СЛОИСТЫЙ ТРУБОПРОВОД

Изобретение относится к трубопроводному транспорту, а именно, к средствам воздействия на поток текучей среды и может быть использовано при создании внутренних конструкций трубопроводов, обтекаемых потоком газа или жидкости. Анализ перспектив развития трубостроительной отрасли, связанный с созданием новых магистральных газо и нефтепроводов, показывает, что техническое совершенство конструкций трубопроводов возрастает. Так, от конструкции обычной трубы, уже созданы целые направления в способах повышения безопасности и долговечности трубопроводов за счет наружных усилений, многослойных покрытий наружной поверхности трубопровода: в США - фирмы Лонга и Майергофа; в ФРГ - Богнера и Войта; во Франции - Карбонель и Мэзон. Учитывая жизненно важную значимость энергоносителей, государствами выделяются многомиллиардные финансовые средства. Поэтому, если наружное улучшение трубопроводов уже достаточно освоено, то совершенство его внутренней конструкции находится в начальной стадии развития.
В 1989 г в ЦАГИ были проведены исследования 80-ти различных оребренных поверхностей (Фиг.7). «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). Действительно, ребристая конструкция внутренней поверхности с ребрами, называемая «риблетами», расположенными вдоль набегающего потока, оказывает положительное влияние на турбулентный поток, как бы «расчесывая» его. При условии
выдерживания указанных геометрических параметров оребрения S=0,063 мм (Фиг.7), 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).
Такая ребристая конструкция внутренней поверхности трубопровода близка по своей сути к заявляемому предмету изобретения и принята за аналог.
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). 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
s доп.
s
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, исследования последних лет, как у нас, так и за рубежом, показали, что одной «гладкостью» стенок эта задача не решается в принципе. Так, для ламинарного течения, величина допустимой шероховатости составляет K=0,06 мм, в то время, как реальная шероховатость, например, после покраски, составляет K=0,3 мм (Сергель О.С. Прикладная гидрогазодинамика. М.: Машиностроение, 1981 г., с.290).
кр
кр
Кроме шероховатости большое значение имеет и скорость потока. С увеличением скорости потока свыше критической для ламинарного пограничного слоя (критическое число Рейнольдса, например, для жидкости Re≈2350), сопровождается переходом структуры ламинарного потока в турбулентный. Практические скорости потока в трубопроводах в сотни раз больше указанной величины Re.
Таким образом, недостатком дополнительной внутренней полимерной конструкции, более «гладкой» чем внутренняя поверхность серийного трубопроката, является то, что на сравнительно большой длине трубопровода она не обеспечивает создание ламинарной структуры потока и снижения трения при наличии турбулентного потока по внутренней беспорядочно шероховатой поверхности трубопровода. Однако, положительные свойства трубной композиции, состоящей в данном случае из двух материалов: материала внутреннего покрытия и материала силовой наружной части заключаются в том, что появляется возможность производить на внутреннем материале профилированную поверхность не включая при этом материал наружной силовой
конструкции трубопровода. Это обстоятельство является принципиально важным, близким по сути к заявляемому техническому решению и принята нами за прототип.
Известна полезная модель «Трубопровод» по Заявке №2006136775 от 18.10.2006 г., которая также принята нами за прототип. Трубопровод содержит специально профилированную внутреннюю поверхность для снижения сопротивления трения. Геометрические параметры профилированной поверхности составляют ограничительную часть для настоящего заявляемого предмета изобретения. Положительным эффектом технического решения «Трубопровод» является его целесообразность в крупносерийном производстве. Недостатком этого прототипа могут быть трудности при мелкосерийном и опытном производстве, когда изготовление цельнотянутого рельефного проката из силового материала трубы требует переналадки технологической линии и применения фильер.
Целью изобретения является конструкция внутренней поверхности трубопровода упрощающая технологические процессы при освоении новых форм профилей внутренних конструкций трубопровода. Полезная модель «Слоистый трубопровод» содержащий полимерную пленку и профилированную конструкцию внутренней поверхности в виде упорядоченного гребешкового рельефа, отличающаяся тем, что с целью упрощения при изготовлении и контроле внутренней профилированной поверхности трубопровода, трубопровод снабжен дополнительным слоем профилированного материала, профили которого обращены внутрь трубопровода, а толщина слоя находится в отношении к высоте профиля, как c/h=1/3, при этом площадь, проходного сечения трубопровода уменьшается за счет высоты профилированной поверхности не более чем на 5%.
Слоистый трубопровод состоит из композиции не менее двух материалов трубопровода: материала внутреннего, поверхность которого выполнена специально профилированной и материала, наружной конструкции трубопровода. Такое сочетание конструкций, содержащих различный материал для внутренней поверхности трубопровода и наружной поверхности трубопровода упрощает изготовление и контроль профилированной поверхности, упрощает снабжение уже изготовленных серийных трубопроводов внутренними профилированными поверхностями. Это в свою очередь, обеспечивает уменьшение сопротивления трения текучей среды не менее чем на 15-20% при прохождении ее по трубопроводу, исключает парафиноотложения и отложения других твердых включений на внутренней поверхности трубы, т.е. обладает полезным эксплуатационным свойством самоочищения поверхности и при этом, положительно влияет на прочностные свойства наружного трубопровода, обеспечивая его долголетнюю эксплуатацию и упрощение технологического процесса.
вн
вн
Цель достигается тем, что профиль внутреннего материала 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 0,1-2% 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. Материал внутренней поверхности, содержащий гребешковый рельеф, выполнен с толщиной «с» в 1,0-3,0 раза превосходящий высоту h гребней профилированной поверхности,
x
что соответствует оптимальному расходу полимерного материала при обеспечении эксплуатационных характеристик фиг.9. Так, например, соотношение c/h=1,0 означает, что можно вести технологический процесс укладки внутренней профилированной поверхности методом навивки одного гребня условно бесконечной длины на внутреннюю поверхность трубопровода. Соотношение c/h=3 получено из эксплуатационной необходимости относительно «толстой» основы гребней, когда проходное сечение исходного трубопровода уменьшается не более чем на 5% и коэффициент сопротивления С практически не возрастает для профилированного покрытия, что видно из фиг.4 (зона 2) и фиг.9.
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 Наружное защитное покрытие трубопровода в виде спиральной ленты.
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 Испытательные стенды, на которых были исследованы профиля внутренних поверхностей трубопровода
Вверху - участок исследованного трубопровода из оргстекла. Диаметр 705 мм. Внизу - 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 Пример технологии изготовления и конструкция профилированной внутренней поверхности трубопровода 1 - профилированная полистирольная пластина, 2 - закрутка пластины 1 в спиралевидную ленту, 3 - фиксация стыков спиралевидной ленты 2 и сборка цилиндрической вставки 3 в силовую конструкцию трубопровода 4.
Фиг.7 Графики экспериментальных зависимостей по исследованию микрооребрения (риблеты).
вн
Фиг.8 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).
х
Фиг.9 Испытанные образцы рельефных панелей и график целесообразных соотношений [С]=f(c/h)
Трубопровод 8 (Фиг.3), по которому проходит поток 1 со скоростью V, состоит из внутренней профилированной пластины 3, одна сторона которой выполнена 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
1
x min
3
x min
вн.
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 показаны фотографии стенда, на которых при проведении испытаний были получены указанные оптимальные соотношения профилированной поверхности и относительные параметры условий испытаний (Фиг.8). 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=0,1-2%, а оптимальный угол спиралевидной кромки гребней по отношению к оси трубы находится в пределах α°=0-90°. Так, (Фиг.8, 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=0,1-2%.
x min
6
x min
Минимальное сопротивление С (Фиг.8, 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 трубопровода 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.
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
x1
x2
x1
x2
внутренней поверхности по предмету изобретения составляло 15-20%. Это видно и из сравнения результатов испытаний изложенных на фиг.7 и фиг.8. 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.4 показаны эпюры скоростей 1 для пограничного слоя ламинарного типа (волочения, скольжения) в зоне А при обтекании, внутренней оребренной риблетами, поверхности (Фиг.7) 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, т.е. 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 тысячу километровой 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.
Применение конструкции «Слоистый трубопровод», позволит сравнительно быстро и рентабельно перенастраивать трубопроводы под новые условия эксплуатации при использовании новых профилей для внутренних поверхностей трубопроводов.