4. Технологический расчёт трубопровода. Базисные формулы трения, гидравлический уклон, влияние геометрии на режим течения. Потери на трение, местные сопротивления.

Целью гидравлического расчета является определение потерь напора при перемещении жидкости по трубопроводу. Полные (общие) потери напора складываются из потерь напора на трение и на преодоление разности высот трубопровода

, (4.1) где Н – полные потери напора в трубопроводе, м; h – потери напора на трение, м; z – разность геодезических отметок между концом и началом трубопровода, м.

, (4.2) где z₁ – геодезическая отметка начала трубопровода; z₂ – геодезическая отметка конца трубопровода.

Потери напора на трение представляются двумя составляющими

, (4.3) где h_л – потери напора по длине нефтепровода; h_м – потери напора на местных сопротивлениях.

Потери напора являются функцией скорости движения нефти

, (4.4) , (4.5) где  – коэффициент гидравлического сопротивления; g – ускорение свободного падения, м/с²; l – длина трубопровода, м;  – коэффициент местного сопротивления; – скорость течения нефти, м/с; Q – объемная производительность нефтепровода, м³/с; F – площадь поперечного сечения трубопровода, м².

Для линейной части нефтепровода h_м=(0,010,02)h_л, поэтому ими можно пренебречь или принять . (4.6)

В общем случае, коэффициент гидравлического сопротивления зависит от числа Рейнольдса Re и эквивалентной шероховатости k_э. Эквивалентная шероховатость определяется на основании гидродинамических испытаний. При расчетах нефтепроводов рекомендуется использовать k_э = 0,10,2 мм

. (4.8)

Если Re < 2000 в трубопроводе наблюдается ламинарный режим течения и  является функцией только Re. В этом случае используется формула Стокса . (4.9)

При Re  3000 ламинарный режим переходит в турбулентный. В пристенном слое нефти, однако, сохраняется ламинарный подслой, покрывающий шероховатость труб. С увеличением Re толщина подслоя уменьшается и при Re=Re_I толщина подслоя становится равной е. Таким образом, при 3000  Re  Re_I =f(Re) и эта зона турбулентного режима получила название зоны гидравлически гладких труб . (4.10).  определяется в этой зоне по формуле Блазиуса (зона Блазиуса)

. (4.11)

Далее до Re_II = 500· , имеет место зона смешанного трения, где Re = f(Re, ). В настоящее время в этой зоне  определяется из формулы Альтшуля

. (4.12)

При Re  Re_II влияние числа Рейнольдса становится незначительным и  = f(), трубопровод переходит в квадратичную зону. По формуле Шифринсона

. (4.13)

Реально МН работает в зонах смешанного трения и гидравлически гладких труб (Блазиуса).

Графическая зависимость полных потерь напора в трубопроводе от производительности получила название характеристики Q-H. Аналитически характеристика Q-H описывается уравнением

. (4.16)

где i – гидравлический уклон нефтепровода, представляющий собой потерю напора на трение на единице длины нефтепровода

. (4.31)

Таким образом в горизонтальном газопроводе давление снижается равномерно по длине участка.

Линия показывающая изменение давление по длине нефтепровода получила название линии гидравлических уклонов. Из (4.31) видим, что гидравлический уклон геометрически является тангенсом угла наклона линии гидравлических уклонов по отношению к горизонтальной линии трубопровода.