Механічний вплив фрагментів при відмові газопроводів

Проектування і будівництво нових трубопроводів та експлуатація існуючих зв’язані з розв’язанням низки задач, в тому числі і оцінки ризику об’єкта, де ураження осколками є однією з основних негативних факторів. Актуальність оцінки цього уражаючого фактора постійно зростає внаслідок підвищення навантаження на газопроводи, їх старіння, впливу сторонніх факторів тощо.

Для аналізу потенційної небезпеки механічного впливу фрагментів пошкодженого трубопроводу на навколишнє середовище проаналізовані матеріали розслідування крупних аварій на магістральних газопроводах СРСР, Російської федерації та України.

Джерелом осколків можуть бути, як зруйнований трубопровід великого тиску (первинні осколки) так і зруйновані прилеглі об’єкти (вторинні осколки). Останні утворюються внаслідок руйнування або переміщення об’єктів, розташованих поруч магістральних трубопроводів, при дії на них первинних осколків або ударної хвилі.

Відомо, що при руйнуванні газопроводу енергія розширення газу витрачається на деформацію і руйнування оболонки резервуара, стиснення і переміщення атмосфери або грунту, прискорення утворення осколків тощо.

Для визначення частки енергії, витраченої на утворення осколків, для оцінки початкової швидкості осколків при аналізі зон ураження в роботах наведені результати числового моделювання руйнування трубопроводів. Встановлено, що небезпечною висотою для ураження осколками людини є висота менша 2,2 м. Розрахунок дальності розльоту осколків, утворених при руйнуванні труб діаметром 1400 мм, заповнених природним газом під тиском 7,5 МПа показав, що більше 50% всіх викинутих осколків падає ближче 50 м, а решта – на відстань понад 200 м.

При визначенні зон осколкового ураження необхідно врахувати рельєф місцевості та вплив лісу, що примикає до просіки в зоні ураження.

Також встановлено, що руйнування трубопроводів з утворенням багатьох фрагментів (відносно незначних розмірів) відбувалось здебільшого на трубах виготовлених із сталі з недостатньо високим в’язкісними характеристиками (17 ГІС, 17ГІС-Y). Саме із сталей цієї групи було побудовано більшість трубопроводів діаметром 1020 мм, на долю яких припадає найбільше число відмов і аварій.

В подальшому з переходом, переважно, до газопроводів з діаметром 1420 мм. вимоги до в’язкісних характеристик металу були значно підвищені і, як наслідок, при аварійних руйнуваннях газопроводів Ду 1400 мм відбувається в основному або розвальцовка труб у межах траншей, або внаслідок утворення двох, трьох крупних фрагментів.

Таким чином, при проектуванні необхідно враховувати, що для трубопроводів Ду 700 – 1200 м (побудови 60 – 70 років) дальність розльоту металевих осколків може досягати 200 – 250 м, а для трубопроводів Ду 1420 мм (в основному із труб імпортного постачання або вітчизняних з підвищеними в’язкісними характеристиками) – у межах 150 м.

Прогнозування динамічних параметрів витоку газу при

Корозійних дефектах труб

Магістральні газопроводи можна розглядати як своєрідні посудини, що працюють під тиском.

Проаналізуємо і дослідимо витік газу при відмові магістрального газопроводу внаслідок корозійних дефектів.

Класичними дослідженнями в галузі вивчення витікання газів є теоретичні дослідження Сен-Венана і Вентцеля. Ними одержано аналітичну залежність для масової витрати газу при його витіканні з резервуару під тиском. Встановлено, що при швидкостях газу, менших за швидкість розповсюдження звукової хвилі, має місце докритичне витікання, масова витрата яка безперервно зростає із збільшенням перепаду тисків. При досягненні швидкості газу звукової межі має місце критичне витікання, при якому масова витрата не залежить від перепаду тисків. Однак, це дослідження здійснене для умов ідеального адіабатичного процесу, до того ж нехтується значимістю гідравлічного опору потоку газу при витіканні. Як показує практика, розрахунки за класичною формулою Сен-Венана-Вентцеля дають суттєво завищені результати (в залежності від умов похибка становить до 50%). Тому нами здійснене дослідження з метою внесення корективів до вище зазначеної методики розрахунків.

Зміну параметрів газу при його витіканні з посуду, що працює під тиском можна описати системами рівнянь термодинаміки тіла із змінною масою [6], зокрема:

де Р – тиск;

r – густина газу;

G – масова витрата: ;

I – ентальпія газу: ;

V – об’єм посудини;

К – показник адіабати ;

- коефіцієнт витрати газу;

f₀ – загальна площа “отворів”.

При розв’язанні вище приведеної системи рівнянь припускається, що інтенсивність зовнішнього теплообміну значно перевищує інтенсивність внутрішнього. Тобто температура стінок – T_w майже відповідає температурі навколишнього середовища – Т_0. Крім цього припускаємо, що внаслідок високої теплоємкості посудини швидкість змінювання температури газу Т_q є набагато більшою швидкості зміни температури стінки, тобто . Тоді тепловий потік від стінки посуду до газу дорівнюватиме: де - коефіцієнт тепловіддачі; F – поверхня теплообміну.

Внутрішній теплообмін здійснюється за рахунок механізму вільної конвекції. Число Нуссельта – N_ug= де R_a= G_r P_r – число Релея.

Тоді коефіцієнт теплопередачі - , звідси:

Після лінеаризації ряду нелінійних функцій і інтегрування, а також використовуючи рівняння стану ідеального газу у одержано змінювання параметрів газу в посудині.

і динаміку витоку газу:

де:

P₀, ,T₀ – початкові значення параметрів газу в посудині.

В інституті ВАТ “Укргазпроект” за участю автора дисертації, користуючись вказаними вище формулами, виконані розрахунки інтенсивності витоку метану з технологічних апаратів для прогнозування динаміки витоку газу метану при відмові запроектованого магістрального газопроводу Ананьїв – Ізмаїл. Одержана крива динаміки витоку з часом в залежності від тиску (наступний рис.)

Вихідні дані для розрахунків:

об’єм посудини, м³ – 500; початковий тиск, МПа – 0,8; температура, К – 255, загальна площа вихідних отворів, м² – 0,015, коефіцієнт витрати – 0,8.

Максимальне значення масової витрати:

Q_{m max} = m

де

К – показник адіабати, К = 1,4;

R – газова постійна, R = 520

Р₀ – абсолютний тиск,

Т₀ – температура, Т₀ = 293 К;

- площа тріщини.