Тч Срис.7) позволяют сделать следующие выводы:

■ - при разрыве стенки труби обе составлякете &р% и Ар , обусловленные гидравлическим сопротивлением и рзггазированием потока на возвышенности, имеют отрицательные значения и уменьшают падение давления при распространении волны разрежения;

- ■ при незначительных относительных высотах горки й, когда разгазирование' жидкости на возвышенности 1« происходит, изменение давления Ар полностью определяется составляй®?!! начинал с

некоторого критического значения К \г::с.7\ при котором нарушается сплошность потока на горке, з балансе падения давления появляется и составляющая Ар, ; с гостом Ч влияние увеличивается и

я * л.

при некотором значении й=Н„ сое составляющие екссят равный вклад з баланс падения давления. При К;ня преоолздзхаей з балансе ладе-

Jjnin

Ps 2,0

15 1,0

Ь-ои OiSO,

1 1

0 ■ 0,4 ' Ofl lc О u.4 0,8 L O . Qfy 0,8 í ^ ~ „ a) б> - 8> &

Рис.о Зависимость каЕЯтациокного запаса трубопровода ?m¡n от местоположения закрывающейся задвижки Та при различных "к и П^'

а - К = 1.25; б - х = 1.75; в - к =2.5;

й

10 0,5 О

-0.5 -ЬО

а

ШШШР

ч т

% М

1.0 0,5 О

-0,5 -1.0

www iMI Ж

ч|

5 h-10'

<пЗ

4«

fc» -,3 л-кг

стагнации -золны разогжения вследствие разрыва стенки трубопровода (р =1.0):

А - при различных lh (к>2.5): г - Th = 0.1; б - Tv Б - птэи различных к (7 =0.1): а - к = 2 0; о - к

р р Р

расппс-кснцз

= С.З.

кия давления становится составляющая, ^ обусловленная разрывом сплошности потока на возвышенных участках трубопровода. При некотором предельном значении ь = волна разрежения полностью гасится и не' может быть зарегистрирована в верхних сечениях;

- составляющая Дрк увеличивается с ростом высоты возвышенности к и приближением сечения возвышенности к концу трубопровода, с ростом же р и к - уменьшается.

з р

Таким образом, при. проектировании и■ эксплуатации трубопроводов, перекачивающих нестабильные жидкости, необходило учитывать дехпфирушуп способность среды при. разрыве сплошности потопа на возоыи&кносшях, которая хохет полностью гасить амплитуду распространяющейся ст лгста псврехаекиа волни разрехения, ограничивая .ее дальнодействие и тел сслъи затрудняя регистрацию и идентификацию а&лр^2нсй ситуации.

■ _ ВЫЗОЛУ И РЕХОМЕНЛШИИ - I.. Условия, гарантирующие однофззность течения нестабильной жидкости при стационарных режимах.перекачки, недостаточны для сохранения сплошности потока при переходных процессах в трубопроводах, обусловленных выполнением технологических операций. Возникающие волны разрежения могут приводить к зскиланию жидкости и образованию газовых каверн в определенных сечениях трубопровода.

2. Расчет нестационарных процессов по теории, не учитывающей возможность разгззирозаяпя жидкости при распространении волн разрежения, приводит к неточным результатам, как з качественном, так и в количественном отнесениях. Предложенная математическая модель, обобщающая и расширяющая известные теории, позволяет рассчитывать нестационарные процессы и моделировать аварийные ситуации на магистральных трубопроводах, сопровождающиеся разрывом сплошности потока.

3. При расчете разрывов сплошности потока жидкости в трубопроводе недостаточно ограничивать давление в образующейся гззоеой полости дав пением насыщенных паров и веодить разрывы скорости течения, необходимо одновременно учитывать возможные в рельефном трубопроводе разрывы приведенного давления, а также измейение давления в каверне и ее схлопывакие при развитии процесса.

4. Опасное сечение трубопровода, в котором при распространении волн разрежения происходит разрыв сплошности потока, расположено до сечения разрыва стенки трубопровода при его разгерметизации и за сечением задвижки при перекрытии трубопровода.

