Сокращение объемов откачиваемой нефти и времени освобождения нефтепровода за счет изменения порядка открытия вантузов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

—разработка сложной модели прогноза погрешностей, включая тепловые и геометрические, а также погрешности, вызванные силами резания;

—сокращение количества необходимых датчиков и поиск оптимального места их установки;

—улучшение надежности систем коррекции погрешностей в переменных условиях окружающей среды.

Библиографический список

1. ГОСТ 8-82. Станки металлорежущие. Общие требования

к испытаниям на точность. — Введ. 1983 — 01—07. — М. : Изд-во стандартов, 1983. — 14 с.

2. Кольцов, А. Г. Диагностика технического состояния металлорежущего оборудования / А. Г. Кольцов // Омский научный вестник. — 2011. — № 3 (100). — С. 79 — 83.

3. Базров, Б. М. Технологические основы проектирования самоподнастраивающихся станков / Б. М. Базаров. — М. : Машиностроение, 1978. — 216 с.

4. Кольцов, А. Г. Методика построения математической модели оценки точности технологического оборудования на базе многооперационного станка / А. Г. Кольцов // Вестник УГАТУ : науч. журн. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. — 2013. — Т. 17, № 8 (61). - С. 97-107.

5. Кольцов, А. Г. Проверка пятикоординатного фрезерного обрабатывающего центра на точность / А. Г. Кольцов, А. В. То-поров, А. А. Петухов // Вестник УГАТУ: науч. журн. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. — 2012. — Т. 16, № 4 (49). — С. 137-142.

КОЛЬЦОВ Александр Германович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты».

Адрес для переписки: [email protected] САМОЙЛОВ Владимир Сергеевич, студент гр. МС-410 машиностроительного института.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 17.01.2014 г.

© А. Г. Кольцов, В. С. Самойлов

УДК 621.868 Ю. А. КРАУС

М. О. МЫЗНИКОВ П. О. КРОПОТИН

Омский государственный технический университет

ОАО «Транссибнефть», г. Омск

СОКРАЩЕНИЕ

ОБЪЕМОВ ОТКАЧИВАЕМОЙ НЕФТИ И ВРЕМЕНИ ОСВОБОЖДЕНИЯ НЕФТЕПРОВОДА ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ПОРЯДКА ОТКРЫТИЯ ВАНТУЗОВ____________________________

Рассмотрена технология освобождения магистрального нефтепровода перед производством ремонтных работ, позволяющая сократить объем откачиваемой нефти, а соответственно, и время выполнения работ. Положительный эффект достигается за счет изменения порядка открытия вантузов. В работе приводятся формулы для оценки объема освобождения.

Ключевые слова: технология освобождения нефтепровода, сокращение объемов освобождения.

Перед проведением ремонтных работ на магистральных нефтепроводах (МН), требующих разгерметизации трубопровода, необходимо освободить внутреннюю полость ремонтируемого участка от нефти. При этом участок МН, подлежащий ремонту, отключается путем закрытия линейной запорной арматуры, после чего производится (при необходимости) подключение передвижных насосных установок (ПНУ) и открытие запорных задвижек в месте откачки; кроме того, на участке откачки должны быть предусмотрены вантузы и технологические отверстия, обеспечивающие приток воздуха [ 1].

На практике зачастую не уделяется должное внимание порядку открытия вантузов (сверлению

отверстий), в результате чего разгерметизацию внутренней полости трубопровода производят последовательно, начиная с вершины, соответствующей началу освобождаемого участка и далее вниз по потоку.

В процессе откачки, когда зеркало нефти сравнивается по высоте с локальной вершиной профиля (рис. 1), столб нефти разрывается и в трубопроводе образуются полости, заполненные парами, давление в которых будет равно давлению насыщенных паров нефти. Уместно провести аналогию с опытом Эванджелисты Торричелли [2], согласно которому давление в полости будет меньше атмосферного, что соответствует современным представлениям о магист-

ральных трубопроводах с паровыми полостями [3]. Следовательно, при закрытом вантузе В2 нисходящая ветвь будет освобождаться до тех пор, пока уровень со стороны открытого вантуза В1 не станет ниже на величину нефтяного столба высотой Л (рис. 1а). При последующем открытии вантуза В2, в соответствии с законом сообщающихся сосудов, произойдёт выравнивание уровней нефти в обеих ветвях, которые расположатся ниже высотной отметки низа трубы в месте установки В2 на величину Л' (рис. 1 б).

