книги / Трубопроводный транспорт нефти и газа

стотно-аналоговый преобразователь 5, соединенный с вычислительным блоком 6 и регистрирующим прибором 7.

Достоинством диэлектрических и ультразвуковых приборов яв­ ляется то, что их чувствительные элементы могут встраиваться не­ посредственно в нефтепродуктопровод, исключая устройства отбора пробы с использованием насосов.

Ограничением для широкого применения на нефтепродуктопроводах приведенных методов и приборов контроля являются их недоста­ точная селективность и разрешающая способность при контроле пар нефтепродуктов с близкими характеристиками по химическому со­ ставу (например, смеси различных марок бензинов и разных сортов дизельных топлив).

(Н В этих условиях представляют интерес спектрофотометрический и индикаторный методы контроля последовательной перекачки нефте­ продуктов. Спектрофотометрический метод контроля основан на связи между поглощением оптического излучения и концентрацией, опреде­ ляемой законом Бугера—Ламберта—Бера Ух = J 0^exр (— щс1), где Ух — интенсивность излучения, прошедшего через слой вещества тол­ щиной I и концентрацией с; J ox — интенсивность падающего на ве­ щество излучения; Их — молярный коэффициент поглощения, опреде­ ляемый свойствами молекул растворенного вещества и длиной волны света Я оптического излучателя.

Спектрофотометрический метод измерения концентрации нефте­ продуктов для различных парных сочетаний последовательно пере­ качиваемых продуктов (бензин—бензин, бензин—дизтопливо, дизтоп­

На рис. 6.24 представлена структурно-функциональная схема ИИС

231

Глава 7

ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ПЕРЕКАЧКИ НЕФТЕЙ, НЕФТЕПРОДУКТОВ И ГАЗА ПО ТРУБОПРОВОДАМ 1

В настоящее время добывается значительное количество высоковяз­ ких и высокопарафинистых нефтей, застывающих при сравнительно высоких температурах. Перекачка таких нефтей обычным способом нерациональна, так как при температуре окружающей среды велико гидравлическое сопротивление трубопроводов. Снижение гидравли­ ческого сопротивления трубопроводов обеспечивается различными способами повышения текучести нефтей: смешение вязких и застываю­ щих нефтей и нефтепродуктов с маловязкими и совместная их пере­ качка, смешение и перекачка с водой, термическая обработка засты­ вающих парафинистых нефтей и нефтепродуктов и последующая их перекачка, перекачка газонасыщенных нефтей, использование при- садок-депрессаторов в нефти и др. В каждом случае выбор способа перекачки должен быть обоснован технико-экономическим расчетом.

7.1. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЯЗКИХ И ЗАСТЫВАЮЩИХ НЕФТЕЙ

Реология —- наука, занимающаяся изучением текучести жидких, га­ зообразных и пластических веществ, а также процессов, связанных с остаточными деформациями твердых тел. Свойства жидкости, от которых зависит характер их течения, называются реологическими. В трубопроводном транспорте реологические характеристики нефтей оцениваются следующими параметрами: вязкостью (ньютоновской), пластической вязкостью, эффективной вязкостью, начальным (стати­ ческим) напряжением сдвига, предельным динамическим напря­ жением сдвига и температурой застывания.

Характер течения жидкости определяется видом зависимости на­ пряжения сил трения на поверхности соприкосновения слоев жидко­ сти или напряжения сдвига т от градиента скорости по радиусу или скорости сдвига dw/dr. Графическое напряжение этой зависимости называется кривой течения жидкости.

Для светлых нефтепродуктов, нефтей с низким содержанием па­ рафина и парафинистых нефтей при высокой температуре справед­ лива полученная Ньютоном зависимость, которую он сформулировал следующим образом: «Сопротивление, которое возникает из-за не­ достаточного проскальзывания частиц жидкости, при прочих равных

1В наги:сании этой главы принимали участие проф. В. Н. Аитипьев и доц.

С.Н. Чели щев.

233

Рис. 7.1. Зависимость напря­ жения сдвига т от скорости сдвига d w l d r для различных жидкостей

условиях, пропорционально скорости, с которой частицы жидкости перемещаются друг относительно друга», или

d r

где р — коэффициент динамической вязкости.

