Тема 15 Закрепление трубопроводов анкерными устройствами

Основные вопросы темы:

15.1 Целесооб­разность закрепления трубопроводов винтовыми анкерными устройствами

15.2 Производство работ при закреплении трубопровода винтовыми анкерными устройствами

 

15.1 Целесооб­разность закрепления трубопроводов винтовыми анкерными устройствами

 

Закрепление винтовыми анкерными устройствами целесооб­разно применять при сооружении трубопроводов через обвод­ненные и заболоченные участки, глубокие болота, заливаемые поймы рек и на переходах через малые водные преграды. Ан­керные устройства имеют незначительную собственную массу, их можно быстро доставить на удаленные участки переходов, применение анкерных устройств позволяет значительно снизить затраты на балластировку трубопроводов. Схема закрепления трубопровода винтовым анкерным устройством представлена на рисунке 15.1.

Рисунок 15.1 - Схема закрепления трубопровода винтовым анкерным устройством

 

Винтовое анкерное устройство состоит из двух или несколь­ких винтовых анкеров 1, соединительного хомута 3, футеровочного мата 5 и прокладки из нескольких слоев бризола 4, на­кладываемой на трубопровод 2.

Завинчивание анкеров в торф не допускается. Глубина завинчивания анкеров принимается рав­ной пяти-восьми диаметрам его лопасти. Минимальная глубина заложения лопастей анкеров в минеральный грунт должна быть не менее пяти диаметров лопасти в глинистых грунтах и шести диаметров лопасти — в песчаных.

Расстояния между анкер­ными устройствами зависят от несущей способности анке­ра, допускаемых напряжений и деформаций трубопровода.

При строительстве трубо­провода несущую способность анкеров уточняют по данным контрольных выдергиваний или по величине крутящего - момента, возникающего при завинчивании сваи. По крутящему моменту определяют несу­щую способность анкера на различной глубине завинчивания.

 

15.2 Производство работ при закреплении трубопровода винтовыми анкерными устройствами

 

При закреплении трубопроводов винтовыми анкерными устройствами выполняются следующие работы: доставка анке­ров на трассу, изоляция стержней, подготовка футеровочных матов и хомутов, выполнение контрольных выдергиваний, за­винчивание анкеров в грунт, погружение трубопровода на про­ектные отметки, наложение прокладки из нескольких слоев бризола и футеровочного мата и соединение хомута со стерж­нями анкеров.

Для выполнения контрольных выдергиваний на грузовой крюк крана-трубоукладчика навешивают динамометр и захват­ное приспособление. Максимальная нагрузка на анкер (предель­ное сопротивление основания анкера) определяется по макси­мальному показанию динамометра, которое возникает при рез­ком возрастании перемещений вверх до 0,1 диаметра лопасти анкера и незначительном увеличении нагрузки.

Завинчивание анкеров в грунт может выполняться с по­мощью рычажных устройств вручную или специальными ма­шинами. Ручной способ завинчивания анкеров отличается боль­шой трудоемкостью и может быть рекомендован только в осо­бых случаях.

Пневматические заглубители анкеров ПЗА-1 и ПЗА-2 позво­ляют завинчивать анкеры с диаметром лопасти 100—250 мм. Они состоят из рамы, пневматических вращателей, работающих от компрессора, и инвентарной штанги; создаваемый ими кру­тящий момент — соответственно 100 и 250 кгс-м, а масса — 30 и 50 кг.

 

Вопросы для самопроверки:

1. Целесообразность применения анкерных устройств

2. Конструкция анкерного устройства

3. Принцип закрепления трубопровода винтовым анкерным устройством

4. Пневматические заглубители анкеров

 

 

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

Практическая работа №1

Тема: Физические свойства нефтей и нефтепродуктов. Плотность жидкости

Методические указания:

Физические свойства нефтей и светлых нефтепродуктов, имеющие существенное значение для организации технологического процесса их транспортировки по трубопроводам, характеризуются плотностью ρ, а также динамической μ и кинематической ν вязкостями.

Плотность жидкости. Плотность ρ представляет собой массу жидкости в единице объема. Размерность плотности дается формулой М/ L³. Единицей измерения плотности в системе СИ служит 1 кг/м³. Например, плотность бензинов составляет 730 − 760 кг/м³, керосинов 780-830 кг/м³, дизельных топлив 840 − 850 кг/м³, нефтей – 840 − 960 кг/м³.

При изменении давления и температуры плотность нефти или нефтепродукта также изменяется, поэтому ρ есть функция от давления p и температуры T, так что ρ = ρ(p,T). Для расчета плотности в зависимости от температуры используется формула

 

ρ(T) =ρ ₂₀ [1 + ξ (20 − T)] (1)

 

в которой ξ (1/⁰С) - коэффициент объёмного расширения; T − температура (⁰С), а ρ₂₀ − плотность жидкости при нормальных условиях (T= 20⁰C, p ₀ = p _атм = 0,1013, МПа.)

Для нефти и нефтепродуктов значения коэффициента ξ представлены в таблице 1.

Из формулы (1) следует, что в тех случаях, когда T > 20⁰ С, ρ < ρ₂₀, а в тех случаях, когда T < 20⁰ С, ρ > ρ₂₀.

Таблица 1

Значения коэффициента ξ для нефти и нефтепродуктов

Плотность ρ, кг/м^3	Коэффициент ξ, 1/ ^0C
700-719	0,001225
720-739	0,001183
740-759	0,001118
760-779	0,001054
780-799	0,000995
800-819	0,000937
820-839	0,000882
840-859	0,000831
860-879	0,000782
880-899	0,000734
900-919	0,000688
920-939	0,000645
780-799	0,000995

Для расчета плотности нефти или нефтепродукта в зависимости от давления используется формула

ρ (p) = ρ ₂₀ [1+ β (p − p _атм)] = ρ₂₀ [1+ ] (2)

в которой β (1/Па) называется коэффициентом сжимаемости, а K = 1 /β (Па) - модулем упругости жидкости.

Средние значения модуля K упругости для бензинов составляют ≈ 10⁹ Па (1000 МПа); для керосинов, дизельных топлив и нефтей ≅1,5⋅10⁹ Па (1500 МПа).

Используется также обобщенная формула, учитывающая как барическое, так и тепловое расширение:

ρ (p, T) =ρ₂₀ [1+ ξ⋅ (20− T) + ] (3)

Задачи

1. Плотность нефти при температуре 20⁰С равна 845 кг/м³. Вычислить плотность той же нефти при температуре 5⁰С.

Ответ. 855,5 кг/м³.

2. Плотность нефти при температуре 5⁰С составляет 875 кг/м³. Вычислить плотность той же нефти при температуре 20 ⁰С.

Ответ. 864,9 кг/м³.

3. Плотность зимнего дизельного топлива при температуре 12 ⁰С составляет 840 кг/м³. Какова будет его плотность при температуре 18 ⁰С?

Ответ. 835,6 кг/ м³.

4. Температура авиационного керосина ТС-1 с номинальной плотностью ρ₂₀ = 825 кг/м³ опустилась на 8 ⁰С. На сколько % увеличилась его плотность?

Ответ. На 0, 71 %.

Практическая работа №2

Тема: Физические свойства нефтей и нефтепродуктов. Вязкие свойства жидкостей

Методические указания:

Вязкие свойства жидкостей. Для характеристик свойств нефти и нефтепродуктов учитываются касательные напряжения τ, возникающие на площадках dσ, разделяющих слои жидкости, движущиеся с различными скоростями u(y).

Если для характеристик свойств нефти или нефтепродукта используется модель вязкой ньютоновской жидкости, то касательное напряжение τ полагается пропорциональным разности скоростей этих слоев, рассчитанной на единицу расстояния между ними:

 

τ=μ·du/dy (4)

 

Касательное напряжение τ определяется как сила трения между слоями жидкости, разделенными выбранной площадкой, отнесенная к площади этой площадки:

[ τ ] = =

Единицей измерения τ в системе СИ является Паскаль (Па) или кг/(м ⋅с²).

Коэффициент μ пропорциональности в законе (4) вязкого трения называется коэффициентом динамической вязкости.

Размерность этого коэффициента такова:

 

[ μ ] = [ τ ] · T =M / L ·T

 

Единицей измерения μ в системе СИ является Пуаз, при этом 1 Пз = 1/ 10 кг/(м ⋅с). В частности, коэффициент динамической вязкости воды равен 0,01 Пз = 0,001 кг/(м ⋅с) или 1 сантиПуаз.

Коэффициент ν кинематической вязкости жидкости определяется как отношение μ /ρ:

 

[ ν ] =[ μ/ρ ] =

 

Единицей измерения ν в системе СИ является Стокс, при этом 1Ст = 10^-4 м²/с. В частности, коэффициент кинематической вязкости воды равен 0,01 Ст = 10^-6 м²/с = 1 санти Стокс (сСт). Кинематическая вязкость бензина составляет примерно 0,6 сСт; дизельного топлива - 4 − 9 сСт; маловязкой нефти - 10 −15 сСт и т.д.

Вязкость нефти и почти всех нефтепродуктов зависит от температуры. При повышении температуры вязкость уменьшается, при понижении - увеличивается.

Задачи

5. Уровень нефти (ρ₂₀ = 850 кг/ м³) в вертикальном цилиндрическом резервуаре составлял утром 9 м, считая от дна резервуара. Определить, на сколько изменится этот уровень днем, когда средняя температура жидкости увеличится на 7 ⁰С.

Ответ. Повысится на 5,23 см.

6. Температура нефти (ρ₂₀ = 870 кг/ м3) в вертикальном цилиндрическом резервуаре уменьшилась за сутки на 10 ⁰С.

На сколько изменится уровень жидкости в резервуаре, если известно, что первоначально он составлял 6 м?

Ответ. Опустится на 4, 7 см.

7. Автомобильный бензин А-80 (ρ₂₀ = 730 кг/ м³) хранится при температуре T₀= 15⁰ С в горизонтальной цилиндрической цистерне с диаметром котла 5 м и протяженностью 50 м. Горловина цистерны представляет собой вертикальный цилиндр с диаметром 2 м и высотой 3 м. Уровень бензина в горловине цистерны находится на 1 м ниже ее верхнего края. Определить, на сколько этот уровень понизится, если температура топлива уменьшится на 5⁰С.

Ответ. На 1,84 м.

8. Автомобильный бензин (ρ₂₀ = 730 кг/м³) в цистерне бензовоза нагрелся на 25 ⁰С, заполнив ее до нижнего среза горловины, в связи с чем объём топлива стал равен номинальному объёму цистерны 10 м³. Определить, какой объём

бензина будет зафиксирован в подземной емкости автозаправочной станции (АЗС) после слива цистерны, когда температура бензина уменьшится до температуры 15 ⁰С окружающего грунта.

Ответ. 9,825 м³, т.е. на 175 л. меньше.

Практическая работа №3

Тема: Объемный расход жидкости

Методические указания:

Объемный расход Q ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости в горизонтальной трубе кругового сечения с радиусом r₀ под действием разности давлений Δp определяется формулой Гагена-Пуазейля:

 

Q = (5)

в которой L - длина трубы.

Расход аналогичного течения в вертикальной трубе, происходящего под действием силы тяжести, определяется формулой

 

(6)

 

где g − ускорение силы тяжести (g ≈ 9,81 м/c²).

 

Если шар с диаметром d₀ весьма медленно движется в вязкой несжимаемой жидкости со скоростью v, то со стороны жидкости на него действует сила F, называемая стоксовским сопротивлением:

 

(7)

 

В ряде случаев для характеристики свойств высоковязкой нефти или нефтепродукта используют модели неньютоновских жидкостей. Примером модели неньютоновской жидкости является модель степенной жидкости Освальда. Для этой модели справедливо соотношение

 

(8)

 

где коэффициент k называется консистентностью, а n − показателем. Если n < 1, жидкость называют псевдопластичной, если n > 1 - дилатантной

 

Объемный расход Q ламинарного течения степенной жидкости в горизонтальной трубе кругового сечения с радиусом r₀ под действием разности давлений Δp определяется формулой:

(9)

 

Расход аналогичного течения в вертикальной трубе, происходящего под действием силы тяжести, определяется формулой

(10)

 

Другой моделью неньютоновской жидкости, используемой для характеристики свойств высоковязких нефтей, служит модель вязко-пластичной жидкости с предельным напряжением сдвига или модель жидкости Шведова- Бингама. Для нее справедливы следующие соотношения:

если τ > τ₀

;если (11)

 

; если τ < - τ₀

 

Эти соотношения означают, что до тех пор, пока модуль касательного напряжения τ не превысит некоторой предельной величины τ₀, являющейся характеристикой данной среды и называемой предельным напряжением сдвига, течение такой среды не начинается (в этом случае du /dy = 0); и среда течет как вязкая жидкость, если | τ | ≥ τ₀ (при этом du /dy ≠ 0).

