Автореферат - Институт проблем транспорта энергоресурсов

УДК 622.692.4
На правах рукописи
Верушин Александр Юрьевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДОВ
МОРСКИХ НЕФТЕОТГРУЗОЧНЫХ ТЕРМИНАЛОВ
ОТ ЧРЕЗМЕРНО ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ
Специальность 25.00.19  Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа 2010
2
Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии
«Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)
Научный консультант
 доктор технических наук, профессор
Гумеров Асгат Галимьянович
Официальные оппоненты:
 доктор технических наук, профессор
Гумеров Кабир Мухаметович
 кандидат технических наук
Пиядин Михаил Николаевич
Ведущее предприятие
 Открытое акционерное общество
«Институт «Нефтегазпроект»
Защита диссертации состоится 19 марта 2010 г. в 1130 часов на
заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт
проблем
транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр.
Октября, 144/3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».
Автореферат разослан 19 февраля 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
3
доктор технических наук
Л.П. Худякова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Одним из приоритетных направлений повышения эффективности и
надежности эксплуатации морских нефтеотгрузочных нефтяных терминалов
с удаленными от берега наливными устройствами является адекватная
система защитных мероприятий, включающая как защиту акватории от
проливов, так и защиту трубопроводной системы от возможно более крупных
аварий из-за гидравлических ударов, возникающих при быстром закрытии
клапанов.
В этой связи актуальным является разработка прогнозных методов
оценки влияния различных системных мероприятий, например логики
закрытия отсечных клапанов и останова насосной станции, а также
технологических мероприятий, например отбора жидкости перед отсечными
клапанами, влияющего на параметры гидравлических ударов.
Среди главных проблем моделирования гидравлических ударов
применительно к сложным трубопроводным системам, каковыми являются
морские терминалы, отметим следующие:
- проблема адекватности математической модели, отражающей
гидродинамику переходных процессов при наличии различных воздействий
запорными элементами, нестационарных режимах насосной станции,
сложной трубопроводной обвязке (разветвлениях, разных диаметрах труб),
существенном различии модулей упругости стальных труб и армированных
нефтеотгрузочных шлангов;
- проблема адекватного задания силы трения при одномерном
гидравлическом приближении;
- проблема выбора аналитических или прямых численных методов
расчета в рамках одномерного приближения, обеспечивающих приемлемую
точность;
- системные и технологические проблемы как на стадии
проектирования, так и на стадии эксплуатации;
- системная проблема разработки адекватной логики реакции системы
на штатную аварийную ситуацию, обусловленную позицией танкера,
включающая начало, синхронность или рассогласованность, а также
продолжительность закрытия отсечных кранов и время задержки останова
насосной станции;
4
- технологическая проблема использования защитных мероприятий с
целью предотвращения динамических перегрузок при гидравлических ударах,
в частности использование в случае необходимости форсированного отбора
нефти перед отсечными клапанами, начиная с момента начала их закрытия.
На стационарных морских отгрузочных причалах режим аварийной
остановки отгрузки нефти может быть инициирован:
- аварийной остановкой пускового, подпорного или магистрального
насосов;
- самопроизвольным или несанкционированным разъединением
отгрузочного шланга стационарного морского отгрузочного причала и
захватного носового приемного устройства танкера;
- сигналом автоматической системы управления технологическим
процессом (АСУ ТП) нефтеотгрузочного терминала при нарушении одного
из параметров «зеленой линии» «береговой резервуарный парк 
стационарный морской отгрузочный причал  танкер».
Сложность конструкций нефтеотгрузочного терминала обусловлена
особыми условиями эксплуатации гидравлической системы. Одной из
важных особенностей является зависимость устойчивой работы
технологического
оборудования
и
системы
автоматизации
нефтеотгрузочного терминала от позиционирования танкера во время
проведения технологических операций по отгрузке нефти. Смещение танкера
в продольном и поперечном направлениях за допустимые нормативы
приводит к тому, что автоматическая система управления технологическим
процессом на береговых сооружениях, стационарном морском причале и
танкере путем управляющих воздействий и сигнализации производит
немедленное прекращение отгрузки нефти.
Наличие относительно большого количества быстродействующих
клапанов, перекрывающих доступ нефти при поступлении на них
аварийно-предупредительных сигналов, переводит гидравлическую систему
нефтеотгрузочного
терминала
из
установившегося
режима
в
неустановившийся до полного прекращения отгрузки нефти. При
неустановившемся режиме возможны резкие и часто опасные волновые
колебания давления (гидроудары), которые могут привести к снижению
надежности отдельных элементов и гидравлической системы в целом.
