Розрахунок трубопроводів на міцність

Обробка вхідних даних

Розрахункову густину нафти визначаєм за формулою

(2.1)

 

де ρ_t – розрахункова густина нафти, кг/м³;

ρ₂₀ – густина нафти при 20 °С, кг/м³;

ξ – температурна поправка кг /(м³·°С);

t – розрахункова температура, °С;

 

ξ =1,825 – 0,001315 · ρ₂₀. (2.2)

 

ξ =1,825 – 0,001315 · 818 = 0,7493 кг /(м³·°С).

 

ρ_t = 818 – 0,7493(3 – 20) = 830,73 кг/м³.

 

Розрахункову в’язкість перекачування нафти визначаємо за формулою Філонова–Рейнольдса

(2.3)

 

де – в’язкість при розрахунковій температурі t;

– відоме значення в’язкості при температурі ;

u – коефіцієнт крутизни віскограми.

Коефіцієнт крутизни віскограми визначаємо за формулою

 

(2.4)

 

де t₁ i t₂ – температури, при яких відомі ν₁ і ν₂.

 

 

сСт.

Добову витрату рідини визначаємо за формулою

, (2.5)

 

де М – кількість нафти, що перекачується;

K_п – коефіцієнт, який враховує можливість перерозподілення потоків у процесі експлуатації нафтопроводу;

N_Р – кількість робочих днів.

 

 

Приймаємо, що нафтопровід буде прокладатися в умовах, для яких заболочені гірські ділянки складають менше 30% траси нафтопроводу, тому приймаємо кількість робочих днів N_Р = 351 [2].

Трубопровід буде однонитковим і ним нафту будуть транспортувати з місця добування до системи трубопроводів, тому К_П =1,07 [2].

 

м³/д.

Визначаємо годинну витрату рідини в трубопроводі

 

, (2.6)

 

м³/год.

 

Визначаємо секундну витрату рідини в трубопроводі

 

(2.7)

 

м³/с.

 

Підбір насосів і побудова математичних моделей характеристик насосів і насосних станцій

Вибираємо насоси:

- магістральний насос НМ 710–280 4 штуки (3 робочі, 1 резервний);

- підпірний насос НПВ 600–60 3 штуки (2 робочі, 1 резервний).

Складаємо таблицю характеристики насосів (таблиця 2.1).

 

Таблиця 2.1- Характеристики насосів.

Насос	Параметр	Значення параметру
НМ 710–280	Подача, м3/год
Подача, м3/с		0,28	0,56	0,83	1,11	1,39	1,67	1,94	2,22
Напір, м
НПВ 600–60	Подача, м3/год
Подача, м3/с		0,14	0,28	0,42	0,56	0,70	0,84	0,97	1,11
Напір, м

 

Для проведення технологічних розрахунків режимів роботи трубопроводів паспортні графічні характеристики насосів, які встановлені на ГПНС, доцільно описати математичною моделлю виду

 

H = a – b · Q², (2.8)

 

де a і b – коефіцієнти математичної моделі.

 

Ці коефіцієнти обчислюють за координатами двох точок з характеристик насоса методом інтерполяції

(2.9)

 

,

(2.10)

де Н₁ і Н₂ – напори, які розвиває насос при подачах Q₁ і Q₂ відповідно.

В робочій зоні магістрального насоса беремо два значення напору Н₁= 225 м і Н₂ =175 м при подачі відповідно Q₁ = 6500 м³/год і Q₂ = 8000 м³/год (Q₁ = 2,222 м³/с і Q₂ = 1,806 м³/с)і визначаємо коефіцієнти :

с/м²,

 

с/м².

В робочій зоні підпірного насоса беремо два значення напору Н₁= 91 м і Н₂ = 80 м при подачі відповідно Q₁ =3500 м³/год і Q₂ =4000 м³/год (Q₁ = 1,111 м³/с і Q₂ = 0,972 м³/с)і визначаємо коефіцієнти :

 

с/м²,

с/м².

