Гідравлічний розрахунок трубопроводів

Гідравлічний розрахунок трубопроводів проводиться з метою визначення деяких параметрів при заданих значеннях інших.

Найчастіше по заданій продуктивності Q потрібно визначити діаметр трубопроводу d і втрату напору Н з урахуванням економічної швидкості руху і фізичних властивостей перекачуваних рідини або газу. При розрахунку всмоктуючих ліній для рідких речовин необхідно, щоб гідравлічний опір лінії всмоктування, складене з геометричною висотою всмоктування, не було більше всмоктуючої здатності насоса. При цьому усмоктувальні трубопроводи для світлих нафтопродуктів розраховуються для найвищої температури перекачування, при якій найбільш ймовірне утворення газових скупчень, а для темних нафтопродуктів, навпаки, при найменшій температурі, коли втрати напору на тертя будуть мати найбільше значення.

Розрахунки проводяться за максимальними витратами, які встановлюються за для окремих операцій. Швидкості в трубопроводах рекомендується приймати за даними таблиці.

Рекомендовані значення швидкості руху нафтопродукту в трубопроводі в залежності від в'язкості

Середня швидкість, м / сек

Кінематична, сст (мм 2 / сек)

На лінії всмоктування

На лінії нагнітання

Гідравлічний розрахунок трубопроводів проводиться в певній послідовності.

Розрахунок знову проектованого трубопроводу починають зазвичай з попереднього встановлення діаметра, виходячи з заданої витрати і орієнтовно обраної швидкості руху рідини.

За швидкістю, діаметру і в'язкості встановлюються параметр Рейнольдса і характер руху рідини. Встановивши режим руху рідини, переходять до визначення коефіцієнта гідравлічного опору λ. Далі визначають гідравлічний ухил і потім втрату напору на тертя в трубопроводі.

Переміщення рідини пов'язано з втратою напору. При переміщенні її по трубопроводах насос повинен розвивати натиск, необхідний для подолання гідравлічних опорів тертя по довжині трубопроводу, місцевих опорів, геометричній висоти, що дорівнює різниці відміток рівнів рідини в кінцевому і початковому пунктах перекачування, і на створення швидкісного напору рідини.

Величина втрати напору на тертя по довжині для труб круглого перетину виражається наступним рівнянням гідравліки

H = λ * l / d * ω 2 / 2g, м ст. рі.

де λ - коефіцієнт гідравлічного опору мірна);

ω - середня швидкість руху рідини, л / сек.

Величина втрати напору на тертя, віднесена до одиниці довжини трубопроводу, називається гідравлічним ухилом і позначається

При графічному побудові лінії втрати напору неважко встановити, що гідравлічний ухил є не що інше, як тангенс кута нахилу лінії падіння напору до горизонталі, т. Е.

Складність розрахунку за формулою полягає в правильному визначенні коефіцієнта λ, що залежить від режиму руху рідини (ламінарний або турбулентний) та від ступеня шорсткості стінок трубопроводу. Під шорсткістю трубопроводу розуміються нерівності (виступи) на внутрішніх поверхнях стінок. Розрізняють шорсткість абсолютну і відносну. Абсолютною шорсткістю е називається абсолютна висота виступів на внутрішній поверхні трубопроводу. Відносна шорсткість ԑ тобто відношення абсолютної шорсткості до внутрішнього радіусу трубопроводу

Труби мають абсолютну шорсткість різних розмірів і нерівномірну по довжині труби. Тому для характеристики шорсткості поверхні труб користуються еквівалентної (усередненої) шорсткістю k1. Вона залежить від матеріалу труб, тривалості експлуатації, явищ корозії і ерозії. Для більшості сталевих труб величина еквівалентної шорсткості знаходиться в межах від 0,1 до 0,2 мм. Дослідами Гіні - МНІ, І. Е. Ходановіч, А. А. Кащеєва і ін. Встановлено, що для нафтопровідних і газопровідних труб k1 = = 0,14 - 0,15 мм.

Значення еквівалентної шорсткості для деяких трубопроводів наведені в таблиці.

Еквівалентна шорсткість (k1) стінок труб

Залежно від режиму руху рідини, а також від товщини прикордонного шару при турбулентному режимі, трубопроводи, що мають технічну шорсткість, поділяються на гідравлічно гладкі і гідравлічно шорсткі. Гідравлічно гладкими називаються трубопроводи, в яких окремі струмені потоку, рухаючись паралельно один одному, плавно обтікають всі нерівності й виступи на внутрішній поверхні труби, в результаті чого шорсткість не впливає на опір потоку. Таке явище спостерігається при ламінарному режимі руху рідини, а також в деяких випадках при турбулентному режимі, т. Е. Коли товщина прикордонного шару покриває всі виступи шорсткості. Коефіцієнт гідравлічного опору λ для гідравлічно гладких труб залежить від числа Рейнольдса і не залежить від ступеня шорсткості стінок трубопроводу.

Зі збільшенням турбулентності (числа Рейнольдса Rе) товщина прикордонного шару зменшується, стає менше абсолютної шорсткості і в результаті цього при зіткненні рідини зі стінкою труби виходять додаткові завихрення, створювані виступами, за рахунок яких величина коефіцієнта гідравлічного опору збільшується. У цьому випадку коефіцієнт опору залежить від шорсткості стінок трубопроводу і числа Рейнольдса (зона змішаного тертя). При подальшому збільшенні числа Рейнольдса підвищується ступінь турбулентності потоку і, починаючи з певного значення Rе, коефіцієнт λ, буде залежати тільки від шорсткості труб (квадратична зона).

Величина коефіцієнта гідравлічного опору при ламінарному режимі, коли Rе˂2300, незалежно від ступеня шорсткості труби, визначається за формулою Стокса

При Rе> 3000 завжди має місце турбулентний режим. Для розрахунку коефіцієнтів гідравлічного опору при турбулентному режимі для різних чисел Rе рекомендується користуватися формулами Блазіуса, Ісаєва і Нікурадзе. Області застосування цих формул наведені на графіку.

Орієнтовна схема областей застосування формул для визначення λ.

Багато в'язкі нафтопродукти при низьких температурах (поблизу температури застигання) не підкоряються закону Ньютона, а діють за законом Шведова - Бінгхема, так як мають динамічним опором зсуву. Вони течуть по трубах особливим чином: центральна частина потоку рухається як тверде тіло, а периферійна тече як рідина ламінарно. Такий режим руху називають структурним. Коефіцієнт гідравлічного опору при структурному режимі руху може визначатися за формулою Б. С. Філатова - Р. І. Шищенко.

Іноді величину місцевого опору визначають через еквівалентну довжину прямої ділянки труби (під цим розуміється довжина такої ділянки труби, на якому втрата напору еквівалентна втраті в місцевому, опорі).

Для ламінарного і перехідного режимів при Rе <2300 коэффициенты местных сопротивлений исследованы еще недостаточно.

Втрата напору в прогумованих рукавах виходить значно більше втрати напору в сталевих трубах при однакових їх діаметрах і довжині. Це пояснюється підвищеною шорсткістю внутрішньої поверхні шлангів і наявністю в них звужень і розширень перетину при дротяних каркасах. На втрату напору в рукаві робить також вплив зміна величини діаметра в залежності від внутрішнього тиску. Поперечний переріз рукава, при перекачуванні рідини, неоднаково по довжині рукава. Воно, відповідно тиску, більше на початку рукава, ніж в кінці.

Для визначення загального опору трубопроводу до знайденої величиною опору тертю необхідно додати втрату напору на місцеві опори.

Сумарна втрата напору в трубопроводі визначається за формулою

де hT - втрати напору на тертя по довжині і в місцевих опорах, м ст. рі .;

hск - втрати на ділянці, якому відповідає найбільша швидкість руху нафтопродукту, м ст. рі .;

Δz - різниця відміток рівнів рідини в кінці і на початку трубопроводу.

Гідравлічний розрахунок закінчується підбором насоса за значеннями подачі і напору і визначенням дійсної продуктивності при роботі прийнятого насоса на даний трубопровід.

При подачі рідини відцентровим насосом в напірний трубопровід подача насоса і створюваний ним натиск залежать від опору трубопроводу. Криву, яка має залежність опору трубопроводу від продуктивності перекачування по ньому, називають характеристикою трубопроводу і висловлюють її в тих же координатах, що і характеристику насоса.

Побудова характеристики трубопроводу проводиться за допомогою гідравлічного розрахунку. Для цього, переймаючись поруч значень Q, визначають величини напору Н, необхідного для подолання опору мережі (трубопроводу). Значення Н наносять на графік і отримані точки з'єднують плавною кривою, що представляє собою характеристику трубопроводу. Точка перетину характеристик насоса і трубопроводу є робочою точкою насоса, якій відповідають певні значення Q і Н.

На зображенні нижче представлені суміщені робочі характеристики накосив і трубопроводу, а також показано, як впливає зміна робочої характеристики трубопроводу на робочу точку насоса. Робоча характеристика трубопроводу при геометричному напорі, що дорівнює нулю, представлена ​​на зображенні «а» кривої 1. При перекачуванні рідини з підйомом на деяку висоту Нст робоча характеристика переміщається на графіку в положення 2, відповідне в масштабі напорів висоті Нст.

Точка А перетину характеристики трубопроводу з характеристикою насоса 3 є робочою точкою насоса. Кожній характеристиці трубопроводу відповідає своя робоча точка, так як її положення на кривій Q-Н залежить від кривизни лінії характеристики.

При проектуванні трубопроводів і підборі насосів необхідно прагнути до того, щоб робоча точка насоса перебувала на ординате максимального к. П. Д. Як видно зображенні «б», найбільше значення к. П. Д. Буде для трубопроводу з робочою точкою А1. якої відповідають продуктивність Q1 і натиск Н1.

При розрахунках всмоктуючих трубопроводів необхідно проводити перевірку нерозривності струменя з урахуванням пружності парів рідини, що перекачується.

Робочі характеристики відцентрового насоса і трубопроводу: а - робочі характеристики насоса і трубопроводу; б - зміщення робочої точки при зміні характеристики трубопроводу. 1 - характеристика трубопроводу при Нст = 0; 2 - характеристика трубопроводу з підйомом рідини на висоту Нст; 3 - характеристика відцентрового насоса.