CC BY
78
УДК 628.515
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-10204
РАЗРАБОТКА ВСПЛЫВАЮЩЕГО БОНОВОГО ЗАГРАЖДЕНИЯ, СПОСОБНОГО РАБОТАТЬ В ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ НА РЕКАХ
DEVELOPMENT OF A POP UP BOOMS THAT CAN OPERATE IN ICE CONDITIONS ON RIVERS
Д.Р. Хайруллин, С.М. Султанмагомедов
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9823-8022, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6111-1319, E-mail: [email protected]
Резюме: В статье рассмотрены основные способы локализации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов при наличии ледового покрова:
- путем разбиения льда на небольшие куски с последующим отделением его от нефтяного пятна, которое дальше локализуется и удаляется традиционными способами;
- путем разрезания льда и установкой в прорези боновых заграждений;
- применением боновых заграждений переменной плавучести (способ ориентирован для работы на морских платформах).
В статье предложен альтернативный способ. В его основе лежит всплывающее боновое заграждение, конструкция которого была доработана, а также обеспечена возможность его применения в ледовых условиях. Данное заграждение устанавливается на дно реки ниже по течению от возможного места разлива нефти и нефтепродукта, рядом с ним на берегу сооружается небольшое помещение с компрессором и системами его автоматического запуска. При аварийном разливе боновое заграждение всплывает на поверхность и прижимается ко льду, оперативно локализуя пятно путем подачи сжатого воздуха во внутреннюю камеру бонов. В конструкции предусмотрены гребнеобразные эластичные элементы, обеспечивающие плотное прижимание бона ко льду, с проходящим по ним электрокабелем для исключения примерзания гребнеобразных элементов ко льду. К юбке крепится гибкое полотно, по длине сопоставимое с высотой бона, которое позволяет уменьшить унос нефти и нефтепродукта под боном. В статье показано, что при всплытии в большинстве случаев заграждение не сломает лед (кроме переходных периодов или в районах с небольшой толщиной льда, преимущественно южных).
Ключевые слова: боновые заграждения, локализация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, ледовые условия, всплывающие заграждения.
Для цитирования: Хайруллин Д.Р., Султанмагомедов С.М. Разработка всплывающего бонового заграждения, способного работать в ледовых условиях на реках // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 2. С. 19-23.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-10204
Damir R. Khayrullin, Sultanmagomed M. Sultanmagomedov
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9823-8022, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6111-1319, E-mail: [email protected]
Abstract: The article describes the main methods of localization of emergency oil and oil product spills in the presence of ice cover:
- by breaking the ice into small pieces, then separating it from the oil slick, which is further localized and removed by traditional methods;
- by cutting the ice, and installing booms in the slots;
- by using booms of variable buoyancy, the method is oriented to work on offshore platforms. In addition, an alternative method was proposed. It is based on a pop-up boom, the design of which has been modified, as well as the possibility of its use in ice conditions. This barrier is installed on the bottom of the river, downstream from the possible site of an oil and oil product spill, and a small room with a compressor and its automatic start-up systems is being built next to it on the Bank. In case of an emergency spill, the boon barrage floats to the surface and is tightly pressed against the ice by supplying compressed air to the inner chamber of the booms, quickly localizing the spot. The design provides comb-like elastic elements that ensure tight pressing of the boon to the ice, with an electric cable passing through them to avoid freezing of the comb-like elements to the ice. The skirt is attached to a flexible cloth with a length comparable to the height of the boon, which allows you to reduce the entrainment of oil and petroleum products under the boon. The article shows that when surfacing in most cases, the barrier will not break the ice, except for transition periods, or areas with a small thickness of ice, mainly in the South.
Keywords: booms; localization of emergency oil and oil product spills; ice conditions; pop-up barriers.
For citation: Khayrullin D.R., Sultanmagomedov S.M. DEVELOPMENT OF A POP UP BOOMS THAT CAN OPERATE IN ICE CONDITIONS ON RIVERS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 2, pp. 19-23.
DOI:10.24411/0131-4270-2020-10204
Способы локализации нефтяного разлива при наличии ледового покрова
В зимних условиях при наличии ледового покрова способы локализации нефтяного пятна подо льдом следующие:
- вырезание во льду направляющих прорезей шириной 1-3 м под углом к течению реки; в конце их сооружается майна для размещения нефтесборщика и вспомогательного оборудования согласно [1], после чего в прорезь устанавливается боновое заграждение;
- вырезание лунок с определенным шагом по линии под углом к течению реки, согласно [2], после чего подо льдом
при помощи лунок протаскивается трос до противоположного берега; вслед за ним протаскивается боновое заграждение подо льдом и натягивается;
- установка бонового заграждения вокруг нефтяной платформы, которое в режиме ожидания заполнено водой и находится на определенной глубине, согласно [3]. При аварии и наличии ледового покрова оно всплывает вследствие подачи во внутреннюю полость воздуха под давлением и плотно прижимается ко льду, локализуя разлив;
- установка заграждения в подготовленной прорези на льду, согласно [4]. Для этого разворачивают заграждение,
2
• 2020
19
состоящее из двух эластичных оболочек, заполняют верхнюю оболочку воздухом и опускают нижнюю эластичную оболочку с юбкой и утяжелителем в прорезь. Верхняя оболочка, расклиниваясь, не дает утонуть заграждению. Нижняя эластичная оболочка свободно располагается в воде подо льдом. После закачивания воды под избыточным давлением в нижнюю оболочку она принимает форму плотного цилиндра, который создает непреодолимое препятствие для перемещения нефти;
- применение бонового заграждения, состоящего из стальных понтонов с промежутками между ними, согласно [5]. Понтоны, в свою очередь, соединены с погруженным в воду несущим канатом, поэтому заграждение удерживает обломки льда, но не способно задерживать нефть. Следовательно, когда оно буксируется через лед, оно может отделять нефть ото льда. Боновое заграждение может быть предназначено для удержания льда и позволить нефти дрейфовать по течению, чтобы затем ее могло собрать другое боновое заграждение.
Данные методы позволяют добиться желаемого результата, однако не все они подходят для применения на реках, а те, что подходят, не имеют автоматизации процесса и требуют разрезания льда для установки боновых заграждений или разбиения и отделения льда от нефтяного пятна. Такой подход не позволит оперативно локализовать аварийный разлив нефти на реке при его обнаружении, и нефтяное пятно распространится на большую площадь.
Для сокращения времени после обнаружения аварийного разлива нефти и нефтепродуктов на реках необходимо связать между собой датчики по обнаружению потери продукта из трубопровода и датчики автоматической системы по приведению бонового заграждения в рабочее состояние. Для этих целей хорошо подходит всплывающее боновое заграждение, поскольку его конструкция была доработана и обеспечена возможность его применения в ледовых условиях. Данное заграждение позволит локализовать нефтяное пятно в кратчайшие сроки. Для того чтобы нефтяное пятно перед боном не скопилось в большом объеме и не обогнуло бон, необходимо наряду с применением всплывающего бонового заграждения использовать автоматическую систему по откачке скопившейся нефти и нефтепродуктов в специальные емкости по сбору нефтешлама.
Всплывающее боновое заграждение
Существует всплывающее боновое заграждение [6] которое устанавливается на дно водоема и при аварийном разливе всплывает на поверхность, вследствие подачи сжатого воздуха во внутреннюю камеру бонов, оперативно локализуя пятно.
Для оперативной локализации нефтяного пятна, необходимо в кратчайшие сроки установить боновое заграждение. В водоемах, которые не покрываются льдом зимой, можно локализовать пятно довольно быстро путем традиционной установки боновых заграждений, однако способ всплывающего бонового заграждения по [6] будет
быстрее, особенно для сложных переходов через водные преграды. А в случаях, когда водоемы покрываются льдом, установка всплывающего бонового заграждения происходит значительно быстрее, будучи при этом надежнее. Данное заграждение должно устанавливаться на переходах ниже по течению реки, и при необходимости в несколько рубежей, чтобы оперативно локализовать возможную аварию нефтепровода.
Всплывающее боновое заграждение, способное работать в ледовых условиях
Предложенный способ частично опирается на [3, 6, 7]. Так как способ, предложенный в [6], реализуется только при открытой воде, необходимо усовершенствовать его для возможности работы при наличии ледяного покрова.
Принцип работы данного заграждения следующий. Ниже по течению реки от места предполагаемого разлива нефти (подводного перехода) формируют линию рубежа, для этого концы заграждения устанавливаются неподвижно с помощью тросовых растяжек 7, лебедки 8 и анкера 9 (рис. 1) на противоположных берегах.
Рекомендуется установить два-три рубежа таких заграждений для полного задержания нефтяного пятна. Компрессор 4 соединяется трубопроводом 5 с первой секцией (передним концом) 1, при этом затвор 6 перекрыт.
Заграждение в нерабочем состоянии устанавливается на дне водоема, при этом принимает форму рельефа дна под собственным весом и не мешает судоходству.
При угрозе разлива нефти и нефтепродуктов от компрессора 4 с помощью трубопровода 5 подается давление не более 0,5 атм в первую секцию. После чего давление сжатого газа становится больше, чем давление воды на первую секцию, и возникает сила выталкивания, благодаря которой на поверхность водоема поднимается задний конец первой секции. Передний конец второй секции поднимается вслед за подъемом первой секции, при этом сжатый газ начинает поступать через отверстие 3 во вторую секцию, благодаря чему она приобретает объем, который создает выталкивающую силу, и всплывает на поверхность. Аналогично происходит подъем до последней секции, в результате чего поднимается все заграждение. После этого прекращается подача сжатого газа во всех секциях 1 и устанавливается требуемое расчетное давление (при необходимости может сработать клапан сброса избыточного давления).
Рис. 1. Схема всплывающего бонового заграждения, способного работать при
наличии ледяного покрова: 1 - секции бонов; 2 - камлок-соединение секций; 3 - отверстие, для прохождения воздуха между бонами; 4 - компрессор; 5 -трубопровод; 6 - затвор; 7 - растяжки; 8 - лебедка; 9 - анкер; 10 - гибкое полотно
6
5
10
7 9
7
При всплытии бонового заграждения вместе с ним поднимается и гибкое полотно 10, преимущества применения которого были рассмотрены в [7]. Такое полотно отклонялось течением воды от вертикали и принимало форму плавной кривой, что изменяло характер обтекания водой острой кромки нижней части заграждения и, следовательно, взаимодействие нефтяного слоя и текущей под ним воды. При обтекании острой кромки бона под нефтяным слоем возникает водоворотная область, в которой линии тока основного течения отклоняются от нижней поверхности нефтяного скопления, уменьшая свое разрушительное воздействие на плавающий слой нефти.
После всплытия заграждение плотно прилегает ко льду, при этом перегораживает реку и предотвращает разлив нефти вниз по течению. Способность бонов изгибаться компенсирует возможные перепады толщины льда, а наличие верхних гребнеобразных элементов 6 (рис. 2) компенсирует мелкие неровности нижней поверхности льда. Таким образом, растекание нефти подо льдом устраняется боновым заграждением. При помощи подогревающего электрокабеля 7, проложенного между гребнеобразными элементами, производится их обогрев в случае примерзания их ко льду. Важную роль при задержании нефтяного пятна будет играть гибкое полотно 9, которое увеличит удерживающую способность бонового заграждения при высокой скорости течения.
Затопление заграждения начинается с последней секции и производится последовательно в обратном порядке. Для этого открывается затвор 6 (см. рис. 1), в результате чего из секций выходит сжатый газ. При этом благодаря наличию пригруза 4 (см. рис. 2) последняя секция испытывает давление на свою поверхность больше остальных секций и, уменьшаясь в объеме, опускается вниз первой, после чего предпоследняя секция затягивается на дно вслед за ней. И таким образом все заграждение опускается на дно.
Давление воды выталкивает сжатый газ через затвор 6 (см. рис. 1) от последней секции к первой по мере того, как они опускаются вниз. Это значительно ускоряет процесс опускания заграждения на дно водоема благодаря освобождению камеры плавучести заграждения. Данное заграждение может работать и в ледовых условиях
Расчет прочности при всплытии бонового заграждения
Исходные данные следующие: секции бона имеют длину 10 = 10 м; диаметр камеры плавучести d = 30 см; вес одной секции т0 = 56 кг; полная длина бонового заграждения I = 100 м; толщина льда h = 10 см.
Определим выталкивающую силу от всплывающего боно-вого заграждения:
общ
(1)
Ъарх = Рв • д • У = Рв • д •1
п-6 2
: 1000-9,81-100-
3,14-0,3' 4
2
: 69307,6 н; (2)
Ътяж = т-*
общ
■■ т0 • —-д = 56- —-9,81 = 5493,6 Н; (3)
0 /п 10 и
: 69307,6-5493,6 = 63814 Н = 63,8 кН,
где т - масса бонового заграждения, кг; рв - плотность воды, кг/м3; V - объем вытесняемого тела, м3; д - ускорение свободного падения, Н/м2.
Определим напряжение льда на изгиб от действия выталкивающей силы (схема на рис. 3).
