РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ В "ГОРЯЧЕМ" НЕФТЕПРОВОДЕ РД 39-30-48080

1981

Министерство нефтяной промышленности

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССИДОВАТЕЛЬСКИЯ ИНСТИТУТ ПО СВОРУ, ПОДГОТОВКЕ И ТРАНСПОРТУ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ ВНИИСЛТнефть

НИНУ и m им. И.И.Губкина

утвЕрадаи

Первым заместителем Министра нефтяной промчаявнкости

_________ В. И. Кремне вын

II декабря I960

РУКОВОДИЛИ ДОКУМЕНТ МЕТОДИКА

РАСЧЕТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ТН1Я0ВЫХ ПОТЕРЬ В “ГОРЯЧЕН" НЕФТЕПРОВОДЕ РД 39-30-400-00

1901

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ УЧАСТКОВ С РАЗЛИЧНЫМИ РЕЖИМАМИ ТЕЧЕНИЯ

При перекачке подогретых вязкопластичных жидкостей в результате падения температуры вдоль трубопровода изменяются физические свойства нефти. Вследствие этого в трубопроводе могут иметь место несколько режимов течения. Каждому из них, в принципе, соответствует свой закон изменения средней по сечению температуры и давления.

В общем случав на начальном участке наблюдается турбулентный режим течения, на конечном - ламинарный. Кроме того , при температуре t_Mn , в результате выпадения парафина начинают проявляться вязко пластичные свойства нефти. Тжпжчяая картина изменения средней температуры нефти до длине трубопровода показана на ряоЛ /6/, ^{2 1}

При его¹ могут иметь место три случая:

1.    Пре t„л > t¹_p (    >    Re¹    _р)    ва    участке до сечения

/м наблюдается ньютоновское турбулентное течение на участке    -    неньютоновсксз турбулентное течение, а на

участке    неньютоновског, ламинарное (структурное) те

чение •

2.    Пра t_Hn¹ t¹_p(Rc_H« ¹ Re%) иддкооть будет обладать

ньютоновскими свойствами на всем турбулентном участке до сечения С¹г> . Участок (£¹р.€г¹>) соответствует ламинарному ньютоновскому течению, и участок    -    ламинарного    не    ньютоновско

му течению»

3.    Пра t,¹, t¹p течение разбивается на турбулентный ньютоновский (до ) и ламинарный не ньютоновский участки.

Для определения температуры , при которой турбулентный рекам течения сменяется ламинарным /7/ находится зависимость H¹(t) в интервале температур, пра которых перекачивается нефть. Пользуясь вспомогательным стандартным графиком £е¹_р(Не) (рно.2), строитоя зависимость Re'npCO .

Ьооо

3500 5000 2500

2000

Затем рассчгтив&бтся а строится (на том хе чертежа) график зависимости £e*(t) . Точна пересечения кривых £c*(t) я РвкрМ имеет абсциссой искомую температуру • Температура tVn долина входить в число исходных данных.

таплиш Расчет на туршшно* участке

При тепловом расчете турбулентного участка кет необходимости делить его на частя, соответствующие ньютоновскому и «е-ныотоновскому течениям (еоха t_Hn>t*_Р), поскольку некьютоновс-кае свойства на турбулонтном участке трубопровода ещё не оказывают заметного влияния на теплообмен. Дона итого участка рассчитывается по формуле Щухсва

(_Kf> к _QS-h 'l*...    Ш

&бн И К    t ^ -1_Q

В качестве с выбирается ореднее значете теплоемкости на учаотке. Коэффициент теплопередачи определяется иг соотношения

Коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке •*** оказывает несущественное влияние на К в случае туроулентпото течения /3.9.КУ, п его можно не учитывать, положив в (II)

'/4,0.

Обратимся к определению внешнего коэффициента теплоотдачи €к_9Кф%

При подземной орокладке трубопровода рекомендуется вычислять его по формуле Форхгеймера-Грвбера /II/

a oC_fl есть коэффициент теплоотдача от грунта 2 воздух fi// ~ 11,6 г П,Ч Ап/аt^а • *С ) • Коэффициент    можно    определять

также по данным Фокина /12/ (см. приложение 2).

