Труби для транспортування рідини є невід’ємною частиною приладів та установок різного призначення. Вибір труб і конфігурація трубок залежать від ціни на труби та фітинги. Кінцева ціна перекачування середовища через трубу багато в чому визначається розмірами труб (їх діаметром і довжиною). Для розрахунку цих розмірів застосовуються спеціальні формули, тип яких залежить від кінцевого призначення труби.

підбір

Трубка являє собою порожнистий циліндр, виготовлений з металу, дерева або іншого матеріалу, який використовується для транспортування рідких, газоподібних або посушливих середовищ. Транспортуваним середовищем може бути вода, природний газ, пара, похідні нафти тощо. Трубки використовуються універсально, як у промислових масштабах, так і в побутових масштабах.

Для виготовлення труб використовується широкий спектр матеріалів: сталь, чавун, мідь, цемент та пластмаси, зокрема АБС, ПВХ, хлорид ПВХ, ПБ, поліетилен тощо.

Основними розмірами трубки є: діаметр (зовнішній, внутрішній тощо) та товщина її стінки, які вимірюються в міліметрах або дюймах. Так само використовується так званий номінальний діаметр, який відповідає номіналу внутрішнього діаметра труби, який також вимірюється в міліметрах (позначений як Dn) або в дюймах (позначений як DN). Номінальні діаметри стандартизовані і представляють ключові критерії вибору труб та фітингів.

Дивіться нижче відповідність між значеннями номінального діаметра в мм та в дюймах:

Ду, мм DN, дюйми Ду, мм DN, дюйми
п’ятнадцять ½ 400 16
двадцять ¾ 450 18
25 1 500 двадцять
40 1½ 600 24
п'ятдесят два 650 26
80 3 700 28
100 4 750 30
150 6 800 32
200 8 900 36
250 10 1000 40
300 12
350 14

Трубки круглого перерізу використовуються більше, ніж труби інших геометричних перетинів, з ряду причин:

  • Коло характеризується мінімальним співвідношенням між периметром і поверхнею. У випадку з трубкою це означає, що при рівності ємності труб різної форми для виготовлення круглих трубок потрібно менше матеріалу, ніж труб іншої форми. Так само це дозволяє мінімізувати витрати на утеплення та захисне покриття;
  • Круглий переріз є найбільш вигідним з гідродинамічної точки зору для транспортування рідких або газоподібних середовищ. Подібним чином, завдяки мінімізації внутрішньої поверхні трубки щодо її довжини, тертя між транспортованим середовищем та трубкою мінімізоване.
  • Кругла форма найбільш стійка до внутрішнього і зовнішнього тиску;
  • Виготовлення круглих трубок досить просте.

Діаметр і конфігурація трубок значно варіюються залежно від їх використання та сфери застосування. Так, наприклад, магістральні труби для транспортування води або нафтових похідних можуть мати діаметр трохи менше 50 сантиметрів, їх конфігурація досить проста, нагрівальні котушки, в свою чергу, мають зменшений діаметр і форму, ускладнену багаторазовими витками.

Жодна промислова галузь не здатна обійтися без труб. Розрахунок труби включає вибір матеріалів для труб, розробку специфікацій з усіма даними про товщину та розміри труб, трасу труби тощо. Сировина, напівфабрикат та/або кінцевий продукт проходять різні стадії виробництва, переміщаючись між різними пристроями та спорудами, з'єднаними між собою трубами та клапанами. Правильні розрахунки, вибір та монтаж труб є важливими для гарантування надійності процесу, безпеки перекачування середовища, а також герметичності системи та запобігання витоку перекачуваної речовини в атмосферу.

Не існує ні формули, ні універсальних правил, які б служили для вибору труби для будь-якого застосування або оброблюваного середовища. Використання труб у кожній конкретній області зумовлене низкою факторів, які необхідно враховувати, оскільки вони суттєво впливають на вимоги до труб. Так, наприклад, у випадку перекачування шламу велика труба робить споруди дорожчими і заважає їх нормальній роботі.

Зазвичай підбір трубок здійснюється шляхом оптимізації матеріальних та експлуатаційних витрат. Чим більше діаметр труби, тобто чим вищі початкові вкладення, тим менший перепад тиску та експлуатаційні витрати. Зменшуючи розміри труб, ми зменшуємо початкові інвестиції в труби та фітинги для труб. Однак із збільшенням швидкості ми спостерігатимемо зростання збитків, і ми будемо змушені витрачати додаткову енергію на перекачування середовища. Правила швидкості, встановлені для різних областей застосування, базуються на оптимальних умовах розрахунку. Розміри труб розраховуються, виходячи з цих стандартів, враховуючи сферу їх застосування.

Дизайн труби

У курсі проектування трубопроводу враховуються такі ключові параметри проектування:

  • необхідний потік;
  • точки входу та виходу трубопроводу;
  • склад середовища, включаючи його в’язкість та питому вагу;
  • топографічні умови траси трубопроводу;
  • максимальний робочий тиск;
  • гідравлічні розрахунки;
  • діаметр труби, товщина стінок, межа текучості матеріалу стін в процесі її тяги;
  • насосні станції, відстань між ними та споживану потужність.

Надійність трубопроводу

Щоб забезпечити надійність труб, слід дотримуватись відповідних проектних норм. Так само, одним з ключових факторів, що гарантує тривалий термін служби труби, її герметичність та надійність, є підготовка персоналу. Для безперервного або перервного контролю роботи трубопроводу використовуються системи контролю, інвентаризації, управління, регулювання та автоматизації, а також пристрої персонального контролю та пристрої безпеки.

Додаткове покриття труби

Зовні більшість труб покрито покриттям, стійким до корозії з боку навколишнього середовища. У разі перекачування корозійних середовищ внутрішня частина також може бути покрита захисним покриттям. Перед введенням в експлуатацію всіх нових труб, призначених для транспортування небезпечних рідин, вони перевіряються на наявність дефектів і витоків.

Основні положення для розрахунку потоку трубопроводу

Характер протікання середовища через трубу та те, як вона вимальовує перешкоди, може значно відрізнятися від рідини до рідини. Одним з ключових показників у цьому відношенні є в'язкість середовища, яка характеризується параметром, який називається коефіцієнтом в'язкості. У 1880 р. Ірландський інженер і фізик Осборн Рейнольдс провів ряд експериментів і виявив невимірну величину, яка характеризує характер в'язкого потоку рідини, так зване число Рейнольдса або Re.

де:
ρ - щільність рідини;
v - швидкість потоку;
L - характеристична довжина проточного елемента;
μ - коефіцієнт динамічної в'язкості.

Число Рейнольдса характеризує взаємозв'язок між силами інерції та силами в'язкого тертя в потоці рідини. Зміна цього критерію відображає зміну співвідношення між цими силами, що, в свою чергу, впливає на характер потоку рідини. В результаті, як правило, розрізняють три типи потоку, залежно від числа Рейнольдса. При Re 4000 встановлюється стабільний режим, який характеризується випадковими змінами швидкості та напрямку потоку в кожній ізольованій точці. В результаті швидкості по всьому об'єму потоку стають однаковими. Цей режим називається турбулентним. Число Рейнольдса залежить від тиску, що створюється насосом, в'язкості потоку при робочій температурі, а також розмірів і перетину труби, через яку проходить потік.

Число Рейнольдса є критерієм подібності для в'язкого потоку рідини. Дозволяє змоделювати реальний процес у меншому масштабі, що зручно для досліджень. Це дуже важливо, оскільки іноді дуже важко або абсолютно неможливо вивчити характер потоків рідини в реальних пристроях через їх великі розміри.

Розрахунки труб. Розрахунки діаметра труби

Якщо в трубі відсутня теплоізоляція, що забезпечує теплообмін між транспортованим середовищем та навколишнім середовищем, характер потоку може змінюватися, навіть коли швидкість (витрата) постійна. Це можливо, коли перекачуване середовище має досить високу температуру на вході і тече в турбулентному режимі. Уздовж трубки температура середовища знизиться в результаті теплових втрат у навколишнє середовище, що може призвести до зміни режиму потоку при ламінарному або перехідному режимі. Температура, при якій відбувається зміна режиму, називається критичною температурою. В'язкість рідини безпосередньо залежить від температури, тому для таких випадків вони використовують критичний параметр в'язкості, який відповідає точці зміни режиму потоку при досягненні критичного числа Рейнольдса.

де:
νcr - критична кінематична в'язкість;
Recr - критичне значення числа Рейнольдса;
D - діаметр трубки;
v - швидкість потоку;
Q - швидкість потоку.

Іншим важливим фактором є тертя між стінками трубки та рухомим потоком. Коефіцієнт тертя значною мірою залежить від шорсткості стінок труб. Зв'язок між коефіцієнтом тертя, числом Рейнольдса і шорсткістю встановлюється за допомогою діаграми Муді, яка дозволяє визначити кожен із перерахованих параметрів на основі інших двох.

Аналогічно, рівняння Колбрука - Уайта використовується для розрахунку коефіцієнта тертя для турбулентного потоку. Ця формула дозволяє складати схеми для визначення коефіцієнта тертя.

(√ λ) -1 = -2 log (2.51/(Re √ λ) + k/(3.71 d))

де:
k - коефіцієнт шорсткості труб;
λ - коефіцієнт тертя.

Існують також інші формули, що дозволяють приблизно розрахувати втрати на тертя, коли рідина протікає через трубки під тиском. Одним з найбільш широко використовуваних рівнянь цього типу є рівняння Дарсі-Вейсбаха. Він базується на емпіричних даних і використовується переважно в курсі моделювання систем. Втрати на тертя - це функція швидкості рідини та опору труби її просуванню, що виражається через величину шорсткості стінок труби.

де:
ΔH - втрати тиску;
λ - коефіцієнт тертя;
L - довжина ділянки труби;
d - діаметр трубки;
v - швидкість потоку;
g - це прискорення сили тяжіння.

Втрати тиску на тертя води обчислюють за формулою Хазена-Вільямса.

∆H = 11,23 · L · 1/С 1,85 · Q 1,85/D 4,87

де:
ΔH - втрати тиску;
L - довжина ділянки труби;
С - коефіцієнт шорсткості Хазен-Вільямса;
Q - швидкість потоку;
D - це діаметр трубки.

Тиск

Робочий тиск трубопроводу - це максимальний надлишковий тиск, який гарантує роботу трубопроводу в даному режимі. Зазвичай рішення про розмір трубопроводу та кількість насосних станцій залежить від робочого тиску труб, потужності насоса та витрат. Максимальний і мінімальний тиск трубопроводу, а також властивості насосного середовища визначають відстань між насосними станціями та необхідну потужність.

Номінальний тиск PN - це номінальне значення, яке відповідає максимальному тиску перекачуваного середовища при температурі 20 ° C, що робить можливим тривалу роботу труби заданих розмірів.

Зі збільшенням температури ємність трубки і допустимий надлишковий тиск зменшуються. Значення pe, zul показує максимальний тиск (надлишковий тиск) всередині системи трубопроводів у разі підвищення робочої температури.