«СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБЪЕКТОВ ОАО ГАЗПРОМ ДОКУМЕНТЫ НОРМАТИВНЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ АНАЛИЗА РИСКА ДЛЯ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОАО ...»

Шаг 9.5 Определяется масса продукта, оставшегося в трубопроводе на начало второго этапа Определяются массы, остающиеся в каждом участке трубопровода на момент времени, когда изменяется скорость выброса из этого участка, М до и М после по формулам если Lдо(k) > хразр xдосле;

если Lдо(k) < хразр xдосле;

если L после(k) > xпосле хразр;

если L после(k) < xпосле хразр.

Шаг 9.6 Определяются моменты времени массы t до и t после, в которые изменяется (уме ньшается в два раза) скорость выброса из отрезков трубы, расположенных до и после места раз рушения;

Шаг 9.7 Определяется длительность k х этапов истечения (k = 2, 3, 4, N);

СТО Газпром 2 2.3 П р и м е ч а н и е – На шаге 7 и 8 рассмотрен расчет ситуации, когда каждый из участков трубо провода (до и после места разрушения) имеет перепад высот более 10 м; на шаге 9 рассмотрен расчет ситуации, когда каждый из участков трубопровода (до и после места разрушения) имеет перепад высот менее 10 м. В случае если с одной стороны трубопровода перепад высотных отметок составляет более, а с другой стороны менее 10 м следует либо использовать комбинацию методов 7–8 и 9, либо просто проводить расчет по шагам 8–9.

Д.1.3 Определение массы, способной вытечь из трубопровода в самотечном режиме (после отключения насосов) Отверстие разгерметизации имеет координату хразр и высотную отметку hразр (рисунок Д.4 а).

Масса Мвозм, которая может вытечь из конденатопродуктопровода после отсечения ава рийного участка, складывается из двух частей: Мвозм до – массы, способной вытечь из участка, расположенного до места аварии, и Мвозм после – массы, способной вытечь из участка, распо ложенного после места аварии. Расчет этих величин производится следующим образом.

Шаг 1. Определяем hмакс (1) максимальную высоту трассы на участке от хзадвижка до до места разрыва и соответствующую ей координату по трассе хмакс (1) (рисунок Д.4 б) по формуле Шаг 2. Определяем hмакс (1) максимальную высоту трассы на участке от места разры ва до хзадвижка после и соответствующую ей координату по трассе xмакс (1) (рисунок Д.4 б) по формуле Шаг 3. Определяется последовательность из N локальных максимумов, спускающих ся от хмакс (1) к месту аварии {хмакс (1)}, и высотные отметки в этих точках {hмакс (1)} (рису нок Д.4 б) по формуле Шаг 4. Для каждой точки последовательности {hмакс(k)}, начиная с k = 2, определяют ся значения {х (k)} – расстояние по трассе, на котором нисходящий от точки предыдущего локального максимума {хмакс (k 1), hмакс (k 1)} прямой участок трубопровода достигает высотной отметки { hмакс (k) } (рисунок Д.4 б).

Шаг 5. Определяется последовательность из N локальных максимумов, спускающихся от xмакс (1) к месту аварии {xмакс (l) }, и высотные отметки в этих точках {hмакс (l) } (рисунок Д.4 б) Шаг 6. Для каждой точки последовательности {hмакс(k) }, начиная с k = 2, определяют ся значения {x(k)} – расстояние по трассе, на котором нисходящий от точки предыдущего локального максимума {xмакс (k 1), hмакс (k 1) } прямой участок трубопровода достигает высотной отметки {hмакс (k) } (рисунок Д.1.4 б).

Шаг 7. Для двух участков, монотонно нисходящих от локальных максимумов hмакс.после (N ) и hмакс(N ) (это последние перед местом разрушения, самые низкие, локаль ные максимумы, определенные в 3 и 5), определяем координаты х ст и х ст, где достигается уровень hразр (рисунок Д.4 б).

Шаг 8. Масса, способная вытечь в самотечном режиме из участка трубопровода до места разрыва Мвозм до, определяется как сумма масс транспортируемого продукта, заключен ных в участках (xмакс (l), x(2) ), (xмакс (2), x(3) ), …, (xмакс (N 1), x(N )) и (xмакс (N ), x ст).

Шаг 9. Масса, способная вытечь в самотечном режиме из участка трубопровода после места разрыва Мвозм после, определяется как сумма масс транспортируемого продукта, заключен хмакс после (2) ), (хпосле(2), хмакс.после (1) ), а также (хст после, х макс.после(Nверш после) (рисунок Д.4 в, г).

Рисунок Д.4 (а) – Схема расчета возможного стока продукта из отсеченного участка СТО Газпром 2 2.3 Рисунок Д.4 (б) – Схема расчета возможного стока продукта из отсеченного участка Рисунок Д.4 (в) – Схема расчета возможного стока продукта из отсеченного участка Рисунок Д.4 (г) – Схема расчета возможного стока продукта из отсеченного участка Д 1.4 Пример расчета Исходные данные:

диаметр трубопровода d0 = 0,426 м;

полная длина трубопровода Lтр = 700 км;

расположение задвижек по: х1 = 265 км; х2 = 275 км; х3 = 285 км, … ;

температура транспортируемого жидкого продукта Ттр = 293 К.

Профиль трассы приведен в таблице Д.1 и на рисунке Д.5.

Та б л и ц а Д. 1 – Профиль высотных отметок трубопровода на участке 265–285 км СТО Газпром 2 2.3 Давление на входе составляет 5,5 МПа, Pвх = 5,5 МПа;

размер шероховатости внутренней поверхности zтр = 0,1 мм;

расход продукта при транспортировке Gтр = 0,18 м3/с, что соответствует скорости пере мещения продукта uтр = 1,26 м/с;

динамическая вязкость транспортируемого продукта:

давление насыщенных паров при температуре транспортировки Pн = 0,58 МПа;

плотность транспортируемой жидкой фазы = 580 кг/м3;

атмосферное давление Pа = 105 кПа.

Рассматривается авария (гильотинный разрыв) на отметке хразр = 268 км. Через tоткл = 5 мин после разрыва трубы происходит отключение насосов и прекращается подача в трубопровод жидкой фазы, одновременно срабатывают задвижки и отсекаются аварийные участки трубопровода; предполагается, что задвижки мгновенно перекрывают поток.

Порядок расчета Поскольку жидкость, транспортируемая по конденсатопродуктопроводу, может вскипать при сбросе давления до величины Pа, расчет выполняется в соответствии с приложением Д1.2 Шаг 2:

для Рн = 0,58 МПа проверяется условие (Д.26), условие вскипания транспортируемой жидкой фазы при сбросе давления;

по формуле (Д.27) определяется площадь сечения отверстия разгерметизации (с одно го конца трубопровода) S1 = 0,143 м2;

по заданному профилю трассы h(x) (таблица Д.1 и рисунок Д.1) определяется высотная отметка трассы, где произошел разрыв: hразр = 10 м при аварии на хразр = 268 км;

по исходным данным определяются координаты близлежащих задвижек: х1 = 265 км и х2 = 275 км при хразр = 268 км;

определяются массы жидкого продукта, которые могут вытечь из участков до и после места разрушения: М возм до = 248820 кг Мвозм после = 165880 кг;

для участка 265–275 км перепад высот составляет более 10 м, поэтому количество эта пов истечения составляет N = 3;

согласно (Д.28) – (Д.59) определяется интенсивность выброса и его продолжитель ность на первом этапе;

Gвыбр до (1) = Gвыбр после (1) = 788 кг/с;

Gвыбр (1) = 1576 кг/с;

t (1) = 210,5 с.

Определяются интенсивность выброса и длительность на втором и третьем этапах;

Gвыбр до (2) = 788 кг/с;

Gвыбр после (2) = 0 кг/с;

Gвыбр (2) = 788 кг/с;

t (2) = 315,8 с;

Gвыбр до (3) = 0 кг/с;

Gвыбр после (3) = 0 кг/с;

Gвыбр (0) = 0 кг/с;

t (3) = 0 с.

Д.2 Образование трещины в стенке трубопровода Рассматриваются два варианта трещин: первая с площадью дефектного отверстия 1 % от площади поперечного сечения трубопровода S1 = 0,01 · 0,25 · · d20(м2), а вторая с площа дью дефектного отверстия 10 % от площади поперечного сечения трубопровода S2 = 0,1 · 0,25 · · d20 (м2).

СТО Газпром 2 2.3 d0 – диаметр трубопровода, м;

х – расстояние по трассе трубопровода от 0 до Lтр, м;

Lтр – полная длина трубопровода, м;

температура транспортируемого жидкого продукта Ттр, К;

H – изменение напора, м (напорная характеристика насосов (насоса) на входе);

Рнасос – давление на входе насосов;

zшер – размер шероховатости внутренней поверхности трубы, м;

хi – расположение задвижек по трассе, м;

хразр – расстояние до места аварии от начала трубопровода, м;

tоткл – время, через которое происходит отключение насосов и прекращается подача в трубопровод жидкой фазы, одновременно задвижками отсекается аварийный участок трубо провода; это отсечение происходит мгновенно, с;

Pнасыщ – давление насыщенных паров транспортируемого продукта для температуры Ттр (К), Ср – теплоемкость жидкой фазы;

Ра – атмосферное давление, Па;

– плотность транспортируемой жидкой фазы, кг/м3;

– вязкость жидкой фазы при температуре транспортировки, Па · с;

N – количество этапов истечения.

Искомые параметры:

Gвыб(k) – значения интенсивности выброса из конденсатопродуктопровода для каждо го k го этапа выброса (k = 1, …, N), кг/с;

выб(k) – массовая доля газовой фазы в выбросе для каждого k го этапа выброса (k = 1, …, N);

Gпролив(k) – интенсивность поступления жидкости в пролив для каждого k го этапа выброса (k = 1, …, N), кг/с;

Твыб(k) – температура выброса для каждого k го этапа выброса (k = 1, …, N), К;

t(k) – длительность k го этапа истечения.

Шаг 1. По известному профилю трассы h(x) определяется hразр = h(хразр) уровень высотной отметки, на котором расположено отверстие разгерметизации (рисунок Д.1 раздела Д.1);

Шаг 2. Определяются координаты близлежащих задвижек – до и после места разруше ния – хзадвижка до и хзадвижка после. Если до места разрушения задвижки отсутствуют (разруше ние в начале конденсатопродуктопровода), то хзадвижка = 0, если задвижки отсутствуют хзадвижка после = Lтр (рисунок Д.1 раздела Д.1).

до хзадвижка после.

Шаг 4. Определяются массы жидкого продукта Мвозм до и Мвозм после, способные вытечь из двух участков конденсатопродуктопровода на этапе самотечного истечения: из участка, расположенного до места аварии, и из участка, расположенного после. Процедура определе ния этой величины приведена в разделе Д.1.3;

Шаг 5. Определяется предварительное количество этапов истечения – N = 5 (далее на шаге 10 это количество этапов может быть изменено):

первый этап (k = 1) – напорное истечение – от момента разрушения до отключения насосов и перекрытия задвижек;

остальные этапы (k = 2,..,N) – самотечное истечение – от момента перекрытия задвижек до полного истечения жидкой фазы или до момента ликвидации утечки, если эта ликвидация произошла до выхода всей возможной массы транспортируемого жидкого продукта Мвозм.

Шаг 6. Учитывая, что в зависимости от условий протекания аварии в конденсатопро дуктопроводе на месте разрушения транспортируемый продукт может либо вскипать, либо не вскипать, расчет данной аварийной ситуации следует проводить в две стадии. На первой ста дии предполагается отсутствие вскипания, и в этом предположении выполняется расчет напорного этапа истечения. По результатам этого расчета получается давление в конденсато продуктопроводе на месте разрушения Рразр(1). Если это давление меньше давления насы щенных паров транспортируемого продукта Pнасыщ для температуры Ттр(К), то это означает, что в трубопроводе происходит вскипание и необходимо пересчитать интенсивность истече ния, но уже с учетом вскипания.

Шаг 7. Определяется интенсивность выброса (Gвыбр(1) и его продолжительность (t(1) на напорном этапе истечения (k = 1) (в предположении отсутствия вскипания). Для этого решается следующая система уравнений (значения j = 1, 2 соответствуют двум рассматривае мым размерам трещин) СТО Газпром 2 2.3 Gпосле (1) = 0,25d0 uпосле (1), где индекс «до» относится к участку трубопровода до места разрушения, а индекс «после» к участку трубопровода после, например:

uдо(1) – это скорость движения жидкого продукта в трубопроводе до места разрушения;

uпосле(1)– после места разрушения;

Рвх – давление на входе трубопровода, соответствующее установившемуся режиму перекачки от насосов (насоса) до места разрыва;

Рнасос – давление на входе насоса в установившемся режиме перекачки.

Шаг 8. Если Рразр(1), давление на месте разрушения в конденсатопродуктопроводе, полученное на шаге 7, меньше давления насыщенных паров транспортируемого продукта для температуры Ттр(К), то вместо значения, определенного согласно шагу 7, используется значе ние, посчитанное по следующей формуле Шаг 9. Для этапа самотечного истечения сначала рассматривается вариант с отсутстви ем вскипания.

Шаг 9.1 Определяется hмакс (1) максимальная высота трассы на участке от хзадвижка до до места разрыва и координата этой точки по трассе хмакс (1) (рисунок Д.2 раздела Д.1) Шаг 9.2 Определяется hмакс (1) максимальная высота трассы на участке от места раз рыва до хзадвижка после и координата этой точки по трассе хмакс (1) (рисунок Д.2 раздела Д.1) Шаг 9.3 Определяется последовательность из N’ локальных максимумов, спускающих ся от хмакс (1) к месту аварии {хмакс (k)}, и высотные отметки в этих точках {hмакс (k)} (рису нок Д.2 раздела Д.1) Шаг 9.4 Определяется последовательность из N” локальных максимумов, спускающих ся от хмакс (1) к месту аварии {хмакс (k)}, и высотные отметки в этих точках {hмакс (k)} (рису нок Д.2 раздела Д.1) Шаг 9.5 Определяется количество этапов истечения – N = 5, четыре из которых, второй, третий, четвертый и пятый (k = 2, …,5) – этапы самотечного истечения – от момента перекрытия задвижек до полного выхода всей возможной массы транспорти возможна ситуация, когда, начиная с некоторого этапа, сток жидкой фазы будет проис ходить уже лишь из одного конца трубопровода, сток же из второго уже может закон читься.

Шаг 9.6 Расход на этапах самотечного истечения (k = 2, …, 5) в случае если не проис ходит вскипание жидкости, определяется из решения следующей системы уравнений 10;

10Вслучае если на каком то этапе k, на одном из участков (до или после места разрушения) произошел сток продукта, то соответствующие уравнения в системе Д.74 исключаются из решения. Также следует поступать, если один из участков вообще отсутствует, что возможно, например, при аварии у задвижки.

СТО Газпром 2 2.3 после (k ) = 0,25d0 uпосле (k ), где xдо (к) и xпосле (к) – координаты, на начало k го этапа, движущихся поверхностей раздела «жидкий продукт газ» в отрезках трубы, расположенным до и после места разрушения.

Если при решении системы (Д.74) получилось, что uдо (k) 0, то Если при решении системы (Д.74) получилось, что uпосле (k) 0, то Для k = 3,… 5 величины xдо(к) и xпосле(к) вычисляются по формулам где lдо (k) и lпосле (k) – суммарная протяженность карманов на участках до и после места разрушения, где может остаться транспортируемая жидкая среда при истечении на k ом этапе (на рисунке Д.3 представлена графическая интерпретация формул (Д.79)–(Д.80), она показы вает, как за один k й этап длительностью t(k) в конденсатопродуктопроводе происходит пере мещение поверхностей раздела «жидкий продукт газ»).

Длительность k го этапа определяется следующим образом:

если Мвозм до(k) = 0, т.е. если сток из участка конденсатопродуктопровода до места раз рушения к началу k го этапа уже закончился, или Gдо (k) = 0, т.е. сток из этого участка не про исходит, то t(k) определяется следующим образом если Мвозм(k) = 0, т.е. если сток из участка конденсатопродуктопровода после места разрушения к началу k го этапа уже закончился, или Gпосле (k) = 0, т.е. сток из этого участка не происходит, то t(k) определяется следующим образом:

если Мвозм (k) до и Мвозм (k) после не равны нулю, то t(k) определяется следующим образом:

где Мвозм до(к)и Мвозм после(к) – массы транспортируемого жидкого продукта, сток которого возможен после начала k го этапа самотечного истечения. При k = Шаг 10. Если для какого либо этапа k Рразр (k) давление в месте разрушения трубопро вода упадет ниже величины давления насыщенных паров Рнасыщ, то интенсивность выброса Gвыбр(k) вместо рассчитанной согласно шагу 9 величине полагается равной Количество этапов истечения при этом изменяется и полагается равным N = k.

