Способ определения ресурса металла трубопровода

Изобретение относится к способам оценки ресурса металла труб продуктопроводов в газовой, нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности. Технический результат - повышение точности определения ресурса металла трубопровода. Способ определения ресурса металла трубопровода включает определение основных механических и геометрических параметров стенок трубопровода (временного сопротивления металла разрыву, внутреннего и внешнего диаметров), основных параметров текучей среды (расхода, давления, температуры в начале и конце трубопровода, угла натекания на стенку, загрязненности механическими примесями). Дополнительно определяют величину скорости снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла и рассчитывают величину расхода энергии этих связей от времени по формуле E_τ=b·V_м, где b - скорость снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла; V_м - объем металла в стенке трубопровода. Ресурс металла определяют по формуле , где Е_м - энергия связей между частицами металла в стенке; E_u - энергия напряжения в стенке при действии на нее разности давлений текучей среды и внешней среды; E_τ - расход энергии связей между частицами металла от времени; Е_т - расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды; К - коэффициент загрязненности потока частицами абразивного материала. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Способ относится к методикам оценки ресурса металла труб продуктопроводов газовой, нефтяной, нефтехимической и других отраслей промышленности.

Известен способ определения ресурса металла магистрального трубопровода (патент РФ № 2226681 С1, МПК⁷: G01N 3/00). Способ включает изготовление двух равных групп образцов из металла труб, термическую обработку одной из них, механические испытания образцов обеих групп и определение остаточного ресурса Δτ по расчетной формуле

где τ₁ - время эксплуатации металла труб;

P₁ - среднее давление, которое воздействовало на металл при эксплуатации труб;

P₂ - давление, при котором будут эксплуатироваться трубы;

Y₀ - значение параметров (ε - относительного удлинения, ударной вязкости образцов a_нKCU с круглыми и a_нKCV - с острыми надрезами) механических свойств термически обработанного металла;

Y - значение параметров (ε, a_нKCU, a_нKCV) механических свойств образца металла, не подвергавшегося термообработке;

Y_н - нормативное значение параметров (ε, a_нKCU, a_нKCV) механических свойств металла.

Общими признаками известного и предлагаемого способов являются:

- определение основных механических параметров металла стенки;

- определение ресурса металла по расчетной формуле.

Описанный способ определения ресурса пригоден лишь к металлам труб, которые эксплуатировались достаточно длительное время, например десять и более лет. Однако определение данным способом ресурса металла труб, которые не эксплуатировались или эксплуатировались короткое время, приводит к большим ошибкам. Например, вычисляемая по описанной формуле величина Δτ остаточного ресурса трубопровода тем меньше, чем меньше величина τ₁ времени эксплуатации труб. Это противоречит действительности. Остаточный ресурс металла тем больше, чем меньше его эксплуатировали. Поэтому описанный способ определения ресурса металла не отражает объективную реальность и не является точным.

Более близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ определения ресурса металла трубопровода или корпуса сосуда (патент РФ № 2297618, МПК⁷ G01N 3/00), включающий определение основных механических, геометрических параметров (предела текучести, диаметров внутреннего и внешнего, толщины стенки), основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры на входе и выходе трубопровода или сосуда, угла натекания на стенку, загрязненность механическими примесями) и определение ресурса металла по расчетной формуле

где τ - ресурс металла, год;

V_м - объем металла в стенках трубопровода или корпуса сосуда, м³;

σ - энергия связей между частицами металла, числено равная напряжению металла на разрыв, Н/м² (Дж/м³);

U - напряжение металла стенки под действием избыточного внутреннего давления, Н/м²;

3,1536·10⁷ - количество секунд в году;

K - коэффициент загрязненности потока (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1);

Е - расход энергии, действующей на стенки от перемещения среды, Дж/с;

α - величина угла натекания потока на поверхность стенки трубопровода, градус.