 

Підпірні насоси з’єднуємо паралельно, магістральні насоси послідовно (рисунки 2.1 і 2.2).

 

 

Рисунок 2.1 – Схема паралельної роботи підпірних насосів

 

Рисунок 2.2 – Схема підключення магістральних насосів на послідовну роботу

Підпірні і магістральні насоси працюють послідовно.

 

Математична модель проміжної насосної станції записується так:

 

, (2.11)

 

де А _пнс і В _пнс – коефіцієнти математичної моделі сумарної напірної характеристики проміжної насосної станції.

 

(2.12)

(2.13)

 

с/м²,

с/м²,

 

При подачі м³/с напір проміжної насосної станції становить

 

м.

 

На головних насосних станціях працюють послідовно один підпірний і r магістральних насосів. Тому математична модель робочої зони напірної характеристики головної насосної станції має такий вигляд

 

, (2.14)

 

де А _гнс і В _гнс – коефіцієнти математичної моделі сумарної напірної характеристики головної насосної станції.

 

(2.15)

(2.16)

 

= , (2.17)

 

де – число паралельно працюючих насосів.

с/м²,

с/м²,

При подачі м³/с напір головної насосної станції становить

 

м.

 

 

Тиск головної насосної станції дорівнює

 

Р_ГНС = ρ_t g H_ГНС , (2.18)

 

Р_ГНС = 853,22 9,81 607,8 = 5,09 МПа.

 

 

Розрахунок трубопроводів на міцність

Приймаємо, що труби будуть виготовлятися на Новомосковському трубопрокатному заводі згідно ТУ 14-3-109-73 зі сталі марки 16Г2СГФ, для якої тимчасовий опір розриву 60 кгс / см ² ). Прямошовні труби діаметром 1220 мм, виготовлені електродуговим зварюванням. Нормальний ряд товщин стінок 5; 5,5; 6; 6,5; 7; 7,5; 8; 8,5; 9; 10; 11; 12 мм.

Розрахункова товщина стінки:

 

(2.19)

 

де n – коефіцієнт надійності по навантаженню;

p – робоче навантаження в трубопроводі, кгс/см²;

R₁ – рахунковий опір, знаходиться за формулою

 

(2.20)

 

де R^’₁ – тимчасовий опір розриву, кгс/см²;

m – коефіцієнт умов роботи;

K₁ = 1,34 – коефіцієнт надійності по матеріалу [2];

K_H = 1,05 – коефіцієнт надійності по призначенню [2].

Згідно [2] приймаємо n = 1,15, оскільки це трубопровід діаметром 700–1400 мм з проміжними насосними станціями без підключення ємностей; m =0,9, оскільки всі ділянки трубопроводу 3 та 4 категорії.

 

кгс/см²,

 

мм.

 

Приймаємо товщину стінки трубопроводу 8,5 мм з нормативного ряду.

 

Внутрішній діаметр трубопроводу знаходимо за формулою

 

D_вн = D_з 2δ, (2.21)

D_вн = 1220 2 · 8,5 = 1203 мм.

Перевіряємо на наявність складного напруженого стану:

 

, (2.22)

 

де – поздовжні осьові напруження;

0,15 – коефіцієнт защемлення трубопроводу;

α = 12·10^-6 град^-1 – коефіцієнт лінійного розширення металу;

Е = 2,1·10⁶ кгс/см² – модуль Юнга;

Δ t – різниця температури повітря в період укладання та мінімальної температури на глибині укладання.

Приймаємо Δ t = 40 для підземного прокладання трубопроводу [2].

 

11,47×10⁶ Па = 11,47 МПа.

При наявності певних стискаючих силових напружень товщину стінки слід визначати з формулою

, (2.23)

 

де ₁ – коефіцієнт, що враховує двохвісний напружений стан трубопроводу, який визначається за формулою

 

, (2.24)

мм.

 

Отже, остаточна товщина стінки трубопроводу δ = 8,5 мм з нормативного ряду товщин стінок. Внутрішній діаметр трубопроводу

 

D_вн = 1220 2·8,5 = 1203 мм.