Повышение безопасной эксплуатации трубопроводного транспорта углеводородов с применением конструкций из полимерных материалов

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА УГЛЕВОДОРОДОВ

С ПРИМЕНЕНИЕМ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Тюмень 2008

Защита диссертации состоится 19 декабря 2008 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете, по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, зал им. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета, по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Автореферат разослан 18 ноября 2008 г.

Россия по протяженности трубопроводов для транспортировки нефти и нефтепродуктов занимает одно из первых мест в мире. Однако, нет другой страны, где бы эта транспортная магистраль была так изношена, как в России. По оценкам специалистов МЧС в XXI век эти системы жизнеобеспечения страны вошли изношенными на 50-70 %. Утечки из трубопроводной системы приносят стране огромный экономический и экологический ущерб, так как для обнаружения, локализации и сбора разлившегося продукта затрачиваются значительные силы и средства, исчисляемые ежегодно миллиардами рублей.

Для повышения безопасной эксплуатации систем трубопроводного транспорта углеводородов, в частности для локализации и временного хранения аварийно растекающихся жидких углеводородов, сегодня в основном применяются дорогостоящие боновые заграждения и аварийные емкости многоразового использования. Они требуют очистки от остаточных углеводородов после использования, технического обслуживания и хранения в складских условиях между периодами эксплуатации.

Повышение безопасной эксплуатации систем трубопроводного транспорта жидких углеводородов, путем разработки недорогих, эффективных технических решений и методов расчета средств локализации разливов нефти и нефтепродуктов, в том числе горящих, а также использование аварийных емкостей временного хранения жидких углеводородов, выполненных из полимерных рукавных материалов, преимущественно одноразового применения, являются актуальными и своевременными.

Цель диссертационной работы - разработка методов расчета средств локализации аварийно растекающихся углеводородов и емкостей временного хранения нефти из полимерных материалов.

1. Разработать новые технические решения по локализации аварийно растекающихся жидких углеводородов, в том числе горящих, а также конструкции одноразовых аварийных емкостей временного хранения нефти и нефтепродуктов, с применением рукавных полимерных материалов.
2. Получить аналитические зависимости для определения пространственной формы оболочек с жидким наполнителем, выполненных из рукавных полимерных материалов.
3. Разработать методику расчета вместимости рукавных, аварийных емкостей для временного хранения жидких углеводородов.
4. Разработать методику гидравлического расчета несгораемых защитных ограждений из рукавных, проницаемых полимерных материалов для локализации аварийно растекающихся горящих жидких углеводородов.
5. Провести экспериментальную проверку новых технических решений и аналитических зависимостей для практического использования.

1. Получены аналитические зависимости для определения пространственной формы рукавных полимерных оболочек с жидким наполнителем.

2. Разработана методика расчета вместимости аварийных емкостей временного хранения жидких углеводородов, с учетом растяжения полимерных материалов рукавных оболочек под действием гидростатического давления наполнителя.

3. Разработана методика гидравлического расчета несгораемых защитных ограждений из проницаемых рукавных полимерных оболочек, заполненных огнетушащим агентом.

Практическая ценность:

1. Разработаны новые способы локализации аварийно растекающихся жидких углеводородов, в том числе горящих, а также средства защиты от вероятных стихийных бедствий (внезапные наводнения, лесные пожары и др.) на объектах трубопроводного транспорта углеводородов с использованием рукавных полимерных оболочек с жидким наполнителем.

2. Разработаны конструкции, технология изготовления и использования одноразовых, аварийных емкостей временного хранения жидких углеводородов из рукавных полимерных материалов, серийно выпускаемых отечественной промышленностью, предотвращающих потери углеводородов от испарения при их временном хранении.

Результаты исследований переданы в Главное управление МЧС России по Тюменской области для практического использования.

Достоверность полученных результатов: эксперименты проведены на модельных установках, созданных с учетом теории подобия физических процессов, и на натурных фрагментах, результаты экспериментов обработаны с применением вычислительной техники и методов математического анализа.

1. Новые технические решения по сооружению боновых заграждений и аварийных емкостей временного хранения жидких углеводородов с применением рукавных полимерных материалов.

