Моделирование процесса разлива жидкости при разгерметизации трубопр

УДК 614.84

В. А. Алексеев, С. В. Алексеев, Р. И. Насрыев,

Р. Р. Ахметов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗЛИВА ЖИДКОСТИ ПРИ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ

Ключевые слова: аварийная разгерметизация, трубопровод, гильотинный разрыв, нефтеемкость грунта.

В статье рассмотрен процесс разлива жидкостей при аварийной разгерметизации трубопроводного транспорта. Было исследовано растекание жидкости при аварийной разгерметизации трубопроводного транспорта. Для изучения процесса растекания жидкости при разгерметизации магистрального нефтепровода был проведен ряд численных экспериментов. В ходе экспериментов рассматривалось истечения жидкости из поврежденного участка нефтепровода. Разработана методика расчета последствий аварийной разгерметизации трубопроводного транспорта, на ЭВМ проведено математическое моделирование данного процесса.

Keywords: rapid depressurization, the main oil pipeline, guillotine break, oil capacity of soil.

This article describes the process offlood fluids under rapid depressurization of pipelines. Was investigated spreading of liquid in rapid depressurization of pipelines. To study the spreading of the liquid in case of depressurization of the main pipeline, a series of numerical experiments. During the experiments, was considered the end of the liquid from the damaged section of the pipeline. A method for calculating the consequences of rapid depressurization of pipeline transportation, оп a computer the mathematical modeling of the process.

С развитием нефтяной промышленности, особую остроту приобретает проблема экологической безопасности при использовании магистрального трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. Отказ магистрального нефтепровода, проявляющийся в местной потере герметичности стенки трубы, трубных деталей или в общей потере прочности в результате разрушения, приводит, как правило, к значительному экологическому ущербу с возможными непоправимыми последствиями для окружающей природной среды [1].

Как правило, причины потерь перекачиваемых нефти и нефтепродуктов связаны с возникновением и развитием дефектов, обусловленных множеством причин конструктивного, технологического и эксплуатационного характера, а также несанкционированными врезками в трубопроводах [2].

Надёжность систем магистрального нефтепровода является важнейшим фактором стабильности и роста экономического потенциала России. Более 30% всех магистральных нефтепроводов России состоит из труб диаметра - 1020 и 1220 мм; на них приходится транспортировка свыше 70% нефти. Общая длина магистральных нефтепроводов в Российской Федерации превышает 50 тыс. км. При этом половина из них построена 30-35 лет назад при нормативном сроке эксплуатации этих систем 10-25 лет. В основном, аварии на нефтепроводах происходят по причине износа труб из-за внутренней коррозии магистральных нефтепроводов. По данным Министерства природных ресурсов Российской Федерации, 50% магистральных нефтепроводов физически устарели и относятся к категории высокоаварийных.

Выделяют три основные причины аварий - естественные (износ, старение оборудования), человеческий фактор (небрежность, халатность, преступный умысел), природные (стихийные бедствия, погодные явления).

Объем утечек нефти при авариях на нефтепроводах зависит от места и размеров повреждения, а также от времени его обнаружения и устранения. Объем вытекшей нефти может оказаться значительным даже при относительно небольших повреждениях, если они остаются незамеченными в течение длительного времени. Вследствие этих причин

прогнозирование последствий аварийных разливов нефти и нефтепродуктов является актуальной задачей. Информация о характере поведения нефтяного пятна, позволит максимально быстро и эффективно задействовать механизмы по борьбе с аварийным разливом нефти и нефтепродуктов, сокращая тем самым экологический ущерб нанесенный данными авариями.

Существующие в настоящее время методики оценки площадей разливов нефтепродуктов при аварийной разгерметизации магистральных нефтепроводов, обладают целым рядом ограничений. Основу многих методик составляют аналитические модели, не учитывающие реальную физику процессов. Исходя из вышесказанного можно сделать вывод об актуальности создания методики [3] прогнозирования последствий аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, учитывающей реальную физику процессов и свойства жидкостей и подстилающей поверхности.

При создании методики расчета последствий аварийной разгерметизацией трубопроводного транспорта были приняты некоторые допущения:

• рассматривалось течение Ньютоновских жидкостей по подстилающей поверхности;

• использовалась трехфазная модель (жидкость, воздух, грунт);

• не учитывается теплообмен между жидкостью и подстилающей поверхностью;

• течение жидкости было принято ламинарным;

• растекание происходило по смачиваемой поверхности;

• учитывалась сила поверхностного натяжения;

• задавалось условия прилипание на границе фаз жидкость - грунт;

• учитывалось убывание жидкости, за счет фильтрации в грунт.

