2482

Определив значение 4 Q d2 и подставив его в выражение 7.2,

получим:

Гидравлический уклон:

где зависит от режима движения жидкости и от степени шероховатости стенок трубопровода.

Под шероховатостью понимают неровности (выступы) внутренних поверхностей стенок. Различают естественную и эквивалентную шероховатость. Эквивалентная (усредненная) шероховатость равна 0,5 – 0,7 от максимальной величины естественной шероховатости.

Значения эквивалентной шероховатости для стальных и чугунных труб следующие:

1.Стальные новые – 0,02 – 0,1 мм.

2.Стальные, находящиеся в эксплуатации, до 1,0 мм.

3.Чугунные новые – 0,25 – 1,0 мм.

4.Чугунные, находящиеся в эксплуатации, до 1,5 мм.

При расчете потерь напора в стальных трубах нефтепроводов и газопроводов значение эквивалентной шероховатости берут равным 0,1 – 0,2 мм.

Трубопроводы разделяются на гидравлически гладкие и гидравлически шероховатые. Гидравлически гладкими называются трубопроводы, в которых отдельные струи потока, двигаясь параллельно друг другу, плавно обтекают все неровности внутренней поверхности трубы, в результате чего шероховатость не оказывает влияния на сопротивление потока. Такое явление наблюдается при ламинарном режиме. Коэффициент гидравлического сопротивления для гидравлически гладких труб зависит от числа Re и не зависит от степени шероховатости стенок труб.

С увеличением турбулентности толщина пограничного слоя уменьшается, становится меньше естественной. Движущийся поток жидкости соприкасается с шероховатостью трубы, и потери напора по длине трубы увеличиваются.

Получаются дополнительные завихрения, создаваемые выступами, за счет которых величина коэффициента гидравлического сопротивления увеличивается. В этом случае коэффициент сопротивления зависит от шероховатости стенок трубопровода и числа Рейнольдса (зона смешанного трения). При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса повышается турбулентность потока и, начиная с определенного значения Рейнольдса, коэффициент будет зависеть

91

только от шероховатости труб (квадратичная зона). При перекачке нефти режим квадратичного сопротивления не наблюдается. Он встречается при транспортировке газа. В нефтепроводах чаще встречается режим гидравлически гладкого трения.

Величина коэффициента гидравлического сопротивления при ламинарном режиме, когда Re < 2320, зависит только от числа Рейнольдса (от скорости) и не зависит от состояния стенок (шероховатости), определяется по формуле Пуазейля (француз, доктор медицины 1840 г.):

Для гидравлически гладких труб коэффициент не зависит от шероховатости, а зависит лишь от числа Re и определяется по формуле немецкого ученого Блазиуса (1913 г.):

Для шероховатых труб коэффициент сопротивления зависит от относительной шероховатости /d , числа Рейнольдса и определяется по формуле русского ученого Альтшуля (1952 г.):

Для труб, по которым движутся нефтепродукты, величина лежит в пределах 0,01 – 0,03. Для приближенных расчетов величину принимают равной

0,02.

При движении реальной жидкости кроме потерь напора на трение по длине потока могут возникать местные потери напора. В местных сопротивлениях изменяется скорость по величине (сужение, расширение), направлению (колено) или одновременно по величине и по направлению (тройник). При обтекании турбулентным потоком какой-либо преграды происходит отрыв транзитной струи от стенки с образованием вихревых зон. Вихревые зоны образуются вследствие трения транзитной струи с жидкостью, находящейся в мертвых зонах. Деформация потока и вращение жидкости в мертвых зонах происходит за счет энергии основного потока, что и вызывает потерю напора в местных сопротивлениях.

По предложению немецкого ученого Вейсбаха (1806 – 1871 гг.) местные потери напора принято выражать в частях от скоростного напора, подсчитанного за местным сопротивлением

92

где – безразмерный коэффициент или коэффициент местного сопротивления зависит от формы последнего.

Значения коэффициентов местных сопротивлений приводятся в справочной литературе, а величины некоторых из них приведены в таблице 7.1.

где ∑h – сумма потерь напора на трение по длине в трубе, у которой имеются участки с различными сечениями;

∑hм – сумма потерь напора в местных сопротивлениях.

Следует отметить, что потери напора по длине трубы постоянного сечения изменяются пропорционально длине (линейно), а в местных сопротивлениях потери напора изменяются скачком (в конкретном сечении). При нахождении общих потерь потери на отдельных участках суммируют.

Технологические схемы трубопроводов бывают простыми и разветвленными (сложными). При расчете разветвленных (параллельных) систем необходимо помнить, что расход нефтепродукта до разветвления будет равен расходам, например, движущимся по двум ответвлениям. Определив внутренние диаметры труб (по допустимой скорости и расходу), определяют потери напора по формулам, приведенным выше.

93

Гидравлический расчет трубопроводов заканчивается определением величины потерянного напора по длине и в местных сопротивлениях. Потери напора должны быть минимальными, обеспечивая высокую эффективность при эксплуатации технологических схем.

Определив диаметр технологического трубопровода, проводят расчет на прочность, оценивают толщину стенки и выбирают его марку (сортамент). Затем выбирают тип, размер насоса по требуемой подаче и необходимому напору.

7.2. Расчет на прочность трубопроводов

На рис. 7.1 показана расчетная схема трубопровода 1, который заканчивается фланцем 2, закрепленным сварным соединением. Труба имеет внутренний диаметр D с толщиной стенки . Наружный диаметр трубы DH D 2 . Рас-

четная длина трубы равна внутреннему диаметру L D. Величина распределенного давления Р указывается в Н/м2.

Расчет трубы на прочность сводится к определению ее толщины при необходимом запасе прочности [51]. Стенка трубы деформируется, когда напряжение растяжения (сжатия) превысит допустимое. Обычно в справочной литературе указывают предел прочности материала стенок трубы при растяжении В

(временное сопротивление) и предел текучести Т .

В таблице 7.2 приведены пределы прочности материалов, из которых изготавливаются трубы [6, 53]. Предел текучести Т – напряжение, при котором остаточная деформация образца больше предела упругости. При расчетах труб предел упругости принимается равным пределу текучести. Предел прочности при растяжении В (разрушение с образованием трещин) превышает примерно в 1,5 раза предел текучести Т .

Рис. 7.1. Расчетная схема трубопровода

94

В марке стали 10Г2 цифра 2 и буква Г обозначают 2 % легирующей добавки марганца. Легирующая добавка улучшает качество стали. Сталь 10 содержит 0,1 % углерода.

При расчете труб ориентировочный внутренний диаметр трубопровода находят по формуле

где Q F – объемный расход жидкости, м3/с; – рекомендуемая средняя

скорость перекачки нефтепродуктов, м/с (для линии нагнетания 1 – 2,5);

F D24 – площадь сечения трубопровода, м2.

Полученное значение округляют до ближайшего наружного диаметра бес-

шовных труб, выполненных по ГОСТ – 550-75 (48, 60, 76, 89, 108, 114, 127, 133, 146, 152, 159, 168, 194, 219 мм).

95

Округляем расчетное значение толщины трубы до 4 мм. Запас прочности трубы более 3.

Расчет на прочность крепления фланца (путем сварки или болтов) выполняют по формуле

При установке задвижек на трубопровод пользуются болтовым соединением. Расчет на прочность болтов и выбор их количества производится по формуле

диаметр болтов, м, n – количество болтов.

Более точный расчет труб с учетом коэффициента надежности по материалу (1,34 – 1,55) и коэффициента надежности по назначению трубопровода (1,0 – 1,05) приведен в работе [54]. При расчете на прочность стальных трубопроводов необходимо учитывать требования СНиП-2.04.12.86.

7.3. Насосная установка

Насосная установка предназначена для перемещения жидкости и сообщения ей необходимой по величине энергии давления и скорости.

На рис. 7.3 приведена принципиальная схема насосной установки, перемещающей жидкость из приемного (всасывающего) резервуара 1 в напорный 12. Установка содержит входной фильтр 2, обратный клапан 3, который не пропускает жидкость в обратном направлении и не дает возможности системе самотеком опорожняться.

Всасывающий трубопровод 4 имеет диаметр dв, обеспечивающий скорость всасывания не более 1 – 1,5 м/с. Если из всасывающего трубопровода полностью удалить воздух, то под действием атмосферного давления (760 мм рт. ст.) и при температуре 20 оС вода поднимется на высоту 10 м. Если пренебречь скоростным напором и потерями на трение и в местных сопротивлениях (ввиду их малости, 0,1 – 0,3 м), то высоту всасывания можно определить из выражения:

где РАТ – атмосферное давление (1∙105 Н/м2); РВС – абсолютное давление во всасывающей линии.

97

Для нормальной работы насоса необходимо, чтобы давление РВС было больше давления парообразования РПАР (насыщенных паров).

Например, давление РПАР для нефтепродукта при 38 оС равно 0,7∙105 Н/м2. Выбираем РВС равным 0,8∙105 Н/м2, тогда при плотности , соответствующей 700 кг/м3, высота всасывания (согласно формуле 7.18) будет равна примерно 3 м.

Высота всасывания hвс для темных нефтепродуктов составляет 4 – 6 м. Для светлых нефтепродуктов (бензин, керосин) высота всасывания выбирается равной 3 – 4 м. При высоте всасывания больше допустимой начинается процесс кавитации (образование в жидкости пузырьков) и разрушения лопаток насоса. Для контроля разрежения в линии всасывания используется вакуумметр 5. Следует помнить, что если вакуумметр показывает 0,3∙105 Н/м2 (недостаток давления до атмосферного) или 0,3 атм., то абсолютное давление в линии всасывания равно 0,7∙105 Н/м2 (0,7 атм.) или 70 кПа.

Высоту всасывания и нагнетания необходимо выбирать в зависимости от вязкости нефтепродукта и давления парообразования. В таблице 7.3 приведены рекомендуемые значения средних скоростей во всасывающей и напорной магистралях в зависимости от вязкости нефтепродуктов [18].

Рис. 7.2. Схема насосной установки

98