Оценка экологических последствий утечек нефти из трубопровода терминала Варандей

Фаина Требух

Оценка экологических последствий утечек нефти из трубопровода терминала Варандей

В данной работе рассматривается проблема прогнозирования экологических последствий, которые могут возникнуть вследствие утечек нефти из трубопроводов, расположенных на морском дне. Излагаются основные положения математических моделей, которые описывают распространение капель нефти в водной среде и образование нефтяных сликов на поверхности моря. Оцениваются экологические последствия, связанные с вытеканием капель нефти из донного трубопровода. Эффективность моделей иллюстрируется результатами расчетов.

Охрана окружающей среды. Экология человека

Дипломы

Вуз: Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (СПбГМТУ)

ID: 60d07586e4dde50001565d9a

UUID: 5503ef20-b4b0-0139-336f-0242ac180005

Язык: Русский

Опубликовано: почти 3 года назад

Просмотры: 21

11.12

Фаина Требух

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (СПбГМТУ)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 2,3 МБ

Поделиться работой

МИНОБРНАУКИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» (СПбГМТУ) Допущен к защите Заведующий кафедрой (Вербицкий С.В.) (подпись) (ФИО) « » 2021г. Факультет Кораблестроения и океанотехники Кафедра Океанотехники и морских технологий Направление подготовки 26.03.02 Кораблестроение, океанотехника и (код, наименование) системотехника объектов морской инфраструктуры Профиль 26.03.02.03 Океанотехника (код, наименование) ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА На тему Оценка экологических последствий утечек нефти из трубопровода терминала Варандей ОБУЧАЮЩИЙСЯ Требух Ф.И. ( (Ф.И.О.) РУКОВОДИТЕЛЬ Гончаров В.К. Санкт-Петербург 2021 г. ) (подпись) ( )

МИНОБРНАУКИ РОССИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» (СПбГМТУ) УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой (Вербицкий С.В.) (подпись) « (ФИО) » 2021 г. Факультет Кораблестроения и океанотехники Кафедра Океанотехники и морских технологий Направление подготовки 26.03.02 Кораблестроение, океанотехника и (код, наименование) системотехника объектов морской инфраструктуры Профиль 26.03.02.03 Океанотехника (код, наименование) ЗАДАНИЕ на выпускную квалификационную работу Обучающийся Требух Фаина Ивановна Тема работы: Оценка экологических последствий утечек нефти из трубопровода терминала Варандей. Исходные данные Морской трубопровод длиной 22.6 км. Расчетная пропускная способность 4000 м3/ч. Содержание расчетно-пояснительной записки: 1. Анализ данных о возникновения и развития утечек нефти из морских трубопроводов и выбор расчетных моделей для оценки экологических последствий. 2. Экспериментальное исследование образования и всплытия капель нефти. 3. Сбор и анализ данных о нефтепроводе и гидрологических условиях в акватории. терминала «Варандей», исходные данные для расчетов. 4. Результаты расчетов распространения нефтяного загрязнения в водной массе и на поверхности моря. Перечень графического материала Графики с результатами расчетов Дата выдачи «08» февраля 2021 г. Принял задание к исполнению (подпись обучающегося) Дата представления работы на кафедру «07» июня 2021 г. Руководитель (подпись)

Аннотация Работа содержит: 49 страниц, 10 таблиц, 16 рисунков, 5 приложений. Ключевые слова: морской трубопровод, утечки нефти, экологические последствия, оценка размеров нефтяных капель, скорость всплытия капель. В данной работе рассматривается проблема прогнозирования экологических последствий, которые могут возникнуть вследствие утечек нефти из трубопроводов, расположенных на морском дне. Излагаются основные положения математических моделей, которые описывают распространение капель нефти в водной среде и образование нефтяных сликов на поверхности моря. Оцениваются экологические последствия, связанные с вытеканием капель нефти из донного трубопровода. Эффективность моделей иллюстрируется результатами расчетов.

Оглавление Принятые сокращения: ................................................................................................ 6 ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................... 7 1. ОПИСАНИЕ ТЕРМИНАЛА ВАРАНДЕЙ .............................................................. 9 2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МОДЕЛИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ УТЕЧЕК НЕФТИ .......................................................................................................................... 14 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ УТЕЧКИ НЕФТИ ИЗ МОРСКОГО ТРУБОПРОВОДА (MAECOLMP) ............................................................................................................... 18 4. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ УТЕЧКИ НЕФТИ ИЗ ТРУБОПРОВОДА С МОРСКОГО ДНА .................................................................. 22 4.1 Выбор вероятного положения отверстия на трубопроводе и его размера . 22 4.2 Расчет скорости утечки нефти из отверстия для выбранных размеров и положения .................................................................................................................. 23 4.3 Оценка вероятных средних размеров нефтяных капель для выбранного диаметра отверстия .................................................................................................. 24 4.4 Расчет границ шлейфа, составленного из капель нефти, и его ориентации в водном пространстве ............................................................................................. 27 4.5 Оценки размеров нефтяного загрязнения ....................................................... 27 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ ВСПЛЫТИЯ КАПЛИ ОТ ЕЕ РАЗМЕРА ОПЫТНЫМ ПУТЕМ ........................................................................ 30 5.1 Место и условия проведения работы ............................................................... 30 5.2 Схема установки.................................................................................................. 30 5.3 Таблицы измерений ............................................................................................ 31 5.4 Вычисление погрешности .................................................................................. 42 5.5 Зависимость размера капли нефти от диаметра отверстия ......................... 45 5.6 Зависимость скорости всплытия капли от ее размера .................................. 45 5.7 Вывод по лабораторной работе ......................................................................... 46 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................ 48 Список использованных источников ....................................................................... 49 Приложение А. Программа для расчета экологических последствий утечек нефти из донных трубопроводов. ................................................................................................. 51 Приложение Б. Программа для оценки размеров нефтяного загрязнения. ................ 57 4

Приложение В. Программа для расчета погрешности. Вычисление среднего арифметического значения скорости всплытия капли. ............................................... 61 Приложение Г. Расчет суммарной погрешности. ........................................................ 71 Приложение Д. Расчет относительной и абсолютной погрешностей. ........................ 72 5

Принятые сокращения: КЗ ПС – камера запуска поточных средств КП ПС – камера приёма поточных средств СМЛОП- Стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал БРП- береговой резервуарный парк 6

ВВЕДЕНИЕ Нефтяное загрязнение поверхности моря и береговой черты является наиболее опасным последствием разливов нефти вследствие аварий и различных повреждений при транспортировке добытой нефти с платформ к потребителям на побережье. Поэтому при проектировании сооружений для разработки шельфовых месторождений нефти требуется обязательно предварительная оценка воздействия на окружающую среду функционирования добывающей нефть техники, танкерного флота и трубопроводов. Крупномасштабные разливы нефти вследствие столкновения или посадки на мель танкеров достаточно хорошо исследованы теоретически и экспериментально, и к настоящему времени созданы и эффективно применяются для вышеупомянутых целей эффективные методы и различные компьютерные программы [1]. В то же время интенсивно развивается транспортировка нефти морскими донными трубопроводами, особенно в мелководных внутренних морях, таких как Печорское море и Северное море. Утечки нефти из донных нефтепроводов могут произойти вследствие появления коррозионных свищей в стенках труб, на дефектах производства или сварки, а также благодаря появлению повреждений: трещин или разрывов, вызванных действием нагрузок различных типов. Также представляют опасность ледовые нагрузки в замерзающих морях [2]. Такие утечки имеют малую интенсивность, а всплывающая на морскую поверхность нефть образует небольшие по размерам нефтяные пленки, которые невозможно обнаружить с платформы или с берега. Кроме того, свищи и микротрещины скрыты слоем воды, и их очень трудно обнаружить и ликвидировать. В зимнее время последствия утечек нефти скрываются ледовым покровом, которые впитывает нефть и сохраняет ее до таяния льдов. Вследствие длительного действия малые утечки нефти способны вызвать существенные экологические последствия в водной среде и на побережье, в частности, могут нанести ущерб рыбному хозяйству и зонам отдыха. 7

Для оценки экологических последствий утечек нефти из трубопровода Варандей, связывающего береговую и морскую части, необходимо выполнить следующие задачи: 1. Оценить размер вытекающих капель нефти из донного трубопровода; 2. Рассчитать скорость всплытия образовавшихся капель; 3. Провести гидравлический расчет трубопровода; 4. Оценить интенсивность утечки капель нефти; 5. Оценить распространение вытекающих капель в толщу водной среды; 6. Оценить развитие нефтяного слика и возможность его попадания на берег. Для достижения поставленных целей необходимо рассмотреть существующие модели возникновения и развития утечек нефти, выделить основные положения оценки экологических последствий утечек нефти из морского трубопровода, на основе которых произвести необходимые расчеты и представить их в графическом виде. А в завершение работы провести собственный эксперимент и опытным путем составить методику для определения зависимости скорости всплытия капели от ее размера и зависимости размера капли нефти от диаметра отверстия. 8

1. ОПИСАНИЕ ТЕРМИНАЛА ВАРАНДЕЙ Варандейский терминал – морской отгрузочный терминал – один из уникальнейших проектов, разработанный компанией Лукойл в Баренцевом море для транспортировки нефти с берегового резервуарного парка северным морским путем. Он является самым северным круглогодично действующим нефтяным терминалом в мире, как было отражено в книге рекордов Гиннесса. Адрес местонахождения: Объект находится в 7,5 км северо-восточнее поселка Варандей, и в 0,8 км от побережья Баренцева Координаты: Широта: 69.010226 Долгота: 57.624321 Рисунок 1.1 - Местоположение Варандейского терминала на картосхеме. Характеристики терминала: Тип: нефтяной Год ввода в эксплуатацию: 2008 9 моря.

Пропускная способность: 12 млн. тонн/год Емкость резервуарного парка: 325 тыс. м³ Максимальная осадка принимаемого судна: 14 м Максимальное водоизмещение (дедвейт) принимаемого судна: 70 тыс. тонн Тип причалов: ВПУ (выносные причальные устройства) Кол-во нефтеналивных причалов: 1 Период навигации: Круглогодично Вид входящего транспорта: трубопровод Направления поставки: Экспорт Состояние: идет отгрузка Основная задача – круглогодичная перевалка нефти, добываемой в ТиманоПечорской нефтегазоносной провинции [3]. Рабочие параметры транспортировки нефтепродукта: Рабочая температура, оС: от 10 до 55 Рабочее давление, МПа (кгс/см2): от 1,6 (16) до 7,0 (70) Терминал состоит из морской и береговой частей, соединенных подводным трубопроводом. Береговая часть включает в себя насосную станцию, резервуарный парк (БРП), объектов энергообеспечения. Морская часть включает стационарный морской отгрузочный причал (СМОП). Для бесперебойной отгрузки нефти имеются ледокол и буксир. 10

Рисунок 1.2 - Неполная схема генерального плана морского специализированного нефтеналивного порта Варандей. Характеристики трубы: Год постройки: 2008 Перекачиваемый продукт: нефть 11

Количество ниток: 2 Общая длина трубопровода: 22,6 км Диаметр трубопровода: Ø 820 мм Толщина стенки: надземный участок – 14,0 мм; подземный участок – 20,0 мм; подводный участок – 20,5 мм; Расчетное давление: 7.0 МПа (70 кгс/см2) Расчетная пропускная способность: 4000 м³/ч для каждой нитки Минимальный предел текучести (предел прочности при растяжении) материала труб Нефтепровода: 479 МПа (530 МПа) Марка стали: 10Г2ФБЮ[1] Рисунок – 1.3 Схема Нефтепровода БРП-СМЛОП 12

В целях безопасности терминала и из условий прочностных характеристик трубопровод заглублен более чем на 1,5 метров в грунт, что так же защищает его от повреждения ледяными торосами. Подземный участок трубопровода изолирован трехслойным наружным защитным полиэтиленовым покрытием со сплошным обетонированием [4]. Однако Варандейский нефтепровод, как и все трубопроводы, подвержен различным повреждениям. Утечки, вызванные коррозионными повреждениями трубопроводов и сварных швов, связаны с возникновением и постоянным ростом опасности для морской среды. В данной работе предстоит дать оценку последствиям таких утечек. 13

2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МОДЕЛИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ УТЕЧЕК НЕФТИ Проблема оперативного и достоверного обнаружения утечек нефти из нефтепроводов в настоящее время становится все более актуальной в связи с ужесточившимися экологическими требованиями. Интерес к добыче углеводородов на дне Мирового океана постоянно растет, что увеличивает опасность разлива нефтепродуктов в воду. В связи с этим существует необходимость в изучении моделей возникновения и развития утечек нефти. В последнее время всё чаще поднимается вопрос о необходимости анализа последствий небольших, но систематичных утечек нефти через свищи, которые неизбежно появляются. Для оценок интенсивности утечек нефти через свищи, образующиеся вследствие коррозии стенок трубопроводов, используются методы гидравлики для истечения жидкости при постоянном напоре из цилиндрического сопла в затопленное пространство. Такому подходу свойственна некоторая условность, которая связана с априорной известностью параметров свища как элемента трубопровода: его формы, поперечных и продольных размеров. Для упрощения задачи, завышая при этом оценку интенсивности утечек, свищ считается цилиндрическим, его длина принимается равной толщине стенки трубы, диаметр варьируется в некотором обоснованном практическим опытом диапазоне. На Рисунках 2.1 и 2.2 представлены зависимость обнаруживаемой интенсивности утечки нефти из морского трубопровода и диаметра капли нефти от диаметра отверстия, из которого происходит истечение. Это позволяет сделать вывод об увеличении интенсивности утечек нефти при увеличении диаметра отверстия. Перепад давления на свище определяется гидравлическим расчётом трубопровода, исходя из перепада давления на концах трубопровода, его размеров и шероховатости стенок, а также с учётом глубины расположения свища. Коэффициент истечения учитывает потери на входе и выходе из отверстия, которые выбираются по максимуму из имеющихся опытных данных, а также потери сопротивления при течении нефти по каналу свища (тем выше, чем меньше его диаметр). 14

𝑄ℎ = 𝜋𝑑ℎ2 4 𝑤ℎ = 𝜇 𝜋𝑑ℎ2 4 √ 2𝛥𝑝ℎ 𝜌о . (2.1) Интенсивность утечки нефти - Qh, диаметр отверстия – dh, коэффициент сопротивления - µ, плотность нефти - 𝜌о , перепад давления - ph, скорость всплытия капель - 𝑤ℎ Рисунок 2.1 – Математическая модель образования капель нефти при утечках из морских донных источников Диаметр капель нефти - ddr скорость течения нефти - wh плотность воды - 𝜌𝑤 5 𝑑𝑑𝑟 − Рисунок 2.2 – Математическая модель образования капель нефти при утечках из морских донных источников 15 6𝜎𝑤𝑝 𝑑ℎ 𝜌𝑤 −𝜌𝑜 3 2 𝑑𝑑𝑟 − 64 𝜌 𝜌𝑜 𝑤 −𝜌𝑜 𝑑ℎ4 𝑤ℎ2 = 0. (2.2)

Результаты расчёта утечек через свищи различных размеров в зависимости от их расположения на трубопроводе показаны на Рисунке 2.3. Трубопровод имеет длину 30 км и проложен с берега до глубины 25 м [5]. Рисунок 2.3 – Скорость утечки нефти из свища на морском трубопроводе в зависимости от размера свища и ее положения вдоль трубопровода. (Обозначения: 1 - dh = 0,5 мм; 2 - dh = 1,0 мм; 3 - dh = 1,5 мм; 4 - dh = 2,0 мм; 5 - dh = 2,5 мм). При истечении в водную среду из сравнительно небольшого отверстия струя нефти будет дробиться на отдельные капли. Так как нефть имеет высокую вязкость, спектр размеров капель будет относительно узким, а средний диаметр капель будет определяться балансом плавучести капли и поверхностного натяжения на грани отверстия. Скорость всплытия капель нефти зависит от их размеров (плавучести) и сопротивления движению, которое связано с формой капли. Исследования [6] показали, что капли нефти способны всплыть на поверхность моря с любых реальных морских глубин. Нефть является смесью углеводородов, среди которых имеются газы (метан, этан и др.), способные растворяться в морской воде. Однако капли нефти не растворяются со временем в воде и всегда всплывают на поверхность моря. Поэтому образование коррозионных свищей или трещин вследствие механических повреждений сопровождаются утечкой нефти, которая 16

способна загрязнять придонные водные массы и свободную поверхность, и в случае больших утечек вызвать загрязнение прилегающих береговых территорий.[7] Рассмотренные модели неразрывно связанны с моделью для оценки экологических последствий утечки нефти, положения которой будут использованы для Варандейского нефтепровода и рассмотрены в следующем разделе. 17

3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ УТЕЧКИ НЕФТИ ИЗ МОРСКОГО ТРУБОПРОВОДА (MAECOLMP) Модель основана на предположении, что утечка нефти из свища в стенке трубопровода на морском дне соответствует потоку отдельных нефтяных капель, которые всплывают вверх, создавая шлейф в водном пространстве. И после выхода нефтяных капель на море, на поверхности они образуют нефтяное пятно, которое имеет форму полосы, проходящей вдоль направления поверхностного течения. В зависимости от расстояния от свища до берега и скорости утечки нефти эта нефтяная полоса может достигать береговой линии или распространяться по морской поверхности. Основными параметрами, определяющими нефтяное загрязнение окружающей среды, являются следующие: размер слика нефтяных капель в водном пространстве, размер нефтяного пятна на поверхности моря и вынос сырой нефти на береговую линию, если он оторвется [8]. Согласно этому основанию модели, оценка экологических последствий утечки нефти из трубопровода с морского дна состоит из следующих этапов: 1. Выбор вероятного положения дефекта на трубопроводе и его размера (рекомендуется варьировать размер и положение свища вдоль трубопровода); 2. Расчет скорости утечки нефти из отверстия для выбранных размеров и положений; 3. Оценка вероятных средних размеров нефтяных капель для выбранного диаметра отверстия; 4. Расчет границ слика, образовавшегося из капель нефти, и его ориентации в водном пространстве; 5. Расчет ширины и протяженности нефтяного пятна на поверхности моря для выбранного положения отверстия; 6. Оценка объемов нефти, которые могут быть вынесены на береговую линию в каждом конкретном случае, и выявление наиболее опасного варианта аварии. 18

Оценка скорости утечки нефти начинается с расчета режима течения сырой нефти внутри трубопровода известными методами гидравлики. Необходимо определить перепад давления между потоком нефти в трубопроводе и водным пространством. Затем можно оценить скорость утечки из коррозионного свища, который рассматривается как цилиндрическая труба, длина которой равна толщине стенки трубы, диаметр варьируется в некоторых практически возможных диапазонах размеров. Средние размеры масляных капель определяются балансом плавучести капли и поверхностного натяжения на краю отверстия. Конфигурация пространства выхода на поверхность моря шлейфа, состоящего из капель нефти, определяется соотношением между скоростью течения и скоростью всплытия капли нефти. Можно оценить текущую скорость как сумму дрейфа ветра, скорости прилива и других составляющих. Скорость всплытия нефтяной капли можно оценить по следующей формуле, основанной на аппроксимации экспериментальных данных [9]: 𝑤𝑜 = 1.22 [ 𝜌𝑤 −𝜌𝑜 𝜌𝑤 𝑔] 0.50 𝑑𝑜0.50 (3.1) Где, g - ускорение свободного падения. 𝑑𝑜 – диаметр капель нефти, 𝜌𝑤 – плотность воды, 𝜌𝑜 – плотность нефти. Данная формула верна для капель нефти диаметром более 2 мм. Для расчета границ слика, образующегося из капель нефти, предполагается, что все капли имеют одинаковый диаметр и их растекание в толще воды происходит за счет турбулентной диффузии, поэтому концентрация нефти в воде определяется решением полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии: 19

 ( z − wo x / V )2V   y 2 V   co ( x, r , z ) =  exp  −    exp  − 4 Kz x 4 Kl K z x    4 Kl x   Qh  + exp  −  (3.2) ( z + wo x / V ) V    4 Kz x   2 Для описания области концентрации нефти в водном пространстве у поверхности моря необходимо использовать решение этого же уравнения с граничным условием “absorbing” капель нефти после выхода на поверхность моря (капли нефти имеют положительную плавучесть, не тонут, а остаются на поверхности моря): 2  y 2 V    ( z − wo x / V ) V  co ( x, r , z ) =  exp −    exp − 4 Kz x 4 Kl K z x   4 Kl x    Qh  ( 2 H 0 − z − wo x / V )2V   − exp  −  4 Kz x    (3.3) Где, co - концентрация нефти; Kl и Kz - коэффициенты турбулентной диффузии в горизонтальном и вертикальном направлении соответственно; H0 - глубина воды в месте утечки масла; V - текущая скорость. Чтобы оценить размер пятна, образующегося на поверхности моря, необходимо определить количество нефти, поступающей на поверхность моря Qh - поток нефти путем интегрирования формулы (3.2) от z = H0 до z = . Предполагается, что после плавания на поверхности моря капли нефти стекают и образуют пленку - пятно. Нефтяное пятно на поверхности моря будет иметь вид вытянутой по ветру извилистой полосы, которая в месте соприкосновения хвоста шлейфа, состоящего из нефтяных капель, с поверхностью имеет следующую ширину: Bs = 4 K l H 0  Qh ln  wo  4 c sl V 20 wo    K l H 0  (3.4)

Где csl - величина поверхностной концентрации масла, связанная с минимальной толщиной устойчивой масляной пленки. Дальнейшее развитие нефтяного пятна - изменение ширины и толщины можно оценить с помощью известных формул распространения нефтяного пятна на поверхности моря. Во время дрейфа нефтяного пятна на поверхности моря оно будет разорвано ветровыми волнами, а образовавшиеся капли нефти будут разноситься турбулентностью в водном пространстве. В данной модели этот процесс характеризуется одним интегральным параметром - удельным периодом T1/2, когда половина объема нефти, которая дрейфует на поверхности, рассеивается в подстилающей толще воды [10]. Следовательно, ветровое течение будет уносить меньшее количество нефти к береговой линии. Скорость переноса нефти можно оценить по следующей формуле:  ln 2  H 0 L  Qsh = Qh exp − +   T1 / 2  w p wwd Sin wd     (3.5) Где, L - кратчайшее расстояние от положения отверстия до береговой линии; wwd - скорость ветра; φws - угол между направлением ветра и береговой линией. 21

4. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ УТЕЧКИ НЕФТИ ИЗ ТРУБОПРОВОДА С МОРСКОГО ДНА На основании раздела данной работы «Описание терминала Варандей» выбраны следующие входные данные для оценки экологических последствия: 1)Параметры трубопровода: длина L = 22 м, внутренний диаметр dt = 0,82 м, толщина стенки трубы t = 20 мм, давление на входе в трубопровод P = 7 МПа, глубина трубопровода H = 17 м, расход нефти в трубопроводе Q = 4000 м3 / ч; 2) Условия окружающей среды: скорость ветра W = 6 м / с направление ветра относительно трубопровода θ = 215 °, средняя скорость постоянного течения U = 0,1 м / с; 3) Свойства нефти и морской воды: плотность нефти ρo = 910 кг / м3, кинематическая вязкость нефти γo = 1,053 ·10-5 м2 / с коэффициент поверхностного натяжения σo = 200 мкН / см; плотность воды ρw = 1028 кг / м3 кинематическая вязкость воды γw = 1,7 ·10-6 м2 / с 4.1 Выбор вероятного положения отверстия на трубопроводе и его размера Выберем положение свища на трубопроводе: • расстояние от начала трубопровода 11 км; 22

• диаметры отверстий: d1=1 мм, d2=2 мм, d3=3 мм, d4=4 мм. На Рисунке 4.1 показан профиль подводного нефтепровода «Терминал «Варандей»» и показано место вероятного повреждения. Для удобного решения поставленной задачи упростим профиль нефтепровода. Место повреждения (обозначено буквой М) выбрано на расстоянии 11 000 м от начала трубопровода, на глубине 11,3 м. Рисунок 4.1 – Упрощенный профиль подводного нефтепровода. 4.2 Расчет скорости утечки нефти из отверстия для выбранных размеров и положения Используя общую формулу для потерь напора по трубопроводу (4.1) - формула Дарси – Вейсбаха, можем получить давление на выходе трубопровода - давление в начале минус потери на трения и минус высота нефтяного столба от начала до конца трубопровода. ℎ𝑙𝑛𝑔 = 𝜆 𝐿 𝑉𝑝2 (4.1) 𝑑𝑡 2𝑔 где, 𝜆- коэффициент Дарси, рассчитанный по формуле Блазиуса; 𝑔 – ускорение свободного падения; 𝑉𝑝 – скорость потока нефти в трубе, которая рассчитывается по формуле (4.2). 23

𝑉𝑝 = 4 𝑄 (4.2) 𝜋∗3600∗𝑑𝑡 2 В Приложении А производится подробные расчеты данного раздела в приложение Mathcad «Программа для расчета экологических последствий утечек нефти из донных трубопроводов». Исходя из расчетов получаем, что потери напора составили 0.095м, скорость потока нефти в трубе 2.1 м/с, давление на выходе равно 5.444 МПа, потери давления составили 1.556 МПа. Расчет количества нефти (по формуле 2.1), вытекающего за сутки из отверстий в зависимости от выбранных в п. 4.1 диаметров, представлен на Рисунке 4.2. Расход нефти находится в диапазоне от 1 м3/день до 17.2 м3/день. Рисунок 4.2 – Расход сырой нефти из отверстия в зависимости от диаметра свища. 4.3 Оценка вероятных средних размеров нефтяных капель для выбранного диаметра отверстия Образование капель нефти в водном пространстве при истечении их из небольшого отверстия происходит, когда плавучесть капли превышает поверхностное натяжение, удерживающее каплю на краю отверстия [11]. Это условие определяет следующее уравнение: 𝜋 𝜋𝜎𝑝 𝑑𝑛 = (𝜌𝑤 − 𝜌о )𝑑о 3 . 6 24 (4.4)

где, 𝑑𝑛 - диаметр отверстия 𝑑о – диаметр капли нефти Преобразовав это уравнение, получаем формулу для определения диаметра образовавшейся капли нефти: 3 6𝜎𝑝 𝑑𝑛 𝑑о = √ 𝜌 𝑤 −𝜌о . (4.5) По графику (Рисунок 4.3) видим зависимость диаметра капель нефти от диаметра отверстия, из которого она истекает и можем сделать вывод: чем больше отверстие, тем больше диаметр капель вытекающей нефти и большее количество капель вытечет за определенное время из этого отверстия (по рисунок 4.4). Рисунок 4.3 – График зависимости диаметра капель нефти от диаметра отверстия 25

Рисунок 4.4 – График, показывающий какое количество капель нефти вытечет из отверстия заданного диаметра за 1 секунду. Оценивая средний диаметр капель нефти, образовавшихся в результате утечки из свища, в зависимости от выбранных диаметров, можно сказать, что из-за нефти, которая имеет относительно высокую вязкость, спектр размеров капель будет достаточно узким. Средний диаметр нефтяных капель определяется балансом плавучести капли и межфазным натяжением на краю отверстия [12]. Исходя из расчетов получаем, что диаметр капель нефти (формула 4.4) находится в диапазоне от 5.2 мм до 8.2 мм, а скорость всплытия, используя формулу (3.1), от 0.069 м/с до 0.083 м/с (представлено на рисунке 4.5). Рисунок 4.5 – График зависимости скорости всплытия капель от их размеров. 26

4.4 Расчет границ шлейфа, составленного из капель нефти, и его ориентации в водном пространстве На Рисунке 4.6 представлен график поперечного разреза нефтяного слика на расстоянии от свища, для получения данного результата используется формула (3.3). Такой слик может возникать от отверстия диаметром 4 мм, на расстоянии 11км от начала трубопровода (место его повреждения). Рисунок 4.6 - Вид сверху на шлейф, составленный из капель нефти (ось абсцисс совпадает с положением трубопровода в горизонтальной плоскости) 4.5 Оценки размеров нефтяного загрязнения С помощью программы, представленной в Приложении А, получили расход нефти, который составил 17.2 м3/день при вытекании капель из отверстия диаметром 4 мм. Для теоретической оценки размеров нефтяного пятна необходимо выбрать время, в течение которого нефть будет вытекать из свища и образовывать слик. Предположим, что нефть вытекает из отверстия 150 дней, тогда объем этой жидкости за данный промежуток времени составит 2580 м3/день. 27

Чтобы оценить экологические последствия утечек нефти из трубопровода терминала «Варандей», нужно найти: • максимальную площадь слика нефти; • объем нефти, вынесенной на берег; • протяженность загрязненного берега. Эти результаты можно найти с помощью программы, написанной для курса «Техногенные загрязнения и их распространения» [13]. В Приложении Б произведен подробный расчет необходимых для оценки параметров: максимальная площадь слика составила 5.233 км2, объем нефти, вынесенной на берег равен 28.104 м3, а протяженность загрязненного берега 7.307 км. На графике поперечного разреза нефтяного слика (Рисунок 4.6) xfw – координата точки соприкосновения нефтяного слика с морской поверхностью. Эту точку используем как центр образования нефтяного пятна на поверхности моря. Отметим на схеме, используемой в первом разделе, плана морского нефтеналивного порта Варандей (Рисунок 1.2) найденные в Приложение Б параметры, что поможет наглядно оценить экологические последствия утечек нефти из Варандейского трубопровода. 28

Рисунок 4.7 – Схема плана морского нефтеналивного порта Варандей с обозначением места повреждения трубопровода, площадью слика и протяженности загрязнения берега. 29

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ ВСПЛЫТИЯ КАПЛИ ОТ ЕЕ РАЗМЕРА ОПЫТНЫМ ПУТЕМ Цель работы: определение коэффициента поверхностного натяжения, определение зависимости скорости всплытия капли от ее размера и определение зависимости размера капли нефти от диаметра отверстия. 5.1 Место и условия проведения работы Место проведения работы: СПбГМТУ, лаборатория «Исследования свойств льда и ледостойких сооружений» Для исследования использовался аквариум размером 49х29х40 см, заполненный пресной / соленой водой до высоты 32 см. Температура воды (tв) изменялась в диапазоне от 15 °С до 25 °С. Соленость (S) менялась от 0 ‰ до 35 ‰. В трубку вводилась разбавленная нефть плотностью ρн=820 кг/м³. Плотность воды (ρв) изменялась в диапазоне от 1012 кг/м³ до 1033 кг/м³. 5.2 Схема установки Рисунок 5.2 – Схема лабораторной установки 30

1 – Аквариум 2 – Линейка 3 – Инструмент для введения жидкости с использованием поршневого давления 4 – Трубка 5 – Съемная насадка цилиндрической формы известного диаметра 6 – Секундомер 5.3 Таблицы измерений Эксперимент №1 (Таблица 1): Насадка цилиндрической формы диаметром dотв1=2 мм; объем вливаемой жидкости V1=5мл; температура воды tв = 25 °С; соленость S=0 ‰, ρ=1012 кг/м³. Таблица 1 – Результаты измерений №1 № Диаметр капли, мм Время всплытия, с 1 5,5 2,73 2 6 2,4 3 6 2,68 4 5,5 2,61 5 6 2,35 6 5,5 2,45 7 6 2,37 8 5,5 2,45 9 6 2,46 10 6 2,37 Количество образовавшихся капель из данного объема жидкости N=37. 31

Средний диаметр капель данного измерения 𝑑̅ = 5.8 мм =0.0058 м. Используя формулу (3.1), получаем скорость всплытия капли нефти: 𝑤1 = 1.22 [ 1012−820 1012 0.50 9.81] 0.00580.50 = 0,127 м/с Задача эксперимента – подсчет количества капель N, образовавшихся из контролируемого объема жидкости Vn, вытекающего из трубки определенного диаметра 𝑑𝑛 в воду, и всплывающих на поверхность. Расчётная формула для определения коэффициента поверхностного натяжения 𝜎𝑝 имеет вид: 𝑉𝑛 𝜎𝑝 = (𝜌𝑤 − 𝜌о ) 𝜋𝑁𝑑отв (5.1) Подставляем в формулу получившиеся значения измерения №1: 𝜎𝑝 = (1012 − 820) 5 ∗ 10−6 = 0,0041 кг/м 𝜋 ∗ 37 ∗ 2 ∗ 10−3 Теперь воспользуемся формулой (4.5) для определения диаметра капли нефти и проверки результатов: 3 𝑑о𝑛 = √ 3 𝑑о1 = √ 6𝜎𝑝 𝑑отв 𝜌𝑤 − 𝜌о 6 ∗ 0.0044 ∗ 2 ∗ 10−3 = 6,3мм 1012 − 820 Эксперимент №2 (Таблица 2): Насадка цилиндрической формы диаметром d отв2=2 мм; объем вливаемой жидкости V2=10мл; температура воды tв = 25 °С; соленость S=0 ‰, ρ=1012 кг/м³. 32

Таблица 2– Результаты измерений №2 № Диаметр капли, мм Время всплытия, с 1 6,5 2,69 2 5,5 2,62 3 6 2,44 4 6 2,51 5 6 2,35 6 6 2,42 7 6 2,52 8 5,5 2,45 9 5,5 2,57 10 6 2,30 Количество образовавшихся капель из данного объема жидкости N=74. Средний диаметр капель данного измерения 𝑑̅ = 5.9 мм =0.0059 м. Скорость всплытия капли нефти: 𝑤2 = 1.22 [ 1012−820 1012 9.81] 0.50 0.00590.50 = 0,128 м/с Определяем коэффициент поверхностного натяжения для измерения №2 по формуле (5.1): 10−5 𝜎𝑝 = (1012 − 820) = 0,0041 кг/м 𝜋 ∗ 74 ∗ 2 ∗ 10−3 Диаметр капли нефти по формуле (4.5) теоретически должен быть равен: 3 𝑑о2 = √ 6 ∗ 0.0041 ∗ 2 ∗ 10−3 = 6,4мм 1012 − 820 33

Эксперимент №3 (Таблица 3): Насадка цилиндрической формы диаметром d отв3=4 мм; объем вливаемой жидкости V3=5мл; температура воды tв = 25 °С; соленость S=0 ‰, ρ=1012 кг/м³. Таблица 3 – Результаты измерений №3 № Диаметр капли, мм Время всплытия, с 1 6,5 2,39 2 6,5 2,43 3 7 2,42 4 6,5 2,26 5 6,5 2,23 6 7 2,29 7 6,5 2,32 8 7 2,35 9 6,5 2,24 10 6,5 2,28 Количество образовавшихся капель из данного объема жидкости N=28. Средний диаметр капель данного измерения 𝑑̅ = 6,65 мм =0.00665 м. Скорость всплытия капли нефти: 𝑤3 = 1.22 [ 1012−820 1012 9.81] 0.50 0.006650.50 = 0,136 м/с Определяем коэффициент поверхностного натяжения для измерения №3 по формуле (5.1): 5 ∗ 10−6 𝜎𝑝 = (1012 − 820) = 0,0027 кг/м 𝜋 ∗ 28 ∗ 4 ∗ 10−3 Диаметр капли нефти по формуле (4.5) теоретически должен быть равен: 34

3 𝑑о3 = √ 6 ∗ 0.0027 ∗ 4 ∗ 10−3 = 7мм 1012 − 820 Эксперимент №4 (Таблица 4): Насадка цилиндрической формы диаметром d отв4=4 мм; объем вливаемой жидкости V4=10мл; температура воды tв = 25 °С; соленость S=0 ‰, ρ=1012 кг/м³. Таблица 4 – Результаты измерений №4 № Диаметр капли, мм Время всплытия, с 1 7,5 2,37 2 7 2,50 3 6,5 2,44 4 6,5 2,45 5 7 2,17 6 6,5 2,24 7 7 2,43 8 7 2,32 9 6,5 2,41 10 7 2,27 Количество образовавшихся капель из данного объема жидкости N=55. Средний диаметр капель данного измерения 𝑑̅ = 6,85 мм =0.00685 м. Скорость всплытия капли нефти: 𝑤4 = 1.22 [ 1012−820 1012 9.81] 0.50 0.006850.50 = 0,138 м/с Определяем коэффициент поверхностного натяжения для измерения №4 по формуле (5.1): 35

10−5 𝜎𝑝 = (1012 − 820) = 0,0025 кг/м 𝜋 ∗ 55 ∗ 4 ∗ 10−3 Диаметр капли нефти по формуле (4.5) теоретически должен быть равен: 3 𝑑о4 = √ 6 ∗ 0.0028 ∗ 4 ∗ 10−3 = 7мм 1012 − 820 Эксперимент №5 (Таблица 5): Насадка цилиндрической формы диаметром d отв5=1 мм; объем вливаемой жидкости V5=5мл; температура воды tв = 25 °С; соленость S=0 ‰, ρ=1012 кг/м³. Таблица 5 – Результаты измерений №5 № Диаметр капли, мм Время всплытия, с 1 5,5 2,38 2 5 2,63 3 5 2,44 4 5,5 2,38 5 5 2,25 6 5 2,59 7 5 2,30 8 5 2,32 9 5,5 2,25 10 5 2,32 Количество образовавшихся капель из данного объема жидкости N=45. Средний диаметр капель данного измерения 𝑑̅ = 5,15 мм =0.00515 м. Скорость всплытия капли нефти: 36

𝑤5 = 1.22 [ 1012−820 1012 9.81] 0.50 0.005150.50 = 0,119 м/с Определяем коэффициент поверхностного натяжения для измерения №5 по формуле (5.1): 5 ∗ 10−6 𝜎𝑝 = (1012 − 820) = 0,0068 кг/м 𝜋 ∗ 45 ∗ 1 ∗ 10−3 Диаметр капли нефти по формуле (4.5) теоретически должен быть равен: 3 𝑑о5 = √ 6 ∗ 0.0068 ∗ 1 ∗ 10−3 = 6мм 1012 − 820 Эксперимент №6 (Таблица 6): Насадка цилиндрической формы диаметром d отв6=6 мм; объем вливаемой жидкости V6=5мл; температура воды tв = 22 °С; соленость S=0 ‰, ρ=1012 кг/м³. Таблица 6 – Результаты измерений №6 № Диаметр капли, мм Время всплытия, с 1 10 2,50 2 8 2,27 3 7 2,20 4 7 2,21 5 7,5 2,42 6 8 2,18 7 7,5 2,24 8 6 2,40 9 7,5 2,07 10 8,5 2,14 Количество образовавшихся капель из данного объема жидкости N=21. Средний диаметр капель данного измерения 𝑑̅ = 7,7 мм =0.0077 м. 37

Скорость всплытия капли нефти: 𝑤6 = 1.22 [ 1012−820 1012 9.81] 0.50 0.00770.50 = 0,146 м/с Определяем коэффициент поверхностного натяжения для измерения №6 по формуле (5.1): 5 ∗ 10−6 𝜎𝑝 = (1012 − 820) = 0,0024 кг/м 𝜋 ∗ 21 ∗ 6 ∗ 10−3 Диаметр капли нефти по формуле (4.5) теоретически должен быть равен: 3 𝑑о6 = √ 6 ∗ 0.0024 ∗ 6 ∗ 10−3 = 7.7мм 1012 − 820 Эксперимент №7 (Таблица 7): Насадка цилиндрической формы диаметром d отв7=4 мм; объем вливаемой жидкости V7=5мл; температура воды tв = 15 °С; соленость S=0 ‰, ρ=1012 кг/м³. Таблица 7 – Результаты измерений №7 № Диаметр капли, мм Время всплытия, с 1 6 2,32 2 5,5 2,45 3 6 2,38 4 6 2,11 5 5,5 2,72 6 6 2,32 7 4,5 2,75 8 6 2,57 9 6 2,20 10 6 2,41 38

Количество образовавшихся капель из данного объема жидкости N=42. Средний диаметр капель данного измерения 𝑑̅ = 5,75 мм =0.00575 м. Скорость всплытия капли нефти: 𝑤7 = 1.22 [ 1012−820 1012 9.81] 0.50 0.005750.50 = 0,126 м/с Определяем коэффициент поверхностного натяжения для измерения №7 по формуле (5.1): 5 ∗ 10−6 𝜎𝑝 = (1012 − 820) = 0,0018 кг/м 𝜋 ∗ 42 ∗ 4 ∗ 10−3 Диаметр капли нефти по формуле (4.5) теоретически должен быть равен: 6 ∗ 0.0018 ∗ 4 ∗ 10−3 = √ = 6,1мм 1012 − 820 3 𝑑о7 Эксперимент №8 (Таблица 8): Насадка цилиндрической формы диаметром d отв8=4 мм; объем вливаемой жидкости V8=5мл; температура воды tв = 15 °С; соленость S=35 ‰, ρ=1033 кг/м³. Таблица 8 – Результаты измерений №8 № Диаметр капли, мм Время всплытия, с 1 6 2,39 2 5,5 2,46 3 6 2,25 4 6 2,26 5 6,5 2,78 6 6 2,26 7 6,5 2,06 8 6 2,34 39

Продолжение таблицы 8 № Диаметр капли, мм Время всплытия, с 9 6,5 2,11 10 6 2,27 Количество образовавшихся капель из данного объема жидкости N=44. Средний диаметр капель данного измерения 𝑑̅ = 6,1 мм =0.0061 м. Скорость всплытия капли нефти: 𝑤8 = 1.22 [ 1033−820 1033 9.81] 0.50 0.00610.50 = 0,135 м/с Определяем коэффициент поверхностного натяжения для измерения №8 по формуле (5.1): 5 ∗ 10−6 𝜎𝑝 = (1012 − 820) = 0,0017 кг/м 𝜋 ∗ 44 ∗ 4 ∗ 10−3 Диаметр капли нефти по формуле (4.5) теоретически должен быть равен: 6 ∗ 0.0017 ∗ 4 ∗ 10−3 = √ = 5.8мм 1033 − 820 3 𝑑о8 Эксперимент №9 (Таблица 9): Насадка цилиндрической формы диаметром d отв9=4 мм; объем вливаемой жидкости V9=5мл; температура воды tв = 15 °С; соленость S=20 ‰, ρ=1019 кг/м³. Таблица 9 – Результаты измерений №9 № Диаметр капли, мм Время всплытия, с 1 6,5 2,33 40

Продолжение таблицы 9 № Диаметр капли, мм Время всплытия, с 2 6,5 2,32 3 6 2,27 4 6 2,44 5 6 2,39 6 6,5 2,30 7 6,5 2,39 8 6 2,42 9 6 2,38 10 6 2,33 Количество образовавшихся капель из данного объема жидкости N=41. Средний диаметр капель данного измерения 𝑑̅ = 6,2 мм =0.0062 м. Скорость всплытия капли нефти: 𝑤9 = 1.22 [ 1019−820 1019 9.81] 0.50 0.00620.50 = 0,132 м/с Определяем коэффициент поверхностного натяжения для измерения №9 по формуле (5.1): 𝜎𝑝 = (1012 − 820) 5 ∗ 10−6 = 0,0019 кг/м 𝜋 ∗ 41 ∗ 4 ∗ 10−3 Диаметр капли нефти по формуле (4.5) теоретически должен быть равен: 3 𝑑о9 = √ 6 ∗ 0.0019 ∗ 4 ∗ 10−3 = 6.1мм 1019 − 820 41

5.4 Вычисление погрешности Для того чтобы определить величины случайных погрешностей необходимо найти математическое ожидание. В качестве математического ожидания при многократных измерениях параметра выступает среднее арифметическое значение 𝑑̅ [14]. 1 𝑀𝐷 ≈ 𝑑̄ = ∑𝑛𝑖=1 𝑑𝑖 𝑛 (5.2) где, 𝑛 – число измерений 𝑑𝑖 – диаметр капель i-го измерения. Далее находим среднее квадратическое отклонение [15]: 𝜎𝑑̄ = √ ̄ 2 ∑𝑛 𝑖=1(𝑑𝑖 −𝑑 ) 𝑛(𝑛−1) (5.3) При ограниченном числе измерений n вводят коэффициент Стьюдента tp, определяемый по специальным таблицам в зависимости от числа измерений и принятой доверительной вероятности Р. Средний результат измерений находится с заданной вероятностью Р в интервале: 𝑑 = 𝑑̄ ± 𝑡𝑝 ⋅ 𝜎𝑑 ⁄√𝑛 (5.4) Зададим доверительную вероятность P=0.95. В каждом эксперименте число измерений n=10. Тогда Коэффициент Стьюдента tp = 2.26. 𝑡𝑝 ⋅ 𝜎𝑑 ⁄√𝑛 – случайная погрешность измерения, которую обозначим ∆dсл. Также необходимо учитывать приборную погрешность для диаметра капель нефти ∆dпр =0.5 мм. Погрешность вычисления ускорения свободного падения Δg принято считать 0.63 м/с2. Погрешность для плотности нефти Δρн и воды Δρв 1.73 кг/м3. 42

Обозначим: 𝜎𝑑 – среднее квадратическое отклонение диаметра образовавшейся капли нефти; 𝑑̅ ± 𝛥𝑑 – результат измерений диаметра капли нефти в интервале, учитывающим случайную и – 𝑤 ̅ среднее приборную арифметическое значение погрешности; скорости всплытия капли; 𝑤 ̅ ± 𝛥𝑤 - результат измерений диаметра капли нефти в интервале, учитывающим абсолютную Все погрешность подробные среднего вычисления (для значения каждого величины эксперимента) w. среднего квадратичного значения диаметра капли нефти, среднего квадратичного отклонения диаметра капли, среднего результата измерения, учитывающего случайную погрешность, и среднего арифметического значения скорости всплытия капли находятся в Приложении В, они производились в приложение Mathcad. Результаты среднего квадратичного отклонения диаметра капли нефти записаны в Таблице 10. Далее найдем суммарную погрешность капли нефти по следующей формуле [16]: 2 + ∆𝑑 2 𝛥𝑑 = √∆𝑑сл пр (5.5) Результаты данных измерений представлены в Приложении Г, они занесены в Таблицу 10. Перейдем к вычислению погрешности скорости всплытия капли. Средняя скорость всплытия вычислена выше в данной главе по формуле (3.1) и в Приложении В. Также эти результаты записаны в Таблицу 10. Запишем общую формулу для вычисления относительной погрешности [17]: 𝛿= ∆А А ∗ 100% = √∑𝑚 𝑝=1( 43 𝜕𝑓 𝜕𝐾𝑝 ∗ ̅𝑝 ∆𝐾 )2 ̅𝑝 𝐾 *100% (5.6)

где, A – величина, для которой находим погрешность, вычисляемая как A=f(K1, K2, K3…), m – количество аргументов Kp, 𝜕𝑓 𝜕𝐾𝑝 –частные производные функции f по аргументам 𝐾𝑝 , ̅𝑝 - абсолютная погрешность среднего значения аргумента 𝐾𝑝 . ∆𝐾 Применимо к нашей формуле для вычисления скорости (3.1) запишем следующую формулу относительной погрешности, используя формулы относительной погрешности косвенного измерения [18]: 𝛿= ∆𝑤 𝑤 1 ∗ 100% = √( ∗ 2 Δ𝜌в +Δ𝜌н 2 ) 𝜌в −𝜌о 1 +( ∗ 2 ∆𝑔 2 ) 𝑔 1 +( ∗ 2 ∆𝑑 2 ) 𝑑̅ 1 −( ∗ 2 ∆𝜌в 2 ) *100% 𝜌в (5.7) Следующим действием найдем абсолютную погрешность среднего значения величины w: 𝛥𝑤 = Подробные вычисления 𝛿 100% ∗𝑤 ̅ относительной (5.8) и абсолютной погрешностей представлены в Приложении Д и записаны в Таблицу 10. Таблица 10. – Результаты вычислений № эксперимента 𝜎𝑑 , мм 𝑑̅ ±𝛥𝑑, мм 𝑤 ̅, м/с 𝑤 ̅ ± 𝛥𝑤, м/с 1 0.082 5.8±0.503 0.127 0.127 ±0.007 2 0.1 5.9±0.505 0.128 0.128±0.007 3 0.076 6.65±0.503 0.136 0.136±0.007 4 0.107 6.85±0.506 0.138 0.138±0.007 5 0.076 5.15±0.503 0.119 0.119±0.007 6 0.335 7.7±0.554 0.146 0.146±0.007 44

Продолжение таблицы 10 7 0.154 5.75±0.512 0.126 0.126±0.007 8 0.1 6.1±0.505 0.135 0.135±0.008 9 0.082 6.2±0.503 0.133 0.133±0.007 5.5 Зависимость размера капли нефти от диаметра отверстия Используя данные Таблицы 10, построим график зависимости размера капли нефти от диаметра отверстия (Рисунок 5.2). Рисунок 5.2 – График зависимости размера капли нефти от диаметра отверстия 5.6 Зависимость скорости всплытия капли от ее размера Используя данные Таблицы 10, построим график зависимости размера капли нефти от диаметра отверстия (Рисунке 5.3). 45

Рисунок 5.3 – График зависимости скорости всплытия капли от ее размера 5.7 Вывод по лабораторной работе Образование капель нефти в водной среде при истечении нефти из отверстия малого диаметра происходит тогда, когда плавучесть капли превысит поверхностное натяжение, удерживающего её на трубке [19]. При повышении давления в трубке появляется перепад давления на границе отверстия, из-за чего отрыв капли происходит быстрее, поэтому наблюдается отрыв капли с меньшим диаметром. С ростом перепада давления размеры капель уменьшаются, но частота их отрыва при том же расходе нефти увеличивается. Поэтому в дальнейшем истечение нефти в виде струи сменяет отрыв капель. Скорость всплытия нефтяной капли определяется балансом ее плавучести и сопротивления движению, поэтому скорость зависит, прежде всего, от размеров капель, а также от плотности и вязкости нефти и от формы капель [20]. В данной работе получены результаты, на основе которых можно сказать, что размер капли нефти напрямую зависит от диаметра отверстия: чем больше значение первого, тем больше и второго. Так же можно убедиться, что результаты зависимости получены 46

правильно, так как численные значения, полученные практическим методом близки к значениям, полученным теоретическим способом. Что касаемо зависимости скорости всплытия капель нефти от её размера, то можно утверждать, что при малых диаметрах капель получается график линейной зависимости, это означает прямую зависимость скорости всплытия капли от её размера. 47

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной работе произведен анализ данных о возникновениях и развитиях утечек нефти из донных трубопроводов, рассмотрены расчетные модели для оценки экологических последствий, но основе которых производились вычисления для нефтепровода терминала «Варандей». Результаты расчетов распространения нефтяного загрязнения в водной массе и на поверхности моря представлены в графическом виде. Полученные результаты показали работу математической модели, положения которой помогли дать оценку возможным экологическим последствиям. Эта методика позволила оценить масштабы вероятного загрязнения нефтью морской поверхности и береговой линии в случае возникновения дефектов, свищей на стенке трубопровода. Во второй половине работы представлены результаты лабораторных экспериментов, целью которых было выявить зависимость скорости всплытия капель и размер нефтяных капель от диаметров отверстий, что представлено в числовом и графическом виде, а также изучить процесс образования нефтяных капель и их всплытия на поверхность воды. 48

Список использованных источников 1. Goncharov V.K., Ivanov I.V. and Sokolov A.N., “Evaluation of Environmental Effect of Emergency Oil Spills by Means of Simulation of Behavior and Spreading of Oil on the Sea Surface,” Proceeding of the 28th Arctic and Marine Oil Spill Program Technical Seminar and 22nd Technical Seminar on Chemical Spills, Calgary, Canada (in press), 2005 2. Li Zhijun, Wang Yongxue and Qiu Dahong, "Where is the entrance of crude oil spill study in icy conditions in Bohai," Proceedings of Seminar of Combating Marine Oil Spills in Ice and Cold/Arctic Conditions, Helsinki, Finland, Pp.51-60, 2001 3. Общество с ограниченной ответственностью "Варандейский терминал" Документация о закупке: «Открытые многоэтапные конкурентные переговоры с переторжкой на право заключения договора на оказание услуг по внутритрубной диагностике подводного морского нефтепровода (Закупка № 182кп-20ВТ)» Интернет-портал. – URL: https://energybase.ru/tender/32110111545 (дата обращения: 04.03.2021). – Текст: электронный. 4. Пашилов М.В., статья «Мероприятия по обеспечению безопасной эксплуатации морского подводного трубопровода варандейского нефтеотгрузочного терминала», журнал: Новая наука: Современное состояние и пути развития. 2015. № 5. с. 155-158. 5. Goncharov V.K., Klementieva N.Yu. Forecasting of the ecological after-effects of the oil and natural gas escapes on the sea environments from pipelines located on seabed. // Proceeding of the Sixth International Conference “Remote Sensing for Marine and Coastal Environments”. Charleston. South Carolina. USA. May 2000. Vol. 1. Pp. 194 – 201. 6. Goncharov V.K., Simulation of oil drop dynamics in seawater environment. // Proceedings of IMarEST. Part A. Journal of Marine Engineering and Technology. Vol. 2009. No 15. September 2009. Pp. 21 – 28. 7. Goncharov V.K., Lyskov V.G. Study of possibilities of creation the remote optical systems for remote sensing the under ice oil spills. // Proceedings of the Fifth International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments. Ann Arbor, MI, USA. October 1998. Pp. II-433 - II-440. 8. Wang J., Goncharov V.K., Klementieva N.Y., « Assessment of Oil Pollution as Consequence of the Oil Leaks from Seabed Pipeline in the Bohai Sea», Proceedings of the 49

28. Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar, Calgary, Canada, 2005, Vol. 2, Pp. 939-948 9. Кутателадзе С.С., «Анализ подобия в теплофизике». – Новосибирск: Наука, 1982 10. Кормак Д., «Реагирование на нефтяное и химическое загрязнение морской среды». - Издательство прикладных наук, Лондон и Нью-Йорк, 1983, 365 с. 11. Goncharov, VK and Lyskov, VG (1993). “Investigation of the oil spreading feature in the deep sea and of conditions oil emerging on sea surface,” Okeanologiya, Vol 33, No 6, pp 856-862. 12. Yapa P.D., Zheng Li, « A model for deepwater oil/gas blowouts». – Marine Pollution Bulletin, Vol. 42, pp. 234-241, 2001 13. В. К. Гончаров, «Техногенное загрязнение морской среды и методы его прогнозирования». - Экологическая экспертиза. - 2009. - N 1. - С. 146-147 14. «Математическая энциклопедия» / Главный редактор И. М. Виноградов. — М.: «Советская энциклопедия», 1979. — 1104 с. 15. Худсон Д., «Статистика для физиков». - Издательство «Мир», Москва, 1970., 197 с. 16. Фридман А. Э. Основы метрологии. Современный курс. — Санкт-Петербург: НПО «Профессионал», 2008. — 284 с. 17. Рабинович С. Г. «Погрешности измерений». - Ленинград, 1978.- 262 с. 18. Гольдин Л. Л., Игошин Ф. Ф., Козел С. М. и др. Лабораторные занятия по физике. Учебное пособие / под ред. Гольдина Л. Л.. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. — 704 с. 19. Goncharov V.K., Klementieva N .Yu., Levin I.M. and Wang J. «Measurement of Sizes and Velocities of Oil Drops is Ground for Assessment of Environmental Effects of Seabed Pipeline’s Leakage».- Proc. 6th Symp. on Test and Measurement, Dalian, China. Vol 3, 2943–2946, 2005. 20. Rye H., «Subsurface oil release field experiment» - Proceedings, 19th Arctic and Marine Oil Spill Program (AMOP), Calgary, Canada, 1996 50

Приложение А. Программа для расчета экологических последствий утечек нефти из донных трубопроводов. 51

Продолжение приложения А. 52

Продолжение приложения А. 53

Продолжение приложения А. 54

Продолжение приложения А. 55

Окончание приложения А. 56

Приложение Б. Программа для оценки размеров нефтяного загрязнения. 57

Продолжение приложения Б. 58

Продолжение приложения Б. 59

Окончание приложения Б. 60

Приложение В. Программа для расчета погрешности. Вычисление среднего арифметического значения скорости всплытия капли. 61

Продолжение приложения В. 62

Продолжение приложения В. 63

Продолжение приложения В. 64

Продолжение приложения В. 65

Продолжение приложения В. 66

Продолжение приложения В. 67

Продолжение приложения В. 68

Продолжение приложения В. 69

Окончание приложения В. 70

Приложение Г. Расчет суммарной погрешности. 71

Приложение Д. Расчет относительной и абсолютной погрешностей. 72

Продолжение приложения Д. 73

Окончание приложения Д. 74

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв