Стальные трубы и их применение

Стальные трубы широко используют для изготовления и монтажа технологических трубопроводов. В зависимости от физико-химических свойств и рабочих параметров транспортируемых веществ применяют стальные трубы различных способов изготовления, марок стали, диаметров и толщин стенок.

По способу изготовления стальные трубы подразделяют на бесшовные /горюче- и холоднодеформированные/ и электросварные /прямошовные и спиральные/.

Промышленность выпускает большое количество типоразмеров бесшовных и электросварных труб из углеродистой, низколегированной и высоколегированной сталей разных марок. При проектировании и сооружении технологических трубопроводов применение такого широкого ассортимента труб создает значительные трудности в комплектации материалами и деталями трубопроводов. 

Раздел 14

1. Свойства перекачиваемых жидкостей.

Физические свойства жидкостей

Физические свойствахарактеризуются температурным расширением, сжимаемостью, упругостью, испаряемостью и вязкостью.

Температурное расширение – это свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры

DV= b_tV₀DT, (2.2)

где DT= Т₂ - Т₁; DV= V₂ - V₁ (V₁= V_o -начальный объем); b_t– коэффициент температурного расширения, 1/^oC .

Коэффициент b_tне является величиной постоянной для данной жидкости, он зависит от давления и начальной температуры. Однако для обычных условий с достаточной точностью его принимают постоянным. Так, для воды b_t= 2·10^-41/^oC, а для нефти b_t= 8 ·10^-4 1/^oC.

В большинстве гидравлических расчетов расширение жидкости не учитывается, но, например, при расчетах систем охлаждения двигателей его надо учитывать.

Сжимаемость жидкостей– это свойство жидкостей изменять свой объем при изменении давления

DV= b_pV₀Dр,(2.3)

где DV= V₁ - V₂ –  изменение объема,  м³; Dр= р₂ - р₁ – изменение давления, Па; b_p– коэффициент объемного сжатия, 1/Па.

Коэффициент b_pтакже не является постоянной величиной, он зависит от условий сжатия. Его средние значения при P < 500 МПа равны:

для воды –  b_p= 5·10^-4 1/МПа;

для нефтепродуктов – b_p= 7·10^-4 1/МПа  ( 1 Па = 1 Н/м²).

Таким образом, практически жидкость несжимаема. Однако, в гидравлических подвесках машин при р = 300-500 МПа рабочие жидкости (минеральные масла) сжимаются до 17-20 % начального объема.

Упругость жидкостей  – это способность жидкости принимать свой прежний объем после снятия внешней нагрузки. Такое свойство жидкости характеризуется коэффициентом упругости       e= 1/b_p. Свойство упругости определяет использование жидкости в качестве рабочего тела во многих гидравлических устройствах и в машинах и характеризуется модулем упругости К, Н/м.

Испаряемость жидкостейзависит от температуры и давления. При снижении давления в жидкости и при повышении температуры упругость паров увеличивается, и жидкость закипает. Под упругостью паров понимают парциальное (частичное) давление насыщенных паров р_нп жидкости над ее поверхностью, при котором пары испарения и конденсации взаимно уравновешены: р = р_нп.

В обычных условиях (при нормальном атмосферном давлении и температуре) вода содержит около 2% объема растворенного в ней воздуха. Очевидно, что при повышении температуры и понижении давления, когда р < р_нп, вместе с испарением жидкости в ней начнут выделяться пузырьки воздуха.

Появление в воде паровоздушных пузырьков называетсякавитацией. Жидкость, содержащая паровоздушную смесь, приобретает свойства, отличные от свойств воды: сжимаемость ее значительно возрастает. Попадая в область повышенного давления (р > р_нп), пузырьки пара конденсируются и переходят в жидкое состояние, а воздушные сжимаются или полностью смыкаются. Это явление происходит мгновенно и сопровождается сильными ударами с резким повышением давления, в несколько тысяч раз превосходящего атмосферное. Так как микроудары многократно повторяются на очень малой площадке, происходит разрушение твердой поверхности. В результате имеет место так называемаякавитационнаяэрозия.

Явление кавитации уменьшает пропускную способность трубопроводов, снижает подачу и КПД насосов. Кавитационная эрозия приводит к разрушению лопастей гидравлических турбин, гребных винтов и даже бетонных гидротехнических сооружений.

Вязкость жидкостей–это свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению слоев жидкости относительно друг друга. Вязкость есть свойство противоположное текучести: более вязкие жидкости (глицерин, масла и т.п.) являются менее текучими и наоборот.

При течении вязкой жидкости вдоль твердой стенки происходит торможение потока, обусловленное вязкостью жидкости. Скорость потока отдельных слоев уменьшается по мере приближения слоя жидкости к стенке вплоть до v= 0 при Y = 0, при этом между слоями происходит проскальзывание, сопровождающееся возникновением касательных напряжений (напряжений трения), оцениваемых формулой

t= mdv/dY, (2.4)

где m– коэффициент пропорциональности, называемый динамической вязкостьюжидкостиПа·с; dv/dY-градиент скорости(иногда его называют скоростной деформацией); dv– приращение скорости, соответствующее приращению координатыdY(рис. 2.1). Размерность касательного напряжения – Н/м².

Рис. 2.1. Распределение скоростей при течении вязкой жидкости вдоль стенки

При постоянстве tпо поверхности S полная касательная сила Т (сила трения) по этой поверхности равна

T= tS= mSdv/dY.

Из закона трения, описываемого уравнением (2.4), видно, что напряжение трения tможет возникать только в движущейся жидкости при наличии скоростной деформации dv/dY.

В покоящейся жидкости скоростная деформация равна нулю, следовательно, касательные напряжения также равны нулю. Жидкости, для которых приемлема зависимость (1.2) получили название нормальных или ньютоновских.

Однако существуют жидкости, для которых зависимость (2.4) неприемлема. К ним относятся, например, нефть и некоторые нефтепродукты, битумные иполимерные материалы, которые отличаются от нормальных, ньютоновских жидкостей наличием сил трения даже в состоянии покоя. Их движение из состояния покоя начинается только после преодоления некоторого предельного значения касательного напряжения t₀, которое не зависит от градиента скорости по нормалям

t= t₀+mdv/dY.

Наряду с динамической вязкостью в гидравлических расчетах применяют также и кинематическую вязкость

g= m/r_.

Единица кинематической вязкости -стокс (Ст), 1 Ст = 1·10^-4 м²/с. Кинематическую вязкость на практике определяют при помощи специальных приборов – вискозиметров (в основном используются вискозиметры истечения и капиллярные вискозиметры). Значения кинематической вязкости для некоторых жидкостей приведены в табл.1.1.

Вязкость капельных жидкостей в значительной мере зависит от температуры. Например, с повышением температуры вязкость капельной жидкости уменьшается, а воздуха увеличивается. Это объясняется тем, что вязкость обусловлена силами межмолекулярного сцепления, которые с увеличением температуры жидкости уменьшаются, а в газах молекулы движутся беспорядочно и с ростом температуры эта беспорядочность увеличивается, что и вызывает увеличение вязкости.

Вязкость играет существенную роль при перекачивании жидкостей по трубам, опорожнении резервуаров при работе различных машин и механизмов. Особенно важна зависимость вязкости смазочных масел от температуры. Например, значительное снижение вязкости масел, используемых в системах смазки двигателей машин, при повышении температуры может сделать их слишком жидкотекучими. В результате ухудшаются их рабочие характеристики, что вызывает преждевременный износ трущихся деталей двигателя. В связи с этим применяют специальные добавки, стабилизирующие вязкость масел.

Типы жидкостей, рассматриваемых в гидравлике

В гидравлике применяют понятия реальной и идеальной жидкостей

Реальной считается такая жидкость, которая обладает всеми физическими свойствами жидкости и является легкоподвижной и однородной.

Идеальной называют такую жидкость, которая не обладает свойствами температурного расширения, сжимаемости и вязкости, т.е. имеет идеальную подвижность. В природе таких жидкостей не существует и понятие идеальной жидкости введено для упрощения решения ряда гидравлических задач.

Реальная жидкость отличается от идеальной прежде всего тем, что при ее движении возникают касательные напряжения (внутреннее трение). В покоящейся нормальной жидкости касательные напряжения всегда отсутствуют, поэтому в гидростатике нет необходимости различать реальную и идеальную жидкости.

Использование модели идеальной жидкости позволяет проводить исследования движущихся жидкостей с применением современного математического аппарата. Чтобы перейти от идеальных жидкостей к реальным, следует или учесть напряжения и деформации, которые возникают в реальных жидкостях, или ввести дополнительно коэффициенты, полученные для реальных жидкостей экспериментальным путем.

В гидравлике принято еще одно допущение. Жидкость рассматривается как непрерывная, сплошная среда, заполняющая пространство без пустот и промежутков. Исходя из этого, считают, что и физические характеристики, определяющие состояние и движение жидкости, распределяются и изменяются в занятом ею объеме непрерывно.

Характеристики жидкости

Для выбора оптимального насоса необходимо иметь полную инфор­мацию о характеристиках той жид­кости, которая должна подаваться потребителю.

Естественно, что “более тяжелая” жидкость потребует больше затрат энергии при перекачивании данного объема. Чтобы описать, насколько одна жидкость “тяжелее” другой, ис­пользуется такое понятие, как “плот­ность” или “удельный вес”; этот па­раметр определяется как масса (вес) единицы объема жидкости и обычно обозначается как “ρ” (греческая бук­ва “ро”). Измеряется в килограммах на кубометр (кг/м3).

Любая жидкость при определенных температуре и давлении стремится испариться (температура или точка начала кипения); повышение давле­ния вызывает повышение температуры и наоборот. Таким образом, при более низком давлении (даже воз­можно при вакууме), которое может иметь место со стороны всасывания насоса, жидкость будет иметь более низкую температуру кипения. Если она близка или в особенности ниже текущей температуры жидкости, воз­можно образование пара и возник­новение кавитации в насосе, что в свою очередь может иметь отрица­тельные последствия для его харак­теристик и способно вызвать серьез­ные повреждения (смотрите главу о кавитации).

Вязкость жидкости вызывает потери на трение в трубах. Численное значе­ние этих потерь можно получить у из­готовителя конкретного насоса.

Необходимо учитывать, что вязкость “густых” жидкостей, таких как масло, с ростом температуры падает.