 

Объемный расход Q ламинарного течения вязко-пластичной жидкости Шведова-Бингама в горизонтальной трубе кругового сечения с радиусом r₀ под действием разности давлений Δp определяется формулой:

 

(12)

 

Для начала такого течения должно выполняться условие

 

или

 

Задачи

9. Каково изменение вместимости участка стального нефтепровода (D= 820 мм, δ = 10 мм, L = 100 км) при увеличении среднего давления находящейся в нем нефти на 10 атм.?

Ответ. 19,7 м³.

10. Каково изменение вместимости участка стального нефтепровода (D = 820 мм, δ = 10 мм, L =100 км) при увеличении средней температуры находящейся в нем нефти на 10⁰С?

Ответ. 16,6 м³.

11. Давление дизельного топлива (ρ₂₀ = 840 кг/ м³) в практически горизонтальном участке нефтепродуктопровода (D = 530 мм, δ = 8 мм, L = 120 км) составляет 20 атм.

Вычислить массу топлива на этом участке, если известно, что температура жидкости равна 15 ⁰С. Тепловым расширением трубопровода пренебречь.

Ответ. ≈ 21030 8, т.

12. Давление дизельного топлива (ρ₂₀=840 кг/м³) в практически горизонтальном участке нефтепродуктопровода (D = 530 мм, δ = 8 мм, L = 120 км) составляет 20 атм.

Какую массу дизельного топлива нужно откачать из этого трубопровода, чтобы давление в нем снизилось до 10 атм.? Температуру считать постоянной, равной 150С; тепловым расширением трубопровода пренебречь.

Ответ. ≈ 20 3, т.

Практическая работа №4

Тема: Испаряемость жидкостей

Методические указания:

Испаряемость жидкостей. При каждой температуре для нефти и нефтепродуктов существует давление p_у., при котором жидкая и паровая фаза находятся в термодинамическом равновесии. Это давление называют упругостью насыщенных паров, p_у. (кг/м с²). Например, упругость насыщенных паров бензина при T= 20⁰C составляет ≈ 0,07 МПа, для различных керосинов, дизельных топлив и нефтей p _у ≈ 0, 01 ÷ 0, 02 МПа.

Для стабильных жидкостей p _у < 1,0 атм. (0,1 МПа); для нестабильных - упругость насыщенных паров больше атмосферного давления.

Напомним, что 1 Па =1 Н/м² ; 10⁶ Па = 1 МПа; 1 атм. = 98100 Па, 1 МПа ≈ 10 атм.; нормальное атмосферное давление равно 0,1013 МПа.

 

Задачи

13. Согласно правилам технической эксплуатации нефтепродуктопроводов, в них производятся ежемесячные инвентаризации. Так, например, на 01 апреля на участке некоторого практически горизонтального нефтепродуктопровода (D = 377 мм, δ = 8 мм, L = 140 км) находился автомобильный бензин Аи-92 (ρ₂₀ = 750 кг/м³) при температуре 7 ⁰С. Давления в начале и конце участка составляли 35 и 3 атм., соответственно. На 01 мая на рассматриваемом участке опять находился тот же бензин, однако его температура составляла 15⁰С, а давления - 45 и 5 атм., соответственно. Определить, на сколько изменилась масса бензина на данном участке нефтепродуктопровода.

Ответ. Уменьшилась на 85,485 т.

14. Найти зависимость изменения Δp давления в полностью заполненном жидкостью участке остановленного трубопровода от изменения ΔT температуры.

Ответ. Δ p = ⋅Δ T

 

где d₀ − первоначальный внутренний диаметр трубопровода; δ − толщина его стенки; E − модуль Юнга; K − модуль упругости жидкости.

15. При опрессовке участка нефтепродуктопровода (d₀ = 514 мм, δ = 8 мм, E=2 ⋅10¹¹ Па, α_T = 3,3·10⁻⁵ 1/ ⁰C), перекачивающего дизельное топливо (ρ₂₀ = 840 кг/м³, K =1,5·10⁹ Па, p _у = 5 ·10 ³ Па), в нем создали давление p1 = 2,5 МПа; при этом температура нефтепродукта и трубы составила 10 ⁰С. Определить, какое давление будет в испытуемом участке, если температура нефтепродукта (и трубы) понизится на 3⁰С, т.е. станет равной 7 ⁰С.

Ответ. 0,06 МПа (т. е. давление снизится почти на 25 атм.).

16. Определить динамическую вязкость нефти (900 кг/м³), если известно, что 300 мл этой нефти вытекают из камеры капиллярного вискозиметра через вертикальную цилиндрическую трубку с внутренним диаметром 2 мм за 500 с.

Ответ. 5,78 сПз.

Практическая работа №5

Тема: Деформируемость трубопровода

Методические указания:

Деформируемость трубопровода. Если нефть или нефтепродукт находятся в трубопроводе под давлением p большем, чем давление p₀ окружающей среды, то поперечное сечение трубопровода увеличено, причем увеличение Δd внутреннего диаметра и площади ΔS поперечного сечения даются формулами:

 

, (13)

 

где ; d₀ − номинальное значение диаметра; δ −толщина стенки трубопровода (δ << d₀); E − модуль Юнга материала, из которого сделан трубопровод. Например, для трубных сталей Па или 2·10⁵ МПа.

Объём V внутренней полости трубопровода изменяется, хотя и незначительно, при изменении температуры. Изменение ΔV объема внутренней полости трубопровода связано с тепловым расширением. В расчетах используют формулы

 

и (14)

 

в которых V₀ − начальный объем трубопровода; T − температура трубопровода; T₀ − начальная температура; α_T − коэффициент теплового (объемного) расширения металла, из которого сделан трубопровод (для сталей .

При одновременном изменении давления жидкости в трубопроводе на величину Δp и температуры - на ΔT изменение ΔV объема трубопровода рассчитывают по формуле:

 

(15)

Задачи

17. Определить кинематическую вязкость нефти, если известно, что 50 мл этой нефти вытекает из камеры вискозиметра через вертикальный цилиндрический капилляр с внутренним диаметром 2 мм за 4 мин.

Ответ. 18,5, сСт.

18 Для определения вязкости нефти (ρ_н = 900 кг/м³) в нее брошена металлическая дробинка (d = 0,5 мм, ρ = 7800 кг/м³), которая под действием силы тяжести медленно опускается вниз с постоянной скоростью 0,5 см/с. Определить динамическую и кинематическую вязкости нефти.

Ответ. 188 сПз, 209 сСт.

19. Для выявления свойств парафинистой нефти проводят эксперименты по свободному истечению порции нефти объемом 200 мл из камеры вискозиметра. В первом опыте истечение происходит через вертикальный цилиндрический капилляр с внутренним диаметром 2 мм, а во втором – через аналогичный капилляр с внутренним диаметром 4 мм. В первом опыте время истечения оказалось равным 3000 с, во втором - 150 с. Считая нефть степенной жидкостью Освальда, найти константы n и k /ρ модели.

Ответ. n = 0,756, k/ρ 1,61·10⁻⁴ м²/c ^1,244.

20. Эксперименты показали, что парафинистая нефть имеет предельное напряжение τ₀ сдвига, и ее свойства могут быть описаны в рамках модели вязко-пластичной жидкости Шведова-Бингама. Найти предельное напряжение сдвига, если для течения жидкости в горизонтальной трубке с внутренним диаметром 5 мм и длиной 50 см с расходом 3 см³ /c необходима разность Δp давлений 150 кПа, а для течения с вдвое большим расходом- 200 кПа.

Ответ. τ₀ = 199 Па.

Практическая работа №6

Тема: Гидравлический расчёт трубопровода

Методические указания:

Гидравлические режимы работы нефте- и нефтепродуктопроводов

Основными уравнениями для расчета установившихся течений однородной несжимаемой жидкости в трубопроводе являются уравнение Бернулли

 

(16)

 

а также уравнение сохранения массы массы жидкости

(17)

 

записанные для потока жидкости в трубопроводами между сечениями 1 и 2. Здесь:

M − массовый расход жидкости (кг/с);

 

- полный напор в сечении x, (м);

 

h ₁₋₂ − потери напора между сечениями 1 и 2 (м).

