Стенд для исследования течения жидкости на самотечных участках в трубопроводе

Полезная модель относится к области исследования гидравлики трубопроводного транспорта, а именно к гидравлическим стендам, предназначенным для исследования течения жидкости на самотечном участке, выноса газа при различных углах наклона трубопровода, а также процесса вытеснения жидкости инертным газом или сжатым воздухом.
Давление в магистральных трубопроводах, транспортирующих нефть или нефтепродукты, изменяется по длине каждого участка. Это происходит как за счет сил внутреннего трения одних слоев жидкости о другие, так и в зависимости от профиля трубопровода: в низинах профиля давление увеличивается, а в вершинах - уменьшается, что связано с весом самой жидкости. Больше того, если трубопровод преодолевает возвышенность, то в наивысшей точке давление может снизиться до давления насыщенных паров, при этом жидкость частично переходит из жидкого состояния в газообразное. В этом случае в трубопроводе образуется парогазовая полость, заполненная насыщенными парами транспортируемой жидкости. Поэтому оценка длины самотечных участков важна для выбора режима перекачки, обеспечивающего давление в сечениях трубопровода выше давления насыщенных паров жидкости, необходимого для заполнения жидкостью всего сечения трубопровода.
В данной области проблемой является определение границ и степени заполнения самотечных участков, что в свою очередь влияет на безопасность эксплуатации трубопровода, а также на точность учета нефти/нефтепродукта.
В настоящее время оценка длины самотечного участка осуществляется расчетным путем с учетом данных о фактических давлениях по длине трубопровода. Так как количество датчиков давления на магистральных трубопроводах ограничено, то достоверной информации о наличии самотечного участка и его протяженности нет. Еще большую проблему представляет расчет параметров самотечных участков в нестационарных процессах, поскольку скорости испарения и конденсации углеводородных жидкостей могут существенно различаться. Процессы, связанные с образованием и заполнением самотечных участков, происходящие на реальном трубопроводе, скрыты от наблюдения металлом труб и недостаточно изучены.
Также проблемной является достоверность оценки процесса движения поршня под воздействием инертно-газовой смеси в магистральном трубопроводе. Заполнение внутренней полости магистрального трубопровода инертной газовой смесью производится с целью создания дополнительного подпора при освобождении магистрального трубопровода от нефти/нефтепродукта в период проведения плановых ремонтных работ (РД-75.180.00-КТН-259-14 «Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Методика расчета объемов и времени освобождения от нефти и нефтепродуктов участков магистральных трубопроводов с применением мобильных компрессорных азотных установок для проведения плановых работ»).
Техническая проблема, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в создании стенда для исследования процессов течения жидкости на самотечных участках в трубопроводе и вытеснения жидкости инертным газом или сжатым воздухом из трубопровода.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в расширении арсенала технических средств для исследования гидравлики трубопроводного транспорта, а именно течения жидкости на самотечных участках и движения поршня под воздействием давления инертно-газовой смеси в магистральных нефтепроводах или нефтепродуктопроводах.
Технический результат достигается за счет того, что стенд для исследования течения жидкости на самотечных участках в трубопроводе включает в себя измерительную линию, технологические трубопроводы с циркулирующей рабочей, запорную арматуру, регулируемый насос, подключенный к измерительной линии с помощью поворотного шарнира через последовательно установленные на технологическом трубопроводе обратный клапан и регулятор расхода, насосы для создания дополнительного разряжения, подключенные к измерительной линии с помощью гибких рукавов, баллон с инертно-газовой смесью и компрессорную установку, которые параллельно подключены к камере для подачи поршня, рамное основание, подъемный механизм, три емкости, гидравлически соединенные между собой, при этом емкости подключены к измерительной линии технологическим трубопроводом с последовательно установленными на нем регулятором давления «до себя» и вихревым преобразователем расхода, также емкости гидравлически соединены с регулируемым насосом и насосами для создания дополнительного разряжения.
Кроме того, технический результат достигается в частных случаях реализации полезной модели за счет того, что:
- измерительная линия выполнена в виде трубопровода с возможностью изменения профиля из прозрачного материала, в качестве которого может быть использован акрил;
- на измерительной линии установлены преобразователи давления, преобразователи температуры, краном с воздушником и запорной арматура;
- измерительная линия выполнена с возможностью подключения через запорную арматуру камеры для подачи поршня и камеры приема поршня.
- в трубопроводе, соединяющем баллон с инертно-газовой смесью с камерой для подачи поршня, установлен вихревой преобразователь расхода, связанный с баллоном с помощью гибкого рукава;
- в качестве рабочей жидкости в трубопроводах стенда используется вода, или водные растворы глицерина, или водные растворы пропиленгликоля;
- на рамном основании установлены конструктивные элементы для крепления измерительной линии, трубопроводов и оборудования для видеофиксации;
- подъемный механизм выполнен в виде системы блоков с гидроцилиндром, соединенной с рамным основанием тросом;
- рамное основание выполнено с возможностью регулировка угла наклона с шагом 0,55 м.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены принципиальная схема стенда для исследования течения жидкости на самотечном участке трубопровода (фиг. 1) и общий вид стенда (фиг. 2).
На чертежах элементы имеют следующие обозначения:
1 - измерительная линия,
2 - регулируемый насос,
3 - преобразователи давления,
4 - преобразователи температуры,
5 - регулятор давления «до себя»,
6 - запорная арматура,
7 - технологические трубопроводы,
8 - компрессор,
9 - баллон с инертно-газовой смесью,
10 - емкости,
11.1, 11.2, 11.3 - гибкие рукава,
12.1, 12.2 - насосы для создания дополнительного разряжения,
13 - кран с воздушником,
14, 15 - вихревые преобразователи расхода,
16 - камера для подачи поршня,
17 - камера приема поршня,
18 - поворотный шарнир,
19 - регуляторы расхода,
20 - обратные клапаны,
21 - рамное основание,
22 - направляющая рама,
23 - подъемный механизм,
24 - система блоков с гидроцилиндром,
25 - крепление,
26 - трос.
Стенд для исследования течения жидкости на самотечном участке трубопровода состоит из технологического оборудования и технологического основания для крепления трубопроводов, выполненного с возможностью изменения положения рамы с измерительной линией.
В состав технологического оборудования входит измерительная линия 1 с установленными на ней преобразователями давления 3 и преобразователями температуры 4, краном с воздушником 13, запорной арматурой 6, камера 16 для подачи поршня 16, камера 17 приема поршня.
В качестве рабочей жидкости, циркулируемой в трубопроводах стенда, используется вода, или водные растворы глицерина, или водные растворы пропиленгликоля.
Измерительная линия 1 представляет собой выполненный из прозрачного материала (например, из акрила) трубопровод, состоящий из сегментов, что обеспечивает возможность формирования профиля трубопровода, в соответствии с поставленной задачей эксперимента.
К измерительной линии 1 с помощью поворотного шарнира 18 через последовательно установленные на технологическом трубопроводе 7 обратный клапан 20 и регулятор расхода 19 подключен регулируемый насос 2, а с помощью гибкого рукава 11.1 подключены насос 12.1 и 12.2 для создания дополнительного разряжения.
Регулируемый насос 2 и насос 12.1 и 12.2 для создания дополнительного разряжения через последовательно установленные на технологическом трубопроводе 7 обратный клапан 20 и регулятор расхода 19 гидравлически соединены с емкостями 10, при этом все три емкости 10 гидравлически соединены между собой.
Измерительная линия 1 через гибкий рукав 11.2 и последовательно установленные на технологическом трубопроводе 7 вихревой преобразователь расхода 14 и регулятора давления «до себя» 5 соединена с емкостями 10.
Для проведения испытания по вытеснению модельной жидкости из полости трубопровода посредствам инертно-газовой смеси предусмотрен поршень (на фиг. не показан), баллон с инертно-газовой смесью 9 и компрессорная установка 8, которые параллельно подключены к камере 16 для подачи поршня, которая через трубопровод 7 и запорную арматуру 6 может быть подсоединена к измерительной линии 1. При этом в трубопроводе 7, соединяющем компрессор 8 с камерой для подачи поршня 16, установлен вихревой преобразователь расхода 15, связанный с компрессором с помощью гибкого рукава 11.3.
Прием поршня из измерительной линии 1 производится с помощью камеры 17 приема поршня, присоединенной к выходу измерительной линии 1 через запорную арматуру 6.
В состав технологического основания для крепления трубопроводов входят рамное основание 21 и подъемный механизм 23.
Подвод рабочей жидкости от регулируемого насоса 2 к измерительной линии 1 на рамном основании 21 осуществляется с помощью поворотного шарнира 18. Поворотный шарнир позволяет выполнить жесткий подвод жидкости к измерительной линии 1 и производить перемещения в вертикальной плоскости рамного основания 21. Отвод рабочей жидкости от измерительной линии 1 выполнен с помощью гибких шлангов 11.1 и 11.2 с высокой износоустойчивостью.
Подъемный механизм 23 представляет собой систему блоков с гидроцилиндром 24, соединенную с рамным основанием 21 тросом 26. Крепление рамного основания 21 осуществляется на направляющей раме 22 с помощью перекладины, закрепляемой на креплениях 25 принимающих основную нагрузку. Дополнительно на рамном основании 21 может быть установлено оборудование для видеофиксации (на чертежах не показано).
Работа стенда осуществляется следующим образом.
Перед проведением испытаний на подъемной раме 21 собирают профиль измерительной линии 1 в соответствии с поставленной задачей.
Регулируемым насосом 2 производят заполнение трубопровода стенда модельной жидкостью из емкостей 10. При заполнении трубопроводов перед испытаниями необходимо вытеснить остатки воздуха через кран с воздушником 13.
После заполнения трубопроводов модельной жидкостью рамное основание 21 поднимают на заданную высоту и закрепляют на направляющей раме 22, чтобы обеспечить требуемый перепад высот, а также требуемый угол наклона измерительной линии. Подъем рамного основания осуществляется тросом 26, приводимого в движение системой блоков с гидроцилиндром 24.
Рабочая жидкость из емкости 10 подается регулируемым насосом 2 в измерительную линию. Расход рабочей жидкости регулируется частотой вращения регулируемого насоса 2 и регулятором расхода 19, контролируется с помощью вихревого расходомера 14.
Температура и давление в исследуемом трубопроводе контролируются с помощью датчиков - преобразователя давления 3 и преобразователя температуры 4.
С помощью измерительной линии 1 получают самотечные участки с различной протяженностью и степенью заполнения модельной жидкости. Варьируя углы наклона измерительной линии 1 к горизонтали, а также изменяя подачу модельной жидкости с помощью регулируемого насоса 2 и насосов 12.1 и/или 12.2 для создания дополнительного разряжения, возможно получить весь спектр самотечных участков, необходимый для выполнения исследований.
В результате измерений определяют зависимость наличия и параметров самотечного участка от скорости течения жидкости, угла наклона измерительной линии, физико-химических характеристик перекачиваемых жидкостей в стационарных и нестационарных процессах.
При проведении испытаний на стенде существует возможность моделирования разрежения и/или утечки на исследуемом участке при помощи насоса 12.1 и/или 12.2.
Испытания по вытеснению рабочей жидкости из полости трубопровода проводят пропусканием поршня путем воздействия инертно-газовой смеси, выпускаемой из баллона с инертно-газовой смесью 9 или с помощью компрессорной установки 8.
Перед проведением эксперимента поршень запасовывается в камеру 16 подачи поршня. После прохождения измерительной линии 1 поршень извлекается из камеры 17 приема поршня.
Камера 16 подачи поршня и камера 17 приема поршня представляют собой небольшой участок трубопровода, имеющий диаметр на один типоразмер превышающий диаметр измерительной линии 1. После запасовки поршня производится закачка инертно-газовой смеси в камеру 16 подачи поршня, при этом контроль расхода инертно-газовой смеси осуществляется вихревым преобразователем расхода 15.
В результате эксперимента определяют зависимости скорости движения поршня от профиля измерительной линии, давления инертного газа/воздуха.