УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБОПРОВОДА
DEVICE FOR CLEANING OF PIPELINE INTERNAL SURFACE

Заявленное техническое решение (изобретение) относится к трубопроводному транспорту, а именно к устройствам, применяемым для периодической очистки внутренней поверхности магистральных газонефтепроводов от пристенных отложений высокомолекулярных углеводородов, уменьшающих проходное сечение трубопроводов и снижающих их производительность.
Известны устройства для очистки внутренней поверхности трубопровода, включающие установленные последовательно на (полом) валу дисковые манжеты, материалом манжет может быть пружинная сталь или пластмасса высокой плотности (полиэтилен, полиуретан), обладающие достаточной упругостью. Из известных конструкций устройств наиболее простыми и надежными в эксплуатации являются устройства с дисковыми манжетами. Число манжет может быть разным: от 1 до 10, что предполагает наиболее полную очистку внутренней поверхности трубопровода от пристенных отложений последовательно расположенными манжетами.
При движении устройства по трубопроводу рабочие кромки манжет разрушают и разрыхляют слой пристенных отложений, которые движутся сплошной высоковязкой средой, скапливаясь фактически перед каждой манжетой. Известны патенты на устройства (US 4603449, 1986; US №4726089, 1988; РФ №2030223, 1995; US №5795402, 1998; РФ №2400315, 2010), однако они не учитывают скопление пристенных отложений в промежуточных камерах между манжетами, что, как показано ниже, существенно снижает эффективность устройства.
i
i-1
i
На фиг.1 представлена схема движения 3-манжетного устройства известной конструкции в начальный период после его запуска в трубопровод, когда устройство прошло небольшое расстояние по трубопроводу и скопления разрыхленной массы вещества пристенного слоя пока еще незначительны. Технологическая эффективность каждой рабочей манжеты устройства характеризуется параметром Δδ(x)=δ(x)-δ(x), который показывает, какую часть толщины пристенного слоя снимает 1-я манжета устройства, где
i-1
i
0
1
2
3
δ(x) - толщина пристенного слоя, остающаяся после прохождения (i-1)-й манжеты, δ(х) - толщина пристенного слоя, остающаяся после прохождения i-й манжеты (i=1 соответствует первой манжете, i=0 относится к первоначальной толщине пристенного слоя, не затронутого первой манжетой устройства). При этом имеет место следующее соотношение между толщинами слоя пристенных отложений после прохождения отдельных манжет устройства: δ(x)>δ(x)>δ(x)>δ(x).
Результирующая технологическая эффективность (ТЭ) 3-манжетного устройства определяется зависимостью.
2
1
2
2
1
3
2
На фиг.2 показана картина движения устройства, соответствующая времени, когда оно уже прошло достаточно большое расстояние по трубопроводу и перед устройством скопилась значительная масса разрыхленного вещества пристенного слоя. Объем этой массы перед первой манжетой устройства можно характеризовать параметром l(t), где t - означает время движения устройства по трубопроводу. На фиг.2 видно, что пространство между первой и второй манжетами полностью заполнено разрыхленной массой пристенного слоя, а в результате работы второй манжеты сюда же должна поступать дополнительная масса пристенного вещества. Поскольку объем пространства-камеры между манжетами неизменен и разрыхленная масса, заполнившая это ограниченное пространство практически несжимаема, из условия постоянства массы разрыхленного вещества в указанном объеме, лишний объем должен непрерывно стравливаться из этого пространства, что реально возможно только в пространства между соседними манжетами. Вперед по ходу движения устройства (т.е. в пространство перед первой манжетой) это невозможно в принципе, следовательно, это явление отражается в работе второй же манжеты, которая должна прекращать процесс съема слоя пристенных отложений, т.е. вторая манжета «самозадавливается», что количественно выражается зависимостью Δδ(x)=δ(x)-δ(x)=0. т.е. δ(x)=δ(x). Со временем разрыхленной массой пристенного вещества заполняется и пространство между второй и третьей манжетами и наступает момент, при котором выполняется условие δ(x)=δ(x), т.е. «самозадавливается» третья манжета, что иллюстрируется на фиг.3. С этого момента технологическая эффективность 3-манжетного устройства будет определяться выражением , т.е. роль второй и третьей манжет будет сводиться лишь к конструктивной поддержке устройства, обеспечивающей его проходимость по трубопроводу. Таким образом, многоманжетное устройство при отсутствии очищения межманжетных камер фактически по технологическим показателям превращается в одноманжетное.