Общими признаками известного и предлагаемого способов являются определение:

- основного механического параметра стенки трубопровода (временного сопротивления металла разрыву);

- основных геометрических параметров стенки трубопровода (диаметров внутреннего и внешнего);

- основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры в начале и конце трубопровода, угла натекания на стенку, загрязненность механическими примесями);

- ресурса металла по расчетной формуле, связывающей эти параметры.

Формула отражает процесс уменьшения энергии σ связей между частицами металла во времени (т.е. его деградацию) и поэтому определение с ее помощью величины τ ресурса металла приемлемо для инженерных расчетов.

Однако этот способ определения ресурса металла имеет недостатки - в нем не учитывается отрицательное влияние на ресурс естественного старения металла (уменьшение его прочности от времени). Игнорирование этих явлений влияет на точность определения ресурса металла и вносит существенные погрешности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности определения ресурса металла трубопровода.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения ресурса металла трубопровода, включающем определение основных механических и геометрических параметров стенок трубопровода (временного сопротивления металла разрыву и диаметров внутреннего и внешнего), основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры в начале и конце трубопровода, угла натекания на стенку, загрязненность механическими примесями) и определение ресурса металла по расчетной формуле, новым является то, что дополнительно определяют величину скорости снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла и рассчитывают величину расхода энергии этих связей от времени по формуле

Е_τ=b·V_м,

где b - скорость снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла, H/(м²·с), Дж/(м³·с);

V_м - объем металла в стенке трубопровода, м³;

а ресурс металла определяют по формуле

,

где Е_м - энергия связей между частицами металла в стенке, Дж;

E_u - энергия напряжения в стенке при действии на нее разности давлений текучей среды и внешней среды, Дж;

Е_τ - расход энергии связей между частицами металла от времени, Дж/с;

Е_т - расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды, Дж/с;

К - коэффициент загрязненности потока частицами абразивного материала, учитываемой величиной коэффициента (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1);

3,1536·10⁷ - количество секунд в году.

Кроме того, величину b скорости снижения межкристаллитных связей между частицами металла определяют опытным путем, и она для следующих марок сталей найдена в пределах:

- 09Г2С - от 0,084 до 0,3 H/(м²·с), Дж/(м³·с);

- 14ХГС - от 0,028 до 1,0 H/(м²·с), Дж/(м³·с);

- 17ГС - от 0,055 до 0,3 H/(м²·с), Дж/(м³·с);

- Ст.4 - от 0,012 до 0,07 H/(м²·с), Дж/(м³·с).

Кроме того, величину расхода Е_т энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, определяют по формуле

где δ - средняя шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;

D_в - внутренний диаметр трубопровода, м;

S - длина трубопровода, м;

П - периметр внутреннего поперечного сечения трубопровода, м;

α - угол натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода, градус;

k - показатель адиабаты газа;

R_const=8,314 Дж/(моль·К) - молярная газовая постоянная;

G - массовый расход газообразной среды, кг/с;

T₁ - исходная температура газообразной среды, К;

m - молярная масса газа, кг/моль;

P₁ - исходное давление газообразной среды, Па;

P₂ - давление газообразной среды в конце расчетного участка трубопровода, Па;

С_р - изобарная теплоемкость газа, Дж/(кг·К);

- интегральный эффект Джоуля-Томпсона, град/Па.

Кроме того, величину расхода Е_т энергии текучей жидкостной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла трубопровода, определяют по формуле

где δ - средняя шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;

D_в - внутренний диаметр трубопровода, м;

S - длина трубопровода, м;

П - периметр внутреннего поперечного сечения трубопровода, м;

α - угол натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода, градус;

L - массовый расход жидкостной среды, кг/с;

P₁ - исходное давление среды, Па;

P₂ - давление в конце расчетного участка трубопровода, Па;

ρ_L - плотность жидкости, кг/м³.

Технический прием, заключающийся в дополнительном определении величины скорости b Н/(м²·с), Дж/(м³·с) снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла, позволяет выявить объективную закономерность деградации металла от времени, учет которой в конечном итоге повышает точность определения его ресурса.

Расчет величины расхода энергии связей энергии межкристаллитных связей между частицами металла от времени по формуле

E_τ=b·V_м

позволяет установить величину расхода E_τ этой энергии в зависимости от скорости b Н/(м²·с), Дж/(м³·с) снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла и объема металла V_м в стенке трубопровода, м³. Величина расхода Е_τ прямо пропорционально зависит от скорости b снижения энергии связей между частицами металла и от объема металла V_м в стенке трубопровода, что выражается в формуле произведением этих величин. Учитываемые параметры являются физическими величинами, которые имеют соответствующие размерности. Объективная закономерность, выраженная взаимосвязью этих параметров в формуле, приводит к определению величины расхода уменьшения энергии между частицами металла от времени в Дж/с.

Расчет величины расхода Е_τ энергии межкристаллитных связей между частицами металла от времени позволяет учесть ослабление прочности металла от срока его службы и тем самым повысить точность определения ресурса металла.

Формула

является выражением ресурса τ металла стенок трубопровода. Она отражает во времени процесс ослабления энергии Е_м межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода в зависимости от:

- энергии E_u напряжения в стенке при действии на нее разности давлений текучей среды и внешней среды;

- расхода энергии E_τ межкристаллитных связей между частицами металла стенки трубопровода от времени, Дж/с;

- расхода энергии Е_т, действующей на металл стенки от перемещения текучей среды, Дж/с;

- загрязненности потока частицами абразивного материала, учитываемой величиной коэффициента K (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1).

Величина энергии Е_м (Дж) межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода рассчитывается по известной формуле (см. Бабицкий И.Ф., Вихман Г.Л., Вольфсон С.И. Расчет и конструирование аппаратуры нефтегазоперерабатывающих заводов - М.: Недра - 1965 - с.136-139)

E_м=σ·V_м,

где σ - временное сопротивление материала (металла) разрыву, Н/м² (Дж/м³);

V_м - объем металла в стенке трубопровода, м³.

Энергия E_u напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей среды и внешней среды уменьшает энергию Е_м межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода, что выражается разностью величин Е_м и E_u в числителе. Величина энергии E_u (Дж) напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей среды и внешней среды рассчитывается по модифицированной формуле из методики расчета тонкостенных цилиндров, работающих под внутренним давлением (см. Бабицкий И.Ф., Вихман Г.Л., Вольфсон С.И. Расчет и конструирование аппаратуры нефтегазоперерабатывающих заводов - М.: Недра - 1965 - с.136-139)

,

где P₁ - давление текучей среды в начале трубопровода, Па (Дж/м³);

P₀ - давление окружающей среды, Па (Дж/м³);

D_н - наружный диаметр трубопровода, м;

D_в - внутренний диаметр трубопровода, м;

V_м - объем металла в стенке трубопровода, м³.

Расходы энергии Е_τ (Дж/с), идущей на уменьшение межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода от времени, и энергии E_Т (Дж/с) перемещения текучей среды, действующей на металл стенки, влияют на его деградацию и в конечном итоге на его разрушение. Это влияние выражается суммой величин Е_τ и E_т в знаменателе.

На снижение энергии связей между частицами металла влияет загрязненность потока транспортируемой среды частицами абразивного материала. Эта загрязненность учитывается величиной коэффициента K (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1).

Учитываемые параметры (кроме коэффициента K) являются физическими величинами, которые имеют соответствующие размерности. Объективная закономерность, выраженная взаимосвязью этих параметров в формуле, приводит к определению времени ресурса τ металла в секундах. В связи с тем что год содержит 3,1536·10⁷ секунд, эта величина находится в знаменателе, и определяемая величина ресурса металла по данной формуле обозначается в годах.

Указанная формула объективно отражает процесс уменьшения энергии Е_м межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода (т.е. его деградацию) и поэтому при определении по ней ресурса τ металла достигается повышенная точность расчетов, которая достаточна для принятия инженерных решений.

