Исследование и обоснование безопасных параметров снижения волны давления в трубопроводе при нестационарности технологических параметров эксплуатации

УДК 681.5:658.382

Исследование и обоснование безопасных

параметров снижения волны давления в трубопроводе при нестационарности технологических параметров эксплуатации

З.Х. ПАВЛОВА, к.т.н., доцент, декан факультета автоматизации технологических процессов

ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: zpavlova@mail.ru

В статье рассматривается проблема обеспечения безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов при нестационарности технологических параметров эксплуатации путем регулирования магистральных насосов частотно-регулируемым электроприводом. Указывается, что при использовании указанных приводов достигается плавное изменение режима перекачки и существенное снижение амплитуды волн давления, возникающих при нестационарности технологических параметров эксплуатации. Получены аналитические зависимости максимальных напряжений в стенке труб, возникающих в условиях изменения режима перекачки от параметров снижения волн давления, геометрических характеристик трубы и механических свойств металла. Показано, что плавное изменение производительности перекачки позволяет существенно снизить уровень напряжений в стенках труб. Полученные аналитические зависимости позволяют определить параметры снижения волны давления с учетом обеспечения безопасного функционирования магистрального трубопровода. Ключевые слова: магистральный трубопровод, волна давления, регулирование режима перекачки, магистральный насос, частотно-регулируемый электропривод, механическое напряжение, прочность труб, безопасность трубопровода.

Изменение производительности перекачки продукта по магистральному трубопроводу (МТ) связано с необходимостью регулирования режима перекачки. Регулирование режима перекачки нефти и нефтепродуктов путем включения и отключения магистральных насосов перекачивающих станций МТ приводит к возникновению в трубопроводе волны давления. Наиболее плавное и экономичное регулирование магистральных насосов обеспечивает частотно-регулируемый электропривод. Использование указанных приводов обеспечивает существенное снижение амплитуды волн давления путем плавного изменения производительности перекачки и давления, создаваемого насосами [1]. В связи с тем что любое повышение давления в трубопроводе выше рабочего связано с возникновением дополнительных напряжений, не предусмотренных нормативами и снижающих безопасность сооружения, требуется оценка значений этих дополнительных напряжений в зависимости от параметров нагру-жения и характеристик трубопровода. Таким образом, появится возможность обосновать параметры снижения волны давления, при которых

будут обеспечены прочность, а также надежное и безопасное функционирование магистрального трубопровода [2, 3]. Отметим, что изменение давления в трубопроводе в условиях регулирования насосов приводом может быть принято линейным

[4].

Рассмотрим деформацию стенки трубы и возникающие при этом механические напряжения в металле трубы в условиях линейного изменения внутреннего давления в полости трубопровода от р до (р + Ар) на участке £о .

Изменения внутреннего давления в трубопроводе на определенном ограниченном участке приводят к различным увеличениям радиуса под действием давления на этом участке. Такие изменения радиуса трубы создают местный изгиб стенки трубы с возникновением локальных напряжений изгиба. Таким образом, в стенке труб возникают напряжения изгиба и кольцевые напряжения, зависящие от давления в полости трубопровода, изменений этого давления, геометрических характеристик труб и механических свойств металла труб. Для определения указанных напряжений в стенке труб воспользуемся теорией тонкостенных оболочек, изложенной в ра-

ботах [5, 6]. Исследования проведены на участках трубопровода с постоянной толщиной стенок, имеющего соединение труб с разными толщинами стенок и соединение труб с запорной арматурой. В результате для каждой расчетной схемы получены формулы для определения наибольших напряжений изгиба, наибольших суммарных кольцевых напряжений и максимальных эквивалентных напряжений. Наибольшие значения напряжений возникают на границах изменения давления и при совпадении сечений изменения толщинок стенок труб и соединения труб с арматурой с границами изменения давления. Для указанных сечений и были получены расчетные формулы для определения наибольших напряжений.

