ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЬ 2 часть
.pdf
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
Рис. 8.2. Технологическая схема нефтебазы (парк светлых нефтепродуктов)
21
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
Рис. 8.3. Технологическая схема нефтебазы (парк темных нефтепродуктов)
22
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
Однопроводные коммуникации применяют в основном на времен- ных передвижных нефтебазах, которые должны быстро развертываться, а также для резервуаров небольшой емкости и раздаточных резервуаров при малой производительности отпуска.
Технологическая схема позволяет оператору производить управле- ние технологическими операциями, а проектировщику – сделать заказ на запорную арматуру.
На технологической схеме каждая линия трубопроводов имеет свое обозначение, а запорная арматура – нумерацию.
Внутренние трубопроводы работают периодически, а их протяжен- ность ограничивается пределами территории объекта.
На основании технологической схемы и генерального плана состав- ляется технологический план, представляющей технологическую схему, нанесенную в масштабе на генеральный план объекта.
На основании технологического плана для каждого трубопровода со- ставляют продольный профиль трассы (рис. 8.4). С его помощью можно оп- ределить фактическую длину и отметки начала и конца трубопровода (что необходимо для выполнения гидравлического расчета), подсчитать объем земляных работ при прокладке трубопроводов, проверить работу всасы- вающих трубопроводов, выявить наличие мест накопления воды, конденса- та или остатков продукта в трубопроводе, мешающих их удалению.
6. Технологический расчет трубопроводов
Технологический расчет трубопроводов проводится с целью реше- ния следующих задач: определение оптимальных параметров трубопрово- дов (диаметр, толщина стенки); подбор насосного оборудования; расчет режимов эксплуатации трубопроводов; определение температурных на- пряжений и способы их компенсации.
Трубопровод выполняет свое назначение в том случае, если он обеспе- чивает перекачку необходимого количества нефтепродукта. Это зависит от ряда факторов: диаметра труб; давления, создаваемого в трубе насосом; разности отметок начала и конца трубопровода; температуры перекачивае- мого продукта. Изменение любого из перечисленных факторов неизбежно приведет к изменению пропускной способности. Вследствие этой же взаи- мозависимости некоторые из факторов при выполнении технологических расчетов не могут быть определены однозначно, т.е. без учета влияния дру- гих факторов.
23
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
Рис. 8.4. Примерный профиль трассы трубопровода
24
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
При эксплуатации трубопроводных коммуникаций часто изменяют- ся условия использования существующего трубопроводно-насосного обо- рудования. Например, появляется необходимость перекачивать трубопро- водом другие нефтепродукты, по своим свойствам отличающиеся от тех, на которые первоначально было запроектировано оборудование, меняются схемы перекачки и т.д. Это вызывает иногда необходимость реконструк- ции трубопроводно-насосной системы (установка дополнительных насосов или замена имеющихся насосов, замена трубопроводов одного диаметра на трубопроводы другого диаметра, изменение их протяженности и т.д.).
Для технически правильной эксплуатации объекта необходимо иметь гидравлические характеристики трубопроводно-насосных систем, без которых нельзя правильно решать вопросы производительности трубо- проводов, а следовательно, и сроков слива и налива нефтепродуктов.
6.1. Механический расчет трубопроводов
Механический расчет технологических трубопроводов производится на температурные напряжения и на напряжения от изгиба в холодную, ко- гда труба изгибается под собственным весом без нагрева.
В редких случаях производится расчет трубопроводов на внутреннее давление. Толщина стенки технологических трубопроводов определяется по формуле
|
|
d = |
n × P × Dн |
|
||||
|
|
|
|
, |
(8.16) |
|||
|
|
2 × (R + n × P) |
||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
где |
n – |
коэффициент перегрузки по внутреннему давлению; |
||||||
|
Р – |
внутреннее рабочее давление в трубопроводе, МПа; |
||||||
|
R1 – |
первое расчетное сопротивление материала труб, МПа; |
||||||
|
Dн – наружный диаметр, м. |
|
|
|
|
|
||
|
Первое расчетное сопротивление материала R1 определяется по сле- |
|||||||
дующей формуле |
|
|
|
|
|
|||
|
|
R = |
R н × m |
|
||||
|
|
1 |
|
, |
|
(8.17) |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
1 |
k1 |
× kн |
|
|||
|
|
|
|
|
||||
где |
R1 – первое нормативное сопротивление, |
соответствующее пределу |
||||||
прочности материала труб, МПа; |
|
|
|
|
|
|||
|
m – |
коэффициент условия работы трубопроводов; т.к. все технологи- |
||||||
ческие трубопроводы относятся к высшей категории, то m = 0.6;
25
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
k1 – коэффициент безопасности по материалу труб (для нефтебазо- вых трубопроводов обычно k1 = l,34 или k1 = 1,4;
kн – коэффициент надежности, зависящий от диаметра труб (для труб диаметром Dу< 1200 мм kн = 1).
Обычно толщина стенки, полученная по (8.16), значительно меньше минимальной толщины труб данного диаметра, выпускаемых заводами- изготовителями. Поэтому расчет трубопровода на прочность обычно не производится, диаметр трубопровода определяется из гидравлического расчета, а толщина стенки принимается минимальной для данного диа- метра.
Температурные напряжения, возникавшие в стенках трубы, опреде-
ляются по формуле |
|
|
|
se = -l × E × (tэ - tф) , |
(8.18) |
где λ – |
коэффициент линейного расширения; |
|
Е – |
модуль упругости, Н/м2; |
|
tэ – |
максимальная или минимальная рабочая температура стенок тру- |
|
бы в процессе эксплуатации; |
|
|
tф – |
температура фиксации расчетной схемы трубопровода (темпера- |
|
тура укладки). |
|
|
Необходимым условием для возникновения температурных напря- жений является жесткая заделка трубопровода. При tэ> tф в стенках возни- кают сжимающие напряжения, а когда tэ< tф – растягивающие. При под- земной укладке трубопровода в нем возникают силы трения грунта о по- верхность трубы, которые будут противодействовать растяжению или сжа- тию трубы от действия температурных напряжений. Сила трения, прихо- дящаяся на единицу длины трубопровода, будет равна
|
T = p × Dн × f × qгр , |
(8.19) |
где Dн – |
наружный диаметр трубопровода, м; |
|
f – коэффициент трения наружной стенки трубы о грунт; |
|
|
qгр – |
удельная нагрузка на трубу от веса грунта, H/м. |
|
Сила трения противодействует осевой силе, возникающей под дейст- вием температурного напряжения, и при определенной длине осевая сила полностью уравновешивается силой трения. Искомая длина определится из условия
T ×l = |
|
st |
|
× Fo , |
(8.20) |
|
|
где Fо – площадь сечения металла трубы.
26
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
Отсюда
|
s × F |
-l × E × (tэ - tф) |
× p × Dн |
× d |
|
l × E × Dt × d |
|
|||
l = |
1 |
o = |
|
|
|
|
= |
|
. |
(8.21) |
|
|
|
||||||||
|
p × Dн × f × qгр |
|
|
|||||||
|
T |
|
|
|
|
f × qгр |
|
|||
Если фактическая длина трубопровода больше полученной длины, температурных напряжений в нем возникать не будет.
При анализе напряженного состояния подземного трубопровода не- обходимо знать его возможное удлинение. Ввиду того, что часть осевой силы подземных трубопроводов компенсируется трением, то при одинако- вых колебаниях температуры они удлиняются по-разному.
Усилие от сил трения на участке трубопровода dx будет равно T × dx . Напряжение, возникающее в трубе от действия сил трения, будет равно
T × dx . Это напряжение можно выразить через закон Гука
F
T × dx |
= E × de , |
(8.22) |
|
||
Fo |
|
|
где dε – бесконечно малое относительное удлинение подземного трубо- провода на участке dx.
|
de = |
d × (Dп.з.) |
, |
|
|
(8.23) |
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
x |
|
|
|
||
где |
п.з. – абсолютное удлинение трубопровода. |
|
|||||||
|
На основании формул (8.22) и (8.23) имеем |
|
|||||||
|
|
T × dx |
= E × |
d × (Dп.з.) |
. |
(8.24) |
|||
|
|
|
|
||||||
|
|
Fo |
x |
|
|||||
Разделяя переменные и интегрируя, найдем абсолютное удлинение подземного трубопровода
|
T |
1 |
T ×l2 |
s |
t |
× F ×l |
|
s |
t |
×l |
|
|
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
||
Dп.з. = |
|
∫ xdx = |
|
= 2 × F × E |
= |
2 × E . |
(8.25) |
||||
F E |
2 × F × E |
||||||||||
|
o |
0 |
o |
|
|
o |
|
|
|
|
|
Абсолютное удлинение наземного трубопровода |
|
|
|
||||||||
Dн = a × Dt ×l = a × Dt × E ×l = st ×l . |
|
|
|
(8.26) |
|||||||
|
|
|
E |
|
|
E |
|
|
|
|
|
Т.е. при одинаковых температурных условиях подземный трубопро- вод укорачивается или удлиняется в два раза меньше по сравнению с на-
27
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
земным. Отсюда можно сделать вывод, что в подземных трубопроводах надо компенсировать начальные или концевые его участки.
В наземных трубопроводах для снятия температурных напряжений используют различного вида компенсаторы.
Технологические трубопроводы очень часто укладываются на высо- ких опорах. Такой трубопровод можно представить в виде многопролетной балки. Основной задачей для многопролетной балки является определение допустимой величины пролета. Под действием силы, действующей в про- лете, трубопровод прогибается, образуя дугу с радиусом кривизны ρ , ве-
личина которого приближенно равна
|
|
|
|
|
r = |
|
l 2 |
|
|
, |
|
|
(8.27) |
|
|
|
|
|
8 × |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
f |
|
||||||
где l |
– |
длина пролета; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
– |
стрела прогиба. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
От изгиба в стенках трубопровода возникает напряжение, величина |
|||||||||||||
которого |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sн |
= |
E × Dн |
= |
4 × E × Dн × f |
. |
(8.28) |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
2 ×r |
|
|
|
l 2 |
|
|||
Из курса «Сопротивление материалов» известно, что максимальная |
|||||||||||||
величина прогиба равна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
= |
5 |
× |
q ×l4 × D |
|
||||||
|
|
f |
|
|
|
|
н |
, |
(8.29) |
||||
|
|
384 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
E × J |
|
|||||
где q – удельная расчетная нагрузка от веса металла, изоляции, продукта, снежного покрова и гололеда, Н/м;
J – осевой момент инерции грубы, м4. Подставив выражение (8.29) в (8.28), получим
sн = |
5 |
× |
q ×l |
2 × D |
|
|
|
|
н |
. |
(8.30) |
||
96 |
|
|
||||
|
|
|
J |
|
||
Максимальная величина пролета определяется из условия
s |
н |
£ 0,9 × R |
н , |
|
|
|
(8.31) |
||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||
lmax = |
96 |
× |
0,9 × R н |
× J |
|
||||
|
|
|
2 |
|
. |
(8.32) |
|||
|
5 |
q × |
Dн |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
28
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
6.2. Гидравлический расчет изотермических трубопроводов
Для технически правильной эксплуатации необходимо иметь гид- равлические характеристики трубопроводно-насосных систем, без которых нельзя правильно решить вопросы производительности трубопроводов.
Конечная цель гидравлического расчета трубопроводов на нефтеба- зах – обеспечение заданной производительности перекачки. При примене- нии насосной установки рассчитывается рабочий режим насосной уста- новки, определяют мощность двигателя. Для самотечных трубопроводов определяют требуемую разность отметок для обеспечения необходимой производительности при заданном диаметре труб или необходимый диа- метр трубопровода при заданной разности отметок и производительности.
Исходными данными для гидравлического расчета являются: расход, физические свойства нефтепродуктов (вязкость, плотность, давлений на- сыщенных паров, температура), профиль и план трассы, а также техноло- гическая схема с указанием всех местных сопротивлений. Гидравлический расчет трубопроводов, перекачивающих нефтепродукты, выполняются для наиболее неблагоприятных условий.
Расчет всасывающих трубопроводов для транспортировки светлых нефтепродуктов с высокой упругостью паров (бензин и др.) необходимо вести при максимальной температуре продукта, чтобы взбежать разрыва струи и обеспечить нормальную работу насоса. Всасывающие трубопрово- ды для темных нефтепродуктов рассчитывают для низкой температуры нефтепродукта, при которой потери напора на трение будут наибольшими.
Расчет нагнетательных трубопроводов для перекачки светлых и тем- ных нефтепродуктов ведется по минимальной температуре нефтепродук- тов для наиболее удаленных и высоко расположенных точек коммуника- ций объектов.
Следует иметь в виду, что при выполнении технологических опера- ций один и тот же трубопровод может быть как всасывающим, так и на- гнетательным.
Теоретически необходимый внутренний диаметр трубопровода оп- ределяется из уравнения неразрывности потока по формуле
d = |
|
4 ×Q |
|
, |
(8.33) |
|
|||||
|
|
p × v |
|
||
где Q – производительностьтрубопровода, м3/с, определяемая в зависимо- сти от сроков слива или налива, грузоподъемности судов и маршрутов и т д.;
29
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
v – скорость движения жидкости в трубах, м/с, принимаемая в зави- симости от вязкости нефтепродуктов (табл. 8.6) и их удельного объемного сопротивления.
|
|
|
|
Таблица 8.6 |
|
|
Рекомендуемые скорости перекачки нефтепродуктов |
||
|
|
|
||
Кинематическая вязкость неф- |
Средняя скорость, м/с |
|||
тепродуктов ν ·106, |
для всасывания |
для нагнетания |
||
|
|
м2/с |
||
1,0 – 1,4 |
1,5 |
2,5 |
||
11,4 |
– |
28,4 |
1,3 |
2,0 |
28,4 |
– |
74,0 |
1,2 |
1,3 |
74,0 |
– |
148,2 |
1,1 |
1,2 |
148,2 |
– 444,6 |
1,0 |
1,1 |
|
444,6 |
– 889,2 |
0,8 |
1,0 |
|
По сортаменту на трубы подбирается ближайший больший наруж- ный диаметр трубы.
Фактический внутренний диаметр трубопровода будет равен
|
|
|
dвн = dн - 2 × δ, |
|
|
(8.34) |
|||||||
где |
dвн |
– |
наружный диаметр трубы, м; |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
δ – |
толщина стенки трубы, м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фактическая скорость движения жидкости в трубопроводе |
|
|||||||||||
|
|
|
u |
= |
4 ×Q |
. |
|
|
|
(8.35) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
ф |
|
p × dвн |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Общие потери напора в трубопроводе равны |
|
|||||||||||
|
|
|
H = hтр + hск + |
z , |
(8.36) |
||||||||
где |
hтр – |
потери напора на трение в трубопроводе, м; |
|
||||||||||
|
hск |
– |
скоростной напор, м; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z – |
разность нивелирных отметок конца и начала трубопровода, м. |
|||||||||||
|
Потеря напора на трение в трубопроводах определяются по формуле |
||||||||||||
Дарси – Вейсбаха |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
= l × |
l |
|
|
× |
u |
2 |
|
|
|
|
|
|
h |
пр |
|
|
ф |
, |
(8.37) |
||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
тр |
|
|
dвн |
|
2 |
× g |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
где |
λ – |
коэффициент гидравлического сопротивления; |
|
||||||||||
|
lпр |
– |
приведенная длина трубопровода, м. |
|
|
|
|||||||
30