2. Аналитические зависимости для расчета геометрических и гидравлических параметров рукавных оболочечных конструкций с жидким наполнителем.

3. Методика расчета вместимости аварийных емкостей временного хранения жидких углеводородов, с учетом растяжения полимерных материалов рукавных оболочек под действием гидростатического давления жидкого наполнителя.

4. Методика гидравлического расчета несгораемых защитных ограждений из проницаемых рукавных, полимерных оболочек, заполненных огнетушащим агентом.

Апробация работы:

1. Результаты работы докладывались на 4-ой научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г.Тюмень, 2005), VII научно-технической конференции молодежи ОАО «АК «Транснефть» (г.Тюмень, 2006г.) международной научно-технической конференции (г.Тюмень, 2007г.), Всероссийской научно - практической конференции (г.Тюмень, 2007 г.), 2-ой Международной научно-технической конференции (г.Тюмень, 2008 г.), конференции Современные наукоемкие технологии (г. Москва, 2008).

2. Новые технические решения, представленные в работе, являются победителями Всероссийского конкурса русских экологических инноваций (г.Москва, 2006г.). Результаты теоретических и экспериментальных исследований экспонировались на четвертой международной выставке «Оборона и защита 2007», проходившей в г. Нижний Тагил; на XV Международной специализированной выставке сооружений и средств защиты водного и воздушного бассейнов, проходившей в г. Санкт-Петербург в марте 2008 года.

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 4 патента РФ на изобретения и 1 статья в издании, рекомендованном ВАК России.

Объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка литературы из 89 наименований. Объем диссертации составляет 133 страницы, включающего 15 таблиц, 40 иллюстраций и 5 приложений.

В обзоре проведен анализ аварийности в трубопроводном транспорте жидких углеводородов. Из которого следует, что среди множества причин, приводящих к разгерметизации трубопроводов, значительную часть составляют случайные, предусмотреть которые заранее не представляется возможным.

Рассмотрены существующие способы повышения безопасной эксплуатации систем трубопроводного транспорта жидких углеводородов, в частности, средства локализации аварийно растекающихся жидких углеводородов на воде и суше и средства временного хранения нефти и нефтепродуктов.

Выполнен патентный и литературный анализ существующих отечественных и зарубежных технических решений для локализации аварийно растекающихся жидких углеводородов. Установлено, что отсутствует оптимальное соотношение цены и качества технических решений, представленных отечественной и зарубежной практикой. Показано, что имеет смысл средства локализации аварийно растекающихся жидких углеводородов, в том числе несгораемые, и аварийные емкости изготавливать одноразового действия, которые не требуют очистки от остаточных отложений после их использования, технического обслуживания и долгосрочного складского хранения между периодами эксплуатации.

Одновременно с этим рассмотрены существующие способы защиты объектов трубопроводного транспорта углеводородов от внезапных наводнений и пожаров, применяемые в настоящее время в России и за рубежом.

В заключение изложены выводы по аналитическому обзору, на основе которых сформулированы цели и задачи исследований.

Второй раздел посвящен теоретическим исследованиям и разработке методов расчета средств локализации аварийно растекающихся жидких углеводородов на суше и воде, а также одноразовых, аварийных емкостей временного хранения жидких углеводородов из рукавных полимерных материалов. Используя скорректированную для случая заполнения рукавных полимерных оболочек однородной жидкостью известную математическую модель пространственной формы мягких напряженных оболочек, а также теорию подобия физических процессов применительно к рукавным оболочкам с жидким наполнителем, была установлена функциональная зависимость в безразмерном виде между основными геометрическими и гидравлическими параметрами поперечного сечения оболочек, из которых состоят средства локализации и аварийные емкости временного хранения жидких углеводородов (Рис. 1).

Рис. 1. Форма поперечного сечения некруглой рукавной оболочки с однородным жидким наполнителем

где H - высота оболочки, м; L - периметр оболочки, м; A - ширина опорной поверхности, м; В - максимальная поперечная ширина, м; h - пьезометрический напор в оболочке, м; - площадь поперечного сечения оболочки, м2.

