Гидравлический удар

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

"Национальный исследовательский Томский политехнический Университет"

Институт природных ресурсов

Транспорт и хранение нефти и газа

Реферат

по дисциплине:Гидравлика

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР

Исполнитель: Кувшинов К.А.

Томск

2015

Содержание

Введение

1. Описание явления гидравлического удара

2. Защита от гидроудара

.

Введение

Общая протяженность подземных нефте газо- и водопроводов в Российской Федерации составляет около 17 млн км, при этом из-за постоянных интенсивных волновых колебаний давления, гидроударов и вибрационных процессов участки этих коммуникаций приходится постоянно ремонтировать и полностью заменять. Весьма актуальны для нефтегазодобывающей и перерабатывающей отраслей и вопросы защиты от коррозии, вследствие металлоемкости резервуаров хранения нефтепродуктов и прочих сооружений. Наличие здесь агрессивных сред и жестких условий эксплуатации металлоконструкций. Убытки, вызываемые гидроударами и коррозией, составляли, например, для Минтопэнерго несколько сотен миллиардов долларов, на восстановительные мероприятия приходилось использовать около 50 тыс. т черных металлов в год. При общей динамике аварийности, по оценкам экспертов, причинами разрыва трубопроводов являются -60 случаев - гидроудары, перепады давления и вибрации - 25 - коррозионные процессы - 15 - природные явления и форс-мажорные обстоятельства. В течение всего срока эксплуатации трубопроводы испытывают динамические нагрузки пульсации давления и связанные с ними вибрации, гидроудары и т.д Они возникают при работе нагнетательных установок, срабатывании запорной трубопроводной арматуры, случайно возникают при ошибочных действиях обслуживающего персонала, аварийных отключениях электропитания, ложных срабатываниях технологических защит и т.п. Техническое же состояние эксплуатируемых по 20-30 лет трубопроводных систем оставляет желать лучшего. Замена изношенного оборудования и трубопроводной арматуры в последние 10 лет ведется крайне низкими темпами. Именно поэтому, как свидетельствует госстатистика, в Российской Федерации наблюдается устойчивая тенденция увеличения аварийности на трубопроводном транспорте

- на 7-9 в год. Участились аварии на трубопроводах, сопровождающиеся большими потерями природных ресурсов и широкомасштабным загрязнением окружающей среды.

По официальным данным, только потери нефти из-за аварий на магистральных нефтепроводах превышают 1 млн. т в год, и это без учета потерь при прорывах внутрипромысловых трубопроводов.

Поэтому полное устранение или существенное уменьшение интенсивности волновых и вибрационных процессов в трубопроводных системах позволяет не только в несколько раз уменьшить количество аварий с разрывами трубопроводов и выходом из строя трубопроводной арматуры и оборудования, повысить надежность их работы, но также значительно увеличить срок их эксплуатации.

В настоящее время для борьбы с пульсациями и колебаниями давления и расхода в трубопроводных системах используют воздушные колпаки, аккумуляторы давления, гасители различных типов, ресиверы, дроссельные шайбы, клапаны сброса и т.п.

1. Описание явления гидравлического удара

Гидравлическим ударом называют резкое повышение давления, возникающее в напорном трубопроводе при внезапном торможении потока жидкости. Он чаще всего возникает при быстром закрытии крана (устройства управления потоком). Процесс, происходящий в упругом трубопроводе при гидравлическом ударе, носит колебательный характер (быстро протекающее чередование резких повышений и понижений давления). Изменение давления при этом тесно связано с упругими деформациями стенок трубопровода и капельной жидкости.

При мгновенном закрытии задвижки А, установленной в конце трубопровода, по которому движется жидкость со скоростью V0, частицы жидкости, натолкнувшиеся на препятствие А, останавливаются, т.е. их скорость становится равной нулю. Кинетическая энергия, которой обладали эти частицы переходит в работу деформации стенок трубы и жидкости, в результате чего стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается за счет повышения давления на величину Dpу (рис.5.5.1, а). На заторможенные у задвижки частицы набегают другие, соседние с ними частицы и тоже теряют скорость. В результате этого, сечение "n-n", разделяющее заторможенную и движущуюся области потока, перемещается в направлении, противоположном движению потока, со скоростью С (скоростью ударной волны). Переходная область, в которой происходит изменение давления на некоторую величину Dpу, называется ударной волной.

Когда ударная волна переместится до резервуара, жидкость окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки трубы - растянутыми (рис.5.5.1, б). Ударное повышение давленияDpу распространяется на всю длину трубы. Однако, такое состояние не является устойчивым. По действием перепада давления Dpу частицы жидкости устремляются из трубы в резервуар, причем это движение начинается с сечения, непосредственно прилегающего к нему. С этого момента сечение "n-n" начинает перемещаться в обратном направлении (к крану) с той же скоростью С, оставляя за собой давление p0 (рис.5.5.1, в). Жидкость и стенки трубы предполагаются упругими, поэтому они возвращаются к исходному состоянию, соответствующему давлению p0. Работа деформации полностью переходит в кинетическую энергию, и жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость V0, направленную в противоположную сторону. С этой скоростью жидкая "колонна" стремится оторваться от крана (рис.5.5.1, г). В результате возникает отрицательная ударная волна под давление p0 - Dpу, которая направляется от крана к резервуару со скоростью С, оставляя за собой стенки трубы, испытывающие деформацию сжатия, и жидкость, находящуюся под пониженным давлением (рис.5.5.1, д). Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформации, но противоположного знака.

Состояние трубы в момент прихода отрицательной ударной волны к резервуару соответствует рис. 5.5.1, е. Оно также не является устойчивым из-за разности давлений в баке и в трубопроводе. На рис. 5.5.1, ж показан процесс выравнивания давления в трубе, сопровождающийся возникновением движения жидкости со скоростью V0. Как только отраженная от резервуара ударная волна достигнет крана А, весь цикл гидравлического удара повторится.

Рис. 5.5.2. Изменение давления во времени при гидравлическом ударе

Протекание гидравлического удара во времени показано на рис. 5.5.2, а (штриховые линии соответствуют теоретическому изменению избыточного давления в точке А, сплошные - действительному).

Представленная картина изменения давления имеет место в случае, когда p0>Dpу и при снижении давления на величину Dpу избыточное давление остается положительным.

Если давление p0 невелико, то первоначальное повышение давления при ударе будет примерно таким же, как и в предыдущем случае. Однако снижение давления на величину Dpу невозможно. Абсолютное давление у крана снижается практически до нуля (это соответствует значению избыточного давления pи " -0,1 МПа). Жидкая "колонна" отрывается от крана, возникает кавитация и образуется паровая каверна. Это приводит к нарушению периодичности процесса и характер изменения давления во времени изменяется (рис. 5.5.2, б).

Повышение давления Dpу определяется скоростями движения жидкости V0 и ударной волны С.

Рассмотрим перемещение ударной волны на расстояние dx за время dt. Применим к элементарному количеству жидкости, находящейся в трубопроводе длинойdx теорему об изменении количества движения

Поскольку изменение координаты x во времени представляет скорость ударной волны (), то последнее уравнение преобразуется к виду, получившему название формулы Жуковского

. (5.5.1)

С другой стороны, определить Dpу можно из условия, согласно которому кинетическая энергия жидкости переходит в работу деформации, связанную с растяжением стенок трубы и сжатия жидкости.

Кинетическая энергия жидкости в трубе радиусом r равна

.

Работа деформации равна потенциальной энергии деформированного тела и составляет половину произведения силы на удлинение.

Выразим работу деформации стенок трубы через работы сил давления на пути Dr, получим

В соответствии с законом Гука нормальные напряжения, возникающие в материале стенки трубы s пропорциональны относительному удлинению материала

,

где Е - модуль упругости материала.

Эти напряжения s , по определению, равны отношению силы, действующей по нормали к поверхности поперечного сечения стенки трубы, к площади этого поперечного сечения.

Используя два последних уравнения определим изменение радиуса трубы

.

Подстановка найденного выражения в уравнение для определения работы деформации стенок трубы приводит к следующему результату:

.

Работу сжатия жидкости объемом W можно представить как работу сил давления на пути Dl, т.е.

.

Относительное уменьшение объема жидкости DW/W связано с давлением следующей зависимостью:

,

где Е0 - среднее значение адиабатного модуля упругости жидкости для данного Dpу . нефтегазодобывающий коррозия гидроудар изношенный

Последние два уравнения, с учетом выражения для объема жидкости в трубе

(),

позволяют определить работу, затрачиваемую на сжатие жидкости

.

Уравнение энергий, в соответствии с которым кинетическая энергия жидкости переходит в потенциальную энергию деформации трубы и жидкости, приобретает следующий вид:

.

Решая его относительно искомого повышения давления в трубе, получим формулу Жуковского

. (5.5.2)

Следовательно, скорость распространения ударной волны равна

. (5.5.3)

В случае абсолютно жестких стенок трубы (Е = Ґ) скорость распространения ударной волны становится равной скорости распространения звука в однородной среде

.

При неполном закрытии задвижки, когда уменьшение скорости движения жидкости в трубе происходит не до нуля, а до некоторого значения V1№0, возникает неполный гидравлический удар, и формула Жуковского приобретает вид:

. (5.5.4)

Формулы Жуковского справедливы при очень быстром закрытии крана, когда время закрытия tз меньше фазы гидравлического удара t0

При соблюдении этого условия гидравлический удар называют прямым.

В случае, когда tз>t0 возникает непрямой гидравлический удар, при котором ударная волна, отразившись от резервуара, возвращается к крану раньше, чем он будет полностью закрыт. При этом повышение давления в системе Dpу' - меньше, чем при прямом гидравлическом ударе Dpу.

Если предположить, что скорость потока при закрытии крана уменьшается, а давление возрастает по линейному закону от времени, то

.

На основании этого выражения, повышение давления при непрямом гидравлическом ударе определится по формуле

. (5.5.5)

2. Защита от гидроудара

Сила гидроудара зависит от скорости потока воды в трубе до и после перекрытия трубы: чем выше скорость потока, тем сильнее будет удар при его резкой остановке. В свою очередь сама скорость потока зависит от диаметра трубопровода: чем больше диаметр трубы, тем ниже скорость потока воды в ней при одинаковом расходе воды. Таким образом, использование труб большего диаметра ослабляет гидроудар.

Второй способ ослабить силу гидравлического удара - это увеличить время перекрытия трубопровода (или включения насоса). Для постепенного перекрытия трубы можно использовать запорные краны вентильного типа. Для насосов есть комплекты плавного пуска, которые не только позволяют избежать гидроударов при включении, но и продлевают срок службы самого насоса.

Наконец, третий способ защиты от гидроудара - это использование демпферного устройства - мембранного расширительного бака, который будет "гасить" скачки давления.

Размещено на Allbest.ru