5.2.2 Гидравлические потери и гидравлические режимы перекачки

Потери энергии, т.е. уменьшение гидравлического напора, можно наблюдать в движущейся жидкости не только на сравнительно длинных участках, но и на достаточно коротких. В соответствии с этим гидравлические потери энергии делятся на два типа: потери на трение по длине трубопроводов h_тр и местные потери h_м, вызванные такими элементами трубопроводов, в которых вследствие изменения размеров или конфигурации русла происходит изменение скорости потока, отрыв потока от стенок русла и возникновение вихреобразования. Источником потерь во всех случаях является вязкость жидкости.

Доля потерь на местных сопротивлениях в общей величине гидравлических потерь невелика, в связи с тем, что по нормам проектирования расстояния между линейными задвижками составляют 15…20 км, а повороты и изгибы трубопровода плавные. Согласно [1–3, 25–27] с учетом многолетнего опыта эксплуатации трубопроводов с достаточной для практических расчетов точностью можно принять, что потери напора на местные сопротивления составляют 1…3% (в среднем 2%) от линейных потерь, т.е. величину гидравлических потерь в магистральном трубопроводе можно записать как 1,02h_тр.

Потери напора на трение по длине в трубопроводе определяют по формуле Дарси-Вейсбаха

, (5.5)

где  – коэффициент гидравлического сопротивления или коэффициент Дарси;

L_р – расчетная длина нефтепровода, м.

Коэффициент гидравлического сопротивления, а, следовательно, и потери напора по длине существенным образом зависят от так называемого режима течения жидкости, который определяется числом Рейнольдса, которое характеризует соотношение сил инерции и вязкости в потоке и вычисляется по формуле

, (5.6)

При значениях Re<2040 согласно [2, 14] (в классической гидравлике для воды Re<2320 [9, 10]) имеет место ламинарный режим – слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления, при этом для вычисления  используется формула Стокса (см. табл. 5.1).

При значениях Re=2040–2800 имеет место переходный турбулентный режим течения – неустойчивое движение жидкости, характеризующееся возникновением вихрей в потоке, при этом  определяют по формуле, представленной в таблице 5.1 [7] или по формуле Гинзбурга [9, 23]. Однако в связи с неустойчивостью переходного турбулентного режима течения проектировать трубопроводы в нём не рекомендуется.

Таблица 5.1

Значения коэффициентов , m,  для различных режимов и зон течения жидкости в трубопроводе круглого сечения

Режим течения		Значение коэффициента
			m	, с2/м
Ламинарный			1	4,15
Переходный турбулентный			–1,02	1,4110–6
Развитый турбулентный	зона гидравлически гладких трубы		0,25	0,0246
	зона смешанного трения		0,1
	зона квадратичного трения		0

При значениях Re>2800 имеет место турбулентный режим течения, который сопровождается интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скоростей и давлений. При турбулентном течении  зависит от числа Рейнольдса и шероховатости внутренней поверхности трубы.

Область турбулентного течения подразделяется на три зоны:

• при 2800<Re<Re₁ гидравлически гладких труб, для которого  определяется по формуле Блазиуса (см. табл. 5.1);

• при Re₁<Re<Re₂ смешанного трения, для которого  определяется по формуле Альтшуля (см. табл. 5.1) или по следующей зависимости [7, 14]

, (5.7)

где B – коэффициент шероховатости, определяемый по таблице 5.2.

• при Re>Re₂ квадратичного (шероховатого) трения, для которого  определяется по формуле Шифринсона (см. табл. 5.1).

Значения переходных чисел Рейнольдса Re₁ и Re₂ можно определить приравняв соответствующие зависимости из табл. 4.1 (формулы Блазиуса и Альтшуля, а также формулы Альтшуля и Шифринсона), тогда согласно [2] получим следующие значения

, (5.8)

где  – относительная шероховатость трубы, ;

Δ_Э – эквивалентная абсолютная шероховатость стенки трубы, зависящая от материала и способа изготовления трубы, а также от ее состояния. Для нефтепроводов после нескольких лет эксплуатации можно принять Δ_Э=0,2 мм.

Таблица 5.2

Наружный диаметр, мм	Re110-3	Re210-3	Коэффициент шероховатости, В10-4
108	6	400	180
159	10	700	164
219*	13	1000	157
273	16	1200	151
325	18	1600	147
377	28	1800	143
426	56	2500	134
530	73	3200	130
630	90	3900	126
720	100	4500	124
820	110	5000	123
920	115	5500	122
1020	120	6000	121
1220	125	6800	120
Примечание – для труб диаметром до 377 мм включительно принята средняя абсолютная шероховатость 0,125 мм, для труб большого диаметра – 0,1 мм

Если в выражение (5.5) подставить значение  по формулам Стокса, Блазиуса и Шифринсона, а скорость выразить через расход, то получим обобщённую формулу Л.С. Лейбензона

, (5.9)

где  и m – числовые коэффициенты, постоянные для каждой зоны трения (см. табл. 5.1).

Достоинством формулы (5.9) является то, что зависимость потерь напора на трение от расхода и вязкости нефти, а также от диаметра трубопровода выражена в явном виде для данного режима течения и удобна для анализа влияния различных факторов на потери напора в трубопроводе. Подставив (5.4) в (5.9) получим выражение для определения пропускной способности МН

. (5.10)