6.2 Выбор условного диаметра трубопроводов по скорости потока

При проектировании диаметр трубопровода определяют поэтапно: сначала выбирают условный диаметр, затем выполняют монтажно-технологическую схему, гидравлический (или теплогидравлический) и прочностной расчеты. При этом на каждом этапе диаметр уточняют, в отдельных случаях при уменьшении диаметра можно сократить длину трубопровода на 10-40 % путем изменения трассировки, уменьшения числа отводов, П-образных компенсаторов температурного расширения и т.д.

Таблица 6.1 - Рекомендуемые скорости газов и паров в технологических трубопроводах

Транспортируемая среда	Давление (абс.), МПа	Скорость газа и пара, м/с
Пар водяной: сухой насыщенный - диаметр трубопровода до 200 мм свыше 200 мм перегретый - диаметр трубопровода до 200 мм свыше 200 мм отработанный	Независимо	35 60 50 80 10-15
Водород	Независимо	15
Кислород	До 1,6 1,6-4 4-10 10-25	30 16 6 3
Пары углеводородов	5-20 кПа 20-50 кПа 50-100 кПа Свыше 0,1 МПа	60-75 40-60 20-40 10-25
Хладоносители: пропан, пропилен, этан, этилен, аммиак фреоны (Р-12, 22, 30)	до 2,0	10-25 8-18
Другие газы и пары	До 0,3 0,3-0,6 0,6-10 Свыше 10	5-20 10-30 10-35 40

Для выбора условного диаметра часто используют номограммы, связывающие расход потока, его скорость и диаметр трубопровода или расход, скорость, диаметр трубопровода и удельные потери давления потока.

Рекомендуемые скорости потока. Рекомендуемые скорости в технологических трубопроводах для газов и паров приведены в табл. 6.1. Скорость движения смеси газов определяют с учетом объемной доли каждого из компонентов.

Таблица 6.2 - Рекомендуемые скорости газов и паров в технологических трубопроводах.

Среда	Кинематическая вязкость, 106 м2/с	Скорость во всасывающих трубопроводах, м/с	Скорость в наг-нетательных тру-бопроводах, м/с
Жидкие хладоносители (табл. 3.2.), этиленглюколь и растворы солей: диаметр до 200 мм вкл. свыше 200 мм Сжиженные газы Жидкости при температуре кипения и горячая вода прочие жидкости	Независимо -/- -/- -/- До 11 11-28	0,6 1,0 1,2 0,9 1,5 1,3	1,2 2,0 3,0 0,9 2,5 2,0
	28-74 74-128 148-445 445-889 и свыше	1,2 1,0 1,0 0,8	1,5 1,2 1,1 1,0

В трубах из коррозионно-стойких сталей или сплавов алюминия рекомендуется повышенные скорости потока: 50, 30, 16 и 6 м/с соответственно для указанных в табл. 13.5 диапазонов давления; в трубах из меди и ее сплавов - 50 м/с независимо от давления. В местных гидравлических сопротивлениях допускается максимальная скорость 60 м/с. При объемном содержании кислорода в смеси более 23 % скорость принимают как для чистого кислорода.

Таблица 6.3 - Допустимые скорости движения органических жидкостей при их электризации

Жидкости	Удельное объемное электрическое сопротивление , Ом.м	Максимально допустимая скорость в трубопроводе, м/с
Электропроводящие	до 105	10
	105 - 109	5
	Свыше 109	Определяют расчетом

Рекомендуемые скорости движения жидкостей в технологических трубопроводах в зависимости от ее вязкости дана в табл. 6.2.

Скорость движения органических жидкостей в заземленных стальных трубопроводах выбирают с учетом ее ограничения по предельно допустимой плотности электрического заряда, образующегося в движущемся потоке при трении, для того, чтобы исключить возможность возникновения искровых разрядов и воспламенения потока. Допустимую скорость движения жидкости определяют по удельному объемному электрическому сопротивлению (табл. 6.3)

6.1. Гидравлический расчет трубопровода

6.1.1. Теплофизические свойства транспортируемой среды: плотность и вязкость - определяем при рабочей температуре и давлении из табл. 23, 24 и рис. 15, 16.

Плотность любого газа при температуре T и давлении p может быть рассчитана на основании уравнений Клайперона

где  ₀ - плотность газа при нормальных условиях, кг/м³; T - температура газа (273 + t (⁰С)), К; T₀ = 0 ⁰С = 273 К; р₀ = 1,013 · 10⁵ Па.

Плотность водяного пара определяется в зависимости от температуры.

6.1.2. Скорость движения среды в трубопроводе , м/с принимаем с учетом рекомендаций из табл. 26.

6.1.3. Диаметр трубопровода d вычисляем по уравнению расхода в объемных единицах, м

.

