5.6.1 Общие сведения о неустановившихся процессах и причинах их возникновения

Под нестационарными (неустановившимися) процессами в МН подразумеваются процессы, в которых характеристики потока жидкости изменяются не только от сечения к сечению, но и в каждом сечении в зависимости от времени. Изменяются давление, скорость и расход жидкости и др. (например – температура потока), т.е. эти параметры являются функциями не только от координаты сечения, но и от времени ,,.

Неустановившиеся режимы течения жидкости связаны с различными технологическими операциями, осуществляемыми при перекачке. Пуск и остановка трубопровода, включение или отключение дополнительного агрегата на головной или промежуточной НПС, полное или частичное открытие задвижки, переключение резервуаров, начало или прекращение сброса или подкачки нефти, разрыв трубопровода и т. д. – все это приводит к тому, что в трубопроводе начинаются изменения. Такие изменения в виде волн давления и расхода жидкости распространяются вверх и вниз по потоку от места, где они генерированы. Возникшие изменения продолжаются в трубопроводе, как правило, до установления нового режима транспортирования, поэтому неустановившиеся процессы называют еще переходными режимами.

Плотности транспортируемых жидкостей достаточно высоки, их скорости движения также не малы, поэтому поток жидкости в трубопроводе имеет вполне ощутимую инерцию, учетом которой нельзя пренебрегать при совершении той или иной технологической операции. Значительные перегрузки по давлению (гидравлический удар) возникают в трубопроводе при внезапном торможении потока жидкости. Впервые явление гидравлического удара теоретически и экспериментально исследовал Н. Е. Жуковский применительно к водопроводным сетям.

Пусть имеется система, состоящая из резервуара и трубопровода, в котором поддерживается избыточное давление p₀ [2, 10]. В конце трубопровода, по которому со скоростью w₀ двигалась жидкость, произведено мгновенное закрытие крана (рис. 5.22а). Резкое изменение скорости w=w–w₀ приводит к тому, что из-за инерции слои жидкости, идущие сзади тормозятся и сдавливают слои прилегающие к крану, а их кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию давления p_уд. Величина p_уд называется ударным давлением, а переходная область, в которой давление изменяется на величину p_уд – ударной волной.

Рис. 5.22. Схема возникновения волны давления

Всё новые и новые слои нефти будут набегать на уже заторможенные (рис. 5.22а), в результате длина растянутой части трубы l будет увеличиваться в сторону обратную течению (сечение n-n перемещается вправо со скоростью с, называемой скоростью распространения ударной волны).

В некоторый момент времени ударная волна достигнет резервуара. При этом жидкость окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки всего трубопровода – растянутыми (рис. 5.22б). Поскольку жидкость в резервуаре практически неподвижна, дальнейшее распространение ударной волны вправо прекращается. Более того, под действием перепада давления p_уд частицы жидкости устремятся из трубы обратно в резервуар. Это движение начнется с сечения, непосредственно примыкающего к резервуару (рис.5.22в). В результате сечение n-n со скоростью с будет перемещаться к крану. Поскольку жидкость и стенки трубы предполагаются упругими, то они возвращаются к прежнему состоянию. Потенциальная энергия деформации полностью переходит в кинетическую энергию и в трубе устанавливается первоначальное давление p₀, а жидкость приобретает первоначальную скорость w₀, но направленную теперь в противоположную сторону (рис. 5.22г). С этой скоростью она стремится оторваться от крана, в результате чего возникает отрицательная ударная волна, давление в которой составляет p₀–p_уд. Со скоростью с она направляется от крана к резервуару. В области пониженного давления стенки трубы сжимаются, а жидкость расширяется, т.е. кинетическая энергия потока вновь переходит в потенциальную энергию, но противоположного знака (рис. 5.22д).

В момент, когда отрицательная волна давления достигнет резервуара скорость жидкости в трубе станет равна нулю, а давление составит p₀–p_уд (рис. 5.22е). Но так как давление в резервуаре более высокое, то жидкость снова устремится к крану со скоростью w₀ (рис. 5.22ж). Как только отраженная от резервуара волна под давлением p₀ достигнет крана, возникнет ситуация, уже имевшая место в момент его закрытия. После этого весь цикл гидравлического удара повторится.

Волны гидравлического удара, генерируемые в нефте- и нефтепродуктопроводах резкими изменениями скорости потока, могут распространяться на значительные расстояния, постепенно затухая вследствие диссипации механической энергии за счет сил вязкого трения. Наибольшую опасность волны повышенного давления прещздставляют для тех участков трубопровода, где и без того существовало достаточно высокое статическое давление. Такие участки находятся вблизи нефтеперекачивающих станций, а также в наиболее низких сечениях трубопровода. В последних может быть высоким пьезометрический напор. При отражении волны гидравлического удара от закрытого сечения трубопровода или тупикового отвода амплитуда p_уд волны удваивается, что еще больше способствует возникновению аварийной ситуации.

Но и волны снижения давления могут вызывать опасные явления. В наиболее высоких сечениях трубопровода могут возникать парогазовые скопления, которые при возврате к стационарному режиму исчезают далеко не сразу. При этом они значительно уменьшают расход перекачки и вызывают повышенную вибрацию трубопровода.

При реальных гидроударах имеет место затухания колебаний давления вследствие трения и ухода энергии в резервуар.