Таким образом, для определения наибольшего напряжения изгиба для всех рассмотренных вариантов соединения труб имеем

аи = акц •

где -и - безразмерный параметр наибольшего напряжения изгиба, определяемый в зависимости от отношения Ар/р, протяженности участка трубопровода £о , на котором происходит изменение давления от р до (р + Ар) и геометрических характеристик соединения труб;

акц - кольцевое напряжение, определяемое по известной формуле акц = рЯ/5, где Я - радиус срединной поверхности трубы, равный Я = 0,5(Дн - 5); 5 - толщина стенки трубы; Дн -наружный диаметр трубы.

Наибольшее суммарное кольцевое напряжение включает напряжение из-за увеличения радиуса трубы под действием внутреннего давления, определяемого по известной формуле, и напряжения, вызванного возникновением напряжений изгиба, определяемого по формуле

°кц.и = ^ • где V - коэффициент Пуассона. Определяется

наибольшее суммарное кольцевое напряжение для всех расчетных схем по формуле

Наибольшее суммарное кольцевое напряжение возникает в сечении локального изгиба стенки трубы, где действует наибольшее сжимающее напряжение изгиба.

Проверка прочности трубопровода в сечении возникновения местной деформации стенки трубы производится в соответствии с требованиями [7] и по рекомендациям [8]. При этом с учетом того, что в указанном сечении стенка трубопровода подвергается одновременно воздействию внутреннего давления и изгиба, проверка прочности производится по энергетической теории прочности с определением эквивалентных напряжений а по формуле

аэкв акц

где безразмерный параметр

Стэкв

= (а1ц. "Ст

кц.

0,5

В табл. 1 представлены расчетные формулы для вычисления безразмерных параметров -и и -кц с для исследованных нами соединений труб при условии изменения давления в полости нефтепровода от р до (р + Ар) на участке протяженностью £о .

Аналитические выражения (1)-(4), расчетные формулы, предоставленные в табл. 1 и пояснения к этой таблице показывают, что закономерности изменений напряжений а , а и а в

* и кц экв .м

зависимости от исходных данных Ар/р, 5н/51 и £о могут быть анализированы путем исследования безразмерных параметров -и, -кц с и аэквм с использованием отношений Ар/р и 5н/5^ параметра ао, характеризующего протяженность £о . Такой анализ носит общий характер, не завися-

Таблица 1

Расчетные формулы для определения безразмерных параметров наибольших напряжений изгиба и суммарных кольцевых напряжений

акц.с акц

кц.с'

где -кц с - безразмерный параметр наибольшего суммарного кольцевого напряжения, определяемого в зависимости от Ар/р, протяженности £о и геометрических характеристик соединения труб.

Варианты соединения тРУб аи акц.с

Соединение труб с равными толщинами стенок 1,8157 • Ар р  а0 1 + 0,5447  Ар р  ао

Соединение труб с разными толщинами стенок 1,8157(1 + Ар -8н 1 ^ р  ао 81 ) 0,5447 (1 + Ар 1 + 0,4553 8н { р  ао) 81

Соединение труб с запорной арматурой 1,8157

5н - номинальная толщина стенки труб; 51 - толщина стенки больше номинальной; безразмерный параметр а0 = р  £о , где р определяется в зависимости от геометрических характеристик трубы и механических свойств ее металла [5].

экв

Таблица 2

Зависимости параметров напряжений — и о личных Ар/р и 8Х = 8н

кц.с от ао при раз-

Ар/р = 0,1

ао 0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

Ои 0,1816 0,0363 0,0182 0,0124 0,0091 0,0073 0,0061

Окц.с 1,1545 1,1109 1,1054 1,1036 1,1027 1,1022 1,1018

Ар/ р = 0,25

Ои 0,4500 0,0908 0,0454 0,0303 0,0227 0,0182 0,0151

Окц.с 1,3861 1,2772 1,2636 1,2591 1,2568 1,2554 1,2545

Ар/р = 0,5

Ои 0,9078 0,1816 0,0908 0,06005 0,0454 0,0363 0,0303

Окц.с 1,7724 1,5545 1,5272 1,5182 1,5136 1,5109 1,5091

экв.м

2,50-

2,25

щии от частных значении геометрических характеристик труб и протяженности £о , а результаты анализа соотносятся для всех диаметров труб магистральных трубопроводов.

Анализ данных в табл. 2 показывает, что плавное линеиное снижение давления в полости трубопровода на определенном участке существенно снижает напряжения в стенке трубопровода и увеличение ао (или длины участка £о , на котором происходит снижение давления) приводит к уменьшению напряжении.

На рис. 1 даны зависимости параметра максимального эквивалентного напряжения Оэквм от ао при различных Ар/р.

На рис. 2 даны графические зависимости напряжении ои, окц с и оэкв м от протяженности участка £о при р = 4,0 МПа, различных Ар/р для трубопровода 0 1020x10 мм. Металл трубы 17Г1С с пределом текучести ат = 366,0 МПа. В соответствии с требованиями [7] должно соблюдаться условие оэквм < От. Это условие, например, для рассматриваемого трубопровода при Ар/р = 0,5 и £о < 25 см не обеспечено. Увеличение протяженности £о и уменьшение Ар/р приводят к снижению напряжении, причем увеличение £о более существенно снижает напряжения изгиба. В области малых значении £о влияние изменения этого параметра на напряжения более существенно.

В табл. 3 даны зависимости параметров напряжении Оц, -кц.с и -экв.м от ао при 81/8н = 1,25 и раз"

личных Ар/р. Как видно из табл. 3, увеличение ао приводит к снижению -и, -кцс и оэкв м. При этом более существенно снижается параметр -и.

В табл. 4 даны значения -и, -кц с для сечения сопряжения трубопровода с арматурои для разных ао и Ар/р. Анализ показывает, что увеличе-

2,00

1,75

1,50

1,25

1,00

/-1

/2

^3

10

15

20

25

30

а„

1 - Ар/р = 0,5; 2 - Ар/р = 0,25; 3 - Ар/р = 0,1

Рис. 1. Графические зависимости безразмерного параметра максимального эквивалентного напряжения Оэквм от параметра ао при 81 = 8н и различных Ар/р

а1, Мпа' 450' 400' 350 300 250 200 150'

100 50 0

\

\ \

\ \ \

—•---- _____

25

50

75

100

125

150

£о, см

экв. м кц.с

1 - Ар/р = 0,5; 2 - Ар/р = 0,1

Рис. 2. Графические зависимости напряжений ои, окцс и оэквм от £о при р = 4,0 МПа, 81 = 8н и различных Ар/р для трубопровода 0 1020x10 мм

0

5

0

ния Ар/р и снижения ао повышают параметры напряжений изгиба -и и наибольших суммарных кольцевых напряжений -кцс. При этом параметр -и на изменения ао и Ар/р реагирует более существенно.

На рис. 3 даны зависимости параметра максимального эквивалентного напряжения -экв.м от ао при различных Ар/р.

С использованием полученных нами аналитических зависимостей возможно количественно оценить снижение максимальных напряжений с увеличением длины участка £о , на котором давление изменяется от р до (р + Ар). Такая оценка позволяет обоснованно принимать технологические и технические решения по обеспечению надежного и безопасного функционирования магистрального нефтепровода.

Результаты исследований рекомендуется использовать в процессе перекачки нефти при изменениях производительности магистрального нефтепровода. Так, например, принимая равномерное изменение производительности перекачки от Ql до ф2, промежуток времени изменения производительности следует принимать из условия

г >

* Д2Л 2 (Ql + ОО'