Известные патенты предусматривают разжижение этой счищенной массы отложений только перед первой манжетой путем перепуска проталкивающей жидкости через центральный полый вал устройства (US №5795402, 1998) или через специальные трубки, герметично пронизывающие промежуточные манжеты, в пространство перед первой манжетой (US №2263774, 1941; SU №797805, 1981) или через турбинки, которые по мнению авторов, должны вращать геликоидальные ножи-разрыхлители (РФ №2030223, 1995). Перечисленные патенты более прогрессивны, чем те, которые не предусматривают разжижение скоплений, приводящих к аварийной остановке трубопровода, или предполагают разгрузку этих скоплений из трубопровода путем остановки перекачки (РФ №2400315, 2010), что не может быть реализовано в условиях морских трубопроводов. Промежуточные пространства - камеры, заполнившись отложениями, резко снижают чистящую способность всех манжет за исключением первой манжеты и, тем самым, существенно снижают эффективность устройства в целом.
Задачей сохранения эффективности работы устройства для очистки внутренней поверхности трубопровода является восстановление работоспособности всех манжет на всем протяжении очищаемого трубопровода. Существующие патенты не учитывают явление «самозадавливания» промежуточных манжет и не решают эту задачу.
Так известно устройство (US №4726089, 1988), состоящее из N дисковых манжет, в описании патента рассмотрен 3-манжетный вариант. Суть данного устройства в том, что оно выполнено из пластмасс и характеризуется легкостью и износостойкостью. Недостаток этого устройства в том, что оно не имеет способа перепуска толкающей жидкости в пространство перед устройством и промежуточные пространства - камеры между манжетами не очищаются.
В устройстве (РФ №2030223, 1995) для очистки внутренней поверхности трубопровода также отсутствует возможность разжижения скапливающейся в промежуточных между манжетами пространствах - камерах массы пристенных отложений, однако имеется возможность перепуска толкающей жидкости через турбину в пространство перед устройством. Аналогично, устройство (US №5795402, 1998) также предусматривает разжижение скоплений перепуском толкающей жидкости через центральный канал, заканчивающийся дефлектором, промежуточные камеры не очищаются от высоковязких скоплений. В способе (РФ №2400315, 2010) очистки внутренней поверхности трубопровода от асфальтосмолистых отложений предусматривают разгрузку от скоплений перед устройством путем остановки перекачки, монтажа вантуза на определенном расстоянии от устройства, врезки технологического трубопровода, перекрытия задвижки после технологического трубопровода и разгрузки АСПО в нефтевоз - автогрузовик. Этот способ так же не рассматривает восстановление работоспособности промежуточных манжет, не может быть использован на морских трубопроводах и связан с серьезными капитальными вложениями даже на суше. Кроме того, пристенные высокомолекулярные углеводороды являются ценным сырьем для нефтехимической промышленности и сохранение парафиноасфальтосмоловых веществ в составе перекачиваемой нефти повышает ценность нефти как сырья и расширяет ассортимент продуктов ее переработки, поэтому любая другая утилизация отложений, кроме доставки их на перерабатывающий завод является не рациональной.
Известно устройство (US №2263774, 1941) для очистки внутренней поверхности трубопровода, включающее установленные последовательно на валу манжеты, имеющие равномерно расположенные по окружности отверстия для герметичного пропуска трубок через манжеты с целью подачи толкающей жидкости в пространство перед устройством. Недостатком этого устройства является также отсутствие возможности очищения от скоплений промежуточных камер между манжетами.
Известно трехманжетное устройство (РФ №2324550, 2008) для очистки внутренней поверхности трубопровода, в котором перепуск толкающей жидкости осуществляется при большом скоплении АСПО перед устройством, что сильно замедляет его продвижение и повышает давление за устройством. Повышенное давление приводит к открытию клапана-фланца, удерживаемого пружинами, и толкающая жидкость, проходя через устройство, разжижает скопившуюся массу АСПО. Однако это устройство также не предусматривает очищение межманжетных камер и не восстанавливает работоспособность манжет при переполнении межманжетного пространства высоковязкими скоплениями.
Известно многоманжетное устройство (US №3939519, 1976), выполненное полностью из полиэтилена высокой плотности, характеризующееся тем, что на полом валу в процессе изготовления литьем образованы диски-манжеты числом до 10, причем манжеты имеют разрезы до вала, расположенные радиально или параллельно диаметру, но со смещением. Диаметр секторов манжет выполнен большим, чем внутренний диаметр трубопровода, вследствие чего при вводе устройства в трубопровод сектора отгибаются назад и щели - разрезы принимают вид треугольников, размер которых определяется соотношением диаметров лепестковых секторальных манжет и трубопровода с отложениями. В связи с этим, размер треугольников будет уменьшаться от хвоста к головке устройства, что ухудшит самоочищение межманжетных камер в процессе эксплуатации устройства.
Такой же недостаток присущ к устройству (US №4178649, 1979) вследствие аналогичности чистящих элементов. Кроме этого устройство (US №4178649, 1979) состоит из множества последовательно соединенных чистящих элементов-скребков, изготовленных из упругого пластического материала, без общего монтажного вала. Узлы соединения представляют специально изготовленную пару втулка-вставка, обладающую множеством степеней свободы вращательного движения относительно друг друга, что обеспечивает всей цепочке скребков большую гибкость и возможность прохождения через изогнутые участки водопровода. Конструкция узла, как сказано в описании, позволяет производить сборку и разборку устройства вручную. Устройство создано для применения в водопроводах малого диаметра, где силы гидродинамического взаимодействия в масштабе скребков малы и сопоставимы с человеческим усилием. Однако в трубопроводах большого диаметра, где силы давления пропорциональны площади сечения, случайная задержка какого-либо элемента приведет к демонтажу цепочки в трубопроводе и к аварийной остановке процесса перекачки. Практика показывает, что в нефтегазопроводах только наличие общего монтажного вала обеспечивает сохранность и работоспособность конструкции (Ахатов Ш.Н., Каримов З.Ф. «Промышленная последовательная перекачка сырых и обессоленных нефтей». М. Изд. ВНИИОЭНГ, 1973).
Известно четырехманжетное устройство (SU №797805, 1981), в котором отверстия каждой последующей манжеты по ходу движения устройства выполнены с угловым смещением относительно предыдущей манжеты, трубки герметично проходящие через эти отверстия расположены под углом к оси вала, причем трубки выполнены гибкими. Такая конструкция позволяет использовать энергию затопленной струи для разрыхления АСПО впереди устройства и реактивно вращать устройство относительно продольной оси, что позволяет производить разрыхление по всему периметру сечения трубопровода. Однако это устройство имеет тот же недостаток - не предусматривается очищение межманжетного пространства от высоковязких скоплений и восстановление работоспособности манжет. Это устройство может быть принято за аналог вследствие смещенного расположения отверстий.
Известно устройство для очистки водопровода (US №2275190, 1942), состоящее из четырех манжет-дисков, два передних из которых являются чистящими, а два последние, снабженные прорезиненными юбками, толкающими устройство под действием перепада давления воды. Этим устройством отложения на внутренней поверхности трубопровода снимаются двумя блоками-дисками, снабженными 8-ю скребущими сдвоенными сегментами, находящимися на определенном расстоянии друг от друга за счет дистанционных втулок между ними и образующими малую камеру при этом диске, которая в процессе движения устройства по трубопроводу вследствие малости очень быстро заполнится отложениями и эффект сдвоенного скребущего сегмента будет равняться эффекту одинарного сегмента. Второй чистящий блок-диск имеет аналогичную конструкцию, однако пространство-камера, образованная двумя дисками предусматривает очистку струей воды, перепускаемой через отверстия сегментов второго диска, причем диаметр отверстий сегментов первого диска больше диаметра отверстий сегментов второго диска, что является существенно положительным фактором, т.к. взвесь, образованная из соскобленных отложений и протекающей воды имеет весьма малую подвижность и будет оседать и скапливаться в нижней части трубопровода и в конце концов постепенно заполнит междисковую камеру, снижая эффективность устройства. В описываемом патенте не даются ни расчетные формулы, ни рекомендации по определению диаметров отверстий, ни их расположение на сегментах т.е. фактически запатентована идея создания устройства. Кроме того, диаметры отверстий третьей манжеты меньше диаметра отверстий четвертой, последней, манжеты, т.