 Таблица 6.4 - Рекомендуемые скорости движения потоков в технологических трубопроводах

№ п/п	Транспортируемая среда	Давление (абс.), МПа	Скорость движения, м/с
1	2	3	4
Газы и пары
1	Пар водяной :	Независимо
	сухой насыщенный -
	диаметр трубопровода до 200 мм		35
	диаметр трубопровода свыше 200 мм		60
	перегретый -
	диаметр трубопровода до 200 мм		50
	диаметр трубопровода свыше 200 мм		80
	отработанный		10 - 15
2	Водород	Независимо	15
3	Кислород	До 1,6	30
		1,6 - 4,0	16
		4 - 10	6
		10 - 25	3
4	Пары углеводородов :	5 - 20 кПа
		20 - 50 кПа
		50 - 100 кПа
		Свыше 0,1 Мпа
5	Хладоносители :
	пропан, пропилен, этан, этилен	До 2,0	10 - 25
	аммиак
	фреоны (Р-12, 22, 30)	”	8 - 18
6	Другие газы и пары	До 0,3	5 - 20
		0,3 - 0,6	10 - 30
		0,6 - 10	10 - 35
		Свыше 10	40
Жидкости
7	Жидкие хладоносители, этиленгликоль и растворы солей :
	диаметр трубопровода до 200 мм	Независимо	0,6 - 1,2
	диаметр трубопровода > 200 мм	”	1,0 - 2,0
8	Сжиженные газы	”	1,2 - 3,0
9	Жидкости при температуре кипения и горячая вода	”	0,9
10	Прочие жидкости :	До 11	1,5 - 2,5
		11 - 28	1,3 - 2,0
		28 - 74	1,2 - 1,5
		74 - 148	1,0 - 1,2
		148 - 445	1,0 - 1,1
		445 - 889 и выше	0,8 - 1,0

6.1.4. Характер движения жидкости (или газа) зависит от средней скорости (), диаметра (d) трубы и вязкости () среды. Переход одного вида движения в другой происходит при определенном значении комплекса перечисленных величин - критерия Рейнольдса, вычисляемого по уравнению

6.1.5. Расчет гидравлического сопротивления труб

При движении реальной жидкости (или газа) по трубе или каналу происходит потеря напора, которая складывается из сопротивления трения о стенки и местных сопротивлений, возникающих при изменении направления или скорости потока.

6.1.5.1. Потери давления в прямых трубах круглого сечения для несжимаемой жидкости, Н/м²

где  - коэффициент гидравлического сопротивления трения; L - длина трубы, м; - скорость потока, м/с; d - внутренний диаметр трубы, м.

Для газопроводов большой протяженности применяют более точное уравнение, которое получено из дифференциального уравнения баланса энергии для изотермического движения

Если пренебречь силами инерции и разностью геодезических высот (второе и четвертое слагаемые), то после преобразований получим выражение для расчета

где p_н, p_к - давление в начале и в конце трубопровода, Н/м²; G - расход газа, кг/с; z - коэффициент сжимаемости газа; R - универсальная газовая постоянная (R = 8,31 Дж/(кг·К); T - температура газа, К.

Коэффициент гидравлического сопротивления трения является функцией , где k - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности трубы (табл.6.5). Церлингом Ю.Н. разработан универсальный алгоритм расчета для широкого диапазона изменения Re и (k/d).

 

Таблица 6.5 - Эквивалентная шероховатость труб

№ п/п	Вид и состояние внутренней поверхности труб	Шероховатость k, мм
1	2	3
1	Бесшовные стальные трубы:
1а	новые	0,02 - 0,1
1б	очищенные после многих лет эксплуатации	0,04
1в	газопроводы после одного года эксплуатации	0,12
1г	нефтепроводы для средних условий эксплуатации	0,2
1д	воздухопроводы поршневых и турбокомпрессоров	0,8
1е	водопроводные трубы, находящиеся в эксплуатации	1,2 - 1,5
2	Стальные сварные трубы:
2а	новые	0,04 - 0,1
2б	бывшие в эксплуатации при равномерной коррозии	0,15
2в	магистральные газопроводы после многих лет эксплуатации	0,5 - 1,1
3	Трубопроводы тепловых сетей:
3а	паропроводы	0,2
3б	конденсатопроводы	0,1
3в	водяная теплосеть	0,5
3г	сеть горячего водоснабжения	1,0
4	Чугунные трубы:
4а	новые	0,25 - 1,0
4б	водопроводные, находящиеся в эксплуатации	1,4
4в	бывшие в эксплуатации, корродированные, с отложениями	1,0 - 1,5
4г	сильно корродированные, со значительными отложениями	3,0
5	Алюминиевые технически гладкие трубы	0,015 - 0,06
6	Бетонные трубы :
6а	хорошая поверхность с затиркой	0,3 - 0,8
6б	грубая (шероховатая) поверхность	3,0 - 9,0
7	Нефтепроводы при средних условиях эксплуатации	0,2
8	Чистые цельнотянутые трубы из латуни, меди и свинца; стеклянные трубы	0,0015 - 0,01
9	Полиэтиленовые трубы	0,02 - 0,04
10	Листовая сталь	0,1 - 0,15

В области ламинарного режима течения (Re - 2300) коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывают по формуле Пуазейля

,

в области квадратичного (турбулентного) режима течения при и k 0 - по формуле Прандтля-Никурадзе

В области смешанного режима течения при на основании опытных данных, полученных Г.А. Муриным, выведено уравнение

Влияние сварных стыков на гидравлическое сопротивление трубопровода учитывают введением дополнительного коэффициента трения в виде

где  _ст - коэффициент гидравлического сопротивления сварного стыка, определяемый по уравнению

,

где

где N - число стыков на расчетном участке; - расстояние между стыками, м.

6.1.5.2. Расчет местных гидравлических сопротивлений

В трубопроводных системах технологических и энергетических установок на долю местных гидравлических сопротивлений может приходится до 50 % от общего гидравлического сопротивления системы.

Потери давления в местных гидравлических сопротивлениях p_м при постоянных скорости и плотности потока составляют

где  _i - коэффициент местного гидравлического сопротивления. Ориентировочные значения коэффициентов местных гидравлических сопротивлений приведены в табл. 6.6.

 

Таблица 6.6 - Коэффициенты местных гидравлических сопротивлений

№ п/п	Местное гидравлическое сопротивление	Ориентировочное значение коэффициента
1	2	3
1	Вход в трубу из емкости	0,5
2	Внезапное сужение с диаметра d на диаметр
3	Внезапное расширение с диаметра d на диаметр
4	Диафрагма в прямой трубе диаметром d; d0 - диаметр отверстия в диафрагме: (d/d0) = 0,3	300
	0,4	86
	0,5	30
	0,6	12
	0,8	0,5
5	Диффузор при переходе с диаметра d0 на диаметр d при его длине L и угле расширения ;	0,25
6	Конфузор длиной L и с углом сужения ; d d0	0,1
7	Отводы крутоизогнутые и плавные при угле поворота и радиусом поворота R, в том числе:

6.1.5.3. Гидравлическое сопротивление всасывающего и нагнетающего трубопроводов составит, Па

6.1.5.4. Соответственно потеря напора на всасывающем и нагнетающем трубопроводах, м

Литература к разделу

Трубопроводы и трубопроводная аппаратура

1. Автоматизация проектирования трубопроводных систем химических производств/ В. И. Мукосей, Ю.А. Сокодинский, А. Я. Галицкий и др. М.: Химия, 1986. 104с.

2. Бакланов Н.А. Трубопроводы в химической промышленности. Л: Химия, 1977. 95с.

3. Бережековский М.И. Трубопроводный транспорт химических продуктов. Л.: Химия, 1979. 238с.

4. Гуревич Д.Ф., Заринский О.Н., Щучинский G.X. Эксплуатация приводной арматуры на химических предприятиях: Справочник. Л.: Химия, 1985. 360с.

5. Гуревич Д.Ф. Основы расчета трубопроводной арматуры. М.- Л.: Машгиз, 1962. 410с.

6. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. Л.: Машиностроение, 1969. 887с.

7. Гуревич Д.Ф., Шпаков О.Н., Вишнев Ю.Н. Арматура химических установок. Л.: Химия, 1979. 320с.

8. Кафаров В.В., Меиалкин В.П. Проектирование и расчет оптимальных систем технологических трубопроводов- М.: Химия, 1991. 362с.

9. Классификатор ЕСКД. Класс 49. Арматура трубопроводная: 1.79.100/ Гос. ком. СССР по стандартам. М., 1986. 80с.

10. Лаптев Н.Н. Расчет напорных трубопроводов: Учеб. пособие. Л.: ЛИСИ, 1990. 64с.

11. Мамонтов Г.В., Жуков В.В. Исследование метадлополимерных затворов арматуры: Обзор. информ. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1973. 53с. (ХМ-10. Пром. трубопроводная арматура)

12. Миркин А.3., Усинып В. В. Трубопроводные системы: Расчет и автоматизированное проектирование: Справочник. М.: Химия, 1991. 25бс.

13. Мшсаэль С.Ю., Бенин Л. А. Технология арматуростроения. М.-Л.: Машиностроение, 1966. 339с.

14. Никифоров А.Д., Сейнов С.В., Гошко А.И. Анализ точности и состояние техники измерения в арматуростроении: Обзор, информ. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1973. 53с. (ХМ-10. Пром. трубопроводная арматура)

15. Номенклатурный каталог на освоенные и серийно выпускаемые изделия арматуростроения на 1990-1991 г. г. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1990. 136с.

16. Панкин И.Х; Отечественная и зарубежная регулирующая арматура: Обзор, информ. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1973. 54с. (ХМ-10. Пром. трубопроводная арматура)

17. Рекомендации по расчету и проектированию трубопроводов из термопластов. М.: Стройиздат, 1985. 136с.