Магистральные нефтегазопроводы

В.В. ТЕТЕЛЬМИН

В.А. ЯЗЕВ





                МАГИСТРАЛЬНЫЕ
                НЕФТЕГАЗОПРОВОДЫ





         Рекомендовано Сибирским РУМЦ высшего профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальностям бакалавриата направления «Нефтегазовое дело»



4-е издание, дополненное





                     СЕРИЯ «Нефтегазовая инженерия»








Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОёГОПруД№1Й
2013

УДК 547.665.9
Т 37
БК 35, 514
Рецензенты:
Заведующий кафедрой машин и оборудования нефтегазовых промыслов Института нефти и газа Сибирского Федерального университета профессор П.М. Кондрашов;
доцент кафедры технологии воды и топлива Московского энергетического института, кандидат технических наук В.П. Бугров;
профессор кафедры техники и технологии нефтегазового производства Московского государственного открытого университета
Н.А. Артемьев


Т 37 Тетельмин В.В., Язев В.А.
        Магистральные нефтегазопроводы. Учебное пособие / Тетельмин В.В., Язев В.А. — 4-е изд. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2013. — 352 с. (Серия «Нефтегазовая инженерия»).
        ISBN 978-5-91559-159-1

        Книга дает целостное представление о трубопроводном транспорте углеводородов. Рассмотрены основные сооружения и оборудование магистральных газо- и нефтепроводов, описаны технологические схемы насосных и компрессорных станций. Изложена сущность основных технологических процессов, связанных с перекачкой нефти и газа по магистральным трубопроводам. Приводятся основы расчетов прочности, гидравлического и теплового расчетов газо- и нефтепроводов. Рассмотрены вопросы, связанные с проектированием, строительством и эксплуатацией магистральных газонефтепроводов.
        Книга адресуется студентам факультетов и колледжей нефтяных специальностей, а также работникам систем трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и природного газа.
БК 35,514
УДК 547.665.9




ISBN 978-5-91559-159-1

          © 2013, Тетельмин В.В., Язев В.А.
          © 2013, ООО Издательский Дом
«Интеллект», оригинал-макет

                  150-летию мировой нефтедобычи посвящается


  Оглавление



  ВВЕДЕНИЕ............................................9

  Глава 1. ОСНОВНЫЕ СООРУЖЕНИЯ И ПОРЯДОК ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ........14
         1.1. Состав сооружений магистральных нефтепроводов ...............................14
         1.2. Состав сооружений магистральных газопроводов.................................18
         1.3. Конструктивные решения магистральных трубопроводов................................20
         1.4. Порядок проектирования магистральных трубопроводов................................22
         1.5. Трубы и арматура для магистральных трубопроводов................................27

  Глава 2. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И СИСТЕМЫ ПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ...................34
         2.1. Классификация и состав перекачивающих станций......................................34
         2.2. Принцип действия центробежных нагнетателей .... 37
         2.3. Гидравлические характеристики центробежных насосов......................................39
         2.4. Приведенные характеристики центробежных нагнетателей газа............................41
         2.5. Способы изменения характеристик центробежных насосов......................................46
         2.6. Конструкции основных магистральных и подпорных насосов..........................47

Оглавление

         2.7. Схемы соединения магистральных и подпорных насосов. Рабочая точка системы................55
         2.8. Приводы центробежных нагнетателей .......57
         2.9. Технологические схемы головных и промежуточных НПС...........................61
        2.10. Технологические схемы компрессорных станций с центробежными нагнетателями..................66
        2.11. Камеры приема и пуска поточных средств ..70
        2.12. Вспомогательные системы насосного цеха...73
        2.13. Резервуарные парки нефтеперекачивающих станций........................................75
        2.14. Хранение и распределение газа............79

  Глава 3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПЕРЕКАЧИВАЕМОЙ НЕФТИ................................................83
         3.1. Состав и классификация нефти.............83
         3.2. Физико-химические свойства нефти.........94
         3.3. Подготовка нефти к транспортированию по трубам.....................................99
         3.4. Реологические уравнения состояния идеальных и реальных сред..............................102
         3.5. Нефть как вязкопластичная жидкость......109
         3.6. Реологические свойства нефти и нефтепродуктов..............................116
         3.7. Способы улучшения реологических свойств нефти.........................................124
         3.8. Сдвиговое течение вязкопластичной нефти в трубе.......................................127

  Глава 4. НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТРУБОПРОВОДЫ. РАСЧЕТЫ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ....................130
         4.1. Нагрузки, воздействия и напряжения в трубопроводах..............................130
         4.2. Расчет толщины стенок труб..............133
         4.3. Устойчивость подземных трубопроводов....136
         4.4. Расчет балочных трубопроводов без компенсаторов............................140

Оглавление

5

         4.5. Расчет балочных трубопроводов с компенсаторами ...........................143
         4.6. Элементы механики хрупкого разрушения труб.... 145
         4.7. Неразрушающий контроль трубопроводов и механика разрушения........................153
         4.8. Стресс-коррозия и условия ее развития...157
         4.9. Усталостное распространение трещин......161

  Глава 5. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА НЕФТЕПРОВОДОВ ..................................... 165
         5.1. Средняя скорость потока. Уравнение постоянства расхода.....................................165
         5.2. Уравнение Бернулли для стационарного потока реальной жидкости............................167
         5.3. Потери напора на трение и местные. Гидравлический уклон .......................168
         5.4. Режимы течения потока жидкости..........170
         5.5. Коэффициент гидравлического сопротивления потока жидкости в трубе.................... 174
         5.6. Введение в поток нефти антитурбулентных присадок.....................................175
         5.7. Безнапорное течение жидкости в трубе....179
         5.8. Гидравлический удар в нефтепроводах.....181
         5.9. Утечки через отверстие..................184

  Глава в. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАСЧЕТА МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ........................ 193
         6.1. Уравнение баланса напоров для участка нефтепровода.................................193
         6.2. Последовательное и параллельное соединение трубопроводов...............................195
         6.3. Самотечные участки нефтепровода.........196
         6.4. Нефтепроводы с промежуточными перекачивающими станциями ..................199
         6.5. Расстановка насосных станций по трассе нефтепровода.................................201
         6.6. Укрупненный расчет вариантов нефтепровода ....203

Оглавление

         6.7. Последовательная перекачка углеводородов ...206
         6.8. Гидравлический расчет режима последовательной перекачки....................................210

  Глава 7. ГОРЯЧАЯ ПЕРЕКАЧКА ВЫСОКОВЯЗКОЙ И ЗАСТЫВАЮЩЕЙ НЕФТИ.....................................212
         7.1. Особенности технологии горячей перекачки нефти........................................212
         7.2. Теплообмен и коэффициент теплопередачи при стационарном режиме горячей перекачки...................................215
         7.3. Распределение температуры вдоль потока транспортируемой нефти. Формула Шухова.......218
         7.4. Смена режимов течения в «горячем» нефтепроводе.................................220
         7.5. Гидравлический расчет «горячего» трубопровода................................221
         7.6. Перекачка водонефтяных эмульсий.............222
         7.7. Применение депрессантов при перекачке нефти.......................................226
         7.8. Перекачка газонасыщенной нефти..............228
         7.9. Мазут как транспортируемая среда............232

  Глава 8. ТРУБОПРОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ ПРИРОДНОГО ГАЗА....................................................235
         8.1. Основные физические свойства газов .........235
         8.2. Подготовка газа к транспортированию ........241
         8.3. Коэффициент сопротивления трения для потока газа в трубе................................243
         8.4. Изотермическое течение газа в трубопроводе .244
         8.5. Изменение температуры газа по длине газопровода.................................247
         8.6. Расчет газопровода в стационарном режиме работы......................................249
         8.7. Охлаждение газа на компрессорных станциях.251
         8.8. Способы интенсификации перекачки газа.......252

Оглавление

7

  Глава 9. СТРОИТЕЛЬСТВО ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ........................256
         9.1. Подготовка строительного производства..256
         9.2. Комплексные трубопроводостроительные потоки .....................................258
         9.3. Земляные работы........................260
         9.4. Сварочно-монтажные работы..............262
         9.5. Изоляционно-укладочные работы .........267
         9.6. Профилирование подземных трубопроводов.270
         9.7. Переходы через естественные и искусственные преграды....................................274
         9.8. Надземные трубопроводы.................278
         9.9. Гидравлические испытания трубопроводов.279
        9.10. Электрохимическая защита трубопроводов от коррозии.................................281

  Глава 10. СТРОИТЕЛЬСТВО ПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ............................................284
        10.1. Состав проектного задания на строительство перекачивающих станций.......................284
        10.2. Конструкция и компоновка зданий насосных и компрессорных цехов........................285
        10.3. Фундаменты и технологическая последовательность сооружения насосных и компрессорных цехов........................287
        10.4. Общие приемы монтажа основного оборудования насосных и компрессорных цехов...............279
        10.5. Особенности монтажа технологических и обвязочных трубопроводов ..................291

  Глава 11. ЭКСПЛУАТАЦИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ........................297
        11.1. Виды дефектов, неразрушающий контроль и диагностика оборудования и трубопроводов...297
        11.2. Контроль работоспособности оборудования и трубопроводов.............................304

Оглавление

        11.3. Техническое обслуживание и ремонт центробежных нагнетателей .................311
        11.4. Организация эксплуатации оборудования перекачивающих станций.....................315
        11.5. Многоуровневая структура диспетчерской службы ....................................319
        11.6. Пуск, остановка и ведение технологического процесса перекачки ........................323
        11.7. Рыночные аспекты эксплуатации трубопроводов..............................327

  ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ ПО РАССМОТРЕННЫМ ТЕМАМ ...........334

  ГЛОССАРИЙ........................................339

  ПРИЛОЖЕНИЕ
         Размерности некоторых физико-механических величин...................................345

  ЛИТЕРАТУРА.......................................347

                      «Я предчувствую, что россияне когда-нибудь пристыдят самые просвещенные народы успехами своими в науках и неутомимостью в трудах.»
Петр I Великий

Введение

Развитие экономики любой страны неразрывно связано с четкой работой транспорта по доставке сырья и готовой продукции. В России трубопроводный транспорт является основным видом транспортирования нефти и газа от мест добычи до потребителя. Этот вид транспорта способен гарантировать равномерную поставку больших грузопотоков нефти, нефтепродуктов и газа при минимальных экономических затратах. Именно поэтому авторы настоящей книги приняли участие в подготовке Государственной Думой РФ законопроекта «О магистральном трубопроводном транспорте», который предусматривает основные принципы государственной политики в области трубопроводного транспорта.
   Использование трубопроводов для перекачки жидкостей имеет многовековую историю: в древнем Риме свинцовые трубы использовались для подачи питьевой воды; в древнем Новгороде функционировал водопровод из деревянных труб для подачи воды из реки Волхов; в начале XVIII в. в Петергофе (Россия) была сооружена система водоснабжения знаменитых фонтанов; в 1804 г. для водоснабжения Москвы пущен водопровод, оборудованный по последнему слову техники того времени.
   Первый в мире нефтепровод был построен в США в 1865 г. В России первый нефтепровод производительностью 1300 т в сутки построен в 1878 г. на Апшеронском полуострове в районе г. Баку. Преимущества трубопроводного транспорта по

Введение

сравнению с железнодорожным и тем более с гужевым транспортом оказались столь очевидными, что строительство нефтепроводов в районах нефтедобычи продолжалось высокими темпами.
   В 1897 г. было начато строительство трубопровода длиной 835 км, диаметром 12 дюймов, производительностью 0,9 млн т в год для перекачки керосина из Баку в Батуми. По трассе трубопровода располагались 16 перекачивающих станций, оборудованных плунжерными насосами. Приводом насосов служили паровые и дизельные двигатели. Трубы соединялись с помощью резьбовых муфт и покрывались свинцовым суриком и джутовой тканью. Примерно в это же время в районе Баку появились первые газопроводы, которые предназначались для транспортировки попутного газа на промышленные предприятия.
   Первый самый крупный нефтепровод длиной 1250 миль был проложен в США из Техаса до Восточного побережья во время Второй мировой войны. Наиболее интенсивная добыча углеводородов и соответственно строительство нефте- и газопроводов в мире начались в послевоенные годы. В настоящее время протяженность американской транспортной системы «Грейт лайн» составляет 10 тыс. км. В 70-х гг. прошлого века США построили от побережья Арктики до побережья Тйхого океана трансаляскинский трубопровод длиной 800 миль.
   В середине 60-х гг. прошлого века в бывшем СССР сооружен нефтепровод из Башкирии до Иркутска (диаметр 720 мм, длина 3662 км). В 1964 г. пущен в эксплуатацию крупнейший в мире (длина 5500 км, диаметр от 720 до 1020 мм) трансевро-пейский магистральный нефтепровод «Дружба», соединивший месторождения нефти Татарстана (Россия) со странами Европы. В 1971 г. построен «горячий» трубопровод Узень—Самара (длина 1500 км, диаметр 1020 мм) для транспортировки высоковязкой казахстанской нефти.
   К концу XX в. Норвегия и Англия за счет добычи нефти на шельфе Северного моря вошли в первую десятку нефтедобывающих стран. Продуктивность нефтяных скважин в норвежском секторе моря составляет 730 т в сутки. В 70—80 гг. прошлого века по дну Северного моря проложена уникальная сеть