Опубликован: 30.01.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 4076 / 1114 | Длительность: 15:35:00
Тема: Экология
Специальности: Эколог
Лекция 7:

Осложнения в процессе эксплуатации нефтегазовых систем

< Лекция 6 || Лекция 7: 1234 || Лекция 8 >

Гидравлический удар в нефтепроводах

Процессы течения, в которых характеристики потока изменяются с течением времени, называются неустановившимися (нестационарными). Неустановившиеся режимы течения нефти наблюдаются при пусках и остановках нефтепровода, включении или отключении дополнительного агрегата на головной или промежуточной НПС, полном или частичном открытии задвижки, переключении резервуаров, сбросе или подкачке нефти, при разрыве трубопровода.

При резком закрытии или открытии задвижки, включении или отключении насоса происходит резкое торможение или ускорение потока, сопровождающееся таким опасным явлением, как гидравлический удар ( рис. 7.5).

Схема возникновения волны повышения давления из-за торможения потока

Рис. 7.5. Схема возникновения волны повышения давления из-за торможения потока

Скорость распространения волн гидравлического удара в стальных негртепроводах достигает 1000 м/с, а изменение скорости течения на 1 м/с вызывает изменение давления в трубе на 0,9 МПа. С подобной разрушительной силой гидравлического удара необходимо считаться.

Рассмотрим течение нефти с плотностью \rho_0, скоростью V в трубе длиной L c площадью сечения \omega_0. Пусть в некотором сечении x_1 живое сечение потока быстро перекрывается задвижкой, и возникает резкое торможение потока, в результате чего скорость течения изменяется на величину \Delta_V. При этом слои идущей сзади жидкости поочередно тормозятся и сжимают слои жидкости, идущей впереди. При этом давление возле задвижки возрастает на величину \Delta p. плотность жидкости увеличивается на величину \Delta\rho, площадь сечения трубы также возрастает на \Delta\omega (см. рис. 7.5). При этом волна повышения давления (фронт возмущения) распространяется вверх по потоку с некоторой скоростью c=\Delta l/\Delta t, где \Delta l - отсек трубы, в котором за время \Delta t жидкость остановилась, а давление и диаметр трубы увеличились.

Используя теорему об изменении количества движения (теорему импульсов), можно получить следующую формулу, которая носит имя Н. Жуковского:


\Delta p=\rho\Delta Vc.
( 7.5)

Эта формула гласит, что всякое принудительное изменение скорости течения в трубе вызывает пропорциональное изменение давления в потоке жидкости.

Величина с определяет собой скорость распространения волн возмущения в трубопроводе с упругими параметрами нефти и трубы:


c=\sqrt{\frac{K/\rho}{1+(D/\delta)\cdot(K/E)}},
( 7.6)

где K - модуль упругости нефти, среднее значение которого 1,2\cdot 10^3 МПа; E - модуль Юнга материала трубы; для стали E = 2\cdot 10^5 МПа.

Это выражение определяет скорость звука (скорость ударной волны) в потоке жидкости. В жестком трубопроводе скорость ударной волны равна:


c=\sqrt{\frac{K}{\rho}}.
( 7.7)

Формула Жуковского справедлива для случая прямого гидравлического удара, когда перекрытие живого сечения потока происходит достаточно быстро: .

В случае непрямого гидравлического удара, когда поток перекрывается медленно (T_{закр}> 2L/c), давление в трубе повышается на величину:


\Delta p=\frac{2\rho LV}{T_{закр}}.
( 7.8)

Волны гидравлического удара могут распространяться на значительные расстояния, постепенно затухая за счет диссипации механической энергии. Наибольшую опасность волны повышенного давления представляют для участков вблизи перекачивающих станций и в наиболее низких сечениях трубопровода. На линиях всасывания НПС применяют специальные гасители гидравлического удара на случай, когда станция внезапно отключится и давление перед ней начнет повышаться.

При отключении перекачивающей станции или агрегата на ней вниз по течению распространяется волна разряжения, отчего в вершинах профиля трубы могут образоваться пустоты и временные перевальные точки. Пустоты способны разрастаться и переходить в самотечные участки. Волны снижения давления также могут вызывать опасные последствия. В наиболее высоких сечениях МН могут возникать парогазовые скопления, которые уменьшают расход перекачки и вызывают вибрацию трубы.

При включении отвода к промежуточной нефтебазе от места врезки отвода вверх и вниз по потоку распространяются волны разряжения, которые могут разорвать столб жидкости и превратить напорное течение в безнапорное.

Сказанное относится также к случаям перекачки газового конденсата и широкой фракции углеводородов, упругость насыщенных паров которых составляет от 0,3 до 3,0 МПа. Любое резкое снижение давления в таких трубопроводах приводит к образованию множественных парогазовых полостей, при исчезновении которых возникают мощные гидравлические удары.

Утечки нефти и газа через отверстия в трубе

Классификация методов контроля утечек

Появление утечек сопровождается целым рядом изменений физико-технического состояния трубопровода и пространства вблизи места их появления. Возникает характерный акустический шум, изменяются давление и скорость потока, потребляемая мощность перекачивающих агрегатов. Ощущается загазованность над поверхностью трассы. Изменяются температура, магнитное поле и электропроводность грунта в зоне выхода продукта из трубопровода. В этой связи существует большое число систем эксплуатационного контроля технического состояния трубопровода.

Общие требования к системам обнаружения утечек и дефектов: точность обнаружения малых повреждений: оперативность обнаружения крупных утечек: окупаемость затрат системы контроля.

Среди большого числа методов обнаружения утечек к наиболее эффективным относятся методы постоянного контроля. Из этой группы можно выделить метод математического моделирования гидравлического состояния трубопровода - непрерывное сравнение измеренных гидравлических параметров со значениями, смоделированными в реальном времени с помощью ЭВМ. В случае расхождения значений утечка имеет место, а ее размер и координата определяются расчетным путем.

Существуют различные методы контроля утечек.

Методы статического контроля осуществляется на трубопроводах, временно остановивших перекачку. Перекрываются задвижки на определенном участке и в течение 15 мин наблюдают за изменением в нем давления. Этот метод позволяет фиксировать утечку 0,6 м^3/ч. Недостатком метода является невозможность фиксации места повреждения.

Физические методы контроля: изменение давления или расхода перекачиваемого продукта: акустической эмиссии; магнитной дефектоскопии; радиационный; визуальный; трассирующих газов и др.

Рассмотрим установившееся истечение жидкости плотностью \rho при постоянном напоре H в атмосферу через малое отверстие площадью \omega в днище резервуара ( рис. 7.6). Отверстие считается малым, если его диаметр d<0,1H.

Сжатое сечение струи жидкости на выходе из отверстия

Рис. 7.6. Сжатое сечение струи жидкости на выходе из отверстия

Частицы жидкости не могут двигаться по изломанным траекториям, имеющим угловые точки. Траектории частиц жидкости по мере их приближения к отверстию плавно искривляются. Наибольшее искривление испытывают траектории тех частиц, которые подходят к отверстию вдоль стенки резервуара или трубы. В местах искривления траектории возникает центробежная сила, направленная внутрь струи, в результате чего живое сечение струи постепенно уменьшается до некоторой минимальной величины \omega_c. Это сечение, которое называют сжатым сечением, отстоит от плоскости отверстия примерно на расстоянии одного диаметра d. Ниже этого сечения жидкость какое-то время движется в виде компактной струи, затем струя насыщается воздухом, начинает дробиться и теряет компактность.

Величина отношения


\varepsilon=\omega_c/\omega
( 7.9)

называется коэффициентом сжатия струи.

Все потери напора сосредоточены в плоскости отверстия, которое является местным сопротивлением. Скорость жидкости в сжатом сечении определяется из выражения


U=\varphi\sqrt{2gH},
( 7.10)

где \varphi - коэффициент скорости, учитывающий все местные сопротивления при истечении жидкости; H - напор, под действием которого происходит истечение:


H=z+\frac{p}{\rho g}
( 7.11)

где p - избыточное давление в резервуаре; z - уровень жидкости над отверстием (геометрический напор).

Расход жидкости через отверстие равен произведению скорости струи на площадь ее сжатого сечения:


Q=\omega\mu\sqrt{2gH},
( 7.12)

где \mu=\varepsilon\varphi - коэффициент расхода.

По мере увеличения срока службы трубопроводов увеличивается вероятность аварий за счет нарушения их герметичности. Среди множества причин, приводящих к нарушению целостности трубопроводов, наиболее распространенными являются: механические повреждения; коррозия металла; заводской брак при изготовлении труб; плохая сварка стыков при монтаже; нестационарные процессы в трубах, сопровождаемые резкими колебаниями давления.

Процесс учета утечек нефти достаточно трудоемок. Существуют специальные компьютерные программы для расчета аварийного истечения нефти из трубопровода при его разгерметизации. При этом учитываются профиль нефтепровода, размеры отверстия, свойства нефти и режимы ее истечения.

Процесс истечения нефти из отверстия в стенке трубы включает в себя следующие три стадии.

Первая стадия напорного истечения происходит при работающей НПС от момента аварии до момента отключения перекачивающей станции. В этот период давление в месте аварии не меняется во времени и количество вытекшей нефти определяется разностью давлений, площадью отверстия и продолжительностью этого периода.

Вторая стадия истечения происходит с момента отключения перекачивающей станции до момента изоляции поврежденного участка нефтепровода линейными задвижками. В течение этой стадии нефть вытекает через отверстие под действием собственного веса. При этом в наивысших точках трубопровода последовательно происходят разрывы сплошности потока и образуются полости, заполненные насыщенными парами нефти.

Третья стадия безнапорного истечения начинается с момента перекрытия линейных задвижек, отсекающих поврежденный участок трубопровода, до момента ликвидации аварии или полного вытекания транспортируемой жидкости. На этой стадии нефть также вытекает под действием собственного веса.

По мере вытекания жидкости из трубы высотная отметка зеркала z уменьшается, поэтому в расчетах учитывают, что эта отметка является функцией времени z=f(t). После достижения опускающимся зеркалом отметки вершины V-образного колена жидкость в этом колене останавливается, столб жидкости разрывается. Далее зеркало нефти опускается, начиная с вершины колена трубы.

Схема истечения жидкости из вертикального цилиндра при переменном уровне

Рис. 7.7. Схема истечения жидкости из вертикального цилиндра при переменном уровне

Истечение из вертикального цилиндра с площадью поперечного сечения \Omega ( рис. 7.7) при переменном уровне является неустановившимся, так как напор и скорость истечения меняются во времени. В этом случае время опорожнения резервуара в пределах отметок z_1 и z_2 определяется из следующего выражения:


t=\frac{2\Omega(\sqrt{z_1}-\sqrt{z_2})}{\omega\mu\sqrt{2g}}.
( 7.13)

Время частичного опорожнения горизонтального участка трубы длиной L через нижнее отверстие в ее стенке ( рис. 7.8) определяется из следующего выражения:


t=\frac{4L}{3\omega\mu\sqrt{2g}}(\sqrt{2R-z_2}-\sqrt{2R-z_1})
( 7.14)
Схема истечения жидкости из горизонтального кругового цилиндра

Рис. 7.8. Схема истечения жидкости из горизонтального кругового цилиндра

Это решение используется также для определения продолжительности полного слива железнодорожной цистерны через короткий патрубок.

При крупных или полных разрывах нефтепровода в нем возникает интенсивное течение нефти к месту аварии, и большая часть напора теряется на преодоление сил внутреннего трения. Для отверстий больших размеров приведенные выше формулы не могут быть использованы. В этом случае процесс истечения нефти рассматривается в динамике при условии, что в сечении отверстия давление равно атмосферному.

Методы ремонта дефектов трубопроводов

Свищевые повреждения в стенках труб, через которые теряются значительные объемы УВ, приводят к загрязнению ОС. Сквозные дефекты являются источниками взрывов и пожаров в местах прохождения трасс газопроводов и компрессорных станций. Ремонт газопроводов с помощью врезки катушек связан с большими затратами.

Ликвидация сквозных дефектов газопровода без остановки перекачки продукта снаружи технически проще, чем изнутри. Простейший способ ликвидации свищей небольшого диаметра (до 3 мм) является зачеканивание отверстия пластичным металлом (свинцом, медью). Для устранения небольших утечек через свищи, трещины, пробоины используются хомуты, струбцины, прижимы, обеспечивающие плотное перекрытие мест утечек и уплотняющие прилегающие зоны трубы с помощью эластичных прокладок и пластырей. Используются бруски-магниты с уплотняющими прокладками, способные выдержать давление газа в данном месте.

Применение ремонтного хомута ( рис. 7.9) целесообразно при диаметре отверстий в стенке трубы до 25 мм. Перемещением хомута 4 по трубе стакан 1 надвигается на дефект. Правильность установки стакана определяется по выходу газа из отводного шланга 2. После фиксации стакана и хомута натяжными шпильками 5. а также завинчивания до упора винтового затвора 3 выход газа из отводного шланга прекращается.

Ремонт трубы с помощью хомута

Рис. 7.9. Ремонт трубы с помощью хомута

Для перекрытия больших коррозионных повреждений используются ремонтные муфты, снабженные краном для свободного выхода газа во время установки муфты и уплотняющего кольца.

Ремонту с применением сварки подвергаются дефекты небольшой глубины - примерно 50 % от толщины стенки трубы.

После окончания работы на поверхности трубы устраняются повреждения изоляции, а разработанный приямок засыпается мягким грунтом.

Для ликвидации свищей изнутри используются устройства, которые перемещаются внутри трубы в потоке перекачиваемого продукта, реагируют на утечку, останавливаются и герметизируют место повреждения, позволяя производить ремонтные работы.

< Лекция 6 || Лекция 7: 1234 || Лекция 8 >
Райхан Жуманова
Райхан Жуманова
Если я прошла курс где мой сертификат
Ольга Воробьева
Ольга Воробьева