§ 3. Остывание нефтепродуктов в трубопроводах

Большое практическое значение имеет умение рассчитать время охлаждения нефтепродукта в остановленном «горячем» трубопроводе. «Горячие» трубопроводы, работающие периодически, должны быть освобождены или заполнены незастывающим маловязким нефтепродуктом. Если по каким-либо причинам это не сделано, то по истечении определенного времени вязкость нефтепродукта может возрасти настолько, что допускаемого рабочего давления в трубе окажется недостаточным для возобновления перекачки.

Для экономии эксплуатационных расходов, связанных с замещением нефтепродуктов в трубопроводе, иногда можно на определенное время оставлять нефтепродукт в остановленном трубопроводе, если по известному графику периодичности работы трубопровода за время остановки нефтепродукт не охладится иже допускаемой температуры t_к, при которой напряжения сдвига потока не превысят допускаемой прочности трубопровода (иногда это напряжение определяется не прочностью материала трубы, а прочностью корпуса насоса или арматуры — задвижки, клапана). Зная характер изменения температуры потока во времени, можно найти критическое значение температуры t_к и соответствующую ей допустимую продолжительность остановки трубопровода.

Эти критические температуры помимо физических свойств нефтепродукта зависят еще от материала трубы и протяженности трубопровода, а поэтому должны быть заранее рассчитаны при проектировании данного трубопровода.

Охлаждение подземного нефтепровода до заданной температуры tк

Сложный процесс охлаждения нефтепродуктов в подземных трубопроводах зависит от другого, не менее сложного процесса — от охлаждения массы грунта, окружающего трубопровод.

Задача об охлаждении подземных трубопроводов была решена В. И. Черникиным для случая постоянной производительности перекачки.

Процесс нагрева системы грунт — трубопровод в основном определяется скоростью нагрева массы грунта, окружающего трубопровод, так как тепло - содержание нефтепродукта, находящегося в трубопроводе, мало по сравнению теплом, аккумулированным в грунте, и им можно пренебречь. Грунт вокруг трубопровода считается изотропным, а физические константы его неизменными. Температурное поле Земли не учитывается. Отсюда следует, что процесс охлаждения нефтепродукта определяется лишь скоростью охлаждения грунта. При :-тих ограничениях время охлаждения нефтепродукта в трубопроводе τ от начальной температуры t_н до заданной температуры t_к находится по формуле

(6.19)

где t_о — температура грунта на глубине заложения трубопровода; h₀ — глубина заложения трубопровода (до оси); R₂ — наружный радиус трубопровода; Е_i — знак интегральной показательной функции; Fo — критерий Фурье

а — коэффициент температуропроводности, характеризующийся скоростью изменения температуры в неравномерно нагретом теле (молекулярным переносом внутренней энергии тела)

Формула (6.19) дает несколько завышенное значение τ, так как при выводе ее тепловой ноток по длине трубы был принят постоянным, что может быть допущено только для коротких нефтебазовых трубопроводов.

Известно также несколько экспериментальных формул для определения т. Из них наиболее предпочтительной является

(6.20)

Здесь

α_г-в — коэффициент теплоотдачи от поверхности грунта в атмосферу. Для практических расчетов α_г-в = (10 ÷ 15) · 10^-3 кВт (м²·°С); z — коэффициент, зависящий от отношения (см. таблицу):

Z	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	1,0	1,2	1,45
100	20,0	13,5	10,0	8.2	6,8	5,5	4,5	3,6	2,5	1,6	1.0

Охлаждение наземного трубопровода до заданной температуры t_к

Задача об охлаждении наземного трубопровода решается при следующих упрощающих положениях:

1)тепловое сопротивление трубопровода =const;

2. в период охлаждения α₂ = const;

3. температура окружающей среды t_о = const.

При охлаждении остановленного трубопровода уравнение теплового баланса от нефтепродукта в окружающую среду, отнесенное к единице длины (для неизолированного трубопровода), может быть записано так:

где t — температура нефтепродукта; t_о — температура окружающей среды.

Значение внутреннего коэффициента теплоотдачи α₁ определяется по эмпирической формуле

(6.21)

где λ_тр — коэффициент теплопроводимости материала трубы.

Значения коэффициентов ε и n даны в табл. 6.3

Таблица 6.3