Файл: Рабинович, Е. З. Гидравлика учебник.pdf

В той части этого участка (ml), где h < zt — z2, жидкость будет заполнять только часть сечения трубопровода; там же, где h = zx —

— z2, трубопровод работает полным сечением (участок Is).

Во всех рассмотренных выше случаях движение жидкости в трубо­ проводах предполагалось изотермическим, т. е. происходящим при постоянной температуре.

В действительности, однако, перекачиваемые нефти и нефтепро­ дукты имеют обычно температуру, отличную от температуры окру­ жающей среды (грунта на глубине укладки трубопровода). При перекачке же высоко вязких и высоко застывающих нефтей и нефте­ продуктов часто прибегают даже к специальному их подогреву перед перекачкой.

При этом ввиду имеющейся разности температур между перека­ чиваемой жидкостью и грунтом наблюдается процесс теплообмена — температура жидкости изменяется вдоль трассы трубопровода, и ее движение но­ сит неизотермический характер.

Изменение температуры, в свою оче­ редь, приводит к изменению вязкости, а следовательно, и величины гидравличе­ ских потерь. В связи с большой протя- О женностью магистральных нефтепроводов эти изменения могут быть весьма значи­ тельными. Это обстоятельство следует

обязательно учитывать при проведении гидравлических расчетов. Пусть в трубопровод поступает жидкость с температурой tH.

Тогда на некотором расстоянии I от начала трубопровода, вследствие теплообмена, температура жидкости изменится до значения t.

Изменение температуры жидкости вдоль трубопровода может

где t0 — температура грунта по оси трубопровода; е — основание натуральных логарифмов (е = 2,72); а — коэффициент, характери­ зующий интенсивность теплообмена,

Knd

а = — тг; cpgQ

здесь К — так называемый полный коэффициент теплопередачи от жидкости в окружающую среду, численно равный количеству тепла, проходящего через единицу поверхности трубопровода в единицу времени при перепаде температур 1° С; с — теплоемкость жидкости— количество тепла, необходимое для нагревания единицы массы жид­ кости на 1°С; Q — объемный расход.

При этом для температуры в конце трубопровода будем иметь

t* = ^0 + (^н ~ *о) e~aL>

где L — полная длина трубопровода.

245

Примерный вид кривой изменения температуры вдоль трассы трубопровода показан на рис. 185.

Составим выражение для потери напора на бесконечно малом участке трубопровода длиной dL, на котором изменением кинемати­ ческой вязкости можно пренебречь,

ПТПл,П

d H ^ A ^ - d L .

аь

Потеря напора на участке конечной длины может быть определена интегрированием этого выражения. При этом в подынтегральное выражение следует подставить функциональную зависимость изме­ нения вязкости от температуры (см. § 32, формула (4.4))

L

Н = А -^ - J v^e~nui dL.

о

Учитывая при этом закон изменения температуры по длине трубопровода (6.35), окончательно получаем

В частном случае при турбулентном режиме в области гидравли­ чески гладких труб (закон сопротивления Блазиуса) последнее выра­ жение принимает вид

Интегрирование этого выражения представляет известные труд­ ности и здесь не рассматривается.

На практике при проведении гидравлических расчетов магист­ ральных нефтепроводов при неизотермическом режиме часто исполь­ зуют приближенные методы. Один из них заключается в том, что потери напора определяют по обычной формуле изотермического режима, куда подставляют среднее значение вязкости, соответству­ ющее средней температуре жидкости, определяемой по выражению

Этот метод был предложен для ламинарного режима, но дает достаточную для практических целей точность и при проведении расчетов в области турбулентного режима при условии существова­ ния неизотермического режима на всем протяжении трубопровода.

В настоящее время в общем балансе добычи нефти в Советском Союзе зна­ чительное место занимают парафинистые нефти, содержание парафина в которых изменяется в весьма широких пределах — от 1 до 25%, а в отдельных случаях и до 30% (по весу).

246

Опыт эксплуатации нефтепроводов, перекачивающих подобные нефти, показывает, что их пропускная способность подвержена существенным измене­ ниям, которые в основном носят «сезонный» характер и в значительной степени обусловливаются температурными условиями перекачки, химическим составом и физико-механическими свойствами перекачиваемых нефтей. Известны случаи, когда пропускная способность некоторых трубопроводов в отдельные периоды времени снижалась на 15—25%.

На рис. 186 изображена кривая изменения пропускной способности одного из магистральных нефтепроводов, полученная на основании обработки эксплу­ атационных данных. Здесь по вертикальной оси отложена пропускная способ­ ность, а но горизонтальной оси — время. Сплошная линия показывает измене­ ние действительной пропускной способности в зависимости от времени года; пунктирная линия дает изменение во времени теоретической пропускной спо­ собности для чистого трубопровода без парафиновых отложений.