Технический прием, заключающийся в том, что величину b скорости снижения межкристаллитных связей между частицами металла определяют опытным путем, позволяет найти эту величину для различных марок (сортов) металла трубопроводов, эксплуатирующихся в различных условиях: климатических (тропики, приполярье, заполярье и т.д.), горных, пустынных, болотистых, морских, надземных, подземных и пр., что в конечном итоге позволяет более точно определять ресурс металла трубопровода.

Величину b скорости снижения межкристаллитных связей между частицами металла для следующих марок сталей определяют опытным путем, и она для следующих марок сталей найдена в пределах:

для марки стали 09Г2С - от 0,084 до 0,3 H/(м²·с), Дж/(м³·с);

для марки стали 14ХГС - от 0,028 до 1,0 H/(м²·с), Дж/(м³·с);

для марки стали 17ГС - от 0,055 до 0,3 H/(м²·с), Дж/(м³·с);

для марки стали Ст.4 - от 0,012 до 0,07 H/(м²·с), Дж/(м³·с),

где максимальные величины определены для сталей, эксплуатирующихся в тяжелых условиях (в местностях с большими сезонными перепадами температур, часто меняющихся давлении и температуры текучей среды и пр.).

Определение величины расхода Е_т (Дж/с) энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, по формуле

позволяет рассчитать эту величину в зависимости:

во-первых, от физических газовых постоянных, характеризующих тип газа:

- показателя адиабаты газа k;

- молярной газовой постоянной R_const=8,314 Дж/(моль·К);

- молярной массы газа m, кг/моль;

- интегрального эффекта Джоуля-Томпсона , град/Па;

- изобарной теплоемкости газа С_р, Дж/(кг·К);

во-вторых, от параметров газообразной среды:

- массового расхода газообразной среды G, кг/с;

- исходной температуры газообразной среды T₁, К;

- исходного давления газообразной среды Р₁, Па;

- давления P₂ газообразной среды в конце расчетного участка трубопровода, Па;

- угла α натекания потока на поверхность стенки трубопровода, градус.

в-третьих, от геометрических параметров трубопровода:

- средней шероховатости δ поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;

- периметра П внутреннего поперечного сечения трубопровода, м;

- длины S трубопровода, м;

- внутреннего диаметра D_в трубопровода, м.

Шероховатость стенки трубопровода δ, его длина S, диаметр D_в, a следовательно, и периметр П поперечного сечения противодействуют движению потока транспортируемой среды и энергия последнего расходуется на преодоление их сопротивления. В величине шероховатости δ учитываются также все неровности трубопровода, например, такие как сварные швы, стыки и пр.

Расход энергии Е_т текучей среды, идущей на уменьшение энергии Е_м межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода, зависит от угла α натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода. При α=90° влияние расхода энергии Е_т максимально, а при α=0 ее действие от натекания потока на стенку стремится к нулю. Т.е. с уменьшением величины угла натекания потока соответственно снижается и влияние расхода энергии Е_т на уменьшение энергии Е_м связей между частицами металла. Однако необходимо отметить то, что угол натекания α присутствует даже в потоке среды, движущейся параллельно поверхности трубы, т.к. всегда имеются: некоторая волнообразность поверхности, конусности прямая и обратная, а также прочие несовершенства труб, зависящие от их изготовления. Величину угла α натекания потока 1 на стенку 2 (фиг.1) определяют по формуле (см. Математика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. Ю.В.Прохоров - М.: Большая Российская энциклопедия - 2000 - с.301)

,

где l - длина дуги (м) между двумя ближайшими точками 3 и 4 соприкосновения касательных 5 и 6 с кривой поверхностью стенки 2;

r - радиус дуги, м.

Выражение суммы в первых круглых скобках отражает влияние геометрических параметров трубопровода и угла натекания потока на величину Е_т.

Кроме того, величина расхода Е_т энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии Е_м связей металла в стенке трубопровода, зависит от физических свойств газа. Эти свойства учитываются взаимосвязью, выраженной отношением произведения показателя адиабаты k и универсальной газовой постоянной R_const к произведению молекулярной массы m газа и разности показателя адиабаты k и 1. Чем больше молярная масса m и величина показателя адиабаты k газа, тем больше расход энергии для его перемещения и выше величина расхода Е_т.

Также величина расхода Е_т энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии Е_м связей металла в стенке трубопровода, зависит от массового расхода G среды. Чем больше расход, тем больше нагрузка на стенки трубопровода, и зависимость между величинами Е_т и G прямо пропорциональная.

Еще величина расхода Е_т энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии Е_м связей металла в стенке трубопровода, зависит от исходной температуры газообразной среды Т₁. С повышением температуры потока газообразной среды, согласно закону Менделеева-Клапейрона, объем среды, а следовательно, ее объемный расход и скорость возрастают, что негативно действует на металл стенок трубопровода. Чем выше температура, тем больше нагрузка на стенки трубопровода, и зависимость между величинами Е_т и T₁ прямо пропорциональная.

Алгебраическое выражение в квадратных скобках учитывает влияние потерь давления газообразной среды на всем расчетном участке трубопровода, идущее на уменьшение энергии связей между частицами металла.

Величина вычитаемого второго произведения в фигурных скобках является энергией, которая диссипируется за счет интегрального эффекта Джоуля-Томпсона и не участвует в действии на металл стенок трубопровода.

Учитываемые параметры, кроме показателя адиабаты k, являются физическими величинами, которые имеют соответствующие размерности. Объективная закономерность, выраженная взаимосвязью этих параметров в формуле, приводит к определению величины расхода Е_т энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, в Дж/с.

Определение величины расхода Е_т энергии текучей жидкостной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, по формуле

позволяет рассчитать эту величину в зависимости от геометрических параметров трубопровода и параметров жидкостной текучей среды, а именно от

- средней шероховатости δ поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;

- периметра П поперечного сечения расчетного участка трубопровода, м;

- длины S трубопровода, м;

- внутреннего диаметра D_в трубопровода, м;

- угла α натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода, градус;

- массового расхода L жидкостной среды, кг/с;

- исходного давления Р₁ жидкостной среды, Па;

- давления Р₂ в конце расчетного участка трубопровода, Па;

- плотности ρ_L жидкостной среды, кг/м³.

Как уже указывалось выше, расход Е_т энергии текучей среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, зависит от геометрических параметров трубопровода δ, П, S, D_в. Кроме того, величина расхода энергии Е_т при α=90° максимальна, а при α=0 ее действие от натекания потока на стенку стремится к нулю. Сумма величин отношения и Sin α объективно отражает их влияние на величину Е_т.

Отношение произведения массового расхода жидкостной среды L на разность исходного давления Р₁ и давления Р₂ в конце расчетного участка трубопровода к плотности ρ_L жидкостной среды является полной энергией, которая затрачивается на перемещение этой среды по расчетному участку трубопровода. Произведение первой скобки на вторую является величиной расхода Е_т энергии жидкостной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода.

Все учитываемые в рассматриваемой формуле параметры являются физическими величинами, которые имеют соответствующие размерности. Объективная закономерность, выраженная взаимосвязью этих параметров в формуле, приводит к определению величины расхода Е_т энергии жидкостной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, в Дж/с.

Авторам не известны способы определения ресурса металла трубопроводов или корпусов сосудов и аппаратов, в которых увеличение точности достигалось бы указанным выше способом.

Практическая реализация предлагаемого способа определения ресурса металла трубопровода представлена примерами для элементов трубопроводов, транспортирующих газ или нефть.

ПРИМЕР 1

Предлагаемый способ определения ресурса металла прямого участка газопровода осуществляется следующим образом.

Определяют основные механические и геометрические параметры газопровода:

- марку стали - 09Г2С;

- временное сопротивление материала (металла) разрыву σ=5·10⁸ Н/м² (Дж/м³);

- наружный диаметр трубопровода D_н=0,529 м;

- внутренний диаметр трубопровода D_в=0,513 м;

- длина трубопровода S=2850 м;

- объем металла в стенке трубопровода V_м=37,2994 м³;

- среднюю шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, δ=0,0005 м.

Определяют основные параметры транспортируемого газа (природного):

- давление в начале трубопровода P₁=3,6·10⁶ Па (Дж/м³);

- давление окружающей среды Р₀=1,02·10⁵ Па (Дж/м³)

- расход газа G=1800 кг/с;

- молекулярную массу газа М=0,019,87 кг/моль;

- молярную газовую постоянную R_const=8,314 Дж/(моль·К);

- показатель адиабаты газа k=1,29;

- изобарную теплоемкость газа С_р=2215 Дж/(кг·К);

- температуру газа в начале трубопровода T₁=288 К;

- плотность газа при рабочих условиях ρ_G=29,9 кг/м³;

- скорость движения газа W_G=29,2 м/с;

- динамическую вязкость газа µ=1·10^-5 Н·с/м²;

- интегральный эффект Джоуля-Томпсона =3,5·10^-6 град/Па;

- загрязненность газа абразивным материалом, при концентрации 20 мг/м³ газа К=1,18;

- величину угла α=1·10^-3 град натекания потока на поверхность стенки.

Дополнительно определяют:

- скорость снижения энергии связей между частицами металла от времени b=0,15 H/(м²·с), [Дж/(м³·с],

Рассчитывают:

- энергию межкристаллитных связей между частицами металла

E_м=σ·V_м=1,86·10¹⁰Дж

- энергию напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей и внешней сред

- расход энергии, идущей на уменьшение межкристаллитных связей в металле стенки от времени

E_τ=b·V_м=5,595 Дж/с;

- скорость движения транспортируемой газообразной среды

- число Рейнольдса

- коэффициент сопротивления (для участков более 100 м)

- коэффициент гидравлического сопротивления

- давление в конце расчетного участка трубопровода

- расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды

- ресурс металла

ПРИМЕР 2

Предлагаемый способ определения ресурса металла для поворота газопровода (фиг.2) осуществляется следующим образом.

Определяют основные механические и геометрические параметры газопровода:

- марку стали - 09Г2С;

- временное сопротивление материала (металла) разрыву σ=5·10⁸ Н/м² (Дж/м³);

- наружный диаметр трубопровода D_н=0,529 м;

- внутренний диаметр трубопровода D_в=0,513 м;

- длина поворотного участка S=9,42 м;

- радиус поворота r=3 м.

- длина дуги l=0,25 м между двумя ближайшими точками 3 и 4 (фиг.1) соприкосновения касательных 5 и 6 с кривой поверхностью стенки;

- угол поворота β=90° (фиг.2);

- объем металла в стенке трубопровода V_м=0,123 м³;

- среднюю шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой δ=0,0005 м.

Определяют основные параметры транспортируемого газа (природного):

- давление в начале трубопровода P₁=3,6·10⁶ Па (Дж/м³);

- давление окружающей среды P₀=1,02·10⁵ Па (Дж/м³)

- расход газа G=1800 кг/с;

- молекулярную массу газа М=0,019,87 кг/моль;

- молярную газовую постоянную R_const=8,314 Дж/(моль·К);

- показатель адиабаты газа k=1,29;

- изобарную теплоемкость газа С_р=2215 Дж/(кг·К);

- температуру газа в начале трубопровода T₁=288 К;

- плотность газа при рабочих условиях ρ_G=29,9 кг/м³;

- скорость движения газа W_G=29,2 м/с;

- динамическую вязкость газа µ=1·10^-5 Н·с/м²;

- интегральный эффект Джоуля-Томпсона =3,5·10^-6 град/Па;

- загрязненность газа абразивным материалом, при концентрации 20 мг/м³ газа K=1,18;

- величину угла α=1·10³ град натекания потока на поверхность стенки.

