автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Обеспечение технологической безопасности гидравлической системы морских нефтеналивных терминалов в процессе налива судов у причальных сооружений

На правах рукописи

АРБУЗОВ НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МОРСКИХ НЕФТЕНАЛИВНЫХ ТЕРМИНАЛ ОЙВ ПРОЦЕССЕ НАЛИВА СУДОВ У ПРИЧАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ (ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА)

Специальность 05.26.02 - Безопасность в чрезвычайных ситуациях (нефтегазовая промышленность) (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 5 МАР 2015

Москва 2015 г.

005561025

Работа выполнена в ООО «ИМС Индастриз»

Научный консультант:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Лурье Михаил Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сощенко Анатолий Евгеньевич

доктор технических наук Лисанов Михаил Вячеславович

доктор технических наук Швырков Сергей Александрович

Ведущее предприятие: государственное унитарное предприятие Институт проблем транспорта энергоресурсов (ГУЛ «ИПТЭР») г. Уфа

Защита состоится « 23 » апреля 2015 г. в 15.00 час. в ауд. 502 на заседании диссертационного совета Д.212.200.06. при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина, по адресу: Ленинский проспект 65, г. Москва, В-296, ГСП-1,119991.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

Автореферат разослан <_» cjU^fim* 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Россия является крупнейшим мировым поставщиком нефти и нефтепродуктов и объемы поставок продолжают расти. В последние годы наблюдается резкое увеличение строительства новых морских нефтеналивных терминалов. Если в Советской России был всего лишь один крупный морской нефтеналивной терминал в Новороссийске, то только в течение последних 15 лет в современной России построено более 10-ти новых нефтеналивных терминалов, способных принимать и обрабатывать суда дедвейтом до 150 тыс. тонн и выше. География строительства очень широка. Так нефтеналивной терминал в Приморске и четыре терминала в Усть-Луге построены на западе России на Балтийском море, на юге на Черном море продолжается строительство терминала в Тамани и уже более 10-ти лет действует терминал КТК в Новороссийске, прошло несколько лет с момента введения в эксплуатацию терминала в Козьмино на востоке на побережье Тихого океана, на севере на Баренцевом море действует круглогодичный арктический терминал в Варандее, начинается строительство терминала Новый-порт в Карском море и т.д. В строительстве и эксплуатации терминалов задействованы крупнейшие Российские и международные компании, такие как Транснефть, Лукойл, Таманьнефтегаз, Сибурпортэнерго, Роснефть, Газпромнефть, Каспийский трубопроводный консорциум, и др.

С ростом числа морских нефтеналивных терминалов возрастает угроза загрязнения окружающей среды в области морской акватории портов, тем не менее, в настоящее время в России отсутствуют нормативные документы, регламентирующие методы и способы обеспечения технологической защиты действующих и вновь проектируемых терминалов от гидроударных явлений, происходящих в наливных трубопроводах при переходных процессах, вызванных изменением режима налива судов.

Несмотря на то, что в области переходных процессов в трубопроводах известно множество работ ученых: (отечественных) Н.Е.Жуковского, Л.С.Лейбензона, И.А. Чарного, H.A. Картвелишвили, A.A. Сурина, М.А.

Мосткова, П.А. Мороза, Д.Н. Смирнова, С.А. Бобровского, Е.В. Вязунова, М.А. Гусейн-Заде, Г. Д. Розенберга, В.А. Юфина, Л.В. Полянской, М.Г. Сухарева, М.В. Лурье, А.Г. Гумерова, Ш.И Рахматуллина, И.А. Буяновского, В.М. Писаревского, А.Б. Штурмина, Е.Л. Левченко, М.В.Лисанова, и др. (зарубежных) В.Л. Стритера, Д.А Фокса, А.Г. Шапиро, Е.Б. Уайли, Ж. Пармакиана, К.С. Мартина, Г.З. Вотерза, М.Х. Чадри, А.Р. Д. Зорли и многих др., продолжение этих исследований чрезвычайно актуально и сегодня. Наше время характеризуется постоянным усложнением техники и технологии работы различных гидравлических устройств и установок вообще, и морских нефтеналивных терминалов, в частности. Сокращается нормативное время обработки судов у причалов, одновременно увеличиваются производительность и объемы отгружаемой нефти и продуктов ее переработки, как следствие, во много раз возрастает и усложняется уровень автоматизации управления погрузкой. Кроме того, неизменно ужесточаются требования к технической и экологической безопасности погрузки судов.

Критический анализ состояния рассматриваемой проблемы позволил сформулировать общую цель предпринятых исследований, состоящую в развитии методических основ обеспечения технологической безопасности процесса налива судов у причальных сооружений морских нефтеналивных терминалов.

Цель работы - решение комплекса проблем, направленных на обеспечение технологической безопасности процесса налива танкеров у причалов морских терминалов и, прежде всего, на предотвращение аварийных ситуаций путем совершенствования методов и средств защиты наливных трубопроводов этих терминалов от гидроударных явлений, генерируемых штатным или нештатным закрытием запорно-регулирующей арматуры.

Основные задачи исследования. Для достижения сформулированной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

- проанализировать основные причины, приводящие к гидравлическим ударам в трубопроводных коммуникациях морских наливных терминалов;

- дать критический анализ методов и средств защиты нефтяных терминалов от волн высокого давления, а также сделать критическую оценку оборудования, используемого для решения задач защиты;

- сформировать основные требования к технологической безопасности наливной погрузки судов;

- разработать новые методы и способы защиты морских нефтеналивных терминалов от гидроударных явлений;

- разработать теоретические основы расчета систем защиты терминальных трубопроводов от гидравлического удара, и, прежде всего, математическую модель морского наливного терминала, которая позволяла бы с высокой точностью имитировать (моделировать) процесс погрузки судна с детальным учетом всех видов и особенностей работы основного оборудования, а также систем автоматики терминала;

- апробировать и внедрить технологию расчетов в практику проектирования и эксплуатации крупнейших в России морских наливных терминалов, выявив при этом общие закономерности и дав обобщающие рекомендации;

- предложить концепцию оценки потенциального риска, связанного с возникновением гидроударных явлений в процессе погрузки судна на морском нефтеналивном терминале.

Объекты исследования:

- быстро протекающие волновые процессы в разветвленной системе наливных трубопроводах морского терминала при гидравлическом ударе;

- специфические гидравлические характеристики оборудования, влияющие на генерирование волн давления в наливных трубопроводах, в первую очередь, «эффективное время» закрытия запорно-регулирующей арматуры и быстродействие предохранительных клапанов, используемых в системах защиты;

- взаимодействие волн давления в наливном трубопроводе с оборудованием, установленном на терминале, в частности, с системами защиты;

- методы, способы и системы защиты терминалов от гидроударных явлений в рамках разработанной классификации морских терминалов;

- теория, методы и техника численных расчетов безопасной работы наливных коммуникаций морских терминалов.

Предметы исследования:

- трубопроводы морских наливных терминалов различных типов, как действующих, так и проектируемых, различающихся по способу подачи продукта на судно, по типу причального устройства, по виду и свойствам подаваемого продукта;

- трубопроводное оборудование терминалов и технологическая безопасность его использования в процессе погрузки продукта(ов) на судно.

Методы исследования:

- математическое моделирование переходных процессов в разветвленных трубопроводах;

- использование численных методов расчета, разработка нового программного обеспечения и адаптирование существующего к проблеме;

- экспериментальное исследование стационарных и динамических характеристик предохранительных клапанов, используемых в системах защиты.

- корректирование теории по результатам практического внедрения и данным эксплуатации.

Научная новизна работы:

- впервые разработанная классификация морских нефтеналивных терминалов (по способу подачи продукта, по типу причального устройства и по виду отгружаемого продукта и т.д.) позволила предложить более 10-ти новых способов защиты наливных трубопроводов от гидравлического удара;

- в отличие от ранее существовавшей концепции использования лишь причальных систем защиты, развита более общая концепция, предусматривающая как причальные, так береговые и комбинированные (причально - береговые) системы, а также системы с искусственно создаваемыми безнапорными участками;

- разработана новая теория анализа эффективности работы запорной арматуры, используемой в системах защиты терминалов от гидравлического удара, позволяющая сформулировать требования к быстродействию задвижек;

- усовершенствована математическая модель предохранительных клапанов, позволяющая более точно описывать влияние клапана на волновые процессы в наливном трубопроводе и, следовательно, более точно выбирать параметры клапанов и настроечное давление их срабатывания (уставку защиты);

- в противовес существующей предложена новая методика выбора параметров задвижек безопасности и установки этих задвижек вдоль наливного трубопровода, позволяющая секционировать трубопровод так, что аварии, связанные с действием самих задвижек в случае нештатного прекращения погрузки, будут исключены;

- предложена общая концепция оценки риска возникновения опасных гидроударных явлений в системе наливного терминала;

- впервые сформулированы основные научно-практические положения, необходимые для проведения обязательной экспертизы действующих и проектируемых наливных терминалов на безопасность технологических процессов.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные и развитые автором теория, алгоритмы и методы расчета получили широкое внедрение и использованы для проектирования и сооружения систем защиты наливных трубопроводов практически всех основных морских терминалов Российской Федерации.

Развитая автором концепция безопасности морских нефтеналивных терминалов, классификация существующих и возможных систем защиты в совокупности с новыми методами позволяют выбрать оптимальный способ защиты терминала в зависимости от его типа и характерных особенностей, подобрать необходимое оборудование, найти наиболее эффективное место для установки этого оборудования, а также проверить на безопасность все технологические процессы, происходящие на терминале.

Внедрение результатов

В течение последних 19 лет результаты работы автора внедрены более чем на 10-ти действующих морских нефтеналивных терминалах РФ. Автором выполнены расчеты, выбраны схемы и определены требуемые характеристики систем защиты от гидравлического удара следующих морских нефтеналивных терминалов Российской Федерации:

■ /

ОАО «АК Транснефть»:

- морской нефтеналивной терминал «Козьмино» (ВСТО) - комбинированная схема защиты;

- Новороссийский морской нефтеналивной терминал - схема защиты с искусственным созданием самотечных участков в технологическом трубопроводе (погрузка на причалах №№ 1 и 2); схема погрузки с локальным расположением системы защиты на причале (причалы №№ 6 и7);

- морской нефтеналивной терминал «Приморск» (БТС) - схема погрузки с локальным расположением системы защиты на причале.

ЗАО «Таманьнефтегаз»:

- Таманский морской нефтеналивной терминал — комбинированная схема защиты (причалы №№5 и 6).

ОАО «АК Транснефтепродукт»:

- Туапсинский морской нефтеналивной терминал - схема погрузки с локальным расположением системы защиты на причале.

ОАО «Роснефтебункер»:

- морской нефтеналивной терминал «Усть-JIyra» (БТС2) - схема погрузки с локальным расположением системы защиты на причале.

ОАО «Сибурпортэнерго»:

- морской нефтеналивной терминал «Усть-Луга» - схема погрузки сжиженных углеводородных газов (СУГ) с локальным расположением системы защиты на причале.

ОАО «Новатэк»:

- морской нефтеналивной терминал «Усть-Луга» - схема погрузки СУГ с локальным расположением системы защиты на причале.

ООО «Газпромнефть»:

- морской нефтеналивной терминал «Новый-порт» - с выносным причальным устройством.

Кроме того, автором была проведена экспертиза безопасности технологических процессов к гидравлическому удару следующих действующих нефтеналивных терминалов:

- СМНП Усть-Луга;

- СМНП Козьмино.

Информационная основа исследования:

- отечественные и зарубежные литературные и нормативные источники.

Основные результаты работы доложены:

- на IV международной практической конференции «Проблемы и перспективы развития нефтепроводного транспорта Республики Казахстан» г. Ал-маты. 6-9 октября 20 Юг;

- на VI Международном конгрессе Oil terminal 2011 «Транспортировка, хранение и перевозка нефти, сжиженных газов и нефтепродуктов», г. Санкт-Петербург, 24 - 25 ноября 2011г.;

- на X Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», г. Москва, 10-12 февраля 2014г.,

- на 21st WORLD PETROLEUM CONGRESS, Moscow, Russia, June 15 - 19th 2014 (21-м Мировом нефтяном конгрессе, Москва, 2014),

- на технических советах трубопроводных компаний: ОАО «АК «Транснефть», ЗАО «Таманьнефтегазпроект», ОАО «Лукойл», ОАО «Роснефтебун-кер» и др.

На защиту выносится:

- утверждение, что традиционное расположение системы защиты от гидравлического удара на причальном устройстве перед стендерами не обеспечивает технологической безопасности процесса погрузки на нефтеналивном терминале. На примере действующих терминалов показано, что только комплексное исследование безопасности всех технологических операций терминала с учетом действия систем автоматики позволяет сделать вывод о безопасности;

- утверждение, что ранее существовавшее предположение о том, что закрытие судовой задвижки в процессе погрузки судна безопасно, если время ее закрытия равно времени двойного пробега волны давления по наливному трубопроводу, неверно. Вопреки этому доказано, что безопасное время закрытия судовой задвижки может составлять от 3-х и более 10-ти двойного времени пробега волны давления;

- тезис о том, что формирование в наливном трубопроводе самотечных участков (т.е. течений с неполным заполнением трубы) при напорно-безна-сосной схеме подачи продукта на судно позволяет значительно снизить последствия гидравлического удара и тем самым минимизировать параметры причальной системы защиты;

- предложение использовать комбинированные системы защиты (т.е. с береговой и причальной составляющими) от гидравлического удара позволяет

значительно повысить уровень безопасности работы терминалов и, одновременно, минимизировать параметры причальных систем защиты (СЗГУ);

- технологическое решение о том, что быстродействующий запорный кран является эффективной альтернативной СЗГУ на базе предохранительных клапанов и может использоваться для защиты терминалов с выносными причальными устройствами, на которых невозможно расположить стандартные СЗГУ;

- утверждение об опасности нерасчетной установки задвижек безопасности, секционирующих наливной трубопровод. Показано, что несогласованное закрытие задвижек безопасности в процессе погрузки судна может привести к гидравлическому удару и к разгерметизации трубопровода. Система секционирования будет эффективна и безопасна лишь тогда, когда принятая расстановка задвижек безопасности по длине наливного трубопровода согласована с началом их закрытия, а также с быстродействием задвижек безопасности;

- тезис о том, что эксплуатация морских нефтеналивных терминалов, которые не оборудованы системами защиты от гидравлического удара и не проходили экспертизы на технологическую безопасность, рано или поздно приведет к аварии, чреватой экологической катастрофой.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 32 научных работы, в том числе сделаны 4 доклада на конгрессах и конференциях, получено 3 патента, опубликовано 19 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 311 страницах текста, включает в себя 11 таблиц, 93 рисунка, список литературы из 151 наименования, 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выполняемых исследований и темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследования, показаны научная новизна работы и ее практическая значимость.

В первой главе дан обзор современного состояния проблемы технологической безопасности погрузки нефти и нефтепродуктов на морских нефтеналивных терминалах. Приводится описание основного оборудования терминала, задействованного в процессе налива и влияющего на технологическую безопасность погрузки нефти и нефтепродуктов на судно.

Разработана классификация терминалов, которая позволяет выбрать способы и методы обеспечения защиты от гидравлического удара. Как видно из приведенной на рисунке 1 схемы классификации терминалов, применяемые методы защиты от гидравлического удара зависят от типа отгружаемого на терминале продукта (нефти, нефтепродукты и сжиженные углеводородные газы), от способов транспортировки (безнасосного, насосного, комбинированного и самотечного) продуктов на судно, а также от места расположения причальных устройств на терминалах (на молах и пирсах, на причальных стенках и на выносных причальных устройствах). Особенностям защиты от гидравлического удара морских нефтеналивных терминалов относящимся к различным разделам приведенной классификации посвящены специальные главы и параграфы представленной работы.

Дан критический анализ экспериментальных и теоретических исследований в области защиты гидравлических систем от волн повышенного давления. Проанализированы преимущества и недостатки большинства известных средств защиты от волн давления; выполнен также критический анализ патентной информации. Рассмотрены работы наиболее известных отечественных исследователей в области теории переходных процессов в трубопроводах И.А. Чарного, H.A. Картвелишвили, A.A. Сурина, М.А. Мосткова, П.А. Мороза, Д.Н. Смирнова, С.А. Бобровского, Е.В. Вязунова, М.А. Гусейн-Заде, М.В. Лурье, Л.В. Полянской, М.Г. Сухарева, В.А. Юфина, А.Г. Гумерова, Ш.И Рахматуллина, Г.Д.

Розенберга, И.А. Буяновского, В.М. Писаревского, А.Б. Штурмина, E.JI. Левченко и др., а также зарубежных исследователей В.Л. Стритера, Д.А Фокса, Е.Б. Уайли, Ж. Пармакиана, К.С. Мартина, Г.З. Вотерза, М.Х. Чадри, А.Р. Д. Зорли и др. Дан анализ экспериментальных и теоретических исследований средств защиты от волн давления, выполненных О.М. Науменко, Б.И. Голосовкером, В.И. Голосовкером, О.Н. Рыжевским, Ю.В. Крыловым, Ю.М. Дронговским, A.M. Стайном, Л.В. Полянской и др.

Рисунок 1. Схема классификации морских нефтеналивных терминалов

Анализ теоретических и экспериментальных работ показал, что теория переходных процессов применительно к магистральным трубопроводам достаточно развита, но остается ряд проблем, связанных с выбором методов и способов защиты, а также с моделированием современных систем защиты от гидравлического удара на морских нефтеналивных терминалах.

В частности, В.Л. Стритер и А.Р.Д. Зорли исследовали переходные процессы, вызванные внезапным закрытием задвижки на нефтяном танкере во время его погрузки. Показано, что в данном процессе возникает опасность превышения допустимых давлений подводящих трубопроводов, а это может привести к разрыву трубы. Однако до настоящего времени подробных исследований по выбору места размещения и оптимизации параметров систем защиты не проводилось.

Выполненный анализ характеристик устройств защиты от гидравлического удара, таких как разрывные мембраны, показал, что они малопригодны для использования в составе системы защиты современных морских нефтеналивных терминалов. Разрывные мембраны не экологичны и требуют замены после каждого срабатывания. Кроме того, практически мгновенный разрыв мембраны сопровождается крутым фронтом волны разряжения, прохождение которой по наливному трубопроводу может приводить к высоким нагрузкам на опоры и представлять серьезную опасность к целостности как опор, так и непосредственно наливного трубопровода.

Пружинные клапаны имеют небольшую пропускную способность и склонны к возбуждению автоколебаний.

В настоящее время широкое распространение в России и за рубежом получили системы защиты с газовыми пружинами, выполненные на базе предохранительных клапанов типа «Данфло» (см. рисунок 2). В качестве «пружины» для этих клапанов используются газовые ресиверы.

В отличие от обычной пружины главными достоинствами газовой пружины являются ее небольшие габариты, что позволяет разместить ее в любом удобном месте у клапанов, а также выполнить точную настройку установочного давления системы защиты. Благодаря использованию газовой пружины, клапан типа «Данфло» обладает гораздо большей пропускной способностью по сравнению с обычным пружинным клапаном того же типоразмера. Системы защиты,

Рисунок 2. Предохранительный клапан типа «Данфло»

1 Поршень 2 Посадочное уплотнение 3 Канал перепуска продукта 4 Газовая полость (газовая пружина) 5 Узел подключения ресивера

выполненные с использованием клапанов «Данфло» используются для обеспечения технологической безопасности погрузки на таких современных морских нефтеналивных терминалах, как «Козьмино», «Приморск», «Новатек Усть-Луга» и др. На терминале «Сибурпотрэнерго Усть-Луга» клапаны «Данфло», используются в составе СЗГУ при погрузке сжиженных углеводородных газов (СУГ).

Во второй главе излагается теория моделирования переходных процессов в наливных коммуникациях морских нефтеналивных терминалов. Отличительная особенность этих коммуникаций от магистральных нефтепроводов состоит в том, что в коммуникациях терминалов установлено значительное число регулирующих и управляющих устройств, призванных обезопасить работу терминала, поэтому протекание нестационарных процессов в таком трубопроводе определяется большим числом факторов, в частности, особенностями и характеристиками установленного оборудования. В главе излагаются теоретические основы переходных процессов в нефтепроводных коммуникациях, используемые в дальнейшем в качестве исходного базиса для исследования безопасности работы терминалов.

В основе методов, исследуемых в диссертации, лежит система уравнений, описывающих нестационарное движение вязкой слабо сжимаемой жидкости в трубопроводе.

где Р(х,1) и и(л,г)-давление и скорость жидкости, соответственно; р0 - плотность жидкости; с- скорость звука; <р(и,х)=р0и\и\/2с{0 + р0£'5та(х)- функция „и х; Л - коэффициент гидравлического сопротивления; а(х)~ угол наклона оси трубопровода к горизонту.

Приведенная система уравнений решается методом характеристик. В качестве краевых условий используются соотношения, полученные из условий моделирования закрытия судовых задвижек, перепуска нефти через предохранительные клапаны и резервуарного парка.

0)

Ми) У /У. + /V ' Л*.

-йс-а1*'.», - р,,., - ас-«,,.., -Ат,

¿О

Рисунок 3. Модель расчета предохранительного клапана

При моделировании работы предохранительного клапана (рисунок 3), степень его открытия определялась балансом сил на рабочем элементе (поршне); учитывались также следующие параметры:

- уставка защиты, определяющая давление срабатывания сбросного клапана;

- увеличение давления в трубопроводе от момента срабатывания сбросного клапана до момента его полного открытия;

- противодавление со стороны сбросной емкости обусловлено потерями давления в отводящем трубопроводе и взливом нефти в сбросном резервуаре;

- коэффициент расхода сбросного клапана, являющийся функцией хода поршня.

В соответствии с разработанной математической моделью создан программный комплекс, позволяющий рассчитывать переходные процессы в гидравлической системе морского нефтеналивного терминала.

Рисунок 4. Технология компьютерного моделирования

Из представленного на рисунке 4 примера моделирования морского нефтеналивного терминала видно, что расчетная модель (справа) с высокой подробностью описывает фактическую схему (слева) погрузки нефти и нефтепродуктов на терминале, что позволяет значительно повысить точность выбора характеристик и параметров настройки применяемых на терминале систем защиты от гидравлического удара.

В третьей главе представлено исследование трубопроводной системы нефтеналивного терминала на безопасность к гидравлическому удару. Раз-

ветвленная сеть наливных трубопроводов современного терминала оборудуется большим количеством запорно-регулирующей арматуры самого различного назначения. Изменение положения рабочего элемента запорно-регули-рующей арматуры в процессе погрузки судна сопровождается волновыми процессами. Показано, что полное закрытие даже медленно в течение нескольких минут закрывающейся задвижки может привести к гидравлическому удару и к разгерметизации трубопроводной системы терминала.

Безопасное закрытие судовых задвижек. В процессе погрузки судна закрытие судовых задвижек, а также вызванное подвижкой судна у причалов закрытие встроенных в стендерные устройства задвижек дрейфовой безопасности, является одной из самых распространенных причин гидравлического удара. Поэтому в работе особое внимание уделено вопросу безопасного закрытия судовых задвижек во время налива судна с максимальной производительностью.

Оценка безопасного времени закрытия судовых задвижек была выполнена с использованием численного эксперимента, в котором исследовалась зависимость безразмерного комплекса (Дртл -Ар„)/ри0с - максимального превышения давления перед задвижкой над его статическим значением от ряда определяющих параметров:

'-7'->Ы (2)

{<1 с 21/с) к '

РЩС

Здесь ри0с - амплитуда волны гидравлического удара; а безразмерный коэффициент к является функцией эффективной длины /ЭД/ трубопровода, скорости о0/с (или, что тоже - расхода) жидкости в трубопроводе, а также времени г='з/(2'/с) закрытия судовых задвижек. В результате выполненного анализа получены зависимости (см. рисунок 5) относительного максимального повышения давления (Арт„ -¿р„)/ри0с перед стендерами от безразмерного времени г=/,/(2//с) закрытия судовых задвижек, показывающие, во сколько раз время I,

Относительное время закрытия задвижки

Г* д=5000 • д=7400 ♦ д=9200 -у=А+В'ехр(С*х) |

Рисунок 5. Зависимость относительного максимального давления от безразмерного времени закрытия задвижки при различных расходах

закрытия задвижки больше времени 21/с двойного пробега волной давления расстояния от задвижки до резервуарного парка.

Выполненные исследования показали, что относительное максимальное повышение давления слабо зависит от расхода нефти: расчетные точки ложатся практически на одну и ту же кривую. Аналогичные результаты были получены при варьировании протяженности трубопровода. Следовательно, выбранный для исследования безразмерный комплекс к практически не зависит ни от производительности погрузки нефти, ни от протяженности наливного трубопровода.

Таким образом, можно сделать вывод, что относительное максимальное повышение давления определяется, главным образом, временем закрытия задвижки и ее гидравлической характеристикой.

Для оценки максимального повышения давления предложена аппроксима-ционная формула

= 1,1 • ехр (- 0,28 г), (3)

ри0с

в которой г показывает, во сколько раз время закрытия судовой задвижки должно превышать время 21/с двойного пробега волной давления расстояния от судовых задвижек до резервуарного парка.

Согласно проведенным исследованиям, безопасное для наливного трубопровода время закрытия судовых задвижек должно значительно, от 2 до 10 и более раз превышать двойное время пробега волны давления от стендеров до ре-зервуарного парка и обратно. В большинстве случаев безопасное время закрытия задвижек значительно превосходит фактическое быстродействие судовых задвижек, которое составляет от 5 с до 20 - 30 с, и тем более время полного закрытия задвижек дрейфовой безопасности: от 3 до 8 с. Следовательно, причальные устройства нефтеналивных терминалов должны быть оборудованы системой защиты от гидравлического удара.

Эффективное время закрытия задвижки. Очевидно, что безопасное время закрытия задвижки непосредственно зависит от продолжительности ее эффективного воздействия на поток, которое составляет лишь небольшую часть времени полного закрытия. Под эффективным временем закрытия задвижки принимается интервал времени конечного этапа закрытия задвижки, в течение которого расход нефти через трубопровод снижается с 90+95% от начального значения <70 до нуля. Именно в этот промежуток времени снижение расхода сопровождается формированием в трубопроводе волны давления.

Исследования показали, что задвижка начинает существенно влиять на поток жидкости, текущей через нее, начиная с того положения 6 ее закрытия, для которого выполняется неравенство:

= (4)

- лфАС Х^Г

В зависимости от площади ^ проходного сечения трубопровода, расхода д^ транспортируемой жидкости, ее плотности р0 и скорости с звука для каждого конкретного наливного трубопровода существует критическое значение С^р коэффициента расхода, которое не зависит от типа полнопроходных задвижек, устанавливаемых на данный трубопровод. Эффективное воздействие закрывающейся задвижки на поток жидкости в трубопроводе начинается с момента времени, когда значение Су (0) ее коэффициента расхода снижается до критического значения Су (в') = Су. Показано, что эффективное время задвижки может

3.5

3.0

с 2.6 г

I 2.0 «

£

а 1.5 1.0 0.5 0.0

X 1 |\

\ ¡\

\ | у

\ ! А

\ 1 /

\ ✓г

1 \

16000 14000 12000 10000 ^ 8000 3 6000 а 4000 2000

80 100 110 120 130 140

0 10 20 30 40 50 60 70

бремя, с

--Положение -Давление леред идвижкой -Расход

Рисунок 6. Изменение расхода и давления перед шиберной задвижкой

составлять 10% и менее процентов от паспортного времени полного закрытия задвижки.

На примере Новороссийского нефтеналивного терминала показано, что при погрузке судна с производительностью 14000 м3/час по трубопроводу Ду 1000 даже медленное в течение 2х минут закрытие секущей шиберной задвижки будет сопровождаться гидравлическим ударом с повышением давления до уровня 3,8 МПа (синяя линия на рисунке 6), который значительно превышает допустимое максимальное рабочее давление 1,6 МПа. Таким образом, вся установленная на наливном трубопроводе терминала запорно-регулирующая арматура должна пройти проверку на технологическую безопасность. При оценке технологической безопасности закрытия задвижки необходимо учитывать эффективное время ее закрытия.

Особенности использования задвижек безопасности. Несмотря на целесообразность использования системы секционирования наливного трубопровода, экстренное закрытие задвижек само по себе небезопасно и может породить гидравлический удар со скачком давления, превышающим максимальный допустимый уровень давления при переходном процессе.

Показано, что система секционирования будет эффективна и безопасна лишь в случае, когда принятая расстановка задвижек безопасности по длине

наливного трубопровода согласована с началом их закрытия, а также с быстродействием задвижек безопасности. При скорости и0 потока и начальном рабочем давлении перед задвижками рЗБ для допустимого уровня давления рдоп допустимое расстояние 1Ы между двумя последовательными задвижками безопасности с различным значением , и , эффективного времени закрытия должно удовлетворять неравенству:

шш^,^,}-^'^). (5)

ри0с

На рисунке 7 показана упрощенная схема расстановки по предложенной методике четырех задвижек безопасности =357м, Ь2 = 829м, Ьъ =962м , А, = 1120 м).

Рисунок 7. Упрощенная схема морского нефтеналивного терминала с задвижками безопасности.

Графики изменения давления по длине наливного трубопровода в процессе расчета одновременного закрытия задвижек безопасности за Юс при погрузке нефти с производительностью <70 = 14000 м3/ч показаны на рисунке 8.

Рисунок 8. Распределение максимального давления по длине трубопровода при закрытии задвижек безопасности.

Из графиков, приведенных на рисунке 8, следует, что в случае, когда по какой-либо причине одна из задвижек безопасности не закрывается, максимальное давление переходного процесса МДПП (фиолетовая линия) на многих участках наливного трубопровода превышает максимальное допустимое значение МДЦПП (красная штриховая линия). Таким образом каждая задвижка безопасности должна пройти проверку на технологическую безопасность. Либо в случае самопроизвольного закрытия одной из задвижек безопасности автоматикой должно быть обеспечено одновременное гарантированное закрытие всех остальных задвижек безопасности.

Основные этапы экспертизы эффективности защиты от гидравлического удара действующего морского нефтеналивного терминала. Несмотря на то, что в настоящее время практически все без исключения нефтеналивные

терминалы оборудуются системами защиты от гидроудара (СЗГУ) на практике еще не редко приходится сталкиваться с ситуациями, когда заложенные в объект на этапе проектирования средства защиты от гидроудара не обеспечивают в полной мере безопасных условий эксплуатации терминала. Как правило, это связано с тем, что при проектировании терминала на этапе выбора способа защиты от гидроудара, места расположения предохранительных клапанов и сбросных емкостей, а также при расчете параметров СЗГУ отсутствуют в полном объеме данные по гидравлической системе терминала (например, отсутствуют данные по трубопроводной обвязке предохранительных клапанов и сбросных емкостей), не отработана технология налива, не разработаны «Карты технологических защит», в соответствием с которыми настраивается система автоматики по защите терминала от гидроудара, и т.д., поэтому в работе анализируется последовательность обследования трубопроводной системы морского терминала на безопасность к гидравлическому удару, а также выбора способов и методов защиты.

На примере проведения экспертизы эффективности защиты действующего морского нефтеналивного терминала показано, что обследование действующих терминалов на безопасность к гидравлическому удару при нестационарных процессах, вызываемых различными штатными и нештатными ситуациями в ходе выполнения различных технологических операций, позволяет выявить узкие места и внести уточнения как в технологические процессы, так и в параметры настройки действующих систем защиты от гидроудара (СЗГУ) и задвижек безопасности. Показано, что на безопасность к гидравлическому удару необходимо проверять все технологические операции, связанные с транспортировкой нефти и нефтепродуктов по трубопроводам: это в первую очередь процессы погрузки судов у причалов, а также операции по внутрипарковой перекачке и по приему нефти в резервуарный парк из магистрального нефтепровода.

В четвертой главе исследуются особенности защиты терминала с традиционным расположением системы защиты от гидравлического удара

(СЗГУ) у причального устройства. Однако даже такой традиционный для морских терминалов способ защиты имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании.

Предпроектная оценка параметров системы защиты морского нефтеналивного терминала от гидравлического удара. Причал - это сложное гидротехническое сооружение, насыщенное различным оборудованием для обработки судов. На рисунке 9 показан пример причального сооружения одного из действующих терминалов, на котором белыми окружностями указаны предохранительные клапаны. Из рисунка 9 понятно, что уже на первых этапах проектирования причальных сооружений необходимо иметь возможность оценить требуемые размеры площадки, которую нужно выделить под размещение СЗГУ, т.е. под предохранительные клапаны и сбросную емкость.

Рисунок 9. Пример размещения предохранительных клапанов на морском нефтеналивном терминале

В работе показано, что при известных параметрах наливного трубопровода (площадь проходного сечения F и длина L) и заданных максимальной производительности погрузки qQ судна и максимального допустимого рабочего давле-

настр

ния Рсзгу с помощью упрощенного метода характеристик расход qn o перепуска нефти из внутренней полости наливного трубопровода в сбросной резервуар определяется по формуле.

9п.о = -Р«,о)=?о -— b»Sr ~(Ро(6)

рс рс

Зная расход <7П0 несложно выбрать типоразмер и определить требуемое количество предохранительных клапанов. Объем Усзгу нефти, перепускаемой через СЗГУ при гидравлическом ударе, можно определить по формуле:

Vc]ry=2£u-fiq„J,2M, (7)

/=о

где п- количество временных интервалов / перепуска нефти через СЗГУ протяженностью 2Д/ = 2¿/с, в течение которых расход сброса нефти

остается постоянным.

max

На рисунке 10 приводится сравнение значения Чсз1У максимального расхода сброса нефти через СЗГУ, определенное по приближенной формуле (6), с соответствующим значением, полученным при расчете нестационарных процессов с использованием компьютерной программы, Зеленой линией на рисунке 10 показан график изменения расхода qnj через предохранительные клапаны СЗГУ, полученный на основе более точных компьютерных расчетов; красная штриховая линия соответствует изменению этого расхода через СЗГУ найденного по предлагаемой приближенной методике. Относительная погрешность а, определения расхода д^-у сброса нефти по предлагаемой упрощенной методике для рассмотренного в работе примера составила примерно 8%. Погрешность <ту оценки объема Vary сброса нефти через СЗГУ, составила 12%.

10 15 20 25 30 35 40 45 Время, с

—Давление перед СЗГУ

-Расходчерез СЗГУ

Расчетное значение расхсща через СЗГУ

Рисунок 10. Сравнение значений давления и расхода нефти через клапаны СЗГУ, найденные по приближенной методике (пунктирная линия) и полученное при более точных компьютерных расчетах (сплошная линия)

Влияние значения уставки давления предохранительных клапанов на эффективность системы защиты от гидроудара. В данном разделе работы показано, как некорректно выбранные параметры настройки СЗГУ приводят к значительному увеличению ее габаритов, что нередко превращает процесс размещения СЗГУ на причале в неразрешимую проблему

Показано, что необоснованное занижение уставки давления сра-

батывания предохранительных клапанов СЗГУ приводит к преждевременному срабатыванию предохранительных клапанов и значительному увеличению расхода сброса (см. (6)). Увеличение расхода при одновременном снижении перепада давления приводит к необходимости увеличения количества клапанов, а также к увеличению объема сбросной емкости. На примере показано (см. рисунки 11 и 12), что уменьшение настроечного давления срабатывания СЗГУ с 2,0 до 1,0 МПа ведет к необходимости увеличения объема сбросной емкости в 6 раз при одновременном увеличении количества предохранительных клапанов в составе СЗГУ в 2 раза.

2

1 0.6

Т К

И

гА~л

10000

8000 £

X

|

6000 $

20 40 60

100 120 140 160 180 200 Время, с

—Давление перед СЗГУ -Расход через судовые задвижки -Расход через СЗГУ

Рисунок 11. Изменение расхода и давления перед стендерами при гидроударе. Клапаны СЗГУ срабатывают при давлении 1,0 МПа

Время, с

—Давление перед СЗГУ —Расход через судовые задвижки —Расход через СЗГУ

Рисунок 12. Изменение расхода и давления перед стендерами при гидроударе. Клапаны СЗГУ срабатывают при давлении 2,0 МПа.

Следует отметить, из сформулированного утверждения не следует, что увеличение давления срабатывания СЗГУ всегда оптимально. Так если давление срабатывания СЗГУ велико, то в трубопроводе формируется волна давления с большой амплитудой, что может привести к превышению максимального допустимого рабочего давления на береговом участке трубопроводной системы.

Особенности защиты многопричальных нефтеналивных терминалов от гидравлического удара. На примере Новороссийского МНТП показано, что на проложенных на пирсе вдоль нескольких причальных устройств наливных трубопроводах нет необходимости устанавливать систему защиты от гидроудара у каждого причала.

Схема многопричального терминала приведена на рисунке 13.

ВР-Р

СИКН

берег

Море

£ Н /Н М ЗДБ

с

Рисунок 13. Схема погрузки танкеров на многопричальном пирсе

Допустимое расстояние ¡^, на которое СЗГУ может быть удалена от расположенного в конце пирса причала №1 должно удовлетворять неравенству:

™ - с АрГ .. (рГ -р"^1)

Чч/'У - 2 {До/Д/£ 2/я,о ^ (8)

которое позволяет оценить /д^у максимальное допустимое расстояние между СЗГУ и судовыми задвижками как функцию режима погрузки, быстродействия запорной арматуры, допустимого уровня давления и принятых параметров настройки СЗГУ. Показано, что в случае 3-х причальной системы налива нефти размещение СЗГУ у ближнего к берегу причала не обеспечивает защиту терминала при гидравлическом ударе, вызванном экстренным прекращением погрузки на причале №2 (из-за чрезмерного увеличения давления в концевом участке трубопровода у причала №1). Тем более не обеспечивается защита причала №1 из-за слишком большого удаления от него СЗГУ.

-Б50м 12000т/час -650м 10000т/час -850м ЗОООт/час - -МДДПП

Рисунок 14. Распределение максимального давления по длине трубопровода на пирсе при размещении СЗГУ у причала №1

4500 Длина, м

Доказано, что в случае многопричальной системы налива нефти на суда размещение СЗГУ у причала в конце пирса является наиболее предпочтительным. На рисунке 14 показано распределение максимального давления переходного процесса по длине расположенного на пирсе наливного трубопровода ДуЮОО (зеленая линия), вызванного закрытием судовых задвижек в процессе погрузки судна на причале №3 с производительностью 8000 м3/ч. Из графиков на рисунке 14 видно, что СЗГУ, расположенная в конце пирса у причала №1, ограничивает давление в трубопроводе у расположенного на расстоянии 850 м причала №3 в пределах допустимого уровня.

Показано, что для обеспечения защиты от гидравлического удара многопричального терминала требуемое количество СЗГУ может меньше числа причальных устройств, обслуживаемых с использованием одного наливного трубопровода.

Защита трубопроводов морских нефтеналивных терминалов от гидравлического удара с помощью береговой компенсаторной емкости. Показано, что при невозможности размещения СЗГУ непосредственно на причале одним из вариантов одним из вариантов защиты терминала от гидравлического удара является установка сбросного резервуара не на самом причале, а на берегу (см. рисунок 15). В этом случае компенсатором гидравлического удара выступает сам отводящий трубопровод.

рмервуарный парк

i i * налив н сй трубопровод : |

Г" насос

: ::::

PC

кп

Рисунок15. Схема защиты морского нефтеналивного терминала: РС — компенсаторный резервуар; КП - предохранительный клапан

Эффективность рассматриваемой системы и выбор необходимого диаметра отвода были выполнены на основе расчетной схемы, изображенной на рисунке 16.

°0 Ро р, и,2 и-

..........1

Р ~ Ро и-0 т ■НН

Рисунок 16. Схема распада волны гидравлического удара на две волны.

Если учесть, что в соответствии с формулой Н.Е. Жуковского без отводящего трубопровода скачок давления в основном наливном трубопроводе равнялся бы р„си0, то уменьшение 8\р\ скачка давления при наличии отводящего трубопровода составляет величину

ё\р\ = Ы -рсц, = АСЧ • ,2 • (9)

л?, +с?2

где и.„и,2 - скорости жидкости в нефтеналивном и отводящем трубопроводах после распада волны гидравлического удара; - внутренние диаметры наливного трубопровода и отвода, соответственно; с - скорость волн гидравлического удара. Иными словами, чем больше отношение диаметров отводящего и основного трубопроводов, тем больше уменьшение ударного давления в нефтеналивном трубопроводе. В частности, если =</, это уменьшение составляет 50%.

На примере расчета защиты наливного трубопровода Ду530 мм с помощью отводящего трубопровода показано, если отводящий трубопровод имеет диаметр 377 мм, то максимальное давление снижается с 3,0 до 1,9 МПа; для

трубопровода с диаметром 530 мм - в 2 раза до 1,5 МПа; для трубопроводов с большими диаметрами 720 и 1020 мм - до 1,2 и 0,9 МПа, соответственно.

время, с

р—Р=377х7мм, —Р=530х8мм, —Р=720х10мм. —Р=1020х10ым |

Рисунок 17. Изменение давления у задвижки при наличии защитной системы для отводящих трубопроводов с различными диаметрами

Таким образом доказано, что конструкция трубопровода морского нефтеналивного терминала с отводящим трубопроводом от причала к береговому компенсаторному резервуару, способна защитить наливной трубопровод от недопустимых перегрузок при быстром закрытии секущей задвижки. Использование такой конструкции позволяет устанавливать емкости, предназначенные для экстренного сброса части нефти в случае гидравлического удара, не на причале, где существует дефицит свободного пространства, а на берегу.

Особенности определения параметров системы защиты от гидроудара при погрузке сжиженных углеводородных газов. Показано, что не смотря на относительно низкую плотность (р = 480 ч- 600 кг/м3) сжиженного углеводородного газа терминалы по погрузке СУГ также необходимо оборудовать системами защиты от гидравлического удара. Уровень увеличения давления в газоналивном трубопроводе морского терминала, вызываемый гидравлическим ударом при остановке погрузки СУГ, в значительной степени определяется физическими свойствами СУГ, которые, в свою очередь, зависят от

способа сжижения газа и типа танкера, используемого для его транспортировки.

Рисунок 18. Погрузка танкера-газовоза на морском наливном терминале.

Газовоз - это судно (см. рисунок 18), предназначенное для перевозки СУГ (пропана, бутана или их смеси). Газы транспортируют в цистернах (танках) 1) под давлением, 2) либо сильно охлаждёнными 3) либо при небольшом охлаждении и сжатии (см. табл. 1).

Таблица 1. Типы танкеров для перевозки СУГ

Тип танкера Танкеры с резервуарами ПОД давлением Танкеры с теплоизолированными резервуарами под пониженным давлением Танкеры с теплоизолированными атмосферными резервуарами (изотермические)

Давление СУГ, МПа 1,6 0,3....0,6 0,1

Температура СУГ. "С + 45 -5....+3 - 40 (пропан)

Показано, что при атмосферном давлении и температуре - 42,5 °С модуль упругости К охлажденного пропана (см. рисунок 19) достигает значения 1,2 х 105 Па и совпадает с модулем упругости нефти и нефтепродуктов (1,2 — 1,5) X 105 Па. Плотность СУГ примерно на 20-30% ниже плотности нефти, следовательно скорость распространения волн давления с =

1 /у/р/К + рс1/Е5, где й — внутренний диаметр трубопровода (м); 5 — толщина его стенок (м); Е — модуль упругости материала трубы (для стали Е ~

2 X 105 МПа), примерно на 10-15% превышает скорость звука нефти и нефтепродуктов.

Рисунок 19. Зависимость модуля упругости от температуры: для бутана (синяя линия) и для пропана (красная линия)

Следовательно, при торможении потока СУГ, движущегося в трубопроводе со скоростью и0, в соответствии в формулой Н.Е. Жуковского повышение давления, равное произведению р • с - и0, практически совпадает с уровнем повышения давления при гидравлическом ударе в других нефтепродуктах. Следует учитывать, что в условиях холодной русской зимы свойства СУГ «под давлением» (плотность и модуль упругости) будут приближаться к свойствам «охлажденного» СУГ.

Таким образом, свойства СУГ как капельных жидкостей, хотя и отличаются от свойств нефти и нефтепродуктов, но все же достаточно близки к ним как по плотности, так и по коэффициенту сжимаемости, поэтому при погрузке СУГ опасностью возникновения гидравлического удара в наливных трубопроводах морских терминалов нельзя пренебрегать.

В пятой главе показано, что способы защиты морских нефтеналивных терминалов от гидравлического удара во многом диктуются особенностями, которые представлены в приведенной выше классификации терминалов.

Защита морского нефтеналивного терминала от гидроудара с использованием комбинированной СЗГУ. Показано, что в условиях ограниченного пространства, не позволяющего расположить полноразмерное СЗГУ у причального устройства (см. рисунок 20), решение проблемы может быть найдено с помощью использования комбинированной системы защиты от гидравлического удара.

Комбинированная система защиты от волн гидравлического удара, включает в себя как береговую, так и причальную системы защиты. Настройка этих систем выполняется специальным образом, позволяющим

Рисунок 20. Схема напорно-безнасосной погрузки судна РП - резервуарный парк; У РД - узел регулирования давления; УУ - узел учета;

БСЗ - береговая система защиты; ПСЗ - причальная система защиты;

СЗ - судовые задвижки; ТЕ - танкерная емкость.

фактически разделить технологический трубопровод морского терминала на два независимых участка, причальный и береговой. В результате достигается значительное снижение объема причальной сбросной емкости и количества устанавливаемых на причале предохранительных клапанов, и обеспечивается надежная защита трубопроводного оборудования, как на причале, так и на берегу. В настоящее время подобные комбинированные системы защиты от волн гидравлического удара установлены и прошли апробацию на морских нефтеналивных терминалах портов Новороссийск и Козьмино.

Необходимость в комбинированной системе защиты от гидравлического удара возникает в двух случаях: во-первых, когда причальная система защиты не

РП

в состоянии обеспечить защиту трубопровода и оборудования, расположенного на береговой части терминала, и, во-вторых, когда использование для защиты морского терминала лишь ПСЗ невозможно из-за необходимости размещения на причале слишком большой по объему сбросной емкости. Существует два основных требования к настройке предохранительных клапанов БСЗ и ПСЗ. Первое условие настройки БСЗ - настроечное давление БСЗ должно быть ниже настроечного давления ПСЗ, т.е. < рпсз. Второе условие настройки БСЗ - настроечное давление БСЗ должно быть выше гидростатического давления столба нефти в трубопроводе между резервуарным парком РП и БСЗ рЕа > рфрп • В этом случае при завершении переходного процесса предохранительные клапаны закроются, и перепуск нефти в сбросную емкость БСЗ прекратится. В противном случае возникает угроза переполнения береговой сбросной емкости.

Между двумя приведенными условиями настройки существует оптимальное значение р™, настроечного давления предохранительных клапанов БСЗ. В результате проведенного анализа для комбинированной системы защиты морского нефтеналивного терминала указаны оптимальные места размещения предохранительных клапанов ПСЗ и БСЗ и определены их оптимальные настройки, обеспечивающие минимальный объем сбросных емкостей. Так, например, выражение для оптимального настроечного давления предохранительных клапанов БСЗ зависит от настройки клапанов ПСЗ и имеет вид:

Р™ = Р7сэ .izlg + rfriol, (10)

I+Фя-З 1 + Фягз

где безразмерная величина скачка давления 8р°™, при открытии предохранительного клапана ¿рьг:3 = \рвз )! Рвез ■

На рисунке 20 приведены графики с результатами расчета переходного процесса на терминале «Козьмино» с локальной СЗГУ, расположенной перед стендерами. Из графиков следует, что при гидравлическом ударе, вызванном закрытием судовых задвижек за 5 с, в процессе погрузки судна с производительностью 14000 м'/ч предохранительные клапаны ПСЗ ограничивают давление перед стендерами на уровне 1,71 МПа, что не превышает допустимого уровня давления при переходном процессе. Однако давление перед узлом учета (сплошная линия на рисунке 21) повышается до 2,10 МПа при допустимом значении давления 1,'76 МПа.

Время, сек

| — Давление перед стендерами —Давление перед УУ — Расход через стендеры — Расход через ПСЗ |

Рисунок 21. Остановка погрузки судна закрытием задвижек дрейфовой безопасности за 5 с. (3 = 14000 м3/час. Система защиты от гидроудара расположена на причале перед задвижками дрейфовой безопасности и настроена на 1,6 МПа.

При использовании комбинированной системы защиты от гидравлического удара объем нефти, перепускаемый в причальную сбросную емкость, составил 10 м3 вместо 17 м1 в варианте с использованием одной только ПСЗ. Таким образом, комбинированная система защиты от гидравлического удара морского нефтеналивного терминала позволяет не только обеспечить надежную защиту всего оборудования, расположенного на технологическом трубопроводе, но и значительно снизить объем причальной сбросной емкости.

Защита морского нефтеналивного терминала от гидроудара созданием в технологических трубопроводах самотечных участков. При напорно-без-насосной погрузке судов располагаемый гидростатический напор не редко значительно превосходит потребный и на узле редуцирования (УРД на рисунке 22) приходится срабатывать значительный перепад давления. Так на Новороссийском морском терминале при погрузке на причале №1 на узле ре-

дуцирования Приходилось рассеивать избыточную мощность в 4,8 МВт. Очевидно, что в таких условиях работа узла редукции сопровождается значительными колебаниями, шумами и вибрациями и приводит к быстрому выходу из строя редуцирующего крана УРД.

Рисунок 22. Распределение давления по длине трубопровода при безнасосной погрузке: при течении с полным заполнением трубопровода (синяя линия); при наличии самотека (красная линия)

На рисунке 22 показаны графики распределения пьезометрического давления по длине технологического трубопровода терминала в процессе погрузки судна как для схемы без самотечного течения, так и для схемы с принудительной организацией течения нефти неполным сечением на предварительно выбранном наклонном участке трубопровода.

Из графиков на рисунке 22 видно, что отличие от традиционной схемы погрузки, при которой на УРД срабатывается большой перепад давления, при самотечном течении избыточный напор равномерно рассеивается по всей длине самотечного участка, что позволяет полностью разгрузить технологический трубопровод от избыточного давления.

На рисунке 23 представлены результаты расчета интенсивности сброса нефти в причальные емкости в случае срабатывания системы защиты. Самотечный участок позволяет значительно уменьшить интенсивность сброса нефти через предохранительные клапаны и тем самым значительно уменьшить объем причальной сбросной емкости. Из рисунка видно, что продолжительность работы предохранительных клапанов при традиционной схеме погрузки составляет 40 с, в то время, как при наличии самотека - только 6 с. Соответственно, объем нефти, перепускаемый в причальную сбросную емкость, при рассматриваемых расчетных параметрах составил 37 л5 и 4м' соответственно.

14000 12000 10000 8000

§

8

£ 6000 4000 2000 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Время, с

| — Расход через стендеры — Расход через ПСЗ без самотека — Расход через ПСЗ с самотеком |

Рисунок23. Изменение расхода через клапаны ПСЗ при гидроударе, вызванном закрытием судовых задвижек судна за 10 с в процессе погрузки с производительностью 12000 м3/ч.

Таким образом, наличие самотечных участков в трубопроводе терминала:

- обеспечивает эффективную защиту оборудования терминала от гидравлического удара;

- разгружает трубопроводную систему в целом за счет уменьшения статического давления;

- значительно уменьшает необходимую вместимость причальной сбросной емкости;

- эффективно уменьшает гидроударные воздействия на узлы погрузочной системы терминала;

- значительно улучшает условия работы узла редуцирования.

Особенности защиты от гидроудара морского нефтеналивного терминала с выносным причальным устройством. Показано, что защита от гидроудара терминала с выносным причальным устройством (ВПУ) строится на тех же принципах, что и защита морских нефтеналивных терминалов, на которых погрузка танкеров осуществляется у причалов, расположенных на пирсах и молах. Однако из-за ряда конструктивных особенностей ВПУ использование общепринятых подходов и средств защиты от гидроудара часто не предоставляется возможным.

Если протяженность пирса или мола обычно не превышает километра, то в зависимости от рельефа побережья и морского дна длина подводного участка наливного трубопровода между береговой линией и выносным причальным устройством может достигать несколько десятков километров. Так в случае терминала КТК в Новороссийске протяженность проложенного по дну моря трубопровода составляет около 6000 м, а длина трубопровода между береговыми сооружениями и ВПУ в Варандее достигает 24 км.

В зависимости от объема перевалки нефти, геофизических и климатических условий на морских нефтеналивных терминалах с ВПУ для обработки судов могут использоваться выносные причальные устройства различного типа. Так, например, на морском нефтеналивном терминале КТК в г. Новороссийск применяются выносные причальные устройства поплавкового типа, см. рисунок 24. На морских нефтеналивных терминалах в Варандее и на Сахалине для обработки судов используются ВПУ башенного типа.

Рисунок 24. Налив судна с помощью выносного причального устройства КТК Новороссийск

В случае налива нефти на суда малого дедвейта с небольшой производительностью в качестве ВПУ может использоваться донный манифольд. Размещение и обслуживание предохранительных клапанов и сбросной емкости СЗГУ для всех перечисленных ВПУ либо сложно и дорого, или не представляется возможным.

В диссертации предложено около 10 различных способов защиты терминалов с ВПУ, таких как:

- Организационный способ защиты;

- Защита закрытием судовых задвижек за безопасное время;

- Защита размещением СЗГУ на ВПУ;

- Размещение СЗГУ на специальном судне у ВПУ;

- Использование на судне датчика отключения наливных насосных агрегатов;

- Защита с помощью расположенного на ВПУ запорного крана;

- Защита с помощью расположенного на танкере СЗГУ;

- Защита с помощью расположенного на берегу быстродействующего запорного клапана;

- Защита с помощью береговой компенсаторной емкости;

Защита от гидроудара морского нефтеналивного терминала с выносным причальным устройством с помощью быстродействующего запорного клапана. Показано, что в случае гидроудара, вызванного несанкционированным закрытием судовых задвижек защита морской части гидравлической системы нефтеналивного терминала, на которой по каким-либо причинам не была установлена система защиты от гидроудара, может быть обеспечена закрытием расположенного на берегу быстродействующего запорного клапана типа ШРРБ. При необходимости защита береговой части гидравлической системы терминала может быть обеспечена по традиционной схеме с помощью предохранительных клапанов, устанавливаемых непосредственно перед запорным клапаном ШРРБ.

Основное требование, предъявляемое к настройке, быстродействию и месту расположения БЗК (см. рисунок 25), заключается в том, чтобы формируемая данным устройством волна разряжения пришла к судовым задвижкам прежде, чем давление перед ними превысит допустимый уровень. В качестве БЗК может использоваться быстродействующий запорный элемент типа Н1РР8, быстродействие которого составляет около 1 с.

РП

ТЕ

ЗЖ

БЗК |

БЕРЕГ| МОРЕ

сз

нпс

Рисунок 25. Упрощенная схема морского нефтеналивного терминала РП - резервуарный парк; БЗК - быстродействующий запорный клапан; СЗ - судовые задвижки; ТЕ - танкерная емкость

Показано, что условие обеспечения защиты морского нефтеналивного терминала от гидроудара с помощью берегового клапана БЗК можно представить в виде неравенства:

+ (1 1)

При известной скорости повышения давления перед закрывающейся задвижкой, которое может быть определено как отношение скачка давления перед судовыми задвижками при их полном закрытии (ри0с), вызванного торможением потока нефти плотностью р с начальной скоростью и0 к эффективному времени закрытия задвижек ^3. Правая часть неравенства (11) соответствует времени, в течение которого давление перед закрывающимися судовыми задвижками повысится от максимального возможного рабочего значения р™дх до максимально допустимого уровня Соответственно

левая часть неравенство (11), это время прихода волны разряжения от закрывающейся задвижки безопасности, состоящее из времени пробега волны разряжения по трубопроводу протяженностью ¿бзк-сз с0 скоростью звука с, с учетом времени СБЗК закрытия задвижки БЗК. Т.е. волна разряжения должна приходить к закрывающимся судовым задвижкам до того, как давление перед ними превысит допустимый уровень.

Время, с

-Давление перед судовой задвижкой -Давление перед береговым клапаном БЗК

--Положение судовой задвижки --Положенивбероговогоклапана БЗК

Рисунок 26. Изменение давления перед судовой задвижкой и береговым

клапаном БЗК

Сделанное в соответствии с неравенством (11) утверждение о том, что, береговой клапан БЗК с временем полного закрытия 1 с установленный на расстоянии 3500 м от судовой задвижки обеспечит защиту от гидроудара морского участка гидравлической системы нефтеналивного терминала подтверждено численным моделированием, выполненным в соответствии со схемой на рисунке 25, результаты которого представлены на рисунке 26.

В шестой главе анализируются результаты статических и динамических испытаний на экспериментальном стенде предохранительного клапана с высокой пропускной способностью (см. рисунок 27).

Рисунок 27. Блок предохранительных клапанов: 1 — предохранительный клапан; 2 — аккумулятор давления; 3 - подводящий трубопровод; 4-манометр давления жидкости; 5 — манометр давления газа; 6 — заправочная емкость.

Испытания проводились на кольцевом стенде ОАО «ЦТД Диаскан». Схема стенда, по которой формировалась математическая модель, приведена на рисунке 28. В математическую модель входят характеристики насосных агрегатов 6, 7 и расположенных на выходе насосных агрегатов регуляторов давления 8 и 9. Учитывались также характеристики крана 10 и сбросного клапана 11.

В математической модели учитывалось, что при открытии предохранительного клапана движение поршня сопровождается вытеснением части жидкости в газовый аккумулятор клапана 11, что сопровождается повышением настроечного давления и дополнительным увеличением скачка давления.

Сопоставление результатов расчета и испытаний представлено на рисунке

■ш 7

Рисунок 28. Расчетная схема стенда б, 7-насосы; 8,9-дроссель; 7 ./-предохранительный клапан с аккумулятором давления; /0-кран;

На рисунке 29 приведены графики изменения давления в трубопроводе в процессе расчетного моделирования испытания предохранительного клапана № 2 с настроечным давлением 0,8 МПа. Красной линией показан график изменения давления без сбросного клапана. Сплошная линия соответствует изменению давления при подключенной системе защиты от гидравлического удара. Соответственно, точками показано измеренное значение давления перед системой защиты в процессе проведения испытания на стенде.

Время, с

— Рздв_расчет • Рэдв_экслеримент — ргидроудар

Рисунок 29. Изменение давления в трубопроводе при расчетном моделировании испытания сбросного клапана № 2 с настроечным давлением 0,8 МПа

На графиках видно достаточно хорошее совпадение рассчитанных параметров с измеренными значениями. Погрешность расчетов не превышает 2 - 5%. Это подтверждает адекватность разработанной математической модели рассматриваемому объекту.

47

Выводы

1. Морской нефтеналивной терминал может быть принят к эксплуатации как технологически безопасный лишь в том случае, если он прошел экспертизу технологической безопасности, при которой принятые методы и способы защиты его нефтеналивных коммуникаций от волновых явлений подтвердили свою эффективность.

2. При моделировании морского нефтеналивного терминала должна учитываться сложная разветвленная конфигурация трубопроводов терминала с учетом «тупиковых» участков, при этом моделирование всего установленного на трубопроводах оборудования, прежде всего, запорно-регулирующих и предохранительных устройств, должно основываться на фактических гидравлических характеристиках.

3. Вся запорно-регулирующая арматура, задействованная на терминале в технологических процессах, должна пройти проверку на безопасность к гидравлическому удару. Даже продолжительное до нескольких минут нештатное закрытие расположенной на наливном трубопроводе секущей задвижки может сопровождаться гидроударом с максимальной амплитудой повышения давления, так как «эффективное» время воздействия задвижки на поток, в течение которого формируется волна давления, может составлять менее 10% от паспортного полного времени закрытия задвижки.

4. Все морские нефтеналивные терминалы, на которых в качестве шлангующих устройств подключения трубопроводной системы терминала к судовому коллектору используются стендеры, для обеспечения защиты от волновых процессов, вызванных закрытием судовых задвижек, или задвижек дрейфовой безопасности, должны в обязательном порядке оборудоваться причальными системами защиты от гидроудара.

