Методические указания. В современной технике трубопроводы используют для перемещения разнообразных жидкостей (воды, нефти, нефтепродуктов

В современной технике трубопроводы используют для перемещения разнообразных жидкостей (воды, нефти, нефтепродуктов, буровых растворов и др.). Их изготовляют из разных материалов (металла, бетона, стекла и др.). Наряду с трубопроводами малых длин и диаметров (капилляры), применяемыми в лабораторной технике и контрольно-измерительной аппаратуре, существуют магистральные трубопроводы протяженностью в тысячи километров и водоводы диаметром в несколько метров.

Трубопроводы, в которых жидкость не имеет свободной поверхности, т.е. целиком заполняет все сечение, называют напорными. В безнапорных трубопроводах жидкость имеет свободную поверхность. Такие трубопроводы в нефтяной промышленности используют крайне редко, хотя в напорных трубопроводах возможны безнапорные участки. Самотечными называются трубопроводы, в которых единственной движущей силой является сила тяжести. Все безнапорные трубопроводы - самотечные. Сифонным трубопроводом (сифоном) называется такой самотечный трубопровод, часть которого расположена выше уровня жидкости в сосуде (резервуаре), из которого подается жидкость.

В зависимости от геометрической конфигурации различают простые и сложные трубопроводы.

Простым называют напорный трубопровод, состоящий из однойлинии труб и не имеющий боковых отверстий, т.е. трубопровод с одинаковым расходом на всем пути движения жидкости от места ее забора до пункта потребления. Такой трубопровод по всей длине может быть выполнен из труб одного диаметра или состоять из участков труб различной длины и диаметра. Последний случай - пример последовательного соединения.

Сложным называют напорный трубопровод, состоящий из основной магистрали и ряда отходящих от нее ответвлений. Они подразделяются на следующие основные виды:

· параллельные - к основной магистрали параллельно подключены одна или несколько труб;

· разветвленные - жидкость из магистрали подается в боковые ответвления, но обратно в магистраль не поступает;

· кольцевые - замкнутая сеть (кольцо), питаемая от основной магистрали.

В сложных трубопроводах различают расходы: транзитный, передаваемый по магистрали, и путевой (или попутный), отбираемый из магистрали в ряде промежуточных точек по пути движения жидкости.

Расход называют сосредоточенным, если точки отбора находятся на значительном расстоянии друг от друга, и непрерывным, если эти точки расположены очень близко друг к другу. Понятие «непрерывный расход» обычно используют при расчете водопроводных сетей.

По соотношению видов потерь напора различают длинные и короткие трубопроводы.

Длинными называются трубопроводы, для которых потери напора в местных сопротивлениях малы по сравнению с потерями напора на трение по длине. В этом случае первыми или пренебрегают или учитывают их через эквивалентную длину. Пример длинных трубопроводов - линейные участки магистральных нефтепроводов, при расчете которых местны -

ми сопротивлениями обычно пренебрегают, так как они составляют 1-2% от потерь на трение.

Для коротких трубопроводов учитывают оба вида потерь напора, так как они соизмеримы по величине. Пример таких трубопрово­дов - обвязка насосных станций и эксплуатационных нефтяных скважин.

При расчете трубопроводов решаются три частные задачи:

1) определение перепада напора, необходимого для пропуска заданного расхода жидкости по данному трубопроводу;

2) определение расхода жидкости по данному трубопроводу при заданном перепаде напора;

3) определение необходимого диаметра трубопровода для пропуска данного расхода при известном перепаде напора.

При расчете трубопроводов исходным является уравнение Бернулли, из которого следует, что разность между полными напорами Н₁ в некотором сечении 1-1 и Н₂ в сечении 2-2 затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости на участке между этими сечениями. Таким образом,

ΔΗ = Н₁ – Н₂ = Σh

где Σh – потеря напора между сечениями 1-1 и 2-2, равная сумме линейных и местных потерь напора.

Для нахождения линейных потерь напора получают следующее общее выражение (формулу Лейбензона)

h_лп = A·Q^m·νⁿ·L/d^k,

где Q – расход жидкости;

ν – кинематическая вязкость жидкости;

d – внутренний диаметр трубопровода;

L – длина трубопровода;

A, m, n, k – коэффициенты, зависящие от режима движения жидкости и зоны трения ([2], стр.129, табл.5.1; [9], стр.217, табл.43; [11], стр.135, табл.10).

При определении расхода (если не учитывать местные потери напора) получают формулу

Q = B·(d^r/ν^p)·^m√h_л.п/L,

где B, r, p – коэффициенты, зависящие от режима движения жидкости и зоны трения ([9], стр.218, табл.44).

Рассчитывая простой трубопровод, составляют для двух его сечений уравнение Бернулли и получают, что разность напоров в резервуарах, которые соединены этим трубопроводом

ΔΗ = Δz = z₁ – z₂ = Σh

Σh = h_л.п + h_м.п

Таким образом,

ΔΗ = ζ_сист·v²/(2·g)

где ζ_сист – коэффициент сопротивления системы (трубопровода)

ζ_сист = λ·L/d + φ·Σζ

Тогда скорость движения жидкости в трубопроводе равна

v = √2·g·ΔH/√ζ_сист

Расход жидкости равен

Q = f·√2·g·ΔH/√ζ_сист

где f – площадь сечения трубопровода.

Часто эти уравнения используют в виде

Q = A√ΔH

ΔH = B·Q – ламинарный режим

ΔH = B·Q² – турбулентный режим,

где А – коэффициент пропускной способности трубопровода;

В – характеристический коэффициент трубопровода.

Гидравлической характеристикой трубопровода называется аналитическая или графическая зависимость потери напора в трубопроводе от расхода жидкости в нем (пропускной способности). Гидравлическая характеристика трубопровода строится по уравнениям

ΔH = B·Q – ламинарный режим

ΔH = B·Q² – турбулентный режим.

Кавитация – образование в движущейся жидкости полостей, заполненных паром, газом или воздухом. Кавитация возникает в том случае, когда давление в каких-либо местах потока снижается настолько, что становится меньше давления насыщения, т.е. давления, соответствующего испарению жидкости при данной температуре. Иначе говоря, давление может стать ниже упругости паров жидкости, в результате чего жидкость закипает.

Наиболее часто явление кавитации наблюдается в сифонных трубопроводах, в местах сужения трубопроводов, в центробежных насосах, в гребных винтах, гидравлических турбинах, работающих при больших числах оборотов.

Когда пузырьки газа конденсируются в местах повышения давления, то возникают очень большие местные давления (в несколько сотен и даже тысяч атмосфер). Это приводит к кавитационной коррозии металла.

Для того, чтобы предотвратить разрушение металла, лопатки и лопасти проектируют в виде слабоизогнутых профилей со скругленными кромками и применяют для их изготовления стойкие против кавитации металлы, а в трубопроводах поддерживают режим перекачки таким, чтобы давление ни в одной точке трубопровода не снижалось ниже упругости паров.

Под гидравлическим ударом понимают резкое увеличение давления в трубопроводе при внезапной остановке движущейся в них жидкости.

Пусть по горизонтальному трубопроводу постоянного диаметра со средней скоростью v движется жидкость. Если быстро закрыть на таком трубопроводе задвижку, то слой жидкости, находящийся непосредственно у задвижки, должен будет остановиться, а давление в нем увеличится вследствие перехода кинетической энергии в потенциальную. Так как жидкость сжимаема, то остановка всей ее массы в трубопроводе происходит не мгновенно. Вслед за первым слоем, сжимаясь, остановится следующий за ним слой и так далее. Объем остановившейся сжатой жидкости будет непрерывно расширяться в сторону начала трубопровода, его граница будет перемещаться с некоторой скоростью с, называемой скоростью распространения ударной волны. Когда эта граница достигнет начала трубопровода, вся жидкость в нем будет сжата и неподвижна.

Циклы повышения и понижения давления возле задвижки будут повторяться через промежутки времени, равные времени пробега волны к началу трубопровода и обратно к задвижке, называемые фазой удара Т.

Т = 2·L/c,

где L – длина трубопровода от места его перекрытия до сечения, в котором давление считается постоянным.

Н.Е. Жуковским получена формула для определения ударного повышения давления

Δp = ρ·c·v,

где Δp – ударное повышение давления;

ρ – плотность жидкости;

c – скорость распространения ударной волны;

v – скорость движения жидкости.

c = √K/ρ / √1+(K·d)/(E·δ),

где K – модуль упругости жидкости ([9], стр.17, табл.5);

Е – модуль упругости материала трубы ([9], стр.240, табл.50);

d – внутренний диаметр трубопровода;

δ – толщина стенки трубопровода.

Формула Жуковского справедлива для так называемого прямого удара, то есть в том случае, когда время закрытия задвижки t_з меньше фазы удара Т. Если t_з > Т, удар называют непрямым, и ударное повышение давления Δp будет меньше. При этих условиях для расчетов можно использовать выражение

Δp = ρ·c·v·(T/t_з).

Для предотвращения гидравлического удара на трубопроводах устанавливают медленно закрывающиеся задвижки и краны (выполняется условие t_з >> Т) и предохранительные клапаны, срабатывающие при повышении давления сверх допустимого. Применяют также различного рода компенсаторы (например, воздушные колпаки, то есть емкости, частично заполненные воздухом). При повышении давления упругая среда (воздух) сжимается и гидравлический удар гасится. Гидравлический удар может совершать не только разрушительную, но и полезную работу: воздействие на призабойную зону скважин (гидравлический вибратор); водоподъемник, называемый гидравлическим тараном; накопление энергии для разрушения препятствий.