автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Разработка технологии перекрытия трудопроводов, основанной на изменении фазового состояния транспортируемой среды

На правах рукописи

РГБ ОД

АРСЕНТЬЕВ АНДРЕИ АЛЕКСАНДРОВИЧ - /

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕКРЫТИЯ

ТРУБОПРОВОДОВ, ОСНОВАННОЙ НА ИЗМЕНЕНИИ ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ СРЕДЫ

Специальность 05.15.13 — "Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ "

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Уфа 2000

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете и ОАО «Северо-Западные магистральные

нефтепроводы».

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор А.М.Шаммазов

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Ю-И.Спектор

кандидат технических наук, доцент Ф.Ш.Ахметов

Ведущее предприятие: ОАО "Уралтранснефтепродукт"

Защита диссертации состоится " 29 2000 г. в/5150 часов

на заседании диссертационного совета Д 063.09.02 в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГН'ГУ) по адресу 450062, Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ. Автореферат разослан "27 "Яи$±рЯ 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р физ.-мат. наук, профессор

•ит?

Р.Ы.Бахтизин

Ом-ОН-64,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Длительный срок службы и повышение требований к экологической безопасности объектов иефтепроводного транспорта ставят в ряд важнейших задач эксплуатации нефтепроводов вопросы обеспечения надёжной и безотказной работы, предупреждения и снижения количества аварийных ситуаций. Эта задача может быть решена за счёт реконструкции, технического перевооружения и своевременного проведения плановых ремонтов линейной части нефтепроводов.

Загрузка магистральных нефтепроводов в настоящее время в среднем составляет 45% от проектной производительности. Такая ситуация позволяет эксплуатирующим организациям за счёт резерва мощностей значительно расширить объёмы реконструкции и капитального ремонта, тем самым компенсировать влияние естественных процессов старения трубопроводов, выявить и устранить дефекты труб заводского и строительно-монтажного происхождения.

Практически повсеместно внедрена практика производства ремонтных работ на нефтепроводах с остановкой перекачки нефти. Специалистами ОАО СЗМН предложена новая организация традиционной схемы работ с устранением 20...30 и более дефектов за одну остановку. Продолжительность и качество таких работ находятся в прямой зависимости от их организации, применяемых методов и технических средств.

Анализ технологических операций, выполняемых при использовании традиционного метода при замене дефектного участка трубы путём остановки перекачки и полного освобождения локализованного участка от нефти показывает, что наиболее продолжительным, энергоёмким и экологически опасным является процесс освобождения (опорожнения) трубопровода, который может занимать до 70% времени ремонтно-

восстановительных работ. Это объясняется большим количеством нефти, находящейся внутри участка, подлежащего опорожнению, и малыми уклонами местности пролегания трубопровода.

Для осуществления процесса опорожнения с соблюдением требований экологической безопасности окружающей среды требуется наличие энергоёмкого и тяжёлого насосно-силового оборудования, дополнительных ёмкостей для приёма нефти, монтаж системы трубопроводов, а также выполнение других трудоёмких и пожаровзрывоопасных операций. При разрыве труб большого диаметра зачастую тысячи тонн дорогостоящей огнеопасной жидкости безвозвратно теряются и, растекаясь по местности, загрязняют почву и создают угрозу для близлежащих жилых и промышленных объектов.

Очевидно, что основным резервом сокращения объёма откачиваемой нефти га ремонтируемого участка является применение специальных устройств, вводимых внутрь трубопровода в любом требуемом месте и способных перекрывать его поперечное сечение, обеспечивая при этом полную и надёжную герметизацию.

Поскольку любые усовершенствования существующих способов замены дефектных участков не могут радикально решить вопрос о сокращении объёма откачиваемой нефти из опорожняемого участка нефтепровода, то остаётся единственный путь — коренное изменение технологического процесса на базе новых технических решений перекрытия полости трубопровода. Актуальность данной проблемы отмечена в различных правительственных документах. Вопросы повышения надежности, снижения аварийности, совершенствования эксплуатации и повышение эффективности работы системы нефтепроводного транспорта рассматривались аа заседании Комиссии правительства РФ по оперативным вопросам, на заседании Правления АК "Транснефть", Коллегии Министерства топлива и энергетики РФ и др.