Основной причиной подобного снижения пропускной способности нефте­ проводов является их запарафинирование — образование на внутренней по­

т. е. с октября, и продолжается до середины мая, о чем свидетельствует пониже­ ние кривой пропускной способности. С мая в связи с общим потеплением и повы­ шением температуры грунта и нефти наблюдается вымывание отложений. Этот процесс приводит к повышению пропускной способности, которая достигает сво­ его максимального значения к середине сентября. Следует отметить, однако, что естественный размыв отложений не обеспечивает полной очистки нефтепровода и в любой период времени действительная пропускная способность нефтепро­ вода оказывается все же меньше теоретической.

Рассмотрим влияние температуры на процесс кристаллизации парафина. На рис. 187 приведена кривая интенсивности выпадания парафина, полученная на основании лабораторных исследований одной из парафинистых нефтей. Здесь по оси абсцисс отложена температура нефти t в °С, а по оси ординат — коли­ чество парафина в весовых процентах, выпадающего из нефти при различных температурах.

Из графика видно, что процесс выпадания парафина начинается при тем­ пературе % п (температура начала кристаллизации) и достигает максимальной интенсивности при температуре tMac (температура массовой кристаллизации). Затем с понижением температуры интенсивность выпадания парафина падает, становится минимальной и при некотором значении температуры, вблизи тем­ пературы застывания нефти, снова начинает расти.

Следует отметить, что для большинства парафинистых нефтей кривые ин­ тенсивности парафинизации имеют аналогичную форму и отличаются от

247

рассмотренной кривой лишь абсолютными значениями температур п количе­ ством кристаллизующегося парафина.

Отмеченные особенности поведения парафинистых нефтей вызывают изве­ стные затруднения при эксплуатации магистральных нефтепроводов, перека­ чивающих эти нефти.

Борьба с образованием парафиновых отложений может вестись по двум направлениям:

проведение мероприятий, препятствующих образованию отложений; очистка трубопроводов от отложений.

Для предотвращения образования отложений известны следующие методы: применение специальных покрытий внутренней поверхности стенок труб (лако­

пускной способности трубопровода, полученная в результате двукратного про­ пуска шарового разделителя.

Первый пропуск осуществлен в середине января (отрезок ab), после чего пропускная способность нефтепровода полностью восстановилась (точка b ле­ жит на кривой теоретической производительности).

В дальнейшем, однако, в связи с ростом слоя грязе-парафиновых отложе­ ний пропускная способность вновь падает. Вторичная очистка в конце апреля (отрезок cd) опять обеспечивает восстановление пропускной способности до тео­ ретически возможной.

Последующий характер изменения пропускной способности обусловлен температурными условиями перекачки.

Естественно, что сроки пропуска очистных устройств не являются произ­ вольными, а устанавливаются расчетным путем.

§ 76. ДВИЖЕНИЕ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ПО ТРУБАМ

Движение неньютоновских жидкостей по трубам и лоткам харак­ теризуется рядом особенностей по сравнению с движением обычных жидкостей. Как показывает опыт, для начала движения неньютонов­

248

ской жидкости необходимо создать некоторую определенную раз­ ность напоров, соответствующую, как уже ука-зывалось ранее (см. § 40), равенству возникающего в жидкости касательного напряже­ ния т ее начальному напряжению сдвига т 0. При этом вся масса жид­ кости отрывается от стенок трубы или лотка и движется первона­ чально как одно целое (т. е. как твердое тело) с одинаковыми ско­ ростями для всех частиц.

Рассмотрим этот случай и определим разность напоров, необхо­ димую для начала движения неньютоновской (бингамовской) жид­ кости, заполняющей горизонтальный цилиндрический трубопровод длиной I и диаметром’ d. Давление в концевых сечениях трубопро­ вода обозначим через р г и р 2, плотность и удельный вес жидкости — через р и у и ее начальное напряжение сдвига — через т 0.

Так как в рассматриваемом случае силы трения будут возникать только у стенок трубы на боковой поверхности выделенного объема жидкости и равнодействующая этих сил

Т = х0я dl,

то уравнение равновесия, составленное для системы сил, действу­ ющих на этот объем, по аналогии с выводом общего выражения для потерь напора при равномерном движении (см. § 36), будет иметь вид

иметь место три различных режима ее движения: структурный, лами­ нарный и турбулентный.

Выражение (с) является исходным при исследовании начальных стадий движения (например для расчета процесса выталкивания застывшей высокопарафинистой нефти из остановленного трубопро­ вода); при этом, как уже указывалось (см. § 40), под т 0 следует понимать статическое начальное напряжение сдвига х0ст; во всех же остальных случаях движения неньютоновских жидкостей по трубам т 0 = х0д.

249