Дополнительно определяют:

- скорость снижения энергии межкристаллитных связей металла от времени b=0,15 Н/(м²·с), [Дж/(м³·с].

Рассчитывают:

- энергию связей между частицами металла

Е_м=σ·V_м=6,16·10⁷ Дж

- энергию напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей среды и внешней среды

- расход энергии, идущей на уменьшение межкристаллитных связей в металле стенки от времени

Е_τ=b·V_м=0,0185 Дж/с;

- скорость движения транспортируемой газообразной среды

- число Рейнольдса

- коэффициент сопротивления

- коэффициент гидравлического сопротивления

- давление в конце участка

- угол натекания

- расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды

- ресурс металла

ПРИМЕР 3

Предлагаемый способ определения ресурса металла прямого участка нефтепровода осуществляется следующим образом.

Определяют основные механические и геометрические параметры нефтепровода:

- марку стали - 09Г2С;

- временное сопротивление материала (металла) разрыву σ=5·10⁸ Н/м² (Дж/м³);

- наружный диаметр трубопровода D_н=0,529 м;

- внутренний диаметр трубопровода D_в=0,513 м;

- длина трубопровода S=2850 м;

- объем металла в стенке трубопровода V_м=37,2994 м³;

- средняя шероховатость поверхности труб δ=0,0005 м.

Определяют основные параметры транспортируемой нефти:

- давление в начале трубопровода P₁=3,6·10⁶ Па (Дж/м³);

- давление окружающей среды P₀=1,02·10⁵ Па (Дж/м³);

- расход L=350 кг/с;

- теплоемкость C_L=2350 Дж/(кг·К);

- температуру в начале трубопровода T₁=300 К;

- плотность ρ_L=750 кг/м³;

- скорость движения W_L=2,26 м/с;

- динамическая вязкость µ_L=2,51·10^-3 Н·с/м²;

- загрязненность абразивным материалом К=1,2;

- величину угла α=1·10^-3 град натекания потока на поверхность стенки. Дополнительно определяют:

- скорость снижения энергии связей между частицами металла от времени b=0,15 [Дж/(м³·с], H/(м²·с).

Рассчитывают:

- энергию связей между частицами металла

Е_м=σ·V_м=1,86·10¹⁰ Дж

- энергию напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей среды и внешней среды;

- расход энергии, идущей на уменьшение межкристаллитных связей в металле стенки от времени

Е_τ=b·V_м=5,595 Дж/с

- число Рейнольдса

- коэффициент сопротивления

- давление в конце участка

- расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды

- ресурс металла

ПРИМЕР 4

Предлагаемый способ определения ресурса металла для поворота нефтепровода (фиг.2) осуществляется следующим образом.

Определяют основные механические и геометрические параметры нефтепровода:

- марку стали - 09Г2С;

- временное сопротивление материала (металла) разрыву σ=5·10⁸ Н/м² (Дж/м³);

- наружный диаметр трубопровода D_н=0,529 м;

- внутренний диаметр трубопровода D_в=0,513 м;

- длина поворотного участка S=9,42 м;

- радиус поворота r=3 м;

- длина дуги l=0,25 м между двумя ближайшими точками 3 и 4 (фиг.1) соприкосновения касательных 5 и 6 с кривой поверхностью стенки;

- угол поворота β=90° (фиг.2);

- объем металла в стенке трубопровода V_м=0,123 м³;

- среднюю шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой δ=0,0005 м.

Определяют основные параметры транспортируемой нефти:

- давление в начале трубопровода P₁=3,6·10⁶ Па (Дж/м³);

- давление окружающей среды P₀=1,02·10⁵ Па (Дж/м³);

- расход L=350 кг/с;

- теплоемкость C_L=2350 Дж/(кг·К);

- температуру в начале трубопровода Т₁=300 К;

- плотность ρ_L=750 кг/м³;

- скорость движения W_L=2,26 м/с;

- динамическая вязкость µ_L=2,51·10^-3 Н·с/м²;

- загрязненность абразивным материалом К=1,2;

Дополнительно определяют:

- скорость снижения энергии связей между частицами металла от времени b=0,15 H/(м²·с) [Дж/(м³·с].

Рассчитывают:

- энергию связей между частицами металла

Е_м=σ·V_м=6,16·10⁷ Дж

- энергию напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей среды и внешней среды;

- расход энергии, идущей на уменьшение межкристаллитных связей в металле стенки от времени

Е_τ=b·V_м=0,0185 Дж/с

- число Рейнольдса

- коэффициент сопротивления

- коэффициент гидравлического сопротивления

- давление в конце участка

- угол натекания

- расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды

- ресурс металла

1. Способ определения ресурса металла трубопровода, включающий определение основных механических и геометрических параметров стенок трубопровода (временного сопротивления металла разрыву и диаметров внутреннего и внешнего), основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры в начале и конце трубопровода, угла натекания на стенку, загрязненности механическими примесями) и определение ресурса металла по расчетной формуле, отличающийся тем, что дополнительно определяют величину скорости снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла и рассчитывают величину расхода энергии этих связей от времени по формуле
E_τ=b·V_м,
где b - скорость снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла, Н/(м²·с), Дж/(м³·с),
V_м - объем металла в стенке трубопровода, м³;
а ресурс металла определяют по формуле
,
где Е_м - энергия связей между частицами металла в стенке, Дж;
E_u - энергия напряжения в стенке при действии на нее разности давлений текучей среды и внешней среды, Дж;
E_τ - расход энергии связей между частицами металла от времени, Дж/с;
E_т - расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды, Дж/с;
К - коэффициент загрязненности потока частицами абразивного материала, учитываемой величиной коэффициента (чистый поток К=1; загрязненный поток К>1);
3,1536·10⁷ - количество секунд в году.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину b скорости снижения межкристаллитных связей между частицами металла определяют опытным путем, и она для следующих марок сталей найдена в пределах:
- 09Г2С - от 0,084 до 0,3 Н/(м²·с), Дж/(м³·с);
- 14ХГС - от 0,028 до 1,0 H/(м²·с), Дж/(м³·с);
- 17ГС - от 0,055 до 0,3 H/(м²·с), Дж/(м³·с);
- Ст.4 - от 0,012 до 0,07 Н/(м²·с), Дж/(м³·с).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину расхода Е_т энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, определяют по формуле
,
где δ - средняя шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;
D_в - внутренний диаметр трубопровода, м;
S - длина трубопровода, м;
П - периметр внутреннего поперечного сечения трубопровода, м;
α - угол натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода, градус;
k - показатель адиабаты газа;
R_const=8,314 Дж/(моль·К) - молярная газовая постоянная;
G - массовый расход газообразной среды, кг/с;
T₁ - исходная температура газообразной среды, К;
m - молярная масса газа, кг/моль;
Р₁ - исходное давление газообразной среды, Па;
Р₂ - давление газообразной среды в конце расчетного участка трубопровода, Па;
С_р - изобарная теплоемкость газа, Дж/(кг·К);
- интегральный эффект Джоуля-Томпсона, град/Па.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину расхода Е_т энергии текучей жидкостной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла трубопровода, определяют по формуле
,
δ - средняя шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;
D_в - внутренний диаметр трубопровода, м;
S - длина трубопровода, м;
П - периметр внутреннего поперечного сечения трубопровода, м;
α - угол натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода, градус;
L - массовый расход жидкостной среды, кг/с;
P₁ - исходное давление среды, Па;
P₂ - давление в конце расчетного участка трубопровода, Па;
ρ_L - плотность жидкости, кг/м³.