Шаг 11. С помощью приложения Д.4 определяются выб(k) и Твыб(k).

По выб(k) и Gвыб(k) определяется Gпролив(k) (кг/с) СТО Газпром 2 2.3 В данном примере рассматриваются две конкретные аварийные ситуации.

Исходные данные аналогичны приведенным в разделе Д.1.4. Дополнительно задано:

Напорная характеристика на входе конденсатопродуктопровода Н = 1234 0,02484G2.

Давление на входе насоса Рнасос = 8 105 Па.

Теплоемкость жидкой фазы Cp = 2,2336 кДж/кг · К.

Рассматриваются аварии на отметке хразр = 268 км. Через tоткл = 10 мин после обра зования дефектного отверстия происходит отключение насосов и прекращается подача в трубопровод жидкой фазы, одновременно задвижками, расположенными на х1 = 265 км и х2 = 275 км, отсекается аварийный участок трубопровода; предполагается, что задвижки мгновенно перекрывают поток. Рассматриваются два размера дефектных отверстий S1 = 1,425 · поперечного сечения.

Порядок расчета:

по заданному в исходных данных профилю трассы h(x) определяется высотная отмет ка места расположения дефектного отверстия hразр (1) = 10 м и hразр (2) = 80 м;

по исходным данным определяются координаты близлежащих задвижек – до и после места разрушения – хдо = 265 км и хпосле = 275 км;

определяется максимальная высотная отметка трассы на участке от хдо до хпосле hмакс = 80 м определяется масса жидкого продукта Мвозм, способного вытечь из конденсатопро дуктопровода на этапе самотечного истечения, с выделением в этой массе, как массы, способ ной вытечь из участка, расположенного до места аварии Мвозм до, так и из участка, располо женного после Мвозм после. При разгерметизации на 268 км возможен сток из участка от 265 до 270 км;

определяется предварительное количество этапов истечения – N = 5;

с помощью итераций решается система (Д.66), процедура этого решения выглядит следующим образом:

а) задается давление на месте разрушения Рразр;

б) по второму и четвертому уравнениям системы (Д.66) находится скорость движения жидкости в трубопроводе, после места разрушения uпосле;

в) по девятому уравнению системы (Д.66) определяется расход жидкого продукта в участке трубы после места разрушения Gпосле(1);

г) по пятому уравнению системы (Д.66) определяется интенсивность выброса на месте аварии Gвыбр(1);

д) по шестому уравнению системы (Д.66) определяется расход жидкого продукта в участке трубы до места разрушения Gдо(1);

е) по восьмому уравнению системы (Д.66) определяется скорость движения жидкости в трубопроводе до места разрушения uдо;

и) по седьмому уравнению системы (Д.66) определяется давление на входе трубопрово да Рвх;

к) по первому и третьему уравнениям системы (Д.66) находится давление на месте раз рушения Рразр.

После этого корректируется значение Рразр и приведенная выше процедура расчета повторяется еще раз, до тех пор пока не будет получена требуемая точность.

Для разгерметизации на 268 км (при площади дефектного отверстия S1 = 1,425 · 10 3 м2) ход расчета по этой итерационной процедуре приведен в таблице Д.2. Давление на месте раз рушения в начале последующей итерации определялось как полусумма этой величины в нача ле и в конце предыдущей итерации. Точность расчета, при которой итерации останавлива лись, была задана равной 0,1 %.

Таким образом, для отверстия разгерметизации площадью S1 = 1,425 · 10 3 м2 рассчита ны следующие значения (х = 268 км):

давление на месте разрушения Рразр(1) = 2,960 МПа;

скорость движения жидкого продукта в трубопроводе, после места разрушения расход жидкого продукта в участке трубы после места разрушения интенсивность выброса на месте аварии Gвыбр(1) = 49,26 кг/с;

расход жидкого продукта в участке трубы до места разрушения Gдо(1) = 108,2;

скорость движения жидкого продукта в трубопроводе, до места разрушения uдо = 1,307 м/с;

СТО Газпром 2 2.3 Та б л и ц а Д. 2 – Ход итерационного процесса при расчете напорного этапа истечения для разгерметизации конденсатопродуктопровода на 268 км, S1 = 1,425 · 10 3 м 3,000 2,928 2,982 2,941 2,972 2,949 2,966 2,953 2,963 2,955 2,961 2,957 2, 106 Па uпосле, м/с 0,7199 0,7077 0,7168 0,7100 0,7151 0,7113 0,7142 0,7120 0,7137 0,7124 0,7133 0,7127 0, Gпосле(1), 59,51 58,51 59,26 58,70 59,12 58,81 59,04 58,87 59,00 58,90 58,97 58,82 58, Gвыбр(1), 49,60 48,98 49,44 49,10 49,36 49,17 49,31 49,20 49,28 49,22 49,27 49,23 49, Gдо(1), кг/с 109,1 107,5 108,7 107,8 108,5 108,0 108,4 108,1 108,3 108,1 108,2 108,2 108, uдо, м/с 1,318 1,299 1,313 1,302 1,310 1,304 1,309 1,305 1,308 1,306 1,308 1,306 1, Рвх, Па 7,083 7,133 7,095 7,123 7,102 7,118 7,106 7,115 7,109 7,113 7,110 7,112 7, Рразр, Па 2,857 3,036 2,902 3,002 2,927 2,983 2,941 2,973 2,949 2,967 2,953 2,963 2, давление на входе трубопровода Рвх = 7,111 МПа.

Расчеты для отверстия разгерметизации площадью S1 = 1,425 · 10 2 м2 на той же отмет ке х = 268 км дают следующие значения:

давление на месте разрушения Рразр = 0,4134 МПа;

скорость движения жидкого продукта в трубопроводе, после места разрушения uпосле = 0,4093 м/с;

расход жидкого продукта в участке трубы после места разрушения интенсивность выброса на месте аварии Gвыбр(1) = 163,1 кг/с;

расход жидкого продукта в участке трубы до места разрушения Gдо(1) = 129,23 кг/с;

скорость движения жидкого продукта в трубопроводе, до места разрушения давление на входе конденсатопродуктопровода Рвх = 6,405 МПа.

Продолжительность этапа напорного истечения определяется в обоих случаях по фор муле (Д.67) Полученное значение Рразр(1) при размере отверстия S1 = 1,425 · 2,960 МПа, что больше давления насыщенных паров транспортируемого продукта Pн для тем пературы Ттр (К), Pн =0,580 МПа; поэтому вскипания транспортируемого продукта в трубе не происходит и пересчета расхода на месте выброса по формуле (Д.68) не требуется.

Для второго размера отверстия разгерметизации S1 = 1,425 · 10 3 м2 Рразр(1) = 0,4134 МПа, что меньше Рн =0,580 МПа, поэтому вместо значения Gвыбр (1), определенного согласно шагу 7, используется следующее значение, рассчитанное по формуле (Д.68) Длительность первого этапа истечения в обоих случаях не меняется по сравнению с величиной, рассчитанной на шаге 7.

Определяется hмакс (1) до и хмакс (1) до:

Определяется hмакс после(1)и хмакс. после(1):

Определяется Nверш до = 1, где хмакс до и и hмакс до (l) берутся согласно шагу 9.1.

Выбирается предварительно N = 5.

Расход при самотечном истечении (k = 2) определяется из решения системы (Д.74) По формуле (Д.81) определяется По формулам (Д.79) и (Д.80) определяется СТО Газпром 2 2.3 По заданному профилю трассы определяются По формулам (Д.86) и (Д.87) определяются Поскольку полученное значение давления на месте разрушения Рразр(2) = 0,8962 МПа больше, чем давление насыщенных паров, то расчет проводится для третьего этапа.

Аналогично определяются характеристики для k = 3 этапа Поскольку uдо(3) 0, то По формуле (Д.81) определяется По формулам (Д.79) и (Д.80) определяются По заданному профилю трассы определяются По формулам (Д.86) и (Д.87) определяются Для отверстия разгерметизации площадью S1 все давления Рразр (k) > Рн, поэтому пере расчеты на шаге 10 не выполняются.

С помощью приложения Д.4 определяются выб(1) = выб(2) = выб(3) = выб(4) = выб(5) = 0,186 и Твыб(1) = Твыб(2) = Твыб(3) = Твыб(4) = Твыб(5) = 240 К. Определяем скорость поступления продукта в пролив:

для разгерметизации площадью S СТО Газпром 2 2.3 Таким образом, для отверстия разгерметизации площадью S1 истечение происходит в пять этапов (N = 5), со следующими характеристиками.

Д.3 Образование свища в стенке трубопровода Исходные данные:

Моделируется разрушение на конденсатопродуктопроводе с размером дефектного отверстия S1 = 10 4 м2.

d0 – диаметр трубопровода, м;

h(x) – профиль трассы, м;

х – расстояние по трассе трубопровода от 0 до Lтр, м;

Lтр – полная длина трубопровода, м;

P(x) – профиль давления в трубопроводе по трассе, Па;

Gтр – расход, м3/с;

Pвх – давление на входе трубопровода, Па;

Pвых – давление на выходе трубопровода, Па;

zтр – шероховатость внутренней поверхности трубопровода, м;

– вязкость транспортируемого продукта при температуре транспортировки, Па · с;

h(x) – рельеф трассы, м;

Ттр – температура транспортируемого жидкого продукта,К;

хi – расположение задвижек по трассе, м.

Рассматривается авария на отметке хразр (м) от начала трубопровода; предполагается, что через время tоткл(с) происходит отключение насосов и прекращается подача в трубопровод жидкой фазы, одновременно задвижками отсекается аварийный участок трубопровода; это отсечение происходит мгновенно. В случае ликвидации утечки задается соответствующее время ликвидации tливид (с), также отсчитываемое от момента разрушения трубопровода.

Pнасыщ – давление насыщенных паров транспортируемого продукта при температуре Ттр, Па, Р0 – атмосферное давление (Па), – плотность транспортируемой жидкой фазы (кг/м3).

Искомые параметры:

Определяется количество этапов истечения N, характеризующихся разной величиной осредненной в пределах этапа интенсивностью выброса.

Для каждого k го этапа выброса (k = 1, …, N) определяются:

Gвыб(k) – значения интенсивности выброса из конденсатопродуктопровода, кг/с;

выб(k) – массовая доля газовой фазы в выбросе;

Gпролив(k) – интенсивность поступления жидкости в пролив, кг/с;

Твыб(k) – температура выброса, К;

t(k) – длительность k го этапа истечения, с.

Шаг 1. По известному профилю трассы h(x) определяем hразр = h(хразр) уровень высотной отметки, на котором расположено отверстие разгерметизации (см. рисунок Д.1 раздела Д.1).

Шаг 2. Определяем координаты близлежащих задвижек – до и после места разрушения – хзадвижка до и хзадвижка после. Если до места разрушения задвижки отсутствуют (разрушение в начале конденсатопродуктопровода), то хзадвижка = 0, если задвижки отсутствуют после места разрушения (разрушение в конце конденсатопродуктопровода), то хзадвижка после = Lтр.

Шаг 3. Определяем hмакс максимальную высотную отметку трассы на участке от хзадвижка до до хзадвижка после;

Шаг 4. Определяем массу жидкого продукта Мвозм, способного вытечь из конденсата продуктопровода на этапе самотечного истечения (процедура определения этой величины приведена в разделе Д.1.3.

Шаг 5. Определяем количество этапов истечения – N = 2:

первый этап (k = 1) – напорное истечение – от момента разрушения до отключения насосов и перекрытия задвижек;

второй этап (k = 2) – самотечное истечение – от момента перекрытия задвижек до пол ного истечения жидкой фазы или до момента ликвидации утечки, если эта ликвидация про изошла до выхода всей возможной массы транспортируемого жидкого продукта Мвозм.

СТО Газпром 2 2.3 Шаг 6. Определяем интенсивность выброса и его продолжительность на первом этапе Шаг 7. Определяем интенсивность выброса и его продолжительность на втором этапе Шаг 8. С помощью приложения Д.4 определяются выб(k) и Твыб(k). По выб(k) и Gвыб(k) рассчитывается Gпролив(k) (кг/с):

Пример расчета Исходные данные для расчета аналогичны рассмотренным в Д.1.4.

Рассматривается авария на отметке хразр(1) = 268 км. Через tоткл = 1800 с (30 мин) после образования свища происходит отключение насосов и прекращается подача в трубопровод жидкой фазы, одновременно задвижками, расположенными на х1= 265 км и х2 = 275 км, отсе кается аварийный участок трубопровода; предполагается, что задвижки мгновенно перекрыва ют поток. Через tливид = 21600 с (6 ч) после образования свища отверстие ликвидируется.

Порядок расчета Поскольку в явном виде отсутствует профиль давления, он восстанавливается исходя из имеющихся данных. Для этого следует воспользоваться соотношениями В конце трубопровода величина давления составит Профиль давления в рассматриваемом трубопроводе (на участке 265–285 км) выглядит так, как это показано на рисунке Д.6.

Рисунок Д.6 – Профиль давления в трубопроводе на участке 265–285 км Далее производятся необходимые вычисления по следующему алгоритму:

по заданному в исходных данных профилю трассы h(x) определяется высотная отмет ка расположения свища hразр =10 м;

по исходным данным определются координаты близлежащих задвижек – до и после места разрушения – хзадвижка до = 265 км и хзадвижка после = 275 км;

х задвижка после;

определяется масса жидкого продукта Мвозм, способного вытечь из конденсатопро дуктопровода на этапе самотечного истечения. При разгерметизации на 268 км согласно при ложению Д.1.3 возможен сток из участка от 265 до 270 км выбирается количество этапов истечения – N = 2:

первый этап (k = 1) – напорное истечение;

второй этап (k = 2) – самотечное истечение;

определяем интенсивность выброса и его продолжительность на первом этапе СТО Газпром 2 2.3 Определяется интенсивность выброса и его продолжительность на втором этапе.

Для разгерметизации на 268 км с помощью приложения Д.4 определяется выб(1) = выб(2) = 0,186 и Твыб(1) = Твыб(2) = 240 К.

определяется скорость поступления продукта в пролив.

Для разгерметизации на 268 км Д.4 Парообразование из нестабильной жидкости в результате падения давления Тгр – температура грунта, К;

ТК – температура конденсата, К;

РК – давление в конденсатопроводе, кг/см2;

Ра – атмосферное давление, кг/см2.

Искомые параметры:

– мольная доля пара, образующегося при сбросе давления в сечении разрыва и в результате испарения с поверхности пролива.

Сжиженный углеводородный газ представляет собой многокомпонентную смесь углеводородов метанового ряда. Поэтому для корректного определения доли испарившегося вещества смеси обычно используют термодинамическую модель фазовых равновесий для углеводородных смесей, основанную на использовании модифицированного уравнения состояния Редлиха Квонга где ТК, РК – температура и давление смеси;

b, d – коэффициенты, зависящие от компонентного состава смеси;

R – универсальная газовая постоянная.

Решение уравнения (Д.167) для многокомпонентной смеси представляет собой громозд кую и сложную математическую задачу. Разработан и опробован альтернативный подход к рас чету доли испарившегося пара, основанный на применении Т–S диаграмм. При этом Т–S диаграммы для характерных составов транспортируемых сырьевых потоков строятся по результатам лабораторных исследований.

Расчет удельной интенсивности парообразования при помощи Т–S диаграмм строит ся следующим образом.

Начальное состояние системы описывается точкой 1 на диаграмме рисунки Д.7–Д.9, которая определяется пересечением линии ТК =270 К, и линии давления, соответствующей давлению в трубопроводе. Для конденсата, находящегося на линии насыщения при темпера туре грунта на глубине заложения, сброс давления приведет к снижению температуры (изоэн тальпийный процесс) и вызовет частичное испарение продукта. На T–S диаграммах рисунки Д.7–Д.9 этот процесс показан линией 1–2. Точка 2 определяется пересечением изоэнтальпий ной кривой с линией давления, равного атмосферному давлению.

Температура определяется проекцией точки 2 на ось ординат. Температура парокон денсатной смеси определяется по оси ординат. На этой же диаграмме показана мольная доля образующегося пара в точке 2, которая соответствует термодинамическому состоянию кон денсата в сечении разрыва. Количество определяется линейной интерполяцией между линия ми, построенными для разных значений.

На втором этапе с помощью Т–S диаграммы получаем долю испарившегося продукта, разлитого по поверхности земли. При этом вследствие теплопритоков из атмосферы и масси ва грунта начинается фракционное испарение разлившегося продукта, которое описывается на Т–S диаграмме, отрезком 2–3. Мольная доля вещества, испарившегося после нагрева разлитой жидкости до температуры грунта (20 °С), определяется на диаграмме точкой 3, кото рая откладывается на диаграмме движением вдоль линии равного давления (Ра) до пересече ния с горизонтальной линией Тгр =293 К (20 °С).

Пример расчета Определить температуру и долю испарившегося вещества, которое образуется на этапе дросселирования сжиженной многокомпонентной смеси под давление РК = 5,5 МПа в сече нии разрыва трубопровода. При этом начальная температура смеси, равная температуре грун та на глубине заложения, составляет ТК = 3 °С (270 К), температура грунта на поверхности земли Тгр = 20 °С. Затем определить долю испарившегося конденсата с поверхности земли.

В качестве примера рассмотрены наиболее типичные составы сырьевых потоков кон денсатопроводов и продуктопровода СУГ.

СТО Газпром 2 2.3 Та б л и ц а Д. 3 – Типичные составы сырьевых потоков.

Расчет удельной интенсивности парообразования в сечении разрыва при помощи Т–S диаграмм строится следующим образом.

Начальное состояние системы описывается точкой 1 на диаграммах рисунки Д.7–Д.9, которая определяется пересечением линии ТК =270 К, и линии давления, соответствующей давлению в трубопроводе. Для конденсата, находящегося на линии насыщения при темпера туре грунта на глубине заложения сброс давления приведет к снижению температуры (изоэн тальпийный процесс) и вызовет частичное испарение продукта. На T–S диаграмме рисунки Д.7–Д.9 этот процесс показан линией 1–2. Точка 2 определяется пересечением изоэнтальпий ной кривой с линией давления, равного атмосферному давлению. Температура паро конден сатной смеси определяется по проекцией точки 2 на ось ординат. На этой же диаграмме (рисунки Д.7–Д.9) показана мольная доля образующегося пара в точке 2, которая соответ ствует термодинамическому состоянию конденсата в сечении разрыва. Количество определя ется линейной интерполяцией между линиями, построенными для разных значений.

Для сравнения в таблице Д.4 представлен рассчитанный по уравнению Д.167 компо нентный состав и мольная доля фаз в сечении разрыва конденсатопродуктопровода.

Мольные доли, полученные из решения Д.167 и с помощью T–S диаграмм, совпадают.

На втором этапе с помощью T–S диаграммы получаем долю испарившегося продукта, разлитого по поверхности земли. Оставшаяся после испарения на срезе трубы жидкость попа дает на землю при пониженной температуре. Состав этой жидкости приведен в таблице Д.4.

Вследствие теплопритоков из атмосферы и массива грунта начинается фракционное испаре Та б л и ц а Д. 4 – Компонентный состав и мольная доля фаз в сечении разрыва Компоненты ние разлившегося продукта, которое описывается на Т–S диаграмме отрезком 2–3. Мольная доля вещества, испарившегося после нагрева разлитой жидкости до температуры грунта (20 °С), определяются на диаграмме точкой 3, которая откладывается на диаграмме движением вдоль линии равного давления (РАТМ) до пересечения с горизонтальной линией Тгр =293 К (20 °С).

Состав жидкости на поверхности грунта после нагрева до температуры грунта предста влен в таблице Д.5. Видно, что смесь пропан бутан полностью испаряется.

Та б л и ц а Д. 5 – Состав жидкости на поверхности грунта после нагрева до температуры грунта Компоненты СТО Газпром 2 2.3 Рисунок Д.8 – T–S диаграмма НГКС с ШФЛУ СТО Газпром 2 2.3 Методики расчета пространственно временного распределения выбрасываемых продуктов с учетом их физико химической трансформации Е.1 Методика расчета параметров облака газа, сформированного при истечении сверхзвуковой струи газа Исходные данные:

d0 – внутренний диаметр газопровода, м;

GЕ – массовый расход истекающего газа, кг/с;

Т0 – температура транспортируемого газа в месте разрыва до аварии, град. К.

Искомые параметры C(, r, t) – распределение концентрации метана в пространстве (по оси струи – коор динате и в направлении, поперечном оси струи – по координате r) и времени t.

Порядок расчета Для критических условий (М = 1 – число Маха) аварийного истечения газа из конца разорванного участка газопровода (в аварийном выходном сечении участка трубопровода) (индекс «Е») устанавливаются следующие газодинамические параметры потока (скорость, плотность, давление), которые определяются по формулам где uE – скорость газа в сечении разрыва, aE – местная скорость звука;

R = 0 – удельная газовая постоянная газа;

– молекулярная масса газа;

R0 – универсальная газовая постоянная;

k= – показатель адиабаты, Ра – атмосферное давление;

d0 – диаметр трубы;

T0 – температура транспортируемого газа в месте разрыва до аварии.

СТО Газпром 2 2.3 Проверка условия критического истечения (Е.3) по превышению статистического давления в выходном сечении трубопровода атмосферного давления является обязательной процедурой и гарантирует правильность применения нижеследующих процедур. Если усло вие (Е.3) не выполняется, то истечение газа происходит в дозвуковом режиме, размеры зоны загазованности небольшие и ими можно пренебречь по сравнению с размерами зон, наблю давшимися при звуковом истечении.

После выходного сечения на определенном участке (в пределах нескольких диаметров трубы) при превышении статическим давлением на срезе трубы атмосферного давления про исходит изоэнтропическое расширение газа с разгоном потока до сверхзвуковых скоростей (М > 1) и формированием системы скачков уплотнения (без изменения расходных характери стик в образующемся струйном течении). Для данного участка течения характерна существен ная неравномерность потока. При этом за счет действия скачков уплотнения происходит потеря полного давления. В конце данного участка давление в поперечной плоскости течения выравнивается и становится равным атмосферному. Данное сечение в газовой динамике получило название «изобарическое сечение нерасчетной струи» или «ударная плоскость».

В ударной плоскости (индекс «s») значение газодинамического параметра скорости – числа определяется по формуле где Pa – атмосферное давление.

Значения температуры, числа Маха, плотности и диаметра эквивалентного сечения струи в ударной плоскости рассчитываются по формулам Распределение скорости и объемной концентрации по осевой () координате на рас стояниях, существенно превышающих длину участка расширения, описывается функциями:

для струй, распространяющихся в неограниченном воздушном пространстве, для настильных струй, распространяющихся вдоль поверхности земли;

где a – плотность атмосферного воздуха, а функция (Ms) определяется следующим образом:

Безразмерная координата определяется из соотношения Распределение продольной скорости и концентрации в поперечном к оси струи напра влении r можно задать в виде зависимостей, предложенных Шлихтингом:

значение c1 принимается равным 0.20.25 (рекомендуется c1 = 0.22 ).

На рисунке Е.1 приведены результаты расчета длины и полуширины струи, соответ ствующих НКПВ метана, при свободном истечении при сверхкритических параметрах в неподвижную атмосферу из одного конца поврежденного газопровода диаметром 1 420 мм с максимальным рабочим давлением 7,5 МПа при разрыве посередине перегона длиной 120 км.

Из полученных результатов видно, что максимальная длина (по оси струи) зоны загазованно сти при выбросе из МГ большого диаметра не превышают 800–900 м. С учетом того, что при независимом выбросе струй из двух концов участка разрыва они будут ориентированы вдоль исходной оси МГ с возможным отклонением от нее (по оценкам) не более чем на 15–20°, потенциально опасная (воспламеняемая) зона загазованности не выходит за пределы норма тивных разрывов между МГ и населенными пунктами.

СТО Газпром 2 2.3 Рисунок Е.1 – Параметры свободного струйного истечения природного газа из одного конца Е.2 Методика расчета размеров лужи при проливе жидкости Исходные данные:

G(t) – массовая суммарная интенсивность истечения конденсата из обоих концов пов режденного трубопровода, кг/с;

RK – радиус кривизны сферической котловины, в которую вытекает продукт, м;

– плотность пролитого конденсата, кг/м3;

Tип и свойства грунта.

Искомые параметры:

h – текущий уровень разлитой жидкости, м;

R3 – радиус «зеркала» разлитой жидкости, м.

Порядок расчета При аварийной разгерметизации конденсатопроводов происходит истечение под давлением сжиженного газа и «мгновенное» испарение в окружающем пространстве опреде ленной его части. При этом за счет изоэнтальпийного расширения (дросселирования) остав шаяся часть жидкости охлаждается относительно исходной (в рабочих условиях) температуры и растекается по поверхности грунта. Поскольку при атмосферном давлении охлажденный сжиженный газ переходит уже в новое равновесное (насыщенное) состояние, любой подвод тепла из окружающей среды приводит к дальнейшему испарению части его массы с одновре менным изменением компонентного состава смеси за счет преимущественного («фракцион ного») испарения наиболее высококипящих компонентов.

Таким образом, массовая интенсивность испарения сжиженного газа при аварийном истечении определяется тремя факторами:

резким падением давления;

теплопритоком из массива грунта;

турбулентно диффузионным потоком тепла из атмосферы.

Сценарии истечения и растекания жидкости могут быть весьма разнообразны в зави симости от сезонного состояния поверхности грунта, рельефа местности и других факторов.

Не снижая общности модели, с учетом возможности более полного и качественного учета теплового баланса, принимается, что разрушение трубопровода и истечение продукта проис ходят в природной котловине с геометрическим приближением в виде сферического сегмен та (рисунок Е.2.).

Тогда материальный баланс процесса заполнения котловины записывается в виде где G(t) – массовая суммарная интенсивность истечения конденсата из обоих концов повреж денного трубопровода, кг/с;

Рисунок Е.2 – Схема истечения конденсата в природную котловину в виде СТО Газпром 2 2.3 Gисп(t) – интегральная интенсивность испарения массы сжиженного газа за счет внешне го теплопритока (за счет охлаждения грунта по «смоченной» поверхности и радиационно конвективного теплопритока к разлитой жидкости из атмосферы), кг/с;

< 1 – коэффициент изоэнтальпийного испарения при истечении жидкости.

Значение коэффициента, отвечающего за учет парообразования вследствие падения давления, определяется из системы уравнений состояния в форме Редлиха Квонга или по методике, представленной в приложении Д.4:

– плотность пролитого конденсата, кг/м3;

V – текущий объем разлива для сферического сегмента, который определяется по сле дующей формуле где h, Rз – текущий уровень жидкости и радиус «зеркала» разлитой жидкости.

Текущее значение площади «смоченной» поверхности массива грунта где Rk – радиус кривизны сферической котловины – считается известным или задается из гео метрических соображений.

Зная текущее значение V(t), легко определить высоту подъема жидкости h путем реше ния кубического уравнения Значение R 2 при известном значении h рассчитывается по соотношению