В работе предложен алгоритм выбора исходных параметров нефтепроводов для оценки напряженно-деформированного состояния под воздействием нестационарных процессов. Введен дополнительный критерий, позволяющий обеспечить целостность объекта при гидравлическом ударе. Представленные результаты свидетельствуют о влиянии группы факторов на выбор оптимальных технических характеристик трубопровода с различными эксплуатационными данными.
Принятие первичных технических решений на стадии проектирования промысловых трубопроводов (ТП) определяется условиями местоположения объекта, свойствами транспортируемой углеводородной среды, планируемых режимов перекачки с учетом определяющих термобарических условий и материала труб. При этом параметры надежности и долговечности, определяемые в соответствии с требованием действующих нормативно-технических документов (НТД) ГОСТ 55990-2014, СП 284.1325800.2016, СТО Газпром 2-2.1-383-2009 [1-3], не учитывают динамику изменения циклических нагрузок ТП. Эти нагрузки могут возникать вследствие развития нестационарных процессов, особенно на участках расположения сборных коллекторов, обеспечивающих подачу продукции скважин от выкидных линий до первичных установок подготовки.
Как показывает литературный анализ [4-9], не исключена кратковременная разница параметров фактических режимов эксплуатации от проектных, что определяет ряд неточностей в прогнозировании поведения сложных технических объектов, связанных с длительностью эксплуатационного ресурса. Указанное является важным критерием, который определяет безаварийную работу опасных производственных объектов, ранжируемых в соответствии с ФЗ-116 [10]. В связи с чем возникает необходимость разработки новых концептуальных подходов к проектированию ТП, подверженных при эксплуатации интенсивному влиянию пульсаций давлений. Эти процессы могут развиться по причине изменения реологических свойств нефти, фазовых переходов, скачков количественных параметров, связанных с уменьшением эффективного диаметра вследствие образования твердых отложений во внутренней полости коллектора. Работы, направленные на решение обозначенных проблем, актуальны, так как позволят внести некоторые изменения в проектную НТД.
Исходя из изложенного выше, целью данной работы является поиск оптимальных условий выбора геометрических параметров ТП с введением дополнительного критерия, учитывающего развитие нестационарных процессов и корректирующего нормативные прочностные требования для обеспечения условий безопасной эксплуатации.
В данной работе под нестационарными процессами принимаем явление гидравлического удара (ГУ), причиной которого является разрыв сплошности потока.
Для реализации указанной цели необходимо выполнить следующие задачи:
во-первых, разработать алгоритм выбора оптимальных геометрических характеристик ТП при возникновении и развитии нестационарных процессов;
во-вторых, сформировать базу данных, учитывающую изменения коэффициента запаса прочности разносортных ТП с переменными техническими параметрами для перекачки углеводородной среды разной плотности.
Современные подходы к проектированию в большей степени базируются на выборе оптимальных параметров труб. Полученные расчетные данные могут привести к условию выбора между двумя и более близлежащими типоразмерами внутреннего диаметра при обеспечении необходимой производительности ТП с учетом скорости потока среды. Отметим, что необходимо учесть возможные участки с зонами расслоения потока (развитие ручейковой коррозии) для минимизации вероятности возникновения и развития техногенных событий 1, 2, 3 уровней в соответствии с классификацией Ростехнадзора «Методические рекомендации по классификации техногенных событий в области промышленной безопасности на опасных производственных объектах нефтегазового комплекса» [11].
Специалисты проектирующей организации учитывают необходимость снижения металлоемкости проекта с соблюдением требований действующей НТД. С другой стороны, на наш взгляд, не всегда принятое решение оптимально в случае развития ГУ, так как может не обеспечивать устойчивость опасного участка, что будет показано далее.
Решение указанной проблемы может быть реализовано следующим образом. Проведем поиск областей смежных диаметров при условии постоянной или разной толщины стенки труб, с обеспечением устойчивости ТП при кратковременных интенсивных скачках давления путем введения дополнительного критерия ni – коэффициента запаса прочности при ГУ.
В качестве объекта исследования представим высоконапорный ТП (нефтесборный коллектор) с давлением в пределах 2,5-6 МПа с шагом 0,5 МПа. Плотность перекачиваемой среды принимаем 870, 920 и 1000 кг/м3. Выберем для материала труб стали 09Г2С и 13ХФА. Изменение производительности модельного ТП находится в пределах от 15 до 500 кг/с.
Технические характеристики коллектора могут быть преобразованы в параметры НДС при возникновении и развитии нестационарных процессов с помощью действующей документации и расчетных формул Н.Е. Жуковского. Алгоритм действий при выборе оптимальных геометрических характеристик трубопровода можно представить в виде блок-схемы. Отличительной особенностью приведенного алгоритма (рис. 1) от ГОСТ 55990-2014 [1] является введение коэффициента запаса прочности при ГУ ni, позволяющего учитывать влияния резких перепадов давлений, возникающих в процессе эксплуатации ТП. На стадии выбора диаметра и толщины стенки указанный коэффициент позволяет обеспечить устойчивую работу и недопустимость пластических деформаций и/или разрывов труб, на основании чего выбираем более надежный вариант.
Для реализации указанного алгоритма следует исходить из данных, представленных в таблице 1.
Результаты расчетов
На основе технических параметров, представленных выше, сформирована база данных для оценки НДС при возникновении и развитии нестационарных процессов и выбора оптимальных геометрических характеристик ТП, главным критерием безаварийной работы которого является коэффициент запаса прочности при ГУ ni.
Для достижения условия недопустимости пластических деформаций и/или разрывов труб значение данного коэффициента должно выполнять условие: ni > 1. Указанное определяет максимально возможное давление внутренней полости коллектора. Для приведенных типоразмеров ТП на рисунках 2-4 поле возникновения неустойчивого положения и деформации объекта исследования находится ниже красной линии и определяет область безопасной эксплуатации не более 5 МПа, при которой с развитием явлений ГУ система будет гарантировано устойчива и обеспечит безаварийный режим функционирования. Повышение производительности приводит далее к падению безопасного давления и у рассмотренных ТП составляет до 3 МПа.Для компенсации силы ГУ в алгоритме предложено увеличение толщины стенки трубы, если ни один из расчетных диаметров не удовлетворяет условиям прочности. Таким образом, при вариабельности эксплуатационного давления и требуемой производительности максимальное увеличение толщины стенки, зафиксированное в базе данных, равняется 3 мм. Стоит отметить, что увеличение толщины стенки на 1 мм приводит к росту коэффициента запаса прочности при ГУ на 5-30 % в зависимости от выбранного диаметра ТП: чем больше диаметр, тем меньше этот прирост.
Изменение плотности перекачиваемой среды р способствует незначительным изменениям коэффициента запаса прочности при развитии ГУ. При переходе р от 870 до 1000 кг/м3 наблюдался рост ni на 1-3 % в зависимости от диаметра ТП. Однако в выборке данных были зафиксированы случаи, когда изменение плотности способствовало увеличению толщины стенки ТП для обеспечения его устойчивости (рис. 2а).
Применение сталей с различными пределами текучести и прочности также влияет на изменение ni. При переходе от стали 09Г2С к 13ХФА наблюдался рост коэффициента на 2-4 % в зависимости от исходного диаметра ТП. Свойства продукции накладывают свои корректировки: использование сталей типа 13ХФА в некоторых случаях допустимо без дополнительного увеличения толщины стенки (рис. 4б), что указывает на индивидуальный подход к решению поставленной задачи.
Наблюдаются случаи, когда геометрические характеристики ТП близлежащих диаметров удовлетворяют условиям прочности. Тогда выбор оптимального диаметра основан на определении ТП с большим ni. Это объясняется тем, что в ходе эксплуатации толщина стенки трубы может уменьшаться из-за развития внутренней коррозии, и потребуется дополнительный запас на влияние нестационарных процессов.
Часть сформированной базы данных по выбору оптимального ТП можно представить в виде таблицы 2, где наиболее приемлемый, с точки зрения устойчивой работы, вариант выделен серым цветом.
Заключение
При выборе оптимального варианта ТП предложено введение дополнительного коэффициента запаса прочности 
, позволяющего повысить его устойчивость под действием нестационарных процессов, возникающих при перекачке среды с разными реологическими свойствами. Показан неоднозначный подход при обосновании требуемого диаметра и толщины стенки. Установлено, что типоразмер труб, позволяющий снижать металлоемкость проекта, не всегда может являться определяющим фактором. Для получения более полной информации также следует учитывать объемы формирующихся гидравлических потерь на заданном участке.
Литература
1. ГОСТ Р 55990-2014 Месторождения нефтяные и газонефтяные. Промысловые трубопроводы. Нормы проектирования. – Введ. 2014-12-01 / ООО "Газпром ВНИИГАЗ". М.: Стандартинформ, 2015.
2. СП 284.1325800.2016 Трубопроводы промысловые для нефти и газа. Правила проектирования и производства работ (с Изменением N 1). – Введ. 2017-06-17 / Российский государственный университет нефти и газа НИУ имени И. М. Губкина. М.: Стандартинформ, 2016.
3. СТО Газпром 2-2.1-383-2009 Нормы проектирования промысловых трубопроводов. – Введ. 2010-02-26 / ООО "Газпром ВНИИГАЗ". М.: ООО «Газпром экспо», 2009.
4. Байков И.Р. Определение оптимальных параметров промысловых трубопроводов / И.Р. Байков, Н.Р. Рязапов, С.В. Китаев // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2017. №4. – С. 23-28.
5. Шатило С.П. Обеспечение надежности промысловых трубопроводов на месторождениях Западной Сибири / С.П. Шатило, А.А. Садыков, В.С. Штенников // Территория Нефтегаз, 2009. №4. – С. 40-43.
6. Мамонтов А.А. Статистический анализ причин возникновения утечек на промысловых нефтепроводах / А.А. Мамонтов, М.А. Смычёк // Российско-китайский научный журнал «Содружество», 2018. №23. – С. 26-29.
7. Станев В.С. Расчет магистрального трубопровода в условиях гидроудара с учетом технического состояния / В.С. Станев, А.Г. Гумеров, К.М. Гумеров, Ш.И. Рахматуллин // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов, 2004. №63. – С. 24-31.
8. Арбузов Н.С. Сравнительный анализ использования предохранительного клапана и газового колпака в качестве систем защиты от гидроудара морского нефтеналивного терминала / Н.С. Арбузов // Территория Нефтегаз, 2014. №4. – С. 58-63.
9. Сверчков А.М. Верификация программного средства TOXI+Гидроудар для моделирования нестационарных процессов в трубопроводах / А.М. Сверчков, С.И. Сумской // Безопасность труда в промышленности, 2017. №10. – С. 5-10.
10. О промышленной безопасности опасных производственных объектов: федер. закон от 21.07.1997 № 116-ФЗ (ред. от 11.06.2021) // собрание законодательства РФ.1997. – № 30. – Ст. 3588.
11. Руководство по безопасности "Методические рекомендации по классификации техногенных событий в области промышленной безопасности на опасных производственных объектах нефтегазового комплекса" // Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. – 2018.