Напряжение на изгиб определим по стандартной формуле для балок:
3-Р-Ц 2-Ь-Н2
(4)
где Р = Fобщ - нагрузка, действующая на балку, Н; Ь = I -ширина балки (в данном случае равна ширине ледяного покрова - длине бонового заграждения); h - толщина льда, м; L - длина балки между опорами, м, (для бесконечной балки на упругом основании задаемся приведенной длиной
балки Lприв, по [8]).
Приведенная длина балки определяется по формуле, согласно [8]:
2 2 а
Ц
■прив
41
к
4-Е-I
(5)
Рис. 2. Схема бона (изображены две крайние секции): 1 - камера плавучести; 2 - отверстие для прохождения воздуха между бонами; 3 - камлок-соединение секций; 4 - грузила; 5 - стальной трос; 6 - гребнеобразные элементы; 7 - электрокабель; 8 - юбка; 9 - гибкое полотно
где а - коэффициент, м-1; к - коэффициент жесткости упругого основания, имеет размерность напряжения, Па; Е - модуль упругости льда, равный 6000 МПа; I - осевой момент инерции, м4, определяемый по формуле:
£_
\ \
Г А ч
г 1 А [ \ \ V у/ /
I:
ЬН3 100-0,13
12
12
= 0,0083 м4.
(6)
Вода практически несжимаема; по различным справочникам, коэффициент сжимаемости воды равен р = 5-10-10 м2/Н откуда находим ее модуль упругости Е = 1/р = 2-109 Па.
2
прив
2 -109 4 - 6000-106-0,0083
- = 1,125м.
4
2
7
6
4
2
20 20
21
3• 63,8• 1,125 m
sf =-!-= 107,7 кПа.
2 • 100 • 0,12
Определим прочность льда на изгиб, согласно [9]:
Иг =0,4 -(Сь + ДЬ), (7)
где Сь - значение прочности льда на одноосное сжатие, МПа, в нижнем слое рассматриваемого ледяного поля при температуре ¡ь; Дь - доверительная граница случайной погрешности определений Сь, МПа; 1Ь - температура льда на границе лед-вода (температура замерзания), равная для пресной воды 0 °С.
Структура льда в пресной воде следующая: призматический и зернистый слой в отношении 3:1, отсчитывая с нижней части льда. По табл. 15 [9] определены следующие значения: Сь = 1,5 МПа; Дь = ±0,3 МПа.
Яг = 0,4-(1,5 - 0,3) = 0,48 МПа = 480 кПа.
Разрушение льда происходит при выполнении следующего условия:
sf > Rf,
(8)
Рис. 3. Схема к определению изгибающей нагрузки на лед:
^общ - суммарная выталкивающая нагрузка от бонового заграждения, Н; Lприв - приведенная длина льда, м; h - толщина льда, м
общ
I
Таблица 1
Значение параметров в зависимости от толщины льда
откуда видно, что при толщине льда 0,1 м, разрушения не происходит.
В табл. 1 приведены значения I; Lприв; Sf при различной толщине льда.
Как видно из табл. 1, условие (8) выполняется при толщине льда 3 см и меньше.
Выводы
Применение всплывающего бонового заграждения при наличии ледяного покрова на поверхности реки позволит значительно сократить время на локализацию нефтяного разлива по сравнению с другими методами, особенно если связать данные, получаемые с трубопровода, об аварийном разливе с системой автоматического приведения бонового заграждения в рабочее состояние. Данное заграждение имеет следующие особенности:
Параметр h, м
/-10-6, м4 8,33 66,67 225 533 1800 4266 8333
1прив, м 0,2 0,34 0,46 0,57 0,77 0,95 1,12
sf, кПа 1914,4 804,9 484,9 338,4 203,9 142,3 107,7
- наличие гребнеобразных элементов, обеспечивающих плотное прилегание бона ко льду, а также электрокабелей, не позволющихт гребнеобразным элементам прилипнуть ко льду;
- наличие гибкого полотна, которое позволит уменьшить унос нефти и нефтепродуктов под боном.
В результате расчетов определено, что боновое заграждение при общей длине 100 м и диаметре камеры плавучести 30 см не сломает лед при всплытии, если толщина льда превышает 3 см. Это работает в большинстве случаев, так как средняя толщина льда рек России значительно превышает эту величину. Исключение составляют южные районы, то же относится к периодам образования льда и оттаивания.
L
прив
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гумеров А.Г., Азметов Х.А., Гумеров Р.С. Техническая эксплуатация подводных переходов трубопроводов. М.: Недра, 2003. 300 с.
2. Патент РФ № 2605755 МПК Е02В 15/04 Способ установки бонового заграждения подо льдом проточного водоема для сбора нефтепродуктов / Гомонай М.В., Густовский А.В. Опубл.: 27.12.2016. Бюл. № 36.
3. Патент РФ № 2646896 МПК E02B 15/00 Боновое заграждение переменной плавучести на нефтяных морских платформах / Бахтизин Р.Н. Опубл.: 12.03.2018. Бюл. № 8.
4. Патент РФ № 2370593 МПК Е02В 15/04 Способ защиты покрытого льдом водоема от разливов нефти / Одаренко О.Б., Одаренко О.С. Опубл.: 20.10.2009. Бюл. № 29.
5. Мансуров М.Н., Сурков Г.А., Журавель В.И., Маричев А.В. Ликвидация аварийных разливов нефти в ледовых морях. М.: ИРЦ Газпром, 2004. 424 с.
6. Патент РФ № 147605 МПК Е02В 15/06 Всплывающее боновое заграждение / Султанмагомедов С.Н., Кунафин Т.Р., Кунафин Р.Н., Бахтизин Р.Н. Опубл.: 10.11.2014. Бюл. № 31.
7. Комаровский Д.П., Лурье М.В., Липский В.К. Повышение удерживающей способности бонов на водотоках // Технологии транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов. 2014. № 3 (15). С. 27-31.
8. Родионов А.А. Строительная механика корабля: учеб. СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2013. 162 с.
9. СП 38.13330.2012. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). Актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*. М.: ФЦС, 2014. 116 с.
REFERENCES
1. Gumerov A.G., Azmetov KH.A., Gumerov R.S. Tekhnicheskaya ekspluatatsiya podvodnykh perekhodov truboprovodov [Technical operation of underwater pipeline crossings]. Moscow, Nedra Publ., 2003. 300 p.
2. Gomonay M.V., Gustovskiy A.V. Sposob ustanovki bonovogo zagrazhdeniya podo I'dom protochnogo vodoyema dlya sbora nefteproduktov [Method of installing a boom under the ice of a flowing reservoir for collecting oil products]. Patent RF, no. 2605755, 2016.
3. Bakhtizin R.N. Bonovoye zagrazhdeniye peremennoy plavuchesti na neftyanykh morskikh platformakh [Variable buoyancy boom on offshore oil platforms]. Patent RF, no. 2646896, 2018.
4. Odarenko O.B., Odarenko O.S. Sposob zashchitypokrytogo I'dom vodoyema ot razlivovnefti [Method of protecting an ice-covered reservoir from oil spills]. Patent RF, no. 2370593, 2009.
5. Mansurov M.N., Surkov G.A., Zhuravel' V.I., Marichev A.V. Likvidatsiya avariynykh razlivov nefti v ledovykh moryakh [Elimination of accidental oil spills in ice seas]. Moscow, IRTS Gazprom Publ., 2004. 424 p.
6. Sultanmagomedov S.N., Kunafin T.R., Kunafin R.N., Bakhtizin R.N. Vsplyvayushcheye bonovoye zagrazhdeniye [Pop-up boom]. Patent RF, no. 147605, 2014.
7. Komarovskiy D.P., Lur'ye M.V., Lipskiy V.K. Increasing the holding capacity of booms on watercourses. Tekhnologii transporta i khraneniya nefti i nefteproduktov, 2014, no. 3 (15), pp. 27-31 (In Russian).
8. Rodionov A.A. Stroitel'naya mekhanika korablya [Ship structural mechanics]. St. Petersburg, SPbGMTU Publ., 2013. 162 p.
9. SP 38.13330.2012. Nagruzki i vozdeystviya na gidrotekhnicheskiye sooruzheniya (volnovyye, ledovyye i ot sudov). Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.06.04-82* [SP 38.13330.2012. Loads and impacts on hydraulic structures (wave, ice and from ships). Updated edition of SN&P 2.06.04-82 *]. Moscow, FAU «FTSS» Publ., 2014. 116 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Хайруллин Дамир Ринардович, магистрант кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Султанмагомедов Султанмагомед Магомедтагирович, д.т.н., проф. кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, декан факультета трубопроводного транспорта, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Damir R. Khayrullin, Undergraduate of the Department of Construction and Repair of Gas and Oil Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University. Sultanmagomed M. Sultanmagomedov, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Construction and Repair of Gas and Oil Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Dean of the Faculty of Pipeline Transport, Ufa State Petroleum Technological University.
2
• 2020
23
