МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов

-ВНИИСТ-

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО РАСЧЕТУ ИЗМЕНЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ИСПЫТАНИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Р 539-84

москвл 1984

УДК 622.691.47.001.2

В настоящих Рекомендациях приведены методы расчета изменения давления внутри трубопровода в процессе испытаний, которые позволяют рассчитывать продолжительность подъема давления до испытательного и величину падения давления при изменении температуры испытательной среда, а также методика расчета изменения давления в процессе распространения гидравлических волн в заполненном жидкостью трубопроводе, которая позволяет определять допустимую величину скачков давления при его подъеме внутри трубопровода до испытательного.

В Рекомендациях предложена программа АСТРА для расчета на ЭВМ процесса распространения гидравлических волн.

Рекомендации предназначены для инженерно-технических работников проектных и строительных организаций, занятых производством работ по испытанию магистральных трубопроводов.

Рекомендации разработаны лабораторией очистки полости и испытания трубопроводов ВНИИСТа кандидатами техн.наук Ю.В.Колотиловым, Е.М.Климовским, В.В. Рождественским. В составлении Рекомендаций принимал участие д-р техн.наук Б.Л.Кривошеик - НШИОогнефте-газстрой.

© Всесоюзный научно-исследовательский институт

по стюо тельству магистральных трубопроводов (1ШИСТ), 384

Пришвине I Рекомендуемое

ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРСЩОЛВИЕЛЫЮСТИ ПСЩЫЗйА ДАВЛЕНИЯ ДО ИСШТАТЕЛШОГО

Необходимо вайта время подъема давления до испытательного в данном участке магистрального трубопровода.

Приложение 2 Рекомендуемое

ПРИМЕР РАСЧЕТА ВЕЛИЧИЕМ ПАДШИЕ ДАВЛЕНИЙ ПРИ ИЗьЕНЙШ ТВШЕРАТУРЫ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ СРОД

Необходимо найти падение давления внутри трубопровода (ДР), вызванное тепловым взаимодействием трубопровода о грунтом, при его выдержке под испытательным давлением.

Исходный танине

L = 20 км - протяженность испытываемого участка трубо-

провода|

В₀ = 1,389 м - диаметр трубопровода; б = 16,5 ш - толщина стенки трубы;

Р₀ = I МПа - начальное давление;

Pj = 8,25 МПа - испытательное давление;

Tj = 288 К - начальная температура испытательной среда; ?2 = 280 К - температура испытательной среда в процессе

С = 47¹1СГ^ МПаГ¹ - коэффициент сжимаемости вода;

Ы. = 1,2¹10""^ 1Г¹ - коэффициент температурного расширения стали;

Л s 20,19¹ НГ⁵ К”¹ - коэффициент температурного раошире-'    ния    вода;

= 30 ч - время подъема давления от Р_п до испытательного Р_х;

Q: = 30 м⁸/ч - производительность одного опрессовочного агрегата;

/2=3- количество опрессовочннх агрегатов.

Решение

Примете следующую последовательность расчета.

I. По формуле (7) определяем коэффициент ГП :

0,372 • 1C⁹.

2. По формуле (8) определяем коэффициент Kj - часть испытываемого участка трубопровода, занятая воздухом:

8.25.I0⁶«132.3 Г т _с .132.3 > 288.3,77.10® i    288

3.    По формулам (4)-(6) находим значения коэффициентов f,

f₂* fъ ■

f_t = 47. Ю~^П-Ю, 372. I0"⁹+47.1СГ¹¹. С, 372.ГО^-9.8,25. Ic£-0,0П7*

yA7, IO”¹¹ = 84.1СГ¹¹,

f_z = (2.1_f2.10"⁵-20_f19.10“⁵-20₁19.10-⁵.0,372.10^-9.8,25.10⁶+ + 0_t0H7.20,I9.I0~⁵)- 8 - 0,0117 = -0,0131,

£ = 2§0 * C.0II7 = 0,0114.

¹³ 288

4.    По формуле (3) находим изменение давления ( ДР) при изменении температуры испытательной среда на ^T=Tj-T2=8°C:

ДР -1-- Г84.I0^-11.8.25.I0⁶ + 0,0131 -

2»a4.rn~ⁱi_I____

- V (84.1С“¹¹ . 8,25.1С^-Ю,0131)^+4.84.10^-П.8,25.10^е(-0,0131+

+ 0,0114) ]    =    0,73.н£    НЛв².

В результате расчетов получена величина изменения давления внутри трубопровода при его испытании, что было вызвано тепловым взаимодействием трубопровода с грунтом.

14

Приложение 3 Рекомендуемое

лРОТР&Ш АСТРА НА АЛгеМТЬШЕСЖШ ЯЗЫКЕ ФОРТРАН

П Т MEf:S ! Of ³ ( 1 ПО ) , И ( 1 П П ) , Р м ( 1 П П > » v .'N < ?. г П >

1 , Г Р ( 1 П ^л ) , V W ( X О П ) , А ( 1 ft 0 \ , р ( .10 0 1 . С ( 1 М \ , Г f 1 о ~.) 4=2 0 Ч р= 5 0 [|РХ= 1 '

Л 1. = 7 . F 4 . П = 1 . \Й 9 П F L = . П 1. л "

F = 7 3 . h Г X 1

вв-1:.    '    ■ -

A f -1 = , 1 Л К - 2 . F О

Р Г = I 0 Л 7 „ 7 п и \г Г

Л i Л f ■ = _Л 0 *5

Л 1 = { 1 , - Л f I * * ;> 1 * D / ( 2 . * F * F \'

Г 1¹¹ а X = ^я S , г 5 ▼ л i: = , n I н = л I./ п_; -1 ?

I;    = О - '

р т = 8 0 , Г 5

<:Т= ^ ->П ~ П

ПО 1 Т = V, ■ п ( ;) - р т

: ’< I ) rv ^т 1Г; _г П n ? Т » т = I . fi ор{ I I О :Г( !M>/1.FS

⁷ Of ^т I f f

Л f i 1 Г 0 I г ⁽ 1 ) = \ . г, f 1 1 г о . '

г г 1) = г : t -;. и *>

Г> г " -    <    ‘    )

^р .■ = - с f ; i Т ' / f 2 . * - ■ * f Л > - - т 1 * 1 , 1 * г г s. м * ( у. ( * 1-1

Лtr)=о.

М ? J 1 .    t    Л:

О f *: ) Т 0 .

15

Применение 4

ПРИМИ? РАСЧЕТА ПШЮДПЕАГ^НЕСЮК ПАРА?.?ЕГР03 Рекомендуемое ПРИ ГУ^АВГРШСКШ исштании

Необходимо найти изменение давления внутри заполненного жидкостью участка трубопровода при скачкообразном изменении давления во входном сечении испытываемого участка.

Исходные данные

L = 10 км - протяженность участка;

В = 1,389 м - диаметр;

Р₀ = 8 МПа - начальное давление;

А Р = 0,5 МПа - величина скачка давления;

}\ = С,С5 - коэффициент гидравлического сопротивления;

К = 2Д.10³ МПа - модуль объемного сжатия воды;

Е = 20,6ДС^ Ша - модуль Енга;

= 0,3 - коэффициент Пуассона;

J = 16,5 мм - толщин” стенки трубы;

$,= ЮСЗ,?6 кг/м³ - плотность воды при ?₀.

Решение

Описанные выше исходные данные используют в программе АСТРА (см.приложение 3 рекомендуемое). Результаты расчетов по указанной программе приведены на рис.1 в виде зависимостей давления воды по дайне трубопровода в различные моменты времени.

