В статье проанализирован процесс утечки нефти через трещины в стенках, описаны исследования, целью которых является совершенствование методов прогнозирования расхода утечек нефти и нефтепродуктов их технологических объектов.
Ключевые слова: утечка нефти, трубопровод, прогнозирование расхода нефти.
The article analyzes the process of oil leakage through cracks in the walls, describes the research, the purpose of which is to improve the methods for predicting the flow rate of oil and oil products leakage from their technological facilities.
Keywords: oil leak, pipeline, forecasting oil consumption.
Прогнозирование расходов нефти при ее утечке из технологических трубопроводов и емкостей под давлением, а также расчеты потерь через коррозионные повреждения нефтепроводов обычно осуществляются на основе известной формулы истечения, теоретически полученной на основе известного в гидродинамике уравнения энергии. Все отраслевые нормативные документы, связанные с потерями нефти, построены на основе собственно этой зависимости. В последнее время в связи с подорожанием энергоносителей начали появляться публикации по результатам исследований, которые свидетельствуют о том, что формула истечения дает завышенные результаты в определении массового расхода утечки нефти через отверстия неправильной геометрической формы. Это вносит погрешности в планы выполнения аварийно-восстановительных работ, связанных с потерями нефти, и завышает величину допустимых потерь. Это требует проведения научных исследований для корректировки методов прогнозирования расходы утечек через коррозионные повреждения трубопровода.
Целью проведенных исследований является совершенствование методов прогнозирования расхода утечек нефти и нефтепродуктов из технологических объектов, установление причин разногласий в определении расхода нефти аналитическими и расходомерными методами и внесение коррективов в расчетные зависимости для адаптации прогнозных и фактических данных.
Следует заметить, что проведение указанных исследований не исключает аналитических методов, но должно базироваться на обязательной их проверке практикой. Очевидно, что категорически отбросить теоретические исследования предшественников и отказаться от известной формулы утечки жидкостей через отверстия нецелесообразно, поскольку на этой основе получен ряд важных результатов и она общепризнанной. Поэтому целесообразно внести поправки в известной классической зависимости для адаптации ее к реальным условиям и коррективы в существующих методиках определения расхода нефти при утечке. Для проведения экспериментальных исследований процесса утечки нефти с ёмкостей под давлением запроектирован и создан лабораторный стенд. Емкость представляет собой стеклянную трубу внутренним диаметром 76 мм с толщиной стенки 4 мм, строго ориентированную по вертикали, в нижней части оборудована штуцером с резьбой для сменных насадок с отверстием различной формы в тонкой стенке. К наружной поверхности стенки трубы пристроены источники света (электролампы), а на диаметрально противоположной стороне фотодиоды ФДК-142-01 соединены через поляризованное электромагнитное реле РП-21 с электронным секундомером СТЦ-1.
В емкость через трубу заливалась жидкость с уровнем выше верхнего фотодиода, на поверхности жидкости плавал непрозрачный поплавок. В дальнейшем открытием заслонки происходила утечка жидкости через отверстие определенной площади и определенной формы. При опускании поплавка до уровня первого по высоте фотодиода реле включало электронный секундомер, и начинался отсчет времени истечения. Когда уровень жидкости опускался до нижнего фотодиода, реле исключало электронный секундомер, который фиксировал время утечки жидкости заданного объема.
В ходе исследования определены основные параметры, влияющие на характер утечки жидкости через отверстие в стенке трубопровода, к которым относятся геометрические характеристики щели: отношение высоты к ширине и площадь сечения, а также критерии гидравлического сходства: критерий Рейнольдса и критерий Эйлера, который выражается в виде относительной плотности жидкости. Функция-отклик при этом представляет собой относительный коэффициент расхода. Измерение расхода на стенде осуществляется объемным методом. Изменение уровней жидкости в трубе-емкости от начального до конечного фиксируется положением датчиков (фотоэлементов), и в каждом опыте постоянна и составляет 900 см 3 . Электронный секундомер при этом фиксирует время истечения заданного объёма. Поэтому расход определяется как отношение объема к времени истечения.
Экспериментальные исследования процесса утечки жидкости из трубопроводов через отверстия различной геометрической формы и площади сечения позволили получить эмпирическую зависимость коэффициента расхода от технологических параметров процесса, имеющего существенное значение при оценке потерь нефтепродукта в ходе эксплуатации трубопроводных систем.
Анализ результатов расчетов показывает, что расход утечки в течение всего процесса истечения падает во времени. Это объясняется общей тенденцией к уменьшению величины давления в трубопроводе и гидростатического напора.
В начальный период утечки давление в трубопроводе резко падает, что объясняется относительно большим значением расхода утечки и уменьшением объема жидкости в трубопроводе. По данным расчетов продолжительность этого периода составляет 19,2 % от общего времени истечения. При этом давление в трубопроводе снижается на 16,4 % и достигает значения атмосферного, гидростатический напор снижается на 12,9 %, а расход утечки — на 36,1 %.
Второй период характеризуется расширением газа в газовом пространстве над поверхностью нефти, в результате чего давление падает от атмосферного до давления упругих паров, снижение составляет 71,4 %.
Уменьшение гидростатического напора составляет 51,1 %. При этом расход утечки уменьшается на 32,9 %. Продолжительность периода составляет 37,8 %.
Третий период процесса утечки жидкости из трубопровода характеризуется тем, что на поверхности жидкости в трубопроводе устанавливается динамическое равновесие между жидкой и газообразной фазами. При этом, если давление в газовой фазе уменьшается до величины, ниже давления упругих паров жидкости, то происходит испарение жидкой фазы до тех пор, пока давления в газовой и жидкой фазе не будут выровнены. По продолжительности этот период составляет 43 %. Давление в трубопроводе является стабильным и равным давлению упругих паров жидкости, гидростатический напор уменьшается с большей скоростью и до конца процесса падает до нуля. Величина расхода утечки уменьшается с 28,7 % в начале периода до 14,8 % в конце.
Обобщая сказанное, можно утверждать, что процесс утечки жидкости из нефтепровода в результате возникновения аварийной утечки может быть разделен на три периода: для первого характерно резкое падение давления до атмосферного и снижение расхода утечки; для второго периода характерно расширение газа в газовом пространстве над поверхностью жидкости в трубопроводе от атмосферного давления до давления упругих паров жидкости; третий период характеризуется постоянным давлением на поверхности жидкости, равным давлению упругих паров и ускоренным уменьшением гидростатического напора в результате фазового перехода.
Литература:
- Мишкин, Г. Б. Краткий обзор систем обнаружения утечек российских производителей. [Электронный ресурс]. — URL https://moluch.ru/archive/25/2727/ (дата обращения: 01.10.2020).
- Усольцева, Э. Ф., Анализ видов выявления утечек на нефтепроводах [Текст] / Э. Ф. Усольцева, А. С. Максименко, В. А. Сивашенко, Д. А. Шевелёва // Научные достижения и открытия современной молодёжи: сборник статей II Международной научно-практической конференции. Пенза, 2017. — С. 64–67.
- Шестаков, Р. А., Анализ нормативных методов обнаружения утечек и пути их совершенствования [Электронный ресурс] / Р. А. Шестаков, Д. Н. Комаров, С. А. Филиппов. — URL https://cyberleninka.ru/article/v/analiz-normativnyhmetodov-obnaruzheniya-utechek-i-puti-ih-sovershenstvovaniya
- Шестаков, Р. А., Анализ волоконно-оптических методов обнаружения утечек в трубопроводах / Р. А. Шестаков, Л. К. Ганеева, // Труды Российского государственного университета нефти и газа им. И. М. Губкина. М.: — 2015. — № 2 — С. 56–64.
- Шестаков, Р. А. К вопросу о методах обнаружения утечек и несанкционированных врезок на магистральных нефтепроводах [Текст] / Р. А. Поляков // Вестник РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина. — 2015. — № 1. С. 85–94.
