Основы гидравлического расчета магистрального трубопровода и выбор расположения насосных станций

Построить в масштабе профиль трассы. Определить потребность в насосных станциях и местах их расположения, чтобы давление в трубах p не превышало допустимого. Подобрать толщину стенки трубопровода. Рассчитать силы, стремящиеся разорвать и срезать колено трубопровода, и необходимую реакцию опоры

1. Расчет скорости нефти в трубопроводе.

Приближенно можно принять, что диаметр трубопровода обычно соответствует экономически наивыгоднейшим скоростям течения жидкости u=0,8…1,5 м/с.

Тогда:

где w - площадь живого сечения трубопровода;

d – внутренний диаметр трубопровода.

Из полученного выражения определим диаметр:

Предварительно принимаем скорость движения в магистральном трубопроводе 1,1 м/с.

По приложению 4 принимаем d=900 мм

Находим фактическую скорость на участках:

2. Расчет режима движения жидкости.

Для расчета используем формулу

Режим движения турбулентный. В нём наблюдается три зоны гидравлических сопротивлений.

3. Выбор зоны гидравлических сопротивлений работы трубопровода и коэффициента гидравлического трения l.

Рассчитываем для трубопровода отношение d/D. d/D=0,9/1*10-4=9000

Из таблицы №5 найдём l=0,022

4. Расчет потерь напора в трубопроводе.

Магистральные трубопроводы рассчитываются как гидравлически длинные. Местные потери трубопровода учтём как 10% от потерь напора по длине. Тогда общие потери напора составят:

5. Расчет потребного напора для перекачки жидкости.

Потребный напор определяется с учетом высотного положения трассы по формуле:

Hп=hw+zk-zн,

где zk, zн – высотное положение соответственно начала и конца трубопровода.

Hп=548+312-140=720 м.

6. Расчет числа насосных станций.

Напор Hст, развиваемый одной насосной станцией, соответствует в первом приближении предельно допустимому давлению жидкости в трубе pmax:

Приближенно количество станций можно определить по формуле:

7. Выбор расположения насосных станций на профили трассы.

Месторасположение насосных станций определяем графическим способом. Головную станцию располагаем в начале магистрального трубопровода. Расположение второй и последующих станций определяем по линии гидравлического уклона:

На графике при разных горизонтальном и вертикальном масштабах наклон линии строят следующим образом: на вертикальной оси откладывают величину потерь напора, полученную точку соединяют с проекцией точки окончания трубопровода на горизонтальную ось (см. рис. 4 пунктирная линия). Далее на вертикальной оси последовательно откладывают напоры насосных станций и из полученных точек проводят линии, параллельные линии гидравлического уклона. Точки пересечения проведенных линий с профилем трассы будут местом предварительной установки насосных станций.

Необходимо, чтобы давление в любой точке рассматриваемой трассы не превышало pmax. Это соблюдается, если отрезок между линией гидравлического уклона и профилем трассы нигде не превышает Hст. Если это условие не выполняется, то следует снизить напор насосной станции. В данной задаче по всей длине трассы это условие не соблюдается. На участке трубопровода 4 станции напор больше Нст.Поэтому снижаем напор 4 станции до 94 м.

Н4’=94 м

8. Расчет участка трубопровода с лупингом.

Станция 5 находится вблизи перевальной точки, развиваемый её напор не может быть использован полностью, поэтому сооружать её не целесообразно. Необходимый напор можно получить за счет снижения потерь путем прокладки параллельного трубопровода на участке между 4 и 5 станцией.

В строительстве и при эксплуатации нефтепроводов прокладываемые трубопроводы для снижения напора называются лупингами.

Примем dл= dтр=900 мм

Расход для одной ветви трубопровода с лупингом:

Qл=0,5Q = 0,5*0,64= 0,32 м3/с

Скорость нефти в лупинге определим по формуле:

Число Рейнольдса определяем по формуле:

Коэффициент гидравлического трения определяем по формуле Блазиуса:

Потери трубопровода с лупингом :

9. Выбор толщины стенки трубопровода.

Мысленно рассечем трубу вертикальной плоскостью 1-1 (рис. 7). На половину трубы длиной l действует сила гидростатического давления Px = p w z = pd вн l ,

где p – давление в магистральном трубопроводе;

dвн – внутренний диаметр трубопровода; в первом приближении принимается равным диаметру условного прохода.

Эта сила уравновешивается двумя силами T, приложенными к стенкам трубы в местах условного разреза. Силу Т определяют из условия равновесия системы. Эти силы стремятся разорвать трубопровод по его образующей. Таким образом, стенки трубопровода работают на растяжение. Силу Т можно определить из уравнения прочности трубопровода, в которое входят размеры поперечного сечения стенки трубы и допустимое напряжение материала трубопровода [s]:

где d - толщина стенки трубопровода.

Толщина стенки с учетом вышеприведенных формул составит:

По требованию потребителя трубы групп А и В должны выдерживать испытательное гидравлическое давление в соответствии с ГОСТ 3845-75 при допустимом напряжении, равном 40% от временного сопротивления.

Выбирают тип трубы соответствующего сортамента согласно ГОСТу для стальных электросварных прямошовных труб; в соответствии с ГОСТ 10705-80 для марки стали Ст3пс, Ст3сп временное сопротивление sн=272 МПа. Тогда [s]=0,4×272=108 МПа.

Толщина стенки составит:

По ГОСТ 10704-91 выбираем толщину стенки трубопровода d=5 мм и наружный диаметр dн=920 мм. Внутренний диаметр трубопровода составит: dвн=dн-2d. dвн=920-2×5=910 мм.

10. Расчет сил, действующих на стенки изогнутой трубы.

В местах поворота трубопровода устраивают анкерные опоры для удержания трубопровода в проектном положении. Колено трубы (рис) под действием внутреннего гидростатического давления стремиться сдвинуться в направлении силы Р. Эта сила возникает за счет разности сил давления жидкости на относительно большую поверхность трубы аа’ и малую поверхность bb’. Отсек трубопровода aa’bb’ находится в равновесии под действием сил, показанных на рис. . Весом жидкости в колене трубопровода пренебрегаем:

Сила Р равная реакции опоры R, определяется геометрическим суммированием Р1 и Р2:

Сила Р1 стремится разорвать трубу по плоскости ab, а Р2 – по плоскости a’b’. Сила, стремящаяся срезать трубу по плоскостям ab и a’b’, определяется по формуле: