автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование систем подачи и распределения воды с применением труб, покрытых эмалью

На правах рукописи

2 Я

ДЕМВДОЧКИН Виталий Васильевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ПОДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТРУБ, ПОКРЫТЫХ ЭМАЛЬЮ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза - 2000

Работа выполнена в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии.

Научные руководители -

Официальные оппоненты -

Ведущая организация -

академик РАЕН, доктор технических наук, профессор Гукасов Н.А.

кандидат технических наук,

доцент

Каледа И. А.

доктор технических наук,

профессор

Стрелков А.К.

кандидат технических наук,

доцент

Ганин И.П.

ЗАО «Пензаводпром» (г.Пенза)

Защита состоится 01 июня 2000 г. в 12-00 ч. на заседании диссертационного Совета К 064.73.02 при Пешенской государственной архитектурно-строительной академии (440028, г.Пенза, ул.Титова28).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенской ГАСА.

Автореферат разослан 28 апреля 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета канд. техн. наук

В.А. Саранцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.. Увеличение пропускной способности систем водоснабжения, создание условий для предотвращения зарастания внутренней части трубопровода, улучшение санитарного состояния сетей - приоритетные задачи как в гидравлике, так и в водоснабжении.

Научная и техническая общественность в течение длительного времени решала одну из главных задач - снижение гидравлических сопротивлений. Подтверждением этого является применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) при решении соответствующих проблем в разных областях техники.

Не менее важными являются попытки увеличения сроков службы трубопроводов путем применения различных покрытий и материалов труб.

Все это позволит снизить затрачиваемую мощность, а также достичь увеличения долговечности и надежности системы в целом.

Решению всех перечисленных задач, прямо гаи косвенно, посвящена настоящая диссертация.

Одним из актуальных путей совершенствования систем водоснабжения является применение труб, покрытых эмалью.

Цель работы заключается в: - получении расчетной зависимости для определения потерь давления на трение при движении воды в трубах, покрытых эмалью;

использовании полученных зависимостей для совершенствования гидравлического расчета водопроводящих систем из труб, покрытых эмалью;

изыскании путей уменьшения затрачиваемой мощности и возможности сокращения сроков строительства скважин применением эмалированных бурильных труб.

Поставленные цели выполнялись решением различных задач:

• Получение зависимости для расчета коэффициента гидравлического сопротивления Л на основе гипотезы скольжения по стенке трубы, покрытой эмалью, результатов экспериментальных исследований, а также степенного и логарифмического законов распределения скоростей и формулы Дарси-Вейсбаха.

• Использование полученной формулы для определения Я при проектировании водоводов и магистральных сетей.

• Решение задачи по движению жидкости в кольцевом пространстве при условии, что поверхность внутреннего цилиндра покрыта эмалью.

• Определение гидродинамического давления при спускоподьемных операциях в случае, если внешняя поверхность бурильной колонны имеет эмалевое покрытие.

Научная новизна диссертации заключается в:

решении задач гидродинамики турбулентного режима течения при условии, что скорость жидкости на поверхности трубы больше нуля;

- определении потерь давления на трение при движении вязкой жидкости в пространстве между двумя концентрично расположенными и неподвижными цилиндрами при условии, что скорость на внешней поверхности цилиндра больше нуля; 1

определении давления у нижнего торца движущегося цилиндра в скважине при наличии проскальзывания жидкости на поверхности подвижной трубы.

Практическая значимость. Сравнение гидродинамических соотношений, полученных при использовании новых стальных и покрытых эмалью труб, показало, что происходит:

снижение потерь давления в 1,57 раз; увеличение пропускной способности в 1,29 раз; уменьшение диаметра трубопровода в 1,1 раз; снижение металлоемкости в 1,21 раз.

Выигрыш от использования эмалированных труб становится более весомым при сравнении соответствующих показателей для старых стальных труб.

Использование труб, покрытых эмалью, в кольцевых сетях различной протяженности, показало снижение потерь давления в пределах 2,91-4,99 раз в зависимости от числа колец и расхода подаваемой жидкости.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждены и одобрены на следующих конференциях и семинарах:

всероссийская научно-техническая конференция «Экология, инженерные системы, сооружения н технологии» (г. Пенза, 1997 г.); IV международная научно-практическая конференция «Вопросы планировки и застройки городов» (г. Пенза, 1997 г.);

международный научно-практический семинар семинар «Энергосбережение в промышленно-хозяйственном комплексе» (г. Пенза, 1998 г.);

- международная научно-практическая конференция «Хозяйственно питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования» (г. Пенза, 1999 г.);

всероссийская научно-практическая конференция «Теория, практика и перспективы использования труб, покрытых эмалью» (г. Пенза, 1999 г.); международный научно-практический семинар «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах (г. Пенза, 2000 г.);

II международная научно-практическая конференция «Теория, практика и перспективы использования труб с различными покрытиями» (г. Пенза, 2000 г.).

Публикации По материалам диссертации издано одно учебное пособие «Гидродинамика труб, покрытых эмалью». Пенза, ПГАСА, 2000, 10 п.л., и 20 научных статей в центральной печати.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 56 наименований. Содержит 90 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 11 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дана краткая историческая справка по использованию эмалированных труб и обоснована актуальность проблемы.

В настоящее время накоплен значительный положительный опыт по применению эмалированных труб при сооружении нефте- и водопроводов, систем гидромелиорации, теплосетей. Применяется эмалирование для увеличения долговечности деталей гидромашин, фасонных частей трубопроводов, внутренней и наружной поверхности труб. Наиболее целесообразно эмалирование внутренней поверхности труб как средство борьбы с коррозией при транспортировании агрессивных продуктов.

В Красноярском крае, совхозе «Панкратовский» Пензенской области,в объединении «Ростовводмелиорация», Башкирии, «Тамбовводмелиорации», «Донводстрое», в Татарстане, Алтайском крае, Ульяновской области (АООТ «Кварц») были успешно использованы эмалированные трубы в системах орошения, мелиорации, канализации (для перекачки высокоагрессивных животноводческих стоков), при сооружении газовых магистралей и пульпопроводов, а также теплоснабжении. Общая протяженность использованных эмалированных трубопроводов составила только по этим объектам примерно 700 км. Кроме того, ведутся проектные и подготовительные работы по широкому внедрению эмалированных труб в Мостеплосети.

В системах холодного хозпитьевого водоснабжения эмалированные трубы не нашли широкого применения из-за их относительно высокой стоимости. В настоящей работе сделана попытка доказать выгодность применения труб, покрытых эмалью, в этой области.

Эмалевое покрытие представляет собой нанесенное на металлическое изделие легкоплавкое стекло, полученное оплавлением шихты сырьевых материалов, главным образом, оксидов кремния, бора, натрия, калия, алюминия, кальция, титана и др.

Эмали готовятся плавлением (варкой) в специальных, преимущественно вращающихся печах барабанного типа, а также в печах-ваннах и электропечах.

В настоящее время созданы рецептуры стеклоэмалей различного назначения. Силикатные эмали принято подразделять на грунтовые и покрывные.

Одним из перспективных направлений в эмалировании является разработка и применение составов безгрунтовых эмалевых покрытий, которые наносятся обычно в два слоя непосредственно на стальную поверхность без промежуточного грунтового слоя.

Технология нанесения стеклоэмалевых покрытий на трубы, кроме подготовки сырьевых материалов, варки фритг и приготовления эмалевого шликера, включает подготовку поверхности труб, нанесение эмалевого шликера, его сушку, обжиг покрытия и контроль его качества.

В работах проф. Михайловского Ю.Н. приводятся результаты промышленных исследований по применению однослойного покрытия эмали марки МК-5 на промыслах Тюменского региона Испытания проводились электрохимическим методом измерения катодной и анодной эффективности стальных образцов. Продолжительность испытаний составила от нескольких недель до 3х...4хмесяцев. Исследования показали, что коррозионная стойкость покрытия предопределяется эффективностью изоляции стыков труб.

Высокое качество сварки может быть обеспечено при соблюдении приемов и методов, разработанных в РГУ Нефти и газа под руководством проф. Стеклова О.И.

Строительство сетей различного назначения из эмалированных труб влечет за собой необходимость решения проблемы нанесения данного покрытия на фасонные части трубопроводов.

Из результатов, приведенных во второй главе экспериментальных исследований, можно убедиться, что применение труб, покрытых силикатной эмалью, является одним из эффективных путей уменьшения потерь давления на трение.

Целью экспериментальных исследований было получение зависимости потерь давления от расхода жидкости в трубах, покрытых силикатной эмалью МК-5 разрешенную органами санитарного надзора к применению в системах хозяйственно питьевого водоснабжения.

Для этого в лаборатории кафедры «Гидротехническое строительство» (ГТС) Пензенской государственной архитектурно-строительной академии был сооружен стенд, состоящий из горизонтально уложенных труб диаметром 0,048м и длиной замеряемого участка 4,37м. Трубы были изготовлены на ОАО «Пензаводпром» путем эмалирования черных труб (ГОСТ 8731-74. Трубы стальные, бесшовные, горячедеформированные) диаметром 0,05м и толщиной стенки 4 мм.

Вода в трубы подавалась из расходного резервуара, а расход жидкости регулировался задвижкой. Значения расхода определялись объемным способом при помощи верного бака и секундомера.

Потери напора определялись при помощи вертикальных, а также наклонных (при малых расходах) пьезометров. Для сравнения вычислялись потери давления Ар при течении жидкости в обычных (новых) стальных трубах, не покрытых эмалью, по формулам Дарси-Вейсбаха, Блазиуса, Никурадзе и Шевелева.

Проведенные замеры и расчеты показали, что кривая зависимости = /('/) > полученная по экспериментальным данным (эмалированные трубы), лежит значительно ниже, чем кривые, рассчитанные по формулам Дарси-Вейсбаха, Блазиуса, Никурадзе и Шевелева (рис.1). Это обстоятельство свидетельствует о том, что сшшкатио-эмалевое покрытие делает трубы не только гидравлически гладкими, но и является причиной какого-то особого явления, приводящего к снижению потерь давления. Данное явление, скорее всего, объясняется физико-химическими особенностями силикатной эмали, а именно условиями смачивания, приводящей к скольжению жидкости но покрытию. При этом скорость жидкости на стенке трубы не равна нулю (как это принимается в трубах из различных материалов), а имеет некоторое значение щ.

Значения чисел Рейкольдса Г!е

• экспериментальные значения; —по ф-ле Блазиуса;

—в- по ф-ле Никурадзе; —по ф-ле Шевелева.

Рис. ]. Экспериментальные и вычисленные значения потерь давления в трубе (с!--0.048м, 1^4.37м)

Тогда, согласно закону корня седьмой степени, скорость в любой точке поперечного сечения эмалированной трубы будет находиться так:

и = 8,74

М-

Г

о,

(О

где хЛУ - касательное напряжение на стенке трубы;

у и V - удельный вес и кинематическая вязкость жидкости; у - расстояние от стенки до данной точки. Пользуясь уравнением динамического равновесия жидкости в трубе, а также выражением (1), получим

и--

8,74

,7 ^

2 у1)

(2)

Следовательно, расход жидкости составит

9 = 15,09

£7Я7 (Ар*

и

+ лП2ип

(3)

Заменив ц - яИги, где и- средняя скорость, в соответствии с (3) получим:

4

о* = 4,80

'АР

(4)

где

и =

ОУ

4 5

и.

и0ут

0 = ~ГТ

Для того, чтобы определить (70 по соответствующим <у, были найдены и, а затем и о .

В результате было получено:

Таким образом, по формулам (3) и (5) можем составить выражение

др у1

0,79у79

(5)

(6)

4 19

Можно убедиться, что значения Ар, получаемые по формуле (6), практически не отличаются от соответствующих величин, полученных в результате эксперимента.

Согласно формулам Дарси-Вейсбаха и (6) получим следующее выражение для определения коэффициента гидравлических сопротивлений

. _ 0,20205

Аналогично было получено следующее уравнение для определения коэффициента гидравлического трения при движении воды в эмалированных трубах с использованием логарифмического закона распределения скоростей

4= = 1,11875 Шс-Л-1,2030. (8)

у]Л

Аппроксимация результатов, получаемых по формуле (8), позволила предположить следующее выражение для определения коэффициента гидравлических сопротивлений при движении жидкости по эмалированным трубам:

Л = 0,003229 + ^^. (9)

Яе ■

Максимальное расхождение между X, полученными по формулам (9) и (7), не превышает 7,5%. Заметим также, что расхождение между значениями к, полученными по точному уравнению (8), выведенному на основе логарифмического закона, и по формуле (7), не превышает 4%.

По формулам Блазиуса и (7) получим:

-^ = 1,566.

Ап

Значит, гидравлические сопротивления при движении жидкости по обычным трубам примерно в 1,57 раза выше таковых, получаемых при течении жидкости по трубам, покрытым эмалью.

Практически к такому же результату приходим, сравнивая коэффициенты гидравлических сопротивлений, найденные на основе логарифмического закона распределения скоростей в случае течения жидкости но черной трубе и трубе, внутренняя поверхность которой покрыта эмалью, то есть по формулам (9) и Блазиуса. При расчете потерь давления при движении жидкости по трубам с силикатно-эмалевъш покрытием, предпочтение следует отдавать формуле, основанной на логарифмическом законе распределения скоростей, т.е. выражению (9), ввиду их применимости при относительно высоком диапазоне изменения параметра Рейнольдса Ле.

Вместо снижения потерь давления в эмалированной трубе можно получить повышение пропускной способности.

Для простоты установим закономерность для области действия закона корня седьмой степени, т.е. при 2 320<11е<100 000.

Согласно формулам Дарси-Вейсбаха и Блазиуса, запишем:

Я =

0,5587я-иу475 Ар V0'23 у1

4

V,

(10)

По формулам (7) и Дарси-Вейсбаха получим: '0,87500л-''75£^4'75 До

Ч, =

* ) ■ (И)

Таким образом, отношение расходов, усгановленных по формулам (10) и (II), составит:

^=1,292.

Значит, при использовании труб, покрытых эмалью, пропускная способ. ность возрастает на 29%.

Представляет интерес определение возможного снижения диаметра трубы (в результате покрытия ее внутренней поверхности эмалью) при прочих равных условиях, т.е. при одном и том же расходе и разности давлений на концах трубы.

Согласно формулам Дарси-Вейсбаха и Блазиуса, т.е. для черной трубы, можем записать:

. ( <7'-7У» ^У'2105 и,5587яг,л^Др; • (12)

В соответствии с формулами (7) и Дарси-Вейсбаха, для труб, покрытых эмалью, получим:

' Л0'25 ^ 40 2,05

(13)

0,8750л-,75§ А

1,1- (И)

Значит,

А.

Следовательно, диаметр черной трубы, обладающей той же пропускной способностью, больше диаметра трубы, докрытой эмалью, в 1,1 раза.

Металлоемкость трубопровода V определим следующим образом: .

у^к2-^),

где ¿/„, й- наружный и внутренний диаметры трубопровода.

Если толщину стенки обозначить 5, то с!н=с1 + 28. Значит,

или с высокой точностью

(15)

Согласно формуле Мариотта,

2 акт

где р„ - давление нагнетания;

а - предел текучести материала трубы; п - коэффициент перегрузки, п = 1,2;

к — коэффициент однородности стали (в зависимости от марки стали ¿=0,85-0,90);

m - коэффициент, учитывающий условия работы (для линейной части трубопровода «=0,9, для переходов т=0,75).

Значит, по формулам (15) и (16)

V = (17)

2окт

Следовательно, пользуясь (14) и (17), можем определить

металлоемкость трубопровода, составленного из труб, покрытых эмалью:

v (18)

1,А2акт

Тогда по ( 17) и (18) имеем:

V/V,=l,21. (19)

Соотношение (19) обуславливается уменьшением толщины стенки и диаметра труб, покрытых эмалью, по сравнению с обычными трубами при пропуске по ним равных расходов при одинаковых потерях давления. Если переход к трубам меньшего диаметра относительно просто реализовать, то использовать толщину стенки S, полученную согласно (16), становится возможным в случае большого диаметра и относительно высокого давления нагнетания р„. Если исполнить трубы малой толщины S невозможно, то при прочих равных условиях будем иметь:

V/V^I.l, (20)

что также обеспечивает значительный экономический эффект.

Использование эмалированных труб в водопроводящих системах приведено в третьей главе.

В системах водоснабжения для повышения надежности подачи воды потребителю водопроводную сеть принято проектировать кольцевой. В этом случае в любую точку сети возможно поступление воды, как минимум, по двум направлениям. Однако, по сравнению с тупиковой сетью, подающей воду потребителю лишь по одной возможной ветке, в кольцевых сетях возрастает протяженность линий, их диаметр. Это приводит к удорожанию кольцевой сети.

Сущность любой методики расчета кольцевых сетей заключается в определении расхода и потребного напора на насосной станции. На основании сведений, приведенных выше, можно предположить, что использование эмалированных труб в сетях обеспечит значительное сшокение потерь напора ht\

При этом потребляемая мощность определяется так:

N=qHy.. (21)

и

где Н - потребный напор, определяемый как

H = ll;iT-II!K>+Zh

или

Н = Н0 + hc + hB, где Пдт- пьезометрическая отметка в диктующей точке сети; При - отметка уровня воды в резервуаре насосной станции; Но - высота подъема воды;

Н0 - П д Т - П [K J,

Yh - суммарная величина потерь напора; hB - потери в водоводах и коммуникациях насосной станции.

Для определения hc использовались известные формулы для неновых труб из различных материалов, а также - выражение для определения Я по (7). Отметим, что методики расчета для определения q и Н принципиально не отличаются от существующих.

Результаты приведенных расчетов для сетей, состоящих из 2х, 3х и 4х колец, приводятся в таблице 1. В этой таблице Им и her - суммарные потери в сети для труб, покрытых эмалью, и стальных неновых труб.

Таблица 1

Ац/. her. Отноше- Общин Число Сумма Общая

м м ние суммы расход, л/с колец длин по протяжен-

/к-Т к А;ц/ контуру, м ность се-

ти, м

2,01 6,16 3,06 75 2 1800 4600

4,19 14,65 3,5 123,2 2 1800 4600

6,78 24,79 3,66 150 2 1800 4600

1,03

3 2,91 126,4 3 1225 4100

4,22 14,85 3,52 166,4 3 1225 4100

9,81 39,65 4,04 206,4 3 1225 4100

8,98 31,98 3,56 180,4 4 2520 6235

12,46 46,49 3,73 230,4 4 2520 6235

57,03 284,73 4,99 280,4 4 2520 6235

Из табл. 1 видно, что суммарные потери напора по контуру в случае, когда сеть собрана го труб, покрытых эмалью, в 2,91...4,99 раз меньше соответствующих потерь для неновых стальных труб. Такой большой разброс зависит от расхода, числа колец и других обстоятельств.

В четвертой главе излагается решение ряда задач бурения, отличающихся от аналогичных в традиционной постановке граничными условиями, обусловленными эффектом скольжения.

(22) (23)

Рассмотрено движение

промывочной жидкости при бурении скважин, если бурильная труба имеет двухстороннее эмалирование, а стенки скважины представляют собой неизолированную стальную поверхность.

Задача решается с применением закона корня седьмой степени.

Для решения задач, связанных с движением жидкости в кольцевом пространстве, применяется метод «сшивания», разработанный проф. Гукасовым Н.А.

Скорость жидкости в любой точке в

I и II областях находится по степенному закону распределения с учетом того, что скорость на внешней поверхности бури льной колонны составляет Но. Записываются условия равенства скоростей на нейтральной поверхности, на которой касательное напряжение равно нулю. Далее составляем уравнение равновесия кольцевого слоя жидкости, движущегося между стенками скважины и нейтральной поверхностью, а также уравнение равновесия жидкости, заключенной между колонной бурильных труб и стенками скважин.

Скорость скольжения на внешней поверхности колонны бурильных труб предлагается находить по формуле:

ип=л-

Рис.1 Схема распределения скоростей.

л\г.

И'

(24)

где А — коэффициент, определяемый из экспериментальных исследований; г{ и го - радиусы скважины и внешней возерхности бурильных труб.

В результате решения и соответствующий преобразований были получены

а =0,2637 -0,2273г„, (26)

где р2 ~ давление у нижнего торца колонны бурильных труб; га=Го/п;

(25)

1

vnq

r^g'7

fkh

o*(2ra + a*)

l-rt -a(2ra+a)A 17,48tf(l- Гд )

4

'¡гаЛау7 + + a*)

4

(27)

.8 15х а Т ° ' В табл. 2 приводятся значения /(г„), найденные но формуле (27) и (26) при/4=0,21.

Таблица 2

Га | ЛГа) Га Ага)

0,5 | 0,015254 0,7 | 0,055197

0,6 0,026185 0,8 0,170140

В соответствии с формулой Дарси-Вейсбаха, при течении в кольцевом пространстве для случая, когда происходит прилипание жидкости к трубам, имеем

(28)

Выразив среднюю скорость через расход жидкости, а коэффициент гидравлических потерь - по формуле Блазиуса, в соответствии с (28), можем записать

р2~)1 _ 8,97236 КГ5^"

* О-^ГМГ'

Следовательно,

\Рг~гФ$)_ 4,48618-Ю'3

Д =

(29)

(30)

где

(ft -Л29) и {Рг ~ - потери давления, найденные по соотноше-

ниям (29) и (25).

В табл. 3 приводятся значения А:

М29) Др(25)

при различных га.

Таблица 3

Д

га

Д

0,5

1,1572

0,7

1,1824

0,6

1,1760

М

1,1783

Из табл. 3 следует, что, если внутренняя труба, составляющая кольцевое пространство, покрыта эмалью, то происходит существенное снижение потерь давления на трение по сравнению с возникающим в случае течения жидкости в кольцевом пространстве между двумя «обычными» трубами, а, значит, и снижение забойного давления.

Ранее проф. Гукасовым H.A. было показано, что при спуске или подъеме бурильных труб давление на забое может значительно увеличиться или снизиться в сравнении с соответствующей величиной, возникающей при статическом положении колонны, а, значит, и неподвижной жидкости.

Можно предположить, что использование бурильных труб, покрытых эмалью, позволит заметно увеличить скорость спуско-подъемных операций, не достигая при этом опасных значений гидродинамических давлений на забое скважины.

Решаем задачу, пользуясь законом корня седьмой степени и методом «сшивания».

Составляем выражение для определения скорости в любой точке f и II областей с учетом, что колонны бурильных труб движется со скоростью UT, и скорость жидкости на внешней поверхности колонны составляет Uq-Ut-

Далее пользуемся условием равенства скоростей на нейтральной поверхности, составляем уравнение равновесия жидкости, заключенной между нейтральной поверхностью и стенками скважины, а также между стенками скважины и колонной бурильных труб. В результате получаем выражение для определения скорости в любой точке кольцевого пространства, что позволяет составить формулу для определения расхода жидкости:

4

(31)

Расход жидкости можно найти так

и0=А{иг. (33)

При отсутствии скольжения -Л(=0 и (7о=0. При полном скольжении -А=1 и (/и= и,.

Очевидно, что для определения А\ необходимо провести экспериментальные исследования.

Приближенно вопрос предлагаем решать так.

При прочих, равных условиях увеличение га приводит к возрастанию расхода, что при турбулентном режиме течения приводит к росту проскальзывания. Значит, коэффициент А\, постоянный при течении жидкости в трубе круглого поперечного сечения, будет изменяться в зависимости от га.

Покажем, что при га. < 0,05 изменение скорости движения колонны в пределах 0<(/т<2 м/с не может привести к течению жидкости в кольцевом пространстве при турбулентной режиме течения. Действительно, расход жидкости в кольцевом пространстве по уравнению неразрывности будет:

(34)

Из равенства значений расхода д по (32) и (34) получим среднюю скорость движения жидкости о:

е = (35)

При га =0,05,1!т =2 м/с, согласно (35), имеем:

V = 0,00501253м/с.

Параметр Рейнольдса при течении жидкости в кольцевом пространстве находим так:

(36)

V

Если скважина заполнена водой, т.е. у=10"6 м3/с, и гг=0,1м, то но формуле (36) имеем:

Ке= 2-0,1-0,95-0,00301253 = 10~6

При га = 0,05 известно, что критическое значение параметра Рейнольдса составляет 2300, значит, при Ке=952,4 имеем течение жидкости при ламинарном режиме. Очевидно, что при прочих равных условиях и при наличии в скважине не воды, а глинистого раствора также не имеет места турбулентный режим течения.

Следовательно, при та < 0,05 отсутствует проскальзывание, т.е. А\=0, в соответствии с (35), с увеличением г„ происходит возрастание средней скорости. Полагаем, что при га > 0,90 происходит полное проскальзывание, т.е. Ау* 1.

Будем считать, что изменение^ в зависимости от га происходит по линейному закону.

Составив уравнение в отрезках, получим:

Л, = 1,176471га- 0,0588235. Следовательно, по (33) и (37) имеем:

ий =(1,1764га - 0,0588235)17т. Значит, согласно (31) и (38), можем записать:

2^-8,74 Гя л

2 у1

-г„а' +—а ' +! 0 15

1 ( X

-'о-«)7 -

71 V'

(37)

(38)

(39)

-2жз^г0 +01,1764/-,, -0,0588235)1^.

При равенстве значений расхода в кольцевом пространстве, установленных по соотношениям (32) и (39), получим следующее выражение для определения изменения гидродинамического давления на забое скважины:

У

I \

итV7

4 5

г[га2 +о'{2га +а' )(1,058823-1,1764г1,

К7 .- 7 . —гм —а 8 " 15

(40)

8к " ; 151 * ' Согласно (31) и (32), при 11о = 0, т.е. при отсутствии проскальзывания, по аналогии с (40), получим:

у

Г/гу7

1

х

га +а')

7'7 7 -га +—а 8 4 15

Ц-Г -а')1 - — (1-г -а*)

Согласно (38) и условию равенства скоростей на нейтральной поверхности, можем записать

У

( ^ N иту'

4 5 7,7

8,74^

2(1,05882-1,1764Г0)4:

При отсутствии скольжения, т.е. при (У» = 0, имеем:

(42)

7

1!ту1

8,74 е'1г?)

а

(43)

Из равенства выражений (40) и (42) получим:

I л

4 5

[га2 +Й*(2га +а*)(1,058823-],1764гц)]х

а'&■,+<*'}

»7

= 2(1,058823 -1Д764гв>

а'1?га+а) 2 г„

7 ,7 7 .7

—таа +—а

8 а 15

+ 1

При отсутствии скольжения, в соответствии: с (41) и (43) запишем:

-Г

7

Ь+а*)2

А2га

2 гя

8 15 ^

7 »7 7 »7 —г„а 4—а

8 15

(44)

15

(45)

2г„

• 7

Я 4-

Вышеприведенные соотношения позволяют производить необходимые расчеты по определению забойного давления.

Определение оптимальных параметров систем подачи и распределения воды приведены в пятой главе.

Современные системы транспортирования и распределения воды являются дорогостоящими и металлоемкими сооружениями. Поэтому основная техническая задача заключается в выборе таких параметров систем водоснабжения, при которых обеспечиваются минимальные затраты на их сооружение и эксплуатацию.

Давление нагнетания при движении воды по трубам, покрытым эмалью, находим так

3 О 25 1.75

р„= 1,1455^-^+^- + рк, (46)

где Дг- превышение конечной точки трубопровода над начальной; рк - давление в конечной точке.

Тогда расходуемая мощность будет:

N = 1,1455^-^ + ^+/^. (47)

я'

Положим, что сто(мость единицы длины трубопровода С в состоит из капитальных затрат, пропорциональных весу трубопровода Кщ, и соответствующих эксплуатационных расходов, пропорциональных К\в, т.е.

Св = А0т1вЯут(\ + М), (48)

где А о - коэффициент, определяющий часть капитальных затрат на 1 п.м. трубопровода, пропорциональных его весу; М - коэффициент, определяющий годовые амортизационные затраты; определяется как часть капиталовложений на сооружение линейной части трубопровода; I - срок окупаемости, обычно принимается 8 лет.

Затраты, связанные с работой насоса, обуславливаются расходуемой мощностью и соответствующими эксплуатационными затратами, т.е.

1_ I

где С!Г - затраты, связанные с работой насоса, отнесенные к единице длины трубопровода.

Принимая для простоты трубопровод горизонтальным, согласно выражению для определения расходуемой мощности и формуле (49), можем записать

СИ =-1 75 ,4 75 0 + Щ (50)

п В

Значит, суммарную стоимость согласно (48) и (50) можем найти как

С = Аъ«1вдгт{ 1 + М)+ ' 6 4 — а,н (1 + а1).

л • gaв' Р»)

Так как С имеем минимум относительно г/в, то, в соответствии с (51), получим следующее выражение для определения оптимального диаметра трубопровода, составленного из обычных труб

Сн=-Ш1я{1 + ас), (49)

8,50155ту°-2592'75

5,75

л2-15А06уг(\+М()§ Если считать, что покрытие труб эмалью повышает их стоимость в раз, то, по аналогии с (48), можем записать

Сцэ =ЬхЛйт1н5Гт{\ + М1\ (53)

где ¿>1 - коэффициент, определяющий, во сколько раз стоимость труб, покрытых эмалью, выше стоимости трубопровода, составленного из обычных труб (¿1>1). а

Согласно (47) и (49), получим следующее выражение для определения затрат, связанных с работой насоса:

с

н.э.

1 и

(1 + 01),

(54)

_1,75 .4,75

где Сцэ - затраты, отнесенные к единице длины трубопровода в случае, когда трубы покрыты эмалью. Следовательно,

, г. . 1,1455/1/ </ Л \ тс

(55)

Значит, пользуясь формулой (55), получим следующее выражение для определения оптимального диаметра трубопровода, составленного из труб, покрытых эмалью

Ч1.Э

5,4411Гу°'2592-75

У'^Ь^бгА^М^ >Н Таким образом, по выражениям (52) и (56), можем записать

5,75

Ч1Э.

- = (1,5625£,)

0,1739

(56)

(57)

Так как из отношения (57) следует, что

¿в

¿вэ. =-

(1,5625м0'1739 '

то, согласно (55), можем записать:

1,656Ь?шуу°Л5д2>75

а1н (1 + а<Х0,5588а +1),

где

_п2>1Ь 8с1ь£ъ Ай6уг(\ +М1)

Представляя аналогично выражение для С по (51), получим

(I+ а'Х0,5588« +1). (59)

Следовательно, по (58) и (59) можем записать:

С - 1>0807 /лт

Из выражения (60) видно, что при б!<1,1 имеем 1,0<С/Сэ<1,08, т.е. стоимость сооружения, выполненного из обычных труб, равна или выше суммарной стоимости, получаемой в случае использования труб, покрытых эмалью. При ¿1>1,2 имеем обратную картину.

Однако, в приведенных расчетах не учтено, что при использовании труб, покрытых эмалью, увеличивается срок службы линейной части. При учете этого обстоятельства отношение С/Сэ значительно изменится в пользу труб, покрытых эмалью.

В результате расчетов, проведенных по вышеописанной методике (48)... (60), получим выражение с учетом К по аналогии с (60) запишем:

— = 1,0807

Сэ

Г гуЛ0-826 К

кЬи

(61)

Гарантийный срок службы груб, покрытых эмалью, составляет 50 лет, тогда как обычных металлических - 15 лет, значит /(=3,33. Стоимость эмалированных труб, по данным завода изготовителя, в среднем, в 2,1 раза выше, чем обычных, т.е. ¿1=2,1.

Отсюда,

Г*. _,\0,82б

— = 1,0807

'333 г

— =1,58.

. 2,1;

Это означает, что при использовании в водопроводящих системах труб, покрытых эмалью, получаем за 50-летний период значительный экономический эффект (приблизительно 60%).

В изложенном расчете предполагалось использовались формулы для новых стальных труб. При учете эффекта зарастания отношение С/Сэ станет еще выше.

Выводы

1. Практика использования эмалированных труб в мелиорации, водо- и теплоснабжении, нефтедобыче показала значительное повышение антикоррозионной стойкости и снижение гидравлических сопротивлений сравнительно с соответствующими показателями при применении стальных труб.

2. Экспериментальные исследования по определению гидравлической характеристики при движении воды в трубе, покрытой эмалыо, позволили получить выражение для коэффициента гидравлических сопротивлений Л; потери давления по грубе, покрытой эмалью, в 1,57 раза ниже соответствующей величины для новых стальных груб. С учетом «зарастания» стальных труб это соотношение возрастает. Указанный эффект может быть реализован в виде повышения пропускной способности эмалированного трубопровода в 1,29 раз или снижения диаметра трубопровода в 1,1 раз, что эквивалентно снижению металлоемкости в 1,21 раз.

3. Сравнительные расчеты кольцевых сетей, составленных из различных труб, применяемых в водоснабжении, показали значительное снижение потерь напора в сетях за счет применения труб, покрытых эмалью (от 1.88 до 4,99 раз).

4. Решены задачи по определению потерь давления при движении жидкости между двумя неподвижными цилиндрами и при условии, что внутренний цилиндр движется с постоянной скоростью. Установлено, что наличие эмалевого покрытия на внешней поверхности внутреннего цилиндра обуславливает снижение расходуемой мощности в одном случае и позволяет увеличить скорость спуско-подъемных операций из-за меньшего изменения гидродинамического давления на забое скважины в другом случае.

5. Аналитическим способом получены выражения для определения оптимальных диаметров, а также суммарной стоимости систем из стальных и эмалированных труб. Установлено, что применение труб, покрытых эмалыо, позволит снизить суммарную стоимость сети не менее, чем на 58%, с учетом разных сроков службы этих труб.

6. Полученные результаты работы использовались ЗАО НЕГАС для внедрения эмалированных труб при строительстве водоводов в городах Москва и Вильнюс в 1998-1999 годах.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Гукасов H.A., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Пути уменьшения утечек жидкости при работе буровых (поршневых) насосов // НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 1995, №7-8, с. 43.

2. Гукасов H.A., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Пути уменьшения потерь давления на трение при бурении скважин // НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 1995, № 4-5, с. 37.

3. Гукасов H.A., Брюховецкий О.С., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Определение гидродинамического давления при спуске-подъеме колонны труб в наклонных и горизонтальных скважинах // Известия высших

учебных заведений. Научно-методический журнал. Геология и разведка. -М,- 1997, с. 127.

4. Демидочкин В.В. Уменьшение гидродинамического давления на забое скважины, на различных этапах строительства за счет применения бурильных труб, покрытых эмалью // Материалы XXIX научно-технической конференции. ПГАСА. Часть IV. - Пенза, 1997, с. 35.

5. Демидочкин В.В. Коэффициент гидравлического сопротивления для труб, покрытых эмалью // Материалы XXIX научно-технической конференции. ПГАСА. Часть IV. - Пенза, 1997, с. 36.

6. Демидочкин В.В. Применение труб, покрытых эмалью, для повышения эф-фекгивности системы водоснабжения // Вопросы планировки и застройки городов. - IV Международная научно-практическая конференция. ПГАСА, Пенза, 1997, с. 156-157.

7. Демидочкин В.В. Использование эмшгированных груб в системах подачи жидкостей и при бурении скважин / Материалы семинара «Энергосбережение в промышленно-хозяйственном комплексе» Пенза, 1998г.

8. Гукасов H.A., Риккер В.И., Каледа И.А., Демидочкин В.В., Мальцева Г.А. Энергосберегающие и экологические возможности труб, покрытых эмалью // Международная научно-практическая конференция. Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования. - Пенза, 1999, с. 43-44.

9. Гукасов H.A., Каледа И.А., Стерлигова Г.И., Демидочкин В.В. Гидравлический расчет нефтепровода из труб, покрытых эмалью. / Материалы всеро-сийской научно-практической конференции «Теория, практика и перспективы использования труб, покрытых эмалью». Пенза, 15-16 апреля 1999г., с. 12-14

Ю.Стерлигова Г.И., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Физико-химические аспекты снижения гидравлических сопротивлений. / Материалы всеросийской научно-практической конференции «Теория, практика и перспективы использования труб, покрытых эмалью». Пенза, 15-16 апреля 1999г., с. 18-20

11 .Демидочкин В.В., Каледа И.А., Стерлигова Г.И. Гидродинамические аспекты использования труб, покрытых эмалью / Материалы всеросийской научно-практической конференции «Теория, практика и перспективы использования труб, покрытых эмалью». Пенза, 15-16 апреля 1999г., с.20-23

12.Гукасов H.A., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Гидродинамика труб, покрытых эмалью. Учебное пособие. - Пенза, ПГАСА, 2000. - 160 с.

13.Гукасов H.A., Риккер В.И., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Исследования по определению потерь давления при движении горячей воды по трубам, покрытым эмалью // Международный научно-практический семинар. Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. Сборник материалов. Пенза, 2000, с. 22.

И.Гукасов H.A., Риккер В.И., Каледа НА., Демидочкин В.В. Энергосберегающие возможности труб, покрытых эмалью // Международный научно-практический семинар. Проблемы энерго- и ресурсосбережения в

промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. Сборник материалов. Пенза, 2000, с. 23-24.

15. Каледа И.А., Демидочкин В.В. Проектирование кольцевых сетей из труб, покрытых эмалью. И Международный научно-практический семинар. Проблемы эгерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. Сборник материалов. Пенза, 2000, с. 27-30.

16. Риккер В.И., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Практика использования эмалированных труб в теплоснабжении Л Международный научно-практический семинар. Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. Сборник материалов. Пенза, 2000, с. 41-44.

П.Гукасов H.A., Риккер В.И., Каледа И. А., Демидочкин В.В. Гидродинамические исследования при движении горячей воды по трубам, покрытым эмалью / II Международная научно-практическая конференция «Теория, практика и перспективы использования труб с различными покрытиями». Пенза, 25-26 мая 2000 г.

18.Гукасов H.A., Риккер В.И., Каледа H.A., Демидочкин В.В. Сокращение потерь давления за счет использования труб, покрытых эмалью / II Международная научно-практическая конференция «Теория, практика и перспективы использования труб с различными покрытиями». Пенза, 25-26 мая 2000 г.

19.Гукасов H.A., Риккер В.И., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Гидравлические исследования по движению гидросмесей через трубы, покрытые эмалью / II Международная научно-практическая конференция «Теория, практика и перспективы использования труб с различными покрытиями». Пенза, 25-26 мая 2000 г.

20.Гукасов H.A., Риккер В.И., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Определение толщины пограничного слоя при движении воды по трубам, покрытым эмалью / II Международная научно-практическая конференция «Теория, практика и перспективы использования труб с различными покрьггиями». Пенза, 25-26 мая 2000 г.

21.Риккер В.И., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Экономия энергии при использовании труб, покрытых эмалью / II Международная научно-практическая конференция «Теория, практика и перспективы использования труб с различными покрытиями». Пенза, 25-26 мая 2000 г.

Введение

1. Обзор работ, связанных с использованием труб, покрытых эмалью

1.1. Опыт применения эмалированных труб в различных областях

1.2. Состав эмалей и технология эмалирования.

1.3. Коррозионная стойкость и долговечность труб, покрытых эмалью.

1.4. Способы соединений труб, покрытых эмалью.

1.5. Перспективы нанесения силикатно-эмалевого покрытия на фасонные части трубопроводов, скважин, рабочие колеса насосов и т.д.

Выводы.

2. Экспериментальные исследования и методика определения гидравлических сопротивлений при движении воды по трубам, покрытым эмалью.

2.1. Описание экспериментальной установки.

2.2. Оценка погрешности измерений.

2.3. Методика расчета коэффициента гидравлического трения А, для силикатно-эмалевых труб.

Выводы.

3. Использование эмалированных труб в водопроводных системах

Выводы.

4. Применение эмалированных труб в бурении для целей водоснабжения.

4.1. Движение жидкости в пространстве между колонной бурильных труб и стенками скважин.

4.2. Гидродинамическое давление на забое скважины при спуске или подъеме колонны бурильных труб.

4.3. Определение расходуемой мощности при использовании бурильных труб, покрытых эмалью.

Выводы.

5. Определение оптимальных параметров системы водоснабжения

Выводы.

Использование стальных труб для строительства напорных трубопроводов оросительных систем, холодного хозяйственно-питьевого, горячего коммунального водоснабжения и отопления, систем нефтепроводов и газопроводов обусловлено их высокой прочностью и хорошей сопротивляемостью труб динамическим нагрузкам и прогибающим усилиям. Стальные трубы применяют в трубопроводах, работающих при значительных внутренних давлениях, а также при укладке их в макропористых грунтах, в сейсмических районах, по мостам и эстакадам и при устройстве дюкеров.

Существенными недостатками стальных труб является их подверженность коррозии, которая ведет к огромной бесполезной трате металла, сокращению срока службы трубопроводов, увеличивает шероховатость внутренней поверхности стенок труб, что сопряжено с дополнительными затратами энергии на подачу жидкости. Таким образом, коррозия труб вызывает увеличение как строительных, так и эксплуатационных расходов в системах транспортировки жидкостей.

Для защиты от коррозии внешней поверхности стенок труб долгие годы применялись битумные покрытия. В настоящее время используется обмотка различными типами полимерных пленок как в полевых, так и в заводских условиях.

Для предохранения внутренней поверхности труб от коррозии применяют различные виды покрытий: цементно-песчаные, лаковые, эпоксидные, эмалевые и др. Одни из них имеют ограниченную область применения, а другие обуславливают значительное уменьшение площади поперечного сечения (це-ментно-песчаные), что приводит к увеличению гидравлических сопротивлений и снижению пропускной способности труб.

К настоящему времени накопился достаточно большой опыт использования силикатно-эмалевых покрытий для защиты от коррозии стальных труб.

В 1949 г. инженером Подклетновым было получено авторское свидетельство на изобретение - способ эмалирования труб с использованием для обжига покрытия метода нагрева труб в электромагнитном поле индуктора. С этого времени в России впервые в мире начала разрабатываться технология эмалирования труб на станках-автоматах с использованием индукционного обжига покрытий.

В 1961 г. во Всесоюзном научно-исследовательском институте по строительству магистральных трубопроводов (ВНИИСТ) была создана лаборатория эмалирования труб, на которую были возложены функции головного подразделения в области индукционного эмалирования труб.

В 1960-1970 гг. во ВНИИСТе на опытно-промышленной базе (ст. Львов4 екая Московской обл.) проведены работы по индукционному эмалированию опытных партий с внутренним и наружным покрытием.

По технологии ВНИИСТа созданы производства по эмалированию труб в г.г. Краснокамске, Шевченко, Похвистнево, которые ориентированы на нефтяников.

В г.г. Казани, Нижнем Новгороде, Волгограде, Москве, Донецке, Одессе с 1975 года созданы участки по эмалированию внутренней поверхности труб для нужд коммунального, теплоэнергетического хозяйства.

В 1980 году в Пензе объединением «Пензаводпром» впервые в мире была создана технология двухстороннего эмалирования труб с использованием метода нагрева труб в электромагнитном поле индуктора.

Метод индукционного эмалирования отмечен в 1990 году премией Совета Министров СССР, а в 1991 году на XIX Международном салоне по новейшим технологиям в Женеве - золотой медалью.

Выпускаемые Пензенским заводом трубы использовались в основном для сооружения мелиоративных систем и трубопроводов хозяйственно-питьевого назначения. В последние годы эти трубы нашли широкое применение при сооружении промысловых трубопроводов, транспортирующих высокоагрессивные среды на нефтяных месторождениях, строительстве теплотрасс, топливопроводах в аэропортах, а также при строительстве трубопроводов для перекачки высоко-агрессивных стоков животноводческих комплексов.

При эмалировании большое внимание уделяли рецептурам эмалей для покрытия труб. Был опробован ряд составов. Наилучшее качество показали безгрунтовые эмали МК-5 и МК-5Р, разработанные Рижским политехническим институтом и получившие гигиенический сертификат Госсанэпиднадзора РФ на использование в трубопроводах питьевого и хозяйственного назначения. Для транспортирования обводненной нефти с большими примесями сероводорода лабораторией ПО «Пензаводпром» и ВНИИСТом были разработаны кислотостойкие эмали №8 и №16. Участок варки фритты (гранулированной эмали) имеется на ОАО «Пензаводпром».

ОАО «Пензаводпром» выпускает стальные трубы с двухсторонним стек-лоэмалевым покрытием наружным диаметром 89.426 мм, толщиной стенки 3.8 мм, толщиной эмали 300.500 микрон (ТУ 1390-001-01297858-96).

Стоимость изоляции двухсторонним эмалированием составляет 65. 110% от стоимость стальной трубы в зависимости от ее диаметра, толщины стенки, химического состава и толщины эмалевого покрытия.

При строительстве трубопроводов наиболее эффективным способом соединения труб считается фланцевое, но оно является надежным только для низконапорных трубопроводов. Наибольшее распространение получило соединение стальных труб на сварке. Однако, долгое время сварные швы на эмалиро5 ванных трубопроводах оставались слабым местом. В настоящее время разработаны технологии сварки, обеспечивающие высокую коррозионную стойкость сварных стыков внутри трубы.

Несмотря на внедрение труб, покрытых эмалью, в мелиорацию, коммунальное хозяйство, газонефтедобычу и другие отрасли, их гидродинамические характеристики не изучались продолжительное время. Между тем, применение силикатных эмалей не могло не способствовать снижению гидравлических сопротивлений при движении различных жидкостей по трубам. Однако, рассмотрение данного аспекта осталось без должного внимания. В настоящей работе предпринимается попытка несколько восполнить данный пробел.

Диссертационная работа состоит из пяти глав.

В первой главе приводятся сведения по использованию эмалированных труб при решении различных технических вопросов, связанных с сооружением теплосетей, систем водоснабжения и мелиорации, решении актуальных задач добычи и транспорта нефти, а также целесообразность эмалирования как мероприятия, обеспечивающего долговечность и надежность той или иной системы в целом. Помимо этого, приводятся материалы, свидетельствующие о коррозионной стойкости трубопроводов, современные способы соединения стыков, составы эмалей и технология покрытия.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям по движению воды в трубах и силикатно-эмалевым покрытием. В результате обработки полученных данных была разработана методика расчета по определению гидравлических сопротивлений, отличающаяся от существующих учетом эффекта скольжения воды по стенкам трубы.

В третьей главе приводятся результаты исследований по использованию эмалированных труб в водоснабжении. Здесь приводятся расчеты кольцевых сетей, потери напора в которых определялись при помощи нашей формулы. Для сравнения, расчет кольцевых сетей выполнен и с использованием других труб при тех же равных условиях. Установлено значительное снижение потерь напора в системе из труб, покрытых эмалью, по сравнению с любыми другими, применяемыми в водоснабжении. Кроме того, определено, что отношение суммарных потерь напора в кольцевой сети из обычных труб, покрытых эмалью, возрастает с увеличением расхода жидкости, что также показывает значительное преимущество силикатно-эмалевых труб.

Четвертая глава посвящена применению эмалированных труб для бурения скважин. Здесь решаются задачи по движению жидкости в пространстве между колонной бурильных труб и стенками скважины. Выводятся формулы для расчета гидродинамического давления на забое при спуско-подъемных операциях. Все решенные задачи свидетельствуют о целесообразности использования силикатно-эмалевых покрытий в бурении скважин. 6 операциях. Все решенные задачи свидетельствуют о целесообразности использования силикатно-эмалевых покрытий в бурении скважин.

В пятой главе аналитическим способом решается задача по определению оптимального диаметра водовода, обеспечивающего минимум суммарной стоимости линейной части и насосной станции с учетом полученного коэффициента гидравлического сопротивления для эмалированных труб. Получены выражения для определения суммарной стоимости сооружения. Приведенные расчеты показали, что с учетом долговечности труб, покрытых эмалью, система водоснабжения, изготовленная из них, дешевле, чем из обычных стальных труб, более чем на 58%.

Элемент теоретической новизны заключается в нетрадиционных граничных условиях, согласно которым скорость жидкости на стенках канала, ограничивающего поток, не равняется скорости самой стенки. Вводимое при этом проскальзывание предлагается определить экспериментально.

Актуальность работы обусловлена постоянным стремлением технической общественности снизить гидравлические сопротивления.

Практическая ценность диссертации связана с возможностью увеличения пропускной способности, уменьшением диаметра и металлоемкости трубопровода, а также со снижением расходуемой мощности. 7

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Практика использования эмалированных труб в мелиорации, водо- и теплоснабжении, нефтедобыче показала значительное повышение антикоррозионной стойкости и снижение гидравлических сопротивлений сравнительно с соответствующими показателями при применении стальных труб.

2. Экспериментальные исследования по определению гидравлической характеристики при движении воды в трубе, покрытой эмалью, позволили получеть выражение для коэффициента гидравлических сопротивлений Я; потери давления по трубе, покрытой эмалью, в 1,57 раза ниже соответствующей величины для новых стальных труб. С учетом «зарастания» стальных труб это соотношение возрастает. Указанный эффект может быть реализован в виде повышения пропускной способности эмалированного трубопровода в 1,29 раз или снижения диаметра трубопровода в 1,1 раз, что эквивалентно снижению металлоемкости в 1,21 раз.

3. Сравнительные расчеты кольцевых сетей, составленных из различных труб, применяемых в водоснабжении, показали значительное снижение потерь напора в сетях за счет применения труб, покрытых эмалью (от 1.88 до 4,99 раз).

4. Решены задачи по определению потерь давления при движении жидкости между двумя неподвижными цилиндрами и при условии, что внутренний цилиндр движется с постоянной скоростью. Установлено, что наличие эмалевого покрытия на внешней поверхности внутреннего цилиндра обуславливает снижение расходуемой мощности в одном случае и позволяет увеличить скорость спускоподъемных операций из-за меньшего изменения гидродинамического давления на забое скважины в другом случае.

5. Аналитическим способом получены выражения для определения оптимальных диаметров, а также суммарной стоимости систем из стальных и эмалированных труб. Установлено, что применение труб, покрытых эмалью, позволит снизить суммарную стоимость сети не менее, чем на 58%, с учетом разных сроков службы этих труб.

6. Полученные результаты работы использовались ЗАО НЕГАС для внедрения эмалированных труб при строительстве водоводов в городах Москва и Вильнюс в 1998-1999 годах.

103

1. В. Бэкман, В. Швенк. Катодная защита от коррозии. М. «Металлургия», 1984, 495 с.

2. Вебер В.И. и др. Преимущества эмалевых покрытий для защиты нефтепромыслового оборудования от коррозии в условиях Мангышлака // Нефт. Хоз-во. 1986. - №9. - с. 61-62.

3. Вебер В.И. и др. Разработка технологии сварки эмалированных труб в полевых условиях: Тез докл. Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов предприятий нефтяной и газовой промышленности. Шевченко, 1985, с. 1-2.

4. Влияние химического состава безгрунтовой эмали на дефект «рыбья чешуя» / Р.И. Никитина, А.П. Щепкин и др. // Стекло и керамика. 1986. - №6. - с. 20-21.

5. Гукасов H.A., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Гидродинамика труб, покрытых эмалью. Учебное пособие. Пенза 2000.

6. Двухстороннее эмалирование труб для мелиоративного строительства / Л.К. Бидермание, В.Б. Ковалевский и др. // Стекло и керамика. 1984. - №9. - с. 17-18.

7. Материалы НТК «Повышение энергетической эффективности систем теплоснабжения и вентиляции зданий и сооружений. Урало-Сибирский Дом экономической и научно-технической пропаганды общества «Знание» РСФСР. Челябинск 1990.

8. Альтшуль А.Д. Гидравлические потери на трение в трубопрововодах. М,-Л.: Гостоптехиздаг, 1963.

9. Альтшуль А. Д., Калицун В.И. Гидравлические сопротивления трубопроводов. -М.: Стойиздат, 1964.

10. Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Семенов Н.И. и др. Гидрогазодинамика газожидкостных смесей в трубах. М.: Недра, 1969.

11. Гукасов H.A., Пирвердян A.M. Теоретическое исследование движения цилиндрических тел при турбелентном обтекании однородной жидкостью // Изв. АН СССР. Сер. Машиностроение. 1962, №3.

12. Гукасов H.A., Пирвердян A.M. Применение степенных законов к решению некоторых задач гидравлики // Изв. АН Азерб. ССР. Сер. Геологогеографические науки, 1962, №3.

13. Гукасов H.A. Гидродинамика при креплении скважин. М.: Недра, 1976.

14. Гукасов H.A. Механика жидкости и газа. Учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1996.-443 с.104

15. Гукасов H.A., Михайловский Ю.Н., Риккер В.И. Теория, практика и перспективы использования труб, покрытых эмалью.

16. Эмалирование металлических изделий / Под ред. В.В. Варгина. JL: Машиностроение, 1972.

17. Подклетнов E.H., Сиротинский A.A. Эмалирование труб и резервуаров на станках-автоматах / Строительство трубопроводов. 1973, №6.

18. Белоусов В.Д., Галиулин З.Т., Черникин В.И. Оптимальные параметры многониточных газопроводов //Газовая промышленность. 1961, №3.

19. Галиулин З.Т., Черникин В. И. Новые методы проектирования газонефтепроводов. -М.: Недра, 1964.

20. Ходанович И.Е. Аналитические основы проектирования и эксплуатации магистральных газопроводов. -М.: Гостоптехиздат, 1961.

21. Гукасов H.A. Применение гидравлики вязких и вязкопластичных жидкостей к решению ряда вопросов бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Дисс. на соиск. уч. степ, д-ра техн. наук. М.: МИНХ и ГП им. Н.М. Губкина, 1964.

22. Гукасов H.A. Гидродинамические особенности промывки и крепления скважин. М.: Недра, 1979.

23. Дикаревский B.C., Якубчин П.П., Продоус O.A. Гидравлические сопротивления железобетонных напорных труб с улучшенной внутренней поверхностью. Водоснабжение и сантехника, 1981, №9.

24. Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб. Справочное пособие. М., Стройиздат, 1984.

25. Водоснабжение и водоотведение. Наружные сети и сооружения. Справочник / Б.Н. Репин, С.С. Запорожец, В.Н. Ереснов и др. Под ред. Б.Н. Репина. -М.: Высшая школа, 1995. -431 с.

26. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных и асбестоцементных напорных трубопроводов: Справочное пособие / С.Д. Гольдштейн, Н.П. Можайцев, Г.И. Личман и др.; Под ред. С.Д. Гольдштейна. -М.: Стойиздат, 1986. -248с.

27. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Е.В. Аметистов, В.А. Григорьев, Б.Т. Емцов и др.; Под общ.ред. В.А. Григорьева и В.Н. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. - 512с, ил. - (Теплоэнергетика и теплотехника)

28. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды. Абрамов H.H. -М.: Стройиздат, 1972. -288с.

29. Математическая обработка результатов эксперимента. JI.3. Румшинский. Главная редакция физико-математической литературы из-ва «Наука», 1971.

30. A.A. Черный Планирование экспериментов и математическое моделирование процессов. Саратов 1977.105

31. Карелин В.Я., Новодережкин P.A. Насосные станции с центробежными насосами. -М: Стойиздат, 1983. -224с.ил.

32. Сапожников М.М. Гидравлические закономерности турбулентного движения в трубах из различных материалов. Стройиздат, 1964.

33. Р.Моррисон, Ж.Херпелс, Л.Хансен. Стекловолокнистые трубы логичный выбор. / Водоснабжение и санитарная техника - №7, 1999.

34. Демидочкин В.В. Уменьшение гидродинамического давления на забое скважины, на различных этапах строительства за счет применения бурильных труб, покрытых эмалью // Материалы XXIX научно-технической конференции. ПГАСА. Часть IV. Пенза, 1997, с. 35.

35. Демидочкин В.В. Коэффициент гидравлического сопротивления для труб, покрытых эмалью // Материалы XXIX научно-технической конференции. ПГАСА. Часть IV. Пенза, 1997, с. 36.

36. Демидочкин В.В. Применение труб, покрытых эмалью, для повышения эффективности системы водоснабжения // Вопросы планировки и застройки городов. IV Международная научно-практическая конференция. ПГАСА, Пенза, 1997, с. 156-157.

37. Демидочкин В.В. Использование эмалированных труб в системах подачи жидкостей и при бурении скважин / Материалы семинара «Энергосбережение в промышленно-хозяйственном комплексе» Пенза, 1998г.

38. Риккер В.И., Каледа И.А., Демидочкин В.В. Экономия энергии при использовании труб, покрытых эмалью / II Международная научно-практическая конференция «Теория, практика и перспективы использования труб с различными покрытиями». Пенза, 25-26 мая 2000 г.

39. A.c. 1268348 СССР, МКИ4 В 23 К 31/06. Способ изготовления трубопроводов из эмалированных труб.

40. Михайловский Н.Ю. и др. Отчет по работе «Коррозионные испытания стеклоэмалевых покрытий типа МК-5 на трубах, предназначенных для нефтепромыслов Тюменского региона» М.% 1996. ИФХ РАН. Центр коррозионных испытаний.

41. Н. Нотт, Э.Девис Электронные процессы в некристаллических веществах. М. «Мир», т.1 и 2, 1982. 663 с.

42. Нефтяная промышленность. Сер. Нефтепромысловое дело: Обзор. Информ. Вып 9, 1-40.

43. Применение эмалевых покрытий на месторождениях Мангышлака / А.Л. Ивлев, В.И. Вебер и др. М., 1986. - с. 1-5. - (Обзор. Информ. / ВНИИОЭНГ. Сер. «Нефтепромысловое дело»; Вып 4).

44. Разработка технологических процессов при эмалировании нефтепромыслового оборудования: Отчет о НИР промежуточн. КазНИПИнефти / Руководитель Ивлев А.П. Шифр заказа-наряда 4476. -Шевченко. - 198 с.

45. РД ПермНИПИнефть. Технологический процесс эмалирования труб нефтяного сортамента. Пермь, 1986.

46. Рейзин Б.Л. Защита систем горячего водоснабжения от коррозии. М., Стройиздат, 1986. - 112 с.

47. Способ изготовления трубопроводов из эмалированных труб. Положительное решение по заявке на изобретение 4082314/22-27. Заявл. 01.07.86.

48. СТО 06-101-84. ПО Мангышлакнефть. Технология эмалирования опытно-промышленной партии насосно-компрессорных труб.

49. Стрижевский И.В., Сурис М.А. Защита подземных теплопроводов от коррозии. М.: Энергоатомиздат, 1983. -334 с.

50. Штамповщик эмалировщик / В.Г. Мишанин, Ю.Д. Баранов и др. - М., Металлургия, 1984. - 248 с.

51. Проректору по научной работе ПГАСА д.т.н. проф. Прошину А.П.1. СПРАВКАо внедрении диссертационной работы В.В.Демидочкина "Совершенствование системы подачи и распределения воды с применением труб, покрытых эмалью"

52. В диссертационной работе В.В.Демидочкина было также установлено, что потери давления при движении воды в эмалированных трубах в два раза ниже таковых в случае использования трубы с цементно-песчаным покрытием.

53. Полученные результаты использованы для широкой рекламы нашей продукции, что содействовало эффективному внедрению эмалированных труб при строительстве водоводов в гг. Москва, Вильнюс в 1998-1999гг.

54. Перечисленные результаты были доложены на НТС РАО "Роснефтегазстрой" 23 декабря 1998г. и получили высокую оценку.

55. Первый заместитель генерального директора ЗАО "НЕГАС"м