Материал: 2482

Определив значение 4 Q d2 и подставив его в выражение 7.2,

получим:

Гидравлический уклон:

где зависит от режима движения жидкости и от степени шероховатости стенок трубопровода.

Под шероховатостью понимают неровности (выступы) внутренних поверхностей стенок. Различают естественную и эквивалентную шероховатость. Эквивалентная (усредненная) шероховатость равна 0,5 – 0,7 от максимальной величины естественной шероховатости.

Значения эквивалентной шероховатости для стальных и чугунных труб следующие:

1.Стальные новые – 0,02 – 0,1 мм.

2.Стальные, находящиеся в эксплуатации, до 1,0 мм.

3.Чугунные новые – 0,25 – 1,0 мм.

4.Чугунные, находящиеся в эксплуатации, до 1,5 мм.

При расчете потерь напора в стальных трубах нефтепроводов и газопроводов значение эквивалентной шероховатости берут равным 0,1 – 0,2 мм.

Трубопроводы разделяются на гидравлически гладкие и гидравлически шероховатые. Гидравлически гладкими называются трубопроводы, в которых отдельные струи потока, двигаясь параллельно друг другу, плавно обтекают все неровности внутренней поверхности трубы, в результате чего шероховатость не оказывает влияния на сопротивление потока. Такое явление наблюдается при ламинарном режиме. Коэффициент гидравлического сопротивления для гидравлически гладких труб зависит от числа Re и не зависит от степени шероховатости стенок труб.

С увеличением турбулентности толщина пограничного слоя уменьшается, становится меньше естественной. Движущийся поток жидкости соприкасается с шероховатостью трубы, и потери напора по длине трубы увеличиваются.

Получаются дополнительные завихрения, создаваемые выступами, за счет которых величина коэффициента гидравлического сопротивления увеличивается. В этом случае коэффициент сопротивления зависит от шероховатости стенок трубопровода и числа Рейнольдса (зона смешанного трения). При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса повышается турбулентность потока и, начиная с определенного значения Рейнольдса, коэффициент будет зависеть

91

только от шероховатости труб (квадратичная зона). При перекачке нефти режим квадратичного сопротивления не наблюдается. Он встречается при транспортировке газа. В нефтепроводах чаще встречается режим гидравлически гладкого трения.

Величина коэффициента гидравлического сопротивления при ламинарном режиме, когда Re < 2320, зависит только от числа Рейнольдса (от скорости) и не зависит от состояния стенок (шероховатости), определяется по формуле Пуазейля (француз, доктор медицины 1840 г.):

Для гидравлически гладких труб коэффициент не зависит от шероховатости, а зависит лишь от числа Re и определяется по формуле немецкого ученого Блазиуса (1913 г.):

Для шероховатых труб коэффициент сопротивления зависит от относительной шероховатости /d , числа Рейнольдса и определяется по формуле русского ученого Альтшуля (1952 г.):

Для труб, по которым движутся нефтепродукты, величина лежит в пределах 0,01 – 0,03. Для приближенных расчетов величину принимают равной

0,02.

При движении реальной жидкости кроме потерь напора на трение по длине потока могут возникать местные потери напора. В местных сопротивлениях изменяется скорость по величине (сужение, расширение), направлению (колено) или одновременно по величине и по направлению (тройник). При обтекании турбулентным потоком какой-либо преграды происходит отрыв транзитной струи от стенки с образованием вихревых зон. Вихревые зоны образуются вследствие трения транзитной струи с жидкостью, находящейся в мертвых зонах. Деформация потока и вращение жидкости в мертвых зонах происходит за счет энергии основного потока, что и вызывает потерю напора в местных сопротивлениях.

По предложению немецкого ученого Вейсбаха (1806 – 1871 гг.) местные потери напора принято выражать в частях от скоростного напора, подсчитанного за местным сопротивлением

92

где – безразмерный коэффициент или коэффициент местного сопротивления зависит от формы последнего.

Значения коэффициентов местных сопротивлений приводятся в справочной литературе, а величины некоторых из них приведены в таблице 7.1.

где ∑h – сумма потерь напора на трение по длине в трубе, у которой имеются участки с различными сечениями;

∑hм – сумма потерь напора в местных сопротивлениях.

Следует отметить, что потери напора по длине трубы постоянного сечения изменяются пропорционально длине (линейно), а в местных сопротивлениях потери напора изменяются скачком (в конкретном сечении). При нахождении общих потерь потери на отдельных участках суммируют.

Технологические схемы трубопроводов бывают простыми и разветвленными (сложными). При расчете разветвленных (параллельных) систем необходимо помнить, что расход нефтепродукта до разветвления будет равен расходам, например, движущимся по двум ответвлениям. Определив внутренние диаметры труб (по допустимой скорости и расходу), определяют потери напора по формулам, приведенным выше.

93

Гидравлический расчет трубопроводов заканчивается определением величины потерянного напора по длине и в местных сопротивлениях. Потери напора должны быть минимальными, обеспечивая высокую эффективность при эксплуатации технологических схем.

Определив диаметр технологического трубопровода, проводят расчет на прочность, оценивают толщину стенки и выбирают его марку (сортамент). Затем выбирают тип, размер насоса по требуемой подаче и необходимому напору.

7.2. Расчет на прочность трубопроводов

На рис. 7.1 показана расчетная схема трубопровода 1, который заканчивается фланцем 2, закрепленным сварным соединением. Труба имеет внутренний диаметр D с толщиной стенки . Наружный диаметр трубы DH D 2 . Рас-

четная длина трубы равна внутреннему диаметру L D. Величина распределенного давления Р указывается в Н/м2.

Расчет трубы на прочность сводится к определению ее толщины при необходимом запасе прочности [51]. Стенка трубы деформируется, когда напряжение растяжения (сжатия) превысит допустимое. Обычно в справочной литературе указывают предел прочности материала стенок трубы при растяжении В

(временное сопротивление) и предел текучести Т .

В таблице 7.2 приведены пределы прочности материалов, из которых изготавливаются трубы [6, 53]. Предел текучести Т – напряжение, при котором остаточная деформация образца больше предела упругости. При расчетах труб предел упругости принимается равным пределу текучести. Предел прочности при растяжении В (разрушение с образованием трещин) превышает примерно в 1,5 раза предел текучести Т .

Рис. 7.1. Расчетная схема трубопровода

94

В марке стали 10Г2 цифра 2 и буква Г обозначают 2 % легирующей добавки марганца. Легирующая добавка улучшает качество стали. Сталь 10 содержит 0,1 % углерода.

При расчете труб ориентировочный внутренний диаметр трубопровода находят по формуле

где Q F – объемный расход жидкости, м3/с; – рекомендуемая средняя

скорость перекачки нефтепродуктов, м/с (для линии нагнетания 1 – 2,5);

F D24 – площадь сечения трубопровода, м2.

Полученное значение округляют до ближайшего наружного диаметра бес-

шовных труб, выполненных по ГОСТ – 550-75 (48, 60, 76, 89, 108, 114, 127, 133, 146, 152, 159, 168, 194, 219 мм).

95