Гидравлический расчет магистрального нефтепровода

Потери давления (напо­ра) зависят от диаметра трубопрово­да, состояния его внутренней поверх­ности стенок (гладкие, шероховатые), количества перекачиваемой жидкости и ее физических свойств (вязкости и плотности) и определяются по известной формуле Дарси-Вейсбаха:

(6.1)

или

, (6. 2)

где – перепад давления, обусловленный трением, Па; h – потеря напора на трение, м; l и D – соответственно длина тру­бопровода и его внутренний диаметр, м; – средняя скорость жидкости, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с²; – плот­ность жидкости, кг/м³; – коэффициент гидравлического сопро­тивления, зависящий от режима движения жидкости и относитель­ной шероховатости внутренней стенки трубы, т. е. .

Режим движения жидкости в трубопроводе характеризуется известным параметром (критерием) Рейнольдса:

(6. 3)

где – объемный расход жидкости, м³/с; – кинематическая вязкость жидкости, м²/с (); – динамическая вязкость жид­кости, Па·с.

Если течение жидкости в трубе ламинарное (Re < 2320), то коэффициент гидравлического сопротивления определяется по фор­муле Стокса:

(6. 4)

и не зависит от шероховатости стенок трубы.

При турбулентном режиме течения жидкости, когда Re > 2320, для определения имеется целый ряд полуэмпирических формул.

При течении жидкости по трубам непосредственно у стенки трубы образуется вязкий подслой, который может перекрывать или не перекрывать шероховатость этой трубы. Если микронеров­ности стенки не выступают за вязкий подслой, стенку считают гид­равлически гладкой, если выступают – гидравлически шерохова­той. Толщина вязкого подслоя зависит от скорости течения, и чем больше эта скорость, тем она меньше. Поэтому одна и та же стен­ка может быть и гидравлически гладкой, и гидравлически шеро­ховатой – все зависит от скорости потока жидкости.

Опыты показывают, что в зависимости от гидравлической глад­кости стенок при турбулентном течении наблюдаются три закона трения. Каждый из них справедлив лишь в определенной области изменения чисел Рейнольдса. Поэтому говорят, что существуют зоны гладкого, смешанного и шероховатого трения.

Границы зон определяются величиной выступов шероховатости. В расчетах трубопроводов принимают «эквивалентную» шероховатость , которая характеризуется не только формой и величиной выступов, но и количеством их на единицу площади.

Зона гладкого трения лежит в диапазоне изменения чисел Рейнольдса от и до первого граничного числа Рейнольдса Re'= . В этой зоне справедлива формула Блазиуса:

. (6. 5)

Зона смешанного трения лежит в диапазоне измене­ния чисел Рейнольдса от Re' до Re" = .

В этой зоне для расчета коэффициента гидравлического сопро­тивления используют формулу Альтшуля:

. (6. 6)

В зоне шероховатого трения (эта зона обычно назы­вается автомодельной или квадратичной[*]) величина стано­вится пренебрежимо малой по сравнению с и формула Альтшуля принимает вид формулы Шифринсона:

(6. 6а)

справедливой при Re > Re" и Если Re > Re" и расчет следует вести по формуле Прандтля-Никурадзе:

. (6. 6б)

«Эквивалентная» шероховатость определяется опытным пу­тем. Величина эквивалентной шероховатости, отнесенная к диа­метру трубы , называется относительной шероховатостью. Для стальных цельнотянутых труб колеблется в пределах 0,1 – 0,2 мм.

Потерю напора в трубопроводе часто определяют по формуле Лейбензона:

(6. 7)

Коэффициенты и m для различных режимов перекачки и зон трения приведены в таблице 6.1.

Гидравлическим уклоном называется отношение по­тери напора h или перепада давления к единице длины трубы l, и определяется этот уклон из формулы (6. 1) или (6. 2):

(6. 8)

 

 

Течение	β, с^2/м	m	2 – m	5 – m	λ
Ламинарное     Турбулентное   Турбулентное в зоне смешанного трения   Турбулентное в зоне квадратичного трения	0,0802 A A =10	0,25     0,123	1,75     1,877	4,75     4,877

 

В зависимости от конфигурации трубопроводы делятся на простые и сложные.

Простым называется трубопровод с постоянным диаметром без ответвлений на пути движения жидкости, сложным – трубопро­вод, состоящий из основной магистральной трубы и ряда отходя­щих от нее ответвлений.

Перепад давления в простом «рельефном» трубопроводе опре­деляется по выражением, аналогичным формуле (6.1) с учетом разности геодезических отметок :

(6. 9)

Величина берется положительной, когда сумма участ­ков подъема больше суммы участков спуска трубопровода, и от­рицательной, когда сумма участков подъема трубопровода меньше суммы участков спуска трубопровода.

В приведенном расчете не учтены местные сопротивления, к которым относятся задвижки, краны, регулирующие клапаны, колена и т. д. Так как их влияние на потери давления на отдельном участке магистрального трубопровода незначительное. В этой связи местные сопротивления следует учитывать на коротких трубопроводах сложных конфигураций с большим количеством арматуры (промысловые трубопроводы, трубопроводы на территории КС, НС).