Проведенный регрессионный анализ с использованием программного продукта «MATHCAD-PROFESSIONAL» показал, что безразмерные зависимости между основными геометрическими и гидравлическими параметрами поперечного сечения мягких рукавных оболочек с однородным жидким наполнителем имеют следующий вид:

	(1)
	(2)
	(3)
	(4)

Область изменения аргумента в полученных аналитических зависимостях (1-4) находится в диапазоне 0,13<<1,1.

В разделе представлен гидравлический расчет несгораемых боновых заграждений круглого и некруглого поперечного сечения. В основу гидравлического расчета несгораемых боновых заграждений положена известная методика гидравлического расчета трубопроводов с равномерным путевым отбором жидкости по длине и полученные в работе аналитические зависимости, характеризующие пространственную форму напряженных мягких оболочек с жидким наполнителем с учетом их растяжения под нагрузкой.

Разбивая всю длину бонов, предназначенных для локализации растекающихся горящих углеводородов по суше, на секции длиной l и пошагово решая совместно систему уравнений (5-10) с использованием программного продукта «MATHCAD-PROFESSIONAL», можно определить пьезометрический напор в любой точке по всей длине бонов, изменение расхода огнетушащего агента и формы поперечного сечения оболочек по их длине, и общую длину несгораемых боновых заграждений в зависимости от начального расхода воды на входе в оболочки бонов.

	(5)
	(6)
	(7)
	(8)
	(9)
	(10)
где R гидравлический радиус поперечного сечения рассматриваемой секции бона, м; hН пьезометрический напор в начале участка бона длиной l, м; QН объемный расход воды в начале рассматриваемой секции бона, м3/с; QТ транзитный расход, м3/с; q объемный расход воды, равномерно отбираемый по длине секции бона, м3/с; э абсолютная эквивалентная шероховатость внутренней поверхности материала бонов, м; l длина секции бона, м; кинематическая вязкость воды, м2/с; g ускорение свободного падения, м/с2; k эмпирический коэффициент, учитывающий свойства полимерного материала оболочек, Н-1; Lн начальный периметр оболочки до растяжения, м; L периметр оболочки после растяжения, м.

Гидравлический расчет несгораемых бонов, предназначенных для локализации аварийно растекающихся жидких углеводородов по водной поверхности, производится совместным решением системы уравнений (11-13) с учетом нахождения внутри проницаемой оболочки круглого поперечного сечения цилиндрической рукавной оболочки, обеспечивающей положительную плавучесть всей конструкции.

	(11)
	(12)
	(13)
где Dн начальный диаметр оболочки до растяжения, м; D диаметр оболочки после растяжения, м.

В разделе описаны также расчет плавучести боновых заграждений и расчет их устойчивого равновесия при воздействии водного потока. Расчеты позволяют определить высоту надводной части несгораемых боновых заграждений, снабженных подводным экраном, и их угол отклонения от вертикали, при котором обеспечивается устойчивое равновесие конструкций при воздействии на них гидродинамического давления потока воды.

Разработана также методика расчета вместимости одноразовых рукавных аварийных емкостей временного хранения жидких углеводородов, основанная на полученных аналитических зависимостях пространственной формы оболочек. Совместное решение системы уравнений (1-4) с учетом уравнения растяжения полимерного материала емкостей под нагрузкой жидкого наполнителя (10) позволяет вычислить вместимость рукавных емкостей и их геометрические параметры.

В третьем разделе изложен метод экспериментального определения относительного удлинения полимерных материалов рукавных оболочек под действием растягивающей нагрузки и экспериментально проверена достоверность полученных в работе аналитических зависимостей для расчета пространственной формы рукавных оболочек.

Метод определения относительного удлинения полимерных рукавных материалов и созданная для этого экспериментальная установка позволили моделировать двухосное напряженное состояние полимерных материалов в реальных конструкциях из оболочек и определить относительное удлинение материалов под влиянием жидкого наполнителя.

Принципиальная схема установки для определения относительного удлинения полимерных материалов под действием растягивающих нагрузок и проверки аналитических зависимостей, характеризующих пространственную форму рукавных оболочек, представлена на рисунке 2.

	Рис. 2. Экспериментальная установка по определению пространственной формы мягких рукавных оболочек и относительного удлинения полимерного материала оболочек при растягивающих нагрузках 1 – мягкая рукавная оболочка; 2 –вода; 3 – измерительная рамка; 4 – патрубок; 5 – запорная арматура; 6 – подающий воду прозрачный полиэтиленовый шланг, выполняющий функцию пьезометра.

Последовательность действий и измерений при проведении экспериментов для определения относительного удлинения полимерных материалов рукавных оболочек и проверки аналитических зависимостей пространственной формы оболочек - следующая. Рукавная полимерная оболочка накачивалась водой до достижения параметров Hi, hi,, Li, Ai, Вi. Далее оболочка выдерживалась в течение времени, достаточного для стабилизации материала под растягивающей нагрузкой, обусловленной наличием заданного гидростатического давления воды внутри оболочки. По истечении этого времени измерялись все выше перечисленные параметры. Затем снова закачивалась вода в оболочку, что соответствует ее новым размерам Hi+1, hi+1,, Li+1, Ai+1, Вi+1. Вся процедура повторялась через определенный временной интервал десять раз. Всего было исследовано три абсолютно одинаковых мягких рукавных полимерных оболочки с начальным периметром. Полученные экспериментальные данные обрабатывались статистическими методами с использованием регрессионного анализа.

В качестве примера на рисунке 3 представлены результаты экспериментов по определению относительного удлинения полимерного материала «Стабилен» под действием растягивающей нагрузки жидкого наполнителя в рукавной оболочке.

Рис.3. График зависимости поперечного относительного удлинения материала от растягивающей силы Т

На основании эксперимента получено уравнение регрессии для расчета поперечного относительного удлинения полимерного материала «Стабилен» под растягивающей нагрузкой:

, (14)

где, Lн - начальный периметр оболочки, м; L – абсолютное удлинение материала, м; Т - растягивающая сила, Н/м.

Сравнение экспериментальных данных, характеризующих пространственную форму рукавных оболочек с жидким наполнителем, с расчетными показало удовлетворительную их сходимость. Относительная погрешность между экспериментальными и расчетными данными для всех безразмерных функций не превышает 10 % во всем диапазоне изменения аргумента . В качестве примера на рисунке 4 приведен график зависимости высоты оболочек от аргумента , подтверждающий приведенную величину погрешности.

Рис.4. График зависимости от

В четвертом разделе описаны разработанные автором способы сооружения средств локализации аварийно растекающихся жидких углеводородов, аварийных емкостей временного хранения нефти и нефтепродуктов, а также защитных ограждений объектов трубопроводного транспорта от внезапных наводнений и пожаров, с использованием серийно выпускаемых промышленностью рукавных полимерных материалов.

Несгораемость боновых заграждений обеспечивается непрерывным смачиванием их водой, которая, испаряясь под действием высоких температур, охлаждает поверхность бонов и делает ее несгораемой. Равномерная раздача воды по длине боновых заграждений обеспечивается использованием малопроницаемого рукавного полимерного материала с переменным коэффициентом фильтрации материала оболочек по длине, либо наличием отверстий переменного диаметра по длине бонов (в непроницаемых оболочках, покрытых проницаемым полимерным материалом).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа существующих способов и средств ликвидации аварий на трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов выявлены их недостатки и разработаны новые эффективные технические решения по сооружению защитных ограждений различного назначения и аварийных емкостей временного хранения жидких углеводородов.

2. Исследования пространственной формы мягких оболочек с жидким наполнителем позволили получить аналитические зависимости для расчета геометрических и гидравлических параметров оболочечных конструкций боновых заграждений и аварийных емкостей для временного хранения жидких углеводородов.

3. Для локализации аварийно растекающихся горящих углеводородов разработана методика гидравлического расчета несгораемых защитных ограждений из рукавных, проницаемых полимерных материалов.

4. Разработана методика расчета вместимости аварийных емкостей временного хранения нефти и нефтепродуктов с учетом растяжения полимерного рукавного материала под действием гидростатического давления, находящихся в них углеводородов.

5. Экспериментально проверены полученные аналитические зависимости для расчета геометрических и гидравлических параметров боновых заграждений и аварийных емкостей для временного хранения жидких углеводородов.

Основные публикации

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Якимова И.В. Гидравлический расчет несгораемых боновых заграждений круглого поперечного сечения // Известия вузов. Нефть и газ. – Тюмень: изд-во ТюмГНГУ, 2008.- №2. - С.78-80.

2. Патент РФ № 2270709. Способ предотвращения распространения пожара. Бюлл. изобр. № 6, 2006. Зарегистрирован 27.02.2006. Миронов Д.В., Миронов В.В., Якимова И.В. (Миронова)

3. Патент РФ 2292415. Способ сооружения защитных водоподпорных дамб. Зарегистрирован 27.01.2007. Миронов В.В., Миронов Д.В., Якимова И.В. (Миронова).

4. Патент РФ 2298062. Способ защиты объектов различного назначения от наводнений. Зарегистрирован 27.04.2007. Миронов В.В., Миронов Д.В., Якимова И.В. (Миронова), Чикишев В.М.

5. Патент РФ 2310710.Способы экстренной защиты объектов различного назначения от наводнений. Зарегистрирован в гос. реестре изобретений 20.11.2007. Миронов В.В., Миронов Д.В. Якимова И.В. Якимов В.В.

В других изданиях и журналах:

6. Якимова И.В. (Миронова), Якимов В. В. Локализация аварийно растекающихся горящих жидких углеводородов на местности вблизи водоема с использованием геосинтетических оболочек // Новые технологии – нефтегазовому региону. Материалы 4-ой науч.-практ. конф. студ., аспирантов и молодых ученых. – Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2005. – С.156.

7. Якимова И.В. Расчет гидравлических параметров несгораемых ограждений для локализации на суше аварийно растекающихся горящих углеводородов // Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли: Материалы Межд. науч.-техн. конф. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. – С. 422.

8. Якимова И.В., Миронов В.В. // Расчет плавучести и устойчивости оболочечных несгораемых бонов для защиты акваторий водохозяйственного назначения от загрязнений углеводородами. Вода: Проблемы и решения. Сб. науч. тр. ТюмГАСУ, вып 3. – Тюмень: Сити пресс, 2006 г. – С. 74.

9. Mironov V.V., Yakimova I.V. Research of an opportunity of use polymeric materials in disposable construction of various protective barriers // Europian journal of natural history, №6, 2007. ASIE, London.

10. Якимова И.В., Иванов В.А. Экстренная защита объектов трубопроводного транспорта от наводнений и аварийных разливов жидких углеводородов с применением оболочек одноразового действия из полимерных материалов с жидким наполнителем // Проблемы эксплуатации систем транспорта: Труды всероссийской науч.- практ. конф. 7 ноября 2007 г./Отв. Редакторы Ю.Е. Якубовский – Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. – С. 170.

11. Якимова И.В., Иванов В.А, Миронов В.В. Технология использования одноразовых средств защиты от аварийных разливов жидких углеводородов с применением серийно выпускаемых отечественной промышленностью рукавных полимерных материалов // «Нефтегазовый терминал» выпуск 2 / Гл. редактор, профессор, д.т.н., зав. каф. «Проектирование и эксплуатация нефтегазопроводов и хранилищ» Ю. Д. Земенков – Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. – С. 83-85.

12. Миронов В.В., Якимова И.В. Расчет вместимости одноразовых аварийных емкостей временного хранения жидких углеводородов // Современные наукоемкие технологии, выпуск №4. – Москва: Издательство «Академия естествознания», 2008 – С. 84 - 85.

подписано к печати 2008г.	Бум. писч. №1
Заказ № ____	Уч. – изд. л. 1,00
Формат	Усл. печ. л. 1,00
Отпечатано на RISO GR 3750	Тираж 100 экз.

_______________________________________________________________________

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»

625039, Тюмень, ул. Киевская, 52