Для участка трубопровода, все сечения которого полностью заполнены жидкостью,

 

 

Здесь:

 

− потери напора на трение;

 

2 −потери напора на местных сопротивлениях (поворотах, задвижках, тройниках и т.п.);

 

λ = λ (Re,ε) − коэффициент гидравлического сопротивления; − число Рейнольдса; ε = Δ d − относительная шероховатость; Δ − абсолютная шероховатость; − коэффициент Кориолиса ( = 2 для ламинарного течения; = 1 для турбулентного течения); ς_k − коэффициент местного сопротивления.

Если трубопровод имеет постоянный диаметр, то уравнения (16) и (17) упрощаются:

 

(18)

 

(19)

 

где L − расстояние между сечениями 1 и 2; Q − объемный расход жидкости.

Задачи

21. Средняя по сечению скорость v течения нефти (ρ = 900 кг/м³) в трубопроводе (D = 1020 мм; δ = 10 мм) равна 1,0 м/с. Определить годовую пропускную способность нефтепровода.

Ответ. 21,365 млн. т/год.

22. Нефтепродуктопровод состоит из двух последовательно соединенных участков: первого - с диаметром D₁ = 530 мм и толщиной стенки δ₁ = 8 мм, и второго с диаметром D₂ = 377 мм и толщиной стенки δ₂ = 6 мм. Скорость стационарного течения бензина в первом участке составляет 1,2 м/с. Какова скорость течения бензина во втором?

Ответ. 2,38 м/с.

23. Перекачка нефти (ρ = 890 кг/м³; μ = 0,015 Пз.) ведется по нефтепроводу (D = 530 ×8 мм) с расходом 800 м³/ч. Определить режим течения и вычислить коэффициент гидравлического сопротивления.

Ответ: Турбулентный режим в области гидравлически гладких труб; .

24. Перекачка бензина Аи-92 (ρ = 750 кг/м³; μ = 0,5 сПз.) ведется по нефтепродуктопроводу (D = 530 ×8 мм; Δ = 0,22 мм) с расходом 1100 м³/ч. Определить режим течения и коэффициент гидравлического сопротивления.

Ответ: Турбулентный режим в области квадратичного трения; .

Практическая работа № 7

Тема: Расчёт трубопровода при изотермическом режиме течения

Методические указания:

Необходимым условием того, чтобы сечения трубопровода были заполнены жидкостью, является условие

 

p > p_у, или (20)

где p_у. − упругость насыщенных паров транспортируемой жидкости.

 

Геометрически это условие означает, что линия H(x) гидравлического уклона должна проходить выше профиля z(x) трубопровода на величину p_у. / ρg.

 

Безразмерную величину i= −dH/dx, определяющую уменьшение напора на единицу длины трубопровода, называют гидравлическим уклоном. Для трубопровода с постоянным диаметром существует следующее равенство:

 

(21)

Иногда гидравлический уклон измеряют в м/км, то есть в метрах падения напора на 1 км протяжённости трубопровода (1 м/км соответствует i = 0,001).

Гидравлической (Q−H) − характеристикой участка трубопровода называется зависимость разности пьезометрических напоров ΔH=(p₁−p₂) ·ρ·g в начале и конце участка от расхода Q транспортируемой жидкости. Если участок трубопровода не имеет парогазовых полостей, т.е. все его сечения заполнены жидкостью, то, как это следует из (18):

 

(22)

Задачи

25. Дизельное топливо Л-02-62 (ρ = 840 кг/м³; μ = 4,0 сПз.) транспортируют по нефтепродуктопроводу (D = 530 мм; δ = 8 мм; Δ = 0,22 мм) с расходом 700 м³/ч. Определить режим течения и вычислить коэффициент гидравлического

сопротивления.

Ответ: Турбулентный режим в области смешанного трения; .

26. Чему равен гидравлический уклон на участке трубопровода (D = 377 мм, δ = 8 мм, Δ = 0,15 мм), транспортирующего дизельное топливо (ν = 5 сСт.) с расходом 250 м³/ч?

Ответ. 1,37 м/км.

27. Данные о профиле нефтепровода, транспортирующего сырую нефть (ρ = 850 кг/м³), приведены в нижеследующей таблице

x, км
z, м
p, МПа	5,0						0,5

(x - координата сечения; z - геодезическая отметка). Найти давления в сечениях, пропущенных в таблице. Упругостью насыщенных паров нефти пренебречь; давление, выраженное в МПа, округлить с точностью до десятых.

Ответ.

х, км
p, МПа	5,0	3,9	2,8	3,0	2,7	2,0	0,5

28. Данные о профиле нефтепродуктопровода, транспортирующего бензин А-80 (ρ = 735 кг/м³), приведены в нижеследующей таблице

x, км
z, м
p, МПа		3,8		2,6

(x - координата сечения; z - геодезическая отметка). Найти давления в сечениях, пропущенных в таблице. Давление, выраженное в МПа, округлить с точностью до десятых.

Ответ.

x, км
p, МПа	4,6	3,8	2,9	2,6	2,4	2,6

Практическая работа № 8

Тема: Расчёт трубопровода при ламинарном течение

Методические указания:

Коэффициент λ гидравлического сопротивления можно вычислить по следующим правилам.

Если течение жидкости в трубопроводе - ламинарное, то есть струйное, послойное (для этого число Рейнольдса Re должно быть меньше 2320), то для вычисления λ используется формула Стокса:

 

(23)

По мере увеличения числа Рейнольдса (Re > 2300) течение жидкости в трубопроводе постепенно теряет гидродинамическую устойчивость и переходит в турбулентное, то есть завихренное с перемешивающимися слоями. Наиболее известной формулой для расчета коэффициента λ в этом случае является формула Альтшуля:

 

(24)

 

справедливая в широком диапазоне чисел Рейнольдса, начиная от 10⁴ до 10⁶ и выше.

 

Если 10⁴ < Re < 27 /ε ^1,143, то формула Альтшуля переходит в другую формулу - формулу Блазиуса:

 

(25)

имеющую ту характерную особенность, что в нее так же, как и в формулу Стокса для ламинарного режима, не входит величина ε относительной шероховатости внутренней поверхности трубопровода. Последнее означает, что в рассматриваемом диапазоне чисел Рейнольдса трубопровод ведет себя как гладкий, поэтому течение жидкости в этом диапазоне называют даже течением в гидравлически гладкой трубе.

Задачи

29. Построить гидравлическую (Q−H)− характеристику линейного участка нефтепровода (D = 325 ×8 мм, L = 180 км), по которому транспортируется нефть (ν = 20 сСт), если известно, что профиль нефтепровода монотонно опускается вниз от отметки z_н = 200 м в начале участка до отметки z_к = 100 м в его конце. Потерями на местных сопротивлениях пренебречь. Указание. Заполнить пустые ячейки таблицы:

Q, м^3/ч
Н, м

Ответ.

Н, м

 

30. Построить гидравлическую (Q−H)− характеристику участка нефтепродуктопровода (D = 530 мм, δ = 7 мм; Δ = 0 2, мм, L = 125 км), по которому транспортируется дизельное топливо Л-05-62 (ρ = 840 кг/м³, ν = 9 сСт), если известно, что профиль трубопровода монотонно поднимается вверх от отметки z_н = 75 м в начале участка до отметки z_к = 180 м в его конце. Потерями на местных сопротивлениях пренебречь.

Указание. Заполнить пустые ячейки таблицы:

Q, м^3/ч
Н, м

 

Ответ.

Н, м

 

31. Нефтепродуктопровод состоит из двух последовательно соединенных участков: первого - D₁ =530×8 мм, L₁ = 60 км, и второго - D₂ =377×6 мм, L₂ = 30 км. Скорость стационарного течения бензина (ν = 0 6, сСт) в первом участке составляет 1,2 м/с. Зная что шероховатость Δ внутренней поверхности участков составляет 0,15 мм, найти потери напора в нефтепродуктопроводе.

Ответ. 501 м.

32. По участку нефтепровода (D=820×8 мм, L = 140 км, Δ = 0 2, мм, z_н = 120 м, z_к = 160 м) перекачивают маловязкую нефть (ρ = 850 кг/м³, ν = 7 сСт) с расходом 2500 м³/ч. Какое давление необходимо поддерживать в начале участка, если в конце участка оно равно 3 атм.? Известно также, что все сечения нефтепровода заполнены нефтью полностью.

Ответ. 31,6 атм. (≈ 31, МПа).

Практическая работа № 9

Тема: Расчёт трубопровода при турбулентном течение

Методические указания:

В области перехода течения от ламинарного к турбулентному, т.е. в диапазоне чисел Рейнольдса от 2320 до 10⁴, можно использовать аппроксимационную формулу Гинзбурга:

 

(26)

 

в которой − коэффициент перемежаемости. Очевидно, что конструкция последней формулы обеспечивает непрерывность перехода от формулы Стокса для ламинарного режима течения к формуле Блазиуса для турбулентного режима в зоне гидравлически гладких труб.

Если же Re > 500/ ε, то вторым слагаемым в круглой скобке формулы Альтшуля можно пренебречь по сравнению с первым, откуда следует, что при «больших» скоростях трение жидкости определяется, главным образом, степенью гладкости внутренней поверхности трубопровода, то есть параметром ε. В этом случае можно использовать более простую формулу - формулу Шифринсона:

 

(27)

Отсюда следует, что сопротивление трения пропорционально квадрату средней скорости жидкости, из-за чего рассматриваемый режим течения называют квадратичным.

Задачи

33. Сырая нефть (ρ = 890 кг/м³, ν = 10 сСт.) течет в практически горизонтальном участке нефтепровода (D = 820 ×10 мм, L = 140 км) под действием разности давлений между началом и концом участка, равной 15 атм. Найти расход перекачки.

Ответ: 1809 м³/ч.

34. Бензин А 76 (ρ = 740 кг/м³, ν = 0 6, сСт.) перекачивают по трубопроводу (D = 530 × 7 мм, Δ = 0,2 мм; L = 120км; z_н = 50 м, z_к = 100 м), при этом давление в начале трубопровода составляет 55 атм., а в конце - 3 атм. Найти расход перекачки.

Ответ: 1475 м³/ч.

35. Пропускная способность G_Б участка нефтепродуктопровода (D = 530×8 мм, Δ = 0,15 мм, L = 125 км, z_н = 50 м, z_к = 150 м, где z _н, z _к − высотные отметки начала и конца участка, соответственно) составляет на бензине (ρ_Б = 740 кг/м³, ν_Б = 0,6 сСт) 8,0 млн.т/год. Какова пропускная способность GД того же участка трубопровода на дизельном топливе (ρ_Д = 840 кг/м³, ν_Д = 6 0, сСт), если известно, что давления в начале и конце участка при переходе с перекачки бензина на дизельное топливо не изменяются, а 1 год составляет 8400 часов?

Ответ. 7,34 млн.т/год.

Практическая работа № 10

Тема: Расчёт трубопровода с самотечным участками

Методические указания:

Самотечным называется участок [x₁, x₂] трубопровода, на котором жидкость течет неполным сечением, самотеком, под действием силы тяжести.

Давление в парогазовой полости над свободной поверхностью жидкости остается практически постоянным, равным упругости p_у насыщенных паров транспортируемой жидкости, поэтому течение на самотечном участке называют безнапорным.

При этом разность напоров между сечениями x₁ (началом самотечного участка) и x₂ (концом самотечного участка) существует и равна разности (z₁− z₂) высотных отметок этих сечений. Стационарные самотечные участки в трубопроводе могут существовать только на нисходящих сегментах.

Начало П каждого стационарного самотечного участка в трубопроводе называется перевальной точкой. Видно, что на этом участке линия гидравлического уклона проходит параллельно оси трубопровода на расстоянии p_у./ρg от нее. Гидравлический уклон течения на самотечном участке равен абсолютной величине тангенса угла наклона профиля трубопровода к горизонту, то есть i= |tgβ|.

Расход Q жидкости на самотечном участке в стационарном режиме равен расходу жидкости Q₀ в заполненных сечениях трубопровода

 

, (28)

 

где S, S₀ − площади сечений, занятых жидкостью на самотечном и полностью заполненном участках трубопровода (S≤S₀), v,v₀ − скорости жидкости на этих участках, соответственно.

Степень σ =S / S₀ заполнения самотечного участка нефтью может быть различной, она зависит от отношения γ = i /tg |β| гидравлических уклонов (tg |β|) на самотечном участке и () на участках трубопровода, полностью заполненных нефтью.