е. по ходу движения диаметры отверстий изменяются немонотонно - отверстия крайних манжет (№1 и №4) имеют больший диаметр, чем отверстия средних манжет (№2 и №3), что, как будет показано ниже, снижает эффект очистки от отложений в целом всего устройства. Важно отметить также то, что, как показывает практика, двух чистящих манжет бывает недостаточно для полной очистки и, поэтому число манжет увеличивают до 10 (US №4178649, 1979; US №3939519, 1976). В анализируемом патенте, в случае его использования в нефтепроводах, отложения, остающиеся после второй манжеты, будут сниматься третьей и четвертой манжетами из прорезиненного материала, «забивая» межманжентные камеры, т.к. соотношения диаметров отверстий второй, третьей и четвертой манжет не способствует самоочищению межманжетных камер. Следующим недостатком анализируемого патента является необходимость открытого выходного конца трубопровода, через который разгружаются скопления, что никак не может быть реализовано в случае трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. Важнейшим недостатком этого устройства является также предусмотренная автором патента необходимость транспортных тяг сзади и/или спереди, с помощью которых устройство должно быть вытянуто назад или вперед из трубопровода в случае аварийной остановки. Это говорит о том, что устройство предназначено и предполагается применять на сравнительно небольших по протяженности водопроводах, что полностью исключает его использование на магистральных и морских нефтепроводах. Однако, в силу изменения диаметров отверстий на дисках этот патент может быть принят за прототип.
Таким образом, в обнаруженных патентных материалах по устройствам для очистки внутренней поверхности трубопроводов отсутствует решение поставленной задачи по обеспечению работоспособности всех манжет на всем протяжении очищаемого трубопровода.
Теоретическое обоснование заявленного технического решения (изобретения) построено на анализе рассмотренных выше патентов и выявлении их несовершенства в отношении выполнения поставленной цели. Теоретической основой сохранения работоспособности всех манжет являются свойства гидродинамического клина, образующегося между стенкой трубопровода и манжетами устройства.
Процесс взаимодействия рабочих манжет устройства с пристенным слоем высокомолекулярных углеводородов - отложений происходит следующим образом.
i
i
i
i
В основе динамики взаимодействия рабочей кромки манжеты лежит гидродинамический клин, образующийся между внутренней стенкой трубопровода и наклонной наружной поверхностью движущейся манжеты (фиг.4). При движении устройства между этими двумя поверхностями вследствие возникновения гидродинамического давления p(x) образуется зазор, ширина которого зависит от скорости движения устройства V, от величины давления в сечении потока непосредственно перед рассматриваемой манжетой p и от реологических свойств (пластической вязкости и напряжения сдвига) веществ пристенного слоя. Чем выше значения параметров V, p и пластической вязкости η и напряжения сдвига τ вещества пристенного слоя, тем больше ширина зазора между внутренней стенкой трубопровода и рабочей кромкой манжеты - δ(x), следовательно, тем меньше эффективность работы рассматриваемой манжеты. Очевидно, что скорость движения устройства V зависит от производительности трубопровода, а значения реологических характеристик вещества пристенного слоя, прежде всего, связаны с наличием в потоке перекачиваемой среды высокомолекулярных углеводородных фракций. Из перечисленных выше параметров, на который можно оказывать влияние с целью повышение технологической эффективности устройства, является только давление в потоке непосредственно перед каждой рабочей манжетой - p.
1
1
Значение p зависит от величины скоплений разрыхленного пристенного слоя перед первой манжетой устройства, притом общий размер скоплений, как отмечено выше характеризуется протяженностью зоны l(t) (фиг.2). Скопления разрыхленной массы отличаются кратно высокой пластической вязкостью и предельным напряжением сдвига, по сравнению с аналогичными свойствами перекачиваемой среды, по этой причине эта субстанция проявляет повышенное сопротивление при движении по трубопроводу, что и обуславливает значительный рост значения давления p. А рост значения этого параметра способствует увеличению гидродинамического зазора, следовательно, снижению технологической эффективности устройства.
Для повышения эффективности устройства необходимо решить задачу разжижения высоковязкой консистенции разрыхленной массы пристенных отложений, движущейся перед каждой манжетой устройства, и размывание ее из межманжетных камер за счет подачи части потока перекачиваемой среды из пространства за устройством в пространства перед манжетами устройства по специальным отверстиям, что позволит снизить давление перед клином соответствующей манжеты и очистить межманжетные камеры от высоковязких скоплений.
