книги из ГПНТБ / Рабинович, Е. З. Гидравлика учебник

Отметим, что в тех случаях, когда отдельные участки трубопро­ вода лежа в разных плоскостях, при суммировании характеристик необходимо учитывать также разность высот между начальной и конечной точками указанных участков.

Изложенный здесь метод построения характеристик справедлив также и для ламинарного режима. Однако при ламинарном режиме, как это следует из предыдущего, между потерей напора и расходом существует линейная зависимость

AH = B'Q,

и поэтому характеристика трубопровода в этом случае представит собой прямую линию. Отсюда следует, что, так как при малых рас­ ходах в любом трубопроводе имеет место ламинарный режим, харак­ теристика трубопровода в общем случае должна была бы всегда состоять из некоторого небольшого прямолинейного участка для ламинарного режима (при малых Q) и параболы для турбулентного режима. Практически, однако, за исключением особых случаев, рабочий участок характеристик находится в области турбулентного режима, поэтому их принято изображать в виде одних параболиче­ ских кривых, как это и было сделано нами выше.

§ 72. СИФОННЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ

Сифонным трубопроводом (сифоном) называется такой самотеч­ ный трубопровод, часть которого располагается выше уровня жид­ кости в сосуде (резервуаре), из которого происходит подача жид­ кости. Простейшая схема сифонного трубопровода может быть пред­ ставлена в виде изогнутой, опрокинутой U-образной трубы, соединя­ ющей два сосуда А я В (рис. 178), в которой за счет существования разности уровней Аг происходит движение жидкости из верхнего сосуда в нижний.

Сифонные трубопроводы имеют весьма широкое применение на практике. Их используют, например, в качестве водосбросов гидро­ технических сооружений, для слива нефтепродуктов из цистерн, опорожнения водоемов, применяют при прокладке водоводов через возвышенности и т. д. В водоснабжении иногда применяются особые

2 3 3

конструкции сифонных трубопроводов, называемые сифонными водо­ сборами. Они предназначаются для подвода воды от буровых сква­ жин к сборной камере при неглубоком расположении уровней воды в скважинах от поверхности земли. Сифонные водосборы предста­ вляют собой весьма сложные сооружения; на рис. 179 представлена схема подобного водосбора, питаемого тремя скважинами.

Для приведения сифона в действие из него необходимо предва­ рительно удалить воздух и создать в нем первоначальное разреже­ ние. Обычно это достигается путем отсасывания воздуха воздушным насосом из верхней части сифона. При этом благодаря создаваемому в этом сечении разрежению жидкость из сосуда А поднимается по левой всасывающей ветви сифона и перетекает в расположенный ниже сосуд В. В других случаях пуск осуществляется заполнением сифона жидкостью извне, например водой из водопровода, включе­ нием в сифонный трубопровод самоизливающейся фонтанирующей скважины и т. д. Приведенный таким образом в действие сифон при надлежащей плотности стыков труб продолжает работать как трубо­ провод и обеспечивает бесперебойное перетекание жидкости из одного сосуда в другой.

Из предыдущего следует, что сифонный трубопровод предста­ вляет собой трубопровод, работающий под разрежением (вакуумом). Наличие разрежения вызывает выделение из движущейся жидкости растворенного в ней воздуха, а при значительном разрежении может привести и к испарению самой жидкости. Поэтому для нормальной работы сифонного трубопровода необходимо, чтобы минимальное давление в нем, соответствующее наибольшему разрежению, не снижалось до такого давления, при котором начинается выделение паров жидкости, так как их наличие неизбежно повлекло бы за собой разрыв столба жидкости, а следовательно, и срыв работы всего сифонного устройства (выполнение этого условия является обязательным вообще для всех трубопроводов, находящихся под вакуумом, в частности, например, для всасывающих трубопроводов насосных установок).

Гидравлический расчет сифонных трубопроводов принципиально ничем не отличается от расчета обычных трубопроводов. Так, для сифонного трубопровода, работающего по схеме, изображенной на рис. 178, так же как и в задаче о простом трубопроводе, составляется

АН — Az = z a — z b = ' £ 1 hA. B-

Расход определяется по уравнению

<?= Рс/ / 2 g АН

234

а в случае, когда местными потерями можно пренебречь,— по фор­ муле

Q = K y ^ j L .

Если сифонный трубопровод представляет собой разветвленный трубопровод (см. рис. 179), питаемый из нескольких источников, гидравлический расчет производится на основании соображений, изложенных в § 70, о расчете разветвленных трубопроводов, и также не представляет особых трудностей.

Следует иметь в виду, что вследствие влияния воздуха, выделяющегося из жидкости и движущегося вместе с ней по сифону в виде мелких пузырьков, потери напора, исчисленные по обычным формулам гидравлики, всегда оказы­ ваются несколько меньше действительных. Поэтому при значительной длине сифонного трубопровода потери напора рекомендуется определять по специаль­ ным формулам как для двухфазной жидкости (смесь жидкости и пузырьков воздуха) или же увеличивать потери напора, вычисленные обычным путем, при­ мерно на 15—20%.

Проверка давления в сифонных трубопроводах также осущест­ вляется по обычным уравнениям гидравлики. Давление в любом сечении, например в сечении х — х (см. рис. 178), может быть опре­ делено путем составления уравнения Бернулли для этого сечения и сечения, совпадающего со свободной поверхностью жидкости в сосуде А . Имеем

или, пренебрегая скоростными напорами ввиду их малости по срав­ нению с другими величинами, получаем

<6-30>

Обязательным является определение давления в наиболее высоко расположенной части сифонного трубопровода, где, как правило, имеет место наибольшее разрежение. Для уменьшения разрежения в указанных сечениях может оказаться целесообразным увеличить сопротивление в нисходящей части сифона, что может быть осуще­ ствлено, например, путем установки задвижки за этими сечениями. При этом следует иметь в виду, что введение задвижки одновременно вызовет некоторое снижение расхода жидкости.

Для определения минимально допустимого давления в каждом отдельном случае необходимо учитывать максимально возможную температуру жидкости, минимальное барометрическое давление в месте сооружения сифона и упругость паров движущейся по си­ фону жидкости в зависимости от температуры.

235

Теоретически для нормальной работы сифонного трубопровода, так же как и всасывающих трубопроводов насосных установок (см. стр. 97), необходимо, чтобы минимальное давление в нем было всегда больше упругости паров жидкости при данной температуре

для воды не менее 0,2—0,3 ата при нормальных температурных усло­ виях. Указанному значению, как это следует из уравнения (6.30), отвечает наибольшая возможная высота расположения наивысшей точки сифона над свободной по­ верхностью жидкости в верхнем сосуде (так называемая высота всасывания), равная примерно 7 м.

Весьма наглядным и удобным для проверки давления в сифоне является графический прием, за­ ключающийся в построении пьезо­ метрической линии.

Пусть, например, дан продоль­ ный профиль сифонного трубопро­ вода одинакового по всей длине диаметра без местных сопротивле­

нии фис. гои;, па своооднои поверхности жидкости в водоемах давление известно и равно атмосферному. Изобразим соответству-

ющие этому давлению пьезометрические напоры —Р а вертикальными

Рё

отрезками Аа — в начале и ВЬ — в конце сифона. Так как в данном случае падение напора вдоль трубопровода происходит по прямой линии (i = const), соединим концы этих отрезков прямой аЪ, кото­ рая и представит собой пьезометрическую линию. Отложим затем в начальном сечении сифона отрезок ааг, соответствующий упругости паров жидкости At, и проведем на этом расстоянии от пьезометри­ ческой линии прямую ахЬ1: параллельную линии аЪ. Из изложен­ ного очевидно, что условие (6.31), необходимое для нормальной работы сифонного трубопровода, будет удовлетворяться только в тех случаях, когда эта вторая прямая не пересечет профиль трубопро­ вода.

§73. КАВИТАЦИЯ

Ка в и т а ц и е й (от латинского слова «кавитас» — полость) называется образование в движущейся жидкости полостей, заполнен­ ных паром или воздухом (газом). Кавитация возникает в тех случаях,

2 3 6

когда давление в каких-либо местах потока снижается настолько, что становится меньше давления насыщения, т. е. давления^-соот­ ветствующего испарению жидкости при данной температуре.

Явление кавитации может наблюдаться, например, в сифонных трубопроводах, где ее появление обусловливается геометрической конфигурацией и принципом действия самого трубопровода, основ­ ной своей частью находящегося под давлением, меньшим чем атмо­ сферное; кавитация может иметь место также и при работе быстро­ ходных гидравлических турбин, центробежных насосов и гребных винтов. В этих случаях причиной кавитации является возникнове­ ние больших местных скоростей, ведущих к понижению давления. Если при этом давление оказывается меньше упругости паров, в соответствующих местах потока начинается бурное испарение жидко­ сти, она начинает кипеть и в ней образуются кавитационные полости, состоящие из пузырьков, заполненных паром. Если затем при даль­ нейшем движении потока давление в нем повышается, происходит конденсация пара, обычно сопровождаемая резким треском, и кави­

незначительно, давление в суженном сечении р2 может оказаться меньше, чем упругость паров. Как показывает опыт, за этим сече­ нием основная масса жидкости движется в виде свободной струи, сопровождаемой по бокам пенообразной смесью, состоящей из пузырьков пара и жидкости. Дальше в каком-то сечении происхо­ дит внезапное замедление движения и жидкость полностью запол­ няет все сечение. Давление здесь повышается, образовавшиеся ранее пузырьки пара сталкиваются друг с другом и конденсируются.

В современных гидравлических турбинах, центробежных насо­ сах, гребных винтах, обычно работающих при больших числах

237

оборотов, в отдельных местах рабочих лопаток и лопастей созда- * ются очень большие скорости движения жидкости, также благо­ приятствующие возникновению кавитации. Кавитация оказывает очень вредное действие на работу этих установок: вызывает недопу­ стимо большие их колебания, увеличивает потери энергии на трение, т. е. снижает коэффициент полезного действия, и, что наиболее опасно, приводит к разъеданию металла.

Разъедание металла вследствие кавитации — кавитационная кор­ розия металла — обычно наблюдается в тех местах потока, где происходит повышение давления, сопровождающееся столкновением пузырьков пара и его конденсацией.

При этом вследствие мгновенных, быстро чередующихся процес­ сов сжатия отдельных пузырьков здесь возникают оченъ большие местные импульсивные давления (в несколько сотен и даже тысяч атмосфер), приводящие к весьма коротким и интенсивным ударам, разрушающим металл, сначала выкрашивая его зерна с поверхности, а затем быстро распространяясь вглубь. К этим чисто механическим ударным действиям присоединяются часто химические действия на металл выделяющегося из жидкости воздуха, обогащенного кисло­ родом, а в отдельных случаях также и электролитические действия. В результате всех этих явлений, особенно если кавитация длится продолжительное время, происходит разъедание металла, из него выпадают отдельные кусочки, и он принимает на большую глубину губчатую структуру.

С целью предотвратить появление кавитации лопатки и лопасти проектируют в форме слабо изогнутых профилей со скругленными входными и выходными кромками и применяют для их изготовления особые, стойкие против коррозии, материалы (например, стали с до­ бавкой хрома и никеля) с тщательно, по возможности, обработан­ ными поверхностями.

§ 74. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В ТРУБАХ

Под гидравлическим ударом понимают резкое увеличение давле­ ния в трубопроводах при внезапной остановке движущейся в них жидкости. Гидравлический удар может иметь место, например, при быстром закрытии различных запорных приспособлений, устанавли­ ваемых на трубопроводах (задвижка, кран), внезапной остановке насосов, перекачивающих жидкость, и т. д. Особенно опасен гидра­ влический удар в длинных трубопроводах, в которых движутся значительные массы жидкости с большими скоростями. В этих слу­ чаях, если не принять соответствующих предупредительных мер, гидравлический удар может привести к повреждению мест соедине­ ний отдельных труб (стыки, фланцы, раструбы), разрыву стенок трубопровода, поломке насосов и т. п.

Для выяснения явлений, происходящих при гидравлическом ударе, рассмотрим горизонтальный трубопровод постоянного диа­ метра, по которому со средней скоростью v движется жидкость.

238

Если быстро закрыть установленную на таком трубопроводе задвиж­ ку, то слой жидкости, находящийся непосредственно у задвижки, должен будет в момент ее закрытия остановиться, а давление — увеличиться (вследствие перехода кинетической энергии в потенци­ альную энергию давления). Так как жидкость сжимаема, то оста­ новка всей ее массы в трубопроводе не происходит мгновенно; гра­ ница объема, включающего в себя остановившуюся жидкость, пере­ мещается вдоль трубопровода с некоторой скоростью с, называемой скоростью распространения волны давления. Рассмотрим (рис. 182) прилежащую к задвижке часть объема

ления Ар. Импульс силы, действовавший в течение АТ , равен ApF АТ; приравнивая его изменению количества движения за это же время, получаем

ApF АТ = рF ASv,

по которой определяется величина повышения давления при гидра­ влическом ударе.

Далее останавливается ближайший к первому — второй слой жидкости, на который давят следующие слои, и т. д. Таким образом, постепенно повышенное давление, возникшее первоначально непо­ средственно у задвижки, распространяется по всему трубопроводу против течения жидкости со скоростью с.

Если давление в начале трубопровода сохраняется неизменным (как, например, в случае, когда трубопроводом забирается вода из открытого бассейна с большой площадью поверхности), то после достижения ударной волной начального сечения трубы в ней нач­ нется обратное перемещение ударной волны с той же скоростью с, примем это будет уже волна понижения давления. Одновременно в трубе возникает движение жидкости по направлению к начальному сечению. По достижении ударной волной сечения у задвижки давле­ ние здесь снижается и делается меньшим, чем первоначальное давле­ ние до удара; после этого начинается перемещение ударной волны, но уже волны понижения в направлении к началу трубопровода. Циклы повышений и понижений давления будут чередоваться через

23Э

промежутки времени, равные времени двойного пробега ударной волной длины трубопровода от задвижки до начала трубопровода.

Таким образом, при гидравлическом ударе жидкость, находя­ щаяся в трубопроводе, будет совершать колебательные движения, которые в силу гидравлических сопротивлений, поглощающих перво­ начальную энергию жидкости на преодоление трения, будут зату­ хающими.

Скорость распространения ударной волны зависит от рода жид­ кости, материала трубы, ее диаметра и толщины стенок и опреде­ ляется следующим выражением:

здесь К — модуль упругости жидкости, т. е. величина, обратная коэффициенту сжимаемости; р — плотность жидкости; Е — модуль упругости материала трубы; d — внутренний диаметр трубы; б — толщина стенок трубы.

Если считать материал трубы абсолютно неупругим (Е = оо), выражение для скорости с принимает вид

с=

искорость распространения ударной волны в этом случае равна скорости распространения звука в жидкости.

Значения Е для некоторых наиболее применяемых материалов труб приведены в табл. 50.

Для воды скорость распространения ударной волны может быть подсчитана по формуле

240

В частном случае для обычных чугунных водопроводных труб приближенно можно принять

Лр = (Ю-^14) v,

где при v, выраженном в м/с, р получается в атмосферах.

Таким образом, в этом случае ударное давление составляет 10 ч- -г- 14 атмосфер на каждый метр потерянной скорости жидкости.

Для борьбы с гидравлическим ударом применяются различного рода устройства, увеличивающие время закрытия задвижек и кранов; на трубопроводах устанавливаются также автоматически действу­ ющие предохранительные клапаны и воздушные колпаки, которые располагаются перед задвижками и играют роль своеобразных воз­

преодолевая сопротивление пружины; при понижении давления пружина заставляет поршень опускаться вниз. Перемещения поршня индикатора, вызываемые изменением давления в трубе, записы­ ваются пишущим штифтом F (перо или карандаш), связанным системой рычагов с выступающим концом штока индикатора, на вращающемся с постоянной угловой скоростью барабане G. Оче­ видно, что на получающейся таким образом индикаторной диаграмме по вертикали будут отложены величины, пропорциональные давле­ нию в месте установки индикатора, а по горизонтали — пропорцио­ нальные времени.

Одна из подобных индикаторных диаграмм, снятых при гидравли­ ческом ударе, изображена на рис. 183, б. На этой диаграмме ниж­ няя прямая 1—1 соответствует атмосферному давлению, верхняя прямая 2—2 — статическому давлению (при покоящейся жидкости), средняя прямая 3—3 — динамическому давлению перед моментом закрытия задвижки; линия, представляющая собой чередующиеся друг за другом выступы и впадины, есть линия давления при гидра­ влическом ударе (после закрытия задвижки).

241

Ударное давление измеряется по диаграмме отрезком а по вер­ тикали от динамической линии до горизонтальной части выступа; скорость распространения ударной волны по данным, взятым из

диаграммы, будет с == г , где Т — время, соответствующее рас­

стоянию Ъ на индикаторной диаграмме.

§ 75. МАГИСТРАЛЬНЫЕ НЕФТЕПРОВОДЫ!

Современные магистральные нефтепроводы представляют собой весьма сложные инженерные сооружения. Они являются связующим звеном между районами добычи и пунктом переработки и потребле­ ния нефти. В тех случаях, когда по трубопроводам перекачиваются продукты переработки нефти (бензин, керосин и т. д.), их принято называть продуктопроводами.

Протяженность магистральных нефтепроводов определяется де­ сятками и сотнями, а в отдельных случаях и тысячами километров; диаметры труб достигают значений до 1200 мм и более, а объемы перекачки нередко составляют десятки тысяч тонн в сутки.

Магистральные нефтепроводы состоят из следующих основных объектов: насосных станций, резервуарных парков и линейной части — собственно трубопровода.

В настоящем параграфе рассматриваются некоторые специфиче­ ские особенности работы и гидравлического расчета магистральных нефтепроводов.

Гидравлический расчет начинают обычно с определения опти­ мального диаметра трубопровода, обеспечивающего заданный объем перекачки.

Общие указания о решении этой задачи, исходя из технико-эко­ номических соображений, были рассмотрены ранее (см. § 68).

Полученное таким образом значение диаметра округляется затем до ближайшей стандартной величины; при этом устанавливают также материал трубы и толщину ее стенки.

1 Написан совместно с П. Б. Кузнецовым.

242