УДК 622.692.4.01:532.595.2
© В.Т.Ситенков, Е.В.Лебедева, 1998
В.Т.Ситенков, Е.В.Лебедева (НижневартовскНИПИнефть)
Снижение динамических нагрузок на промысловых трубопроводах
V. T. Sitenkov, E. V. Lebedeva (NizhnevartovskNIPIneft)
Reduction of Field Pipeline Dynamic Load
Reviewed are the origin conditions of dynamic load at field pipelines transporting two-phase products and hydraulic shock loads in case of shutdown of pipelines. It is emphasized that there are no publications or papers on methods of load estimation and pipeline and construction protection. Methods of load estimation for two-phase flows and protection of pipelines against dynamic load caused by hydraulic shock is proposed.
ри эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов наблюдаются значительные нерегулярные пульсации в трубопроводах, транспортирующих двухфазные смеси. Отмечаются падение трубопроводов с эстакад, разрушение и пожары на факельных коллекторах, разрушение строительных конструкций, поддерживающих всасывающие трубопроводы вакуумных компрессорных станций, предназначенных для сжатия нефтяного газа концевых ступеней сепарации нефти. Проектировщикам известны проблемы динамики трубопроводов, однако для их решения в методических и руководящих документах по проектированию не удается найти подходящих рекомендаций. Отсутствуют они и в доступной литературе.
Рабочие среды нефтяного промысла характеризуются наличием жидкой и газовой фаз, которые сосуществуют практически во всех нефтепромысловых трубопроводах. Газ выделяется из нефти при ее подъеме из пласта или снижении давления в нефтепроводе с образованием газовой фазы в жидком потоке. В процессе транспортирования неподготовленного нефтяного газа происходит его конденсация при снижении температуры газа в трубопроводах с образованием жидкой фазы в газовом потоке. Пульсацию промысловых трубопроводов, транспортирующих газожидкостные смеси, можно объяснить неравномерностью распределения фаз внутри трубопровода. При пробковом режиме движения смеси отдельные участки трубопровода подверга-
ются периодическому воздействию то газовой, то жидкостной среды. В результате значительной разности плотностей фаз на каждом повороте трассы возникает переменная динамическая нагрузка. На рис.1 представлена схема нагрузок на компенсатор.
При движении однофазной среды на каждом повороте компенсатора действуют силы лобового давления L и реактивные силы R, равные по величине, но направленные взаимно перпендикулярно. Сумма всех сил, действующих на компенсатор, равна нулю. Однако такое равенство сохраняется до тех пор, пока на каждом повороте компенсатора среда имеет одинаковую плотность. При появлении в потоке жидкости газового пузырька сила лобового давления и реактивная сила на первом по ходу смеси отводе резко снижаются, а нагрузки на другие отводы не меняются. В результате компенсатор становится неуравновешенным. Равнодействующая динамических сил потока, совершая работу против упругих сил трубопровода, приводит его в движение. При достижении газовым пузырьком второго отвода распределе-
" L
-> 4-
L
R
Рис.1. Схема нагрузок на П-образный компенсатор
ние нагрузок меняется, возникает движение элементов трубопровода в другом (поперечном) направлении. Как только газовый пузырек вытеснит жидкость из компенсатора, вновь установится равновесие сил лобового давления и реактивных. Это равновесие будет сохраняться до тех пор, пока к первому отводу не подойдет жидкостная пробка. При движении пробки по отводам компенсатора также будут наблюдаться перемещения трубопровода, только при этом направление равнодействующих сил будет противоположным по сравнению с предыдущим вариантом.
Отмеченное наблюдалось на подводящем газовом коллекторе газлифтной компрессорной станции №6 на Самот-лорском месторождении до тех пор, пока трубопровод диаметром 1000 мм не упал с эстакады на землю. На опорах и трубах остались следы продольных и поперечных перемещений трубопровода длиной до 600 мм.
При изменении плотности среды на поворотах трубопровода возникают неуравновешенная динамическая горизонтальная сила лобового давления и реактивная сила, которые зависят от разности плотностей, скорости потока и площади поперечного сечения трубопровода. Для определения зависимости названных параметров рассмотрим схему взаимодействия среды с преградой, расположенной под прямым углом к направлению движения среды (рис.2).
Элементарная струйка диаметром ¿, длиной и& сближается с поверхностью
6/1998 67
Рис.2. Схема взаимодействия струи с преградой
преграды с относительной скоростью и. После встречи с преградой направление движения среды совпадает с направлением касательной плоскости к поверхности преграды в точке встречи с преградой. Проекция результирующего импульса на ось Х после встречи с преградой равна нулю. Изменение направления движения происходит за время dt.
К элементу струйки в продольном направлении приложена сила
dS = nd2 dp/4, (1)
где dS - равнодействующая сил трения, приложенных к боковой поверхности элемента; dp - разность давлений на длине элемента. Знак равенства означает равномерное прямолинейное движение элемента до встречи с преградой. При встрече с ней согласно третьему закону механики элемент струйки испытывает действие реакции преграды, равной силе динамического давления струи на преграду
F = m du/dt, (2)
где m = pudt nd2/4, du/dt = u/dt, p -плотность жидкости.
Подстановка последних значений в исходное уравнение дает F = f pu2.
Динамическое давление среды на поверхность преграды найдем делением силы F на площадь поперечного сечения струйки f, т. е. рд = p u2.
Динамическое давление среды на поверхность преграды равно удвоенному значению кинетической энергии движения среды. Распространяя этот вывод на все поперечное сечение потока, получим силу лобового давления потока на поперечное направление стенки трубопровода L = f p u2.
Реактивную силу R можно определить, используя закон изменения импульса. Она оказывается равной силе лобового давления. При однофазном течении силы
лобового давления равны реактивным силам. При изменении плотности среды происходит изменение сил лобового давления и реактивных сил поочередно по
мере прохождения „ _
Рис.3. Расчетная схема для определения давления гидравлического
границей раздела фаз удара
поворотов компенсатора. На компенсатор действуют кратковременные переменные динамические силы, которые можно найти по формуле
д = I (Р1- р2)и2, (3)
где р1, р2 - плотность соответственно жидкой и газовой фаз.
Трубопровод, по которому перекачивается газожидкостной поток, и его строительные конструкции должны выдерживать динамические нагрузки, возникающие при прохождении границей между жидкостью и газом поворотов трубопровода.
Динамические нагрузки на трубопровод возникают также при изменении скорости движения среды, что связано с перекрытием или открытием сечения потока. Строго говоря, для бесконечного трубопровода скорость перекрытия потока несущественно влияет на дополнительное давление, возникающее при закрытии или открытии запорной арматуры на трубопроводе. Дополнительное давление назовем давлением гидравлического удара, а факт его возникновения - гидравлическим ударом. На рис.3 представлена расчетная схема для определения давления гидравлического удара.
Максимальное давление гидравлического удара рмакс определяется зависимостью [1]
р = с р и/а, (4)
1 макс ' °' ^ '
где с - скорость перемещения фронта ударной волны в рабочей среде; рсм -плотность рабочей среды; а - ускорение свободного падения.
Для круглой трубы
с = (Еж/р )0'5/ (1 + DЕж/еЕт)0'5, (5)
где Еж, Ет - соответственно модуль объемной упругости среды и модуль упругости материала трубы; D, е - соответственно диаметр трубы и толщина ее стенки.
Параметр (Еж/р)0,5 = Со - это ско-
рость распространения звука в покоящейся рабочей среде. Для ориентировочных расчетов скорость звука для воздуха можно принимать равной 330 м/с, для воды 1425 м/с, для водо-воздушной смеси (в диапазоне объемного газосодержания 10-90%) 25 м/с. Формирование ударной волны происходит не мгновенно, а на протяжении времени перекрытия потока рабочей среды ¿0. Если на некотором расстоянии ¿0 имеется источник формирования волны обратного знака, то при с0 < 0,5 ¿0 давление гидравлического удара не достигнет максимального значения р .
макс
Дальнейший прирост давления гидравлического удара будет гаситься отраженной волной, так как она находится в противоположной фазе.
При наличии генератора обратной волны дополнительное давление гидравлического удара можно определить из выражения
Рр = 2 Рм10 /с0^ (6)
Эффективным средством снижения давления гидравлического удара является применение емкости, расположенной на некотором расстоянии ¿0 вверх по течению потока от запорной арматуры. При установке запорной арматуры на трубопроводах необходима проверка дополнительных нагрузок, возникающих при перекрытии потока. Иногда проблему недопустимых нагрузок удается решить подбором соответствующего схеме размещения генератора обратной волны быстродействия запорной арматуры, в некоторых случаях используют специальную установку емкостей.
68 6/1998
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.