Федеральный закон "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" определяет правовые, экономические и социальные основы обеспечения безопасной эксплуатации нефтепроводов и направлен на предупреждение аварий на опасных производственных объектах и обеспечение готовности организаций к оперативному устранению причин и последствий аварий. В условиях возрастающих штрафных санкций со стороны государства за нанесение экологического ущерба совершенствование методов и средств ведения аварийно-восстановительных и планово-предупредительных работ на объектах магистрального транспорта нефти становятся приоритетным направлением всех подразделений АК "Транснефть".

Целью диссертационной работы является разработка и апробация технологии оперативного перекрытия нефтепроводов, основанной на низкотемпературном изменении фазового состояния транспортируемой среды, значительно сокращающей время и повышающей эффективность ведения аварийно-восстановительных и планово-предупредительных работ на линейной части магистральных нефтепроводов.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы осповные задачи исследования:

1. Провести комплексные исследования реологических и адгезионных свойств нефтей в диапазоне температур массовой кристаллизации.

2. Разработать математическую модель теплопереноса с фазовыми переходами продукта в диапазоне температур кристаллизации для обоснования технологии получения твердой фазы в зазоре "оболочка-труба"; оптимизации организационных и энергетических затрат при установке герметизатора и удержании его в рабочем положении заданный период времени.

3. Разработать устройство оперативного перекрытия трубопровода, реализующее принципы криотехнологий.

4. Экспериментально подтвердить принпипиалыг/ю возможность и технологическую эффективность использования криотехнолопш при перекрытии трубопроводов. Определить технологические ограничения применения технологии и эксплуатационные характеристики устройства. Обосновать геометрию рабочих органов устройства перекрытия трубопровода. Разработать регламент перекрытия трубопровода, а так же подачи хладагента для поддержания теплового режима герметизатора.

Методологические основы н достоверность исследований.

В диссертационной работе автором использованы классические положения теории тспло-массопереноса, фазовых переходов и прикладной термодинамики, системного анализа с последующей обработкой полученной информации численными методами, осуществляемые с использованием специальных программ, составленных на алгоритмических языках для ПЭВМ. Все положения подтверждены прямыми экспериментами на лабораторном полномасштабном стенде.

Выполненные в настоящей работе исследования связаны с научно-техническими целевыми программами Министерства образования РФ "Надежность систем транспорта нефти и газа в осложненных условиях эксплуатации", "Комплексное решение проблемы разработки, транспорта и глубокой переработки нефти и газа" (приказ № 468 от 20.03.96), "Технология добычи, транспорта и углубленной переработки нефти, газа и конденсата" (приказ № 865 от 03.04.98), Федеральным законом № 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов", принятым Государственной Думой 20.07.1997.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке теоретических основ применения криотехнологии в области обслуживания и ремонта магистральных нефтепроводов, базирующейся на детальном изучении свойств нефтей в диапазоне температур массовой кристаллизации. По отдельным вопросам проведенных исследований научная новизна состоит в следующем:

1. Впервые исследованы реологические и адгезионные свойства нефтей, перекачиваемых в ОАО СЗМН, в диапазоне температур массовой кристаллизации. Выявлены аномалии в реологических свойствах в диапазоне температур -25...-30°С.

2. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработано устройство перекрытия трубопровода диаметром 325 мм, реализующее принципы криотехнологии.

Практическая ценность работы заключается в разработке технологии и комплекта устройств оперативного перекрытия трубопроводов, реализующих принципы криотехнологии. Предложены технологические регламенты установки герметизаторов для всего спектра диаметров трубопроводов.

Внедрение предложенной технологии оперативного перекрытия трубопроводов для проведения аварийно-восстановительных и планово-предупредительных работ на трубопроводах 0 325...377 мм ОАО «Северо - западные магистральные нефтепроводы» планируется в текущем году.