Ери наличия снегового покрова его теплоизолирующее влияние учитывается добавлением в (13) еь$ одного слагаемого (соответствующего фиктивному слов грунта того да теплового сопротивления, что снежный слей). Таким образом, вместо (13) будет

-Г³⁶—-    ⁽¹⁴⁾

о вС в    ^    Асн

где 6с* - толиоша снегового покрова. Для уплотненного снега •Ас* а 0,40, для с вехе выпавшего Кн • 0,93.

Ив структуры расчетных формул <* нсхр видно , что правильность раочета *мор существенно зависит от 1Гравильностп выбора •А ц> . Коэффициент 7водопроводностж Лхр зависит как от типа грунта, так в от температуры, влажности, степени уплотнения и состава.

Так, при равных значениях пористости и влажности тепло -про водность песка выше, чем супеси. Теплопроводность песчаных грунтов можно определить по формуле ^.П.Шубина /13/.

>_{ip =} V25Q(oJ * 22)-и>^г .    (15)

/ОО - 0,0385 ftp

Работающий горячий трубопровод образует о грунте взаимосвязанное температурное и влажностное поле, определяющее эффективный коэффициент теплопроводности грунта. Для глинистого грунта в интервале температур стенки трубопровода 30*6U°C модно принять

весной, летом и осенью

Аф *- 0,42^6 + 0.OO57t    _(I6)

я анмой (в интервале 30*70°С)

Л * 1,5в - 0,0071.    (Х7)

Для более высоких температур отенка трубы (60*100°С) летом, весной в осенью следует принять Л_гр = 0,766, а зимой (дра температурах 70е100°С) ^Лч> « 0,858. Для сулжх песчаных грунтов результаты, полученные по формулам (16) ж (17) надо увеличать приблизительно в 1,5 раза.

Наличие искусственной тепловой изоляции, как следует ив формулы (II) снижает влияние довольно грубо вычисляемой величины оt„OLp на значение К я тем самым позволяет более точно осуществить расчет по формуле (10). Само собой разумеется, что ж тепловые потеря ира этом оказывается менышмн.

Тепловая изоляция оказывает основное термическое сопротивление топленым потерям при наземной прокладке горячих трубопроводов, когда ot„_0/> оказывается довольно большим. Величины коэффициентов теплопроводности различных типов тепловое изоляции по д&шшм С.В.Хижнякова /14/ приведены в приложении Э в еавиекмоо-?н от оредчей температуры слоя изодяцжи г .Эта температура определяется пс таолице приложения 4.

Для наземных труоопроводов коэффициент <х ^ предотавлявт собой сумму козффецдвнтоь теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием;

** hap - *HOH * ®^Ауу

и полет приблпкэнно определяться по формуле Л5/

«Hui.*11,b*6.96)/w^m,    ⁽¹⁸⁾

При прокладке горячего трубопровода в воде коэффициент

теплоотдачи от стенки трубопровода к воде определяется по формулам свободной конвекции /16/.

I. Непроточная вода:

Nu - С_} (Sr Pt)^m\    (19)

где значеная С, и т, определяйся по табл, приложения 5. При этом физические характеристики для вычисления произведения относят х средней температуре

LflOCp

ж за линейный размер принимается    .

2. Проточная вода (поав^ючдое обтекание):

Nu =С_гГ?е^т*^Р*‘ ,

где авачения С₂ ц т₂ ьибираиется по табл,приложения б.

ГН1РАВЯ11ЧКСКИП РАСЧЁТ Т^ТБУЛЕНТНОГО УЧАСТКА

Будем вычислять потери давления дР на участке турбулентного течения жидкости у которой вязкость 2 ^и минимальное напряжение сдвига 'с существенно зависят от температуры. Мы предположим, что эта зависимость описывается формулами (3)-(6).

Величина дР для турбулентного участжа    вычпсля-

етоя до различным формулам в зависимости от числа Хедстрема

Не= —-р?— (<?,)«]:

X) Пра Не 4. 2.I0³ (Область действия закона Блазиуса)

где

2) Пра 2.I0⁸* Не 4 1.3.1Ср

длина участка ламинарного течения осязана о температурами его начального и конечного сечений формулой

■С_к-£_м~ —— ■&, Л*-U ..    (26)

Як.*к t«-t.

В атом случае тепловой расчет иокно даже вести не разбивая трубопровод на участки турбулентного и ламинарного течения /10 /, если только величины С , к меняются вдоль трубопровода меньше, чем на 10%, т.е. можно применять формулу (26) ко всему трубопроводу сразу.

Падение давления на ламинарном участке вычисляется по формуле /18/:

f * у==г    ^)*

где введены обозначения

(28)

При этом используются формулы (5), (3) для аппроксимации функций Тна рассматриваемом участке.

2) Бели при л » I величина коэффициента нар достигает двух-трех единиц, а также в случае л / I тепловой и гидравлический расчет по вышеприведенный формулам приводит к слишком большим ошибкам и следует применять более точные методы, описанные в f 19,20,22] • Эти методы приводят к довольно сложным формулам, неудобным для ручного счета. Поэтому следует вести расчет на ЭВМ методом, основанным на следующих соображениях.

Нелинейные свойства вязкопластака существенно проявляются только в ламинарной зоне* В турбулентной зоне показатель нелинейности п равен единице ила, по крайней мере» близок к единице. По а тому при расчете турбулентного участка не делалось различия между линейным л нелинейным вязко пластиками.

Расчот нелинейного вязкоаласткка на ламинарном участке производится по [22] . Совместно решаются уравнение энергии, постоянства расхода и движения конечно-разностным методом. На стендах грубы считается скорость равна нулю и учитывается теплообмен о окружающей средой. Расчет может быть выполнен только на ЭВМ.

В приложении 7 дана инструкция ддд пользования соответствующей программой.

Б приложении 8 дана сама программа .на алгоритмическом языке ФОРТРАН.

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Пример I.

Произвести тепловой а гидравлический расчет нефтепровода диаметром 1020 х 12 мм. Нефтепровод уложен в сухой песчаный грунт без изоляции на глубине 1,3 м до оси трубы. Температура грувта на глубине заложения 13,2°С. Плотность грунта 185,5 кг/м⁸. Производительность перекачка 977,8 т/час. Начальная температура на участке 57,4°С, конечная 34,2°С. Содержание парафина в нефти IS*. Температура начала дарофаяизациа 45°С,конца 5°С. Теплофизике окне свойства нефти приведены в таблице»

Методика расчета гидравлических и тепловых потерь в "горячем** нефтепроводе предназначена для проектирования "горячих" трубопроводов и гидравлических расчетов на действующих трубопроводах.

•Методика охюатывает области ламинарного я турбулентного режима движения нефтей в трубопроводах, отвечающих реологическим моделям Швеаово-Ькнгама и Еалкли-Гершеля.

Базой для составления методики явились теооетические и экспериментальные исследования, выполненные во ВНИИСПТнефть и МИИХ и ГП им.Закина И.М.

Авторами "Методики..." являются: д.т.н., профессор Гусейнзаде М.А.; д.т.н., профессор Юфин В.А., к.ф-м.н., доцент Харин В.Т., к.т.н. Мишин Э.А., к.т.н. Стайн А.М.,

Литова Г.Г. к.т.н.,с.н.с. Сковородников Ю.А., к.т.н.,с.н.с. Свиридов В.Л.

Титов Н.С.,

Ризванов Н.Р.

I. Чтобы вычислить температуру t_Kp перехода турбулентного течения в ламинарное, надо иметь графика Re* Lt) _Е Re_Kp(t) . Поскольку лабораторные данные не содернат значений Т при t > 35°С uu вычислим ах, пользуясь формулами (7), (6) в (8) дра t,-30°C, t_t ** 35°С, t. =t₄.

Имеем

⁸JJ§~*0,Z5&

Б₂⁼'T■^^, Хз'♦    «--0,2^7

= 0,246.

Вз^а“?-^Л

•0,2471*

Л '

У2.0

Д3тв,7е

Пологим в - 0,246 1/°С. Такам образом, 'TfU пра 45°С >

t > 35°С вычисляется по формуле (7):

Г -<u4e(t-45)

T(t) * 0,308 е    - /

Значения p(V пра 4СРс t <    45°с    вычислим    по    форму

лам (3), (4) при t₄ . 40°С, t₄ - 50°С it., 40°С. что

^ЯЛвТ    -0.05ZS(t-^o)

p(i): 0,027 е

Сведем данные, необходимые для построения графиков в таблицу

методика расчета гидравлических и тшоздх потерь

3 "ГОРЯЧЕМ* НЕЖГЕСРОЕОДй РД 39-30-480-80 Вводятся взамен РД 39-30-139-79 в частя разделов 3 и 4

Приказом Министерства нефтяной промышленности от 29.12.80 * 714 Срок введения установлен с 30.12.80 Срок действия до 30.12.85

Настоящая методика позволяет:

1.    При известной качельной и конечной температуре нефти в трубопроводе рассчитать дакну участка, на котором происходит падение температуры, а также потери капора на трение.

2.    По начальной температуре подогрева и длине участка определить конечную температуру на участке и потери напора на трение.

3.    По коночной температуре на участке и длине участка опре

делить качельную температуру подогрева.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ

Подстрочные иядекск:

8    -    величина    относится к воздуху;

~6_Н - величина берется на внутренней поверхности трубопровода; К - конечное значение величины на участка; кон - величина рассматривается в условиях конвекции; кр - величина относится к критическому сечению, в котором тур-булентный режим сменяется ламинарным; лу</ - величина рассматривается в условиях лучеиспускания;

^н - начальное значение величины на участке; нар - величина берется ка наружной поверхности труба; нп ~ величина относится к началу кристаллизация парафина;

0    -    величина    относится к окружающей среде;

сн - величина относится к снегу;

¹    -    величина    отнооится к L -му слою изоляции;

i    - параметр взят при средизй тешературв потока;

^ - параметр взят при сродней температуре стенки;

*    -    параметр    относится к характерной для данного участка

трубопровода величина.

Техническая характеристика трубопровода:

А*,*    - внутренний диадзгр трубопровода;

Dxapn    - внешний диаметр трубопровода;

h_Q, п    - глубина заложения оса трубопровода;

h , Н    - пряведопная глубина заложения;

i, w    - то куцая длина вдоль трубопровода;

Ь,м    - полная длила трубопровода;

Тепловые я гидравлические характеристики перекачиваемой явдкости:

А//*С    -    константа в формуле (20) для определения потерь

давления?

_а”%ел - коэффициент темпа рагу ропров односта;

В У°С *“ показатель крутизны зависимости минимального напряжения сдвига от температуры;

С~з£ - весовая теплоемкость;

G*/c€k    -    шсооьый расход;

Р ^н/м*    “    давление;

t/C    “    температура;

U, /°С    -    показатель крутизна зависимости вязкости от темпе-

ратури;

-    средняя скорость агдкости в сечепан трубопровода;

-    коэффициент теплоотдачи от ьадкостд к стенке;

-    коэффициент объемного расширения;

-    плотность кефпи;

-    динамический коэффициент вязкости (бингамовской ала неньютоновской);

-    фиктивная зязкссть при температуре t„ , определяемая экс лоне диа>*ъной аппроксимации к функции p(t) ;

-    коэффициент теплопроводности;

-    удельлыд ьео нефти;

-    ккидмасдсэ напряла зле сдвига;

-    фиктивное пян«епие минимального надрялэния сдвига при температуре t_e , определяемое экопацонцаал-ноЛ аппроксимацией функции Т (t)

-    касательное напряжение;

-    содержание парафина в нефти;

V. 7«*

01

js,/^вс

9.^k,A^j

_Л м-одс

?« «г^-

*<е*

п*

л

м.°С

Т. */«*

?.%^г

п.7.

^п    -    показатель    нелпбйности    для нелотеЙного вязко пластика;

Ab/l/'C    - коэффициент, входной э показатель нелинейности;

g_H    - коэффициент, входящий в показатель Еблинейыост».

9.7

и иж

Характеристика окрудвящей среди:

-    ускорение земного пратяаенвя;

> м*с*к^фС

t°c

-    полный коэффициент теплопередачи от гддкоот* в охрунаадув среду;

w, »/_сек

-    температура окружащей среды в ноыаруввпном тепловом состоящая з горизонтальной ддоскоо-та расположения сои трубопровода;

-    окорооть ветра;

-    коэффициент теплоотдачи от грунта » воздух;

6,_П

СО

-    коэффициент теплоотдача от трубопроводе в окружающую среду;

-    толщина слоя;

-    влажность грунта в процентах к объецу;

Безразмерные критерия:

Or * 9РЪ,„ et 9* ?* - параметр Греогофа; Me- X2>«* 'Ub^STr - параметр Идыяшка; VI = pV ~ 4Gp Mj - <*ен&бн А - параметр Нуссельта;

Ре г    ,,    -    параметр    Пекле;

параметр Хедстрема;

«• -ifo. .фс

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

Исходные данные должны включать в себя:

1.    Техническую характеристику трубопровода

ХЛ. Производительность пере качки (т .

Х.2. Внутренний я наружный диаметры трубопровода и

1.3.    Длину трубопровода А. .

1.4.    Глубину заложения трубопровода, считая по оси Ь₀.

1.5.    Материал и толщину изоляции.

1.6.    Начальную и конечную температуру жидкости.

Величины по пунктам 1.3 и 1.6 могут совместно не задаваться.

2.    Характеристику перекачиваемой жидкооти: зависимости плотности ф , коэффициента теплопроводности А , удельной теплоемкости, вязкости р и предельного (динамического) напряжения сдвига ^<Г от температуры, а для нелинейного иязкопласти-ка еще зависимость от температура показателя нелинейности п .

3.    Характеристику внешней среды

3.1.    Сведения о распределении грунтов по трассе трубопровода.

3.2.    Данные о температуре, влажности, тешюемнооти, объемном весе и коэффициенте теплопроводности грунтов на глубине заложения по месяцам года.

3.3.    Данные по срокам выпадания и толщине снегового покрова в районах прохождения трассы трубопровода*.

Определение характеристик жидкости желательно провести в лаборатории непосредственно на нефти (нефтепродукте), предана-

наченной для перекатки. Если таков определение по каким-либо причинам окажется невозможным, то часть характеристик можно рассчитать.

Весовая теплоемкооть рассчитывается по форде** Крего I

(I)

Л =    ^    -    (    i    -    0.000    5Ht)    *^m/_N    »С    .

Особенностью вязко пластичных нефтей я нефтепродуктов является высокое содержание парафина. Поэтому для них необходимо дополнительно иметь лабораторные данные о температуре начала и конца кристаллизации парафдяа и .

Пре ориентировочных расчетах величину интервала (t,*, t*n) можно принимать равной 4О50°С, а 'температуру tnn выбирать в пределах 40*50°С [2] ♦ Содержание парафина в некоторых нефтях [3,4,5] дало в приложении I.

Нелипейнсьвяэкоплаотичцая нефть описывается реологическим уравнением Бадкли-Гершедя

где п - консиотвнтнссть, - предельное напряжение едпига и п - показатель нелинейности.

Зависимость от температуры $(t)₉ Z (t) _t полученные пре лабораторных испытаниях даггся обычно таблицей. На каждом интервале изменения температуры, ив прввышиацем 10*16°С, еависи-мость p(t) можно аппроксимировать анататьческд формулой

?(*) =?.^е

1

0.1. Изменение темперитуры нефти здопь трубопровода

2

£нп