Таблица 3 Зависимое и различных Ар/р

Зависимости параметров напряжений аи, акц с и оэкв м

от ао при 51/5и = 1,25

1 2 3 4 5 6 7 8

ао 0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

Ар/р = 0,1

-и 0,5447 0,3994 0,3813 0,3752 0,3722 0,3704 0,3692

акц.с 1,0434 0,9198 0,9144 0,9125 0,9116 0,9111 0,9107

аэкв.м 1,3978 1,1717 1,1533 1,1471 1,1440 1,1423 1,1410

Ар/р = 0,25

-и 0,8171 0,4539 0,4085 0,3934 0,3858 0,3813 0,3782

акц.с 1,2451 0,9361 0,9225 0,9180 0,9157 0,9143 0,9134

аэкв.м 1,7987 1,2277 1,1810 1,1656 1,1578 1,1532 1,1501

Ар/р = 0,50

-и 1,2710 0,5447 0,4539 0,4236 0,4085 0,3994 0,3934

акц.с 1,5813 0,9634 0,9361 0,9271 0,9225 0,9198 0,9180

аэкв.м 2,4750 1,3227 1,2277 1,1965 1,1810 1,1717 1,1656

Таблица 4 Значения параметров напряжений -и и акц с при различных ао и Ар/р для сечения соединения трубы с арматурой

Ар/р = 0,1

ао 0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

-и 1,9973 1,8520 1,8339 1,8281 1,8248 1,8230 1,8218

акц.с 0,5992 0,5556 0,5502 0,5484 0,5474 0,5469 0,5465

Ар/р = 0,25

-и 2,2697 1,9065 1,8611 1,8460 1,8384 1,8339 1,8308

акц.с 0,6809 0,5720 0,5583 0,5538 0,5515 0,5502 0,5492

Ар/р = 0,50

-и 2,7235 1,9973 1,9065 1,8762 1,8611 1,8520 1,8460

акц.с 0,8171 0,5991 0,5720 0,5629 0,5583 0,5556 0,5538

где Дв - внутренний диаметр нефтепровода.

В условии (5) протяженность £о принимается на основе полученных нами зависимостей напряжений от этого параметра.

Выводы

Проведены исследования влияния параметров режима перекачки нефти по трубопроводу на напряженно-деформированное состояние труб. Исследования напряженно-деформированного состояния труб проведены для участка с постоянной толщиной стенки, имеющего соединение

экв.м

3,25 3,00 2,75 2,50 2,25 2,00

\

\

\\

<1

10

15

20

25

30

а„

Рис. 3. Графические зависимости безразмерного параметра максимального эквивалентного напряжения от ао при различных значениях Ар/р в сечении соединения трубы с арматурой

0

5

труб с разными толщинами стенок и соединение труб с запорнои арматурои.

В результате исследовании получены аналитические зависимости наибольших механических напряжении в стенке труб (напряжении изгиба ои, суммарных кольцевых напряжении о„ , и эквивалентных напряжении „, воз-

кц * экв.м'

никающих вследствие изменения режима перекачки) от геометрических характеристик трубопровода, своиств металла труб и параметров изменения режима перекачки, включающих значения давлении в начале и конце изменения режима перекачки и протяженности участка нефтепровода, на котором происходит изменение давления. Полученные зависимости позволяют количественно оценить влияние изменения параметров режима перекачки на напряженно-деформированное состояние труб, и в результате такои оценки показано, что с увеличением протяженности участка изменения давления происходит существенное сни-

жение напряжении. Так, например, из табл. 3 и табл. 4 имеем, что при Ар/р = 0,5 и увеличении ао от 0 до 20,0 (ао = 20,0 для трубопровода 0 1220x14мм соответствует £ о = 143,1 см) напряжение изгиба снижается в сечениях соединения труб с разными толщинами стенок (при 8^8К = 1,25) в 3,1 раза и с арматурои в 1,5 раза.

Анализ напряженного состояния труб по полученным аналитическим зависимостям показал, что применение частотно-регулируемого электропривода для магистральных насосных агрегатов в условиях нестационарности технологических параметров эксплуатации позволяет снизить напряжения в стенке труб до нормативного уровня, и тем самым обеспечивается безопасность в условиях нестационарности технологических параметров эксплуатации. Результаты исследовании могут быть использованы предприятиями магистрального транспорта нефти при разработке эксплуатационнои документации по выбору режимов перекачки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шабанов В.А., Алексеев В.Ю., Павлова З.Х. Обеспечение бесперебойной работы частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосов и технологического режима перекачки при кратковременных нарушениях электроснабжения: Моногр. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2012. 171с.

2. Махутов Н.А., Пермяков В.Н. Ресурс безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов. - Новосибирск: Наука, 2005. 516 с.

3. Зайнуллин Р.С., Гумеров А.Г. Повышение ресурса нефтепроводов. - М.: Недра, 2000. 494 с.

4. Шабанов В.А. Основы регулируемого электропривода основных механизмов бурения, добычи и транспорта нефти. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. 156 с.

5. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. - М.: Наука, 1966. 635 с.

6. Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов. - М.: Недра, 1986. 560 с.

7. СП 36.13330.2012 Магистральные трубопроводы / Госстрой России. М.: 2013. - 100 с.

8. Бородавкин П.П., Синюков А.М. Прочность магистральных трубопроводов. - М.: Недра, 1984. 245 с.

STUDY AND JUSTIFICATION OF SAFE PARAMETERS OF DE-CREASING

THE PRESSURE WAVE IN PIPELINE AT NONSTEADY STATE OF TECHNOLOGICAL

PARAMETERS OF OPERATION

Рavlova Z.H., Cand. Sci. (Tech.), docent, Dean of the School of Automation of Industrial Processes

Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, the Republic of Bashkortostan,

Russia).

E-mail: zpavlova@mail.ru

ABSTRACT

In the article, ensuring safe operation of the main pipelines at non steady state of technological parameters of operation by controlling the main pumps with variable frequency electric drive is considered. It is noted that use of the specified drives provides smooth change of the mode of transfer and essential decrease in amplitude of the wave of pressure arising at non steady state of technological parameters of operation. Analytical dependencies between the maximum tension in pipe wall arising in the conditions of change of the mode of transfer and parameters of decreasing the pressure waves, geometrical characteristics of pipe and mechanical properties of metal are obtained. It is shown that smooth change of productivity of transfer allows reducing significantly the level of tension in pipe walls. The received analytical dependencies allow to determine parameters of decreasing the pressure wave taking into account insurance of safe functioning of the main pipeline.

Keywords: main oil pipeline, pressure wave, pumping mode control, main pump, variable frequency electric drive, mechanical stress, pipe durability, safety of the pipeline.

REFERENCES

1. Shabanov V.A., Alekseev V.Yu., Pavlova Z.Kh. Obespechenie bespereboynoy raboty chastotno-reguliruemyh jelektroprivodov magistral'nyh nasosov i tehnologicheskogo rezhima perekachki pri kratkovremennyh narusheniyah yelektrosnabzheniya [Ensuring trouble-free operation of frequency and adjustable electric drives of the main pumps and the technological mode of transfer at short-term violations of power supply]. Ufa, Neftegazovoe delo Publ., 2012. 171 p.

2. Makhutov N.A., Permykov V.N. Resurs bezopasnoy ekspluatatsii sosudov i truboprovodov [Resource of safe operation of vessels and pipelines]. Novosibirsk, Nauka Publ., 2005. 516 p.

3. Zaynullin R.S., Gumerov A.G. Povyshenie resursa nefteprovodov [Increase of a resource of oil pipelines]. Moscow, Nedra Publ., 2000. 494 p.

4. Shabanov V.A. Osnovy reguliruemogo elektroprivoda osnovnykh mekhanizmov bureniya, dobychi i transporta nefti [Bases of the adjustable electric drive of the main mechanisms of drilling, production and transport of oil]. Ufa, UGNTU Publ., 2009. 156 p.

5. Timoshenko S.P., Voynovskiy-Kriger S. Plastinki i obolochki [Plates and covers]. Moscow, Nauka Publ., 1966.635 p.

6. Birger I.A., Mavlyutov R.R. Soprotivlenie materialov [Strength of materials]. Moscow, Nedra Publ., 1986. 560 p.

7. Standard of the enterprise 36.13330.2012. Magistral'nye truboprovody. Moscow, Gosstroy Rossii Publ., 2013. 100 p.

8. Borodavkin P.P., Sinyukov A.M. Prochnost' magistral'nykh truboprovod ov [Durability of the main pipelines]. Moscow, Nedra Publ., 1984. 245 p.