Данная задача решается за счет того, что устройство для очистки внутренней поверхности трубопровода включает установленные на валу последовательно манжеты, имеющие равномерно расположенные круговые отверстия, центры которых находятся на концентрических с манжетами окружностях, делящих кольцевую площадь манжет между трубопроводом и валом устройства на равновеликие части, причем диаметры отверстий уменьшаются от первой к последней манжете по ходу движения устройства. Вал устройства для повышения проходимости по изогнутому трубопроводу может быть выполнен составным со сферическим шарниром, манжеты на составном валу установлены с интервалами между первой и второй, а также между третьей и четвертой манжетами 0,36D и между второй и третьей манжетами интервал составляет 0,55D. Кроме того, диаметр отверстий на первой манжете 0,015D, на второй манжете 0,010D, на третьей манжете 0,007D, на четвертой манжете 0,006D, причем отверстия расположены с угловым смещением на половину центрального угла между соседними отверстиями относительно отверстий соседней манжеты.
Достигаемым техническим результатом является повышение надежности эксплуатации устройства и качества очистки внутренней поверхности трубопровода от высокомолекулярных отложений углеводородов путем сохранения и восстановления очищающей способности промежуточных манжет разжижением и удалением высоковязкой смеси из межманжетных камер через специальные отверстия в манжетах вперед по ходу движения устройства.
Выполненный анализ известных конструкций и сущность заявленного технического решения поясняются рисунками, на которых изображено:
На фиг.1 представлена схема движения 3-манжетного устройства известной конструкции, в котором промежуточные камеры не очищаются, в начальный период после его запуска в трубопровод. Обозначения: 1 - трубопровод, подлежащий очистке; 2 - вал устройства, на котором смонтированы манжеты-очистители; 3 - первая по ходу манжета; 4 - вторая по ходу манжета; 5 - последняя манжета; 6 - толщина афальтосмолопарафиновых отложений до очистки; 7 - скопления перед первой манжетой; 8 - толщина отложений перед второй манжетой; 9 - толщина отложений перед третьей, последней манжетой; 10 - толщина отложений после последней манжеты; 11 - объем скоплений перед второй манжетой; 12 - объем скоплений перед третьей манжетой; 14 - вектор скорости движения устройства
На фиг.2 иллюстрируется картина движения устройства известной конструкции, в котором промежуточные камеры не очищаются, в момент времени, когда первая межманжетная камера заполнилась скоплениями и вторая манжета потеряла свою работоспособность, т.е. «самозадавилась». Обозначения, как на фиг.1, кроме того, что 14-переменный растущий во времени объем скоплений перед первой манжетой, l(t).
На фиг.3 иллюстрируется момент движения устройства известной конструкции, в котором промежуточные камеры не очищаются, соответствующий времени, когда вторая межманжетная камера заполнилась скоплениями и третья манжета потеряла свою работоспособность («самозадавилась»). Обозначения, как фиг.2.
На фиг.4 приведена схема работы манжеты с гидродинамическим клином. Обозначения: 1 - трубопровод; 2 - манжета; 3 - гидродинамический клин; 4 - переменная по длине клина толщина зазора; 5 - толщина слоя пристенных отложений, оставшегося после прохождения i-й манжеты; 6 - вектор скорости движения устройства; 7 - распределение гидродинамического давления по длине клина.
На фиг.5 приведен общий вид устройства по предлагаемому техническому решению. Обозначения: 1 - трубопровод; 2 - составной вал со сферическим шарниром 13; 3 - первая по ходу движения устройства манжета с наибольшими диаметрами отверстий 7; 4 - вторая манжета с меньшими, чем на первой манжете, диаметрами отверстий 8; 5 - третья манжета с меньшими, чем на второй манжете, диаметрами отверстий 9; 6 - последняя манжета с наименьшими диаметрами отверстий 10; 7-6 отверстий на первой по ходу движения манжете с диаметрами 0,015D; 8-6 отверстий на второй по ходу движения устройства манжете с диаметрами 0,010D; 9-6 отверстий на третьей по ходу движения устройства манжете с диаметрами 0,007D; 10-6 отверстий на последней по ходу движения устройства манжете с диаметрами 0,006D; 11 - диаметр (составного) вала d; 12 - контргайка; 13 - сферический шарнир; 14 - узел крепления манжет на валу; 15 - продольный размер манжет, равный 0,26D; 16 - расстояние между первой и второй и между третьей и четвертой манжетами, равное 0,36D; 17 - расстояние конца второй манжеты до центра сферического шарнира, равное 0,09D; 18 - расстояние конца третьей манжеты до центра сферического шарнира, равное 0,46D; 19 - фронтальный блок устройства размером 0,71D; 20 - хвостовой блок устройства размером 0,82D; 21 - внутренний диаметр трубопровода D.
Устройство работает следующим образом.
Устройство по очистке внутренней поверхности трубопровода вводится в очищаемый трубопровод 1 через специальные камеры пуска и приема разделителей. Перемещение устройства по трубопроводу осуществляется перепадом давления, создаваемым насосными агрегатами. При движении устройства манжеты 3, 4, 5, 6 производят очистку внутренней поверхности стенки трубопровода. По мере движения устройства перед каждой манжетой происходят скопления пристенных отложений. Одновременно с началом движения устройства через имеющиеся отверстия 10 из пространства за устройством через последнюю манжету 6 в камеру между манжетами 6 и 5 поступает перекачиваемая жидкость и начинает разжижать скопления. Затопленные струи из отверстий 10 ударяются об стенку манжеты 5 и рассеиваясь интенсифицируют разжижение. Разжиженная среда, более вязкая, чем перекачиваемая жидкость, в виде затопленных струй через отверстия 9 манжеты 5 проникает в камеру между манжетами 5 и 4 и вследствие несовпадения осей отверстий 9 манжеты 5 и отверстий 8 манжеты 4 также разбивается об стенку 4 - манжеты и способствует разжижения скоплений между манжетами 5 и 4. Вязкость смеси между манжетами 5 и 4 больше, чем вязкость смеси между манжетами 6 и 5, поэтому для выравнивания условий прохождения затопленных струй через отверстия 8 в камеру между манжетами 4 и 3 отверстия 8 выполнены большими, чем отверстия 9. Далее смесь, образованная в камере между манжетами 4 и 3 разжижением скоплений смесью из камеры между манжетами 5 и 4, в виде затопленной струи проходит через наибольшие отверстия 7 манжеты 3 в пространство перед устройством и движется со скоростью потока 22. Для более эффективного размешивания скоплений АСПО в межманжетных камерах, отверстия на манжетах расположены с угловым смещением на 30° относительно соседней манжеты, что предотвращает прямое попадание затопленных струй с высоким давлением из последней манжеты в отверстия большего диаметра последующих манжет.
Устройство характеризуется простотой, отсутствием подвижных рабочих частей, надежностью и эффективностью.
Обоснование конструктивных размеров заявленного устройства для очистки внутренней поверхности трубопровода.
н
н
н
1. По ГОСТ Р 51164-98, ТУ-1468-036-2087-2280-2008 радиусы закругления магистральных и промысловых трубопроводов принимают в пределах (1,5÷10)d от наружного диаметра трубопроводов. В этих условиях для обеспечения прохождения устройства через участок промышленно изготовленных гнутых отводов минимального радиуса закругления осевой линии 1,5 D на стандартный угол поворота 45° расчетами установлено, что устройство должно состоять из двух частей одинаковой длины, соединенных между собой сферическим шарниром, и половина длины устройства, измеренной между крайними манжетами, не должна превышать 0,64D. Из конструктивных соображений размещения сферического шарнира между второй и третьей манжетами расстояние между ними составляет 0,55D. Таким образом, интервалы между первой и второй манжетами, а также третьей и четвертой манжетами, работающими в режиме жидкостного трения, которые смонтированы на составном валу, составляют 0,36D.
н
2. Определение диаметров отверстий производится по нижеследующей методике. Лабораторными экспериментами установлено, что для обеспечения необходимой текучести, исключающей условия образования скоплений, массу разрушенных пристенных отложений достаточно разбавлять в объеме перекачиваемой жидкости V, равном 2-2,5 объемам этой массы. Исходя из этого условия, определяется величина интенсивности перетока перекачиваемой среды из пространства за очистным устройством в пространство перед ним через специальные отверстия в манжетах. Рост общего объема разрыхленных всеми манжетами очистного устройства пристенных отложений V(t) в единицу времени определяется по формуле
0
где D- начальный внутренний диаметр трубопровода с отложениями;
0
δ(x) - средняя толщина отложений по длине устройства;
w - средняя скорость потока перекачиваемой жидкости.
4
Общий расход q перетока жидкости (необходимой для разжижения скоплений), движущейся за устройством, через отверстия четвертой манжеты очистного устройства в камеру между третьей и четвертой манжетами определяется, как
4
4
4
Следовательно, через отверстия четвертой манжеты очистного устройства в зону между четвертой и третьей манжетами с интенсивностью q перетекает перекачиваемая нефть с известными концентрацией парафиновых соединений n и кинематической вязкостью v, которая перемешивается с разрыхленной массой пристенных отложений, снятой четвертой манжетой очистного устройства. Объем снимаемой массы пристенных отложений четвертой манжетой в единицу времени, очевидно, равен
4
где Δδ - толщина пристенного слоя, снятого четвертой манжетой устройства.
3
3
Процесс перемешивания этого объема скоплений с нефтью между рассматриваемыми манжетами сопровождается ростом концентрации парафина до величины n, и как следствие, увеличением кинематической вязкости до величины v, обусловленным растворением разрыхляемой массы пристенных отложений.
Таким образом, интенсивность перетока перекачиваемой среды из камеры между четвертой и третьей манжетами в камеру между третьей и второй манжетам уже будет больше и определяется:
2
2
В результате перемешивания перетекающей среды в этой зоне увеличится концентрация парафина до величины n и повысится кинематическая вязкость до величины v.
Объем снимаемой массы пристенных отложений третьей манжетой в единицу времени равен
3
где Δδ(x) - толщина пристенного слоя, снятого третьей манжетой устройства.
Интенсивность перетока перекачиваемой среды из камеры между третьей и второй манжетами в камеру перед второй и первой манжетами будет определяться выражением
1
1
В результате в рассматриваемой камере растет концентрация парафина до величины n и в связи с этим увеличивается кинематическая вязкость перекачиваемой жидкости до величины v. Интенсивность перетока через отверстия первой манжеты в зону перед первой манжетой определяется выражением
2
где Δδ(x)- толщина пристенного слоя, снятого второй манжетой устройства.
Далее перетекающая через отверстия первой манжеты среда перемешивается с разрыхленной массой пристенных отложений, обеспечивая ей текучесть и возможность конвективного удаления из зоны непосредственно перед очистным устройством.
Необходимо отметить, что конструкция манжет данного очистного устройства работает в режиме упругой линейной деформации, поэтому постепенное снижение нагрузки на манжеты (по ходу роста их нумерации) со стороны разрушаемых пристенных отложений позволяет использовать следующие зависимости
где ε - высота абсолютной шероховатости внутренней стенки трубопровода.
i
i
Изменение концентрации парафина n и кинематической вязкости v;
перекачиваемой среды при последовательном переходе через пространства между соседними манжетами учитывается при помощи следующих зависимостей:
4
4
-5
2
В этих формулах индекс i=4 относится жидкости, протекающей через четвертую манжету, i=3 - через третью манжету и т.д. Расчет по вышеприведенным формулам начинается с четвертой манжеты. По условию задачи концентрация парафинов и кинематическая вязкость нефти, текущей за четвертой манжетой, - заданные величины Обозначим их: n=0,08; v=2,8 10 м/с;
Объемы между соответствующими манжетами равны:
3
3
3
V=0,283 Dм - объем камеры между третьей и четвертой манжетами;
2
3
3
V=0,431 Dм - объем камеры между второй и третьей манжетами;
1
3
3
V=0,283 Dм - объем камеры между первой и второй манжетами.
Выражение (9) определяет значения вязкости смесей при изменении концентрации компонентов.
Выполненные расчеты по формулам (8) и (9) дают следующие значения:
4
3
0
3
2
3
0
3
0
3
0
2
1
2
0
1
0
3
0
2
0
1
а) концентраций: n=0,08; n=0,08+(0,1δπD/V); n=n+[(0,2δπD/V)]=0,08+(0,1δπD/V)+(0,2δπD/V); n=n+[(0,3δπD/V)]=0,08+(0,1δπD/V)+(0,2δπD/V)+(0,3δπD/V).
4
3
2
1
отсюда следует: n<n<n<n
4
3
4
3
4
0
m
2
3
2
3
4
3
4
2
3
4
2
4
2
1
2
1
2
4
2
4
1
2
4
1
4
1
-5
-5
-5
-5
б) кинематической вязкости: v=2,8 10; v=v(n/n)=2,8 10[0,1δπd/V)/0,08]; v=v(n/n)=v(n/n)(n/n)=v(n/n)=2,8 10 (n/0,08); v=v(n/n)=v((n/n) (n/n)=v(n/n)=2,8 10(n/0,08).
в результате получается
4
3
2
1
v<vv<v
i
i
Для определения диаметров отверстий на манжетах d, используют формулу расхода q затопленной струи (Рабинович Е.З. Гидравлика, М., Недра, 1980, стр.180).
где:
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mn>0,25</mn><mi>π</mi><msubsup><mi>D</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
- площадь сечения отверстия на манжете;
i
-0.5
µ=f(Re), - коэффициент расхода, являющийся функцией числа Рейнольдса - Re=(D/v)(2gΔh);
Δh - перепад напора в потоке, вызываемый сопротивлением движению манжеты;
2
g=9,81 м/с - ускорение свободного падения;
m - количество отверстий, которое определяется из конструктивных соображений, исходя из условий минимизации местных напряжений в манжетах.
Формула (10) приводится к виду, удобному для определения искомого диаметра отверстий d,
i
i
0
4
4
-5
2
Используя формулы (1-12) производили расчет значений q и d при следующих условиях: диаметр трубопровода D=0,5 м, перекачивается парафинистая нефть, скорость перекачки w=1,0 м/с, средняя первоначальная толщина пристенного слоя δ(x)=0,008 м, концентрация парафино-асфальтеновых соединений в нефти n=0,08, кинематическая вязкость v=2,81·10 м/c, объемы межманжетных камер очистного устройства приведены выше.
i
расч
i
Коэффициент расхода µ=f(Re), входящий в формулы (11) и (12) определяется экспериментально и в технической литературе представлен в виде графика Альтшуля (Альтшуль А.Д. и др. Гидравлика и аэродинамика. М., Стройиздат, 1987, стр.318), который построен для значений чисел Рейнольдса в пределах 10-1000000. Рассчитанные для рассматриваемого случая значения критерия Рейнольдса существенно меньше 10 (Re=3,68) и использование этого графика с целью определения значения параметра µ при малых числах Рейнольдса, описывающих характер потока высоковязкой нефти через малые отверстия, невозможно. В связи с этим для оценки достоверности расчетных результатов, полученных по формулам (11) и (12), были проведены эксперименты на лабораторной модели затопленной струи парафинистой нефти через малые отверстия. Результаты расчетов и экспериментов представлены в таблице 1.
В данной таблице в колонке 1 показаны порядковые номера манжет, в колонке 2 представлена интенсивность процесса механического снятия части слоя пристенных отложений отдельными манжетами очистного устройства, в колонке 3 показана закономерность распределения концентрации парафина перед соответствующими манжетами, в колонке 4 приведен характер изменения кинематической вязкости нефти, перетекающей через отверстия соответствующей манжеты, в колонке 5 представлены экспериментальные значения расходов перетекающей нефти через отверстия соответствующих манжет, в колонке 6 расчетные значения расходов перетекающей нефти через отверстия, в колонке 7 приведены значения диаметров отверстий на манжетах, использованных в лабораторной модели, в колонке 8 приведены расчетные значения диаметров отверстий на манжетах округленные на четвертом знаке после запятой, в колонке 9 приведены расхождения данных, представленных в колонках 7 и 8, в колонке 10 значения диаметров отверстий на манжетах, выраженные в долях внутреннего диаметра трубопровода D и в колонке 11 показано количество отверстий на манжетах.
Из анализа содержания таблицы 1 следует, что по мере уменьшения порядкового номера манжет по ходу движения очистного устройства, увеличиваются интенсивность процесса механического разрушения пристенного слоя, растут концентрация парафина и кинематическая вязкость, а также расход перетекающей через отверстия манжет перекачиваемой среды, что сопровождается ростом значений диаметров отверстий на манжетах. Сравнение значений расхода перетекающей нефти через отверстия на манжетах и величин диаметров отверстий, полученных из эксперимента и расчетным путем, показывает на их удовлетворительную сходимость, допустимой для ведения соответствующих технологических (гидравлических) расчетов.