Гидравлические характеристики турбулентного потока в зоне взаимодействия с трубопроводными переходами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.16, кандидат наук Брянский Илья Артемьевич

• Брянский Илья Артемьевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Брянский Илья Артемьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ТРУБОПРОВОДНЫЕ ПЕРЕХОДЫ, ИХ КОНСТРУКЦИИ, ТЕХНОЛОГИИ ВОЗВЕДЕНИЯ И АВАРИИ

1.1. Типы существующих трубопроводных переходов

1.2. Виды пересекаемых трубопроводами водных преград

1.3. Аварийность

1.4. Разновидности трубопроводных переходов, расположенных

под водой на дне каналов, рек, и их воздействие на аварийность

1.5. Использование гибких бетонных покрытий для защиты трубопроводных переходов через каналы, реки. 31 ГЛАВА 2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТЕЧЕНИЯ НА ПОДХОДЕ И В ПРЕДЕЛАХ ТРУБОПРОВОДНОГО ПЕРЕХОДА

2.1. Применение гипотезы Буссинеска при анализе профилей скорости

2.2. Силовое воздействие турбулентного потока на различные препятствия

2.3. Расчёт сил, действующих на цилиндр, при симметричном обтекании

2.4. Задачи научных исследований 58 ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Критерии подобия лабораторных и натурных течений

3.2. Напорная модель открытого потока

3.3. Параметры гидравлического и аэродинамического лабораторных стендов

3.4. Основное лабораторное оборудование, использованное при физическом моделировании

3.5. Планирование многофакторного эксперимента

3.6. Описание экспериментальных моделей

3.7. Методика исследований обтекания моделей трубопровода и силового воздействия на них потока

3.8. Оценка сопутствующих измерениям скоростей погрешностей 108 ГЛАВА 4. АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

4.1. Особенности обтекания трубопроводных переходов

4.2. Определение коэффициента лобового сопротивления и подъёмной силы трубопровода, лежащего на экране

4.3. Определение коэффициента лобового сопротивления и подъёмной силы трубопровода в различных вариантах

4.4. Профили скорости в зоне взаимодействия с

трубопроводными переходами

4.5. Сравнение уровней свободной поверхности потока над матами УГЗБМ и УГЗБМ-С при стационарном обтекании трубопроводов

4.6. Скоростные характеристики поверхностных потоков, переливающихся через маты при защите трубопроводов

4.7. Экспериментальные исследования силового воздействия потоков на элементы защитных матов, установленных на трубопроводе с различным заглублением

4.8. Потери энергии потоком, обтекающим маты, установленные

для защиты трубопровода

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидравлические характеристики турбулентного потока в зоне взаимодействия с трубопроводными переходами»

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования.

Трубопроводный транспорт имеет большое значение для Российской Федерации, на территории которой эксплуатируется одна из крупнейших в мире систем трубопроводного транспорта. По этим трубопроводам, наряду с водой, газом, нефтью и нефтепродуктами, на большие расстояния транспортируются известь, сера, уголь, размельчённые бокситы, сахарная патока, молоко, рыба и др. Активное использование трубопроводного транспорта объясняется, в первую очередь, его высокой экономичностью. По данным Федеральной таможенной службы экспорт России за 2019 год сырой нефти составил 267,467 млн. тонн на 121,444 млрд. долл. США и нефтепродуктов 142,802 млн. тонн на 66,887 млрд. долл. США. Большая часть объёмов экспортируемых за рубеж углеводородов поставляется по трубопроводам, что свидетельствует о большом экономическом значении магистральных трубопроводов для страны.

В настоящее время в Российской Федерации эксплуатируется более 250 тыс. км трубопроводов. В большинстве случаев трассы трубопроводов пересекают реки, озера, водохранилища и другие водные преграды. Большинство переходов трубопроводов устраивается подводными. Трубопроводы в этих случаях укладывают непосредственно на дно пересекаемой водной преграды или же в заранее устроенные подводные траншеи. Длина подводных переходов обычно составляет около 3% от общей протяжённости трассы, а их сметная стоимость достигает 15% от общей сметной стоимости строительства трубопровода.

При проектировании трубопроводных переходов различного назначения решение многих инженерных задач связано с расчетом распределения скоростей и оценкой создаваемых ими гидравлических сопротивлений. В большинстве случаев при этом наблюдается турбулентный режим движения. К настоящему времени создание полной теории турбулентности еще не завершено, предложены лишь полуэмпирические теории (Ж. Буссинеск, Л. Прандтль, Дж. Тейлор, Т. Карман), которые удовлетворительно согласуются с

экспериментом, на базе которого эти теории и были построены. Наибольшее распространение в области гидродинамической турбулентности получила полуэмпирическая теория Л. Прандтля, результаты которой до настоящего времени используются в практических методах инженерных расчетов.

Однако в тех случаях, когда необходимо получить более точные результаты расчетов, например, при прогнозировании размывов русл, где значение скорости потока имеет решающее значение, неточности методов расчета могут привести к ошибочным прогнозам надежности работы гидравлических систем.

При сооружении подводных переходов трубопроводов предъявляются повышенные требования к их защите от внешних воздействий, в первую очередь от водного потока и плавающих тел. В настоящее время при сооружении подводных переходов используются различные материалы, типы и конструкции защитных покрытий трубопроводов (сплошное бетонное или цементобетонное покрытие, габионы, геоматы и др.).

С конца 1990-ых годов в отечественной практике строительства подводных переходов достаточно широко используются конструкции из универсальных гибких защитных бетонных матов (УГЗБМ), которые отвечают самым высоким требованиям безопасности, экономичности, прочности и долговечности в сравнении с другими типами защитных покрытий. Гибкие бетонные маты могут рассматриваться как макрошероховатость, оказывающая значительное влияние на гидравлические характеристики водного потока, и в настоящее время является недостаточно изученной с гидравлической точки зрения.

В связи с этим, уточнение методов расчета и расчетных зависимостей для обтекания потоком подводных трубопроводных переходов является востребованной практикой задачей гидравлических исследований. А отсутствие в настоящее время информации о гидравлических характеристиках водного потока, взаимодействующего с трубопроводным переходом с гибким защитным бетонным покрытием, в том числе из универсальных гибких бетонных матов (УГЗБМ), делает эту задачу весьма актуальной.

Степень разработанности темы исследований. Вопросы, связанные с воздействием трубопроводных переходов на характеристики турбулентного потока, изучались известными отечественными и зарубежными специалистами в области гидравлических исследований объектов водохозяйственного, гидротехнического и природоохранного строительства: В.Н. Гончаровым, М.А. Бахметьевым, П.П. Бородавкиным, В.Ф. Кожиновым, Д.В. Штеренлихтом, С.И. Левиным, А.Д. Альтшулем, В.В. Дегтяревым, В.А. Дейсом, А.А. Филатовым, С.С. Медведевым, В.С. Боровковым, Н.В. Хановым и другими.

Цель диссертационных исследований заключается в изучении гидравлических характеристик турбулентного потока в зоне взаимодействия с трубопроводным переходом в зависимости от угла его расположения по отношению к набегающему потоку, степени его заглубления в дно и наличия защиты в виде гибкого бетонного покрытия.

Для достижения поставленной цели сформулированы основные задачи:

- определить гидравлические характеристики потока на подходе к трубопроводному переходу;

- выполнить аналитическое исследование профилей скорости с использованием гипотезы Буссинеска относительно связи касательного напряжения и градиента скорости в турбулентном потоке;

- выполнить расчетно-теоретический анализ взаимодействия потока с препятствиями различной формы;

- провести экспериментальные исследования гидравлических характеристик течения в зоне взаимодействия с трубопроводными переходами, расположенными под различными углами по отношению к набегающему потоку;

- изучить гидравлические характеристики потока при различных способах прокладки трубопроводного перехода и наличии защитного покрытия в виде гибких бетонных матов;

- оценить динамическое воздействие набегающего потока на трубопроводы при несимметричной схеме обтекания;

- сформулировать рекомендации по выбору способа прокладки трубопроводного перехода по дну реки с учётом устойчивости русла к размыву.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- аналитически доказана правомерность использования логарифмического и степенного профиля скорости для описания кинематики исследуемого потока;

- получена расчетная зависимость для коэффициента формы в формуле коэффициента гидродинамического сопротивления тел;

- экспериментально, с использованием современного оборудования, исследованы гидравлические характеристики турбулентного потока в зоне взаимодействия с трубопроводными переходами, проложенными различными способами по отношению к набегающему потоку;

- исследовано гидродинамическое воздействие потока на трубопроводные переходы, выполнена оценка устойчивости трубопровода к набегающему потоку;

- на основе опытных данных определены величины коэффициентов гидродинамического сопротивления и подъёмной силы для различных способов сооружения трубопроводного перехода;

- экспериментально получено распределение поля скоростей на подходе к различным типам конструкций трубопроводных переходов, над их поверхностью и за ними; для трубопроводов с защитным покрытием из гибких бетонных матов получено распределение поля скоростей в щелевом пространстве между отдельными элементами покрытия;

- выполнен сравнительный анализ применения универсальных гибких защитных бетонных матов для защиты трубопроводных переходов с различными способами прокладки трубопроводных переходов по дну водоёма;

- изучено воздействие пульсаций давления на трубопроводные переходы.

Теоретическая и практическая значимость работы. При обтекании потоком трубопроводных переходов изменяются гидродинамические характеристики течения, которые неразрывно связаны с русловыми деформациями. Очевидно, что гидродинамические характеристики потока

будут изменяться в зависимости от размеров препятствия, его формы и расположения в потоке, но эти вопросы в настоящее время недостаточно изучены. Использование гибких бетонных покрытий в качестве защиты трубопроводных переходов, которые могут рассматриваться как макрошероховатость, дополнительно влияющая на структуру водного потока, также является недостаточно изученным гидравлическим фактом. Результаты исследования данных вопросов составляют теоретическую значимость диссертационной работы.

Практическая значимость полученных результатов связана с повышением точности гидравлических расчетов в проектах трубопроводных переходов на маршрутах нефте- и газопроводов через водные объекты.

Методология и метод исследований. Повышение точности и надёжности гидравлических расчётов при проектировании трубопроводных переходов через водные объекты может быть достигнуто применением полученных экспериментально-аналитическими методами значений коэффициентов гидродинамического сопротивления и подъёмной силы для различных схем прокладки трубопроводов и использования гибких защитных покрытий.

