СЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ

Неустановившимся (или нестационарным) течением жидкости в трубопроводе называется такое течение, характеристики которого изменяются не только от сечения к сечению, но и в каждом сечении в зависимости от времени. Изменяются давления, плотности, скорости и расходы жидкости, температура потока и другие параметры. Иными словами, при неустановившемся одномерном течении его параметры являются функциями не только координаты сечения, но и времени , т.е. , , , и т.д.

Возникновение неустановившегося течения в трубопроводе, транспортирующем нефть, нефтепродукты или другие углеводородные жидкости, связано, прежде всего, с различными технологическими операциями, осуществляемыми на таком трубопроводе. Пуск или остановка трубопровода, включение или отключение перекачивающей станции, полное или частичное перекрытие задвижки, начало или прекращение отбора жидкости, разрыв трубопровода и многие другие операции приводят к возникновению в трубопроводе изменений, распространяющихся в виде волн давления и расхода вверх и вниз по потоку от места, в котором эти изменения возникли. Весьма часто возникшие изменения продолжаются в трубопроводе до тех пор, пока в нем не устанавливается новое течение, поэтому неустановившиеся процессы называют еще переходными.

Плотность жидкости, транспортируемой по трубопроводу, как правило, достаточно высока, скорости ее движения не малы, поэтому поток жидкости в трубопроводе обладает весьма ощутимой инерцией, учетом которой нельзя пренебрегать при совершении той или иной технологической операции. Так, например, резкая остановка потока нефти в трубопроводе при быстром закрытии задвижки, приводит к скачкообразному росту давления, измеряемому несколькими атмосферами. Возникшее повышение с большой скоростью распространяется от места остановки потока в виде волны давления, способной разорвать трубу и привести к аварии. Это явление называется гидроударом. Включение перекачивающей станции на закрытую задвижку также может вызвать скачкообразное повышение давления, чреватое опасностью для целостности нефтепровода. Отключение перекачивающей станции приводит к повышению давления в линии всасывания и к падению давления в линии нагнетания. И то, и другое представляет скрытую угрозу для трубопровода. Можно утверждать вообще, что всякое замедление или ускорение потока тяжелой жидкости в трубопроводе вызывает колебания давления и должно осуществляться с чрезвычайной осторожностью.

Прямой гидравлический удар

Суть явления, называемого прямым гидравлическим ударом, состоит в том, что установившееся течение жидкости в трубопроводе нарушается путем мгновенного закрытия задвижки, в результате чего происходит резкое торможение жидкости и ударное сжатие ее частиц.

Пусть капельная жидкость с плотностью , движущаяся в трубопроводе со скоростью , останавливается мгновенно закрывшейся задвижкой (рис. 12.1). Первоначальное давление жидкости перед задвижкой обозначим .

В области перед задвижкой, происходят следующие основные явления:

· торможение потока, т.е. уменьшение его скорости от значения до ;

· сжатие жидкости, т.е. увеличение ее плотности от значения до значения , ( );

· увеличение давления от до ;

· увеличение площади сечения трубопровода, т.е. изменение площади сечения от значения до значения ( ).

И хотя изменения плотности жидкости и площади поперечного сечения трубопровода чрезвычайно малы, их учет совершенно необходим для адекватного описания явления. Возникающие изменения в виде волны повышенного давления распространяются вверх по потоку с некоторой скоростью (на рис. 12.1 влево). Как будет показано ниже, скорость достаточно велика и для стальных трубопроводов достигает величины 1000 м/с.

Рис. 12.1. Схема прямого гидравлического удара

Рассмотрим силы, которые останавливают в трубе движение тяжелой жидкости, обладающей большой инерцией, т.е. большим запасом количества движения. Из второго закона Ньютона известно, что изменить количество движения системы материальных точек можно только импульсом внешних сил. В рассматриваемом случае такой импульс проистекает от силы давления , возникающей перед задвижкой, а точнее от разности сил давления . Именно импульс сил давления останавливает поток жидкости, набегающий на закрытую задвижку.

Если закон Ньютона применить к жидкости, заключенной между передним фронтом волны давления и задвижкой, получим уравнение

.

Отсюда следует соотношение

. (12.1)

Эта формула показывает, что повышение давления перед задвижкой, останавливающее поток жидкости в трубе, равно произведению плотности жидкости на ее скорость и на скорость волны гидравлического удара. Если, например, кг/м³, м/с, м/с, то Па, т.е. атм. Таким образом, резкое уменьшение скорости жидкости, имеющей плотность 1000 кг/м³, на 1 м/c сопровождается увеличением давления почти на 10 атм.

Правильное объяснение гидравлического удара дал наш великий соотечественникН.Е. Жуковский (1847-1921) в конце прошлого века. Его исследования были выполнены на Московской водопроводной станции, а статья “О гидравлическом ударе в водопроводных трубах” (1899) стала классической работой, ныне известной во всем мире.

Волны гидравлического удара, генерируемые в трубопроводах резкими изменениями скорости потока, могут распространяться на значительные расстояния, постепенно затухая вследствие перехода механической энергии движения в тепло за счет сил вязкого трения. Наибольшую опасность волны повышенного давления представляют для тех участков трубопровода, где и без того существовало достаточно высокое статическое давление. Такие участки находятся вблизи нефтеперекачивающих станций, а также в наиболее низких сечениях трубопровода.