МИНИСТЕРСТВО НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ВНИИСПТнефть

МЕТОДИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ ТЕЧЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОВЯЗКОПЛАСТИЧНЫХ НЕФТЕЙ РД 39 - 30 - 40 - 78

1973

Министерство нефтяной промышленности

ВСЕСОЮЗНЫЙ КАУЧНО-НССЛЕДОВАТЕЛЪСКПЙ ИНСТИТУТ ПО СБОРУ, ПОДГОТОВКЕ И ТРАНСПОРТУ НЕСТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ (ВНИИСПТнефть)

Утверждена

Начальником Технического Управления

Г.И.Григораченко

17 января 1978 года

МЕТОДИКА

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЕИМБ ТЕЧЕНИЯ НЕЛИНЕяНОВЯЗКОПЛАСТИЧНШС НЕФТЕЙ

РД 39-3040-78

1978

Расход нефти в трубопроводе заданного диаметра, длины и профиля по известному перепаду давления определяется из уравнения (4), учитывая уравнение (7).

В результате аппроксимации вместо (4) получится:

(15)

Диаметр трубопровода, необходшлый. для перекачки известного объема нефти и перепада давления, определяется следующим образом. Из уравнения (15) определится ориентировочный радиус, если пренебречь выражением в фигурной скобке

Задается ряд условных значений    .    Затем    для    каждо-

го U вычисляется по формуле (13) соответствующий данному диаметру перепад давления в трубопроводе и строится график. Точка пересечения линии заданного перепада давления с кривой определяет величину необходимого диаметра трубопровода.

Пользуясь уравнением (13), можно определить коэффициент гидравлического сопротивления при ламинарном движении не-линейновязкоплаотичной жидкости в трубопроводе Гб].

Чтобы зависимость коэффициента сопротивления от параметра Рейнольдса была единой как для ньютоновских, таж и для неньютоновских жидкостей, параметр Рейнольдса в ней должен быть

2.2.Определение границы существования ламинарного режима

При переходе ламинарного режима течения в трубопроводе в турбулентное^критическое значение относительного ядра потока рекомендуется определить из уравнения (7)

п /7

гюо(8го_к0)п

где

^г_с- критерий Хедстрема для нелинейновязкоплаотика;

р~ определяется из рисунка 8, на котором представлен график изменения Ц ^ от величины Хедстрема We_e и tt . При опрвг делении И _кр следует считать,что для значения/^}£режим течения будет ламинарным, а для    -    турбулентным.

Критическая скорость ламинарного потока рассчитывается по формуле [7]

При значении Ъ_кр"1 и П*0 (пораневое течение)

2.2Л.Экспериментальные исследования показывают, что для различных жидкостей (ньютоновских и неньютоновских) критическое число Рейнольдса неодинаково. Так у ньютоновских жидкостей оно равно 2100, а у бингамовских пластиков и псездопластиков изменяется от 2000 до 3000. Ведутся поиски параметра Рейнольдса, пригодного для расчетной перекачки и позволяющего однозначно определять критическое его значение. Однако критическое значение обобщенного числа Рейнольдса непостоянно и зависит от характеристики потока нелинейновязкопластика.

По результатам исследований критических параметров потока при течении нелииейновязкоиластичной жидкости на основании модели Балкли-Гершеля критическое число Рейнольдса можно представить следующим выражением [7]:

Обобщенный параметр Рейнольдса Re определяется по урав

нению [7]

Критическое значение обобщенного параметра Рейнольдса определено из условия Re& =2100 по зависимости

Re_d-Re(l- ^~г_в)-    ₍₂₆₎

Расчеты по формуле (22) и (23) позволяют получить график зависимости Re^p от Не_с ♦ который представлен на рис.4.

График Retn ^от    Д^ает возможность определить критичес-

^ # кое значение обобщенного числа Рейнольдса Re_Kp » если известны свойства еидкостп и диаметр трубопровода _#

В области перехода к турбулентному течению будет наблюдаться расслоение данных по параметрам Хедстрема и " Д ”. Только действительный параметр Рейнольдса Re^ позволяет однозначно определить границу перехода ламинарного течения к турбулентному.

Значение коэффициента гидравлического сопротивления при нарушении структурного режима также постоянно и равно

2.3.Турбулентный режим течения

При турбулентном режиме течения вяэкопластичной жидкости коэффициент гидравлического сопротивления можно рассчитывать

•тр.18 РД 39-30-40-7& по формуле [7]

где Q и 6 - переменные числовые коэффициенты.

Значения коэффициентов Q и & в зависимости от значения параметра Хедстрема и от параметра п мокно определять по графику (рис.5).

Таким образом, коэффициент гидравлического сопротивления определяется двумя взаимно независимыми параметрами /?£ и Не . Формула (29) применима в области значен10*^ Не^10*и При Не <10* значения а и $ берутся при Hi =10*. При Не ^^коэффициент гидравлического сопротивления не зависит ни от Re , ни от Не и берется A =0,0IS6. Потери напора на трение определяются по формуле Дарси-Вейсбаха

З.ИРИМЕРи РАСЧЕТОВ

3.1.Определить перепад давления в трубопроводе диаметром

720x10 и длиной 1*Ю км. По трубопроводу перекачивается нелиней-

иовяэкопластмчная- жидкость с    &Г..    ,    *2,402

м**

н/м^ (рис.6), П ■0,424, К «1*272    ,    годовой    произ

водительностью F1 *2,5 млн т/год.

Средняя охорооть потока

УАУ _    4‘25-Ю⁶    и/

?кт УЧ О'7'3602Ч-36СЮ ' ⁹²⁹⁹ * •

В ближайшее время намечается прокладка нефтепроводов на Крайнем Севере, в зонах вечной мерзлоты _t где при отрицательных температурах маловязкке нефти ведут себя как степенные, вязкопластичные и нелянейновязкопластичные жидкости .

Предлагаемая "Методика".., рекомендуется для выполнения расчетов при перекачке нелинейновязкопластичных нефтей.

Базой для составления "Методики..." явились теоретические и экспериментальные исследования отдела трубопроводного транспорта ШИЖПТнефти и литературные рекомендации, подтвержденные экспериментами.

Счисления по "Методике..." выполняются вручную или на ЭВМ.

"Методика..." составлена к.т.н. Тонкошкуровым Б.А., 1^меровой У.И.

Рио.6. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига дня непинейновяз-копяастичноа нефти

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

Методика гидравлического расчета магистральных нефтепроводов при изотермическом режиме течения нелинейновязкопдастич-иых нефтей

РД - 39- 30- 40- 7 8

Приказом Министерства нефтяной промышленности от 25.01*78 к? 60

Срок введения установлен с 01.07*78

Срок действия до_

Вводится впервые

Методика предназначена для выполнения гидравлического расчета магистральных нефтепроводов при установившемся режиме перекачки в области температур, где перекачиваемые нефти являются нелинейновязкопластичными, бингамовскими, степенными или ньютоновскими жидкостями.

I. ОШЕ ПОЛОЖЕНИЯ

I Л.Маловпзкие нефти, являющиеся нормальными (ньютоновскими жидкостями) в области более высоких температур, имеют тен -дендию к проявлению неньютоновоких свойств при более низких температурах.

Переход от ньютоновских овойств к степенным, вязкоплао -тичным и нелинейловязкопластичным происходит плавно о пониже -нием температуры ["ij.

Такие явлония наблюдаются при перекачке нефтей по трубопроводам в районах Севера,Европейской части и Западной Сибири.

1.2. Методика позволяет определить:

а) перепад давления, необходимый для перекачки заданного объема жидкости;

б) раоход нефти при известном перепаде давления на заданной участке;

в) диаметр трубопровода, необходимый для обеспечения заданного расхода жидкости при известном перепаде давления.

1.3. В методике приняты следующие условные обозначения и параметры.

