Манмотеротво нефтяной ороитлдекнооsг ШИИСПТнефть

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ ШВОР РАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ТШЖШРОЮДНОСТИ ГРУНТА при проектировании трубопроводов

Ей 39-0147103-386-67

1987

Министерство нефтяной проидалвяностя ВНИИСаТнефть

УТВЕРВДЕН заместителем начальника Главтранонвфти Б.Х.Гааиком 20 апреля 1887 года

шоводвдй документ

ШШР РАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ КОЭИ-ЩШГГА ТШШРОШДЙОСПИ ГРУНТА при проектировании

ТРУБОПРОВОДОВ Щ 39-0147ЮЗ-386-87

IS87

10

Для участке труба большой протяаенноств температуру станки трубы следует брать средаелогарис'ывческую

■ ^<9)

При характере изменения температуры, близкому к линейному, то есть при (Т_м-7₀)/(Т_к-То)^£ • температуру стенки труба допускается определять хек средаеврифметвческу»

T_a-4S(T„*T_r)-    ®>

При этом хозффвдиевт Я&р, определенный при средней температуре стенки Т_ст,будет осреднеышм на данном участке трубопроводе.

Величину Ь\ч -уменьшения влежвости вокруг трубопровода, соответствующую приросту температуры на X К,- мшено в прикид очных расчетах принимать равной bw * 0,3 % / К.

3.3.1.    Расчет кэеффвдюате bw ⁰ Утетом механизма влзгояереноса

Порядок расчете следующий:

3.3.1.1.    Определяется коэффициент термавявгопроваднэсти <$    :

*    (ID

Значения эмпирических коэффициента, зависших от механической структуры грунте, приведены в таблице 2.

Таблица z

Категория грунта	1	! «,	1 <2*
песчаный	- 0,000321	0,0122	- 0,00705
супзечзыы	- 0,000483	0,0162	- 0,00997
суглинистый	- 0-000254	0,005	- о.савзг
ГЛИНИСТЫЙ	- 0,000606	0,0187	- 0,0371

II

3.3.1.2. Выявляется ме датам в лв гоп арен осе. Для этого определяется критическая влажность СОкр разрыва капиллярности по (£2)

■ сопоставляется с естественной влэкностыв ф_а . При й механизм влагсвероноса капиялярный. при СО^^СО/ср- пленочный.

СОцгЬ₀+Ь}'Т_о+б2'ф •    ⁽¹²⁾

Эмпирические коэффициенты bp,bfb_t « зависящие от категории грунте, приведены в таблице 3.

Таблица 3

категория грунта * L • ! “о ! б/ I ; ti песчаный £,881 0.203 - 0,0263 супесчаный 2,073 0,129 ~ 0,0271 суглинистый 0,430 0,287 - 0,0345 глинистый 8.7X4 0,282 - 0,0362 3.3. £.3. Рассчитывается коэффициент Ь w* по формуле (13): . гд(Тст-Т') b*~Ca«Xh-T,)-bh (£3) Коэффициенты <7 , Ь зависят от механизма вдаголереноса и категории грунта (ом. табл. 4 Таблица 4 Категория ! Механизм вяагопепеносэ грунта \ClU^QJkd .капиялярный 'Cth^UJen * гленочнкй • а 1 6 ! а ' 1 песчаный I.6S0 8,49 £.766 Г7,£5 супесчаный Х.У 12 11,03 1,871 £8 46 суглинистый 1,502 7,64 1,576 £5,63 глинистый 1,493 6,43 1,602 14,12

13

4. спределшмя РАСТЮвого коэдощиша тшшроэсдщди П7ВТА

4.1. Расчетное значение коэффициенте теплопроводности грунта определяется по формуле (16):

3(р " Л$ф 'Кр'Кси    (к)

Здесь Кр^ 1,1    - коэффициент резерва;

К^_н~ j[,I,..1,3 - коэффициент, учитывающий увеличение тепло-вровэдности грунта в случае аротаиаания снегового покрова над трубой. Верхний предел берется для трубопроводов большого диаметре з интенсивном теплообмене. Нижний предел соответствует малоинтеноизному теплообмену.

4.2. Усреднение расчетного коэффициента теплопроводности для разных типов грунта, или для одного и того же грунта, но при резвых температурах, по всей длине трасса трубопровода производится по формула

/ п

fyr Т~ ^ ^fii 'U <^>

Здесь Ао{ ~ расчетное значение коэффициента теплопроводности грунта для L -го участка;

>1    -    число    участков,    на которых Др принимается

постоянным.

14

ЕВДСЩЙШ I

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ Q0 ШРЕДШЯЯЭ РАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ К0ЭФЖШ31ГА

тЕ1ши?авсавости гоета

ЛИМЕ? I. Определить расчетное значение коэффициента теплопроводности грунта в естественном состоянии, если известно, что протяженность трасса 80*10? я, иа которое 30*10* я преобладающа* грунтами явдяятся глянн, 20*Ю³м - оугдшки, Х0«Х0³ м -

-    песни, при этом, для гяинн: ф * 1400 кг/м^э, £с> = 18 для

сугляяна: ^ = 1300 кгЛ»⁸, Л? * 15 £; для супеси:    *

-    1200 яг/и³, = 12 %% для песка: (j> = 1600 кг/м³,^ = 8 X.

РН5ШЯВ I. Определяем расчетное значение коэффициента теплопроводности грунта для каждого участка по Фориуле (2•:

ДЛЯ ГЛИНН

Л« =Т.1<3    Г1,3(1400*10Г^а+ОД*18-1.Х)-0,1*Т8 j =1,030 ВтЛгК;

для суглинка

Лог    [I,3(1300*icr³+0,I»I5-I_>l)-0,I*I5] =0,823 Вт/'мЮ;

тая супеси

7о}=1,16 Г т,4(12СЗ*I0"^s+0,I*I2-1,* 12] =0,721 Вг/(м*К); для песка

Aoq =T,IS I 7,5(1600*10*³+0,1• 8-1,1)-0, I* 8 ] =1,337 Br/ftrK)

2. Определяем расчетное значение коэффтшента «‘еппопроеодности

грунта в естественном состоянии дан всей трассы трубопровода

по форцуяе '17':

3 _ 1.080 ^-30 ‘ Т0³+0.823 *20 *Ю³+0.721'10'10*-+1,337* 20‘ fО³ _

⁰ "

15

ПРИМЕР 2. Используя исходные данные и результаты расчета примера I, определить аффективное значение коэффициента теплопроводности грунта для случаев высокоинтеясввного теплообмена и теплообмена средней интенсивности.

РЗПЯШЕ.

J. БМсокоинтенсивпый теплообмен (Т_с? 350 К)

I. Определяем эффективное значение коэффициента теплопроводности для каждого типа грунта по участкам. Расчет проводится со формуле (4) с учетом рекомендаций (5).

Для глины

Л&р_{=    0,816    Бт/(м-Ю;

для суглинка

= 0,648 ВтА'м.Ю;

*• LnQ*%£

^Ln 0,5

для супеси

% Зй*'^п-⁵⁴⁴ B,/fa'^x,i

0,4

для песка

= 0,727 Вт/(м-Х);

cCis~

2. Определяем .А 5*7 для всей трассы трубопровода

_Д,._П = Р^⁸¹-^^1^^Ох648-2р/10³40,544 . IQjTn^n m³

■**    80“IО³    '

- 0.7ГГ Вт//м-К)

17

емого участка L = 40^-Ю¹м, вз которых 25*10¹ м - суглинка и глины:    =    1700    кг/м¹, СО = 18 %\ 15’10 м - супеси:

-- 1500 кг/м¹, СО - 10 %. Температура грунта в ненарушенном тепловом состояли T_Q=*276 К. Температура нефти в начальном сечении трубопровода Т_я=*31? К. Температура застывания нефти Т_э= 286 К. Глубина заложения трубопровода до верхнее образующей /i = 0,8 м.

При определении расчетного коэффициента теплопроводности грунта учесть возможнее переувлажнение вследствие таяния снежного покрова,

PBDffiRB I. Принимаем условие, что тешюратура нефти в конечном сечении рассматриваемого участка трубопровода должна бнть но 5 К больше Т₈:

Т„ = 238 + 5 = 293 К 2. Определяем Т_ст:

Т_-Т.    317-276

-2~2---- 2,4    >    2,

Т_к-Т₀    290-276

поэтому расчет Т_от проводится по формуле С9'.

Tcr- 27В 317-276 293-276 317 - 253 Ln

■=•'303,2 К,

---

18

«ля суглинка и глины

Учитывая, что в исходных данных четко не разграничены суглинки я глины, эмпирические коэффициенты ^ , bj в из табл. 3 приниюем для глинистого грунта. Подсушивание для глинистого грунта менее вероятно, чем для суглинистого, поэтому возможное отклонение в конечном результате идет в вапэо расчета.

Сд_кр = 8,714 + 0,282*876 - 0,0362*1700 = 25,0 %

СОкр =35 %> С0₀ " 18 % - вовможен пленочный механизм влэго-

переноза;

для супеси

СОф~ 2,073 + 0,199*275 - 0,027*1500 = 16,3 %.

СОкр* 18*3 %>>СОо -№ % - возможен пленочный механизм

влагопереноса.

4. Проверяем, происходит подсушивание грунта или нет. Для этого сопоставляем (Т₀₁-Т₀) с    Критический    градиент

(Т_сг-?₀>_Кр принимается по табл.5 в зависимости от механизма влагопереноса.

CV-V = 303,2 - 276 - 27,2 К; для суглинка и глины

=s 28,1...37,5 К 27,2 К - подсушивания

грунта не будет;

для супеси

■ Т_оГ-Т₀),ф= ^8*2...34,9 К, Значение 27,2 К попадает в этот интервал температур. Следовательно, будет происходить подсушива-

19

вне грунта.

5.    Определяем Я$ф для участка трасса трубопровода, на котором преобладающими грунтами являются суглвяжя к глава. Учитывая, что подсуяшванвя грунта здесь происходить не будет, принимаем Ядр^Яо * КоэЛфнциент теплопроводности грунта в естественном состояв» Яс определяем по формуле (3), при атом фск находится по формуле (I).

= jQQ’IZQP. - 1440 кг/м⁸ 100 + 18

%ap = Я₀ = -0.791+2,29-Ю-⁵-1440'18^8,35*1СГ⁴-1440 =1,004 Вт/м-Х .

6.    Расчетный коэффициент теплопроводности грунта Хр для участка с суглинками в глинами находим по формуле (16)

= 1,004'1,1-1,1 = 1,214 Вт/См-Ю.

Дальнейший расчет ведется для участка трассы трубопровода, на котором преобладают супеси.

7.    Определяем коэффициент термсвлагопроводносги S по формуле (II). Эмпирические коэффициенты для супеси принимаются по табл.2.

= \^О,ОПО438*ТО²+О,0Иг*Ю - 0,00997    =    0,333 %/К

8. Определяем коэффициент Ьуу по формуле (13). Эмпирические коэффициенты СХ и Ь принимаются по табл.4.

I _ 2 * 0»383(303«2—276)    _ ^ ^31 %/¥,

°^w ~ (1,871+1) £303_f2-2?6)-I8,98‘0_f8

9. Определяем коэффициент теплопроводности супеси в естественном состоянии по формуле (3) _Р поп этом Q_CK находится пофзормуле (J).

_s . JffillSOO    _ _{1зез КГ}/_мз

lOOt-IO

Я₀ = -0,210.3,72’10“⁵-1363-Т0+5.32-Ш"⁴‘136Э - 1,Ш2 Вт/{к К)

Изложенные в Ш рекомендации ооотавланы в соответствии о общепринятой классификацией типов грунтов (глинистые, суглинистые, супесчаные, песчаные), применяемо! ори проектировании инженериях сооружений.

Определение расчетного коэффициента теплопроводности приводится для грунтов в естественном состояния, о учетом подоувкп и во» Враасыщевнооти.

В основу ЕД легли материалы но обобщению и систематизации кмевдихся в настоящее время теоретических в кдапериментальных исследований как в области трубопроводного транспорта, так и механике грунтов, инженерной геологии в почвоведении.

РД разработав П.И.ТУгуновым, Н.А.Гаррис, В.В.Новоселовым (Уфимский нефтяной институт), Н.15.Гостевнм (ШШЖТяефть), Н.А.йа-лтетным (Ттенский филиал Гипротрвгбопрозода), I.U.Бейкером (Гвпро-?Г9бопровод).

20

10.    Определяем эффективный коэффициент теплопроводности грунта для супеси. Расчет проводится по формуле (3)

Яду* 1,022 - 3,72'1СГ⁵*1364*0»331    .    0,793    Вт/(**К)

11.    ЛЬ формуле (16) определяем расчетный коэффициент теплопроводности для участка трассы, где преобладают супеси

0,793*1,1*1,1.0,959 Вт/(м*Ю

12.    Одредэдяем расчетный коэффициент теплопроводности грунта для всей трассы трубопроводе по формуле (17). Для этого используем результаты расчетов в пп. 6 и II.

Д = 1.Ш‘Я5»10?+О.Я59-15*10? „

°    40*    I0³

ШГОВОДВШЙ ДОКУПИТ Выбор расчетных значении коэффициента теплопроводности грунте при проектировании трубопроводов

РД 39 - 0147103 - 386 - 07

Вводятся впврвве

Срок введения установлен о I.06.87 Срок действия до    1.06.90

Настоящие методические укеввввя предназначена для определения ресчетянм путем коэффициента теплопроводности грунта для вроевтяровввн подземных магвстральных трубопроводов щп внпол-веяна теахогндравдоесзшх расчетов. РД следует использовать при технико-зконошческом обоснования и на ставив технического проектированы», воща достаточно полная информация по тешюфязичес-внм свойствам грунтов отсутствует.

РД предназначен для организаций МВниетерства нефтяной промна-леяности, занимающихся проектированием магистральная трубопроводов.

I. ОБЩЕ ПОЛОЖИЛИ

I.I. По нестоядай методике могут бить определены расчетным путем коэффициент теплопроводности грунта в естественном состоянии 2s * эффективный коэффициент теплопроводности грунта 2$<р Для следующих технологических процессов: первоначальный

4

пуск трубопровода иля возобновление передачки после длительной остановки ( 2с ); длительная эксплуатация трубопровода, когда грунт, окружающий трубопровод, вследствие прогрева изменил свои теплофазические свойства ( Яэ<р ) •

1.2.    Расчетный способ определения    монет    быть    применим

в случае дефицита исходной инфорюции и при невозможности определения Л# лабораторным путем.

1.3.    Под минимальной исходной информацией понимается совокупность основных показателей: плотности О , массовой влажное-

#

ти СО и категории грунта. <j> и СО связаны между собой соотношением    - плотность скелета грунта):

€09

100*00

1.4.    Массовая влажность грунта СО выражает в процентах отношение мессы воды, содержащейся в грунте,к массе скелета грунта (сухих твердых честил); должна быть определена в соответствии с ГОСТ 5180-84.

1.5.    Плотность грунте - масса его в единице объема,- должна быть определена в соответствии с ГОСТ 5180-84, ГОСТ 5131-78.

1.6.    При рассмотрении варианта, когда трубопровод находится в эксплуатации длительное время, коэффициент теплопроводности грунта в естественном состояния не может быть принят в качестве расчетного Яр по двум причинам:

в). В результате теплового влияния подземного трубопровода на окружащий его массив происходит миграция влаги и образование подсушенного слоя грунте вокруг трубопровода; эффективное значение Я эф всегда меньше Я о ;

б). В случае переувлажнения грунта из-за таяния снегового покрова, повышения уровня грунтовых вод и т.п. коэффициент тепло-

5

прово днооти грунта также метется.

1.7 Дия определения эффективного коэффициента теплопроводности грунта о учетом подсушки но настоящей методике необходима следующая исходная информация: категория грунта, его коэффициент теплопроводности в естественном состоянии Л₀ , температура грунта в ненарушенном тепловом состояния на глубине заложения трубопровода Т₀, температура стенки трубопровода в рассматриваемом сечении Т_ст.

1.3. В РД приняты следующие условные обозначения:

-    коэффициент теплопроводности грунта в естественном состоянии, Эт/(м*К);

аффективный коэффициент теплопроводности грунта, Вг/(м*К);

-    коэффициент теплопроводности грунта при температуре стенки трубопровода, Вт/(м-К);

-    расчетный коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м*Ю;

-    массовая влажность грунта, %\

-    массовая влажность грунта в естественном состоянии, %;

-    плотность грунта, кг/м⁸;

-    плотность скелета грунта, кг/м⁸;

-    температура нефтепродукта в начальном сечении рассматриваемого участка трубопровода. К;

-    температура нефтепродукта в конечном сечензи рассматриваемого участка трубопровода. К;

Tgf - температура стенки трубопровода. К;

Т₀ - температура грунта на глубине заложения трубопровода з ненарушенном тепловом состоянии. К;

Н - глубина заложения трубопровода до верхней образующей, м;

L - общая протяженность трассы трубопровода, м;

6

/, - длина участка трубопровода с постоянным типом грунта, м.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОЛНОСГИ ТРУЯГА В SOTBOTBffiHOM оостояшш

При первоначальном пуске трубопровода иля пуске после длительной остановки, когда система "трубопровод-грунт* находится в холодном состоянии, расчетный коэффициент теплопроводности грунта Лр принимается равным коэффициенту теплопроводности грунта в естественном состоянии Ли .

2.1.    Коэффициент теплопроводности грунта в естественном состоянии рекомендуется определять по формуле СибЦЕШЙСа

Дг №[Kp(i6*<}+o_ti-a-ifl-ojco].    ы

Здесь коэффициент Kp^zl5 - для песка, Kp~f,4 ~ ада супесей, КрЧ.З - для суглинков и глин.

2.2.    С учетом регионального расположения трассы проектируемого трубопровода коэффициент теплопроводности грунта в естественном состоянии определяется по формуле

'^ск^т    ^

Метрические коэффипиенты Cj, и С₃ для некоторых регионов СССР приведены в таблице I.

Таблица I

Ля * Т > 273 К ; f * СО . t | ^ , чг/м3 f грунта 1 Cj jCgxTO5 1С3УЮ4 j I ! 2 ! 3 ! 4 ? Ь ) в

Большеземельная тундра, Лйисейский Север, Центральная Якутия, север Западной Сибири

I	I 2	! 3 ?	4	! 5	! о
Суглинки и ГЛЙНН	-0,791	2,29	8,35	СП • • О	1200.-.1800
Пески	-0,519	3,22	8,14	5...40	1200...1800
Супеси	-0,210	5,72	5,32	5...40	1200...1800
		Забакайлье
Глинистый	-0,516	1,65	7,64	3...40	1109...1600
Песчаный	-0,776	3,17	9,18	2...20	ПРО.. .1500
	Тюменская область
Песчаный	С, 032	3,00	5,33	30...40	1370...I860

2.3. Коэффициент теплопроводности торфа и ззторфэваяншг грунтов в естестведаои состояние выбирается из табл. П.2.1.

3. ШРЕДЕЯЯШВ ЭФ5ЕКТЙШ0Г0 КОЗШЩШТА тшяшгововсоти ГЯЖГА С учетом ПОДСУШИ

В проиеосе эксплуатации подземного трубопровода при температуре перекачки нефти (нефтепродукта), превиавжцей температуру грунта, происходит теплоотдача. В результате грунт, окружавший трубопровод, прогревается, итога и!грирует, и вокруг трубы образуется сдой подсушенного грунта. Коэффициент теплопроводности текого грунта уменьшается, что приводит к понижению аффективного (осред-ненного по сечению, перпендикулярному оси трубопровода) коэффициента теплопроводности грунте. Его величину следует определять в зависимости от интенсивности теплообмена.

8

3.1. Зксохоинтенснвный теплообмен, Tq^s- 350 К

йюскоинтенсввшгё теплообмен наблюдается при перекачке мазутов в других тяжелых остатков нефтепереработки при температурах выше 350 К. Грунт, прилегающий к трубе, при этом оказывается почти пухом. Эффективный коедйтмеят теплопроводности гитам определяется по формуле

(4)

Коэффициент теплопроводности грунта в естественном состоянии

Доопределяется на самое холодное время годе. Определяется либо

лабораторным путем, либо рассчитывается в соответствии с рекомендациями раздела 2.

Коэффициент теплопроводности сухого грунте Д_с определяется по справочным данным либо лабораторным путем.

Ориентировочно он может Aire пронят равным: для глинистых грунтов    0,5...0,7    Вт/(м.К)

для суглинистых грунтов    0,4...0,6    Вт/(м.Ю (5)

для супесчаных грунтов    0,3...0,5    ВгАм.К)

для песчаных грунтов    0,2...0,3    Вт/(м.Я)

3.2. Теплообмен средней интенсивности, ?_сТ= 320...350 К

Наблюдается, как правило, при перекачке высоковязких и высоко -застывавших нефтей по подземным трубопроводам. Для данного едунья рекомендуется формула (6), идентичная формуле (4), прощедсая достаточную экспериментальную проверку

(6Г

Б настоящее время надежных зависимостей, но которви можно было бы

9

рассчитать Лет ДОИ различных типов грунтов, нет. Поэтому рекомендуется определять ориентировочно:

3.3. Малоянтенсивный теплообмен, Т_ст< 320 К

С точки зрения количественного учета - наиболее сложный случай. Практически, работа всякого магистрального трубопровода, по которому перекачивается нефть без предварительного подогрева, сопровождается ыалоянтеясивнш теплообменом. Магистральные нефтепровода - трубопроводы неввотернические, т.к. температура закачки нефти в трубу, как правило, отличается от температуры грунта в ненарушенном тепловом состоянии. Кроме того, в результате выделения тепла трения на линейной части я при прохождении квсосннх агрегатов температура нефти мсисет возрастать на пути следования на 30.. .40 К.

Тйрлтературный напор в таких случаях невелик. Чо именно это положение обязывает учитывать механизм переноса влага в грунте. Проведенные лабораторные исследования позволили установить, что для всех типов грунтов следует учитывать два механизма влэгопере-носа: капиллярный и пленочный.

Эффективный коэффициент теплопроводности грунта рекомендуется определять по формула

Здесь fcC,+Cz ’Р_С/С'(0_о+1^ ф_сх~ коэффициент теплопроводности грунта в естественном состоянии рм. раздел 21

1

Выявляем возможны# механизм влагопереноса всяецствяе подсушивания грунта, Для этого определяем СОкр по формуле (IZ) и табл, 2: