Центр гидравлики трубопроводного транспорта Академии наук Республики Башкортостан является структурным подразделением Академии наук Республики Башкортостан в соответствии с Уставом Академии наук Республики Башкортостан, утвержденным Указом Президента Республики Башкортостан от 31 декабря 2005 года № УП-720.

Целью деятельности Центра является проведение фундаментальных исследований в интересах развития экономики Республики Башкортостан и иных исследовательских и опытно-конструкторских работ в соответствии с планом, утвержденным Президиумом АН РБ.

Задачи Центра:

• формирование перспективных научных направлений в области механики и гидродинамики многофазных сред, включая решение актуальных проблем повышения надежности трубопроводного транспорта углеводородного сырья;
• математическое моделирование и применение асимптотических и численных методов решения задач динамики многофазных сред в проблемах надежности и безопасности добычи, транспорта, переработки углеводородного сырья;
• исследование и разработка новых эффективных методов транспорта продукции топливно-энергетического комплекса (с использованием современных компьютерных технологий);
• теоретические и экспериментальные исследования процессов улучшения реологических свойств гомогенных жидкостей и предотвращения перехода последних в гетерогенное состояние (выпадение твердой фазы) путем воздействия на них:
• физических полей (магнитных, барогидродинамических и т.д.);
• поверхностно-активных веществ, сложных полимеров, депрессорных присадок и т.п. (гомеопатический подход);
• комплексных (физико-химических) методов;
• исследование гидродинамических эффектов при течении реологически сложных (аномальных) жидкостей (парафинистых нефтей, мазутов, нигролов и т.п.) в трубах и каналах различной конфигурации:
• исследование динамики течения реологически сложной жидкости в режиме «гидродинамического теплового взрыва», т.е. в режиме, при котором максимально используется эффект саморазогрева жидкости в районе стенки трубы, канала;
• исследование динамики течения аномальной «горячей» жидкости с малыми значениями скорости по трубам со значительными потерями тепла (эффект возникновения «тепловой шубы»);
• теоретические и экспериментальные исследования процессов улучшения реофизических свойств гетерогенных жидкостей (водогазонефтяных эмульсий) и сохранения устойчивости систем;
• создание жидкостей (гелей) с заданными временно устойчивыми вязкоупругими свойствами с помощью переменных полей давлений и температурного градиента (вязкоупругие пробки различного назначения);
• теоретические и экспериментальные исследования электрокинетических эффектов, возникающих при течении ньютоновских и неньютоновских жидкостей по трубам и каналам (попытка объяснения эффекта Томса с электрокинетической точки зрения);
• разработка новых нормативно-руководящих документов по технологии и технике трубопроводного транспорта углеводородного сырья, а также энерго- и ресурсосберегающим технологиям других отраслей хозяйства;
• участие в разработке и обосновании федеральных и региональных научно- исследовательских программ, формировании планов АН Республики Башкортостан, Правительства РБ.

Направления  деятельности Центра:

• Совершенствование методов реофизических исследований аномальных жидкостей применительно к технологическим задачам трубопроводного транспорт.
• Исследование механизма разрушения металла труб под действием статической нагрузки, возникающей при эксплуатации магистральных нефтепроводов.
• Динамика и статика трубопроводов при различных краевых условиях, распределениях масс и действующих сил; модели и решения упругопластического поведения материалов.
• Разработка теоретических основ обеспечения безопасности элементов трубопроводных систем с технологическими, конструктивными и эксплуатационными несплошностями.
• Анализ моделей, прогнозирующих коррозионные разрушения при движении многофазных потоков.

Основные результаты научных исследований

I. Динамика и статика трубопроводов при различных краевых условиях, распределениях масс и действующих сил; модели и решения упругопластического поведения материалов

Руководитель темы – член-корреспондент РАН  М.А. Ильгамов

1. Динамика штанговой колонны нефтедобывающей скважины. Диагностика повреждений.

Задача исследования – определение координаты повреждения  и его размеров.

Рассмотрено напряженно-деформированное состояние прямой штанги, закрепленной верхним концом неподвижно и растянутой под действием собственного веса и силы, приложенной к нижнему концу короткий участок с меньшей площадью поперечного сечения, моделирует повреждение в виде раскрытой трещины.

Показано, что по двум частотам колебаний штанги можно определить координату (место) повреждения и параметр надреза m.

2. Динамика магистрального трубопровода. Диагностика повреждений.

Задачи исследования:

• Определение отраженной и проходящей волны по известным параметрам надреза и его координате (прямая задача).
• Определение координат надреза по отраженной волне в точке наблюдения и его размеров по отраженной и (или) проходящей волнам представляет собой обратную задачу.

Стержень с надрезом в точке с координатой xc длиной l и площадью поперечного сечения стержня f. (l значительно меньше длины волны L).

Рассмотрено отражение от надреза и прохождение продольной бегущей волны, распространяющейся по бесконечному стержню площадью поперечного сечения F.

Выводы:

• Анализ отраженных и суммарных волн показал, что амплитуда и угол сдвига фаз зависят от величины и положения надреза на стержне, чем больше параметр m, тем больше угол сдвига фаз в отраженной волне при одном и том же x.
• Коэффициент отражения линейно зависит от величины надреза.
• Полученная методика может быть применена для разработки прибора для диагностики длинных стержневых систем.

3. Пространственные вынужденные колебания предварительно изогнутого собственным весом трубопровода под действием переменного внутреннего давления

Зависимости относительного перемещения элемента стержня при  x = 0 
в отраженной волне от безразмерного времени τ.

Рассмотрены нелинейные вынужденные колебания трубы и заключенной в ней жидкости относительно горизонтальной оси, проходящей через опоры.

Результаты:

• Построенная математическая модель колебательных движений предварительно изогнутой собственным весом трубы при действии переменного внутреннего давления и полученные на основе этой модели уравнения и результаты вычислений позволяют провести оценку напряженно-деформированного состояния трубопровода при неблагоприятных режимах его работы и разработать мероприятия по защите трубопроводов от повреждений и разрушения.

II. Совершенствование методов реофизических исследований аномальных жидкостей применительно к технологическим задачам трубопроводного транспорта

Руководитель темы – канд. техн. наук Ш.И. Рахматуллин

Новые научные результаты:

• разработаны новые математические модели технологических процессов трубопроводного транспорта нестабильных углеводородных жидкостей;
• разработаны методы реофизических исследований жидкостей применительно к технологическим задачам трубопроводного транспорта;
• предложен приближенный метод расчета коэффициента полезного действия центробежных насосов при их работе на вязкопластичной жидкости, основанный на применении обобщенного параметра Рейнольдса и учете дополнительных гидравлических и дисковых потерь, возникающих при  переходе работы насоса с воды на неньютоновскую жидкость.
• разработан метод расчета степени заполнения самотечных участков рельефных нефтепроводов перекачивающих неньютоновские степенные нефти.

Прикладные результаты:

• разработаны новые технологии транспортировки стабильных и нестабильных углеводородных жидкостей на основе учета термодинамических эффектов применения противотурбулентных присадок;
• применение обобщенного параметра Рейнольдса позволяет при определении коэффициента полезного действия насоса пользоваться общей формулой для ньютоновской и неньютоновскую жидкостей различной вязкости, что особенно важно для парафинистых нефтей, проявляющих как ньютоновские, так и неньютоновские свойства.

III. Исследование влияния физических и химических факторов перекачиваемых сред на процесс коррозии

Статистическая проверка механистических и эмпирических моделей на основе анализа фактических режимов движения ГЖС, состава рабочих сред и аварийности трубопроводов, корректировка моделей по результатам  исследований

Руководитель темы – канд. техн. наук  А.Т. Фаритов

Основная задача - проверка прогностических коррозионных моделей определением влияния на скорость коррозии промысловых трубопроводов следующих факторов:

• химического состава перекачиваемой среды, а именно: ионного состава и содержания растворенных газов – СО₂, H₂S, О₂;
• технологических мероприятий, связанных с интенсификацией отбора нефти;
• структурных форм и параметров течения ГЖС;
• зараженности пластовых вод микроорганизмами;
• химического состава и структуры сталей.

Результаты:

1. В составе вод обнаружены планктонные формы СВБ. Судя по анализам наибольшее развитие СВБ (до 104-106 кл/мл) происходит на УПСВ, скорее всего в емкостном оборудовании.

2. В составе пластовых вод и попутном нефтяном газе обнаружен сероводород: до 20 мг/м3 в газе и до 14 мг/л в воде, что также свидетельствует о жизнедеятельности СВБ, которые могут вызывать  коррозионные разрушения, особенно в системах ППД и резервуарном парке.

3. Не установлена корреляция между скоростями коррозии на УКК нефтесборных коллекторов и концентрацией углекислого газа нефтяном газе. Экспериментально показано, что использование существующих систем контроля коррозии не отражает реальной агрессивности среды, а полученные результаты практически не поддаются интерпретации из-за наличия электрической связи между образцами и внутренней поверхностью трубы. При контроле коррозионной агрессивности сред рекомендуется использовать незамкнутые на трубу образцы-свидетели.

4. Получены зависимости удельной частоты отказов трубопроводов, относящихся к различным ДНС, с содержанием СО2 в нефтяном газе на этих ДНС. Полученные коэффициенты корреляции (0,64, 0,99 и 0,96) зависимостей   подтверждают предположение о диоксиде углерода, как об основном факторе ускоренного разрушения сталей. Регрессионную зависимость диапазона удельной частоты (У) отказов от содержания СО2 (Су.г.) в нефтяном газе в исследуемых случаях можно описать следующим уравнением

У= 0,05…0,13 + 0,3..0,6 *(Су.г.)

5. Полученные результаты позволяют ранжировать коррозионную опасность по степени убывания в следующем порядке:

ЦДНГ-3, ДНС-1А,  %СО2  – 1,31

ЦДНГ-2, ДНС-3,  % СО2  – 1,03

ЦДНГ-2, ДНС-1, % СО2  –  0,43

ЦДНГ-4, ДНС-4, % СО2 –  0,30

ЦДНГ-4, ДНС-5, % СО2  –  0,16

Проведены анализ влияния материального исполнения стальных трубопроводов на скорость коррозии и анализ влияния технологических мероприятий, связанных с интенсификацией отбора нефти на скорость коррозии

Результаты:

1. Основным фактором, влияющим на коррозию в системе сбора нефти трех цехов НГДУ, в первую очередь, является концентрация углекислого газа в нефтяном газе, что характеризует возможность качественного прогнозирования  скорости коррозии по модели де Ваарда-Мильямса, которая связывает скорость коррозии с концентрацией СО2 в нефтяном.

2. Выявлено, что при низких числах Рейнольдса (до 60000) и скоростях потока (ориентировочно до 1,0 м/с) коррозия протекает по механизмам, не связанным со скоростью потока. Предположительно, определяющими здесь являются состав и структура образующихся осадков. Возможна микробиологическая коррозия.

3. На основе анализа статистических данных предположено, что при высоких числах Рейнольдса (свыше 60000) и скоростях потока (свыше 1 м/с) коррозия протекает по механизмам, непосредственно связанным с коррозионно-эрозионным воздействием потока, оказывающим воздействие как на сам осадок, так и на оголяемый от осадка металл. При этом скорость коррозии увеличивается с увеличением числа Рейнольдса по эмпирически определенной регрессионной зависимости  СК=- 6,827+0,000153*Re.

4. Полученные в результате анализа влияния ГРП и СКО на скорость коррозии трубопроводов отличия между обработанными и не обработанными участками незначительны. Однако из этого не следует, что СКО и ГРП не влияют на скорость коррозии. Возможно, что влияние этих методов скажется в более отдаленной перспективе, т.к. воздействие коррозии проявляется не сразу. Для оценки влияния различных методов увеличения продуктивности скважин на скорость коррозии трубопроводов желательно установить узлы контроля коррозии и проводить измерения до и после обработок скважин.

IV. Разработка теоретических основ обеспечения безопасности элементов трубопроводных систем с конструктивными несплошностями

Руководитель темы – доктор техн. наук, профессор Р.С. Зайнуллин

Цель работы – прогнозирование и повышение остаточного ресурса безопасной эксплуатации конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов

Научные результаты:

• Проведена оценка напряженного и предельного состояний оборудования с конструктивными несплошностями, возникающими в результате приварки на него укрепляющих накладных элементов различных конструкций. Даны научно обоснованные рекомендации по повышению ресурса накладных элементов.
• Предложен и экспериментально подтвержден метод повышения эффективности усилительных накладок, базирующийся на рациональном выборе размеров, в частности ширины. В ряде случаев реализация в производстве разработанного метода может значительно снизить металлоемкость и трудоемкость сборочно-сварочных работ при установке накладных усилительных элементов.
• Разработаны методы повышения прочности концевых участков элементов с конструктивными несплошностями, основанные на применении двойных угловых швов, позволяющие в 2,5 раза повысить их несущую способность.
• Предложен и реализован ряд научно-технических решений по оценке и повышению ресурса ремонтных хомутов путем их соответствующей реконструкции.

V. Исследование механизма разрушения металла труб под воздействием статической нагрузки, возникающей при эксплуатации магистральных нефтепроводов

Руководитель темы – доктор техн. наук, профессор К.М. Ямалеев

Цель работы – исследование факторов, приводящих металл к охрупчиванию и упрочнению в процессе длительной эксплуатации.

Выводы:

• Установлено, что за 30 лет эксплуатации происходит увеличение прочностных свойств исследуемых сталей на 8 – 10 %, уменьшение пластических свойств на 20 %, а ударной вязкости – в 2 раза в зависимости от химического состава стали.
• Показано, что основным эксплуатационным фактором, приводящим к упрочнению и охрупчиванию является цикличность нагружения металла труб МН.
• Экспериментально установлено, что упрочнение металла труб происходит по сдвиговому механизму, который проявляется в результате образования линий и полос скольжения, при генерации дислокаций и распад цементита.

Коллектив сотрудников Центра: Фаритов А.Т., Худякова Л.П., Рождественский Ю.Г., Зиннатуллин А.К. награждены Премией имени академика И.М. Губкина.

Высшая общественная награда в нефтегазовом комплексе страны получена за разработку и внедрение программного обеспечения для управления эксплуатацией трубопроводов нефтедобывающего предприятия

Сотрудниками Центра опубликовано:

• в центральной печати – 50 статей,
• монографий – 4,
• тезисов докладов – 75,
• получены патенты – 5