Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
тюсенков антон сергеевич
повышение безопасности эксплуатации
оборудования для подготовки и хранения нефти
в условиях накопления ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ
ЗАРЯДОВ В ВОДОНЕФТЯНОЙ СМЕСИ
Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность
(Нефтегазовая отрасль)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа-2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет на кафедре Технология нефтяного аппаратостроения.
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Бугай Дмитрий Ефимович.
Официальные оппоненты: Хафизов Фаниль Шамильевич,
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой Пожарная и промышленная безопасность Уфимского государственного нефтяного технического университета;
Чирков Юрий Александрович,
доктор технических наук, доцент, зав. сектором прогнозирования остаточного ресурса оборудования лаборатории Надежность Технопарка Оренбургского государственного университета.
Ведущая организация Центр Надежность и безопасность эксплуатации объектов магистральных трубопроводов ГУП ИПТЭР.
Защита состоится 29 июня 2012 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.аУфа, ул. Космонавтов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Автореферат разослан 29 мая 2012 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук Ризванов Риф Гарифович
Общая характеристика работы
Актуальность работы
Согласно Федеральному закону № 116-Ф3 от 21.07.1997 О промышленной безопасности опасных производственных объектов оборудование для подготовки и хранения нефти по условиям эксплуатации относится к категории опасных производственных объектов, что обусловлено воздействием на него ряда известных факторов, которые могут способствовать развитию аварийных отказов за счет ухудшения технологических свойств отдельных узлов и деталей, а также возникновению пожаровзрывоопасных ситуаций. К таким факторам, например, относится наличие физических и геометрических концентраторов напряжений в металле оборудования для подготовки и хранения нефти, его коррозионная усталость под воздействием эксплуатационных нагрузок, общая коррозия углеродистых и низколегированных сталей нижних поясов резервуаров, высокая вероятность возгорания паров нефтепродуктов при их аварийном разливе и ряд других. Изучению и разработке методов предотвращения возникающих при этом осложнений посвящено большое количество работ, которые способствовали достижению значительного прогресса в обеспечении безопасности эксплуатации данного вида оборудования.
Отметим, что еще одним негативным фактором, изучению которого до настоящего времени практически не уделялось внимания, является электризация водонефтяной смеси. Электростатические заряды, образующиеся в трубопроводах в процессе транспортировки нефти, накапливаются в объеме водонефтяной смеси и существенно изменяют коррозионную активность водной фазы, что значительно увеличивает аварийность оборудования для хранения и подготовки нефти, а также создает благоприятные условия для возникновения пожаров и взрывов в резервуарах.
В связи с этим проблема исследования влияния электростатических зарядов на коррозионную обстановку, складывающуюся в оборудовании для подготовки и хранения нефти, а также его пожаровзрывоопасность, имеет существенное научное и прикладное значение, так как разработка эффективных методов и средств борьбы с этим видом осложнений позволила бы значительно повысить безопасность эксплуатации производственных объектов на нефтяных промыслах.
Цель работы
Разработка научно обоснованного метода повышения безопасности эксплуатации оборудования для подготовки и хранения нефти при накоплении в водонефтяной смеси электростатических зарядов путем исследования влияния статического электричества на пожаровзрывоопасность и особенности коррозии емкостного оборудования нефтепромыслов.
Основные задачи исследований
1 Разработка методики и необходимого оборудования для лабораторного исследования процесса электризации водонефтяной смеси при ее транспортировке по промысловым нефтепроводам.
2 Исследование влияния водной фазы, активированной накопленными электростатическими зарядами, на особенности коррозии металла оборудования для подготовки и хранения нефти.
3 Разработка научно обоснованного метода снижения интенсивности накопления перераспределяющихся электростатических зарядов в водонефтяной смеси, а также технических средств для его осуществления.
4 Промышленная апробация разработанного метода и технических средств, а также их внедрение на нефтедобывающих предприятиях с целью повышения безопасности эксплуатации оборудования для подготовки и хранения нефти.
5 Оценка рисков аварий на резервуарах для хранения нефти при использовании разработанного метода и устройства для их защиты от статического электричества.
Научная новизна
1 Установлено, что при транспортировке водонефтяной смеси по нефтепроводам происходит перераспределение электростатических зарядов между водой и нефтью с локализацией отрицательных зарядов в водной фазе, а положительных - в нефтяной. Научно обосновано, что причиной подобной локализации является протонирование молекул нефти с образованием в ней карбокатионов, которые сохраняют стабильность до пунктов хранения и подготовки. Показано, что в дальнейшем на стадиях хранения и подготовки нефти происходит миграция положительных зарядов из нефтяной фазы в остаточную водную фазу и промывочную водную фазу, что повышает их коррозионную активность и негативно сказывается на безопасности эксплуатации емкостного оборудования.
2 Экспериментально показано, что применение антистатических составов существенно снижает накопление электростатических зарядов в нефти и воде, уменьшая коррозионную активность водной фазы на стадии хранения нефти и препятствуя повышению кислотности водной вытяжки из нефти на стадии подготовки, в результате чего повышается безопасность эксплуатации технологического оборудования.
3 Научно обосновано и экспериментально подтверждено, что деэмульгаторы, повсеместно применяемые в нефтяной отрасли, увеличивают перераспределение электростатических зарядов между водной и нефтяной фазами, снижая, тем самым, безопасность эксплуатации технологического оборудования и повышая его пожаровзрывоопасность.
Практическая ценность и реализация
При участии соискателя в ООО Раилан-Кеми (г. Уфа) разработаны методические указания Методика определения параметров устройства для снятия электростатических зарядов с нефтепровода (УЭЗН), в соответствии с которыми в ЗАО Нефтемонтаждиагностика (г. Уфа) изготовлено данное устройство. УЭЗН было установлено на трубопроводе ОАО Татнефть перед входом в резервуар цеха первичной подготовки нефти. В процессе эксплуатации водородный показатель подтоварной воды в резервуаре повысился с 6,2 до 6,8; а окислительно-восстановительный потенциал уменьшился с 610 до 530 мВ (н.в.э.), что позволило снизить скорость коррозии трубной стали в водной фазе в среднем в 3араза и, соответственно, уменьшить аварийность при эксплуатации емкостного оборудования на нефтепромысле в 2,7 раза. Метод дозирования антистатических составов апробирован и применяется в ООО Регион-сервис для повышения безопасности эксплуатации емкостного оборудования нефтепромыслов. Дозирование антистатика Аминосилоксан на устье ряда скважин показало снижение скорости коррозии стали 20 в подтоварной воде нефтесборного резервуара в среднем с 1,7 до 0,5 мм/год. При этом аварийность оборудования цеха первичной подготовки нефти снизилась в 3,4 раза.
Апробация результатов исследований
Основные результаты работы доложены и обсуждались на научно-практической конференции Энергоэффективность. Проблемы и решения (г.аУфа, 2008); V международной учебно-научно-практической конференции Трубопроводный транспорт - 2009 (г. Уфа, 2009); 60-й, 61-й и 62-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2009, 2010, 2011); научно-практической конференции Энергоэффективность. Проблемы и решения (г. Уфа, 2010); международных научно-технических конференциях Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа (г. Уфа, 2011, 2012); 3-й международной студенческой научно-практической конференции Oil and gas horizons 2011 (Москва, 2011); научно-практической конференции молодых ученых Актуальные проблемы науки и техники (г. Уфа, 2011); Vанаучно-практической конференции Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза (г. Уфа, 2011).
Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в пятнадцати печатных работах, в том числе в трех статьях в рецензируемых изданиях.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и 3 приложений. Объем диссертации 166 страниц машинописного текста; приводится 35 таблиц, 53 иллюстрации, 3 приложения. Список литературы содержит 114 наименований.
основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, показаны ее научная новизна и практическая ценность.
В первой главе приведен анализ статистических данных, отражающих влияние отказов емкостного оборудования нефтепромыслов по причине его коррозии на безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли, раскрыты проблемы возникновения статического электричества при транспортировке водонефтяной смеси по трубопроводам, а также рассмотрены основные существующие методы нейтрализации электростатических зарядов.
В футерованных и в стальных трубах при транспортировке по ним жидких углеводородов генерируются электрические заряды. Электрические заряды, которые находятся в объеме или на поверхности углеводородов, называют электростатическими. Электростатические заряды в нефти образуются в результате пространственного разделения зарядов (положительного и отрицательного).
Теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса статической электризации нефти посвящены работы Баумана A.A., БобровскогоаС.А., Джейвиса Дж., Захарченко В.В., Крячко Н.И., КицисааС.И., КозманааИ., Мажара Е.Ф., Максимова Б.К., Обуха А.А., ЩигловскогоаК.Б. и др.
Современная теория электризации жидкостей предполагает, что электризация нефти в футерованных и стальных нефутерованных трубопроводах с внешней изоляцией не будет значительно отличаться. Если материал стенки футерованного трубопровода является лучшим диэлектриком, чем жидкость, процесс электризации осложняется переходными явлениями, происходящими при формировании двойного электрического слоя на границе жидкость-стенка.
Механизм образования двойного электрического слоя связывают с различной скоростью перехода заряженных частиц из фазы в фазу. На границах раздела двух фаз различного химического состава, как правило, происходит перераспределение электростатического заряда, связанное с переходом заряженных частиц (ионов, электронов) из одной фазы в другую. Это приводит к образованию заряда на поверхности одной фазы и равного, но противоположного по знаку, заряда в другой фазе. В результате по обе стороны межфазной поверхности создается концентрация разноименно заряженных частиц и образуется двойной электрический слой. Однако, в процессах электризации диэлектриков так же вероятны другие механизмы образования двойных электрических слоев. Например, заряженные частицы не покидают своих фаз, а адсорбируются на поверхности. Частицы, у которых это стремление более характерно, определяют знак заряда половины двойного слоя, находящегося внутри одной из фаз. В реальных случаях формирование двойного слоя нередко обусловлено одновременным действием нескольких механизмов.
Согласно теории электрокинетических явлений заряд, находящийся в жидкости, можно рассматривать состоящим из двух частей. Одна часть заряда плотная, располагается непосредственно у стенки (слой Гельмгольца), другая часть - диффузионная (слой Гуи). При движении нефти в трубопроводе диффузионная часть двойного электрического слоя увлекается потоком и в объеме жидкости появляются электростатические заряды, которые будут накапливаться вместе с нефтью в трубопроводах.
Образование двойного электрического слоя на твердой поверхности в водной среде возможно либо в результате адсорбции заряженных частиц, например, ионов электролитов или поверхностно-активных ионов, либо при диссоциации поверхностных ионогенных групп. Избирательная адсорбция иона H+ в кислой среде приводит к образованию положительного поверхностного потенциала при протонировании электроотрицательных атомов с образованием чаще всего групп -NH+3,-OH+,-COOH+2. Знак поверхностного потенциала волокон при адсорбции поверхностно-активных ионов определяется природой этого иона. Адсорбция катионактивных веществспособствует формированию положительно заряженного, а анионактивных - отрицательно заряженного поверхностного слоя.
Во второй главе приведено описание применявшихся в работе экспериментальных методов исследований.
Методика по проведению экспериментов в трубопроводах основана на измерении окислительно-восстановительного потенциала (Eh), водородного показателя (pH) и коррозионной активности водной фазы в зависимости от изменения условий эксперимента.
Eh и pH водных сред измеряли прибором MA 130 Ion Meter, относительная ошибка измерений которого составляла не более 0,1 %.
Скорость коррозии металлических образцов в исследуемых водных средах для лучшей достоверности определяли гравиметрическим анализом, методом линейного поляризационного сопротивления и методом снятия поляризационных кривых.
Гравиметрический анализ по определению глубинного показателя коррозии проводили на образцах из сталей 20 и 09Г2С в соответствии с ГОСТ 9.502-82 и ГОСТ 9.506-87. Лабораторные испытания выполняли в U-образной ячейке. Относительная ошибка измерений составляла не более 5 %.
Регистрацию глубинного показателя коррозии по методу линейного поляризационного сопротивления проводили с помощью индикатора скорости коррозии Моникор-2М, относительная ошибка измерений которого составляла не более 5 %.
Анодные и катодные поляризационные кривые снимали с помощью потенциостата IPC-Pro M. Поляризация рабочего электрода в катодную область проводилась до значений потенциала - 1,5 В, в анодную область - до + 0,5 В; скорость развертки потенциала составляла 0,5 мВ/с. В качестве рабочего электрода был выбран образец из стали 20. Относительная ошибка измерений составляла не более 1,5 %.
Испытания по определению скорости коррозии металлических образцов проводились в следующих средах:
1) контрольная среда;
2) активированная водная фаза;
3) активированная водная фаза с 10 г/т антистатического состава;
4) активированная водная фаза с 20 г/т антистатического состава;
5) активированная водная фаза с 50 г/т антистатического состава.
В качестве контрольной среды использовалась вода, смешанная с нефтью, а затем отстоянная в делительной воронке. Активированная водная фаза была получена при циркуляции в лабораторном стенде водонефтяной смеси обводненностью 10 % в течение 3 часов. В качестве антистатических составов использовались Аминосилоксан, Диэтаноламид.
Определение влияния некоторых известных деэмульгаторов на перераспределение электростатических зарядов в водонефтяной смеси проводилось при их концентрациях 5, 10 и 15 г/т.
В третьей главе представлены результаты проведенных исследований, реализован парный регрессионный анализ t - Eh для различной обводненности нефти, проведена описательная статистика скоростей коррозии трубной стали в исследуемых средах. Показано, что введение в водонефтяную смесь антистатических составов уменьшает перераспределение электростатических зарядов в водонефтяной смеси, тем самым, предотвращая локализацию положительных зарядов в нефти. Дозирование деэмульгаторов в трубопровод, наоборот, увеличивает интенсивность перераспределения электростатических зарядов между водной и углеводородной фазами.
Полученные в результате проведения экспериментов значения pH и Eh активированной водной фазы представлены на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1 - Влияние продолжительности циркуляции и обводненности смеси на pH активированной водной фазы
Рисунок 2 - Влияние продолжительности циркуляции и обводненности смеси на Eh активированной водной фазы
С уменьшением обводненности смеси Eh воды достигает меньших значений, кроме того, с увеличением времени перекачки смеси по трубопроводу генерируется больше электростатических зарядов, которые, накапливаясь в воде, снижают ее Eh. Экспериментально установлено, что водная фаза с низким Eh обладает меньшей коррозионной активностью.
Накопление зарядов в нефтяной фазе происходит по механизму образования карбокатионов - органических молекул, которые присоединяют ион с положительным зарядом. Карбокатионы в окружении диэлектрической нефтяной фазы могут существовать длительное время. После установок предварительного сброса воды в процессе отстаивания нефти в резервуарах часть карбокатионов распадается, и положительные заряды из активированной нефти переходят в остаточную воду. При обессоливании нефти в ходе ее дальнейшей подготовки положительные заряды с еще большей интенсивностью перетекают из нефти в водную вытяжку вследствие термической активации процесса, также повышая коррозионную активность водной фазы.
Накопление положительных зарядов остаточной водой после контакта с активированной нефтью представлено на рисунках 3 и 4.
Рисунок 3 - Изменение pH остаточной водной фазы после перехода в нее положительных зарядов из активированной нефти
Рисунок 4 - Изменение Eh остаточной водной фазы после перехода в нее положительных зарядов из активированной нефти
Переход положительных зарядов в остаточную воду сопровождается уменьшением ее pH и увеличением Eh. При этом коррозионная активность водной фазы значительно возрастает.
Влияние pH остаточной воды на скорость коррозии трубной стали представлено на рисунке 5.
Рисунок 5 - Влияние pH остаточной воды на скорость коррозии стали 09Г2С
Кислотность остаточной воды повышается с увеличением продолжительности ее контакта с активированной в трубопроводе нефтью. Таким образом, чем дольше отстаивается водонефтяная смесь в резервуаре, тем агрессивнее становится водная фаза.
Для определения влияния поверхностно-активных веществ (ПАВ) на интенсивность накопления перераспределяющихся электростатических зарядов в нефти и воде исследовали антистатические составы и деэмульгаторы.
Поляризационные кривые для стали 20 в исследуемых водных средах представлены на рисунке 6.
Сдвиг поляризационных кривых на рисунке при электризации происходит в сторону уменьшения значений тока коррозии, это связано с тем, что при снижении Eh воды ток от статического электричества противоположен по направлению току коррозии. При увеличении Eh, т.е. с накоплением положительных электростатических зарядов, ток статического электричества совпадает с направлением коррозионного тока, что объясняет рост коррозионной активности водной фазы.
1 - контрольная среда; 2 - активированная вода; 3 - 10 г/т антистатического состава; 4 - 20 г/т антистатического состава; 5 - 50 г/т антистатического состава
Рисунок 6 - Поляризационные диаграммы для стали 20 в исследуемых водных средах
Влияние антистатических составов на основные электрохимические характеристики водной фазы представлено в таблице 1.
Таблица 1 - Влияние антистатических составов на свойства водной фазы
Среда | pH | Eh, мВ (н.в.э.) | корр, В (н.в.э.) |
Контрольная среда | 8,0 | 460 | - 0,40 |
Активированная вода | 8,4 | 419 | - 0,29 |
10 г/т антистатического состава | 8,2 | 426 | - 0,31 |
20 г/т антистатического состава | 8,1 | 432 | - 0,36 |
50 г/т антистатического состава | 8,1 | 443 | - 0,38 |
Примечание: корр - потенциал коррозии стали 20 | |||
Использование антистатических составов существенно уменьшает интенсивность перераспределения электростатических зарядов в водонефтяной смеси, что не приводит к росту коррозионной активности остаточной воды в резервуарах. В настоящее время в качестве антистатических составов применяют химические вещества с низкой молекулярной массой, такие как азотсодержащие соединения (длинноцепные амины, амиды или соли четвертичных аммониевых оснований); сульфокислоты и алкиларил сульфонаты; многоатомные спирты и их производные; производные полиэтиленгликоля; этоксилированные соединения. Антистатики мигрируют на поверхность материала и, образуя водородные связи с влагой, создают тонкий слой на поверхности, по которому стекают электростатические заряды.
Влияние нескольких известных деэмульгаторов на перераспределение электростатических зарядов в водонефтяной смеси представлено в таблице 2. Вода, использованная в экспериментах, имела следующие исходные характеристики: pH = 7,9, Eh = 480 мВ (н.в.э).
Таблица 2 - Влияние нескольких известных деэмульгаторов на перераспределение электростатических зарядов в водонефтяной смеси
Деэмульгатор | Концентрация, г/т | рН после циркуляции | Eh после циркуляции, мВ (н.в.э.) |
РС-Н | 5 | 8,5 | 422 |
10 | 8,7 | 412 | |
15 | 8,8 | 404 | |
РС-З | 5 | 8,8 | 405 |
10 | 9,0 | 382 | |
15 | 9,2 | 376 |
Широкое применение в качестве деэмульгаторов получили высокоэффективные неионогенные водорастворимые ПАВ, обладающие хорошими диффузионными свойствами. Эффективность деэмульгатора характеризуется его способностью снижать межфазное натяжение на границе раздела жидкостей. Например, содержание деэмульгатора РС-З 0,005 % масс. обеспечивает снижение межфазного натяжения с 25 ⋅ 10-3 до 5 ⋅ 10-3 Н/м. Это свойство деэмульгаторов способствует увеличению интенсивности перераспределения электростатических зарядов в нефти при ее транспортировке.
Для снижения электризации водонефтяной смеси было разработано устройство УЭЗН, принцип действия которого основан на снятии электростатических зарядов с нефтепровода и отведении их на заземлитель. Результаты, полученные при перекачке смеси обводненностью 10 % с использованием УЭЗН, представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Результаты использования УЭЗН
Время перекачки, ч | pH после циркуляции | Eh после циркуляции, мВ (н.в.э.) |
1 | 8,1 | 459 |
2 | 8,4 | 431 |
3 | 8,5 | 425 |
Применение УЭЗН позволяет отводить перераспределяемые электростатические заряды из водонефтяной смеси на заземление, что снижает риск возникновения аварий на объектах хранения и подготовки нефти.
Конструктивные варианты системы для обработки среды и монтажа устройства представлены на рисунке 7.
1 - эксплуатационная скважина; 2 - нефтесборный трубопровод; 3 - резервуар; 4 - УЭЗН; 5 - дозатор антистатического состава
Рисунок 7 - Конструктивные варианты системы для обработки среды и монтажа устройства
При низкой интенсивности перераспределения электростатических зарядов (а), когда pH остаточной воды 6-7, рекомендуется применять УЭЗН. В случае средней электризации водонефтяной смеси (б), когда pH остаточной воды 5-6, рекомендуется введение в смесь антистатических составов. При высокой интенсивности перераспределения зарядов (в), когда pH остаточной воды 2-5, необходимо сочетать обе технологии.
В четвертой главе разработан комплекс мероприятий по снижению электризации водонефтяной смеси при ее перекачке по трубопроводам, позволяющий снижать скорость коррозии трубной стали технологического оборудования. Подход заключается в введении антистатических составов в трубопровод, уменьшении расстояния от точки ввода деэмульгатора в нефть до цеха ее первичной подготовки и применении устройства для нейтрализации электростатических зарядов. Предложен узел ввода реагента в скважину, подобрана конструкция дозирующего насоса. Выполнен расчет тока электризации, изменения энергии Гиббса системы в футерованном трубопроводе длиной 10 км при транспортировке нефти обводненностью 20 %.
Электрический ток, проходящий через границу лэлектрод - ионная система, связан с протеканием электродного процесса (фарадеевский ток) и с заряжением двойного электрического слоя (ток заряжения). Если свойства поверхности электрода не изменяются во времени, протекающий через электрод ток определяется только скоростью самого электродного процесса и размерами электрода. В этих условиях плотность тока i служит мерой скорости электрохимической реакции.
На основании теории Гуи получено выражение для расчета тока электризации
где Re - число Рейнольдса;
υ - средняя скорость движения жидкости в трубе, м/с;
- диэлектрическая проницаемость жидкости;
0 - абсолютная диэлектрическая постоянная, Ф/м;
- электрокинетический потенциал, В.
Изменение энергии Гиббса системы в условиях генерирования и накопления электростатических зарядов
,
где - изменение электродного потенциала стали, В;
z - количество грамм-эквивалентов;
F - число Фарадея, равное 96500 Дж/г-экв.
Влияние накопленного электростатического заряда на поверхностное натяжение глобул воды
,
где - электрический потенциал;
dq - изменение заряда при электризации смеси;
ds - изменение площади контакта дисперсной фазы с дисперсионной средой.
Данное уравнение объясняет экспериментальное увеличение поверхностного натяжения воды с ростом перераспределения электростатических зарядов. Низкие значения Eh, соответствующие большему накопленному заряду, приводят к значительному снижению коррозионной активности воды.
Стремление гетерогенной системы к уменьшению поверхностной энергии ds вызывает отрицательное ориентирование полярных молекул, ионов, электронов в поверхностном слое, вследствие этого соприкасающиеся фазы (вода - нефть) приобретают заряды противоположного знака, равные по величине. При этом избыточная поверхностная энергия превращается в электрическую энергию.
В реальных системах, стремящихся к равновесию, знаки и Eh совпадают, а значит, уменьшение Eh воды сопровождается увеличением ее поверхностного натяжения. Уменьшение поверхностного натяжения водной фазы увеличивает ее коррозионную активность. Таким образом, вода, накопившая больший положительный заряд имеет более высокую коррозионную активность.
В пятой главе с целью определения эффективности предложенного подхода была проведена количественная оценка рисков аварий на резервуарах, в ходе которой рассчитывали численные значения вероятности разгерметизации резервуара и возникновения пожара, а также некоторые показатели, характеризующие негативные последствия этих событий (величины пожарного риска и техногенный риск резервуарного парка).
Частоту возникновения аварии определяли на основе статистических данных по авариям на резервуарах для хранения нефти. Она составила для сценария разгерметизации резервуара 8,8 10-5 год-1, для пожара по всей поверхности резервуара - 9,0 10-5 год-1.
В случае применения предложенного нами комплекса мероприятий по снижению накопления электростатических зарядов в водонефтяной смеси происходит снижение коррозионной активности водной фазы в резервуарах, что уменьшает их удельную аварийность в среднем в три раза. При этом частота разгерметизации резервуара составит 2,93 10-5 год-1.
Сценарий, связанный с пожаром резервуара по всей его поверхности, возможен при появлении источника зажигания в паровом пространстве резервуара. Заряды статического электричества, вносимые в резервуар с потоком нефти, значительно повышают вероятность искрообразования.
Разработанный нами комплекс мероприятий снижает объемную плотность электрических зарядов в потоке нефти, уменьшая, тем самым, напряженность электрического поля в резервуаре. При этом частота возникновения пожара по всей поверхности резервуара для данного сценария составит 1,8 10-5 год-1.
В таблице 4 представлены максимальные расчетные значения пожарных рисков для случаев отсутствия и проведения комплекса мероприятий по предотвращению накопления электростатических зарядов в нефти и воде.
Таблица 4 - Максимальные расчетные величины пожарных рисков
Наименование риска | Отсутствие мероприятий | Проведение разработанного комплекса мероприятий | Снижение риска, % |
Потенциальный пожарный риск, год-1 | 9,05 10-5 | 1,86 10-5 | 486 |
Индивидуальный пожарный риск, год-1 | 1,10 10-5 | 0,22 10-5 | 500 |
Применение комплекса мероприятий по защите резервуаров для хранения нефти от статического электричества позволяет снизить потенциальный риск на территории резервуарного парка и индивидуальный пожарный риск обслуживающего персонала в среднем в 5 раз.
С целью определения зависимости техногенного риска резервуара РВС-10000 м3 от скорости коррозии стали 09Г2С был осуществлен регрессионный анализ, результаты которого представлены на рисунке 8 (пунктирными линиями показан доверительный интервал).
Рисунок 8 - Влияние скорости коррозии металла внутренней поверхности резервуара объемом 10000 м3 на его техногенный риск
Видно, что с увеличением скорости коррозии стали техногенный риск резервуара возрастает. Было установлено, что в процессе накопления в воде положительного электростатического заряда скорость коррозии стали внутренней поверхности резервуара возрастает с 0,1 до 0,5 мм/год, что увеличивает техногенный риск на 21,2 млн. руб./год.
В таблице 5 приведены сведения о теоретическом снижении аварийности оборудования для подготовки нефти, полученные расчетным путем на основе экспериментальных данных по уменьшению кислотности водной вытяжки из нефти, то есть по результатам снижения скорости локальной коррозии металла технологического оборудования.
Таблица 5 - Расчетное снижение удельной аварийности оборудования для подготовки нефти на некоторых месторождениях в результате применения разработанного метода
Проведение разработанного комплекса мероприятий | Удельная аварийность, шт./год | ||
Арланское | Ромашкинское | Северо-Ижевское | |
Без применения | 4,3 10-4 | 5,7 10-4 | 4,1 10-4 |
С применением | 1,1 10-4 | 1,4 10-4 | 1,2 10-4 |
Таким образом, комплексное использование антистатических составов и устройств для отведения электростатических зарядов позволяет снижать удельную аварийность оборудования для подготовки нефти по причине коррозионных поражений металла в среднем в 4 раза.
Выводы
1 Разработаны лабораторная методика и оборудование для ее реализации, позволяющие исследовать процессы электризации водонефтяной смеси при ее движении по нефтепроводу. Установлено, что в ходе перераспределения электростатических зарядов между фазами водонефтяной смеси положительный заряд локализуется в нефти, а отрицательный - в воде. Это связано с тем, что происходит протонирование нефти из водной фазы, в которой накапливаются преимущественно гидроксил-ионы. Показано, что данное явление носит общий характер: оно имеет место как для футерованных, так и для стальных трубопроводов, однако в первом случае интенсивность накопления разноименных зарядов значительно выше, что согласуется с представлениями теории Гуи. Отток протонов из нефтяной фазы не происходит, поскольку они входят в состав образующихся при протонировании карбокатионов. Величина электростатических зарядов зависит от обводненности нефти, ее вязкости и скорости течения, а также от гидравлического сопротивления трубы.
2 В результате исследования влияния суммарного электростатического заряда в водной фазе на особенности коррозии металла технологического оборудования установлено, что при накоплении отрицательного заряда увеличивается pH водной фазы и уменьшается ее окислительно-восстановительный потенциал. При этом скорость коррозии стали снижается более чем на порядок. Однако при подготовке и хранении нефти происходит переток положительного заряда из углеводородной в водную фазу, что приводит к инверсии значений pH и окислительно-восстановительного потенциала последней. Увеличение окислительно-восстановительного потенциала водной фазы сопровождается уменьшением межфазного поверхностного натяжения, что вызывает рост ее коррозионной активности. Следствием этого является снижение безопасности эксплуатации технологического оборудования для подготовки и хранения нефти.
3 На основании исследования особенностей коррозии трубных сталей в активированных электростатическими зарядами водных средах предложен научно обоснованный подход, позволяющий предотвращать накопление электростатических зарядов в водонефтяной смеси посредством введения в нее антистатических составов на стадии добычи нефти, перемещения точки ввода деэмульгаторов на минимально возможное расстояние от блоков подготовки нефти и применения специально разработанных устройств для нейтрализации электростатических зарядов на стадии нефтесбора.
4 Промышленная апробация предложенного метода снижения интенсивности накопления электростатических зарядов в водонефтяной смеси позволила уменьшить удельную аварийность емкостного оборудования ряда крупных нефтепромыслов Волго-Уральского региона в среднем в три раза, а оборудования цехов первичной подготовки нефти - в среднем в четыре раза.
5 Использование разработанного метода для защиты емкостного оборудования нефтепромыслов от статического электричества обеспечивает снижение потенциального риска на территории резервуарного парка и индивидуального пожарного риска обслуживающего персонала в среднем в пять раз. Кроме того, при этом значительно снижается техногенный риск оборудования. Таким образом, комплексное применение антистатических составов и устройства для отведения электростатических зарядов дает возможность существенно снизить риск аварий на емкостном оборудовании нефтепромыслов, что обеспечивает повышение пожарной и промышленной безопасности технологических процессов хранения и подготовки нефти.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1 Абдуллин, Р.М. Некоторые причины снижения безопасности эксплуатации футерованных и пластиковых нефтепроводов / Абдуллин Р.М., Ахияров Р.Ж., Тюсенков А.С., Латыпов О.Р., Лаптев А.Б, Бугай Д.Е. // Энергоэффективность. Проблемы и решения: материалы науч.-практ. конф. - Уфа: ГУП ИПТЭР, 2008. - С. 143-145.
2 Абдуллин, Р.М. Повышение безопасности эксплуатации промысловых трубопроводов в условиях локализации коррозии в зоне, расположенной после ЭИФ / Абдуллин Р.М., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е., Тюсенков А.С. // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - Уфа: ГУП ИПТЭР, 2009. № 2 (76). - С. 131-136.
3 Тюсенков, А.С. Влияние электростатических зарядов на коррозию фланцевых соединений футерованных промысловых трубопроводов / Тюсенков А.С., Латыпов О.Р., Бугай Д.Е. // Трубопроводный транспорт - 2009: материалы V междунар. учеб.-науч.-практ. конф. - Уфа: УГНТУ, 2009. - С. 332-334.
4 Тюсенков, А.С. Статическое электричество в футерованных трубопроводах и методы борьбы с ним / Тюсенков А.С., Латыпов О.Р., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. // 60-я науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: материалы конф. - Уфа: УГНТУ, 2009. - С. 143.
5 Тюсенков, А.С. Устройство для снятия статического заряда с нефтепровода // Энергоэффективность. Проблемы и решения: материалы науч.-практ. конф.Ц Уфа: ГУПаИПТЭР, 2010. - С. 209-210.
6 Тюсенков, А.С. Устройство для отвода электростатических зарядов из потока нефтепродукта / Тюсенков А.С., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. // 61-я науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: материалы конф. - Уфа: УГНТУ, 2010. - С. 191.
7 Тюсенков, А.С. Влияние деэмульгаторов на распределение статических зарядов в водонефтяной эмульсии при ее транспортировке по футерованным трубопроводам / Тюсенков А.С., Исянаманов З.Ф., Кононов Д.В., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: материалы науч.-практ. конф. - Уфа, ГУП ИПТЭР, 2011. - С. 145-147.
8 Тюсенков, А.С. Оценка возможности применения ПАВ для снижения подкисления нефти при перекачке водонефтяной эмульсии по трубопроводам / Тюсенков А.С., Д.В. Кононов, Д.Е. Бугай, А.Б. Лаптев // Нефтегазовое дело. Т. 9. № 2. Уфа, 2011. - С. 38-40.
9 Tlyavgulov, I.S. Redistribution of electrostatic charge in the stabilization of oil-water emulsion / Tlyavgulov I.S., Tyusenkov A.S., Latypov O.R. // Oil and gas horizons 2011: The Third International student scientific and practical conference. - Moscow: Gubkin russian state university of oil and gas, 2011. - P. 54.
10 Тюсенков, А.С. Влияние поверхностно-активных веществ на устойчивость водонефтяных эмульсий / Тюсенков А.С., Д.Е. Бугай // Актуальные проблемы науки и техники: материалы науч.-практ. конф. молодых ученых. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2011. - С. 177-178.
11 Тюсенков, А.С. Изменение коррозионной активности воды при транспорте водонефтяной смеси по футерованному трубопроводу / Тюсенков А.С., Кононов Д.В., БугайаД.Е., Лаптев А.Б. // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело, 2011. № 5. С.а89-95. URL:
12 Тюсенков, А.С. Влияние реагентной обработки внутренней поверхности нефтепровода на образование статического электричества / Тюсенков А.С., И.А. Рамазанов, С.Р. Рахимов, Д.Е. Бугай // 62-я науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: материалы конф. - Уфа: УГНТУ, 2011. - С. 149.
13 Исянаманов, З.Ф. Влияние деэмульгатора РС-Н на свойства эмульсии при ее транспорте по футерованным нефтепроводам / Исянаманов З.Ф., Тюсенков А.С., Рахимов С.Р., Бугай Д.Е.// 62-я науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: материалы конф. - Уфа: УГНТУ, 2011. - С. 144-145.
14 Тюсенков, А.С. Повышение безопасности эксплуатации нефтепроводов в условиях возникновения статического электричества / Тюсенков А.С., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. //аПромышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза: материалы V науч.-практ. конф. - Уфа: УГНТУ, 2011. - С. 102-105.
15 Тюсенков, А.С. Оценка рисков аварий на резервуарах для хранения нефти при проведении комплекса мероприятий по их защите от статического электричества / ТюсенковаА.С., Бугай Д.Е. // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: материалы науч.-практ. конф. - Уфа, ГУП ИПТЭР, 2012. - С. 399-402.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям