Проектирование автоматической системы нижнего герметичного налива автоцистерн

2. Расчётная часть

 

2.1 Механический  расчёт

     Механический  расчет технологических трубопроводов  нефтебаз производится на температурные  напряжения и на напряжения от изгиба в холодную, когда труба изгибается под собственным весом без  нагрева.

     В редких случаях производится расчет трубопроводов нефтебаз на внутреннее давление, т.к. трубы изготавливаются  на довольно высокие давления, которых  в нефтебазовых трубопроводах практически  не бывает.

Толщина стенки технологических трубопроводов  нефтебаз определяется по формуле:

                                                            (1)

где    n - коэффициент перегрузки по внутреннему давлению;

     Р - внутреннее рабочее давление в трубопроводе, МПа;

     R₁ - первое расчетное сопротивление материала труб, МПа;

     Dн - наружный диаметр, м.

     Первое  расчетное сопротивление материала R₁ определяется по следующей формуле:

                                                             (2)

где  R₁^н   первое нормативное сопротивление, соответствующее пределу прочности материала труб, МПа (для стали 17ГС=520 МПа);

m - коэффициент  условия работы трубопроводов и т.к. все технологические трубопроводы нефтебазы относятся к высшей категории, то m = 0,6;

K₁ - коэффициент безопасности по материалу труб /для нефтебазовых трубопроводов обычно K₁= 1,34/;

     K_н - коэффициент надежности, зависящий от диаметра труб /для труб диаметром d_y<1200 мм K=1/.

     Обычно  толщина стенки, полученная, значительно  меньше минимальной толщины труб данного диаметра, выпускаемых заводами-изготовителями. Поэтому расчет трубопровода на прочность  обычно не производится, диаметр трубопровода определяется из гидравлического расчета, а толщина стенки принимается  минимальной для данного диаметра.

     Принимаем толщину стенки для данного диаметра:

     Температурные напряжения, возникающие в стенках  трубы, определяются по формуле:

                                                            (3)

где    - коэффициент линейного расширения;

     E - модуль упругости, Н/м²;

 - максимальная или минимальная  рабочая температура стенок трубы  в процессе эксплуатации;

      - температура фиксации расчетной  схемы трубопровода /температура  укладки/.

     Необходимым условием для возникновения температурных  напряжений является жесткая заделка  трубопровода. При t_э>t_ф в стенках возникают сжимающие напряжения, а когда t_э<t_ф - растягивающие. При подземной укладке трубопровода в нем возникают силы трения грунта о поверхность трубы, которые будут противодействовать растяжению или сжатию трубы от действия температурных напряжений.

     Сила  трения, приходящаяся на единицу длины  трубопровода, будет равна:

                                                        (4)

где  - наружный диаметр трубопровода, м;

     f - коэффициент трения наружной  стенки трубы о грунт, для  изолированного трубопровода 0,15-0,6;

       - удельная нагрузка на трубу  от веса грунта, Н /м  .

     Сила  трения противодействует осевой силе, возникающей от действия температурного напряжения, и при определенной длине  трубы осевая сила полностью уравновешивается силой трения. Искомая длина определится  из условия:

                                                                   (5)

где F_о - площадь сечения металла трубы. Отсюда:

                                (6)

     Т.к. фактическая длина трубопровода (164 м) больше полученной длины, то никаких напряжений в нем возникать не будет.

     При рассмотрении напряженного состояния  подземного трубопровода необходимо знать  его возможное удлинение. Ввиду  того, что часть осевой силы подземных  трубопроводов компенсируется силой  трения, то при одинаковых колебаниях температуры они удлиняются по-разному.

     Усилие  от сил трения на участке трубопровода dx будет равно Т×dx. Напряжение, возникающее в трубе от действия сил трения, будет равно . Это напряжение можно выразить через закон Гука:

                                                                      (7)

где  - бесконечно малое относительное удлинение подземного трубопровода на участке dx.

                                                                  (8)

где - абсолютное удлинение трубопровода. На основании формул имеем:

                                                              (9)

     Разделяя  переменные и интегрируя, найдем абсолютное удлинение подземного трубопровода:

                                    (10)

     Т.е. при одинаковых температурных условиях подземный трубопровод укорачивается  или удлиняется в два раза меньше по сравнению с наземным. Отсюда можно сделать вывод, что в подземных трубопроводах надо компенсировать начальные или концевые его участки.

     2.2 Гидравлический расчёт

       Гидравлический расчет трубопровода, соединяющего АСН-8НГ с резервуаром для хранения нефтепродукта (самый дальний резервуар для хранения светлых нефтепродуктов) 

     Кинематическая  вязкость не больше v₂₀ = 0,6۰10^-6 м²/с;

     Длина всасывающей линии: L_вc = 25 м;

     Наружный  диаметр всасывающего трубопровода D_вc = 0,3 м;

     Толщина стенки трубопровода δ = 0,004 м;

     Геодезическая отметка АСН z_э=248 м;

     Геодезическая отметка насосной станции z_нс=249 м;

     Эквивалентная шероховатость труб k_э=0,05 мм. 

     Таблица 8 - Местные сопротивления на всасывающей линии

Тип местного сопротивления	Количество		ξвс
Шаровый кран	2		0,25
Задвижка	4		0,05
Выход из резервуара через хлопушку		1	0,9
Тройник с поворотом		1	2
Тройник без поворота		1	0,1

 

     Длина нагнетательной линии L_наг = 130 м;

     Наружный  диаметр нагнетательного трубопровода D_наг = 0,3 м;

     Толщина стенки трубопровода δ = 0,004 м;

     Геодезическая отметка резервуара z_рез = 250 м;

     Высота  взлива резервуара h_взл=12,75 м. 

     Таблица 9 - Местные сопротивления на нагнетательной линии

Тип местного сопротивления	Количество	ξнаг
Тройник без поворота	3	0,1
Поворот	4	0,5
Обратный  клапан	3	2,5
Фильтр	1	1,7
Газоотделитель	1	1,2
Расходомер	1	0,3
Электроуправляемый  клапан	1	0,7
Тройник с поворотом	2	2
Сопротивление выхода	1	0,8

 

       Па – атмосферное давление;

       Па – давление насыщенных  паров НП при 22,9 °С определяется по графику. 

Внутренний  диаметр трубопровода 

                                        (11) 

Скорость  движения потока 

                                        ₍₁₂₎ 

Число Рейнольдса для потока нефтепродукта в трубопроводе 

                                        ₍₁₃₎ 

Критическое значение числа Рейнольдса 

                                                     (14)

     

     

 

     Так как R_eкрI < Re < R_eкрII, режим турбулентный, т.е. поток нефтепродукта находится в зоне смешанного трения, для которой коэффициент гидравлического сопротивления вычисляется по формуле Альтшуля:

  ₍₁₅₎ 

Потери напора по длине трубопровода 

                                  ₍₁₆₎ 

Потери  напора на местные сопротивления 

                  ₍₁₇₎                 

Потеря  напора на преодоление сил тяжести 

                                            ₍₁₈₎ 

Полная  потеря напора на всасывающей линии 

     H_вс = h_τ.вс + h_м.вс + Δz = 1,5+5,1 + 1 = 7,6 м                    (19) 

Проверка  всасывающего трубопровода на холодное кипение паров.

     Условие, которое должно выполняться, чтобы не произошло срыва потока 

                                          (20)

     

 

Гидравлический  расчет нагнетательной линии

     Внутренний  диаметр трубопровода 

                            (21) 

     Скорость  движения потока 

                                  ₍₂₂₎ 

     Число Рейнольдса для потока нефтепродукта  в трубопроводе 

                                         ₍₂₃₎ 

     Критическое значение числа Рейнольдса

                           (24)

     Так как Re_крI < Re < Re_крII, режим турбулентный, т.е. поток нефтепродукта находится в зоне смешанного трения, для которой коэффициент гидравлического сопротивления вычисляется по формуле 

                        ₍₂₅₎