Обозначения:

Л    -    диаметр, м;

£    -    длина трубопровода, м;

Л7    -    массовый расход, кг/с;

Q    -    объемный расход, и³/с;

VV    -    скорость течения, м/с;

О    -    плотность, кг/м^э;

р    р

дР - потери давления на трение, н/м^с, кг/см^с;

*1    - напряжение сдвига, н/м²;

- напряжение сдвига на стенке, н/м²;

2    - коэффициент гидравлического сопротивления;

Q_t6 - переменные числа в формуле коэффициента гидравлического

сопротивления для турбулентного режима;

-1

-    градиент скорости на радиусе Г , С ;

-    степень неньютоновского поведения жидкости;

н-с^п

-    мера консистентности жидкости, ^jr ;

- параметр Илыоиина для нелинейновязкопластичной жидкости;

в) длина трубопровода - а ;

г) перепад давления на всей длине трубопровода - ЛР;

д) кривая течения нефти

е) за?исимость плотности нефти от температуры

ж) данные о среднемесячных температурах грунта по трассе на глубине заложения трубопровода.

Величины по пунктам а) и г) могут совместно не задаваться. В этом случае, если величины известны, задача расчета сводится к определению необходимого диаметра трубопровода.

Гидравлический расчет трубопровода производится для значения температуры нефти, соответствующей наименьшей среднемесячной температуре грунта на глубине заложения трубы. Однако можно определить точный объем перекачки по трубопроводу в течение года, учитывая среднюю температуру грунта по месяцам.

1.5.Для жидкостей, которые при понижении температуры проявляют неньютоновские свойства, наиболее применимым реологическим уравнением является закон Балхли-Гершеля [2]

Результаты вискозиметрических исследований представляются в виде равновесных кривых течения 1рис.1)₉ выражающих зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига.

Степень неньютоновского поведения " п "и мера консыстент-ности " К * определяются по кривым течения (см.рис Л). Составляется уравнение по закону Ьалкли-Гершсля для двух скоростей

dw

dr

Рио.I. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига

ZW

**И0.2. Профиль скорости при течении нелинейно-вязкоппастичнол жидкости

и реиаетоя относительно " К° ^п и " П ".

1.6.Профиль скорости при течении нелинейяовязкопластичных жидкостей имеет вид (рис.2) и описывается уравнением

wjrrpr.fcl-fifc-rfat-bfy

Г

где /?    - радиус трубы, м;

Г - произвольный радиус от центра трубы до стенки, м;

При этом скорость ядра потока вычисляется по формуле

w / - J- ,£L о<г^^П//-    )

Ч~ п*/    "    TJ

1.7.Уравнение движения в круглой трубе жидкости, подчиняющейся закону Балкли-Гершеля, имеет вид [з]

п _    In    ₊    -2п___fcfh_k)

Q-faiyT'' ^L"^(/ и гам ?« (n+i)(2nti){%)Г^]

а средняя скорость

(5)

г м(ь)

0- _ (Зп«№     1    .......

^ rⁿR^п (<-%*■    -2гг.    ^<и.    ...2о* .по

¹ W Г2n+i <Lw (n*i}(2«+i] (Tw

РД 39-3040-78 отр.9

2.ГИДР1ВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Методика позволяет вести гидравлические расчеты в области ламинарного и турбулентного режима течения нефти в трубопроводе.

2Л.Ламинарный регии течения

Ламинарное течение нелинейновязкопластичыой нефти в трубе кругового сечения характеризуется наличием центрального ядра потока, движущегося с постоянной максимальной скоростью, о характерным профилем скорости (см.рис.2).

Относительный радиус ядра потока определяется отношением

г₀

^ ДР~Г ’    (7)

где

Го_    И*

R И+ ЗпЯ $+\/Т2п*1)^г+ч1 n(3nt<) '] *    (₈)

Перепад давления в трубопроводе определяется по формуле [4]

^ V    О)

после подстановки вместе*!^/ соотношения ив (7) получмтоя

1\Р~

Если; отнесение ^ обозначить через (относительный радиус ядра течения), можно придать уравнению (9) следуиаий вид: