СПОСОБ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА ТЕКУЧЕСТЬ ГЕЛЕОБРАЗНЫХ СРЕД В ПРИСТЕНОЧНОМ СЛОЕ ТРУБОПРОВОДА И ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF ASSESSING EFFECT OF ACOUSTIC OSCILLATIONS ON FLUIDITY OF GEL-LIKE MEDIA IN NEAR-WALL LAYER OF PIPELINE AND TEST STAND FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к исследованию материалов путем определения их физических свойств, в частности к исследованию свойств гелеобразных сред в пристеночном слое трубопровода, в частности тяжелой фракции нефти в технологических трубопроводах.
Известно, что слабая текучесть гелеобразных сред вызывает проблемы при их движении по трубопроводам, особенно при пониженных температурах окружающей среды. Такая проблема возникает, например, при перекачке нефтепродуктов, особенно при страгивании (стартовые режимы), когда нефтепродукты, по крайней мере, в пристеночном слое трубы, претерпевают переход из упругого в текучее состояние (Chang С., Nguyen Q.D., Ronningsen H.P. Isothermal start-up of pipeline transporting waxy crude oil // J. Non-Newtonian Fluid Mech. 1999. V.87, P.127-154).
Известно, что воздействие ультразвуковых колебаний вызывает увеличение текучести гелеобразных сред, в частности нефти (Lionetto F., Coluccia G. и др. // Reologia acta. 2007. V.46. N 5. Р.601-609, п. РФ № 2350830), поэтому на магистральных трубопроводах устанавливают различного вида электроакустические преобразователи, например в виде излучателей акустических волн на разных частотах (п. РФ № 54652 U1) или множества излучателей (CN2911173Y, CN1904461A). Известна также система «Гидроакустический комплекс для обработки нефти при транспортировке» (http://www.zvekprogress.com/hydroacoustics/02/), представляющая собой систему ультразвуковых излучателей и ультразвукового генератора. Электроакустические излучатели, установленные на наружной поверхности трубы нефтепровода, возбуждают ультразвуковое поле, которое распространяется внутри нефтепровода. Их использование позволяет значительно уменьшить энергозатраты на прокачку нефти и увеличить объемы прокачиваемой нефти, то есть добиться экономического эффекта.
Однако для эффективного конструирования и использования подобных устройств требуются экспериментальные данные по влиянию акустических колебаний на текучесть гелеобразных сред при различных температурах, в частности при стартовых режимах транспортировки, особенно в условиях низких зимних температур.
Известен (в.з. US 2006/0130563, опубл. 22.06.2006) способ определения стартовых давлений движения парафинсодержащих углеводородов в трубопроводах, основанный на предварительном выборе реологической модели парафинсодержащих углеводородов, определении температуры и поля сдвиговых усилий вдоль оси трубы, вычислении теплообмена, вычислении термодинамических сценариев движения в различных сечениях трубы, экспериментальном измерении реологических параметров полученной модели и учете их при окончательном определении величин стартовых давлений, необходимых для начала движения парафинсодержащих углеводородов в трубопроводе. Способ требует измерений на реальном трубопроводе. Весьма сложен и вследствие погрешностей выбора реологической модели недостаточно точен.
Известен способ оценки влияния акустических колебаний на текучесть нефти в трубопроводах и трубопроводный стенд для осуществления этого способа (М.А.Миронов, В.А.Пирогов, Б.П.Туманян, С.Н.Челинцев. «Акустическая технология снижения вязкости нефтепродуктов в трубопроводах при низкой температуре». Хим. техника, №3, 2002, 38-43), выбранные в качестве прототипа.
Способ включает заполнение трубопровода гелеобразной исследуемой средой, в частности парафинсодержащей нефтью, возбуждение в стенке трубы сдвиговых колебаний, подачу на вход исследуемой трубы давления и его регистрацию на выходном конце трубопровода, при этом разница между этими давлениями считается пусковым давлением, по изменению величины которого судят о степени воздействия акустических колебаний на текучесть гелеобразной исследуемой среды.
Способ осуществляют на экспериментальном стенде, состоящем из двух отрезков трубы разного диаметра, один торец которых присоединен через нагнетающий насос к термостатируемой нефтяной емкости с испытуемым образцом, а другой - к обратной трубе для возвращения нефти в емкость. На обеих концах труб установлены вентили-задвижки для подключения их к нагнетающему насосу. Для возбуждения акустических колебаний трубы снабжены магнитострикционными преобразователями, возбуждаемыми генератором. Стенд включает измерительный магнитофон, а также акселерометры, манометры и термометры, установленные на каждой из труб. Испытательный стенд заполняют нефтью путем выдавливания ее сжатым воздухом из накопительной емкости в трубопроводы, то есть приложением внешней силы. После установления требуемой температуры регистрируют начальное давление в виде значения постоянной составляющей тока на одном из каналов измерительного магнитофона. Момент появления давления на выходном торце измерительной трубы считается моментом сдвига нефти в трубе, то есть моментом отрыва ее от стенок трубопровода. Фиксируют потери давления в трубопроводе при течении нефти и соответствующий им расход, который определяют взвешиванием вытекающей нефти из трубопровода за определенный промежуток времени. Таким образом, по величине пускового давления судят об изменении текучести исследуемой нефти в полном объеме трубопровода под действием акустических колебаний. Исследованию подвергалась нефть с температурой плавления 29°С при температурах окружающей среды -7°С.
Однако в основе известных способа и стенда лежит измерение гидравлического сопротивления исследуемой нефти в объеме трубы, что приводит к громоздкости устройства и сложности процесса измерения, а также необходимости использования больших количеств исследуемой гелеобразной среды и, следовательно, значительным энергозатратам. Особые сложности с применением прототипа возникают при понижении температуры до среднезимних значений (-15°С) и использовании более тяжелых фракций нефти, например топочного мазута, температура плавления которого 40°С.
Задача изобретения состоит в упрощении и расширении возможностей способа и устройства для оценки влияния сдвиговых акустических колебаний на текучесть гелеобразных сред за счет применения принципа обращения геометрии задачи о продвижении рабочей среды в трубе и оценки текучести исследуемой среды не по всему объему трубопровода, а только в пристеночном слое отрезка трубы по величине усилия его поворота в исследуемой среде.
Поставленная задача решается способом оценки влияния акустических колебаний на текучесть гелеобразной среды в пристеночном слое трубопровода, включающим помещение отрезка трубы в исследуемую среду, установление требуемой температуры, измерение максимального усилия вращательного смещения отрезка трубы под действием внешней силы, приложенной по касательной к её цилиндрической поверхности, нормирование максимального усилия вращательного смещения на начальную температуру гелеобразной среды, при этом измерение максимального смещения осуществляют дважды - при возбуждении стенок трубы со стороны свободного торца трубы продольными акустическими колебаниями и без возбуждения, а оценку влияния акустических колебаний на текучесть гелеобразной среды осуществляют путем сравнения полученных величин.
Поставленная задача решается также испытательным стендом, состоящим из емкости для исследуемой среды, акустического узла, включающего П-образный подвес, на кромке которого точечно закреплен отрезок трубы с присоединенным к его верхнему торцу пьезокерамическим преобразователем, соединенным с электронным генератором, при этом акустический узел установлен с возможность вращения вокруг своей оси, П-образный подвес снабжен рычагом, к которому прикреплен датчик силы, а стенд снабжен датчиком температуры.
Схематичное изображение заявляемого стенда представлено на фиг. 1, где 1- емкость для исследуемой среды 2; 3 - ось вращения внешнего штатива (не показан); 4 - П-образный подвес; 5 - исследуемый отрезок трубы; 6 - пьезокерамический преобразователь; 7 - рычаг; 8 - датчик силы, 9 - гибкая тяга.
Исследуемый отрезок трубы 5 точечно крепится к П-образному подвесу 4.
П-образный подвес 4 и отрезок трубы 5 с пьезокерамическим цилиндром 6, установленным на верхнем торце отрезка трубы 5, образуют акустический узел.
Способ осуществляют следующим образом.
1
2
Емкость 1 заполняют исследуемой средой 2 при комнатной температуре. Фиксируют акустический узел в емкости 1 путем соединения с осью 3 вращения внешнего штатива. Пьезокерамический преобразователь 6 вместе с исследуемым отрезком трубы 5 образуют /-волновой преобразователь системы возбуждения ультразвуковых колебаний, который при точечном креплении к кромке П-образного подвеса 4 в зоне узла колебательной скорости обеспечивает акустическую развязку системы возбуждения ультразвуковых колебаний от остальной части конструкции. Установка охлаждается до требуемой температуры. С электронного генератора (не показан) на пьезокерамический преобразователь 6 в течение контролируемого экспериментатором времени подается электрический сигнал, что приводит к развитию в пристеночном слое отрезка трубы сдвиговых колебаний исследуемой среды. На рычаге 7 через гибкую тягу 9 и датчик силы 8 создаётся усилие, при котором отрезок трубы 5 вместе со всем вращающимся акустическим узлом страгивается и начинает проворачиваться в горизонтальной плоскости в исследуемой среде. Это усилие регистрируется датчиком силы 8 и по графику его отклика выбирается максимальное значение, которое пропорционально статическому модулю сдвига исследуемой среды. Это максимальное значение нормируется на начальную температуру среды. Аналогично описанному выше осуществляют эксперимент без акустического воздействия, получая фоновые значения усилия страгивания. По изменению данных параметров, при воздействии ультразвука и без воздействия, оценивают степень влияния акустических колебаний на изменение текучести исследуемой среды, что позволяет подобрать наиболее оптимальные режимы акустического воздействия, например для стартовых режимов перекачки нефти.
Принцип действия заявляемого способа и установки, в отличие от прототипа, основывается на том, что критичным для снижения сопротивления прокачки гелеобразной среды через трубопровод является увеличение текучести не в полном объеме рабочей среды, а только в её пристеночном слое. Именно этот эффект регистрируется в заявляемом способе по падению усилия страгивания вращающегося отрезка трубы (статического модуля сдвига) в исследуемой среде, нормированного на начальную температуру среды.
Для проверки способа и стенда была изготовлена лабораторная установка, исследуемой гелеобразной средой являлся мазут М-100 Белореченского завода.
2
Охлаждение установки, заполненной мазутом, производилось в морозильной камере холодильника в течение не менее 4 часов. Двусторонняя площадь погруженной в мазут части вращающегося отрезка трубы (внешний диаметр - 25 мм, внутренний - 23 мм, глубина погружения - 10 мм) составила S = 9.06 см.
Измерение усилия страгивания отрезка трубы производилось датчиком силы SBA-100L (CAS Corporation), подключенным через мостовой усилитель к электронному самописцу PowerLab-8/30 (ADInstruments). Датчик силы 8 в горизонтальном положении через тягу (леску) 9, закрепленную на рычаге 7 (плечо 28 мм относительно оси вращения системы), приводился в движение по направлению касательной к круговой траектории вращающегося узла установки после включения режима записи данных на электронный самописец. После страгивания отрезка трубы и начала его вращения усилие прекращалось. Для оценки усилия страгивания использовалось максимальное значение силы (F, мкВ).
В качестве режимов работы установки использовались: отсутствие ультразвука (режим 0) - фоновый режим, 20-секундное воздействие ультразвука частотой 25 кГц (режим 1).
Помимо усилия страгивания (F, мкВ), контролировались следующие параметры: температура мазута в объеме (Tv, °C), ток потребления пьезопреобразователя (I, мА) и выходное напряжение генератора (U, В).
Проведено 38 экспериментов, результаты которых приведены в таблице (Фиг.2), где приведены характеристики усилия страгивания исследуемого отрезка трубы в охлажденном мазуте М-100.
С помощью критерия Шапиро-Вилка была проверена нормальность распределения всех вариантов для каждого из режимов. С использованием гетероскедастического t-теста оценена статистическая значимость (р) различий контролируемых параметров между двумя режимами (0 и 1) работы установки (Фиг.3), где F/Tv - отношение усилия к начальной температуре, F, мкВ - усилие страгивания, Tv, °C - температура мазута в объеме.
2
2
Разница между значениями усилия F находится на грани статистической достоверности, однако с учетом поправки на начальную температуру (которая была не одинакова в разных экспериментах) для параметра F/Tv (отношение усилия к начальной температуре) получена высокодостоверная статистическая значимость различий между воздействием ультразвука и фоновыми значениями - без воздействия ультразвука (Фиг.3). Это свидетельствует о статистически существенном увеличении текучести исследуемой среды в пристеночном слое трубы и, следовательно, трубопровода при акустическом воздействии. Средняя величина увеличения текучести (с поправкой на начальную температуру) при используемых режимах акустического воздействия составляет 19.3% (Фиг.3). При этом на пьезопреобразователь установки в охлажденном мазуте подается активная электрическая мощность около 0.36 Вт (U = 50 В, I = 40 мА, cosφ = 0.18). Площадь погруженной в мазут части исследуемого отрезка трубы пьезопреобразователя составляет 9.06 см. Тогда с учетом 5% КПД пьезопреобразователя удельная акустическая мощность, развиваемая установкой в охлажденном мазуте, может составлять примерно 0.002 Вт/см.
Таким образом, на заявляемом стенде заявляемым способом впервые экспериментально выявлен эффект вызванного сдвиговыми ультразвуковыми колебаниями, статистически достоверного снижения нормированного на исходную температуру статического предела текучести столь тяжелой фракции нефти (мазут М-100) в пристеночном слое отрезка трубы при столь низких температурах (от -13°С до -17.5°С).
С помощью предлагаемых способа и устройства могут легко подбираться оптимальные режимы акустического воздействия, усиливающие полезный эффект увеличения текучести конкретных гелеподобных сред в трубопроводах при заданных температурах окружающей среды, в том числе различных биоорганических веществ и ракетных топлив.