На защиту иыносятся основы технологии оперативного перекрытия нефтепроводов, основанной на низкотемпературном изменении фазового состояния транспортируемой среды, а так же методология разработки регламентов этого процесса для трубопроводов различных диаметров.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований представлялись к обсуждению на научно-технических семинарах, конференциях, советах различного уровня:

• 48...50ой научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Уфимского государственного нефтяного технического университета (г. Уфа, 1997,1998,1999 г.);

• Всемирной конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России. Трубопроводный транспорт нефти и газа» (г.Уфа, 1998 г.);

• Всероссийской научно-технической конференции «Новоселовские чтения» (г. Уфа: УГНТУ, 1998 г.).

Реализация работы.

Исследование низкотемпературных свойств нефтей и анализ тенденций технических решений легли в основу комплекта устройств оперативного перекрытия трубопроводов 0 325 мм, реализующего принципы криогехнологий, которые защищены патентом РФ № 2138724 МКИ3 Б 16 Ь 55/12 Способ временного перекрытия трубопровода./А.А.Арсентьев, В.Л.Дворников, С.Е.Кутуков, В.В.Репин, А.М.Шаммазов (РФ).- № 98116098/06; Заявлено 19.08.98; Опубл. 27.09.99. Бюл. № 27.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и 4 приложений. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка и 13 таблиц. Библиография включает 205 работ отечественных и зарубежных авторов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности выбранной темы, формулируется цель, задачи и основные направления исследований, отмечается научная новизна и практическая ценность выполненных исследований.

В первой главе диссертации автором на основе анализа традиционных технологических схем работ, применяемых отечественными и зарубежными компаниями показано, что значительный экономический, экологический и социальный эффекты могут быть достигнуты при внедрении новых технологий перекрытая трубопроводов.

Дан сравнительный анализ методов, средств и существующих технических решений оперативного перекрытия нефтепроводов, показаны достоинства и недостатки применяемых для этой цели средств, сформулированы современные требования, которые предъявляются к перекрывающим устройствам.

Обзор справочной и научной литературы выявил отсутствие данных по реологическим и адгезионным характеристикам нефтей при отрицательных температурах, и, особенно, при наличии фазовых переходов. Обосновать технологического регламента перекрытия трубопровода потребовало детального изучения этих свойств.

На основе анализа исследований и обобщения научных публикаций отечественных и зарубежных авторов систематизируются существующие методы моделирования тепло-массопереноса в гетерогенных средах со сменой термодинамического состояния в процессе нагрева-охлаждения.

Первые постановки задач о кристаллизации компонентов нефтей принадлежат Рестли и Брауну, которые в начале нашего столетия исследовали динамику образования смоло-парафиновых отложений в скважинах. Одни из первых отечественных работ о механизме накопления

отложений на поверхности оборудования, являются труды А.Д.Амирова и П.П.Галонского.

В исследования парафиноогложений в объектах магистрального трубопроводного транспорта нефти выдающийся вклад внесли Г.В.Порхаев, Л.С.Абрамзон, П.И.Тугунов, В.Ф.Новоселов,

A.Х.Мирзаджан-заде и др. Однако, несмотря на существенные достижения в этой области исследований, единой теории возникновения и накопления смоло-парафиновых отложений до сих пор нет.

Математическая модель процесса закупорки магистрального нефтепровода смоло-парафиновыми отложениями, пригодная для приложения численных расчетов, была предложена П.Б. Кузнецовым, который аппроксимировал парафинообразующие свойства нефти полиномиальной зависимостью вида:

с = (l-exp{-ßx})-[A,(l - t/g3 + A2(l - t/tu)2 + A3(l - t/t,,)], где tH - температура начала кристаллизации парафина.

Обобщение исследований в данной области с анализом значительного объема экспериментального материала были проведены

B.П.Троновым. Однако спектр исследований ограничен высокотемпературной кристаллизацией специфичного компонента нефтей - парафина, содержание которого в среднем колеблется от 0 до 8%. Низкотемпературная кристаллизация жидких компонентов нефти практически осталась за рамками исследований.