5. Ео избежание разрыва сплошности потока жидкости при выполнении технологических операций (включение-отключение насосных станций или отводов, открытие-закрытие запорной арматуры и т.п.) следует поддерживать необходимый запас давления на конце трубопровода или ограничивать быстродействие операции. Предлагаемые в диссертации аналитические и графические зависимости позволяют получить условия неразрывности потока жидкости для каждого конкретного случая. -

6. Условия неразрывности нестационарного потока жидкости зависят от типа переходного процесса и эффекта линейного затухания, связанного с перераспределением давления в трубопроводе после прохождения волны разрежения. При перекрытии трубопровода дополнительное падение давления вследствие эффекта линейного затухания может превысить ударный перепад давления.

7. При мгновенном перекрытии трубопровода каЕитационный запас системы 5т1п увеличивается при расположении задвижки в начале трубопровода; при постепенном перекрытии трубопровода р увеличивается при расположении задвижки у одного из концов трубопровода. Мз-

роприятия по регулированию времени закрытия задатки: оправданы только в случае расположения задвижки у нижнего конца трубопровода.

3. Изменение давления в заданном сечении трубопровода при распространении волны разрежения Др определяется начальным ударным перепадом давления и сочетанием двух составляющих, обусловленных гидравлическим сопротивлением Др и возможным эффектом вследствие разрыва сплошности потока на возвышенных участках Др^. Составляющая ДPh при любом ише переходного процесса имеет отрицательное значение и уменьшает падение давления А?. Составляющая Др,,., полностью определяющая изменение давления за фронтом волны при отсутствии разгззирования потока (незначительней высоте возвышенности), имеет положительное значение при закрытии задвижки и отрицательное - при разрыве стенки трубопровода.

9. Разгазирование потока жидкости на возвышенности, приводящее к демпфированию амплитуды еолны разрежения в рельефном -трубопроводе, ограничивает дальность распространения ударной волны и затрудняет идентификацию аварийных ситуаций существующими средствами контроля.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТУ ПО ТЕПЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Адилова М.Д., Алиев P.A. Расчет режимов работы разветвленных трубопроводов для перекачки нестабильных углеводородов. Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Роль молодежи в решении конкретных научно-технических проблем нефтегазового комплекса страны". Кр.Курган, 1989, с.147.

2. Адилова М.Д., Алиев P.A. Определение зон рациональной работы при совместной перекачке нефти и нестабильного конденсата. Тезисы докладов XXI школы-семинара по проблемам трубопроводного транспорта. ВНИИСПТНефть, Уфа. 1989, с.11-12.

3. Адилова М.Д. Некоторые особенности истечения нестабильных углеводородных жидкостей через повреждения в стенке трубопровода. Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Проблемы развития нефтегазового комплекса страны", Кр.Курган, 1991, с.59.

4. Адилова У.Д. Пакет прикладных программ расчета нестационарного течения нестабильных жидкостей в трубопроводах. Экспресс-информация, сер. "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов".-М.: ВНШОЭКГ, 1993.- вып.З, с.1-3.

5. Адилова М.Д., Лурье М.В. Особенности нестационарного течения нестабильных жидкостей в магистральных трубопроводах. "Защита от коррозии и охрана окружающей среды".- М.: ВБГЛОЭКГ, 1993, № 6,

? - давление; ш - скорость; о - расход; 4 - время; й, з, ь, х, х - диаметр.площадь сечения, длина, координата и высота оси трубопровода; р - плотность жидкости; с - скорость еолны; к - высота возвышенности; го, >.н - удаление от конца трубопровод; источника гидроудара и возвышенности; у - объем газовой полости; а - степень открытия (закрытия) задвижки; ~ вРем;

срабатывания и начальная площадь проходного сечения задвижки; 7 - показатель адиабаты; ^ - коэффициент истечения; 5=9.31 м/с; Хо, X; ч0, С - стационарный и нестационарный коэффициент: гидравлического сопротивления трубопровода и задвижки; рп- подпорное давление насоса; Аро - ударный перепад давления; я - урогень жидкости в резервуаре;

а, К, Т То - относительные диаметр трубопровода, высота возвы шенкости, расстояния до возвышенности и источника гидроудара: н = и/х. Т. = г./ь, 1 = г /д;

г. Н <1 а

с^, ь^, с^! а3, ъ3, сз- коэффициенты полинома характеристик насос ной станции и задвижки: Лр = о о2 + ъ о + с .• Г = а а2 + ьа + с

11 1 1 л э э э

с.12-15.

УСЛОВНЫ:: ОБОЗНАЧЕНИЯ