авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов

-- [ Страница 2 ] --

1 участок - ,

2 участок - ,

3 участок - .

Поскольку первый участок, как видно из рисунка 2, представляет собой прямую линию, практически параллельную оси абсцисс, то для этого участка достаточно определить значение соответствующей ординаты, а на 2-ом и 3-ем участках необходимо определить численные значения констант из уравнения (16).

В диссертации показано, что аппроксимации Палмера недостаточно точно описывают универсальную кривую (рис. 2). Для повышения точности аппроксимации кривой Фw от ФL на 2-ом и 3-ем участках диссертантом были вычислены константы с помощью метода наименьших квадратов, тогда универсальную кривую можно представить следующим образом:

при , ; (17)

при , ; (18)

при , . (19)

Для расчета требуемого усилия придавливания Wd при различных значениях безразмерного параметра L используются уравнения, полученные соответственно из (17), (18), (19) путем перехода от безразмерных параметров Фw и ФL к размерным, учитывая, что длина неровности определяется как :

, если ; (20)

, если ; (21)

, если . (22)

При этом

, (23)

, (24)

где W1 - погонный погружной вес установленной трубы; F -максимальное действующее осевое усилие; Aст - площадь сечения трубы без учета наружных покрытий; Aвнутр - площадь сечения внутренней полости трубы; P - расчетное давление; B - остаточное натяжение по низу трубопровода, вызванное его прокладкой.

После определения расчетной величины усилия придавливания, минимально требуемая глубина заложения до верхней образующей трубы H может быть вычислена приравниванием требуемого усилия придавливания с учетом коэффициента запаса выпора fd, равного, например, 10%, направленному вверх противодействию погружному весу трубы и реакции сопротивления выпиранию со стороны грунта следующим образом:

, (25)

где W2 - погонный погружной вес установленной трубы в условиях эксплуатации; - погружной удельный вес грунта обратной засыпки, к которому переходят при расчетах нагрузок на морской трубопровод и напряжений от собственного веса грунта; f n - коэффициент реакции выпирания грунта, определенный экспериментально, обычно принимаемый равным 0,7 для каменистого грунта и 0,5 – для песчаников, но иногда может быть принятым много меньшим для рыхлого песчаного грунта.

Если глубина заложения морского трубопровода определена на основе других предпосылок, например, защиты от ледовых пропахиваний, а сумма усилий сопротивления выпиранию и погружного веса трубы превышает вычисленное значение усилия придавливания, величину заглубления морского трубопровода для предотвращения вертикального выпучивания задавать не требуется.

На основании уравнений (20-25) был разработан метод оценки условий потери устойчивости в вертикальной плоскости морского трубопровода и требуемой минимальной глубины заложения, с использованием методов компьютерной алгебры с привлечением стандартных операторов и пакетов среды Mathematica 5.1.

Далее приведен практический пример определения требуемой глубины заложения морского трубопровода, необходимой для предотвращения вертикального выпучивания морских промысловых трубопроводов для конкретного международного проекта по предложенному методу, и результаты сравнения вычисленных величин со значениями, определенными проектной компанией при разработке проекта этих трубопроводов. Из сравнения результатов видно, что разница значений усилий придавливания и глубин заложения, полученные проектной компанией и по предлагаемому методу, не превышают 0,003 %. Поскольку по двум независимым методам получены практически одинаковые результаты, то делается вывод, что предложенный диссертантом метод оценки устойчивости и требуемой глубины заложения морского подводного трубопровода применим для практического проектирования и может быть положен в основу разработки соответствующей нормативной документации.

В третьей главе изложены результаты исследований аналитических методов обнаружения возможных утечек в морском трубопроводе.

Проведенные исследования базируются на теории неустановившегося течения жидкости в напорных трубопроводах, разработанной Н. Е. Жуковским, и получивших развитие в работах Р.Г. Галиуллина, А. К. Галлямова, Р. Ф. Ганиева, А. Г. Гумерова, М. А. Гусейн-Заде, А. С. Казака, М. В. Лурье, А. Х. Мирзаджанзаде, Л. В. Полянской, С. А. Христиановича, И. А. Чарного, А. М. Шаммазова, А. С. Шумайлова, В. А. Юфина и др.

В основе предлагаемого в диссертации метода обнаружения утечек лежат гидродинамические процессы, возникающие при нарушении герметичности трубопровода. Так как в процессе истечения через отверстие происходит вынос некоторой массы и количества движения перекачиваемой среды, то, согласно законам сохранения, должно происходить изменение массы и количества движения перекачиваемой среды, оставшейся внутри трубопровода. Эти изменения приводят к тому, что вниз и вверх по потоку начнут распространяться волны разрежения, которые воспринимаются датчиками, установленными на концах трубопровода.

Очевидно, что характеристики волн разрежения - их форма, амплитуда – существенно зависят от размера и скорости роста размера отверстия, коэффициента поглощения волны при распространении в перекачиваемой среде, расстояния отверстия до датчиков, разности давлений внутри и вне трубопровода, а также других факторов. Определение характеристик волн разряжения является сложной теоретической задачей, которая к настоящему времени разработана недостаточно. С другой стороны, состояние нестационарного потока, по которому распространяется возмущение, до и после появления утечек различны. Отсюда следует, что для разработки метода контроля состояния трубопровода необходимо иметь теоретические модели как основного потока, так и потока после образования и распространении волн разрежения внутри трубопровода.

Течение в трубопроводах можно в полной мере описать, если известно давление, скорость потока, плотность и температура перекачиваемой среды. Их можно получить из решения системы дифференциальных уравнений движения, неразрывности, энергии и состояния. В ряде случаев, когда температура перекачиваемой среды близка к температуре окружающей среды, можно пренебречь уравнением энергии, т.е. считать движение изотермическим. В этом случае имеем, что

, (26)

, (27)

, (28)

где - плотность перекачиваемой среды (жидкой); - среднее давление в сечении; - продольная скорость в элементе поперечного сечения, местная скорость; t – время; g – ускорение свободного падения; - кинематическая вязкость; R – газовая постоянная; T – абсолютная температура.

Получить аналитическое решение системы приведенных уравнений в частных производных невозможно, поэтому обычно задачу существенно упрощают, принимая поток одномерным и заменяя неравномерные распределения скорости и давления рассматривать их средними по сечению значениями.

Проинтегрировав уравнение (26) по сечению и сократив на dx, получим

(29)

где - угол возвышения над горизонтом; S – площадь поперечного сечения; - проекция касательного напряжения на ось х (направление потока), средняя по смоченному периметру; - смоченный периметр;

- массовый расход; (30)

- проекция на ось x количества движения массы М. (31)

Уравнение (29) является общим, справедливым для любого потока перекачиваемой среды в трубопроводе.

Уравнения движения и неразрывности можно представить в виде системы уравнение с учетом деления обеих частей на S:

(32)

где – средняя в сечении скорость; - гидравлический радиус, учитывающий величину и форму сечения потока и равный отношению площади потока к смоченному периметру; - коэффициент сопротивления в формуле для потери напора на трение в трубопроводе; - поправка Кориолиса на неравномерное распределение скоростей в выражении количества движения потока через среднюю скорость и среднюю в сечении плотность. Величину и порядок всегда можно установить, зная шероховатость внутренней поверхности трубы и режим течения. Уравнения (32) представляют собой систему двух дифференциальных уравнений первого порядка в частных производных гиперболического типа, в общем случае, нелинейных. При этом и подлежат в дальнейшем определению.

При движении перекачиваемой среды в длинных трубопроводах обычно оказывается возможным пренебречь изменением давления, соответствующем изменению скоростного напора, т.к. изменение скоростного напора вследствие сжимаемости перекачиваемой среды практически ничтожно. Слагаемое в первом уравнении (32) является величиной постоянной. При неустановившемся движении в трубопроводе он будет давать лишь постоянную составляющую. Поэтому появляется возможность переобозначить градиент давления, который становится равным . Тогда этим многочленом также можно будет пренебречь. Так как коэффициент сопротивления является функцией режима течения, и тем самым, числа Рейнольдса, то слагаемое является существенно нелинейным. Воспользовавшись методом линеаризации, можно принять, что слагаемое постоянно и равно среднему значению по длине трубопровода и времени. Тогда имеем

, (33)

и систему уравнений (32) можно переписать в виде так называемых телеграфных уравнений

(34)

Далее будем рассматривать задачу о неустановившемся движении в трубопроводах, решение которой сводится к интегрированию телеграфных уравнений (34) для перекачиваемой среды при определенных граничных условиях, которые, естественно, зависят от характера возмущений на границах.

Решение системы уравнений (34) ищем при начальных и граничных условиях

при t 0 w(x,t) =f1(x)= 0, р(x,t)=f2(x)= 0,

где f(t), (t) – произвольные функции времени, равные нулю при .

Существует много методов решения системы телеграфных уравнений. Анализ этих методов показал, что предпочтительным следует признать операционный метод, позволяющий получить аналитические выражения, которые удобны для компьютерной обработки.

В трубопроводе в начальной момент времени давление и скорость равны нулю, а при t > 0 на х = 0 происходит изменение либо давления, либо скорости, то есть имеем, что

при t > 0 и х = 0 p(0, t) = (t) случай А;

при t > 0 и х = 0 w(0, t) = (t) случай В.

Была получена система уравнений, позволяющая описать течение в трубопроводе и создать теоретические модели как основного потока перекачиваемой среды в трубопроводе, так и при появлении в нем утечки после образования отверстия и распространения волн разрежения в соответствии с критериями А и В, определяющими их тип.

Случай А: (35)

случай В:

(36)

где , - функции Бесселя нулевого и первого порядков первого рода от мнимого аргумента.

В частном случае, когда в начале трубопровода задан скачок скорости или давления, то есть

или , (37)

выражения (35), (36) приводятся к виду:

в случае А

(38)

в случае В

(39)

При появлении в теле морского трубопровода отверстия достаточного размера, при котором под действием разности давлений внутри и вне трубопровода из него может быть вытолкнута перекачиваемая среда, практически важной с точки зрения обнаружения утечек является ширина отверстия а, при которой начинается утечка. При малых размерах отверстия на перекачиваемую среду внутри него действуют три силы: гидростатического давления, тяжести и капиллярного давления, причем первые две из них постоянны, а третья тем больше, чем меньше величина а. Под воздействием этих сил перекачиваемая среда внутри отверстия приходит в ускоренное движение. Было показано, что при исследовании процессов обнаружения утечек влиянием капиллярных сил можно пренебречь.

С учетом отмеченного задача обнаружения и определения величины утечек была сформулирована следующим образом: определить величину утечек при известных параметрах изменений полуширины отверстия а = а (t) и избыточного давления в трубопроводе р*. В этом случае задача сводится к расчету w в зависимости от длины и ширины отверстия в предположении, что р* остается неизменным; в действительности, конечно, давление в перекачиваемой среде вблизи отверстия не остается постоянным, а снижается, создавая в трубопроводе разряжение, которое будет распространяться вверх и вниз по течению.

Так как масса перекачиваемой среды, заключенная в объеме отверстия, мала, то будут малы и инерционные силы, действующие на эту массу, поэтому силы давления будут уравновешиваться исключительно силами трения. Это означает, что для исследования течения в отверстии можно использовать квазистационарный подход, когда характеристики сопротивлений, установленные для стационарных движений, сохраняются и для нестационарных потоков. Было показано, что осредненная по сечению скорость в отверстии w и величина утечки Q существенно зависят от полуширины отверстия а. Если ширина отверстия является линейной функцией времени, например, , то величина утечки зависит уже от времени в степени t4.

При рассмотрении гидродинамического излучения отверстия для упрощения математической модели реальное отверстие заменяется круговым сечением с диаметром Dэ, так как задача излучения звука щелью, расположенной на цилиндрической стенке трубопровода, приводит к сложным для анализа выражениям, причем на расстояниях, сравнимых с Dэ, перекачиваемую среду можно считать несжимаемой, поэтому взамен уходящего потока Q(t) через полусферическую поверхность будет втекать равный ему поток перекачиваемой среды.

Были получены формулы, полностью определяющие состояние потока внутри трубопровода в месте утечки, при этом было выяснено, что отверстие генерирует две волны – волну давления (40) и волну скорости (41), распространения которых приводят к принципиально разным результатам.

. (40)

. (41)

Поэтому весьма важно выяснить условия, при которых будут существовать либо обе волны, либо какая-то одна из них. Допустим, что утечка Q образовалась за время . Тогда к месту измерения, расположенному на расстоянии х от отверстия, с запаздыванием на , где с - это скорость звука в перекачиваемой среде, придет головное значение волны давления. Одновременно с волной давления в ту же точку придет и головное значение волны скорости. Критерием, определяющим вид волны, является величина : если « 1, то можно говорить, что появление утечки сопровождается формированием волны скорости и справедливы выражения:

(42)

если же наоборот, и » 1, то формируется волна давления и справедливы выражения:

(43)

При условии 0,1<<10 учитываются обе волны. Тогда, при < 3,5410-2 к датчику приходит только волна давления, а при условии > 3,54 - только волна скорости.

На базе расчетных соотношений второго раздела третьей главы был получен аналитический метод важной для транспортировки продуктов по морским трубопроводам задачи, определяемой открытием/закрытием задвижек по трассе трубопровода, что, по сути, соответствует образованию в нем утечки, и заполнением танков при танкерном транспорте углеводородов, что и приведено в заключительной части третьей главы.

Было проанализировано условие, когда в сечении х=0 расположена задвижка, разделяющая технологический трубопровод, сооруженный из различного рода труб, от другого трубопровода, являющегося ответвлением. На другом конце х = второго трубопровода расположены емкости, которые необходимо заполнить перекачиваемой средой. Были рассмотрены нестационарные процессы, протекающие во втором трубопроводе после того, как началось открытие задвижки. Волновой характер движения сохраняется вплоть до значений , то есть неустановившееся движение перекачиваемой среды будет носить волновой характер.

Тогда направо пойдет волна, которая, дойдя до открытого конца, должна отразиться как волна разрежения, которая имеет ту же амплитуду, что и прямая. Но первоначальное давление на х = 0 порядка атмосферного, следовательно, минимальное давление в отраженной волне не может быть меньше нуля. Поэтому условие равенства нулю избыточного, по отношению к стационарному, давления, принимаемое в классических работах, в рассматриваемом случае не выполняется: выход на стационарный режим осуществляется монотонно. Наличие отраженной волны приводит, с одной стороны, к некоторому увеличению скорости «утечки», а с другой – к уменьшению давления. Следует отметить, что волна разрежения проследует далее в технологический трубопровод, вызывая в нем падение давления.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.