Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов




Скачать 27,53 Kb.
НазваниеСовершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов
страница2/3
Дата04.02.2016
Размер27,53 Kb.
ТипАвтореферат
1   2   3
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 о
a


amax


тверстие 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 < 3,5410-2 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.

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.





Рисунок 3 - Зависимости характеристик потока от времени

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.

1   2   3

Похожие:

Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов icon«Совершенствование методов оценки и переоценки основных средств на примере ОАО «Калугамежрайгаз» Содержание
Теоретические основы применения методов оценки и переоценки основных средств 5
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconСписок использованных источников
Критерии эксплуатационной надёжности коррозионно-повреждённых лопаток цнд паровых турбин / Резинских В. Ф., Лебедева А. И., Богачев...
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconПовышение эксплуатационной надежности двигателей дорожных и строительных машин трибологическим контролем состояния и активацией моторных масел
Работа выполнена в Томском государственном архитектурно строительном университете
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconПовышение надежности грузовых автомобилей путем применения системы эксплуатационной самодиагностики
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Орловский...
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconМоделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях

Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconПрограмма дисциплины Теория надежности горных машин и оборудования Направление подготовки 130400 «Горное дело»
Целью дисциплины является системное изучение методов и средств обеспечения качества и надежности технологических машин и агрегатов...
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconРабочая программа дисциплины «диагностика и надежность автоматизированных систем»
Целью изучения дисциплины является изучение методов обеспечения надежности и безопасности автоматизированных систем, их диагностики,...
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconСовершенствование системы управления подбором персонала в корпорации ОАО «Гамма» Содержание
Решение этих задач может быть достигнуто путем качественного совершенствования систем и методов подбора и оценки персонала
Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconРазработка научных основ оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом условий эксплуатации

Совершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов iconЭкономика и управление
Макова М. М. Проблемы количественной оценки экономической устойчивости нефтяных компаний
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница