автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка методики прогнозирования аварийного распространения нефти в снежном покрове вследствие порыва магистрального нефтепровода зимой

На правах рукописи

Скавыш Сергей Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ АВАРИЙНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ НЕФТИ В СНЕЖНОМ ПОКРОВЕ ВСЛЕДСТВИЕ ПОРЫВА МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕПРОВОДА ЗИМОЙ

Специальность: 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005554846

Тюмень - 2014

1 з НОЯ 2014

005554846

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ)

Научный руководитель:

Челомбитко Сергей Иванович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», профессор кафедры Машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности

Официальные оппоненты:

Антипьев Владимир Наумович

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ, ООО «Энергия-2», директор

Сумской Сергей Иванович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», старший преподаватель кафедры химической физики

Защита состоится «11» декабря 2014 года в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 355.001.01 при Научно-техническом центре исследований проблем промышленной безопасности по адресу: 105082, г. Москва, Переведеновский переулок, д. 13, стр. 14.

Тел. для справок: (495) 620-47-50; эл. почта: gra@safety.ru С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Научно-технического центра исследований проблем промышленной безопасности (http://disser.safety.ru), а также на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации (http://vak.ed.gov.ru).

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»,

г. Тюмень

Автореферат разослан: « октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

А.И. Гражданкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

При эксплуатации магистральных нефтепроводов неизбежно по разным причинам случаются аварийные утечки, в результате чего происходит загрязнение окружающей среды нефтью. Наиболее серьезный ущерб природе наносится в тех случаях, когда происходит гильотинный разрыв магистрального нефтепровода (МН) вблизи важного охранного объекта (реки, озера), в особенности, если разлившаяся нефть попадает в водоем, ведь последствия от такого загрязнения водоема могут сказываться до 20 и более лет.

Оценка объема вытекшей нефти вследствие возможного повреждения МН, а также ореола её распространения необходимы при разработке декларации промышленной безопасности, планов ликвидации аварий, при страховании риска ответственности за причинение вреда при эксплуатации магистральных нефтепроводов, а также при расследовании причин произошедших аварий.

Несмотря на применение различной диагностической аппаратуры и своевременное проведение ремонтно-профилактических работ, гарантировать безаварийную эксплуатацию магистральных нефтепроводов практически невозможно. Так, согласно данным Ростехнадзора, в таблице 1 представлена информация по количеству аварий на магистральных нефтепроводах с 2004 по 2012 годы. При этом установлено, что больше половины (75 %) всех утечек на магистральных трубопроводах происходит по причине внешних воздействий (антропогенный фактор) и в первую очередь из-за несанкционированных врезок в магистральные нефтепроводы (69,1%).

Таблица 1 - Количество аварий на магистральных нефтепроводах

за 2004-2012 годы

Год 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Количество аварий 19 13 18 13 5 9 1 2 5

Известно, что в настоящее время значительная часть действующей системы магистральных нефтепроводов уже выработала свой нормативный ресурс. Например, таким магистральным нефтепроводам, как Усть-Балык - Омск, Усть-Балык - Курган - Уфа - Альметьевск уже более 40 лет. Если учесть тот факт, что аварийные утечки нередко случаются и вследствие внешней или внутренней коррозии металла труб, а срок службы наружного изоляционного покрытия составляет 15-20 лет в лучшем случае, то в ближайшие годы не исключено увеличение количества аварий на линейной части магистральных нефтепроводов, эксплуатируемых уже много лет.

Неизбежные при авариях материальные затраты на рекультивацию загрязненной территории, ремонт трубы, а также издержки от простоя нефтепровода существенно снижают эффективность трубопроводного транспорта нефти. Вдобавок эксплуатирующие трубопроводные организации подвергаются штрафным санкциям со стороны государственных органов за случившееся загрязнение окружающей среды и потери ценного углеводородного сырья. В последнее время происходит ужесточение требований (законодательно закрепленных соответствующими федеральными нормами, правилами и иными документами) в области промышленной безопасности опасных производственных объектов (ОПО), к которым относят и магистральные нефтепроводы. Так, для обеспечения промышленной безопасности и повышения её уровня трубопроводные организации, согласно действующим регулирующим нормативным актам и прочим документам, обязаны не только организовывать мероприятия по предупреждению аварий, но и в случае возникновения последних должны своевременно локализовать и ликвидировать их возможные последствия. При этом оценка последствий предполагаемых аварийных разливов нефти необходима при обязательной разработке декларации промышленной безопасности ОПО магистральных нефтепроводов, разработке проектной докумен-

тации и планов по ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, также оценка проводится с целью обоснования условий обязательного страхования ответственности владельца магистральных трубопроводов в случае аварии.

Поэтому особую актуальность приобретают проблемы прогнозирования последствий от возможных разрывов на линейной части магистральных нефтепроводов вблизи важных охранных объектов. Прогнозирование позволяет оценить масштабы загрязнения местности за заданный промежуток времени, предпринять определенные действия по ограничению распространения нефтяного пятна и спланировать аварийно-восстановительные мероприятия, которые подробно изложены в соответствующих ведомственных нормативных документах ОАО «АК «Транснефть». Для оценки аварийных разливов нефти по дневной поверхности при отсутствии снежного покрова разработаны различные математические модели, однако они не учитывают влияния снежного покрова на процесс движения нефти. Как известно, значительная часть магистральных нефтепроводов проложена в северных регионах страны, где снежный покров присутствует полгода и более, а аварии происходят в любое время года, поэтому эксплуатирующие трубопроводные организации должны иметь возможность осуществлять численный прогноз аварийного распространения нефти и в случае сквозного повреждения стенки МН зимой, когда наличие снежного покрова и температурное воздействие окружающей среды существенно влияют на динамику распространения жидкости по дневной поверхности. Исследования аварийных разливов нефти в зимнее время проводились для статических условий (когда нефтяное пятно уже сформировалось) с целью определения объема разлитой нефти зимой по результатам обследования загрязненной территории. Для оценки возможной площади нефтяного загрязнения в зимнее время в реальных (динамических) условиях необходимо использование моделей, учитывающих влияние

снежного покрова на процесс аварийного распространения нефти. Как известно, нефти Западной Сибири, транспортируемые по магистральным нефтепроводам, являются малопарафинистыми, малосмолистыми, малосернистыми и относятся к классу ньютоновских. На основании вышеизложенного была поставлена следующая

Цель работы

Для возможности количественной оценки ореола аварийного растекания нефти из-за разрыва МН зимой провести опытные и теоретические исследования, касающиеся процесса распространения нефти по поверхности земли при наличии снежного покрова.

Основные задачи исследования

1. Осуществить математическое моделирование процесса аварийного движения ньютоновской нефти в снежном покрове по естественной поверхности земли с учетом физико-механических свойств нефти, снега, рельефа местности и теплообмена нефти с окружающей средой.

2. Для возможности выполнения прогнозных расчетов по аварийному распространению разлитой нефти вследствие разрыва МН зимой разработать численные модели для наиболее распространенных случаев движения нефти по поверхности земли.

3. Подтвердить адекватность полученной математической модели аварийного распространения нефти в снежном покрове, для чего выполнить серию экспериментов по фильтрации модельной жидкости в снежном покрове и провести сравнительный анализ.

4. На основе результатов проведенных исследований разработать инженерную методику, позволяющую осуществлять прогнозирование площади загрязнения территории за определенный промежуток времени, для возможности предпринимать конкретные действия по ограничению распространения нефтяного пятна и более эффективного планирования

аварийно-восстановительных мероприятий с целью минимизации экологического и других видов ущерба в случае разрыва МН в зимнее время.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования работы являются последствия аварий на линейной части магистральных нефтепроводов, предметом исследования -оценка последствий от возможных разрывов на линейной части магистральных нефтепроводов зимой.

Научная новизна

1. Получена математическая модель процесса аварийного распространения ньютоновской нефти по естественной поверхности земли, покрытой снегом, учитывающая плотность и коэффициенты кинематической вязкости, теплопроводности нефти, её удельную теплоемкость, проницаемость и пористость снежного покрова, теплообмен между растекающейся нефтью и окружающей средой (мерзлым грунтом, снежным покровом), а также рельеф местности.

2. С целью практического применения математической модели теп-ломассопереноса разработаны численные модели для следующих встречающихся в практике эксплуатации магистральных нефтепроводов видов движения нефти:

- одномерного движения нефти по руслу оврага (балки, бывшего ручья и т.п.) произвольного поперечного профиля;

- центрально-симметричного распространения нефти, когда поверхность земли вокруг разрыва МН близка к горизонтальной;

- движения нефти по естественной поверхности земли произвольного профиля, когда детально известен профиль земной поверхности на аварийном участке трассы;

- для осесимметричного распространения нефти по «плоской» наклонной естественной поверхности, когда поверхность аварийного участка близка к плоской и имеет известный уклон.

3. Для возможности проведения численных экспериментов по движению ньютоновской нефти в снежном покрове впервые были проведены опыты по нефтепроницаемости снега. Было установлено, что при проведении прогнозных расчетов коэффициент нефтепроницаемости снега можно принимать равным коэффициенту его водопроницаемости, при этом погрешность не будет превышать 5%.

Практическая ценность работы

На основе результатов проведенных исследований разработана инженерная методика, благодаря которой можно осуществлять как предварительные (на стадии проектирования, при разработке декларации промышленной безопасности, разработке планов по ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, для подтверждения условий обязательного страхования гражданской ответственности эксплуатирующей трубопроводной организации, для определении критериев количественной оценки возможного ущерба вследствие разлива нефти), так и численные прогнозы возможного аварийного распространения ньютоновской нефти при случившихся разрывах магистральных нефтепроводов зимой. Кроме того, это позволяет оценить площадь загрязненной территории к моменту прибытия аварийно-восстановительной бригады на аварийный участок трассы, определить время, в течение которого внешний контур нефтяного пятна приблизится к границе определенного охранного объекта, на основании чего произвести расчет необходимых сил и средств и более качественно спланировать мероприятия по локализации и ликвидации разливов продукта с целью снижения ущерба окружающей природной среде и минимизации затрат на проведение аварийно-восстановительных работ.

Результаты диссертационной работы используются в практической деятельности ООО «НИИ новые технологии», что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Основные защищаемые положения

1. Математическая модель процесса распространения ньютоновской нефти по естественной поверхности в случае разрыва МН зимой, а также её частные случаи для наиболее типичных (встречающихся в практике эксплуатации магистральных нефтепроводов) видов аварийного движения нефти по поверхности земли, покрытой снегом.

2. Результаты экспериментов по исследованию нефтепроницаемости снежного покрова с целью их дальнейшего использования при численном моделировании распространения нефти по естественной поверхности в случае разрыва МН в зимнее время.

Соответствие диссертации наспорту научной специальности

Тема диссертации соответствует паспорту специальности 05.26.03 -Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс) (технические науки), а именно пункту 9 «Исследование процессов протекания аварий, условий их каскадного и катастрофического развития, разработка методов оценки различных воздействий, проявляющихся в процессе развития аварий на нефтегазовых объектах».

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири 2012», Тюмень, ТюмГНГУ, 2012 г;

- всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы функционирования систем транспорта», Тюмень, ТюмГНГУ, 2012 г;

- всероссийской заочной научно-практической конференции «Устойчивое развитие: вопросы экономики, права, экологии, социологии, образо-

вания, управления проектами», Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский институт проектного менеджмента, 2013 г;

- семинаре кафедры «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности», ТюмГНГУ, 2013 г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 110 наименований, и 14 приложений. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, включая 4 рисунка и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и указана цель работы, изложены основные задачи исследования, научная новизна, практическая ценность, основные защищаемые положения и апробация работы.

В первой главе производится анализ существующих методов по прогнозированию возможной площади нефтяного загрязнения вследствие разрывов магистральных нефтепроводов. Так, предложенные в работах Бахтизина Р.Н., Бородавкина П.П., Гумерова А.Г., Джарджиманова A.C., Кима Б.И., Козлитина A.M., Козлитина П.А., Козлова М.А., Кутукова С.Е., Ларионова В.И., Попова А.И., Челомбитко С.И., Шумайлова A.C., Маккея Д., Мохтади М., Райсбека Ж. и многих других исследователей аналитические и эмпирические зависимости позволяют лишь весьма приближенно оценивать масштабы загрязнения, так как не учитывают или особенности рельефа, или вязкость нефти, либо взаимодействие движущегося потока с окружающей средой (теплообмен между ней и вытекшей жидкостью, потери от испарения и инфильтрации, наличие снежного покрова зимой, шероховатость дневной поверхности и т. п.). Действующие нормативные до-

и

кументы (РД-13.020.40-КТН-003-10, РД-153-39.4-114-01 и другие) не позволяют осуществлять прогноз аварийного распространения нефти, а лишь регламентируют порядок организации, планирования и проведения аварийно-восстановительных мероприятий по ликвидации последствий аварий на магистральных нефтепроводах.

Проведенные Антипьевым В.Н., Богачевым Н.П., Терентьевым В.Л. и Челомбитко С.И. исследования для «зимних» условий аварийных утечек нефти (когда присутствует снежный покров) предполагают оценку количества разлитой нефти на основе результатов обследования характерных участков загрязненной местности. Поэтому также не позволяют осуществлять прогнозные расчеты по возможному распространению нефти зимой в реальных (динамических) условиях с учетом теплообмена нефти с окружающей средой.

Таким образом, на основании проведенного анализа различных существующих методов оценки возможной площади нефтяного загрязнения вследствие разрывов магистральных нефтепроводов были сформулированы цель и основные задачи исследований.

Вторая глава посвящена экспериментальному изучению проницаемости снега для ньютоновских нефтей.

Как показывает практика, в зимнее время распространение нефти по дневной поверхности на большей ее части происходит как фильтрация в пористой (снежной) среде. Известно, что для математического моделирования фильтрации флюида в пористой среде необходимо знание, прежде всего, основных физических параметров данной среды: коэффициентов пористости и проницаемости. Различные аспекты процесса фильтрации воды в снежном покрове изучались в разных странах мира на протяжении более пятидесяти лет и достаточно обстоятельно описаны в соответствующих публикациях, в то же время результатов исследований процесса фильтрации нефтей в снегу не обнаружено. Известно, что качественно филь-

трация в пористых средах происходит аналогично для любых ньютоновских жидкостей. Но снежный покров обладает существенным отличием от других пористых сред и, прежде всего, разнообразием форм и размеров слагающих его фракций, что существенно влияет на характерные параметры поровых каналов. Поэтому для возможности применения результатов исследований по фильтрации воды в снегу для математического моделирования процесса распространения нефти в снежном покрове возникла необходимость провести экспериментальные исследования, позволяющие оценить проницаемость нефти и воды в одинаковых образцах снега.

Все опыты по определению коэффициентов проницаемости проводились в изотермических условиях, при одинаковой (близкой) температуре жидкости и образца снега. В ходе экспериментов использовался горизонтально расположенный прямоугольный лоток, шириной 0,15 м, позволяющий осуществлять безнапорную одномерную фильтрацию жидкости в каждом образце снега. В качестве модельной жидкости использовалось зимнее дизельное топливо.

Для нахождения коэффициента проницаемости кп в качестве расчетной использовалась формула Дюпюи следующего вида:

к - т

" ¡и 2 и 2ч ' ^

bg(hl - И2 )

где

к„ - коэффициент проницаемости, м2; £) - расход испытуемой жидкости м3/с; V - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с; g- ускорение свободного падения (принимается 9,81 м/с2); I - длина образца, м; Ь - ширина образца, м;

И] — высота фильтрационного потока в начале образца, м; й? - высота фильтрационного потока в конце образца, м.

Предварительная серия опытов по фильтрации воды и дизельного топлива и последующая обработка полученных результатов показали, что необходимо проводить параллельно по 2 измерения.

Основные эксперименты проводились для 7 различных образцов снега с плотностью от 181 кг/м3 до 372 кг/м3. Для каждого образца проводилось по 5 опытов, которые отличались друг от друга разными вязкостя-ми (температурами) дизельного топлива, выполнялось по два параллельных измерения. Результаты основных опытов, осредненные по двум измерениям, в виде отношения коэффициента водопроницаемости к коэффициенту нефтепроницаемости одинаковых образцов снега представлены на рисунке 1.

• • • • • •

... ...

МММ • • •

• • •

•

•

•

•

•• • • •

• • • •

150 200 250 300 350 400

Плотность снега, кг/м3

Рисунок 1 — Сравнение водо-и нефтепроницаемости снега квикн- коэффициенты проницаемости одинаковых образцов снега для воды и для дизельного топлива соответственно, осредненные по двум параллельным измерениям Как видно из рисунка 1, коэффициент проницаемости снега для модельной жидкости (ньютоновской нефти) близок к его коэффициенту проницаемости для воды. Для возможности использования значения коэффициента водопроницаемости снега в качестве значения коэффициента проницаемости для ньютоновских нефтей была вычислена погрешность е. В

итоге было установлено, что £ = ±4,67%. Таким образом, в инженерных расчетах, проводимых с целью оценки ореола распространения нефти в случае разрыва МН зимой, коэффициент нефтепроницаемости снега можно принимать равным коэффициенту его водопроницаемости.

Третья глава посвящена математическому моделированию процесса аварийного распространения ньютоновской нефти в снежном покрове.

При аварийном разливе нефти в случае сквозного повреждения стенки МН зимой (когда земля покрыта снежным покровом) загрязненная территория условно может быть разделена на два характерных участка. Первый («внутренний») участок - вокруг места утечки, где вследствие теплообмена бурно вытекающей «теплой» нефти происходит разрушение и таяние снега, и нефть, имея открытую поверхность, находится на данном участке вместе с образовавшейся водой. Второй («периферийный») загрязненный участок находится за пределами «внутреннего». На данном участке вытекшая и остывшая нефть движется в пределах снежного покрова, при этом таяния снега не происходит. Характерной особенностью этого загрязненного участка является неизменная толщина снежного покрова, и процесс движения нефти можно рассматривать как безнапорную фильтрацию с теплоотдачей в окружающую среду (снежный покров, дневную поверхность).

В связи со всем выше изложенным для описания (в пределах «периферийного» участка) неизотермического процесса нестационарной безнапорной фильтрации ньютоновской нефти в снеге по естественной поверхности произвольного профиля и определения положения внешнего подвижного контура нефтяного пятна (внешней границы «периферийного» участка) предлагается использовать следующую систему уравнений теп-ломассопереноса:

Эй Э£> Э0 „

(4)

(5)

где

х,у - оси прямоугольной горизонтальной системы координат; (- время, с;

т - эффективная пористость снега (в долях единицы); Л - глубина фильтрационного потока нефти в снегу, м; Ох, £>у - расходы фильтрационного потока нефти на единицу ширины соответственно вдоль осей х и у, м2/с; к„ — коэффициент проницаемости снега, м2; V - коэффициент кинематической вязкости нефти, м2/с; /¡о - отметка дна, м; р - плотность нефти, кг/м3; ср — удельная теплоемкость нефти, Дж/(кг-К);

Т - температура нефти, осредненная по глубине фильтрационного потока,

Уравнения (2) - (4) решаются численными методами, при этом неизвестными являются И, 0Х и <2У. После их нахождения используется численный аналог уравнения (5) для вычисления температуры нефти в узлах вычислительной сетки по всей площади нефтяного пятна. Остальные параметры уравнений (2) - (5) определяются по конкретным известным зави-

К;

X - коэффициент теплопроводности нефти, Вт/(м-К);

Я - тепловой поток от нефти в снег (на единицу объема), Вт/м3;

Р - тепловой поток от нефти в грунт (на единицу поверхности), Вт/м2.

симостям. Для численного решения предложенных уравнений тепломассо-переноса необходимо задать краевые условия. На внешнем подвижном контуре нефтяного пятна полагается Л = 0, а само положение контура является неизвестным (искомым). На внутренней границе «периферийного» участка задаются:

- напор И, равный средней толщине слоя нефти Ля в пределах «внутреннего» загрязненного участка;

- (2х и (2У, которые выражаются на основании расхода вытекающей нефти через разрыв тела трубы по известным формулам гидравлики открытых потоков.

В реальных условиях эксплуатации магистральных нефтепроводов информация по рельефу местности является ограниченной: как правило, известен только уклон местности вдоль трассы. В таких случаях аварийное распространение нефти происходит как осесимметричное по плоской наклонной естественной поверхности. При этом динамические уравнения (3) и (4) принимают следующий вид соответственно:

Чг-Ь^'

где

г - уклон местности;

х,у - оси прямоугольной наклонной системы координат, при этом ось х направляется в сторону уклона местности г.

В качестве уравнений неразрывности и теплопереноса в случае осе-симметричного движения нефти будут также использоваться соответственно уравнения (2) и (5).

Для возможности оценки распространения нефти зимой, когда вообще отсутствуют данные по рельефу аварийного участка трассы, либо,

когда дневная поверхность близка к горизонтальной, полагаем, что распространение нефти в снежном покрове происходит как центрально-симметричное (радиальное). Для такого вида движения ньютоновской нефти в пределах «периферийного» участка система уравнений тепломас-сопереноса имеет следующий вид:

дсРТ дсрТ д , дГ ЛбЪТ „ „

ртъ ' + рО^ = —Ая — т +--~т~ Из- т%Р, (10)

о? аг аг аг г аг

где

Q - объемный расход, м3/с;

5 — площадь «живого» сечения фильтрационного потока, м2;

г - радиальная ось, начало которой совпадает с положением места разрыва

трубы,

X - смоченный периметр, м.

Искомыми в уравнениях (8) — (9) являются параметры и 5, а в уравнении (10) - величина Т. Другие параметры задаются или определяются по известным формулам.

Одним из встречающихся в инженерной практике видов аварийного движения нефти по дневной поверхности является одномерное движение потока вдоль русла балки, оврага или бывшего ручья. С целью математического описания данного типа аварийного движения нефти зимой в пределах снежного покрова вдоль русла с произвольным поперечным профилем и определения положения «переднего» фронта потока нефти предлагается использовать следующую одномерную математическую модель:

ЭI

(13)

где

I - криволинейная (динамическая) ось, совпадающая с направлением движения одномерного фильтрационного потока нефти вдоль русла.

При численном решении уравнений (11), (12) определяются неизвестные величины Q и s, затем при использовании численной модели уравнения (13) вычисляется температура одномерного потока нефти Т.

В четвертой главе на основе предлагаемых в предыдущей главе математических моделей тепломассопереноса разработаны численные модели для наиболее распространенных случаев движения нефти по поверхности земли для возможности выполнения прогнозных расчетов по аварийному распространению разлитой нефти вследствие разрыва МН зимой.

На основе анализа практического моделирования открытых водных потоков были выбраны четыре конечно-разностных варианта численной модели, разработанных для систем уравнений аналогичного типа:

- неявная схема Лятхера В.М. и Милитеева А.Н.;

- явная схема Милитеева А.Н. и Сладкевича М.С.;

- явная схема Русанова В.В.;

- явная схема Лакса-Вендроффа.

Для проверки адекватности математической модели была проведена серия опытов по безнапорной фильтрации дизельного топлива в лотке, заполненном снегом. Анализ результатов численных расчетов и данных специально проведенных 8 опытов по фильтрации зимнего дизельного топлива в прямоугольном лотке со снегом показал, что погрешность вычислений для неявного метода составила не более 3% в момент времени, когда «передний фронт» фильтрационного потока достиг отметки в 1 м от начала

лотка, а для явных схем - от 4% до 36%. Также в ходе численных экспериментов было установлено, что шаг по времени г для неявной модели не должен превышать 0,1 с, а шаг вычислительной сетки А/ не должен быть больше 0,001м при расчетах распространения потока нефти на небольшие (до нескольких метров) расстояния и не должен превосходить 0,01 м при расчетах распространения потока жидкости на значительные расстояния (от нескольких десятков метров и свыше). Для всех явных моделей (при расчетах распространения потока нефти на расстояния любой величины) шаг вычислительной сетки не должен превосходить 0,001 м, а шаг по времени г для схемы Милитеева А.Н. и Сладкевича М.С не должен быть больше 0,001с. Для схем Лакса-Вендроффа и Русанова шаг по времени не должен превышать 0,0001с. Поэтому для разработки численных моделей на основе предлагаемых в диссертационной работе математических моделей тепломассопереноса использовался неявный конечно-разностный метод аппроксимации. Для дополнительной проверки выбранного численного метода было проведено 3 натурных эксперимента по центрально-симметричному распространению дизельного топлива в снежном покрове по горизонтальной естественной поверхности, при этом погрешность численного моделирования не превысила 6%.

В пятой главе представлена «Методика прогнозирования аварийного распространения нефти в снежном покрове вследствие порыва магистрального нефтепровода зимой», разработанная на основе полученных в предыдущих главах результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса распространения ньютоновской нефти в снежном покрове. Данную методику предлагается использовать в инженерной практике для проведения прогнозных расчетов по аварийному распространению продукта в снежном покрове вследствие сквозного повреждения стенки МН. С помощью разработанной методики можно определять время, за которое поток нефти будет достигать границ важного

охранного объекта, а также оценивать возможную площадь нефтяного загрязнения к моменту прибытия на место разлива аварийно-восстановительной бригады.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Для возможности количественной оценки объема разлитой нефти из-за разрыва МН, а также ореола ее распространения по естественной поверхности земли, покрытой снегом, осуществлено математическое моделирование процесса аварийного движения ньютоновской нефти с учетом физико-механических и теплофизических свойств жидкости и окружающей среды, а также рельефа местности. В результате чего были предложены математические модели тепломассопереноса для наиболее типичных видов аварийного распространения ньютоновской нефти по естественной поверхности вследствие разрыва МН зимой.

2. На основе предлагаемых математических моделей тепломассопереноса разработаны численные модели, позволяющие осуществлять прогноз возможного аварийного распространения ньютоновской нефти по поверхности земли, покрытой снегом, для следующих встречающихся в практике эксплуатации магистральных нефтепроводов видов движения нефти:

- одномерного движения нефти по руслу оврага (балки, бывшего ручья и т.п.) произвольного поперечного профиля;

- центрально-симметричного распространения нефти, когда поверхность земли вокруг разрыва МН близка к горизонтальной;

- движения нефти по естественной поверхности земли произвольного профиля, когда детально известен профиль земной поверхности на аварийном участке трассы;

- для осесимметричного распространения нефти по «плоской» наклонной естественной поверхности, когда поверхность аварийного участка близка к плоской и имеет известный уклон.

Рекомендуется использовать данные численные модели:

- при составлении плана ликвидации последствий от аварий;

- при разработке декларации промышленной безопасности;

- при обосновании условий обязательного страхования ответственности владельца магистральных трубопроводов в случае аварии;

- при оценке ореола загрязнения территории к моменту прибытия аварийно-восстановительной бригады на аварийный участок трассы;

- при прогнозировании затрат от экологического и других видов ущерба вследствие разрыва магистральных нефтепроводов.

3. Проведенные опытные исследования по определению проницаемости различных образцов снега для ньютоновских нефтей позволили установить, что в инженерных расчетах коэффициент нефтепроницаемости снега может приниматься равным коэффициенту его водопроницаемости, при этом погрешность не превышает 5%.

4. Инженерная методика, разработанная на основе результатов проведенных исследований позволяет проводить как предварительные (на стадии проектирования, при разработке декларации промышленной безопасности, разработке планов по ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, для подтверждения условий обязательного страхования гражданской ответственности эксплуатирующей трубопроводной организации, для определении критериев количественной оценки возможного ущерба вследствие разлива нефти), так и численные прогнозы возможного аварийного растечения ньютоновской нефти по естественной поверхности при случившихся разрывах магистральных нефтепроводов, когда присутствует снежный покров. Данная методика позволяет:

- оценить площадь загрязненной территории к моменту прибытия аварийно-восстановительной бригады на аварийный участок трассы;

- найти время, в течение которого внешний контур нефтяного пятна приблизится к границе определенного охранного объекта;

- вычислить объем нефти, находящийся на загрязненной территории, что позволяет оценить размер утечки, произошедший через повреждение МН;

- провести расчет необходимых сил и средств и более качественно спланировать мероприятия по ликвидации последствий от аварий и снижению экологического и других видов ущерба.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Рецензируемые журналы, входящие в перечень ВАК при Мин-обрнауки РФ:

1. Челомбитко С.И. Моделирование тепломассопереноса при аварийном распространении нефти в снежном покрове / С.И. Челомбитко, С.А. Скавыш // Естественные и технические науки. - 2013. - №3. - С. 141144.

2. Скавыш С.А. Численное моделирование аварийного движения нефти в снежном покрове / С.А. Скавыш, С.И. Челомбитко // Известия ВУЗов. Нефть и газ. - 2013. - №4. _ с. 87-90.

3. Челомбитко С.И. Прогнозирование масштабов нефтяного загрязнения вследствие разрыва магистрального нефтепровода зимой / С.И. Челомбитко, С.А. Скавыш // Естественные и технические науки. - 2013. -№4.-С. 151-155.

4. Челомбитко С.И. К определению проницаемости снега при фильтрации ньютоновских нефтей / С.И. Челомбитко, С.А. Скавыш // Естественные и технические науки. - 2013. - №4. - С. 156-158.

Статьи в других журналах и тезисы в материалах, трудах международных и всероссийских конференций:

5. Челомбитко С.И. Математическое моделирование изотермического процесса распространения нефти в снежном покрове при аварии на ма-

гистральном нефтепроводе / С.И. Челомбитко, С.А. Скавыш // Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири 2012: Сборник трудов по материалам всероссийской научно-практической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - С. 70-72.

6. Челомбитко С.И. Математическая модель неизотермической нестационарной фильтрации ньютоновской нефти в снежном покрове / С.И. Челомбитко, С.А. Скавыш // Проблемы функционирования систем транспорта: Материалы всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. -С. 389-391.

7. Скавыш С.А. Метод расчета ореола распространения нефти при разрыве магистрального нефтепровода зимой / С.А. Скавыш // Устойчивое развитие: вопросы экономики, права, экологии, социологии, образования, управления проектами: Сборник научных статей по итогам всероссийской заочной научно-практической конференции, 24-25 января 2013 года, г. Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во «КультИнформПресс», 2013. - С. 174177.

Подписано в печать 14.10.14г. Печать цифровая. Формат 148*210. Тираж 110 экз. Заказ № 107.

ООО «Бизнес-Стиль» 625002, г. Тюмень, ул. Осипенко 81, офис 221 Тел.: 8(9044) 99-27-62, 8 (3452) 75-22-06 e-mail: danilovanataz@mail.ru сайт: stamp.taba.ru