Проблема обеспечения промышленной и экологической безопасности трубопроводного транспорта углеводородного сырья (УВ) и сжиженных углево-дородных газов (СУГ) является крайне актуальной, особенно в условиях их сильной изношенности в настоящее время.
Анализ отказов линейной части магистральных газопроводов показал, что одной из основных причин ее разрушения является коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) труб со стороны внешней, катодно-защищенной поверхности.
Разрушение по причине КРН происходит в основном на трубопроводах диаметром от 700 до 1420 мм. Свыше 80 % раз-рушений трубопроводов с признаками КРН наблюдалось на трубах диаметром 1020-1420 мм.
В результате коррозионно-механического растрескивания металла образуются дефектные отверстия, размеры и геометрия которых позволяет отнести их к категории «малых отверстий», образующихся в стенках, толщина которых значительно больше одного из линейных размеров дефекта, т.е. к «узким» отверстиям в «толстой стенке».
Результаты расчетных объемов истечения вещества при аварии существенно превосходит фактические объемы.
Выполненный нами анализ методов расчета массо-вого расхода СУГ показал, что в основном использу-ется два подхода:
1. Использование зависимости, выведенной Бернулли (инженерная формула Бернулли-Эйлера):
2. Использование уравнения состояния «газ - жидкость» на основе зависимостей Менделеева-Клайперона, Ван-дер-Ваальса, Бертло при расчетах массового расхода СУГ из резервуарного оборудования)
В уравнении (2) - расчет массовой скорости истечения жидкой фазы (G1) - введено значение GV - массовый расход газовой фазы.
К достоинствам данных методов можно отнести то, что они предлагают простой способ расчета массового расхода СУГ или жидких углеводородов, требующий небольшого количества исходных данных.
Это дает приближенные результаты при оценочных расчетах, когда необходимо оперативно получить информацию о масштабах аварий или инцидентов.
Недостатком обоих методов является то, что приведенные выше формулы не учитывают процессы, которые происходят при истечении СУГ, в том числе газожидкостных, жидких углеводородных сред, через узкие отверстия.
Поскольку большинство таких дефектных отверстий имеют один из линейных размеров существенно меньший, чем толщина стенки емкостного аппарата или трубопровода, в канале истечения наблюдаются процессы кавитации, усиливающие вскипание СУГ, что приводит к созданию дополнительного сопротивления, которое препятствует выходу технологической среды.
Если это явление не учитывать, то расчет по указанным формулам дает завышенный объем выброса опасного вещества, что приведет к увеличению зон действия поражающих факторов аварии, в результате ухудшаются показатели риска проектируемых объектов.
Наиболее сложной задачей практического применения этих уравнений является определение коэффициента m, значение которого зависит от степени сжатия струи и режима ее течения, структуры распределения скоростей вблизи проходного сечения, которая, в свою очередь, зависит от формы входа в проходное сечение.
С увеличением скорости истечения и связанным с этим увеличением числа Рейнольдса (Reт) коэффициент скорости j быстро нарастает и при Reт® ¥ стремится к значению j =
1,0.
Это свидетельствует о значительном уменьшении гидравлического сопротивления отверстия за счёт снижения влияния вяз-кости жидкости. Коэффициент сжатия струи e с уве-
личением Reт уменьшается и при Reт ® ¥ стремится к значению e = 0,6.
Коэффициент расхода m, являясь произведением коэффициентов j и e, на первом этапе растёт, достигая максимального значения m = 0,69 при Reт » 350, затем плавно снижается до m » 0,6.
Таким образом, только за счёт коэффициента m величина расхода уменьшается на 30-40 % относительно теоретически возможного.
Большое влияние на коэффициент расхода оказывает кавитация, обусловленная выделением паров жидкости в потоке.
Кавитация происходит по-разному в однокомпонентных (простых) и многокомпонентных (сложных) жидкостях. Для однокомпонентной жидкости давление, соответствующее началу кавитации, вполне определяется упругостью насыщенных паров, зависящей только от температуры жидкости.
Многокомпонентная жидкость состоит из так называемых легких и тяжелых фракций.
Первые обладают большим значением упругости паров, чем вторые, поэтому при кавитации сначала вскипают легкие фракции, а затем тяжелые. Конденсация же паров происходит в обратном порядке, сначала выпадают тяжелые фракции, затем - легкие. При наличии легких фракций многокомпонентные жидкости более склонны к кавитации, и паровая фаза в них удерживается дольше, но процесс кавитации выражен менее резко, чем у однокомпонентных жидкостей.
В большинстве литературных источников представлены расчетные методы оценки скорости и объемов истечения жидкостей из отверстий в сосудах (трубопроводах), которые основаны на моделировании истечения жидкостей (как правило, мономолеку-лярных).
При этом не учитывается, что при истечении находящегося под давлением СУГ (модель истечения через насадки), через «узкое» отверстие в «толстой» стенке, в образующемся канале за счет перепада давлений может происходить вскипание потока, препятствующее равномерному истечению.
Проведение натурных экспериментов по моделированию процесса истечения через модельные (дефектные) отверстия, позволит найти эмпирические зависимости для коэффициента расхода m путем сопоставления реального расхода СУГ с расчетными данными.
Для выполнения экспериментов спроектирована и создается установка, предназначенная для определения массового расхода СУГ через модельные отверстия, имеющие различные геометрические параметры (аналогичные реальным дефектным отверстиям, образующимся в процессе эксплуатации оборудования на объектах нефтегазодобывающей промышленности).
На рисунке представлена блок-схема установки.
Данные планируемых экспериментов позволят аргументировать принимаемые в проектной документации технологические разрывы, конкретизировать масштабы аварийных ситуаций, что позволит более точно оценивать ущерб нанесения вреда компонентам природной среды, обосновать страховые риски, оптимизировать структуру затрат на повышение уровня промышленной безопасности на опасных производственных объектах.