Аналогия в описании процессов тепломассопереноса в гетерогенных средах позволила использовать решения задачи Стефана, полученные в методиках расчетов различных технических объектов. Наиболее значимые результаты в этой области были получены Л.И.Рубииштейном, Д.Колоднером, И.А.Чарным и Г.В.Порхаевым, Л.Н.Хруеталевым, Б.А.Красовицким и Б.Л.Кривошеиным, А.В.Фурманом и Р.П.Дячуком,

В.Н.Новаковским и В.М.Агапкиным, Б.Боли и Г.А.Мартыновым, Ю.С.Даниэляном и П.А.Яницким, Г.В.Алексеевой н ГО.С.Палькиным.

В приложении к магистральным трубопроводам сопряженная задача теплообмена с окружающей средой при изменении фазового состояния перекачиваемого продукта в пристенном слое методом смены стационарных состояний решена Р.Н.Бахтизтшм и др. Однако, значительные погрешности определения положения фронта протаивания, а, следовательно, и теплопотерь трубопровода при значительном времени эксплуатации транспортных систем заставили искать возможность совмещения данного метода с эмпирическими решениями.

Достаточно полно физическая картина теплообмена с крионеоднородной средой отражена в методике численного моделирования низкотемпературных изотермических хранилищ газа, разработанной группой исследователей ВНИИГАЗа под руководством Г.Э.Одишария. Наиболее совершенным решением задачи теплового взаимодействия трубопровода с крионеоднородным грунтом в детерминированной постановке является кибернетическая модель, предложенная С.Е.Кутуковым.

К сожалению, работ, посвященных низкотемпературной кристаллизации многокомпонентных смесей органических веществ, крайне недостаточно. Физика процесса массовой кристаллизации смеси существенно отличается от хорошо изученного процесса парафиноотложения. Поэтому на повестку дня поставлен вопрос о детальном изучении процессов низкотемпературной кристаллизации нефтей, разработки математической модели, пригодной для численного моделирования процесса в условиях, адаптированных к трассовым.

С целью совершенствования методов проведения технического обслуживания и ремонта на основе экспериментального исследования и математического моделирования процессов низкотемпературной

кристаллизации нефтей необходимо разработать технологию оперативного перекрытия нефтепровода, основанной на изменении фазового состояния транспортируемой среды.

Во второй главе представлены результаты комплекса лабораторных исследований по определению адгезионных и реологических свойств нефтей различного состава в диапазоне температур их кристаллизации, а так же проанализирована взаимосвязь их свойств со структурно-групповым составом.

Объектами исследования стали: смесь нефтей Тюменских месторождений, Ромашкинская нефть, сернистая нефть месторождений республики Татарстан, нефть месторождений республики Удмуртии.

Для сравнительного изучения структуры и состава представленных нефтей было проведено исследование структурно - группового состава методом ЯМР с использованием современного импульсного спектрометра. Получены спектры протонного и углеродного магнитного резонанса на частотах 90.0 и 22.5 Мгц. Спектры ЯМР | Н и 13С сняты на спектрометре 1ео11'Х-90О с рабочей частотой 90 и 22.5 МГц. Развертка поля составляла 2000 и 6000 Гц.

На основании анализа спектров протонного и углеродного магнитного резонанса предложена структура "средней" молекулы нефти, состоящей из парафиновых С и цикяопарафиновых фрагментов В с включением циклических пол «ароматических углеводородов А. Соотношение фрагментов С/В/А в процентах для удмуртской нефти составляет 6/2/2, для ромашкинской нефти - 7/2/1, для татарской - 7/1,4/1,6, для тюменской нефти - 6/3/1.

Для приведенных нефтей исследованы адгезионные характеристики при отрицательных температурах - в интервале -5...-60 °С. Адгезионные испытания проводились и использованием различных образцов рулонных

материалов: прорезиненной ткани, нетканного синтетического материала, дубленой кожи и хлопчато - бумажной основы ("брезент").

Температурив - адгезионные зависимости имеют явно выраженный нелинейный характер и имеют тенденцию к асимптотическому пределу. Максимальное усилие отрыва для всех типов нефтей лежит в температурном интервале -40 ... -50 °С, дальнейшее понижение температуры не приводит к значительному увеличению адгезии. Кроме того, установлено, что наличие парафинистых отложений на поверхностях металлов на несколько порядков снижает низкотемпературную адгезионную способность исследуемых нефтей. Это свидетельствует о преобладающем влиянии структурно - группового строения нефтей по сравнению с температурно - динамическими условиями формирования внутритрубных осадков. На основании этих данных был сделан вывод, что адгезивных сил сцепления явно недостаточно для удержания герметизатора при перепаде давления на нем 8 кг/см2. Поэтому в устройстве перекрытия был выбран механический способ фиксации.

Для реализации индивидуального подхода к исследуемым объектам была разработана экспериментальная методика проведения исследования реологических свойств нефтей при низких температурах с использованием ротационных вискозиметров (РЕОТЕСТ-2), проведены измерения вязкостных показателей и осуществлен статистический и регрессионный анализ экспериментальных результатов. Принципиальным отличием выполненных исследований был температурный диапазон от -60 °С до 0°С, который достигался термостатированием мерных цилиндров реотеста в смеси сухого льда с раствором эгиленгликоля задаваемой концентрации.

Наличие аномальных скачков вязкостных показателей (см. рис.) свидетельствует, прежде всего, о существовании фазовых переходов во всех исследуемых нефтях и изменениях состояния основных структурных групп, составляющих исходную дисперсную систему.

I -^

Рис. Графические температурно- вязкостные зависимости исследуемых нефтей.

Анализ и интерпретация процессов фазовых превращений с учетом энергетических факторов проведена по энергии активации вязкого течения АН. В случае низких (ниже минус 30°С) температур структура нефти и все реологические показатели определяются взаимодействиями, по сбоим энергиям (до 4 кДж/моль) сопоставимыми с ван-дер-ваальсовыми силами, в силу чего в системе реализуется ближний порядок взаимодействия, и вязкостные показатели носят аномальный даже для неньютоновских жидкостей характер. По своим динамическим свойствам такие системы находятся ближе к квазикристаллическому (аморфному) состоянию, нежели к жидкому.

В диапазонах температур от 20 °С до минус 25...30 °С структурная организация нефти обусловлена прежде всего энергией взаимодействий в ассоциатах ароматических растворителей. Поэтому здесь решающую роль в формировании вязкостных характеристик играют энергии

взаимодействия различных структурных групп, составляющих исследуемые нефтяные системы.

Полученные результаты реологических измерений показывают, что при низких температурах сохраняется дифференцированность вязкостных параметров, несмотря на близость нефтей по составу и структурно-групповым характеристикам. Установлен температурный интервал

аномального изменения вязкости (-25...-30 °С), а так же рекомендуемый для герметизации контакта оболочки перекрытия с внутренней поверхностью трубы (-20. ..-25 сС).

Третья глава посвящена построению математической модели процесса теплового взаимодействия герметизатора, охлаждаемого углекислым газом, с заполненной продуктом трубой с целью разработки регламента намораживания "пробки" в полости трубопровода, обоснования геометрии рабочих органов устройства перекрытия трубопровода и оптимизации организационных и энергетических затрат.

Изучение теплового взаимодействия продукта со стенкой по внутренней образующей трубопровода и с замораживающим элементом устройства перекрытия проведено на базе основных положений термодинамики и теплофизики, исследуя параметры внутреннего и внешнего теплообмена в средах с фазовыми переходами.

Теплопередача в гетерогенных средах - сложный недостаточно изученный многогранный процесс, который предложено описать дифференциальным уравнением теплопроводности с нелинейными эффективными коэффициентами переноса, описывающей температурные поля в вязкой, застывшей, и застывающей зонах продукта:

Сэф-усТ/5т = У(Я>3фУТ), где СзФ, Л3ф - эффективные теплоемкость и теплопроводность нефти.

Эффективная теплопроводность продукта аппроксимирована кусочно-постоянной функцией. Эффективная теплоемкость массива продукта представлена зависимостью вида:

С>фУ = Сту + [1М'У(Т) + (См-Сг)у ]-Не(Тф -Т) ,

где Не(Тф-Т) - функция Хевисайда, ограш!чивающая область значений второго и третьего члена уравнения областью температур ниже температуры начала кристаллизации.

Исходя из достаточно обоснованных теоретических предпосылок, подтвержденных экспериментальными наблюдениями В.И.Черникиным, Л.С.Абрамзоном и др., для определения количества тепла парафиноотложения предложено использовать параболическую зависимость в диапазоне температур выпадения парафинов: Ру (1> -АГ +- В1 - С, где А, В, С, В - экспериментальные коэффициенты аппроксимации кривой кристаллизации.

В целях получения системы дифференциальных уравнений, пригодных для эффективного приложения численных методов, произведены преобразования переменных Т.Гудмена и Щамсудар-Сперроу. Такая замена приводит к линеаризации уравнения теплопроводности, причем разрыв первого рода на границе оттаивания устраняется. К решению таких уравнений применимы итерационные методы решения.

Физический смысл полученного дифференциального уравнения -баланс тепловой энергии: прошедшего транзитом тепла через единичный объем при единичной его теплопроводности и аккумулированного тепла тем же объемом с объемной единичной теплоемкостью.

Внутри герметизатора температура обусловлена испарением СОг, задается давлением в оболочке и рассчитывается по уравнению Клайперона-Клаузиуса. На выходе из оболочки газ дросселируется

регулятором давления и направляется под теплоизоляционный кожух на поверхности трубопровода, таким образом, источник холода по внешней образующей - редуцировавшая на выходе из герметизатора углекислота. Под кожухом у устья газовода температура газа определяется параметрами дросселирования, а по движению под кожухом - уравнением баланса тепла.

Условия теплообмена па границах описаны условиями III и IV рода, т.к. они удовлетворяют поставленным задачам исследования, а так же не вызывают затруднений при "сшивании" задачи теплообмена внутри трубопровода с задачей диссипации тепла по металлической стенке трубы.

Механизм теплопереноса по металлу трубы чисто кондуктивный, описывается классическим параболическим уравнением с постоянными коэффициентами. На внутренней образующей трубы использованы граничные условия IV рода.

Детерминированная кибернетическая модель, построенная на вышеизложенных прпнципах, позволила решить весь комплекс поставленных задач. Моделирование динамики термодинамического состояния продукта в контакте с герметизатором с учетом специфики теплообмена на наружной образующей трубы показало, что процесс образования структуры в продукте под действием низких температур существенно нестационарный. Увеличение слоя застывшего продукта наблюдается на протяжении суток. При этом температурное поле и приток тепла из массива продукта наиболее существенно изменяются в первые 5.. .8 часов промораживания.

Часть задач оптимизации геометрии рабочих органов устройства и, частично, параметров регламента намораживашш пробки в трубопроводе целесообразно решать в стационарной постановке, что предполагает использование аналитических методов. Крайне сложная нелинейная задача с фазовыми переходами в массиве продукта в этом случае сводится к

классической задаче определения установившегося распределения температуры в полуограничешюм стержне.

Температуру хладагента определяем из условия сохранения свойств металла труб, принимая минимальную температуру равной пределу хладноломкости стали Тя.

где Тй - температура максимальной эффективной вязкости продукта в технологическом диапазоне температур (до предела хладноломкости стали), К.

Минимальную ширину теплозащитного кожуха I., необходимую для достижения рекомендуемой температуры Тц, под ним, можно оценить выражением:

Контроль давления испарения хладагента (СОг) в пределах 10+0,2 атм позволяет выполнить условия регламента поддержания температурного режима герметизатора и сохранить свойства металла трубы в широком диапазоне изменения безразмерного коэффициента теплоотдачи В!2 и отношения толщины стенки трубы к ее диаметру.

Разработанная кибернетическая модель диссипации тепла в объеме перекачиваемого продукта внутри остановлешюго трубопровода в контакте с замораживающим устройством позволила определять регламент намораживания "пробки" в полости трубопроводов различных диаметров для оптимизации организационных и энергетических затрат.

- = 1+, — Я и

I , 1-Я

2-Я (г„- Г,)+лКг„+т.~^Т*} + 2Т*

Предложен регламент подачи хладагента в режиме поддержания теплового режима герметизатора. Определены оптимальные границы изменения расхода хладагента из условия минимума энергетических затрат, т.е. минимизации расходов при установке герметизатора и удержании его в рабочем положении заданный период времени.

В четвертой главе дано экспериментальное подтверждение принципиальной возможности и экономической эффективности применения криотехнологий для оперативного перекрытия внутренней полости трубопровода, для чего были разработашл комплект устройств перекрытия трубопроводов 0325 мм, полномасштабный экспериментальный стенд и проведены эксперименты по оригинальной методике.

Основным перекрывающим элементом устройства перекрытия является армированная эластичная оболочка с опорным наклонным швеллером для ее механической фиксации внутри трубопровода и полой гильзой для крепления оболочки в устье патрубка хомутом. Для подачи хладагента через сальник в торце гильзы вводится центральная труба с дросселем на конце для редуцирования углекислоты, поступающей из баллона по шлангу высокого давления.

Для экспериментальной отработки регламента герметизации участка трубопровода и адаптации математической модели были проведена серия экспериментов на лабораторном стенде, включающим отрезок трубы 0325 мм длиной 4 м. В середине трубы приварен стандартный отвод 0150 мм с полнопроходной задвижкой Ру 25. Обвязка стенда позволяет варьировать давлением жидкости в трубе (-1...25 кг/см2), углекислого газа в герметизаторе (0...40 кг/см2), расходом хладагента по жидкой и газообразной фазам. Регистрация параметров процесса, накопление данных в БД и первичная обработка информации производились ПЭВМ через блок аиалогово-цифровых преобразователей Щ 20. Температура

стенки трубы и реперных точек контура охлаждения регистрировалась термопарами.

Методика проведения экспериментов позволила отработать все элементы технологии и обосновать конструктивные особенности устройства перекрытия. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных подтверждает адекватность предложенной в гл.З математической модели реальному процессу. Экспериментально опробован регламент установки герметизатора с регистрацией динамики температурных полей в трубе, продукте и термодинамических показателей из условия сохранения свойств металла труб и максимального использования реологических особенностей нефтей.

Приведены сопоставления основных технологических параметров конкурирующих устройств перекрытия трубопроводов, разработка которых финансируется различными подразделениями АК "Транснефть".

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Изучение адгезионных и реологических свойств нефтей, перекачиваемых ОАО СЗМН по магистральным трубопроводам, в диапазоне температур массовой кристаллизации показало, что при низких температурах сохраняется дифференцированность вязкостных параметров, несмотря на близость нефтей по составу и структурно -групповым характеристикам; внутритрубные парафиновые отложения снижают сцепление во всем диапазоне отрицательных температур. Экспериментальными исследованиями установлен температурный интервал аномального изменения вязкости (-25...-30 °С), а также предложен оптимальный температурный диапазон, обеспечивающий сохранение свойств металла труб и максимальное использование реологических особенностей нефтей (-20...-25°С).

2. На основе математической модели тегоюпереноса с фазовыми переходами продукта в диапазоне температур кристаллизации разработан режим намораживания герметизирующего слоя при установке устройства перекрытия в трубопроводах диаметров 325...1220 мм.

3. Разработан экспериментальный комплект устройств перекрытия трубопровода диаметром 325 мм, позволивший при минимуме организационных и энергетических затрат оперативно устанавливать герметизатор через боковой отвод 0150 мм, оборудованный полнопроходной задвижкой.

4. Создан стенд, на котором экспериментально подтверждена принципиальная возможность и технологическая эффективность использования криотехнологии при перекрытии трубопроводов. Доказана адекватность предложенной математической модели реальному процессу промораживания нефтей. Оптимальная ширина контактного кольца перекрывающей оболочки эквивалентна диаметру трубопровода, а теплоизоляционного наружного кожуха - не менее двух диаметров. Подтверждены параметры регламента перекрытия трубопровода (температура хладагента -40.. .-42°С, давление в оболочке 10±0.2 бар) для поддержания теплового режима герметизатора. Расстояние до места проведения ремонтных работ должно быть не менее 3 диаметров трубопровода от места установки герметизатора.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Арсентьев A.A., Кутуков С.Е., Самигуллин Г.Х. Аномальное поведение нефтей при отрицательных температурах //Проблемы нефтегазового комплекса в условиях становления рыночных отношений /Сб.научн.статей - Уфа: Фонд СРНИ, - 1997. - с. 137-140.

2. Реологические исследования нефтей в температурном диапазоне их фазовых переходов. А.А.Арсентьев, С.Е.Кутуков, Г.Х.Самигуллии, Б.А.Козачук // Материалы 48 научно- технической конф. студентов, аспирантов и молодых ученых,- Уфа:УГНТУ, 1997 - с.262.

3. Шаммазов А.М., Арсентьев A.A., Кутуков С.Е. Математическая модель диссипации тепла в массиве продукта при его замораживании в полости трубопровода //Нефть и газ/ Межвузовский сб. науч. статей, Вып. № 3, -Уфа: УГНТУ, -1998. - с.131-134.

4. Комплексное исследование реологических и адгезионных свойств нефтей в диапазоне температур кристаллизации. A.M. Шаммазов, А.А.Арсснтьев, С.Е.Кутуков и др. // Известия ВУЗов. Нефть и газ.№ 4, 1998.-c.63 -73.

5. Шаммазов А.М., Арсентьев A.A., Кутуков С.Е. Перспективы использования процесса замораживания нефти для интенсификации АВР и ППР//Проблемы нефтегазового комплекса России. Трубопроводный транспорт нефти и газа /Тезисы докладов Всемирной конференции. - Уфа, Изд-во УГНТУ, 1998. - с.43.

6. Зависимость реологических и адгезионных свойств нефтей в диапазоне температур застывания от их структурно-группового состава. A.M. Шаммазов, А.А.Арсентьев, С.Е.Кутуков и др. / Деп. ВИНИТИ № 3628-В98 от 09.12.98-Уфа, УГНТУ, 1998. - 28с.

7. Арсентьев A.A., Кутуков С.Е., Чегодаев С.В Итерационный метод Зейделя решения системы нелинейных уравнений. //Материалы 49 научно - технической конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Секция фундаментальных наук.-Уфа:УГНТУ, 1998 - с. 20.

8. Арсентьев A.A., Кутуков С.Е., Гибадуллин А.Р Визуализация результатов кибернетического моделирования теплообмена в массиве продукта в трубопроводе. // Материалы 49 научно- технической конф.

студентов, аспирантов и молодых ученых. Секция фундаментальных наук. - Уфа:УГНТУ, 1998. - с.24.

9. Арсентьев A.A., Кугу ко в С.Е., Семено В.А. Технология перекрытия трубопроводов - ключевой элемент интенсификации АВР и Г1ПР.// Материалы "Новоселовских чтений", Вып.1 - Уфа: УГНТУ, 1999. - с.93-101.

Ю.Арсентьев A.A. Проблемы технологии ремонтно-восстановительных работ на линейной части Магистральных нефтепроводах.// Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. «Новоселовские чтения» - Уфа: УГНТУ, 1998. -с.34-35.

П.Арсентьев A.A. Стенд для апробации технологии перекрытия внутренней полости трубопровода// Материалы 50 научно- технической конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Уфа: УГНТУ, 1999.

12. Пат. 2138724 РФ МКИ3 F 16 L 55/12 Способ временного перекрытия трубопровода./А.А.Арсентьев, В.Л.Дворников, С.Е.Кутуков, В.В.Репин, А.М.Шаммазов (РФ).- № 98116098/06; Заявлено 19.08.98; Опубл. 27.09.99. Бюл.№ 27.

Соискатель:

А.Л.Арсентъев