5. Габариты причальной системы защиты от гидроудара можно значительно уменьшить, если воспользоваться комбинированной системой защиты, в состав которой кроме причальных предохранительных клапанов так же входят

предохранительные клапаны и сбросная емкость, расположенные на береговой части терминала.

6. Отводящий трубопровод с береговой «компенсаторной» емкостью, подключенный к наливному трубопроводу перед стендерами, в состоянии обеспечить безопасность терминала, на котором невозможно расположить причальную систему защиты от гидравлического удара.

7. В случае терминала с напорной-безнасосной схемой подачи продукта на судно искусственное формирование в наливном трубопроводе самотечных участков не только способствует разгрузке от давления трубопроводной системы терминала, но также значительно упрощает организацию защиты терминала от волн гидравлического удара.

8. Безопасность от волновых процессов многопричальных терминалов практически всегда может быть обеспечена меньшим количеством причальных систем защиты от гидравлического удара, чем количество расположенных на наливном трубопроводе причальных устройств.

9. Алгоритм использования задвижек безопасности на терминале, а также каждая задвижка безопасности в частности, должны пройти проверку на безопасность к гидравлическому удару

10. Все терминалы по отгрузке сжиженных углеводородных газов должны в обязательном порядке проходить экспертизу технологической безопасности.

11. Защита от гидравлического удара морских нефтеналивных терминалов с выносными причальными устройствами может быть реализована на основе альтернативного способа защиты с использованием быстрозакрывающихся береговых задвижек, или задвижек, установленных непосредственно на ВПУ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

В изданиях, рекомендованных ВАК и приравненных к ним:

1. Левченко Е.Л., Арбузов Н.С. и др. Способ управления транспортом жидкости по трубопроводу с зоной течения с неполным заполнением сечения трубопровода / Патент №2107219 / 20.03.1998.

2. Левченко E.JI., Арбузов Н.С. и др. Клапан запорно-регулирующий Патент на полезную модель № 69955 / 10.01.2008

3. Лурье М.В., Арбузов Н.С., Адоевскнй A.B. Моделирование и предварительная настройка систем сглаживания волн давления. Изв. вузов. Нефть и газ, 2009, № 6, с. 45 - 52.

4. Арбузов Н.С. Комбинированная система защиты морских нефтеналивных терминалов от гидроударных явлений. Трубопроводный транспорт (теория и практика), август, 2010, с. 20-23.

5. Арбузов Н.С. Защита морских терминалов от гидроударных явлений созданием в технологических трубопроводах самотечных участков. Нефтяное хозяйство, №4,2011, с. 129 -131.

6. Арбузов Н.С. Влияние времени закрытия судовых задвижек на уровень максимального давления в трубопроводах нефтеналивных терминалов/ -Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, №1. 2011, с 38 - 40.

7. Арбузов Н.С., Поляков В.М. Гидроударные явления и комплексная защита морских нефтеналивных терминалов/ - Известия вузов. Нефть и газ. №2, 2011,. с. 50 -53

8. Арбузов Н.С., Адоевский A.B., Левченко Е.Л., Лурье М.В. Защита нефтепроводов и морских терминалов от гидроударных явлений системами сглаживания волн давления. Нефтяное хозяйство. - №9, 2011,с. 119-121.

9. Арбузов Н.С. Эффективное время закрытия секущей задвижки и гидроудар в трубопроводной системе морского нефтеналивного терминала/ - Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, №4. 2011, с. 21 -23.

10. Арбузов Н.С. Быстродействующий запорный клапан как альтернативный способ защиты от гидроудара морского нефтеналивного терминала/ -Нефтяное хозяйство, №2, 2012, с. 106 - 108.

11. Лурье М.В., Арбузов Н.С., С.М Оксенгендлер, Расчет параметров перекачки жидкостей с противотурбулентными присадками/ — Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, №2, 2012, с. 56 - 60.

12. Арбузов Н.С., Дидковская A.C., Лурье М.В., Защита трубопроводов морских нефтеналивных терминалов от гидравлического удара с помощью береговой компенсаторной емкости/ — Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, №4. 2012, с. 33 - 35.

13. Арбузов Н.С. Особенности защиты многопричальных нефтеналивных терминалов от гидравлического удара/ - Территория Нефтегаз, №6, июнь,

2013, с. 66-70.

14. Арбузов Н.С. Предпроектная оценка параметров системы защиты морского нефтеналивного терминала от гидравлических ударов/ - Территория Нефтегаз, №8, август, 2013, с. 14 - 17.

15. Арбузов Н.С. Влияние значения уставки давления предохранительных клапанов на эффективность системы защиты морского нефтеналивного терминала от гидроудара /- Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, №3, 2013, с. 33 - 35.

16. Арбузов Н.С. Оценка эффективности задвижек безопасности морского нефтеналивного терминала / - Территория Нефтегаз, №11, ноябрь, 2013, с. 26-31.

17. Лурье М.В., Дидковская A.C., Арбузов Н.С. Расчет заполнения жидкостью участка первоначально пустого рельефного нефтепровода/ - Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, №4(12). 2013, с. 30-33.

18. Арбузов Н.С. Сравнительный анализ использования предохранительного клапана и газового колпака в качестве систем защиты от гидроудара морского нефтеналивного терминала/ - Территория Нефтегаз, №4, апрель,

2014, с. 16-21.

19. Арбузов Н.С. Защита наливных трубопроводов морского терминала от гидравлического удара при загрузке судов сжиженными углеводородными газами/ - Газовая промышленность, №6, июнь, 2014, с. 69-72.

20. Арбузов Н.С., Федосеев М.Н., Выбор газовой емкости колпака, используемого в качестве средства защиты коротких трубопроводов от гидравлического удара/ - Трубопроводный транспорт (теория и практика), № 1 (41), 2014, с. 54-57.

21. Арбузов Н.С., Лурье М.В., Федосеев М.Н., Использование газовых колпаков для защиты морских нефтеналивных терминалов от гидравлического удара/ - Нефтяное хозяйство, №10,2014, с. 124 - 127.

22. Арбузов Н.С., Лурье М.В., Федосеев М.Н., Комбинированная система защиты нефтеналивного трубопровода от гидравлического удара (полезная модель)/Патент № 142286/10.02.2014.

В других изданиях

23. Левченко Е.Л., Арбузов Н.С. и др. Самотечная транспортировка нефти при организации течения с неполным заполнением сечения трубопровода/ - Трубопроводный транспорт нефти. - 1995, №7, с. 7 - 11.

24. Левченко Е.Л., Арбузов Н.С. и др. Принцип управления расходом жидкости в самотечном трубопроводе в условиях течения с неполным заполнением сечения трубопровода/ - Трубопроводный транспорт нефти. - 1995. №10, с. 27-30.

25. Левченко Е.Л., Арбузов Н.С. и др. Инженерные методы прогнозирования и профилактики гидроудара/ - Трубопроводный транспорт нефти. - 1995. №11, с. 24-29.

26. Левченко Е.Л., Арбузов Н.С. и др. Электростанция на нефтепроводе/ -Трубопроводный транспорт нефти. - 1996. №5, с. 14-17.

27. Левченко Е.Л., Арбузов Н.С. и др. Сильфонные компенсаторы/ - Трубопроводный транспорт нефти. - 1998.- №12. с. 15-18.

28. Арбузов Н.С., Адоевский A.B. Расчеты переходных процессов для определения мероприятий по защите от гидроударных явлений нефтепроводов и морских терминалов/ IV международная практическая конференция «Проблемы и перспективы развития нефтепроводного транспорта Республики Казахстан» г. Алматы. 6-9 октября 2010. Сборник докладов, с.43-50.

29. Арбузов Н.С. Теория и расчет систем защиты морских нефтеналивных терминалов от гидравлических ударов / - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011,201 с

30. Арбузов Н.С. Особенности защиты морских нефтеналивных терминалов от гидроудара/ VI Международный конгресс Oil terminal 2011 «Транспортировка, хранение и перевозка нефти, сжиженных газов и нефтепродуктов», г. Санкт-Петербург, 24 - 25 ноября 2011г., с 38.

31. Арбузов Н.С. Особенности защиты от гидравлического удара морских нефтеналивных терминалов с выносными причальными устройствами/ X Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», г. Москва, 10-12 февраля 2014, с 91.

32. Arbuzov N.S. Protection of oil-loading tanker terminals from damages occurring due to hydraulic shock waves (based on existing Russian terminals examples)/ 21st WORLD PETROLEUM CONGRESS, Moscow, Russia, June 15 -19th 2014, p. 158-159.

Подписано в печать: 20.01.2015 Тираж: 100 эп. Заказ № 1402 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77wwwjegletm