Материал: 2482
Прочность материала при растяжении (сжатии) находят из выражения:
|
|
В N F2 , |
(7.12) |
где N P F1 |
P D D – сила, Н, растягивающая трубу на участке площадью |
||
F1 (L D); F2 |
2D – площадь сечения трубы, на которую действует растя- |
||
гивающая сила.
Сокращая числитель и знаменатель составляющих выражения 7.12 на D (для удобства расчетов), получим:
В |
|
PD |
. |
(7.13) |
||
|
|
|||||
|
|
|
2 |
|
||
Откуда толщина трубы равна |
|
|
|
|
|
|
|
PD |
. |
(7.14) |
|||
|
||||||
|
|
2 В |
|
|||
В процессе эксплуатации трубопровода он дополнительно может подвергаться температурным деформациям и гидравлическому удару, который возникает при быстром закрытии задвижек.
При гидравлическом ударе, согласно формуле Н.Е. Жуковского, давление повышается на величину
P a, |
(7.15) |
где а – скорость звука в нефтепродукте, равная 1000 – 1100 м/с.
При плотности нефтепродукта 900 кг/м3, потерянной скорости 1 м/с и скорости звука 1000 м/с величина P составит 900000 Н/м2.
Для борьбы с гидравлическим ударом устанавливают на трубопроводах воздушные колпаки, предохранительные клапаны и рекомендуют медленно открывать и закрывать задвижки.
Расчетное значение Вр принимается (0,4 – 0,6)∙ В или (0,6 – 0,8)∙ Т для
обеспечения запаса прочности трубы в пределах 1,5 – 2,5.
Пример определения толщины трубы.
Дано: диаметр трубы 108 мм (0,108 м), давление в трубе 5∙106 Н/м2 (5 МПа), материал трубы сталь 10Г2, предел прочности материала при растя-
жении В 470 МПа . Расчетное значение Вр = 0,5 В = 235 МПа.
PD
2 Вр 5 0,108
2 235 0,00115 м или 1,15 мм.
96
Округляем расчетное значение толщины трубы до 4 мм. Запас прочности трубы более 3.
Расчет на прочность крепления фланца (путем сварки или болтов) выполняют по формуле
В N FC , |
|
(7.16) |
где N P D2 4 – сила, Н, действующая на фланец и отрывающая его; |
||
FC D – площадь сварного соединения (здесь |
|
– толщина сварного |
шва, которая принимается равной толщине трубы ). |
|
|
При установке задвижек на трубопровод пользуются болтовым соединением. Расчет на прочность болтов и выбор их количества производится по формуле
|
|
В N FБ , |
(7.17) |
где F |
D2 |
n/4 – общая площадь поперечных сечений болтов, здесь DБ – |
|
Б |
Б |
|
|
диаметр болтов, м, n – количество болтов.
Более точный расчет труб с учетом коэффициента надежности по материалу (1,34 – 1,55) и коэффициента надежности по назначению трубопровода (1,0 – 1,05) приведен в работе [54]. При расчете на прочность стальных трубопроводов необходимо учитывать требования СНиП-2.04.12.86.
7.3. Насосная установка
Насосная установка предназначена для перемещения жидкости и сообщения ей необходимой по величине энергии давления и скорости.
На рис. 7.3 приведена принципиальная схема насосной установки, перемещающей жидкость из приемного (всасывающего) резервуара 1 в напорный 12. Установка содержит входной фильтр 2, обратный клапан 3, который не пропускает жидкость в обратном направлении и не дает возможности системе самотеком опорожняться.
Всасывающий трубопровод 4 имеет диаметр dв, обеспечивающий скорость всасывания не более 1 – 1,5 м/с. Если из всасывающего трубопровода полностью удалить воздух, то под действием атмосферного давления (760 мм рт. ст.) и при температуре 20 оС вода поднимется на высоту 10 м. Если пренебречь скоростным напором и потерями на трение и в местных сопротивлениях (ввиду их малости, 0,1 – 0,3 м), то высоту всасывания можно определить из выражения:
hВС PАТ РВС g , |
(7.18) |
где РАТ – атмосферное давление (1∙105 Н/м2); РВС – абсолютное давление во всасывающей линии.
97
Для нормальной работы насоса необходимо, чтобы давление РВС было больше давления парообразования РПАР (насыщенных паров).
Например, давление РПАР для нефтепродукта при 38 оС равно 0,7∙105 Н/м2. Выбираем РВС равным 0,8∙105 Н/м2, тогда при плотности , соответствующей 700 кг/м3, высота всасывания (согласно формуле 7.18) будет равна примерно 3 м.
Высота всасывания hвс для темных нефтепродуктов составляет 4 – 6 м. Для светлых нефтепродуктов (бензин, керосин) высота всасывания выбирается равной 3 – 4 м. При высоте всасывания больше допустимой начинается процесс кавитации (образование в жидкости пузырьков) и разрушения лопаток насоса. Для контроля разрежения в линии всасывания используется вакуумметр 5. Следует помнить, что если вакуумметр показывает 0,3∙105 Н/м2 (недостаток давления до атмосферного) или 0,3 атм., то абсолютное давление в линии всасывания равно 0,7∙105 Н/м2 (0,7 атм.) или 70 кПа.
Высоту всасывания и нагнетания необходимо выбирать в зависимости от вязкости нефтепродукта и давления парообразования. В таблице 7.3 приведены рекомендуемые значения средних скоростей во всасывающей и напорной магистралях в зависимости от вязкости нефтепродуктов [18].
Рис. 7.2. Схема насосной установки
98
Таблица 7.3
Рекомендуемая средняя скорость в линиях всасывания и нагнетания в зависимости от вязкости нефтепродукта
Кинематическая |
Средняя скорость |
Средняя скорость в линии |
|
в линии всасывания, |
|||
вязкость, см2/c |
нагнетания, м/c |
||
|
м/c |
|
|
0,01 – 0,012 |
1,5 |
2,5 |
|
0,012 – 0,07 |
1,25 |
1,75 |
|
0,07 – 1,50 |
1,1 |
1,2 |
|
1,50 – 5,0 |
1,0 |
1,1 |
|
5,0 – 10,0 |
0,8 |
1,0 |
Основу насосной установки составляет насос с электродвигателем. Для перекачки нефтепродуктов часто используют центробежные насосы, которые просты по конструкции и надежны в работе.
На рис. 7.3 показан разрез консольного центробежного насоса. При вращении вала 5 и рабочего колеса 4 жидкость под действием центробежных сил отбрасывается от центра к периферии, создавая давление. В полости всасывания насоса создается разрежение, заполняемое потоком жидкости (например, из резервуара). Жидкость поступает в полость насоса под действием атмосферного давления.
Рис. 7.3. Консольный центробежный насос:
1 – корпус; 2 – крышка корпуса; 3 – нагнетательный патрубок; 4 – колесо рабочее; 5 – вал; 6 – муфта; 7 – электродвигатель; 8 – масляная ванна; 9 – сальниковое уплотнение;
10 – всасывающий патрубок
99
Насос 6 (рис. 7.2) перемещает жидкость из линии всасывания в линию нагнетания, которая имеет трубопровод диаметром dн. Для контроля давления в линии нагнетания установлен манометр 7.
Для изменения подачи насоса установлен дроссель (задвижка) 8. Подача определяется при помощи мерной шайбы 9 и разности показаний манометров 10 и 11. Подача (расход жидкости) может определяться при помощи счетчика 9, установленного вместо мерной шайбы. Мерная шайба представляет собой диафрагму с отверстием меньше сечения трубопровода.
Уровень свободной поверхности в приемном резервуаре обозначен линией О – О, а в напорном – О1 – О1. Высота нагнетания обозначена через hн, а геометрический напор – Нг. Геометрический напор есть расстояние между линиями О – О и О1 – О1. Давление на свободной поверхности в приемном и напорном резервуарах обозначено через Ро и Рн. Расстояние между вакуумметром и манометром определяется величиной Zо.
Перед началом работы установки всасывающая труба и насос заполняются жидкостью. Во избежание большого пускового момента на валу двигателя включают насос при закрытом дросселе 8.
Напор, развиваемый насосом, – разность удельных энергий при выходе из насоса и входе в него. Если всасывающий и напорный трубопроводы имеют одинаковые диаметры, то скорости движения жидкости в них будут равны. Тогда напор, развиваемый насосом, определится выражением:
Hн Zо hм hв , |
(7.19) |
где hм Рм 
g – показание манометра 7, выраженное в метрах столба пере-
качиваемой жидкости;
hв Рв 
g – показания вакуумметра 5, в метрах столба перекачиваемой жидкости.
Если установка перекачивает воду и манометр при 20 оС показывает избыточное давление 0,2 МПа (2 атм.), то это примерно соответствует напору в 20 м. вод. столба.
Подача насоса (расход) регулируется дросселем 8, определяется по показанию счетчика или по тарировочной диаграмме мерной шайбы (зависимость расхода от перепада давления на шайбе).
Объемную подачу насоса, м3/с, можно определить расчетным путем по формуле:
Q SШ |
2 Р |
, |
(7.20) |
|
|||
|
|
|
|
100 |
|
|
|