Личный вклад соискателя заключается в формулировании и постановке задач диссертационного исследований; проведении экспериментальных исследований по определению гидродинамических характеристик турбулентного потока при различных схемах обтекания подводных трубопроводных переходов; анализе и обобщении полученных результатов.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

- значения коэффициентов гидродинамического сопротивления и подъёмной силы для различных схем обтекания трубопроводных переходов;

- зависимость для коэффициента формы в формуле коэффициента гидродинамического сопротивления тел;

- расчетно-аналитическое доказательство правомерности использования логарифмического и степенного профиля скорости для описания кинематики потока;

- результаты экспериментальных исследований распределения скоростей в потоке в зоне трубопроводного перехода при различных схемах их устройства,

- результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик потока, взаимодействующего с трубопроводным переходом, защищенным гибким бетонным покрытием;

- скоростные характеристики потока, переливающегося через трубопроводный переход, пригруженный гибкими защитными покрытиями;

- значения коэффициента местного сопротивления, полученные для трубопроводных переходов с защитой в виде гибких бетонных покрытий.

Степень достоверности и апробация результатов. Результаты диссертационной работы основаны на применении фундаментальных положений гидравлики и экспериментально-аналитических методов исследования, обусловлены представительным массивом экспериментальных данных, полученных на высокоточном современном оборудовании. Основные положения работы были опубликованы в 13 научных статьях и получили положительную оценку на 8 научных конференциях: International Scientific Conference Environmental Science for Construction Industry - ESCI 2018 (Хошимин, Вьетнам, 2-5 марта 2018 г.); FORM-2018: XXI International Scientific conference "Construction the formation of living environment" (Москва, 25-27 апреля 2018 г.); FORM-2020 XXIII International Scientific conference on Advanced in Civil Engineering (Ханой, Вьетнам, 23-26 сентября 2020 г.); VII International Scientific Conference Integration, Partnership & Innovation in Construction Science & Education (Ташкент, Узбекистан, 11-14 ноября 2020 г.); на четырех Всероссийских научно-практических семинарах «Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства» (Москва, НИУ МГСУ, 16 мая 2018 г., 22 мая 2019 г., 17 июня 2020 г., 26 мая 2021 г.).

Публикации.

Материалы диссертации достаточно полно изложены в 12 печатных работах, в том числе: в 5 статьях в изданиях, входящих в Перечень ВАК; в 5 статьях в рецензируемых журналах, индексируемых в базах Web of Science и Scopus; в 2 статьях в других печатных изданиях. В диссертации использованы

результаты научных работ, выполненных автором - соискателем ученой степени кандидата технических наук - лично и в соавторстве.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 98 наименований, в том числе 20 - на иностранном языке, 5 приложений. Объём диссертации без учёта приложений составляет 165 страниц машинописного текста, общий объём, включая приложения 217 страниц, в том числе 97 рисунков и 20 таблиц.

ГЛАВА 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ТРУБОПРОВОДНЫЕ ПЕРЕХОДЫ, ИХ КОНСТРУКЦИИ, ТЕХНОЛОГИИ ВОЗВЕДЕНИЯ И АВАРИИ

1.1 Типы существующих трубопроводных переходов

На 2020 г. в эксплуатации российскими компаниями находятся магистральные трубопроводы общей протяженностью более 250 тыс. км. В основном это нефте-, газо- и продуктопроводы (см. Приложение А). Каждый год вводятся в действие новые объекты, так в 2019 г. построено 1,3 тыс. км магистральных газопроводов, 0,3 тыс. км магистральных нефтепроводов и 412,7 км региональных нефтепродуктопроводов [89]. Протяженность магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов в сравнении с показателями других стран приведена в таблице 1.1 [90].

Таблица 1.1- Протяженность магистральных нефтепроводов, км

2005 2010 2015 2017 2018

Россия 65449 65113 74075 70703 70492

Австрия 777 1214 1214 1214 1214

Азербайджан 1418 1673 1526 1523 1523

Белоруссия 4559 3779

Бельгия 294 294 294 294 294

Болгария 578 578 570 570 571

Венгрия 2032 2209 2215 2236 2236

Германия 2370 2370 2370 2370 2370

Дания 330 330 330 330 330

Испания 3833 4365 4736 4736 4723

Италия 4328 4291 4022 4016 4018

Казахстан 6126 7912 8011 8013 8013

Латвия 860 417 417 414 417

Норвегия 1189 1260 1245 1288 1288

Польша 2278 2362 2483 2483 2483

Румыния 4807 3346 3048 3112 3112

Великобритания 4501 4446 4446 4446 4446

США, тыс. км 268 293 336

Турция 3065 3038 3053 3052 3060

Украина 5016 5483

Франция 5746 6293 7142 7142 7142

Чехия 675 674 642 642 642

Швейцария 109 109 109 109 109

На своём пути трубопроводный транспорт пересекает множество водных преград, из которых большую часть составляют реки.

В этом случае устраивается трубопроводный переход надводным или подводным способом. Для того, чтобы пересекать водные преграды, преимущественно возводятся переходы, располагающиеся под водой.

По данным переходам нередко производится транспортировка нефтепродуктов. В этой связи они являются потенциально опасными для природной среды. Поэтому их строительство и эксплуатация регламентируются рядом нормативно-технических документов, направленных на повышение надежности трубопроводной системы и предупреждение аварийных разливов нефти или выхода газа. Участок трубопровода, который проложен через водоем, характеризующийся шириной двадцать пять метров вне зависимости от глубины воды, или обладающий глубиной более полутора метров и шириной в межень по свободной поверхности, превышающей десять метров, рассматривается в качестве подводного перехода в соответствии с действующим СП [91].

В паводковый период под водой могут находиться прокладываемые на пойменных участках трубопроводы, и в этой связи они также определяются как подводные. Формирование проектов и возведение трубопроводов данной категории предполагает необходимость соблюдения требований, относящихся к сооружению трубопроводов, определяемых в качестве подводных.

Составляющие трубопроводных переходов представлены в виде:

• плановых магистралей - линий, позволяющих проводить наблюдение в отношении размыва берегов, базисов, на концах которых проводится размещение устройств, фиксируемых посредством опорных знаков;

• участка ниток, являющихся основной и резервной, ограничением которого в случае переходов, являющихся однониточными, выступает горизонт высоких вод не ниже отметок десятипроцентной обеспеченности, а в случае переходов, являющихся многониточными, -размещенная на берегах водоема запорная арматура;

• сооружения защитного характера, создаваемые для того, чтобы трубопровод не повреждали якоря плотов и судов;

• сооружений для укрепления берегов;

• площадок для вертолетов;

• конструкций, позволяющих регулировать деформации русла;

• размещаемых на водных путях - сплавных и судоходных - знаков ограждения охранной зоны ПП;

• сооружений, предотвращающих аварийный выход продуктов.

При пересечении трубопроводом водной преграды определяется группа сложности перехода в зависимости от условий и характеристики водоема. Наиболее важными условиями, определяющими группу сложности, являются ширина зеркала воды и средняя глубина водоема [92].

Участки рек в зоне перехода подразделяются на категории (таблица 1.2):

Таблица 1.2- Категории участков рек

Глубинные и

Категория плановые Характеристика Примечание

переформирования

Глубинные переформирования не превышают 1 м/год, а плановые незначительны. Реки шириной до 50 м ленточ но - грядового, осередкового и побоч невого ти пов, а также реки шириной более 50 м с устойчивым дном и берегами. Опасность оголения труб полностью исключается, если глубина их заложения более 1 м, а врезка в берег более 5 м.

Глубины переформирования дости га ют 2 м, а плановые - 10 м. Реки шириной более 50 м ленточно -грядового и побоч невого ти пов. Трубопроводы не оголяются и не подвергаются силовому воздействию потока, если они заглушены более чем на 2 м, а врезка в берег более 15 м.

Небольшие глубинные переформирования дости га ют 2 м, а плановые - от 11 до 100 м. Участки переходов через реки с ограниченным, незавершенным и свободным ти пом меандрирования, а также участки пойменной многорукавности.

Переформирования русла в течение нескольких дней или недель могут дости гнуть по глуби не более 2 м, а в плане -несколько десятков метров. Участки горных рек с особыми формами руслового процесса, реки с явно выраженной неустойчивостью русла. Строительство подводных переходов через такие участки рек нецелесообразно.

По ширине и глубине пересекаемой водной преграды трубопроводные переходы подразделяют на малые - шириной в межень до 30 м и глубиной до 1,5 м; средние - шириной водного зеркала в межень менее 75 м; большие - шириной более 75 м и глубиной более 1,5 м в межень.

Переходные устройства через Обь, Каму, Енисей и Волгу являются наиболее значительными. Данные переходные устройства составляют 635-1230 м, 830-5090 м, 800 м, 2300-8200 м, и включают, соответственно, четырнадцать, десять, три и восемь ниток [18]. В случае прохождения рек имеется ряд вариантов прокладки. Представленная на рисунке 1.1. прокладка по дну осуществляется наиболее часто. К числу часто используемых относятся и прокладка посредством воздушного перехода (рисунок 1.2), метод наклонного бурения [87] и траншейный метод. Трубопровод может быть проложен по дну реки несколькими способами. Согласно В.Ф. Кожинову [33] и С.И. Левину [38] можно использовать следующую классификацию:

- равномерное опускание трубопроводов со льда и опор (стационарных или плавучих);

- протаскивание трубопроводов по дну водной преграды;

- укладка трубопроводов с плавучих средств (монтажного судна или баржи) с наращиванием очередного звена (секции) трубы;

- укладка способом свободного погружения находящихся на плаву трубопроводов с заполнением их водой;

- укладка трубопроводов с буксировкой плетей и сваркой стыков на плаву;

- прокладка трубопроводов за перемычками.

Рисунок 1.1 - Трубопровод, проложенный по дну реки без заглубления в грунт

Рисунок 1.2 - Трубопровод, проложенный надземным переходом

В отношении таких характеристик, как эксплуатация, надежность сооружений, размещаемых в зоне, где действуют водные потоки, в процессе формирования проектов данных сооружений, их возведения, предъявляются высокие требования [56, 62].

Применение надземного перехода осуществляется при наличии возможности присоединения трубопровода к мосту (железнодорожному либо автомобильному), который уже существует, а также при наличии потребности в прокладке трубопровода через ущелья в горах.

Эффективность подобного типа прокладки трубопроводов в экономическом отношении удается обеспечить не во всех случаях. В этой связи существует необходимость исследования особенностей и технических аспектов прокладки трубопроводов по речному дну. При надземном способе прокладки трубопровода особое внимание уделяется таким характеристикам водотока как отметки уровня высоких вод, максимальные скорости течения, интенсивность и направленность русловых и пойменных деформаций.

При подземном способе прокладки важен характер морфологии русла и поймы, особенности и темпы их деформаций для прогнозирования воздействия трубопроводного перехода на размывы русла в створе перехода в период его эксплуатации.

При прокладке трубопровода методом наклонного бурения также необходимо учитывать возможность плановых деформаций русла и поймы, проводить оценку затоплений и опорожнений поймы, степень устойчивости пойменных протоков и развитий транзитных течений.

1.2 Виды пересекаемых трубопроводами водных преград

Трассы трубопроводного транспорта в большинстве случаев пересекают различные водные объекты, такие как реки, водохранилища, озера, ручьи, болота и другие водные преграды. Наиболее сложными и опасными из перечисленных участков являются переходы трубопроводов через реки, так как в них присутствует значительное силовое воздействие движущегося потока жидкости.

В среднем подводные переходы составляют 1,94 % от суммарной длины трасс этих трубопроводов. Средняя длина одного подводного трубопровода -377 м, на каждые 100 км трассы приходится 5,15 переходов, или по одному подводному переходу каждые 19,4 км трассы трубопровода [25].

Анализ данных по некоторым магистральным трубопроводам (Средняя Азия - Центр, «Дружба», Усть-Балык - Омск, Белоусово - Ленинград, Вуктыл - Ухта, Ухта - Торжок и др.) показал следующее распределение по ширине пересекаемых рек (таблица 1.3) [25, 61].

Таблица 1.3 - распределение пересекаемых трубопроводами рек по ширине

распределение пересекемых

трубопроводами рек по ширине

длина (м) %

до 30 16,6

31-100 41,6

101-300 25,0

301-500 8,4

свыше 501 8,4

От общего числа . При этом, по отноше-

нию к общему числу судохотвЕЙЯ)еки шириной В) 30м составили 3,3 % (таблица 1.4) [25, 61].

Таблица 1.4 - распределение пересекаемых трубопроводами рек по параметру

судоходности

пересекаемые реки по параметру

судоходности

длина(м) %

до 30 3,3

31-100 20,0

101-300 36,7

301-500 13,3

свыше 501 26,7

Надежность работы трубопроводных систем на участках их пересечения с водными преградами зависит от наиболее полного учета действующих

факторов при их проектировании и строительстве. Участки рек, на которых располагаются трубопроводные переходы подразделяются на четыре категории сложности в зависимости от масштабов деформаций русла водотока. Но даже при незначительных деформациях русла появление в потоке трубопроводного перехода оказывает влияние на гидравлические характеристики потока. Результаты обследований большого числа трубопроводов показали, что характерные деформации в зоне трубопроводного перехода можно отнести к размывам в средней части русла и к размывам приурезных береговых участков [53]. В свою очередь русловые деформации невозможно рассматривать в отрыве от гидродинамических характеристик потока, которые изменяются при расположении в потоке трубопровода. При этом гидродинамические характеристики потока будут изменяться в зависимости от размеров препятствия, его формы и расположения в потоке. Данные вопросы в настоящее время недостаточно изучены. Поэтому целью настоящих диссертационных исследований является определение гидравлических характеристик турбулентного потока в зоне взаимодействия с трубопроводным переходом в зависимости от его положения относительно потока и наличия защиты в виде гибкого бетонного покрытия.

В работе рассматриваются гидравлические характеристики потока в зоне влияния трубопроводных переходов, проложенных по дну водотока или заглубленных частично. При этом не рассматривается зона примыкания трубопроводного перехода к береговому склону.

1.3 Аварийность

Трубопроводный транспорт, особенно нефте и газопроводы, представляет собой сложные инженерные объекты, эксплуатируемые в различных климатических условиях. Во время эксплуатации магистральные трубопроводы подвер-

гаются значительным внешним и внутренним нагрузкам, что приводит к авариям с выбросом транспортируемой жидкости (нефти, газа и др.). Поскольку многие трубопроводные системы были построены в 70-80-е годы прошлого века, их износ составляет более 50% [39, 40, 47, 49, 52, 85, 87], таким образом вероятность возникновения на них аварийных ситуаций возрастает. Зависимость частоты аварий от срока эксплуатации газопровода представлена в таблице 1.5 [39].

Таблица 1.5 - распределение аварий на газопроводах в зависимости от срока их

эксплуатации

О, мм всего аварий по срокам эксплуатации, %

менее 3 лет от 3 до 8 лет от8 до 13 лет от 13 до 20 лет более 20 лет

1420 100% 33,3 44,4 16,7 2,8 2,8

1220 100% 7,8 17,2 46,9 26,6 1,5

1020 100% 6,6 21,0 43,4 22,4 6,6

820 100% 6,7 0 10,0 40,0 43,3

720 100% 21,0 21,0 16,1 9,7 32,2

529 100% 16,4 14,5 16,4 30,9 21,8

менее 500 100% 17,3 21,0 14,8 17,3 29,6

На основании анализа данных по авариям на трубопроводах можно сделать вывод, что основными причинами, приводящими к разгерметизации трубопроводов с выбросами транспортируемой жидкости, являются [93]:

• механические повреждения трубопроводов в процессе строительства и эксплуатации;

• коррозионные повреждения;

• некачественное выполнение строительно-монтажных работ;

• дефекты трубопроводов;

• природные воздействия на трубопроводы из-за оползней, селей, размывов грунта, воздействия низких температур и др.;

• ошибочные действия персонала.

Диапазон средних потерь газа при одной аварии составляет, в соответствии со статистическими данными, 2,5 - 3 млн. м3.

Рисунок 1.3 - Распределение причин, обуславливающих возникающие на магистральных газопроводах аварийные ситуации (согласно информации, представленной Ростехнадзором, 2005-2013 гг.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Брянский Илья Артемьевич, 2022 год

> -

5 ТГ ЗТ ОТ <а" н; ад в; Гйент! зам! 1

эа СГ 5Д е> те Нк 1е

к "г1 & о <0 8 С _ 3

с КС п ЗС Й в/ п ль

!_ м

• Ра СГ гр" ?? ж % К". - тт А, К Г ЗЕ ■

7Т л и] СГ П( ц СГ VII

# Эа г г п 21 П Щ| П£ те Й В1 1Д Лк "7 Г г А

а р и 1С Гит ГС О? го КС в; / С ,0 I

* -"а СП в; те Нк е А Ж /а М! _ц щ 1а уи 1_

♦ сг п ^ л QJ 16 16 "С КС эс Тс тг о? лт ГГ-

У -А1 СГ р =¿3 И* № те Й В/ Ю ль ис- с 6

са ГЦ 1РНЬ 1Р „ п эт от а н; ад Ц 211 щ Ш 1°

С кс >р ОС те и в? Агс уг-1 т КС р сгс к И" е* Ж ад И еь "Ц за М1 V

иг ОС Т£ м □ г п Шг 1_Ш о ко в; .5 2 6.

"Ц Д от га■ тГс Щ "Т /у? 1Т ОТ те "Ц 6Р га РЙ Щ щ Л] "3 г

п "УП" ™ 14 л 11 ри Т1" л г

6/ о ко $ Ч< ц о/ у то №! 1з с ,2 з

£ о • Л 1 ■7 '7 Ло б. 1С Кс 1

О/ о <с в; . и ,1 /

ц= 60 м3/ч 0,016667 м3/с

Скорость в донных зазорах

V на подходе 0,11 м/с

V на выходе 0,84 м/с

1=

0,001

1=

24,3 "С

Скорость в верхних зазорах над матом

№ блока V в зазоре, м/с

1 0,27

3 0,23

5 0,35

7 0,6

8 0,73

9 0,89

11 1,53

г) __ рделенис

гкпрг ГТРИ РПП|

ПОТОК а по цент

блок 1 в верхнк

ах; 11; 1,Е

зазор

эаспрдел ?ние

и с <оростеи здоль

5 Р§сп.рае#

♦ 1

> Г <ПППГТР№

каспрдел ?ние 1 тгежсэчз ве эхних

с л <оростеи с этока по 1 здоль ; лока в ве 9 0,89

эхних

♦ | -'а сп рдел" ?ние { ,ентру азорах; 8 эхних 0,73

лока в ве

<оростеи здоль ■ П Р,

<оростей здол

<ПППГТРЙ Ыхоль п

П этока по 1 ,ентру

1 п этока по 1 ,ентру

t лока в ве эхних азорах; 5 0,35

с лока в ве эхних

азорах; 1 0,27 0,23№ 6

Q= 60 м3/ч 0,016667 м3/с

0,001

h на подходе 252,61 мм

h на выходе 178 мм

V на подходе 0,22 м/с

V на выходе 0,41 м/с

Кривая свободной поверхности над устьями пьезометров

Скорости вдоль потока над центрами блоков на расстоянии 0,6 см от поверхности

h стат,

№ блока мм V над блоком, м/с

1 178 0,23

2 162,54 0,19

3 146,27 0,28

4 133,89 0,32

5 114,52 0,37

6 97,46 0,45

7 71,64 0,62

8 47,3 0,82

9 40,3 1,2

10 39,43 1,17

11 49,16 1,2

t= 25,6° С

Zl= 0,00135 м Z2= 0 м

hi= 0,25261 м h2= 0,178 м

Vi= 0,22 м/с v2= 0,41 м/с

0,257 м 0,187 м

hw= 0,070 м

28 ^2= 8,12

1.

• Ё лен И

Не спр «г И

.к J^JULT ей и,цш1Ь

L цен! Г ПРН1 грал гпял

п m ю ка н а

бс R

тг о кг

Рс -

:kodoct 3И вд 1Л ь

1 ♦ •

г отока нал l цент р чл ш

> р-

jg 'н ( ^■ШШ эв ■л и, Hi £

* 1Г пгт ;и вдол ь

— гока.н •Ли. • 1 1

г 01 l центр ал 1И

rdLI ipe, ^елени

V» :лероет ?Й и, Ьг

Не JL «г дол

Pf г )Р г- -а St № пИН 1 IIPU1 "П RA 1И

• Hi 1С й, А* ле нж

4 Pf 1Г пг р 1Р Л( эн iöfew? ЭД9Ш °Тг Й- i IV Ol .ки roB(i то 3 is о ie^fl rtfrWJW »J (И ) 4L

"„Распре,

:коро CT ;и вдоль^ )

:к DDOCT ■\0 3"

г и гтжат! d, DE трал ■ 4 я

J блоков 1, це-т тШ рал 1И

10

1J Мл с 1С

ц= 60 м3/ч 0,016667 м3/с

0,001

1=

25,6°С

Скорость в донных зазорах

V на подходе 0,12 м/с

V на выходе 0,51 м/с

Скорость в верхних зазорах над матом

№ блока V в зазоре, м/с

1 0,34

3 0,24

5 0,39

7 0,61

8 0,72

9 0,6

11 0,86

Рас1 Фделение

скор» >стеи вдoJ

ПОТО! а в верхн

♦ 'аспрделе НИР зазо[ 1ах; II; и,*

С1 ¡оростей ! доль

♦ 'аспрдрле Ш* в ве эх них '^(^рделе ¡оростей ! ние

С1 ¡оростей ? доль

п< >тока В ВР эхних П( >тока в ве эхних

и § 3 азорах; 7; и,ы ¡азорах; 9 0,6

> ♦ 'аспрдрле НИР ♦ 1 ♦ 3 ♦ Е ♦ 7 ♦ 8 ♦ 9 11

♦ 'аспрдел* НИР п :пппгтрй ( лплк 1

С1 ¡сюостей [ доль п< >тока В ВР эхних

П< >тока в ве ЭХН*1> 'аспрделе НИР 3 азорах; 5; 0,39

3 азорах; 1; 0,34 С1 ¡оростей ! доль

п< >тока в вр эхни>

3 азорах; 3; 0,24

№6 гока

ц= 60 мЗ/ч 0,016667 мЗ/с

0,001

1п на подходе 350,15 мм

1п на выходе 26,65 мм

V на подходе 0,09 м/с

V на выходе 1,73 м/с

Уровень свободной поверхности над устьями пьезометров Скорости вдоль потока над центрами блоков на расстоянии 0,6 см от поверхности

№ блока 1п стат, мм V над блоком, м/с

1 269 0,12

2 258,16 0,1

3 219,43 0,19

4 183,71 0,26

5 154,8 0,31

6 120,47 0,43

7 90,39 0,55

8 61,49 0,77

9 42,07 1,14

10 38,45 1,35

11 24,69 1,58

12 20,37 1,56

13 16,47 1,95

1= 24,3 "С

г\= 0,00135 м г2= 0 м

И1= 0,35015 м [\2= 0,02665 м

41= 0,09 м/с 42= 1,73 м/с

0,352 м 0,187 м

1п\л/= 0,165 м

$1 = 400 ^2= 1,08

• ( .КОрОСП вдоль

ПОТ эка над централ

е лпкгт: ' .3; 1 ,95

е

к ^ерее™ вдел в

\ п@т щнтрал

♦ СКО| ЯШ т щм

и ■ > г1Ь^ока цен ■рами

♦ Скор Ю; 5 1И Щ-

> ► потока над цен грал/

бл01 ос 9' 1 1А

— 4 Скор ОСТИ вд< )ЛЬ

< > потока над цен грами

♦ С :кор 0СТ1бЯё1 ?с№; 8; 0 77

♦ > Скор м|а, цен грами

у ^ Скдр ИШФВД! хвдбцш 0 55

♦ ♦ Скор Ь[Йш.вд< Скор ОСТИ ВД( ОСТИ вд! эдда еть т грвМ^ 0 43-]-

♦ Скор ОСТ0|йф ЦИК 5;0

■ > , потока ттсггокет «аш тайме н "еДо Ш' 31

19 № о юка

Q= 60 мЗ/ч 0,016667 мЗ/с

0,001

t= 24,3 "С

Скорость в донных зазорах

V на подходе 0 м/с

V на выходе 1,3 м/с

Скорость в верхних зазорах над матом

№ блока V в зазоре, м/с

1 0,09

3 0,13

5 0,29

7 0,565

8 0,8

9 1,17

11 1,1

13 1,31

♦ :>асп скоросте

вдо. lb ПОТОКс в верхнк

ta япг 3; 1,31

♦ F аспрделе !ние скор ист

■ здоль пс; 'ока Щ&Яенш скоросте

э азор ах; 9 ib потока в верхнк

11 11_

odJUJJdA, L1, 1,1

♦ F аспрделе !ние скор осте й

здил Ь ПО' ■ока в вер хни>

и заао эа>с 8: 0.5 . с _4 _7_

™ X * J /

>

♦ F аспрделе iHne^ksop ост;е Й . 11 1 Ч

к 'ПУЗ D DQK • zf ±3

здол ь по Ur\a D DCj, хни> :-

зазор ах; 7 0,5( 5

— ♦ F аспрделе !ние скор осте 1

здоль по "ока в вер хних

3 азор ах; 5 ; 0,2 Э

• аспрделе !ние скор остей

F аспрдел( ;ние скор по- ока в вер 1ХНИХ

< > ЗДОЛЬ ПО' ока в вер УНИ1

зазор ах; 3 ; 0,1 i №6

зазор ах; 1 ; 0,0 Э гока

ц= 60 мЗ/ч 0,016667 мЗ/с

УЗГБМ-С Подтопленный режим

1=

0,001

1п на подходе 350,15 мм

1п на выходе 218,59 мм

V на подходе 0,09 м/с

V на выходе 0,26 м/с

Уровень свободной поверхности над устьями пьезометров

Скорости вдоль потока над центрами блоков на расстоянии 0,6 см от поверхности

№ блока 1п стат, мм V над блоком, м/с

1 269 0,08

2 258,16 0,035

3 219,43 0,18

4 183,71 0,24

5 154,8 0,3

6 120,47 0,42

7 90,39 0,58

8 61,49 0,77

9 42,07 1,29

10 38,68 1,38

11 6,48 1,28

12 76,38 0,96

13 116,2 1,06

1= 24,3° С

г\= 0,00135 м г2= 0 м

И1= 0,35015 м [\2= 0,21859 м

М\= 0,09 м/с 42= 0,26 м/с

0,352 м 0,222 м

1п\л/= 0,130 м

$1 = 314 ^2= 37,65

♦ Сн о П| )С т. в^ 1,0 Л1 э

1

• ► Ской вда № й|У §1) {И

;|ь

п эт в Кс ) 1 те ¡г т? 7 Я: р В ©нт

ь и и 'й 1 £ Г £ рай

4 д4 Ь а- Р 1С /-Ч 1 , /4(1 .

Г 77> оКхтп, са,

V :н ОРОСП 1 ВДОЛЬ

1 1 1 1

п а и 1 д А № ЯЙЛ

¡о л

ш Ш?1д Йт

п

1 7 ( . 11 о, 9 3

и 4 п. ■»г Т1 ▼ л ± Э Г р ♦ 1

£ Л Ч > 1 э 5- 1 ._с__

> п 01 о кг ^ 1 с Л 11 3| Р ал лк Г 45

> А ц 7 3 с |

6 Г\С ж 0 § ■/( 7~/ ► о ♦

Сн .0 01 )С Т1 /1 В £ 1С Л э

г

► п 1ад _ ц нт р ал м/

~4 > 1 ГКПП зс ■пбяом йв; 7 ■ ( V 5£

□ 1—1—||—1 II'

■ й пптока1 ЭСТИ-ВДО каднеш оал йЦ 1_

♦ Г Сип 1—

1 м бл^к Гов: 6 : 0. \2

№ ч гад цент Р. ал ЯП

> Сн ;о Р1 йаНзМЧ

3.

ГЕТТ Гстиш 1 й 37 Чч О К£ К 11 'аДвШ Л к _ вами гП > 1 г

^.Кир! 10 гао/ч-

п ш те Гй 5: 3: ( □

* этока ^ мшяш -1Т ш ян N о 6 п/ 1

► л . п <1 Ко г _ _ Г""

1И

ц= 60 мЗ/ч 0,016667 мЗ/с

0,001

1= 24,3° С

Скорость в донных зазорах

V на подходе 0 м/с

V на выходе 0,59 м/с

Скорость в верхних зазорах над матом

№ блока V в зазоре, м/с

1 0,07

3 0,17

5 0,34

7 0,63

8 0,84

9 1,1

11 0,82

13 0,5

Г)

♦ г аспрделе ние скорс стеи

| ■ ! ¡доль пот эка в вер) :них

п. л л

зазор ах, у, 1,1

1

Р аспюделе ние скорс стей

♦ Рас1 |рделени ? скоростс

¡диль МШ эка в вер: ;них вдс ль поток; в верхнр-

зазор; 1х; 8; 0,84 .1; 0,82

за зирал,

♦ Р ЗГПППОЛО ние скорс СТбЙ

и

■ • ! 1ДОЛЬ пот эка »йер) :ннкз ♦ 5 ♦ 7

з азор; 1х; 7; 0,63 Рас1 ? скоростс

'> \ |рделени

8 • ♦ 11 вд< 18 поток; 1 в верхнр-

13; 0,5

зазирал,

Р аспрделе ние скорс стеи

! ¡доль пот эка в вер) :них

.у г . п -) л

зазор IX, э, и,эЧ

♦ Р аспрделе ние скорс стей

> [ ¡доль пот ГТРЙ эка в вер) них

Р аспрделе ние скорс

ыезазор; !х; 3; 0,17

• • 1 !ДОЛЬ пот эка в вер> них _1 ^. _

зазор; 1х; 1; 0,07 № 6 ю ка

ц= 60 м3/ч 0,016667 м3/с ¡= 0,001

1п на подходе 294,52 мм

1п на выходе 34,55 мм

V на подходе 0,185 м/с

V на выходе 1,575 м/с

Уровень свободной поверхности над устьями пьезометров