Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов

Другим фактором, существенно влияющим на работу системы, является наличие в емкостях, которые необходимо наполнить, некоторого объема перекачиваемой среды. Тогда отверстие задвижки вблизи емкостей будет являться источником волн, которые гасятся пропорционально обратной величине радиуса трубопровода, так что ударное давление, попадая в емкость, гасится в отношении где ho – первоначальное значение высоты перекачиваемой среды в емкости. Таким образом, без большой погрешности можно считать, что отражения волны от конца с емкостями не существует, то есть полагать, что трубопровод бесконечно длинный.

Так как до открытия задвижки давление в трубопроводе одинаково по сечению и близко к атмосферному ро, иначе бы существовало движение, а в технологическом – отлично от нуля, то открытие задвижки в сечении х = 0 для технологического трубопровода является ни чем иным, как образованием утечки. Тогда по технологическому трубопроводу начнут в обе стороны распространяться вверх и вниз по потоку волны разрежения (волна, распространяющаяся вниз, будет способствовать увеличению местной скорости, а вверх – уменьшению, то есть приращения скорости будут направлены противоположно), а по исследуемому трубопроводу – волна давления с перепадом рм – ро. Через секунд волна достигнет датчика, установленного в конце. Скачок давления по мере распространения уменьшается из-за поглощения на стенках. Вблизи конца трубопровода его величина равна . Перекачиваемая среда в трубопроводе также придет в движение со скоростью тем большей, чем больше величина скачка давления. Действительная картина, однако, будет отличаться от описанной, хотя бы потому, что процесс открытия задвижки не мгновенный, а происходит в течение некоторого промежутка времени. С другой стороны, появление утечки неизбежно будет способствовать тому, что давление вблизи задвижки со стороны технологического трубопровода начнет падать.

В зависимости от скорости открывания задвижки возможно различное поведение системы. Если скорость мала, то максимальное значение давления не достигается. Дальнейшее понижение в этих режимах происходит по одной и той же экспоненте. Другие режимы будут возникать в том случае, если открытие задвижки произошло быстро. Дальнейшее падение давления строго индивидуально. Однако, если будем следить только за изменениями давления, то довольно сложно контролировать состояние потока в трубопроводе. Нестационарность, обусловленная быстрым открыванием задвижки в сечении х = 0, не является единственной.

На рисунке 3 представлены полученные на основании программ (Приложения 1-3) графические в виде ломаных линий зависимости скорости и давления в двух критических точках от времени, где моменты запуска и переключения емкостей изображены скачками. Общими для всех осциллограмм является то, что существуют два режима, отличающиеся знаками производных: если режим течения определяется изменениями условий на входе, то все производные имеют одинаковый знак – режим I. В остальное время – в режиме II – росту давления соответствует уменьшение скорости, и, наоборот, уменьшению давления – рост скорости. За исключением отрезка времени , необходимого для распространения сигнала от одного конца до другого, в котором изменения скорости в точках А и В совпадают. Наконец, на отрезке времени , соответствующем переключению емкостей, знаки изменения wА и wВ противоположны.

в двух критических точках

Далее были рассмотрены и проанализированы свойства характеристик потока в трубопроводе при образовании волн скорости и давления в начальном сечении х = 0.

Основные выводы и рекомендации

1. Обеспечение прочности и надежности морских подводных трубопроводов являются основой их безопасности. Применяемая в настоящее время в России нормативная база расчетов на устойчивость сухопутных трубопроводов обеспечивает достаточно надежные результаты для участков трубопроводов, проложенных в минеральных грунтах. Однако для трубопроводов, прокладываемых на морском дне, требуется совершенствование существующих методов. Поэтому в диссертации исследованы механизмы потери устойчивости в вертикальной плоскости морских подводных трубопроводов.
2. По результатам проведенных исследований получены необходимые соотношения для оценки устойчивости и определения проектных параметров, исключающих процессы вертикального выпучивания морских подводных трубопроводов.
3. Полученные автором соотношения с помощью стандартных операторов и пакетов среды Mathematica последней версии доведены до программного комплекса оценки условий потери устойчивости в вертикальной плоскости трубопровода, позволяющего оценить требуемую глубину его заложения для предотвращения этого явления на морском подводном трубопроводе.
4. Доказано, что предложенный автором метод оценки устойчивости и требуемой глубины заложения морского трубопровода применим при реальном проектировании и может быть положен в основу разработки соответствующей нормативной документации.
5. Безопасность эксплуатации морских подводных трубопроводов, в первую очередь, обеспечивается оперативной системой контроля параметров работы и возникновения аварийных ситуаций. Поэтому для обнаружения утечек и определения места повреждения трубопроводов обосновывается метод, заключающийся в интерпретации образующихся при появлении утечки волн разрежения.
6. Доказано, что образование отверстия сопровождается генерацией внутри трубопровода волн разрежения. Установлены критерии, оп­ределяющие типы образующихся волн разрежения. Выполнена оценка условий, при которых развитие появившегося в морском трубопроводе отверстия обусловлено гидродинамическими силами. Получены аналитические выражения, описывающие переходные процессы в трубопроводе после образования утечки.
7. Проанализированы переходные процессы в морском тру­бопроводе, исследовано влияние длины трубопровода, свойств среды и времени выхода скорости утечки на квазистационарном уровне.
8. На основе полученных решений разработан аналитический метод оперативной дистанционной оценки мест образования утечки в морском трубопроводе, обеспечивающий их эксплуатационную надежность на континентальном шельфе.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Айдуганов В. М. Опыт строительства и эксплуатации трубопроводов из металлопластмассовых труб [Электронный ресурс] / В. М. Айдуганов, Л. И. Волкова, Т. И. Лаптева. – Режим доступа : http://www.ogbus.ru / transport.shtml. - 21.02.06.
2. Лаптева Т. И. Моделирование процессов образования и обнаружения утечек в трубопроводах [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://www.ogbus.ru / transport.shtml. - 18.11.06.
3. Лаптева Т.И. Обеспечение устойчивости и конструктивной прочности морских подводных трубопроводов / Т.И. Лаптева, М.Н. Мансуров // Безопасность морских объектов: тезисы межд. науч.-техн. конф., Москва, 30-31 окт. 2007 г. – Москва : ВНИИГАЗ, 2007. – С. 109-110.
4. Лаптева Т. И. Обнаружение утечек при неустановившемся течении в трубах [Электронный ресурс] / Т. И. Лаптева, М. Н. Мансуров. - Режим доступа : http://www.ogbus.ru / transport.shtml. - 06.11.06.
5. Лаптева Т.И. О методах расчета вертикального выпучивания морских трубопроводов / Т. И. Лаптева, М. Н. Мансуров // Наука и техника в газовой промышленности. - 2007. - № 4. – С. 89-97.
6. Лаптева Т.И. Совершенствование расчетных методов проектирования морских трубопроводов / Т. И. Лаптева, М. Н. Мансуров // Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса: материалы науч.-практ. конф., Уфа, 24 окт. 2007 г. – Уфа : ИПТЭР, 2007. – С. 88-89.

Подписано к печати 13 марта 2008 г.

Заказ № 764102200

Тираж 100 экз.

Объем 1 уч-изд. Л. Ф-т 60х84/16.

Отпечатано в ООО «ВНИИГАЗ»,

Московская область, Ленинский р-н, п. Развилка