Если же вантуз В2 открывается в процессе освобождения в момент времени, когда давление на перевале (в точке В2) станет меньше атмосферного, то Л = 0, что практически невозможно с учётом существующей практики выполнения работ по освобождению из-за опасности выхода нефти через вантуз. Таким образом, реальный объём откачиваемой нефти будет больше на величину АУ (заштрихованная область на рис. 1 б), чем рассчитанный по методике [4], что, в свою очередь, увеличит и время производства работ.

Избежать дополнительных затрат времени на откачку нефти объёмом А V можно, если в процессе освобождения участка с закрытым вантузом В1 после разрыва сплошности потока нефти за перевалом открыть вантуз В2, при этом столб нефти высотой Л будет удержан в нисходящей ветви трубопровода (рис. 1в). Для предотвращения поступления нефти после окончания освобождения к месту производства ремонтных работ (в случае разгерметизации участка, находящегося под вакуумом) удержанную таким способом нефть также необходимо откачать, для этого открывается вантуз В1, и уровни выравниваются (рис. 1 б), при этом Л = 0.

Таким образом, изменение порядка открытия вантузов приведёт к уменьшению объёма откачиваемой нефти. Величина удержанной за счёт обратной последовательности открытия вантузов нефти равна объёму вытесняемой атмосферным столбом нефти А V при последовательном открытии вантузов (рис. 1а)

(1)

где 5 — площадь проходного сечения нефтепровода, м2;

хвыт — длина участка нефтепровода, из которого нефть вытесняется под тяжестью наружного воздуха, м

Л

8Ш а

(2)

где а — угол наклона оси трубопровода к горизонту.

При этом высоту Л вытесненной из левой ветви нефтепровода нефти за перевал В2 можно опреде-

лить, исходя из уравновешивания давления нефтяного столба и давления насыщенных паров нефти атмосферным давлением:

Ра = Р • д • Л + Рз

выражая Л, получим

Л :

Ра - Рз

р-д

(3)

где ра — атмосферное давление в конечной точке линии отбора, Па;

Рз — давление насыщенных паров нефти, Па; р — плотность нефти, кг/м3 д — ускорение свободного падения, м/с2.

Давление насыщенных паров в данном случае согласно [3] с достаточной для инженерных расчётов точностью описывается формулой Н. И. Тихонова

ч 0,31

рз = рз 38 •

14

10 + Уп_

V

4,0283-1252 • 10 Т

(4)

где Рз38 — давление паров нефти, определённое по методу Рейда (при температуре 37,8 ° С и соотношении фаз Уп/ УЖ = 4/1), Па;

Уп — объём паровой фазы, м3;

УЖ — объём жидкой фазы, м3;

Т — абсолютная температура, К.

В ходе освобождения соотношение объёмов фаз Vп/Vж будет увеличиваться, т.е. стремиться к бесконечности, а следовательно, давление паров над свободной поверхностью будет стремиться к нулю, что приводит к ещё большему увеличению объёма нефти, остающегося в трубопроводе. Зависимость высоты столба нефти, оставшейся в нефтепроводе, рассчитанная по формуле (3) с учётом (4) для трёх температур при плотности нефти р = 850 кг/м3 и давлении насыщенных паров, определенном по методу Рейда рз38 = 66650 Па, представлена на диаграмме (рис. 2). Как можно увидеть из рисунка в зависимости от температуры и соотношения фаз для данных входных параметров высота столба нефти Л изменяется в пределах 5 м, что при малых углах наклона приводит к значительному повышению А V.

Рассмотрим освобождение участка в соответствии с расчётной схемой (рис. 3): участок расчётной длиной Ь=Ьн+Ьв состоит из нисходящей ветви длиной Ьн и восходящей длиной Ьв, участок длиной храс — участок, подлежащий освобождению в соответствии с [4], а хосв — участок, который будет освобождён от нефти, при этом на участке длиной хвыт нефть будет вытеснена за счёт давления воздушного столба (рис. 1 а).

х

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

104

12

11

10

ОД

4

о 3

2 1

10

10000 100000 1000000

100 1000

Vг/Уж

1 — при 7=288 К; 2 — при Т =283 К; 3 — при Т =278 К; 4 — при Р=0 Па

Рис. 2

Длина хвыт будет зависеть от угла наклона трубопровода к горизонту а и от давления насыщенных паров рв, а следовательно, и от соотношения объёмов фаз. Если речь идёт об освобождении нефтепровода постоянного диаметра, то отношение объёмов фаз можно заменить отношением длин освобождённого участка хосв и участка заполненного нефтью после завершения откачки (Ь — хосв), а выражение (4) переписать в следующем виде:

ps = ps38 ■

,0,31

14

10 +

Ь - хо

4,0283-^ 10 Т

(5)

однако при расчёте удобней перейти к отношению длин освобожденного участка хосв и длины всего участка Ь, при этом значение хосв/Ь = 1 соответствует значению хосв/(Ь—хосв)= ¥ (рис. 4а). В пределах соотношения хосв/Ь = 0 — 0,7 и хосв/Ь = 0,7 — 0,9 выражение (5) хорошо аппроксимируется линейными зависимостями (рис. 4 б, в), а следовательно, выражение (5) можно переписать в следующем виде:

(6)

Ps = PsT ■\ а - Ь ■

Ь

где а и Ь — коэффициенты аппроксимации: при хосв/ Ь = 0 — 0,7 а =1,11, Ь = 0,07, при хосв/Ь = 0,7-0,9 а = 1,46, Ь = 0,6;

ртТ — давление паров нефти при температуре Т и соотношении объёмов фаз УП/УЖ = 4/1, Па

-1252

р8Т = 10673,33 ■ р838 ■ 10 Т .

Длину участка нефтепровода, на котором нефть будет вытеснена за счёт давления воздушного столба, несложно определить, подставив (6) в (3) и выра-

ра - psT

(7)

р- д ■ вш а- Psт ■

а подставив (7) в (1),

ра - psT

А У = Б-----

■ (1,11 -

Ь ■ б1п а

(8)

р- д ■ яп а- psт ■

Рис. 3

На рис. 5 представлена зависимость сокращения объёма от угла наклона оси трубопровода и отношения длины освобождённого участка к расчётной хосв/Ь, полученная для случая совместного решения (3) и (5). Как видно из рис. 5, значение «удержанного» объёма значительно (кривая 1 и 2), в то же время разность объёмов при крайних значениях хосв/Ь (кривая 1 и 2) при углах наклона оси трубопровода а=13-30° колеблется в пределах 5-10 м3, а при меньших углах наклона а=1-13° — 10-130 м3 (кривая 3). Однако разность объёмов при отношениях хосв/Ь 0,5 и 0 (кривая 4, рис. 5) уже при углах наклона а>4,9° составляет меньше 1 м3, а следовательно, отношением объёма фаз можно пренебречь при малых значения хосв/Ь.

Таким образом, порядок открытия вантузов для впуска воздуха оказывает влияние на объём нефти, которую необходимо откачать из остановленного участка перед проведением ремонтных работ, что, в свою очередь, приводит к изменению времени опорожнения трубопровода. Однако если освобождение участка происходит при закрытом вантузе В1 (рис. 1а), то в образовавшейся за вершиной В1 полости будет вакуумметрическое давление, что приводит к снижению производительности опорожнения. Анализ изменения технологических параметров освобождения показывает, что уменьшение производительности при обратной последовательности (схема № 2) будет несущественным, в то время как общее время производства работ значительно сократится (рис. 6). Время освобождения, а соответственно, и все связанные с данным видом работ прямые и косвенные затраты, сокращается примерно на 1/5 (для данного примера это составит 1,64 ч) от времени производства работ при последовательном открытии вантузов (схема № 1).

Таким образом, экономический эффект предложенного способа заключается в том, что он позволяет:

х

х

зив х

х

Ь

Ь

Ь

Ь

а — зависимость (5); б — зависимость (6) для хосв/1=0-0,7; в — зависимость (6) для хосв/Ь= 0,7-0,9

Рис. 4

5

н

■в-

=

О

X

X

£

я

х

н

о

*

V©

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

1 — объём при хосв/Ь=1; 2 — объём при хосв/1=0;

3 — разность объёмов при хосв/1=1 и хосв/1=0;

4 — разность объёмов при хосв/1=0,5 и хосв/1=0

Рис. 5

Ос: зобошдае] шп объёъ I по схеме №1 (у=з: 538.46 м3^

1 1 1 1 о юбождает ШЙ объёй [ПО схеме №2_(Р=2' '51,06^ V

^ 1 с й1 ^ > Г й о 1Г) о\ —г

Й1 О ,я| и \ <и 5 9 * ю оо т у.

°| " РР1 о 2 г ' о рр О > о 5

а £ ^ > 1 § (и : Ы си X

1-М ■ 1 с 1 Е 1 1 рр > О к

5000 10000 15000 20000 25000

Время освобождения, с

Рис. 6

30000

35000

40000

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

— сократить время освобождения и последующего заполнения трубопровода;

— снизить количество топлива, потребляемого силовой установкой ПНУ;

— сократить потери нефти при освобождении и заполнении нефтепровода;

— уменьшить объем атмосферного воздуха в трубопроводе после заполнения.

Библиографический список

1. РД-75.180.00-КТН-214-07 Технология освобождения нефтепроводов от нефти и заполнения после окончания ремонтных работ. — М., 2007. — 132 с.

2. Голин, Г. М. Классики физической науки (с древнейших времён до начала XX в.) : справ. пособие / Г. М. Голин, С. Р. Фи-лонович. — М. : Высш. шк., 1982. — 576 с.

3. Михайлов, Д. А. Анализ результатов исследований и нормативной базы по эксплуатации магистральных трубопроводов с перевальными точками / Д. А. Михайлов, А. А. Гольянов,

А. И. Гольянов // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. — 2012. — № 3. — С. 64 — 71.

4. РД-75.180.00-КТН-427-06 Методика расчета объёмов и времени освобождения от нефти участков магистральных нефтепроводов для проведения плановых работ. — М., 2006. — 43 с.

КРАУС Юрий Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Нефтегазовое дело» Омского государственного технического университета. МЫЗНИКОВ Михаил Олегович, кандидат технических наук, начальник отдела главного технолога ОАО «Транссибирские магистральные нефтепроводы».

Адрес для переписки: [email protected] КРОПОТИН Павел Олегович, инженер-технолог отдела главного технолога ОАО «Транссибирские магистральные нефтепроводы».

Статья поступила в редакцию 06.12.2013 г.

© Ю. А. Краус, М. О. Мызников, П. О. Кропотин

УДК [620.22+620.1721+621.22-762 О. В. КРОПОТИН

Омский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ

ЛИНЕЙНОЙ ВЯЗКОУПРУГОСТИ ПТФЭ-КОМПОЗИТА НА ПАРАМЕТРЫ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕМ УСТРОЙСТВЕ

Описано влияние линейной вязкоупругости нанокомпозита на основе политетрафторэтилена на параметры контактного взаимодействия уплотнительного элемента и контактной поверхности в герметизирующем устройстве.

Ключевые слова: линейная вязкоупругость, герметизирующее устройство, контактное взаимодействие.

Введение. При разработке конструкций герметизирующих устройств (ГУ) в качестве параметров оптимизации целесообразно использовать параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) и контактного взаимодействия уплотнительного элемента с контактной поверхностью, учитывая при этом их временную зависимость [1-6]. Указанные параметры определяют степень герметичности, надежность и долговечность ГУ [1, 2, 5, 7]. Временная зависимость параметров НДС и контактного взаимодействия обусловлена температурно-временной зависимостью показателей свойств используемых материалов, а также формоизменением элементов ГУ в процессе фрикционного взаимодействия. Среди процессов, определяющих временную зависимость упругих свойств полимеров и композитов на их основе, которые широко используются в ГУ, одним из наиболее существенных процессов является вязкоупругость. Релаксация напряжений и ползучесть в условиях сложного напряженно-деформированного состояния, в котором находится уплотнительный элемент в металлополимерном ГУ [8], могут

существенно изменить степень герметичности устройства в процессе эксплуатации.

Цель работы — исследование влияния линейной вязкоупругости композита на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) на параметры контактного взаимодействия в герметизирующем устройстве.

Объект и методика исследования. В работе исследовался процесс релаксации напряжений в нанокомпозите на основе ПТФЭ с наполнителем следующего состава: скрытокристаллический графит 9,0 %, дисульфид молибдена 0,75 %, углеродные нанотрубки 1,25 % [9]. Термообработку ПТФЭ-нанокомпозита осуществляли в условиях объемного ограничения теплового расширения [9]. Конструктивная схема устройства для термообработки заготовки ПТФЭ-композита указанным способом приведена на рис. 1. Устройство (рис. 1) выполнено в виде стакана, внутренняя полость которого соответствует геометрии изделия и содержит соосно установленные в полости стакана опорное кольцо, пуансон, упругий элемент (пружину), регулировочный винт. Конструкция устройства обеспечивает возможность задавать допол-