Нафтопровід, Детальна інформація

Традиційна методика розрахунку коефіцієнта гідравлічного опору в магістральних нафтопроводах полягає у використанні різних математичних моделей залежно від того, в якій зоні турбулентного режиму відбувається процес перекачування нафти.

Норми технологічного проектування магістральних нафтопроводів пропонують в зоні гідравлічно гладких труб коефіцієнт гідравлічного опору розраховувати за емпіричною формулою Блазіуса

, (2.1)

а в зоні змішаного тертя використовувати наступну емпіричну модель, яка не має теоретичного обгрунтування

, (2.2)

- коефіцієнт моделі, значення якого залежать від діаметра трубопроводу.

для кожного стандартного діаметра нафтопроводу.

мм для більших діаметрів труб. Тому дана методика розрахунку коефіцієнта гідравлічного опору не може бути використана при проведенні гідравлічних розрахунків діючих нафтопроводів, шорсткість внутрішньої поверхні яких суттєво різниться від нормативного значення.

Існуючі методики експлуатаційних гідравлічних розрахунків нафтопроводів передбачають використання формули Блазіуса в зоні гідравлічно гладких труб та однієї з напівемпіричних залежностей (формул Ісаєва, Френкеля, Альтшуля тощо) в зоні змішаного тертя. Такий підхід має ряд недоліків, основними з яких є наступні:

=0,1 мм перше перехідне число Рейнольдса, розраховане за різними методиками, знаходиться у широкому діапазоні від 70000 до 668000. Виникає питання - яке з цих значень перехідного числа Рейнольдса слід закладати в обчислювальний алгоритм;

- формули, які дозволяють визначити коефіцієнт гідравлічного опору тільки певній зоні гідравлічного режиму, не стикуються на границях зон тертя, тобто при числах Рейнольдса, близьких до перехідних чисел Рейнольдса. Це робить неможливим розробку обчислювальних алгоритмів і програм, в яких реалізується метод послідовних наближень при визначенні гідравлічних характеристик нафтопроводу;

- формула Блазіуса дає достовірні результати тільки при числах Рейнольдса менших від 70000-100000. Згідно з напівемпіричною теорією турбулентності для нафтопроводів великого діаметра перехід від гідравлічно гладких труб до зони змішаного тертя відбувається при числах Рейнольдса значно більших за 100000. Тому виникає необхідність використання, окрім формули Блазіуса, що одної моделі для коефіцієнта гідравлічного опору у зоні гідравлічно гладких труб. Це ще більше загострює проблему стикування різних моделей для коефіцієнта гідравлічного опору при розробці обчислювальних алгоритмів та програм.

Труднощів, пов’язаних з визначенням достовірних границь переходу від однієї зони турбулентного руху до іншої, з виникненням стрибкоподібних змін значень коефіцієнта гідравлічного опору при переході від однієї моделі до іншої, з зацикленням розрахунків на ЕОМ при реалізації методу послідовних наближень, можна уникнути, використовуючи в обчислювальних алгоритмах універсальні моделі для визначення коефіцієнта гідравлічного опору в турбулентному потоці. Найбільш доцільним є використання в обчислювальних алгоритмах формули Колбрука, яка об’єднує формули Прандтля для гідравлічно гладких і шорстких труб з допомогою інтерполяційної перехідної функції, враховує вплив на гідравлічний опір одночасно в’язкості та шорсткості труби і тому придатна для всіх зон турбулентного руху.

. (2.3)



Формула Колбрука у більшості країн світу використовується як основна формула для гідравлічного розрахунку трубопроводів різного призначення.

Результати розрахунків свідчать, що використання формули Колбрука для явно вираженої зони гідравлічно гладких труб, що часто має місце для магістральних нафтопроводів, суттєво завищує гідравлічний опір системи, бо не враховує явища гідравлічної гладкості труби. Це доказує необхідність попередньої модифікації формули (2.3) перед використанням її в обчислювальних програмах. Методика внесення змін у дану модель наведена нижче.

.

Згідно з напівемпіричною теорією турбулентності можна допустити справедливість наступного виразу

, (2.4)

де

- дотичні напруження в потоці рідини;

- густина рідини;

- швидкість руху рідини в перерізі, що співпадає з виступами шорсткості порожнини труби;

- кінематична в’язкість рідини.

Використовуючи результати експериментальних досліджень Нікурадзе, можна одержати наступний вираз для границі існування гідравлічно гладких труб:

. (2.5)

Після підстановки відомого виразу для товщини ламінарного прошарку одержують наступний вираз для визначення границь використання моделей для гідравлічно гладких труб:

. (2.6)

, яка закладається у всі розрахункові моделі, і може бути визначена достовірно лише за результатами експериментальних досліджень при конкретних умовах експлуатації. Для практичних розрахунків нафтопроводів використовуються значення еквівалентної шорсткості труб, одержані Альтшулем. Вони не завжди адекватно описують стан внутрішньої поверхні діючих трубопровідних систем.