ТРУБОПРОВОД

Изобретение относится к трубопроводному транспорту, а именно, к средствам воздействия на поток текучей среды и может быть использовано при создании внутренних поверхностей трубопровода, обтекаемых потоком газа или жидкости.
s доп.
Известна обтекаемая внутренняя поверхность трубопровода, содержащая относительно гладкую поверхность за счет покрытия ее термопластичным полимерным материалом (RU 2184304). Это покрытие улучшает скольжение жидкости по стенкам и уменьшает потери напора на трение Недостатком такой относительно гладкой обтекаемой поверхности является наличие микрошероховатости, представляющую собой беспорядочно расположенные выступы и впадины (Фиг.1, увеличено). Их размеры в десятки тысяч раз больше размеров молекул составляющих поток вязкой текучей среды газа или жидкости протекающей в трубопроводе. Поток, обтекая эту беспорядочную структуру, становится беспорядочно-турбулентным с возрастающей степенью турбулентности по мере увеличения скорости потока (Киселев П.Г. Гидравлика. Основы механики жидкости. М.: «Энергия», 1980 г., с.150). Поскольку турбулентное течение создает в 3-5 раз большее сопротивление по сравнению с плавным ламинарным течением. (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975 г., 56 с.; Мартынов А.К. Экспериментальная аэродинамика. М.: Изд. Оборонпром 1958 г., с.184.), то понятно стремление трубостроителей изготавливать прокат с малой степенью шероховатости для создания ламинарного течения в трубопроводе. Однако, эта задача трудновыполнима, сопряжена с большими технологическими трудностями. Так, для ламинарного течения, величина допустимой шероховатости составляет K=0,06 мм, в то время, как реальная шероховатость, например, после покраски,
S
составляет K=0,3 мм (Сергель О.С. Прикладная гидрогазодинамика. М.: Машиностроение, 1981 г., с.290).
кр
кр
Усилия ученых по сохранению ламинарного пограничного слоя и ламинарного потока в индустриальных трубопроводах пока не увенчались успехом, т.к. кроме шероховатости большое значение имеет и скорость потока. С увеличением скорости потока свыше критической для ламинарного пограничного слоя (критическое число Рейнольдса, например, для жидкости Rе≈2350), сопровождается переходом структуры ламинарного потока в турбулентный. Практические скорости потока в трубопроводах в сотни раз больше указанной величины Rе. При этом, естественное увеличение степени шероховатости ускоряет создание турбулентной структуры потока.
Таким образом, недостатком указанной «гладкой» внутренней полимерной поверхности на серийном трубопрокате, является то, что на сравнительно большой длине трубопровода она не обеспечивает создание ламинарной структуры потока и снижение трения при наличии турбулентного потока по внутренней беспорядочно шероховатой поверхности трубопровода.
С целью снижения сопротивления трения в 1989 г были проведены исследования ЦАГИ, в которых были применены около 80 различных оребренных поверхностей (Фиг.2). «Изучено воздействие оребрения на течение Коанда и течение в трубопроводе, где выигрыш в сопротивлении достигал 8%. Выбрана оптимальная форма ребра, определен оптимальный размер оребрения для заданного режима обтекания, исследовано влияние градиента давления, уровня внешней турбулентности, угла между направлением ребер и скорости потока». (ЦАГИ. Основные этапы научной деятельности 1968-1993 гг. М.: Наука Физматлит, 1996 г., с.371).
Такая ребристая конструкция внутренней поверхности трубопровода, наиболее близка по своей сути к заявляемому предмету изобретения и принята за прототип.
Действительно, ребристая конструкция с ребрами, расположенными вдоль набегающего потока, называемая «риблетами», оказывает положительное влияние на турбулентный поток, как бы «расчесывая» его. При условии выдерживания указанных геометрических параметров оребрения S=0,063 мм (Фиг.2), достигается значительное снижение сопротивления, как заявлено, около 8%. По другим данным, например, консорциума Эрбас Индастри и ONERA, снижение сопротивления трения в натурных испытаниях достигало 1-1,5%. (Flight International, 5/8 1989 г., №4176, V.136, с.18.). Тем не менее, недостатком такой конструкции является трудность контроля за изготовлением, а также само изготовление микрооребренной поверхности, сравнимой с толщиной лезвия бритвы. Реальные производственно-технологические возможности трубопроката обеспечивают гладкость с размерами шероховатости около 0,3 мм. Более того, промышленный поток газа или жидкости, включает в себя конденсаты и твердые включения, например, в виде песка, и парафиновых отложений, которые перекрывают своими размерами конструкцию микрорельефа (0,063 мм).
Целью изобретения является полезная модель трубопровода, внутренняя поверхность которого выполнена специально профилированной. Такая конструкция внутренней поверхности трубопровода обеспечивает уменьшение сопротивления трения текучей среды не менее чем на 15-20% при прохождении ее по трубопроводу. Кроме того, указанное профилирование практически исключает парафиноотложения и отложения других твердых включений на внутренней поверхности трубы, т.е. обладает полезным эксплуатационным свойством самоочищения поверхности.
вн
вн
Цель достигается тем, что профиль внутренней поверхности выполнен в виде упорядоченного гребешкового рельефа, имеющего выпуклую, обращенную навстречу набегающему потоку и вогнутую поверхность с образованием спиралевидной кромки гребня, установленной под углом α к оси трубы в диапазоне 0-90°. При этом, высота гребней h выполнена в соотношении к шагу t гребней как h/t=0.3-1,0. Высота гребней превышает высоту промышленной микронеровности внутренней поверхности в 10-100 раз и составляет 0,1-1% от величины внутреннего диаметра D. трубы соответствующего сечения. Например, при D=1400 мм у магистрального трубопровода, высота гребней может составлять около 30 мм при производственной микронеровности около 0,3 мм, те в 100 раз больше.
Примером конкретного осуществления полезной модели по предмету изобретения служит конструкция, показанная на фигурах.
Фиг.1 Вид спереди на производство магистрального трубопроката и продольное (вдоль оси трубы) сечение внутренней поверхности «гладкого» трубопровода с промышленными микронеровностями (увеличено).
Фиг.2 Поперечное сечение трубопровода с оребренной поверхностью. Риблеты установлены вдоль оси трубы.
Фиг.3 Продольное сечение трубопровода с профилированной внутренней поверхностью по предмету изобретения.
Фиг.4. Эпюры скоростей для сечений трубопровода в зоне 1 и 2. Зона 1 для внутренней оребренной поверхности - и зона 2 по предмету изобретения.
Фиг.5. Участок исследованного трубопровода. Внутренний диаметр соответствует внутреннему диаметру магистрального трубопровода 1400 мм. Видны патрубки для измерения дренированного давления и скорости
потока в контрольных зонах внутренней поверхности трубопровода.
Фиг.6 Испытательные стенды, на которых были исследованы профиля внутренних поверхностей трубопровода.
вн
Фиг.7 Графики экспериментальных зависимостей сопротивления трения от соотношений: - высоты гребней h к шагу t (вверху), высоты h гребней (при выбранном D=1400 мм) - слева, и от угла α° спиралевидной кромки вершин гребней (справа).
Трубопровод 3 (Фиг.3.), по которому проходит поток 1 со скоростью V, состоит из внутренней профилированной поверхности в виде упорядоченного гребешкового рельефа 4, 5, 6, установленного спиралевидно под углом α 2 к продольной оси трубы. Гребешковый рельеф выполнен в виде профилированных гребней высотой h, образованных сопряжением выпуклых 4 и вогнутых 5 поверхностей. Выпуклая поверхность 4 и вогнутая поверхность 5 сходятся, образуя кромку 6. Кромка 6 по своей протяженности выполнена спиралевидной с углом наклона α по отношению к оси трубы. Диапазон оптимальных величин угла наклона α°, и высоту гребней h выбирают из эксплуатационных условий трубопровода, как-то: плотность текучей среды, ее скорость, давление, температура. На фиг.5 показана фотография стенда, на котором при проведении испытаний были получены указанные оптимальные соотношения профилированной поверхности и относительные параметры условий испытаний (Фиг.6). По результатам испытаний видно, что оптимальное соотношение высоты гребней h к шагу t (вверху) составляет h/t=0,3-1,0, высоты гребней и внутреннего диаметра трубопровода составляет h/D=0,1-1%, а оптимальный угол спиралевидной кромки гребней по отношению к
1
x min
3
x min
вн.
оси трубы находится в пределах α°=0-90°. Так, (Фиг.6, слева), при скорости потока V минимальное сопротивление С имеет место при высоте гребней h=1,4 мм, а при скорости V - С при h=30 мм. При внутреннем диаметре испытуемого участка D=1400 мм, оптимальные соотношения h/D определяются: h/D=0,1-1%.
x min
6
x min
Минимальное сопротивление С (Фиг.6, справа) при скорости потока V4 имеет место при угле α около 0°, а при скорости V минимальное сопротивление С определяется углом наклона α около 90°. Оптимальный угол α спиралевидной кромки гребней составляет для различных условий обтекания α=0-90°. Необходимо отметить, что при угле α=0°, когда кромка гребней направлена вдоль оси трубы набегающий поток 1 имеет протяженные зоны не совпадающие с осью трубы, например, на криволинейном участке трубы. В этом случае, угол α и вектор местной скорости потока V не равны 0, т.е. кромка не направлена вдоль потока, а составляет с ней некоторый угол. При этом, выпуклость гребня направлена навстречу набегающему потоку, и обтекание гребней происходит как описано ниже.
Взаимодействует внутренняя рельефная поверхность газопровода с потоком следующим образом.
При обтекании потоком 1 внутренней поверхности трубы 3 происходит соприкосновение потока с вершиной гребня в зоне кромки 6 (Фиг.3.). Вследствие вязкого взаимодействия и прилипания потока к поверхности 4 (эффект Коанда), присоединенный слой потока 1 за кромкой 6 по инерции поворачивает в полость вогнутости 5. Кроме инерции, на поток действует сила донного разрежения на участке под кромкой 6, которая заворачивает вошедший поток 1 в сторону, обратную, первоначальному направлению, завихряя его. Двигаясь далее по вогнутости 5, поток сворачивается в вихрь 7, который контактирует в
зоне между гребнями с набегающим потоком 1. Окружная скорость вихря практически совпадает по направлению и величине с вектором линейной скорости потока 1 и на участке взаимодействия вихря 7 с потоком 1 обеспечивает эффективную радиальную жесткость вихревой системе 7.
x1
x2
x1
x2
При равенстве скоростей в зоне контакта вихря 7 и потока 1, толщина пограничного слоя по длине трубопровода не нарастает, т.к. имеют место прерывистые участки прилипания потока к твердой поверхности только по кромкам 6. Благодаря перекатыванию потока 1 по вихрям 7, создаваемых потокам на рельефной поверхности по предмету изобретения, создается новый тип искусственного пограничного слоя, реализующего эффект трения качения между потоком 1 и твердой внутренней поверхностью трубопровода 3. Полученный пограничный слой качения по аналогии с взаимодействием твердых тел посредством трения качения имеет коэффициент трения меньше, чем естественное традиционное трение волочения сдвиговых пограничных слоев ламинарного или турбулентного типа. В проведенных нами опытах, снижение сопротивления трения потока с применением внутренней поверхности по предмету изобретения составляло 15-20%. Это видно и из сравнения результатов испытаний изложенных на фиг.5 и фиг.6. Минимальное сопротивление трения поверхности с риблетами составляет около C=0,07, а с гребнями С=0,06, те C/C=1,16. Сопротивление трения с риблетами на 16% больше, чем по предмету изобретения. Однако, надо иметь в виду, что трение качения меньше трения волочения (скольжения) для твердых тел в десятки раз, что указывает на возможные перспективы снижения поверхностного трения по предмету изобретения. На фиг.3 показаны эпюры скоростей 1 для пограничного слоя ламинарного типа (волочения, скольжения) в зоне А при обтекании, внутренней оребренной риблетами, поверхности (Фиг.2) и 2 - для пограничного слоя качения в зоне Б при обтекании профилированной поверхности по предмету изобретения. Видно, что
тормозящие свойства естественного ламинарного (турбулентного) слоя приводят к сильно вытянутой эпюре реальной скорости потока 1, т.е. реальное проходное сечение с максимальной скоростью потока 1 составляет около 20-30% площади проходного сечения трубопровода. При создании искусственного пограничного слоя качения реальное проходное сечение с максимальной скоростью потока 1 составляет 95-97% площади проходного сечения трубопровод, те существенно снижается потребное напорное давление внутри трубопровода.
Благодаря примерному равенству скоростей напорного потока 1 и потока в зоне вихревого пограничного слоя 7, толщина пограничного слоя по длине трубопровода практически не увеличивается, а общее сопротивление текучей среды, находящейся в трубопроводе уменьшается. Следовательно, уменьшаются потребные мощности на перекачку текучей среды. Известно, что один магистральный трубопровод требует на перекачку тысячукилометровой массы газа или нефти электроэнергии в год, в современном денежном выражении в размере около 25 млрд. руб.
Кроме того, при образовании вихрей 7 происходит концентрация парафиносодержащих и других фракций по зонам разрежения, создаваемых вихрями, что практически исключает отложение этих фракций на внутренней поверхности трубопровода.