Нефть - главное богатство
России

Определение потери напора в трубах


Гидравлический расчет трубопроводов производится с целью определения некоторых параметров при заданных значениях других.

Чаще всего по заданной производительности Q требуется определить диаметр трубопровода d и потерю напора Н с учетом экономичной скорости движения и физических свойств перекачиваемых жидкости или газа. При расчете всасывающих линий для жидких веществ необходимо, чтобы гидравлическое сопротивление линии всасывания, сложенное с геометрической высотой всасывания, не было больше всасывающей способности насоса. При этом всасывающие трубопроводы для светлых нефтепродуктов рассчитываются для наивысшей температуры перекачки, при которой наиболее вероятно образование газовых скоплений, а для темных нефтепродуктов, наоборот, при наименьшей температуре, когда потери напора на трение будут иметь наибольшее значение.

Расчеты производятся по максимальным расходам, устанавливаемым для отдельных операций. Скорости в трубопроводах рекомендуется принимать по данным таблицы.

Рекомендуемые значения скорости движения нефтепродукта в трубопроводе в зависимости от вязкости

Вязкость жидкости

Средняя скорость, м/сек

Кинематическая, сст (мм2/сек)

Условная, °ВУ

На линии всасывания

На линии нагнетания

1-2

1-2

1,6

2,5

12-28

2-4

1,3

2,0

28-72

4-10

1,2

1,5

72-146

10-20

1,1

1,2

146-438

20-60

1,0

1,1

438-977

60-120

0,8

1,0

 Гидравлический расчет трубопроводов производится в определенной последовательности.

Расчет вновь проектируемого трубопровода начинают обычно с предварительного установления диаметра, исходя из заданного расхода и ориентировочно выбранной скорости движения жидкости.

По скорости, диаметру и вязкости устанавливаются параметр Рейнольдса и характер движения жидкости. Установив режим движения жидкости, переходят к определению коэффициента гидравлического сопротивления λ. Далее определяют гидравлический уклон и затем потерю напора на трение в трубопроводе.

Перемещение жидкости связано с потерей напора. При перемещении ее по трубопроводам насос должен развивать напор, необходимый для преодоления гидравлических сопротивлений трения по длине трубопровода, местных сопротивлений, геометрической высоты, равной разности отметок уровней жидкости в конечном и начальном пунктах перекачки, и на создание скоростного напора жидкости.

Величина потери напора на трение по длине для труб круглого сечения выражается следующим уравнением гидравлики

H=λ*l/d*ω2/2g, м ст. жидк.

где λ - коэффициент гидравлического сопротивления мерная);

ω - средняя скорость движения жидкости, л/сек.

Величина потери напора на трение, отнесенная к единице длины трубопровода, называется гидравлическим уклоном и обозначается

i=h/l=λ/d* ω2/2g.

При графическом построении линии потери напора нетрудно установить, что гидравлический уклон есть не что иное, как тангенс угла наклона линии падения напора к горизонтали, т. е.

i=h/l=tgα.

Сложность расчета по формуле заключается в правильном определении коэффициента λ, зависящего от режима движения жидкости (ламинарный или турбулентный) и от степени шероховатости стенок трубопровода. Под шероховатостью трубопровода понимаются неровности (выступы) на внутренних поверхностях стенок. Различают шероховатость абсолютную и относительную. Абсолютной шероховатостью е называется абсолютная высота выступов на внутренней поверхности трубопровода. Относительная шероховатость ԑ есть отношение абсолютной шероховатости к внутреннему радиусу трубопровода

ԑ=е/r. 

Трубы имеют абсолютную шероховатость различных размеров и неравномерную по длине трубы. Поэтому для характеристики шероховатости поверхности труб пользуются эквивалентной (усредненной) шероховатостью k1. Она зависит от материала труб, продолжительности эксплуатации, явлений коррозии и эрозии. Для большинства стальных труб величина эквивалентной шероховатости находится в пределах от 0,1 до 0,2 мм. Опытами ГИНИ - МНИ, И. Е. Ходановича, А. А. Кащеева и др. установлено, что для нефтепроводных и газопроводных труб k1 = = 0,14 - 0,15 мм.

Значения эквивалентной шероховатости для некоторых трубопроводов приведены в таблице.

Эквивалентная шероховатость (k1) стенок труб

Характер поверхности

k1, мм

Чистые цельнотянутые трубы из латуни, меди, свинца

0,01

Стальные трубы:

 

цельнотянутые, новые

0,04-0,17

после нескольких лет эксплуатации

0,19

старые, со значительной коррозией

0,60-0,67

загрязненные

0,75-0,90

Резиновый рукав

0,01-0,03

Пеньковый прорезиненный рукав

0,50-0,80

Асбоцементные

0,30-0,80

В зависимости от режима движения жидкости, а также от толщины пограничного слоя при турбулентном режиме, трубопроводы, имеющие техническую шероховатость, разделяются на гидравлически гладкие и гидравлически шероховатые. Гидравлически гладкими называются трубопроводы, в которых отдельные струи потока, двигаясь параллельно друг другу, плавно обтекают все неровности й выступы на внутренней поверхности трубы, в результате чего шероховатость не оказывает влияния на сопротивление потоку. Такое явление наблюдается при ламинарном режиме движения жидкости, а также в некоторых случаях при турбулентном режиме, т. е. когда толщина пограничного слоя покрывает все выступы шероховатости. Коэффициент гидравлического сопротивления λ для гидравлически гладких труб находится в зависимости от числа Рейнольдса и не зависит от степени шероховатости стенок трубопровода.

С увеличением турбулентности (числа Рейнольдса Rе) толщина пограничного слоя уменьшается, становится меньше абсолютной шероховатости и в результате этого при соприкосновении жидкости со стенкой трубы 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 степень турбулентности потока и, начиная с определенного значения Rе, коэффициент λ, будет зависеть только от шероховатости труб (квадратичная зона).

Величина коэффициента гидравлического сопротивления при ламинарном режиме, когда Rе˂2300, независимо от степени шероховатости трубы, определяется по формуле Стокса

λ=64/Rе.

При Rе > 3000 всегда имеет место турбулентный режим. Для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления при турбулентном режиме для разных чисел Rе рекомендуется пользоваться формулами Блазиуса, Исаева и Никурадзе. Области применения этих формул приведены на графике.

Ориентировочная схема областей применения формул для определения λ.

Многие вязкие нефтепродукты при низких температурах (вблизи температуры застывания) не подчиняются закону Ньютона, а следуют закону Шведова - Бингхема, так как обладают динамическим сопротивлением сдвига. Они текут по трубам особенным образом: центральная часть потока движется как твердое тело, а периферийная течет как жидкость ламинарно. Такой режим движения называют структурным. Коэффициент гидравлического сопротивления при структурном режиме движения может определяться по формуле Б. С. Филатова - Р. И. Шищенко.

Иногда величину местного сопротивления определяют через эквивалентную длину прямого участка трубы (под этим понимается длина такого участка трубы, на котором потеря напора эквивалентна потере в местном, сопротивлении).

Для ламинарного и переходного режимов при Rе < 2300 коэффициенты местных сопротивлений исследованы еще недостаточно.

Потеря напора в прорезиненных рукавах получается значительно больше потери напора в стальных трубах при одинаковых их диаметрах и длине. Это объясняется повышенной шероховатостью внутренней поверхности шлангов и наличием в них сужений и расширений сечения при проволочных каркасах. На потерю напора в рукаве оказывает также влияние изменение величины диаметра в зависимости от внутреннего давления. Поперечное сечение рукава, при перекачке жидкости, неодинаково по длине рукава. Оно, соответственно давлению, больше в начале рукава, чем в конце.

Для определения общего сопротивления трубопровода к найденной величине сопротивления трению необходимо добавить потерю напора на местные сопротивления.

Суммарная потеря напора в трубопроводе определяется по формуле

Н = hT+hск± Δz,  м ст. жидк.,     

где hT - потери напора на трение по длине и в местных сопротивлениях, м ст. жидк.;

hск - потери на участке, которому соответствует наибольшая скорость движения нефтепродукта, м ст. жидк.;

Δz - разность отметок уровней жидкости в конце и начале трубопровода.

Гидравлический расчет заканчивается подбором насоса по значениям подачи и напора и определением действительной производительности при работе принятого насоса на данный трубопровод.

При подаче жидкости центробежным насосом в напорный трубопровод подача насоса и развиваемый им напор зависят от сопротивления трубопровода. Кривую, выражающую зависимость сопротивления трубопровода от производительности перекачки по нему, называют характеристикой трубопровода и выражают ее в тех же координатах, что и характеристику насоса.

Построение характеристики трубопровода производится с помощью гидравлического расчета. Для этого, задаваясь рядом значений Q, определяют величины напора Н, необходимого для преодоления сопротивления сети (трубопровода). Значения Н наносят на график и полученные точки соединяют плавной кривой, представляющей собой характеристику трубопровода. Точка пересечения характеристик насоса и трубопровода является рабочей точкой насоса, которой соответствуют определенные значения Q и Н.

На изображении ниже представлены совмещенные рабочие характеристики накоса и трубопровода, а также показано, как влияет изменение рабочей характеристики трубопровода на рабочую точку насоса. Рабочая характеристика трубопровода при геометрическом напоре, равном нулю, представлена на изображении «а» кривой 1. При перекачке жидкости с подъемом на некоторую высоту Нст рабочая характеристика перемещается на графике в положение 2, соответствующее в масштабе напоров высоте Нст.

Точка А пересечения характеристики трубопровода с характеристикой насоса 3 является рабочей точкой насоса. Каждой характеристике трубопровода соответствует своя рабочая точка, так как ее положение на кривой Q-Н зависит от кривизны линии характеристики.

При проектировании трубопроводов и подборе насосов необходимо стремиться к тому, чтобы рабочая точка насоса находилась на ординате максимального к. п. д. Как видно изображении «б», наибольшее значение к. п. д. будет для трубопровода с рабочей точкой А1, которой отвечают производительность Q1 и напор Н1.

При расчетах всасывающих трубопроводов необходимо производить проверку неразрывности струи с учетом упругости паров перекачиваемой жидкости.

Рабочие характеристики центробежного насоса и трубопровода: а - рабочие характеристики насоса и трубопровода; б - смещение рабочей точки при изменении характеристики трубопровода. 1 - характеристика трубопровода при Нст=0 ; 2 – характеристика трубопровода с подъемом жидкости на высоту Нст; 3 – характеристика центробежного насоса.