AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA

im. STANISŁAWA STASZICA

w KRAKOWIE

Magazynowanie i Transport Ropy

Temat:

Projektowanie odcinka rurociągu dalekiego zasięgu spełniającego postawione wymagania

David Kupczyński

III GiG, gr.3

Kraków 2012

Dane do projektu:

n=6 - numer projektu

1. Gęstość właściwa ropy naftowej w temp. 30 ^oC - ρr = 870 [kg/m³]

2. Współczynnik lepkości kinematycznej w temp. 30 ^oC - νr = 7,1 ·10^-5 [m²/s]

3. Długość rurociągu - L = 25 km

4. Wydatek masowy przetłaczanej ropy naftowej - M = 6 · 1000=6000 [t/dobę]=250 [t/h]=69,44 [kg/s]

5. Maksymalna prędkość przepływu ropy przez rurociąg - v = (0,75 + 0,2·6)=1,95 [m/s]

6. Ciśnienie wewnątrz rurociągu (ciśnienie tłoczenia ropy) - P = (3,9 + 0,2 · 6)=5,1 [MPa]

7. Współczynnik warunków pracy rurociągu - m przyjąć z przedziału 0,6 - 0,9 przyjęto 0,68

8. Współczynnik parametrów wytrzymałościowych rurociągu - γm przyjąć z przedziału 1,1 - 1,2 przyjęto 1,13

9. Współczynnik konsekwencji zniszczenia rurociągu - γn przyjąć z przedziału 1,02 - 1,1 przyjęto 1,03

10. Współczynnik obciążenia ciśnieniem wewnętrznym - γ_f przyjąć z przedziału 1,00-1,15 przyjęto 1,02

11. Współczynnik wytrzymałości spoiny w stosunku do obliczeniowej wytrzymałości materiałowej αsp przyjąć z przedziału 0,80-1,00 przyjęto 0,85

12. Współczynnik korekcyjny η - przyjąć z przedziału 0,90-1,00 przyjęto 0,94

13. Współczynnik uwzględniający różnicę pomiędzy granicą odkształceń Re i granicą rozerwania Rm zależny od kategorii rurociągu K - przyjąć z przedziału 0,65-1,00 przyjęto 0,68

1. Wytyczenie trasy rurociągu dalekiego zasięgu.

2. Określenie minimalnej średnicy wewnętrznej rurociągu

Założenia do projektu

projektowany odcinek jest:

1.) prostoliniowy

2.) poziomy (początek i koniec znajdują się na tej samej wysokości)

3.) jednakowej średnicy i grubości

4.) zamontowana armatura, zmiany kierunku itp. - powodują zaniedbywalne opory ruchu

5.) ulokowany w gruncie o jednakowych właściwościach (także współczynniki przewodzenia ciepła)

6.) ulokowany w gruncie o jednakowej temperaturze wzdłuż całej trasy

3. Dobór gatunku stali i rur przewodowych

Rury stalowe bezszwowe produkcji huty Batory

Gatunek stali	Średnica wewnętrzna	Grubość ścianki	Wytrzymałość na rozciąganie Rm,	Granica plastyczności Re
X65	0,2731 [m]	0,0093 [m]	535 [MPa]	450 [Pa]

4. Określenie naprężenia w rurze rurociągu spowodowanego ciśnieniem wewnętrznym

Stan naprężeń w rurze wywołany ciśnieniem wewnętrznym tłoczonego medium

promień wewnętrzny

promień zewnętrzny rury

Naprężenia osiowe:

Naprężenia osiowe zredukowane:

Naprężenia promieniowe w rurociągu na ściance wewnętrznej rury:

Naprężenia promieniowe w rurociągu na ściance zewnętrznej rury:

Naprężenia obwodowe w rurociągu na ściance wewnętrznej rury:

Naprężenia obwodowe w rurociągu na ściance zewnętrznej rury:

Naprężenia osiowe w rurociągu:

Naprężenia zredukowane w rurociągu na ściance wewnętrznej rury:

Naprężenia zredukowane w rurociągu na ściance zewnętrznej rury:

5. Określenie minimalnej grubości ścianki rurociągu poddanego działaniu tylko ciśnienia wewnętrznego tłoczonego medium-metoda stanów granicznych (metoda Łubińskiego)

Zmodyfikowana wytrzymałość na rozciąganie f_d:

I STAN GRANICZNY

Minimalna grubość ścianki-jednoosiowy stan naprężeń:

gdzie: γ_p - współczynnik pulsacji określony za pomocą tabeli, ilość pulsacji N=10284 to γ_p=0,94

Minimalna grubość ścianki-dwuosiowy stan naprężeń:

gdzie:
-parametr uwzględniający dwuosiowy stan naprężeń:

Ostatecznie minimalna grubość ścianki rury (większa dla dwuosiowego stanu naprężeń) wynosi 0,00331 [m], grubość ścianki należy zwiększyć o odchyłkę hutniczą tj. o 20%. Ponad to obliczona grubość powinna spełniać poniższy warunek:

Powyższe warunki zostały spełnione więc jako minimalną grubość ścianki rury przyjęte zostaje:

g_s= 0,0093 [m]

I STAN GRANICZNY:

Jednoosiowy stan naprężeń:

Dwuosiowy stan naprężeń:

II STAN GRANICZNY

Minimalna grubość ścianki-jednoosiowy stan naprężeń:

gdzie: K - współczynnik określający różnicę pomiędzy granicą odkształceń R_e i granicą rozerwania, K=0,68

η - współczynnik korekcyjny, η=0,94

Minimalna grubość ścianki- dwuosiowy stan naprężeń:

gdzie: Ψ₂ -parametr uwzględniający dwuosiowy stan naprężeń

Ostatecznie minimalna grubość ścianki rury (większa dla dwuosiowego stanu naprężeń) wynosi 0,00466 [m], grubość ścianki należy zwiększyć o odchyłkę hutniczą tj. o 20%. Ponad to obliczona grubość powinna spełniać poniższy warunek:

Powyższe warunki zostały spełnione więc jako minimalną grubość ścianki rury przyjmuję:

g_s= 0,0093 [m]

II STAN GRANICZNY

Jednoosiowy stan naprężeń:

Dwuosiowy stan naprężeń:

Powyższe warunki zostały w pełni spełnione, dlatego też za minimalną grubość ścianki przyjmuje się g_s=0,0093

6. Określenie naprężenia w rurze rurociągu wywołane ciśnieniem zewnętrznym

gdzie: σ_x, σ_y - naprężenia poziome w gruncie

k - współczynnik nacisku bocznego (parcia)

Naprężenia pionowe w gruncie σ_z

gdzie: ρ_śr - średnia gęstość właściwa nadkładu

g - przyspieszenie ziemskie

h_śr - średnia wysokość nadkładu

Ciśnienie krytyczne:

gdzie: ν - liczba Poissona (dla stali ν=0,3)

E - moduł Younga dla materiału rury (dla stali 205-210 [GPa])

Dopuszczalne ciśnienie zewnętrzne powinno być co najmniej pięciokrotnie mniejsze od ciśnienia krytycznego

ρ_śr - średnia gęstość właściwa 2000 [kg/m³] i E=210 [GPa]

Lp.	dw	gs	dśr	hśr	σz	σx ,σy	Pkr	Pkr/5	σz OK.?
-	[mm]	[mm]	[mm]	[m]	[MPa]	[MPa]	[MPa]	[MPa]	Tak/Nie
1	273,1	9,3	282,6	0,5	0,00981	0,00420	16,48	3,297	Tak
2	273,1	9,3	282,6	0,8	0,0157	0,00675	16,48	3,297	Tak
3	273,1	9,3	282,6	1,0	0,0196	0,00841	16,48	3,297	Tak
4	273,1	9,3	282,6	1,2	0,0235	0,01009	16,48	3,297	Tak
5	273,1	9,3	282,6	1,5	0,0294	0,01261	16,48	3,297	Tak
6	273,1	9,3	282,6	2,0	0,0392	0,01681	16,48	3,297	Tak
7	273,1	9,3	282,6	3,0	0,0588	0,02522	16,48	3,297	Tak
8	273,1	9,3	282,6	5,0	0,0981	0,04203	16,48	3,297	Tak
9	273,1	9,3	282,6	8,0	0,1570	0,06725	16,48	3,297	Tak
10	273,1	9,3	282,6	10	0,1961	0,08406	16,48	3,297	Tak
11	273,1	9,3	282,6	20	0,3923	0,1681	16,48	3,297	Tak
12	273,1	9,3	282,6	50	0,981	0,4203	16,48	3,297	Tak
13	273,1	9,3	282,6	100	1,961	0,8406	16,48	3,297	Tak
14	273,1	9,3	282,6	200	3,923	1,681	16,48	3,297	Nie
15	273,1	9,3	282,6	500	9,807	4,203	16,48	3,297	Nie

Głębokość od jakiej ciężar nadkładu powinien być uwzględniany podczas projektowania:

7. Określenie naprężeń w rurze rurociągu wywołanych zmianami temperatury

Naprężenie termiczne (w kierunku osiowym) z prawa Hook'a wyrażone zależnością:

gdzie: α_T - współczynnik rozszerzalności termicznej (dla stali α_T=0,000012 [1/^oC]

Δt - zmiana temperatury (pomiędzy temperaturą układania i eksploatacji)

E - moduł Younga dla materiału rury (dla stali 206-210 [GPa])

Lp.	Δt	σT
-	^oC	MPa
1	10	25,2
2	15	37,8
3	20	50,4
4	25	63,0
5	30	75,6
6	40	100,8
7	50	126
8	60	151,2
9	80	201,6
10	100	252,0

8. Spadek ciśnienia w rurociągu

Spadek ciśnienia w rurociągu przy przepływie izotermicznym:

Liczba Reynoldsa:

gdzie: v - maksymalna prędkość przepływu ropy przez rurociąg

v_r - współczynnik lepkości kinematycznej

d_w - średnica wewnętrzna rurociągu

Liczba Reynoldsa wskazuje na przepływ o charakterze przejściowym (częściowo turbulentnym).

Średnia liniowa prędkość przepływu:

Współczynnik oporów ruchu wynikający z chropowatości powierzchni wewnętrznej rurociągu - równanie Blasiusa:

Spadek ciśnienia w rurociągu określony równaniem Darcy-Weisbacha:

9. Spadek ciśnienia w rurociągu przy przepływie nieizotermicznym

Dane:

1. Gęstość właściwa ropy naftowej w temp. 30 ^oC - ρr = 870 [kg/m³]

2. Współczynnik lepkości kinematycznej w temp. 30 ^oC - νr = 7,1 ·10^-5 [m²/s]

3. Współczynnik lepkości kinematycznej w temp. 50 ^oC - νr = 3 ·10^-5 [m²/s]

4. Temperatura początkowa ropy w rurociągu T₁=50 ^oC

5. Temperatura krzepnięcia ropy T_krz =0 ⁰C

6. Minimalna temperatura gruntu T₀=5 ⁰C

7. Grunt piaszczysty, lekko wilgotny, warunki zimowe

8. Głębokość ułożenia rurociągu: 1,5 m

9. Współczynnik przenikania ciepła z rurociągu do gruntu: k_r=3,0 [kcal/m²*h*⁰C]

10. Współczynnik przewodzenia ciepła w gruncie na podst. tabeli λ_gr=1,330[kcal/m²*h*⁰C]

Krok I:

Temperatura średnia ropy w rurociągu:

Jako T₂ przyjmuje się 30⁰C

Ciepło właściwe ropy dla temperatury średniej z równania Fortach-Whitmana:

Gęstość ropy w 15^oC oblicza się z zależności:

Końcowa temperatura ropy w rurociągu:

Krok II:

Jako T₂ przyjmujemy 29,6⁰C

Ciepło właściwe ropy dla temperatury średniej z równania Fortach-Whitmana:

Końcowa temperatura ropy w rurociągu:

Średnia temperatura ropy w rurociągu:

Gęstość ropy dla temperatury średniej:

Objętościowy wydatek przepływu:

Liniowa średnia prędkość przepływu ropy w rurociągu:

Kinematyczny współczynnik lepkości w temperaturze średniej:

Liczba Reynoldsa:

Przepływ ma charakter przejściowy, dlatego do wyznaczenia spadku ciśnienia wykorzystamy wzór Poiseuille'a

Współczynnik przenikania ciepła dla średniej temperatury przetłaczanej ropy:

Wewnętrzny współczynnik wnikania ciepła dla przepływu burzliwego:

Współczynnik lepkości kinematycznej dla temperatury ścianki rurociągu:

Za temperaturę ścianki rurociągu przyjmuje się średnią arytmetyczna temperatury otoczenia oraz temperatury przetłaczanej ropy tj. 27,5^oC

I KROK: za temperaturę ścianki rurociągu przyjmuje się T_w=27,5^oC

Współczynnik przewodzenia gruntu przyjęty na podstawie tabeli:

Zewnętrzny współczynnik wnikania ciepła na głębokości h:

Bilans cieplny:

Zbyt duży błąd

II KROK:

T_w=43,71 ^oC

Współczynnik przenikania ciepła

III KROK:

T_w=43,71 ^oC

Współczynnik przenikania ciepła

Koniec przybliżeń

Współczynnik a_l dla przepływu przejściowego:

Spadek ciśnienia w rurociągu, przyjmuje się wartość współczynnika m=3:

Obliczony spadek ciśnienia w rurociągu o długości 25 km wynosi 2,749 [MPa], jest mniejszy od założonego w projekcie maksymalnego ciśnienia tłoczenia p=5,1 [MPa]

---