Вследствие важного значения надежности нефтеотгрузочного
терминала для устойчивого функционирования системы нефтеснабжения
потребителей с использованием морского танкерного флота проектировщики
5
и эксплуатационный инженерно-технический персонал нуждаются в удобных
аналитических методах инженерного расчета неустановившегося движения
нефти в гидравлических системах морских терминалов, позволяющих
прогнозировать гидравлические удары в зависимости от режима
эксплуатации трубопроводной системы, особенностей конструкций,
являющихся источником переходных процессов, получать необходимую
информацию для выбора мероприятий по защите труб от чрезмерно высоких
давлений, а также для расчета уставок и настройки срабатывания быстродействующей запорной арматуры. Последнее особенно важно для
нефтеотгрузочных терминалов, поскольку
из-за ограниченности
возможностей применение традиционных систем и средств защиты от
чрезмерно высоких давлений может быть проблематичным (например
ограниченная площадь для размещения емкости для сброса части жидкости
при использовании клапанов-гасителей гидроудара), и выбор начала
срабатывания, времени закрытия отсечного клапана может быть единственным и эффективным решением.
Динамические процессы в системах (на гидравлических станциях,
магистральных нефтепроводах и газопроводах, в насосных и турбинных
установках, в трубопроводах гидромеханизмов и т.п.), различных по своей
физической природе, как правило, имеют одинаковое математическое
описание. В то же время аналитические, численные и графические методы
решения задач динамики волновых процессов в некоторых областях техники
часто оказываются более разработанными, чем в других. А в отдельных
областях, например применительно к нефтеотгрузочным морским
терминалам, продолжают оставаться малоизученными, и их разработка
является актуальной задачей. Это объясняется тем, что существующие методы
расчета волновых процессов удобно применять к простым трубопроводным
системам, состоящим из однородных элементов, не имеющих разветвленных
участков трубопроводов различных диаметров, большого количества
запорной арматуры, расположенных на относительно небольших расстояниях
друг от друга и соответственно взаимно влияющих на колебания давления и
расхода при их одновременном срабатывании при аварийной остановке
отгрузки нефти, сопровождающемся возникновением волновых процессов.
В связи с указанным, возникла потребность в исследованиях волновых
процессов, присущих сложным гидравлическим системам нефтеотгрузочных
морских терминалов, и усовершенствовании методов их расчета. Указанные
исследования и усовершенствования методов расчета, в первую очередь,
6
предусматривают учет особенностей конструкций и условий эксплуатации
как терминала в целом, так и отдельных элементов (например при расчете
гидравлических характеристик шаровых клапанов  коэффициентов
гидравлического сопротивления, коэффициентов расхода).
Другой причиной, вызвавшей интерес к совершенствованию методов
расчета волновых процессов в трубопроводах отгрузочного морского
терминала, явилась необходимость разработки наряду со сложными
аналитическими и численными методами расчета также аналитических
зависимостей, позволяющих на инженерном уровне оперативно
прогнозировать возможность возникновения чрезмерно высоких давлений и
выбора адекватных мероприятий систем защиты трубопроводов терминала от
скачкообразного изменения давления, т.е. динамических нагрузок ударного
характера, снижающих надежность эксплуатации гидравлической системы
отгрузки и поставки нефти потребителям морским транспортом.
Большой вклад в теорию нестационарных динамических процессов в
трубопроводах, начиная с пионерских работ Н.Е. Жуковского, внесли
Л. Аллиеви, Л. Бержерон, О. Шнидер, Д.А. Фокс, Л.С. Лейбензон,
С.А. Христианович, И.А. Чарный, А.Х. Мирзаджанзаде, Г.Д. Розенберг,
В. Стритер, В.И. Марон, М.В. Лурье, В.И. Мащенко, М.А. Гусейнзаде,
В.А. Юфин, Б.Ф. Лямаев, Х.Н. Низамов, Р.Ф. Ганиев, Л.Б. Кублановский,
Л.В. Полянская и другие ученые.
Несмотря
на
значительные
достижения
в
исследованиях
нестационарных процессов в трубопроводах различных гидравлических
систем до настоящего времени остаются нерешенные проблемы, в том числе
при расчете гидравлических ударов в трубопроводных системах морских
терминалов.
Цель работы  повышение безопасности трубопроводов морских
нефтеотгрузочных терминалов на основе адекватных методов расчета
переходных режимов и системных и технологических защитных
мероприятий от чрезмерных давлений.
Основные задачи работы:
1. Разработать расчетную математическую модель гидравлических
ударов в трубопроводах морских нефтяных отгрузочных терминалов на
основе взаимно дополняющих инженерных, аналитических, численных
методов и алгоритмов расчета;
2. Доказать адекватность математической модели на основе
7
сравнительного анализа численных данных фактическим данным,
полученным в условиях промышленной эксплуатации в широком диапазоне
режимных параметров;
3. Провести расчеты эффективности влияния различных системных и
технологических мероприятий на параметры гидроударов, в частности
синхронизации останова насосной станции и закрытия отсечных клапанов,
а также отбора нефти перед отсечными клапанами;
4. Определить возможность использования погрузки нефти с
нефтеотгрузочных причалов на удалениях до 45 км, обеспечивающих
предельную величину гидроудара меньше предела прочности труб.
Определить
параметры
гидроудара
при
использовании
противотурбулентных присадок как средства регулирования его
интенсивности.
Методы решения поставленных задач
При решении поставленных задач использовались приближенные
инженерные, аналитические и численные методы решения дифференциальных
уравнений гидродинамики нестационарных течений жидкости в сложных
трубопроводных системах. Для доказательства адекватности математической
модели и предложенных расчетных методов использованы опытнопромышленные данные, полученные при гидравлических ударах на
действующих трубопроводах морских нефтеотгрузочных терминалов.
Научная новизна
1. Построена математическая модель переходных процессов в
трубопроводах морских нефтеотгрузочных терминалов и разработан
алгоритм решения задачи расчета гидроударов с учетом особенностей их
конструкции.
2. Доказана адекватность математической модели переходных
режимов в широком диапазоне режимных параметров эксплуатации морских
нефтеотгрузочных терминалов.
3. На основе моделирования гидравлического удара разработаны
методы прогнозирования и мероприятия по уменьшению последствий
гидроудара на трубопроводах морских нефтеотгрузочных терминалов.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель гидравлического удара в трубопроводах
морских нефтяных терминалов, разработанная на основе одномерных
8
уравнений гидродинамики;
2. Комбинированные инженерные, аналитические и численные методы
расчета параметров гидроудара;
3. Доказательство адекватности математической модели на основе
численного моделирования гидравлических ударов на нефтяных морских
терминалах;
4. Результаты прогнозного численного моделирования различных
системных и технологических мероприятий по снижению интенсивности
гидравлических ударов;
5. Прогнозный численный анализ возможности строительства и
эксплуатации морских нефтеотгрузочных терминалов со значительным
удалением нефтеотгрузочных причалов от берегового резервуарного парка;
6. Численный анализ гидравлических ударов при использовании
противотурбулентных присадок.
Практическая ценность результатов работы
Предложенная методология исследования переходных процессов в
трубопроводах морских нефтяных терминалов может быть использована при
проектировании систем защиты от гидравлических ударов как
функционирующих, так и вновь проектируемых морских нефтеотгрузочных
терминалов.
Достоверность результатов подтверждается сравнением численных
расчетных и фактических значений параметров гидравлических ударов на
морских терминалах, а также сравнением численных расчетов с точными
аналитическими решениями на модельных примерах.
Апробация работы
Основные результаты исследований, представленные в работе, прошли
тестовую апробацию на Варандейском нефтяном отгрузочном терминале и
доложены на научно-практической конференции «Проблемы и методы
обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти,
нефтепродуктов
и
газа»
в
рамках
VIII
Конгресса
нефтегазопромышленников России (27.05.2009 г., г. Уфа) и на научнопрактической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в
рамках IX Российского энергетического форума (21.10.2009 г., г. Уфа).
9
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9
научных трудах, в т.ч. 2  в ведущих рецензируемых научных журналах,
рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных
выводов, библиографического списка использованной литературы,
включающего 138 наименований. Работа изложена на 103 страницах
машинописного текста, содержит 13 рисунков, 7 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и
основные задачи исследований, показаны научная новизна и практическая
ценность результатов.
В первой главе рассмотрены проблемы безопасности трубопроводных
систем
морских
нефтеотгрузочных
терминалов,
обусловленные
нестационарными процессами.
Диапазон углеводородных жидкостей, которые загружают в танкеры и
разгружают из них, варьируется от сырой нефти до сжиженного
природного газа. Эти операции осуществляются специализированными
средствами и сопряжены с опасностью утечек, пожаров, взрывов, а также
связаны с погодными и климатическими условиями, такими как шторм или
плавучие льды.
Типичные проблемы, обусловленные погрузкой и разгрузкой
углеводородных жидкостей, заключаются в следующем:
- чрезмерные давления, вызванные закрытием корабельных отсечных
клапанов, являющиеся причиной повреждения нефтеотгрузочных шлангов
или манипуляторов, нефтеотгрузочных причалов и подводных трубопроводов;
- низкие давления и возможные паровые полости, возникающие после
незапланированной остановки насосной станции;
- высокие давления в течение пуска насосной станции, особенно, если
до этого были сформированы паровые полости;
- чрезмерные нагрузки на трубы и перемещения труб, вызванные как
большими давлениями, так и большими темпами изменения давления;
- низкие давления после клапанов, связанные с их быстрым закрытием.
10
Исторически сложилось таким образом, что при закрытии аварийного
клапана на танкере насос продолжал работать в течение некоторого периода
после закрытия клапана. Давления гидравлического удара могли быть
уменьшены или предотвращены с использованием системы безопасности. Эта
система использует инициирование аварийного сигнала на борту танкера
для останова насосной станции с последующим закрытием отсечных
клапанов. В основном на традиционных морских нефтяных терминалах
используется система защиты, включающая клапаны, настроенные на
контролируемые значение давления. Одним из вариантов таких клапанов
является клапан DANFLO, при работе которого используется пружина,
находящаяся в равновесии с давлением инертного газа  азота. Время
открытия этого клапана составляет  100 мс. При открытии этого клапана
жидкость сбрасывается в специальную емкость. Причем все это достаточно
громоздкое оборудование устанавливается, как правило, на берегу.
В этой же главе рассмотрены особенности гидравлических ударов в
трубопроводах морских терминалах с удаленными наливными причалами.
На морских терминалах с удаленными наливными причалами время
прохождения волны гидроудара до берегового резервуарного парка (БРП)
вследствие закрытия отсечных клапанов больше 20 с, т.е. больше времени
останова насосной станции  10 с. Вследствие этого, интенсивность
гидроудара, несмотря на большее линейное переуплотнение, может быть
меньше, чем на терминалах с короткими трубопроводами. Это
обстоятельство в ряде случаев дает возможность обходиться без технических
средств защиты от гидроудара, таких как предохранительных клапанов
DANFLO или FLEXFLOW с емкостями для сброса нефти. Подтверждение
этого обстоятельства необходимо производить в каждом конкретном случае на
основе современных вычислительных средств прогноза и анализа путем
прогонки всевозможных сценариев взаимодействия управляющих элементов.
Среди главных проблем моделирования гидравлических ударов
применительно к сложным трубопроводным системам, каковыми являются
морские нефтеотгрузочные терминалы, отметим следующие:
- проблему адекватного задания силы трения при одномерном
гидравлическом приближении;
- проблему выбора аналитических или прямых численных методов
расчета в рамках одномерного приближения, обеспечивающих приемлемую
точность;
- системные и технологические проблемы как на стадии
11
проектирования, так и на стадии эксплуатации.
Основной системной проблемой является разработка адекватной логики
реакции системы на штатную аварийную ситуацию, обусловленную
позицией
танкера,
включающую
начало,
синхронность
или
рассогласованность, а также продолжительность закрытия отсечных кранов и
время задержки останова насосной станции.
Главной технологической проблемой является использование
адекватных защитных мероприятий с целью предотвращения динамических
перегрузок при гидравлических ударах, в частности использование в случае
необходимости форсированного отбора нефти перед отсечными клапанами,
начиная с момента начала их закрытия.
Во второй главе приведена математическая модель гидравлических
ударов на трубопроводах морских терминалов.
Перечисляются основные современные проблемы гидравлического удара:
 правильный учет трения применительно к нестационарным течениям
в одномерной постановке;
 определение параметров гидроудара при включении и выключении
запорных элементов, сбросе жидкости, включении и останове насосной
станции;
 неустановившиеся течения в вязкоупругих трубах и шлангах, в том
числе в сложной последовательности.
Далее выписываются уравнения гидравлического удара в упругих
трубах в одномерном приближении, включающие уравнение сохранения
массы жидкости
 ( A)  ( AV )

0
t
x
(1)
и уравнение количества движения
 D
V
V
1 (  1) AV 2 1 P
V


 g sin   w
0,
t
x A
x
 x
A
(2)
где    u 2 dA / V 2  коэффициент Кориолиса.
A
Уравнение (1) может быть переписано следующим образом:
1 DP V

 0,
c 2 Dt x
где скорость распространения упругих возмущений
c 2  d / dP  (  / A)dA / dP .
(3)
(4)
12
Для упругой трубы
Kf
1

c2

1
KfD
,
(5)
eE
или в более общей форме
Kf
1

c2

1
,
KfD
(6)
eE
где   параметр, учитывающий условия закрепления трубы,   1 .
С использованием определения напора
H  P / g  Z
(7)
уравнения (1) и (2) перепишутся в виде
g H V

 0,
x
c 2 t
(8)
V
H fV V
g

 0.
t
x
2D
(9)
Последние два уравнения обычно используются при численных
решениях проблем, связанных с гидравлическим ударом.
Далее рассмотрены вопросы адекватного учета касательного
напряжения на стенке трубы, в частности, обсуждается правомерность
использования квазистационарного касательного напряжения на стенке.
В традиционном анализе переходных процессов предполагается, что
выражения, связывающие касательное напряжение на стенке с осредненной
по сечению скоростью, остаются справедливыми для нестационарных
условий:
 w (t )   ws (t ) 
f (t )V (t ) V (t )
8
,
(10)
где ws (t)  квазистационарное касательное напряжение на стенке.
Использование квазистационарных касательных напряжений для
расчета неустановившихся течений удовлетворительно только для столь
слабых переходных процессов, что они не соответствуют режимам
гидравлического удара. При прохождении волны гидравлического удара
образуется возвратное течение рядом со стенкой, а этот эффект, в свою
очередь, приводит к большому градиенту скорости на стенке.
13
При неустановившемся течении трение стенки значительно
увеличивается по сравнению с трением при установившемся течении, что
необходимо учитывать при расчетах параметров гидравлического удара.
В качестве первого приближения естественно предположить, что
касательное напряжение при гидравлическом ударе состоит из
квазистационарной и нестационарной составляющих:
(11)
 w (t )   ws (t )   wu (t ) .
Определению второго слагаемого посвящены исследования большого
количества авторов как экспериментальные, так и теоретические.
Большинство авторов использовали выражение для касательного
напряжения вида
 w   ws 
kD V
4 t
(12)
с различными значениями параметра k.
В установившемся потоке падение давления на полностью открытом
клапане определяется уравнением истечения через отверстие
P0   0
1
V0 V0 ,
2
(13)
где о  эмпирический коэффициент.
Можно предположить, что аналогичное соотношение справедливо
при закрытии клапана:
P0  
1
V V ,
2
(14)
где   эмпирический коэффициент, зависящий от позиции клапана, а следовательно, и времени.
Разделив уравнение (13) на (14) и введя безразмерный коэффициент
закрытия клапана
  0  ,
(15)
получим нелинейное граничное условие
P0V V   2 (t )V0 V0 P .
(16)
Для определения функции (t) для шарового клапана используется
следующее выражение
(1  t Tc ) 3,53

 (t )  0,394(1  t Tc )1,7
0

при 0  t  0,4Tc
при 0,4Tc  t  Tc ,
при t  Tc
(17)
14
где Тс  время закрытия клапана.
При анализе гидравлических ударов важными являются уравнения
остановки насосной станции.
Частота вращения насоса в интервале времени t аппроксимируется
экспонентой
N 2  N1e
Gr
t
N1
,
(18)
где угловое ускорение
Gr 
3600Pwr
,
4 2 NI
(19)
мощность, поглощаемая насосом,
Pwr  
 gHQ
E
(20)
и Е  коэффициент полезного действия насоса.
В этой же главе приводятся уравнения останова насоса, эквивалентного
паре последовательно соединенных основного и подпорного насосов,
имеющих разные частоты вращения.
Третья глава посвящена анализу и адаптации методов
математического моделирования гидравлических ударов для трубопроводов
морских нефтеотгрузочных терминалов.