Гидравлическое испытание магистрального трубопровода отличается от пневматического тем, что задается не только минимальное испытательное давление в верхней точке (Р_исп?=1д ^рраб^ но и максимальное испытательное давление в нижней точке трубопровода, принимаемое равным заводскому испытательному да-шенкго (Р_зав).

Парьпрул величину заводского испытательного давления (Рзав) * ^{а та1сже} величину скачка давления во входном сечении ( Д ?) с учетом рассмотренной выше методики расчета гидродинамических хча^^&летров, можно найти зависимость, определяющую ве-лiIЧИI;y допустпнхвс скачков давления яри гидравлическо:.-; пеня.г-нлп данного участка трубопровода.

.а рлс.-^ приведена завис.:] ость допустимых скачка давления o'i лаксима.! ..ого испытательного давления при леходаъх да-рамотрах преда нудой задач,..

£

Рис.!. Кривые изменения давления жидкости (?) по длине трубопровода U )в различные моменты времени ( t ):

1 - t =3с;2-6с;3-9с

tP, МП*

Рис,2, Зависимость допустимых скачков давления ( л ?) от максимального испытательного давления.(?___)

оси?

Полученная зависимость позволяет регламентировать величину резкого возрастания .давления во входном сечении. Так, если на испытываемом участке магистрального трубопровода уложены трубы с P_3aB=8,S МПа, скачки давления во входном сечении не должны превышать ДР = 0,4 Ша.

20

1.    Ч а р и ы ft И. А. Неустановнвшевся движение реальной жидкости в трубах. М., Недра, 1975, 288 с.

2.    СНиП Ш-42-80 "Строительные нормы и правила. Магистральные трубопроводы. Правила производства и приемки работ".

3.    К о л о т и л о в С. В. Возникновение волн давления при гидравлическом испытании трубопроводов. Труды "Надежность конструкций магистральных трубопроводов", ШИИСТ, 1983, с.89-76.

4.    Коло типов Ю. В. .Климовокий Е. М. Продолжительность опрессовки магистрального трубопровода цри гидравлическом испытании. "Строительство трубопроводов",1983,

* 12, с.32-33.

Рекомендации по расчету изменений давления и температуры при гидравлическом испытании магистральных трубопроводов

I. общие полшшя

1.1.    Рекомендации разработана в развитие глав СНиП Ш-42-В0 "Магистральные трубопроводы. Правила производства и приемки работ".

1.2.    Комплекс работ по гидравлическому испытанию включает несколько этапов:

заполнение трубопровода испытательной средой;

подъем давления до испытательного;

испытание на прочность;

испытание на герметичность.

1.3.    Заполнение трубопровода испытательной средой осуществляют наполнительными агрегатами, при этом из трубопровода удаляется воздух. Подъем давления до испытательного осуществляют опрессовочными агрегатами.

1.4.    Рекомендации предназначены:

для расчета продолжительности подъема давления в трубопроводе до испытательного;

для расчета величины падения давления при изменении температуры испытательной среды;

для расчета изменения давления в процессе распространения гидравлических волн.

2. АНАЖГИЧЕСКИЕ МЕТОД! РАСЧЕТА ТЕХНОЖЯИЧЕСт ПАРАМЕТРОВ ПРИ ШДРАВЛИЧЕСШ ИСПЫТАНИИ

2.1. Время подъема давления (&i) от начального Р₀ до испытательного Р_исп ^с помощью группы опрессовочннх агрегатов с учетом возможного наличия в трубопроводе воздушных пробок определим соотношением:

Внесены ШП    Утверждено ВНИИСТом    Срок введения в дейст-

БНИИСТа_    21 апреля 1984 г.    вне I декабря 1984 г.

3

ССдКРЖАНИЕ

1.    Общие положения ........................... 3

2.    Аналитические методы расчета техно

логических параметров при гидравлическом испытании................................. 3

3.    Методика расчета изменения давления

в процессе распространения гидравлических волн при гидравлическом испытании......... 3

Приложения............ II

Литература............... 20

И - количество оцрессовочных агрегатов;

Е - модуль Юнга, Б/м²;

^ - коэффициент Пуассона;

& - толщина стенки трубы, м;

К₀- часть испытываемого трубопровода, занятая воздухом; 2_о- коэффициент сжимаемости воздуха.

2.2. Коэффициент сжимаемости воздуха ( Е₀ ) находим по уравнению Бертло:

где T_Q - температура испытательной среды, К;

Т^р- критическая температура воздуха, К:

Pjcp “ критическое давление воздуха, Н/м².

2.3.    Пример аналитического расчета продолжительности подъема давления до испытательного при гидравлическом испытании участка магистрального трубопровода приведен в приложении I рекомендуемом.

2.4.    Изменение давления ( АР) внутри трубопровода, вызванное изменением температуры испытательной среды (АТ ),описывается соотношением

^iP’Ti\^fi^pr^fz-M^p,

(4)

(5)

(6)

(7)

Pj - начальное давление в трубопроводе, Н/м^;

Tj - начальная температура испытательной среда, К;

То - температура испытательной среда в процессе выдержки участка под испытательным давлением ( лТ=Т₁-Т₂), К;

С - коэффициент сжимаемости воды, м^/Н; а - коэффициент температурного расширения стали, РГ¹;

J3 - коэффициент температурного расширения вода, IT¹; К-рчасть испытываемого трубопровода, занятая воздухом. 2.5. Зная время подъема давления до Pj (см.п.2.1), коэффициент Kj определяем по формулу

о . / 4Ai£8j ^Ki^=P°^ZlLrZ*₀L(P_rP₀)

(8)

- Л7

2.6. Пример аналитического расчета изменения давления в процессе гидравлнчесского испытания участка магистрального трубопровода при изменении температуры испытательной среда приве

ден в приложении 2 рекомендуемом.

о * MET G/j/IKA pr, \j чия А    дАЗЛЕНИЯ

Б ПРОЦЕССЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГШАВЛШШ1 ВОЛН ПРИ ГЙЩ^АБЛИЧЕСКСМ ИСПЫТАНИИ

Математическая модель процесса распространения гидравлических зспн

3.1. Система, описывающая нестационарное движение жидкости в упругом здубоцроводе, имеет следующий вид: а) уравнение движения:

№£)t    m

б)

в)

уравнение неразрывности:

P(pf) р S(PWf) dt    See

(ID

уравнение состояния:

р-М’+

р-р.)

к ’

(ID

о

Б уравнениях (9)-(П) приняты обозначения:

Р - среднее по сечению трубы давление жидкости, Н/м²; р - средняя по сечению трубы плотность жидкости, кг/м³;

W - средняя по сечению трубы скорость жидкости, м/с;

И - диаметр трубопровода, м; f - площадь поперечного сечения трубопровода, м²;

/1 - коэффициент гидравлического сопротивления;

Ро - плотность жидкости при давлении Р₀, кг/м³;

■р

* о К

9

сК

X

t

начальное давление жидкости в трубопроводе, Н/м²; модуль объемного сжатия жидкости, К/м²;

О

ускорение свободного падения, м/с ; угол возвышения оси трубопровода над горизонтом; координата вдоль оси трубы, ?л; время, с,

3.2. Приращение диаметра и площади поперечного сечения трубы за счет упругих деформаций стенок трубопровода в о нужном направлении под действием внутреннего давления определяем по формулам

_    _    /    /    /-    V~\    /У-    -    /

f.f li.(L-f)Vo о _f (7-^{T Ta}i    I    25E

D₀P

(12) (13)

где E - модуль Юнга, Н/ы²;

$ - коэффициент Пуассона.

3.3. Б качестве начальных условий в практических расчетах задаем распределение давления (Р) и скорости ( W ) по длине трубопровода в начальный момент времени:

Р(х,0)-Р(х), w(x,0)=0.    (14)

3.4. В качестве граничных условий задаем изменение давления и скорости соответственно в начале (х = 0) и конце (х = /) испытываемого участка.

