методичка. Поляков методичка по оформлению. Программа для чтения pdfфайлов. Загл с этикетки диска
 Скачать 3.37 Mb.
|
|
двух процессов – технологического (трубопроводного транспорта нефти) и эко- номического (обеспечения требуемого значения коммерческого показате- ля). Следовательно, при проектировании МН необходимо решить следую- щие Задачи: - Задача № 1 – найти основные показатели МН (комбинации значений аргументов и параметров (1.1.3) функции проектной пропускной способно- сти (1.1.2), обеспечивающие выполнение условий (1.2.5)); - Задача № 2 – определить оптимальную комбинацию значений аргумен- тов и параметров (1.1.3) функции проектной пропускной способности, обес- печивающей выполнение условия (1.1.1) для установленного экономического (коммерческого) показателя – минимум капитальных вложений в строи- тельство МН, срок окупаемости, приведенные затраты и т.п. Сама приведенная выше нормативная формулировка устанавливает по- следовательность решения указанных Задач. Первой в рамках, прежде все- го, Технологического и Инженерного проектирования решается Задача № 1. Технологическое проектирование – определение оптимальных технологиче- ских решений объекта капитального строительства/реконструкции для вы- полнения процессов его строительства/реконструкции и эксплуатации с ми- нимальными показателями стоимости, продолжительности, трудоемкости. То есть, Технологическое проектирование определяет варианты комбинаций значений (1.1.3) и допустимые диапазоны их изменения (1.1.4). При Инже- нерном проектировании МН и его участки подразделяются на категории, требования к которым зависят от условий работы. Категория магистраль- ного трубопровода [участка магистрального трубопровода]– идентифи- катор, указывающий на принадлежность магистрального трубопровода 39 [участка магистрального трубопровода] к условной классификационной группе в зависимости от прочности, объема и метода неразрушающего кон- троля, величины давления при испытаниях. По [28] категория трубопрово- да (участка) – показатель, обозначающий для рассматриваемого трубопро- вода (участка) выполнение определенных условий по прочности. От катего- рии трубопровода зависит, в частности, объем неразрушающего контроля сварных соединений и величина испытательного давления – корректируются границы допустимых диапазонов. В общем случае решений Задачи № 1 – возможных комбинаций значе- ний аргументов и параметров (1.1.3) функции проектной пропускной способ- ности, обеспечивающих выполнение условий (2.1.5), – может и должно быть несколько [17]. Выбор конкретного решения Задачи № 1 определяется в рам- ках решения Задачи № 2 в соответствии с указанным набором и иерархией критериев принятия решения. Из вышесказанного следует продолжение (по сравнению с рис.№ 2.1.1) формирования технологической цепочки проектирования – последователь- ности действий и этапов проектирования и соответствующий им состав служб на стадиях проектирования и эксплуатации (рис.№ 2.2.1). Задание на проектирование – {Q,L, , } Технологическое проектирование – определение комбинации значений аргументов и параметров (1.1.3) функции проектной пропускной способности, обеспечивающие выполнение условий (2.1.5) Выбор и расчет экономического (коммерческого) показателя. Принятие решения – выбор оптимальной комбинации значений аргументов и параметров функции проектной пропускной способности Инженерные изыскания – {T,z(x)} Инженерное проектирование – разделение МН и его участков на категории 40 Рис.№ 2.2.1.Схема общей последовательности действий в технологии проектирования МН. Здесь необходимо отметить, что в соответствии с [19,20] проектирование идет именно в указанной на рис.№ 2.2.1 последовательности – сверху вниз. При этом оптимальной комбинацией считается та из найденных, при кото- рой обеспечивается минимум значения экономического показателя. В общем же случае Задание на проектирование может потребовать иной последовательности решения – проектирование под требуемое (заранее установленное) значение экономического (коммерческого) показателя. Например, поиск проекта, обеспечивающего заранее установленное значение стоимости проекта или срока окупаемости – первых двух указанных выше критериев. Тогда в соответствии с унифицированной постановкой техниче- ской задачи (1.1.1) (1.1.4) при заданном значении, например, проектной про- пускной способности Q необходимо сформулировать и решить задачу проек- тирования (1.1.1) (1.1.4) уже для принципиально другого основного опреде- ляющего количественного показателя. Пример решения задачи проектирова- ния (1.1.1) (1.1.4) для основного определяющего количественного показате- ля – минимума и максимума и, тем самым, для диапазона возможного изме- нения величины капитальных вложений в строительство МН – в приложении к конкретному МН приведен в [17]. В целом эта задача – определение диапа- зона возможного изменения величины капитальных вложений – может быть предметом отдельного исследования и конечно имеет хорошие перспективы практического применения. Согласно §1.1 в общем случае технологическая цепочка проектирования – системаэтапов проектирования, уровней принятия решения и управления (рис.№ 1.1.1). Нормируемый показатель для функции расхода (2.1.5) на соот- ветствующем этапе проектирования сам является функцией эффективности, требующий ее формирования (1.1.2) и выполнения условия (1.1.1). Пример проектирования под конкретный диапазон (минимально возможное значе- ние в данных условиях эксплуатации и для данной конструкции) изменения нормируемого показателя – напряжения материала стенки трубы – для кон- кретного объекта магистрального трубопровода – подводного перехода – приведен в [13]. В технологии проектирования трубопроводных систем возможны другие варианты показателя эффективности. Так, в приложении к трубопроводным системам, сконструированным в соответствии с требованиями стандарта [6], в качестве показателя эффективности предлагаются: - заданный уровень безопасности(target safety level) [6] – номинальная приемлемая вероятность отказа конструкции. Отказ(failure) [6] – собы- тие, происходящее с элементом или системой и вызывающее один или оба следующих эффекта: потеря элементом или системой своих функций или ухудшение работоспособности до степени существенного снижения безопас- ности установки, персонала или окружающей среды; 41 - оценка рисков. Риск(risk) [6] – качественная или количественная веро- ятность проявления случайного события, рассматриваемая в связи с потенци- альными последствиями отказа. Примечание – в количественном определе- нии риск – это дискретная вероятность определенного отказа, умноженная на его дискретные последствия; - метод проектирования по коэффициентам нагрузок и сопротивле- ния (LRFD) – расчет предельных состояний и частных коэффициентов безопасности. Предельное состояние(limit state) [6] – состояние, за преде- лами которого конструкция больше не может удовлетворять требованиям настоящего стандарта. Примечание – для трубопроводных систем имеют зна- чение следующие категории предельных состояний: SLS – предельное состояние по критерию пригодности к нормаль- ной эксплуатации; ULS – основное предельное состояние; FLS – предельное состояние по критерию усталостности; АLS – особое (чрезвычайное) предельное состояние; - конструктивная надежность (SRA). Надежность(reliability) [6] – вероятность того, что элемент или система будут исполнять требуемые функции без отказов при определенных условиях эксплуатации и обслужи- вания в течение указанного интервала времени. Использование в качестве показателя эффективности заданного уровня безопасности формализует: - в качестве функции эффективности S вероятность отказа Р; - условие (1.1.2) в виде Р Р max . (2.2.1) Следующий по иерархии [6] показатель требуемого результата (эффек- тивности) – оценка рисков – формализует в качестве функции эффективности S математическое ожидание М = р S F , (2.2.2) где р – вероятность события (отказа); S F – дискретные последствия отказа, например, величина вызванных отказом экономических потерь. Третий по иерархии [6] вариант – расчет предельных состояний – требу- ет формализации уже следующего шага унифицированной постановки тех- нической задачи – формирований условий (1.1.2) для функции эффективно- сти (вероятности отказа Р или риска М) и условия (1.1.4) для ее аргументов и параметров (1.1.3). Применение данного критерия требует математической конкретизации: - понятия технического состояния – номенклатуры нормируемых показа- телей и численной комбинации их значений (§1.1); - количественного показателя технического состояния – оцениваемого показателя x k (1.1.3); - понятия предельного состояния – формализации условий (1.1.2) и (1.1.4). 42 Четвертый вариант – конструктивная надежность (SRA) – в соответствии с приведенным в §1.1 определением надежности лишь подтверждает необхо- димость указанной математической конкретизации. При этом необходимо отметить, что согласно Иерархии нормативно- правовых актов РФ , представленной на рис.№ 1.2.1 в §1.2, нормативный до- кумент [6] выше документов [10,11,18,19,20,21,22,23,24,26,27,28,29]. Указанное отличие в показателях эффективности и критериях их оценки констатирует принципиальное нормативное отличие морского нефтепро- вода от МН, проложенного по суше. Изменение основного определяющего количественного показателя (1.1.1) требует изменения всей постановки задачи (1.1.1) (1.1.4) и, следова- тельно, изменения по сравнению с [19,20] последовательность действий в технологии проектирования. Это может и должно быть самостоятельной за- дачей, одновременно определяющей отличие той или иной технологии проектирования. В §1.1 отмечалось, что повышение и понижение уровня эффективности – изменение, в частности, диапазонов допустимого изменения нормируемого показателя (1.1.4). Изменение функциональной зависимости и, как следствие, номенклатуры нормируемых показателей определяет и разницу в направле- ниях совершенствования технологии проектирования. Так, для математиче- ского ожидания (2.2.2) изменение величины риска – изменение: - отдельно вероятности события (отказа) р; - отдельно дискретного последствия отказа S F ; - одновременно (комбинации) значений вероятности события (отказа) р и дискретного последствия отказа S F Из вышесказанного следует необходимость уточнения (§1.3) области проектирования – этапа проектирования (уровня решаемых задач – рис.№ 1.1.1) – МН, рассматриваемой в рамках данного курса: - в качестве основного определяющего количественного показателя S проектируемого МН устанавливаем проектную пропускную способность нефтепровода – не рассматриваем проектирование морского нефтепровода; - изучается Технологическое проектирование – определение комбинации значений аргументов и параметров (1.1.3) функции проектной пропускной способности, обеспечивающие выполнение условий (2.1.5). 2.3.Потеря энергии на преодоление сил вязкого сопротивления. Третий шаг Унифицированной постановки технической задачи. Идеаль- ная жидкость. Вязкая жидкость.Полное изменение напора. Касательное напряжение трения. Ньютоновские вязкие жидкости. Коэффициент динами- ческой вязкости. Вязкость нефти. Динамическая вязкость. Кинематическая вязкость. Расчетная вязкость нефти. Потеря напора на трение. Гидравлический уклон. Коэффициент гидравлического сопротивления. Число Рейнольдса. Ламинарный (струйный) режим движения. Формула Стокса. Переходный режим. Турбулентный режим. Диаметр условный. 43 Согласно сформулированной в §1.1 Унифицированной постановке тех- нической задачи третий шаг – формализация функции эффективности (1.1.2). Согласно §2.1 и §2.2 функция эффективности должна быть формали- зована для расхода (пропускной способности) нефтепровода. Формирование функции (2.1.5) для расхода – выбор механического про- цесса, который функция расхода математически формализует. Проанализи- руем механический процесс движения жидкости (нефти) по трубопроводу. Движение жидкости (нефти) по трубопроводу – перемещение массы нефти за единицу времени (2.1.2). Для движения по трубопроводу нефть должна обладать энергией. Достаточно ли для обеспечения условия (2.1.5) знать или задать величину энергии нефти только в начальном сечении трубо- провода? Идеальной жидкостью называется среда, в которой вектор напряжения n p (вектор сил взаимодействия) на любой площадке n ортогонален площад- ке, то есть, [25] n p n В этом случае компоненты тензора напряжения равны p ij = – p g ij , (2.3.1) где g ij – компоненты метрического тензора. Для идеальной жидкости удельная полная механическая энергия (пол- ный напор), несомая жидкостью, является постоянной вдоль элементарной струйки, то есть, выполняется уравнение Даниила Бернулли (1738 г.) Н = const. (2.3.2) Таким образом, если бы нефть была идеальной средой, то ее энергия остава- лась бы по длине трубопровода постоянной и, следовательно, не нужно было бы ее восполнять – не нужно было бы устанавливать по длине нефтепровода нефтеперекачивающие станции (НПС). Вязкой жидкостью называется среда, в которой компоненты тензора напряжений представляются в виде [25] p ij = – p g ij + ij , (2.3.3) где ij – касательная составляющая тензора напряжения. Для вязкой жидкости выполняется условие H const. (2.3.4) Из условия (2.3.4) следует, что в общем случае для движущейся по трубопро- воду вязкой жидкости напор в сечении трубопровода I не равен напору в се- чении II (рис.№ 2.3.1), то есть, H I H II . (2.3.5) Следовательно, возникает необходимость определения величины полно- го изменения напора по длине нефтепровода H = H I – H II . (2.3.6) Как следует из (2.3.1) и (2.3.3) отличие идеальной жидкости от вязкой определяется величиной касательного напряжения. Следовательно, необхо- димо конкретизировать касательное напряжение. 44 L w H I H II Рис.№ 2.3.1.Распределение напоров H I и H II по длине нефтепровода. Касательное напряжение (иногда называемое касательным напряже- нием трения) является следствием наличия трения между слоями нефти. Величина определяется как отношение силы трения между слоями нефти, разделенными площадкой, к площади этой площадки. Для многих нефтей, касательное напряжение пропорционально градиенту скоростей dy dw между слоями (в правой системе координат) = dy dw . (2.3.7) Жидкости, для которых справедлив закон (2.3.7) называется ньютоновскими вязкими жидкостями. Коэффициент пропорциональности в законе (2.3.7) называется коэффициентом динамической вязкости. Закон (2.3.7) одина- ков для всех вязких жидкостей, но входящий в него коэффициент различен для разных жидкостей. Именно он характеризует индивидуальное свойство жидкости, называемое вязкостью. Вязкость нефти – свойство нефти оказывать сопротивление относи- тельному перемещению ее слоев при действии внешних сил [24]. Динамиче- ская вязкость – коэффициент линейной зависимости между касательным напряжением в плоскостях соприкосновения слоев жидкости и производной от скорости течения по направлению нормали к этим плоскостям (коэффици- ент пропорциональности закона вязкого трения Ньютона) [24]. Кинематиче- ская вязкость – отношение динамической вязкости жидкости к ее плотно- сти [24] = . (2.3.8) Единица измерения кинематической вязкости в системе СГС – стокс [Ст] [2]. Стокс – единица кинематической вязкости, определяемой как отношение 45 динамической вязкости к плотности, равен 1 [см 2 с -1 ]. Стокс можно опреде- лить как вязкость жидкости, имеющей плотность 1 [г см -3 ] и оказывающей взаимному перемещению двух слоев жидкости площадью 1 [см 2 ], находя- щихся на расстоянии 1 [см] друг от друга и перемещающихся со скоростью 1 [см с -1 ], силу сопротивления 1 [дин]. Кратные единицы – 1 сантистокс [сСт] = 0.01 [Ст]. Перевод в единицы СИ: 1 [Ст] = 1 10 -4 [м 2 с -1 ]. Вязкость нефти значительно зависит от температуры и в меньшей степе- ни от давления, то есть, = (Т). Поэтому расчетная вязкость нефти – вязкость нефти, определяемая при расчетной температуре нефти [18]. При повышении температуры вязкость нефти уменьшается, при пониже- нии – увеличивается. Для расчета вязкости нефти используются различные формулы, например, формула Рейнольдса-Филонова (Т) = 0 0 k e , (2.3.9) где 0 – кинематическая вязкость нефти при температуре Т 0 ; k – опытный ко- эффициент, [К -1 ]. Пример № 2.3.1. Расчет опытного коэффициента k в формуле (2.3.9). Свойства перекачиваемой нефти: кинематическая вязкость при температуре Т 0 = 0 [ 0 С] 0 = 28 [сСт]; кинематическая вязкость при температуре Т 20 = 20 [ 0 С] 20 = 16 [сСт]. Из формулы (2.3.9) следует, что коэффициент k равен k = 0 20 20 0 ln = 0 20 16 28 ln = 0.028 [К -1 ]. Из формулы (2.3.9) и Примера № 2.3.1 следует необходимость указания в Задании на проектирование МН, как минимум, двух значений кинематиче- ской вязкости транспортируемой нефти при двух разных значениях темпера- туры. Пример № 2.3.2. Дополним приведенное в Примере № 2.1.1 Задание на проектирование МН заданием кинематической вязкости. При температуре 0 [ 0 С] кинематическая вязкость транспортируемой нефти 0 = 29 [сСт], при 20 [ 0 С] – 20 = 22 [сСт]. Значение опытного коэффициента k в формуле (2.3.9) найдем аналогич- но Примеру № 2.3.1 k = 0 20 20 0 ln = 0 20 22 29 ln = 0.01381 [К -1 ]. 46 Полученная в Примере № 2.1.1 Таблица № 2.1.3 должна быть дополнена. В Таблице № 2.3.1 приведены результаты расчета плотности и кинематиче- ской вязкости нефти по каждому месяцу. Таблица № 2.3.1. Значения плотности нефти и кинематической вязкости по каждому месяцу. № Месяц Плотность , Кинематическая [кг∙м -3 ] вязкость , [сСт] 1 Январь 853.87 26.99 2 Февраль 854.46 27.30 3 Март 854.80 27.49 4 Апрель 854.32 27.23 5 Май 850.86 25.43 6 Июнь 847.53 23.77 7 Июль 844.93 22.63 8 Август 843.67 22.07 9 Сентябрь 844.66 22.51 10 Октябрь 847.33 23.72 11 Ноябрь 850.37 25.19 12 Декабрь 853.68 26.36 Таким образом, потеря механической энергии за счет сил внутреннего трения слоев вязкой жидкости друг о друга – |