Приведен обзор инженерных и аналитических методов решения задач
гидравлического удара.
Разработан инженерный метод расчета гидравлического удара при
наличии сосредоточенного отбора части жидкости на основе принципа
суперпозиции  наложения расходов  и получено аналитическое решение
линеаризованной задачи гидравлического удара при отборе жидкости перед
отсечным клапаном.
Инженерные и аналитические методы имеют свои достоинства и
недостатки, и использовались многими исследователями для решения задач
гидравлического удара. Основным недостатком всех аналитических методов
является необходимость линеаризации задачи, которая искажает полученные
результаты.
Тем не менее, в ряде случаев использование инженерных и
аналитических методов не только целесообразно, но и необходимо, особенно
на стадии предварительных расчетов.
15
Среди численных подходов, предложенных для решения уравнений
гидравлического удара, отметим следующие методы: характеристик (МХ),
конечных разностей, волновой характеристический метод, конечных
элементов, конечного объема, решеточный метод Больцмана.
Среди этих методов метод характеристик является наиболее
популярным, так как он обеспечивает требуемую точность, численную
эффективность, простоту программирования и возможность использования
сложных граничных условий.
В основе метода характеристик лежит приведение системы уравнений
(1), (2) к эквивалентной системе уравнений в характеристической форме:

g dH dV  V V
gV dz



0
c dt
dt
2 d
c dx
,
dx
V c
.
dt
(21)
(22)
Рассмотрим расчетную схему метода Хартри. Трубопровод длиной L
разбивается по длине на п одинаковых участков; расстояние между узлами
сетки вдоль оси х равно х = L/n . Шаг по времени t выбирается таким
образом, чтобы выполнялось условие Куранта-Фридрихса-Леви (КФЛусловие)
х / t  V + c.
(23)
На границах трубопровода имеется только по одной характеристике: на
верхнем конце (х = 0)  обратная характеристика, в нижнем (х = L) 
прямая характеристика. В связи с этим на верхнем и нижнем концах
трубопровода значения напора или скорости должны задаваться явным
образом.
Далее в главе приводится алгоритм метода характеристик,
включающий: определение начальных условий путем решения
стационарных уравнений, расчетную схему закрытия клапанов, расчетную
схему сброса жидкости в емкость, расчетную схему остановки насосной
станции, внутренние граничные условия в сочленениях, алгоритм выбора
шага пространственной координаты для последовательности труб с
разными параметрами, алгоритм расчета параметров сложного соединения
труб, граничные условия резервуаров.
16
Четвертая глава посвящена математическому моделированию
гидравлических ударов в трубопроводах нефтяных отгрузочных терминалов.
На рисунке 1 приведена принципиальная схема нефтеотгрузочного
терминала.
В таблице 1 приведены основные режимные параметры,
предшествующие гидроударам; в этой же таблице приведены максимальные
экспериментальные и расчетные давления в ходе гидроударов на выходе БРП
и на входе в наливной причал.
На рисунке 2 приведены расчетные значения распределения напора
по длине трубопровода во времени для гидроудара № 2.
СМЛОП  стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал;
1, 1'  резервуары; 2, 2'  подпорные насосы; 3, 3'  основные насосы;
4, 4'  обратные клапаны; 5, 5', 6, 6'  отсечные клапаны; 7  концевой клапан
на шланге; 8, 8'  нефтепроводы; 9  трубопроводная обвязка на наливном
причале (рисунок 4)
Рисунок 1  Принципиальная схема нефтяного отгрузочного терминала
Таблица 1  Максимальные экспериментальные и расчетные параметры
гидроударов на БРП и СМЛОП
№
Дата
гидроудар
а
Расход в
каждой
ветке,
м3/ч;
скорость
Давление на
выходе из БРП
до гидроудара,
МПа
Давление на
входе на
СМЛОП до
гидроудара,
МПа
Максимальное
давление на
выходе из БРП
после
гидроудара, МПа
Максимальное
давление на
входе на
СМЛОП после
гидроудара, МПа
17
вращения,
об./мин*
ТН-17
ТН-18
ТН-17
ТН-18
1 05.09.2008 2000
0,69
0,70
0,26
0,28
1081
0,65
0,65
0,27
0,27
2 02.11.2008 2800
1,20
1,10
0,47
0,50
1489
1,21
1,21
0,50
0,50
3 05.06.2009 3900
2,50
2,50
0,786
0,786
1978
2,30
2,30
0,800
0,800
Примечание. * – Скорость вращения установлена расчетным путем.
(эксперимент;
расчет)
ТН-17
ТН-18
1,60
1,30
1,43
1,57
2,50
2,10
2,13
2,13
3,40
3,40
3,07
3,07
(эксперимент;
расчет)
ТН-17
ТН-18
1,53
1,48
1,48
1,48
2,11
2,10
2,27
2,27
3,70
3,70
3,40
3,40
Рисунок 2  Распределения напора по длине трубопровода
в различные моменты времени с шагом в 1 с
при гидроударе № 2 (таблица № 2)
На рисунке 3 приведены расчетные и экспериментальные эпюры
напора на БРП и СМЛОП, полученные при гидроударе № 2.
18
Рисунок 3  Расчетные и экспериментальные эпюры напора на БРП
и СМЛОП при гидроударе № 2 (таблица № 2)
Предыдущие расчеты касались прогнозируемых аварийных ситуаций.
Однако на практике могут быть ситуации, связанные с возникновением
гидроудара при проведении операций на танкере. В этом случае может
произойти мгновенное перекрытие концевого сечения шланга. При расчете
гидроудара при мгновенном закрытии концевого сечения наливного шланга
необходимо учитывать сложную геометрию трубопроводной обвязки на
СМЛОП (рисунок 4), представляющую из себя последовательность труб с
разветвлениями и соединениями различных диаметров и с различными
толщинами стенок. При этом, наливной вязкоупругий армированный
резиновый шланг имеет значительно меньший по сравнению со стальными
трубами модуль упругости, и, следовательно, значительно меньшую
скорость упругих возмущений. Например, модуль упругости стенки
армированного пластмассового трубопровода составляет Е  2,8961010 Па, в
то время как модуль упругости стали составляет Е  2,0  1011 Па.
19
Рисунок 4  Схема трубопроводов на СМЛОП
нефтяного отгрузочного терминала
Прочность труб и расчеты гидроудара, МПа
Для расчета параметров гидроудара на трубопроводах СМЛОП,
представляющего собой последовательность труб с разветвлениями,
применим модифицированный метод характеристик с кусочно-постоянной
скоростью распространения упругих возмущений и кусочно-постоянными
геометрическими параметрами трубопровода.
На рисунке 5 приведено сравнение максимальных давлений
гидроудара при производительности 40002 м3/ч, рассчитанных методом
характеристик и по формуле Жуковского, и прочности материала
соответственно наливного шланга и стальных труб наливного причала.
14
Максимальные значения по МХ
Расчет по Жуковскому
12
Прочность труб
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Номера труб СМЛОП
9
10
11
12
13
20
Рисунок 5  Сравнение максимальных давлений гидроудара
при производительности 40002 м3/ч, рассчитанных
методом характеристик и по методу Жуковского,
и прочности материала соответственно наливного
шланга и стальных труб наливного причала
Из приведенных данных следует важный с методической точки зрения
вывод, что значения максимальных давлений рассчитанных методом
характеристик, отличаются от значений, рассчитанных по методу Жуковского.
В пятой главе приводится анализ влияния логики реакции
управляющей системы нефтяного отгрузочного терминала, включающей
влияние времени останова насосной станции и запорной арматуры на
параметры гидроудара с использованием разработанной математической
модели.
Кроме
того,
приводится
анализ
эффективности
такого
технологического мероприятия, как форсированный отбор жидкости перед
отсечными клапанами, влияющий на параметры гидроудара.
Приводится расчетная зависимость максимального давления от
отношения расхода отобранной жидкости к общему расходу в трубопроводе в
момент, предшествующий гидравлическому удару.
Далее в главе приводится расчетный анализ проблем безопасности с
позиций защиты от гидравлического удара более протяженных морских
трубопроводов в составе новых нефтяных отгрузочных терминалов. Речь идет
о нефтепроводах, имеющих длину порядка 45 км. При диаметрах
трубопроводов, равных диаметрам трубопроводов действующего наливного
терминала, потребуется более действенная защита от гидравлических ударов.
Это объясняется повышенными давлениями на выходе насосных станций.
Вследствие линейного переуплотнения на нефтеотгрузочных причалах будут
реализованы повышенные давления, что потребует создания технологий
защиты от гидроудара на основе сброса части жидкости в резервуары.
В конце главы приводятся результаты исследования влияния
полимерных добавок, снижающих турбулентное трение на параметры
гидравлического удара.
При этом, кроме снижения гидравлического сопротивления,
дополнительно наблюдаются следующие эффекты:
- уменьшение затухания гидравлических ударов;
- увеличение интенсивности гидроудара.
Последнее обстоятельство приводит к повышенной интенсивности
21
гидроудара на БРП, что необходимо учитывать при планировании защитных
мероприятий.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Разработаны
основы
математического
моделирования
гидравлических ударов в трубопроводах морских нефтяных отгрузочных
терминалов на основе взаимно дополняющих инженерных, аналитических,
численных методов и алгоритмов расчета.
2. На основе сравнительного анализа численных данных, полученных
методом характеристик, с фактическими данными, полученными в
условиях промышленной эксплуатации, доказана адекватность модели в
широком диапазоне режимных параметров, что делает возможным
проведение
прогнозных численных экспериментов.
3. Проведены расчеты эффективности различных системных и
технологических мероприятий на параметры гидроударов, в частности
синхронизации останова насосной станции и закрытия отсечных клапанов, а
также отбора нефти перед отсечными клапанами.
4. Установлена возможность использования погрузки нефти с
нефтеотгрузочных причалов на удалениях до 45 км, обеспечивающих
предельную величину гидроудара меньше прочности труб. Определена
степень
затухания
величины
гидроудара
при
использовании
противотурбулентных присадок.
Основные результаты работы опубликованы в следующих
научных трудах:
1. Лисин Ю.В., Верушин А.Ю., Лисанов М.В., Мартынюк В.Ф.,
Печеркин А.С., Сидоров В.И. Концепция методического руководства по
оценке степени риска магистральных трубопроводов // Трубопроводный
транспорт нефти.  1997.  № 12.  С. 8-14.
2. Верушин А.Ю., Галкин В.А. Экологическая безопасность объектов
магистрального транспорта нефти  реальность сегодняшнего дня //
Трубопроводный транспорт нефти.  1998.  № 6.  С. 21-27.
3. Лисин Ю.В., Верушин А.Ю., Никитин А.Н. Перспективы
реконструкции систем безопасности магистральных нефтепроводов АК
«Транснефть» // Трубопроводный транспорт нефти.  1998.  № 5.  С. 810.
4. Гумеров А.Г., Рахматуллин Ш.И., Захаров Н.П., Верушин А.Ю.,
22
Скалауха А.Н. Инженерный метод расчета гидроудара при наличии
сосредоточенного отбора части жидкости // Проблемы и методы
обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти,
нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. 27 мая 2009 г. в рамках
VIII Конгресса нефтегазопромышленников России.  Уфа, 2009.  С. 102107.
5. Шагиев Р.Г., Верушин А.Ю. Проблема моделирования
гидравлического удара в трубопроводах морских наливных терминалов //
Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем
транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. 27 мая
2009 г. в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России.  Уфа,
2009.  С. 155-156.
6. Шагиев Р.Г., Верушин А.Ю., Гареев М.М. Проблемы использования
полимерных добавок, снижающих турбулентное трение при гидравлическом
ударе // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем
транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. 27 мая
2009 г. в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России.  Уфа,
2009.  С. 97-99.
7. Рахматуллин Ш.И., Гумеров А.Г., Верушин А.Ю. О влиянии
параметров клапана-гасителя на величину гидроудара в нефтепроводе //
НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов»
/ ИПТЭР.  Уфа, 2009.  Вып. 2 (76)  С. 76-78.
8. Шагиев Р.Г., Верушин А.Ю. Моделирование гидравлических
ударов в трубопроводах морских нефтеотгрузочных терминалов // НТЖ
«Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» /
ИПТЭР.  Уфа, 2009.  Вып. 3 (77).  С. 34-41.
9. Верушин А.Ю. О выборе времени закрытия отсечных клапанов на
трубопроводах нефтяных отгрузочных терминалов с удаленными наливными
причалами // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. научн.практ. конф. 21 октября 2009 г. в рамках IX Российского энергетического
форума.  Уфа, 2009.  С. 112-113.
23
24
Фонд содействия развитию научных исследований
Подписано к печати 08.02.2010 г. Бумага писчая.
Заказ № Тираж 100 экз.
Ротапринт ГУП «ИПТЭР», 450055, г. Уфа, проспект Октября, 144/3