Граничное условие для давления жидкости в сечении х = О принимаем в виде:

p(0,t)= P_a-hAP _t    (15)

где AT - величина скачка давления, Н/м².

При распространении гидравлических волн в замкнутом участке магистрального трубопровода граничным условием дня скорости жидкости в конце участка будет

'ЩЬгЬ)=0.    (16)

3.5.    Б качестве исходных данных для расчета изменения давления зададим следующие величины:

L - протяженность испытываемого участка, м;

D - диаметр трубопровода, м:

Р₀ - начальное давление, Ц/м²;

А? - скачок давления в сечении х = 0, Н/м²;

А - коэффициент гидравлического сопротивления;

К - модуль объемного сжатия жидкости, Ц/м²;

Е - модуль Юнга, Ц/м²;

$ - коэффигиент Пуассона;

2 - толщина стейки трубы, м;

р₀- плотность воды при давлении Р₀, кг/м³.

3.6.    Дифференциальные уравнения (9)-(10), описывающие процесс распространения гидравлических волн в заполненном жидкостью трубопроводе, аппроксимируют замкнутой системой алгебраических соотношений, которую решают с помощью неявной схемы метода сеток.

Длину испытываемого участка разбивают на ( N -I) равных интервалов. Уравнения движения вместе с начальными и граничными условиями, представленные в разностном виде, образуют систему алгебраических уравнений для каждого момента времени. Последовательное решение этих систем уравнении на каждом шаге но времени позволяет определить значения гидродинамических функций Р и W во всех дискретных точках-узлах по длине трубопровода.

3.7.    Расчет гидродинамических параметров (давления и скорости) в процессе распространения гидравлических волн в трубопроводе при гидравлическом испытании выполняют по программе АСТРА.

"■зел'у-гх'Я метода на ЭГП

- .3. Алгоритм программы АСТРА и подпрог; аг г. PPOGDN :аан :> виде программы на' алгоритмическом    :{ч*нэдр[

-!: :r::(3H;ie 3 рекомендуемое).

7

WV/- скорость, м/с;

ТШЕ — время, с.

3.II. Первое число в отроке, определяющее величину данного параметра (РР) или (WW ), соответствует сечении х = 0.

Для определения расстояния между следующим сечением, в котором выдастся да печать рассчитанные параметры, и началом испытываемого участка (х = 0) следует воспользоваться формул

"*    t-Хф-т

(Л/-1)- количество интервалов разбиения области интегриро-вання;

МРХ - количество точек (узлов), через которое печатаются рассчитываемые параметры ( UPX = I - параметры печатаются во всех точках; UPX = 2 - через две, начиная о точки х — 0 И Т.Д./.

1

0,0117.

13

2

L = 20 да - протяженность испытываемого участка;

3

В₀ - 1,389 м - диаметр, трубоцровода;

4

= 16,5 ш - толцива стенда труби;

5

Р₀ = I МПа - начальное давление;

6

Р_нсп= 8,25 МПа - непитательное, давление;

7

П = 3 - количество оцрессовочянх агрегатов;

8

@1= 30 mVh - производительность одного агрегата;

Е = 206 П1а - модуль Etoa;

V> = 0,3 - коэффициент Пуассона;

Kg = 0,05 - часть трубоцровода, занятая воздухом;

132,3 К - критическая температура воздуха;

9

Рдр = 3,77 МПа - критическое давление воздуха;

Т₀ = 288 К - тешературв напнтательной среди.

Ренете

Примем следущув последовательность расчета.

I. По форцуле (2) определяем коэффициент сжимаемости воз

духа:

= С,998.

2. По формуле (I) находим время подъема давления до питательного при наличии в трубопроводе воздуиной пробки:

At = 3,14-1.38^*Ю0С0 (8,25*10® - I*ICp) х 4*(3«Х)

15,7 ч.

10