Математическая составляющая методики, представляла собой систему дифференциальных уравнений, описывающих трехмерное нестационарное движение жидкости (1). При этом учитывались такие свойства жидкости как вязкость и плотность. Методика включает в себя систему уравнений описывающих движения жидкости.

ф ----ь ц

ах

Га ^х

ах2

Л

ау2

аг2

= р

У

ар

ау

г а Ж

+ ц

ар

рд+ц аг

ах2

г а

ах2

ау

аг

2

а Г а\^

• +

.а^х

ах

•+w,

аwx

ау

•+w.

аг

= р

У

ау2

аг2

= р

а

ж

+ wx

аwy

ах

аw,

+w,

ау

+ w.

аwy ^ аг

а

+ их

аwz

ах

• + иу

аwz

ау

-+и,

аwz

аг

аwx аwy ж

ах ау

+-

аг

= 0

где р - плотность жидкости, ^ - вектор скорости жидкости в точке с координатами (х,у,2) в момент времени 1, ц - коэффициент динамической вязкости, д - ускорение силы тяжести, м/с ; Данные уравнения образуют замкнутую систему для определения функций 'Мх, Му, и

Р

Граничные условия принимались следующими: на границе раздела фаз жидкость -грунт, задавалось условия фильтрации жидкости в грунт (2), (3) [4]:

wz = -

Ко ар

ц аг

где Ко - коэффициент проницаемости грунта, м , ц - коэффициент динамической вязкости жидкости Па-с.

Коэффициент проницаемости грунта рассчитывается следующим образом:

й2т3

0 150(1- т)2’

где т - влагоемкость грунта, О — диаметр частиц грунта.

Также, на границе раздела фаз жидкость - грунт, задавалось условие прилипания жидкости, т.е. Wx, Wy =0.

Для изучения процесса растекания жидкости при разгерметизации магистрального нефтепровода был проведен ряд численных экспериментов. В ходе экспериментов рассматривалось истечения жидкости из поврежденного участка нефтепровода. При проведении численного эксперимента принимались следующие данные:

• происходит квазимгновенный гильотинный разрыв магистрального нефтепровода;

диаметр трубопровода 1220 мм; время закрытия задвижек 300 сек; глубина залегания нефтепровода 2 м;

расход нефти составлял 0,27 м3/с; плотность нефти 860 кг/м3;

33

нефтеемкость грунта (супесь, суглинок) 0,2 м3/м3;

• профиль трубопровода - горизонтальный.

В результате моделирования были получены карты разливов, представленные на рисунках 1^3. На рис. 1 представлена карта разлива объемом 32,4 м3 в течение 120 сек, при этом получена, площадь 133,2 м . На рис. 2 представлена карта разлива объемом 64,8 м в течение 240 сек, при этом получена, площадь 268,2 м . На рис. 3 представлена карта разлива объемом 64,8 м3 в течение 240 сек, при этом получена, площадь 409 м2.

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

В результате проведенных численных экспериментов были получены данные, позволяющие оценить последствия аварий на магистральных нефтепроводах, а также заблаговременно подготовится к возможным последствиям таких аварий. Помимо этого, используя данную методику на этапе проектирования магистральных нефтепроводов, появляется возможность принятия необходимых решений для существенного снижения последствий аварийных разливов нефти на магистральных нефтепроводах.

Литература

1. Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» Выпуск № 1 (29) - февраль 2010 г. (http://ipb.mos.ru/ttb).

2. Гольянов, А.А. Анализ методов обнаружения утечек на трубопроводах. // Транспорт и хранение нефтепродуктов. - 2002. - №10-11. - С. 5-14.

3. Алексеев, В.А. Моделирование течения жидкости при разгерметизации резервуарного оборудования / В.А. Алексеев, С.И. Поникаров, С.В. Алексеев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. - №6. - С. 232-235.

4. Басниев, К.С. Подземная гидромеханика / К. С. Басниев, И. Н. Кочина, В. М. Максимов. - М.:

Недра, 1993. - 416 с.

© В. А. Алексеев - канд. техн. наук, доц. каф. машин и аппаратов химических производств КГТУ, ava_kstu@msn.com; С. В. Алексеев - инж. той же кафедры; А. Н. Миннегалеев - магистр КГТУ; Р. И. Насрыев - магистр КГТУ; Р. Р. Ахметов - зав. лабораторией, ahmetov77@mail.ru.