Жидкости, для которых справедлива приведенная зависимость т от dwldr при постоянной величине р, называются ньютоновскими, а вязкость таких жидкостей — ньютоновской.

Поведение многих жидкостей, в частности парафинистых нефтей и нефтепродуктов, при температурах, близких к температуре их засты­ вания, не подчиняется закону Ньютона. Такие жидкости называются неньютоновскими. Существует несколько классов неньютоновских жидкостей, различающихся по виду кривой течения (рис. 7.1). Кри­ вые течения описывают поведение жидкостей: пластичных, или бин­ гамовских /, псевдопластичных 2, ньютоновских 3 и дилатантных 4 . Как видно из рис. 7.1, кривые течения псевдопластичных, ньютонов­ ских и дилатантных жидкостей проходят через начало координат, следовательно, их течение начинается при малейших перепадах дав­ лений. Течение бингамовских жидкостей начинается только после создания определенного напряжения т„. При меньших, чем т0, напря­ жениях такие жидкости ведут себя как твердые тела, а при больших — как жидкости. Реологическое уравнение бингамовской жидкости было получено из сочетания двух уравнений — уравнения Ньютона и рео­ логического уравнения пластического тела (т = т0) — и может быть записано следующим образом:

,d w

t — т 0 Ч~ 'Ппл —“— ‘ d r

Оно содержит два коэффициента: предел текучести т0 и вязкость т)Пл, которая называется пластической вязкостью.

Для псевдопластичных и дилатантных жидкостей в широком диа­ пазоне изменения скорости сдвига в технических расчетах можно применять степенную зависимость напряжения от скорости сдвига

п~-1 (fay

1

d r

234

где | dw/dr — безразмерный модуль скорости сдвига; п и k — по­ стоянные для данной жидкости коэффициенты. Коэффициент п назы­

Течение парафинистых нефтей и нефтепродуктов при температу­ рах, близких к температуре их застывания и ниже, может быть опи­ сано кривыми / или 2 (см. рис. 7.1). Иначе говоря, они могут быть отнесены к пластичным или пеевдоплантичным жидкостям, а при до­ статочно высоких температурах — к ньютоновским жидкостям. Эта особенность связана с высоким содержанием парафина в таких нефтях. При высокой температуре основное количество парафина, содержа­ щегося в нефти, находится в растворенном состоянии. В этих усло­ виях нефть является ньютоновской жидкостью.

При снижении температуры из нефти начинает выкристаллизовы­ ваться парафин, что влечет за собой изменение структуры жидкой фазы нефти. Сущность этого изменения заключается в упорядочен­ ности расположения молекул растворенного вещества за счет сниже­ ния их теплового движения. По мере охлаждения раствора способ­ ность молекул растворителя удерживать в рассеянном и изолирован­ ном состоянии молекулы парафина снижается, т. е. снижается раство­ ряющая способность растворителя. При дальнейшем снижении тем­ пературы концентрация парафина в углеводородной среде достигает такого уровня, при котором раствор становится насыщенным. Однако кристаллизация парафина при этом не начинается, и необходимо не­ которое перенасыщение раствора, которое создает возможность по­ явления достаточно крупных кристаллов парафина.

При приближении температуры охлаждения к температуре засты­ вания Т3 число и размеры кристаллов настолько увеличиваются, что они образуют пространственную структурную решетку по всему объему нефти, иммобилизуют жидкую фазу нефти. Нефть приобретает свойства псевдопластичных, а затем и пластичных жидкостей.

Некоторые высокопарафинистые нефти (например, мангышлакские) обладают еще и свойствами тиксотропных жидкостей. Тиксот­ ропия — это свойство тел, благодаря которому отношение касатель­ ного напряжения к скорости деформации (сдвига) временно умень­ шается за счет предшествующих деформаций. Иными словами, тиксот­ ропия — это способность жидкости с течением времени восстанавли­ вать разрушенную ранее структуру.

Вязкость (ньютоновская). При перекачке вязких жидкостей влия­ ние вязкости на гидравлические потери весьма существенны, поэтому в каждом реальном случае надо определять вязкость с наиболее воз­ можной точностью. 1'сли нет возможности получить в лаборатории вязкостно-температурную кривую нефти, то ее вязкость при интере­ сующей температуре можно рассчитать по эмпирическим формулам. Наибольшее распространение получили следующие формулы:

Американского общества испытания материалов (ASTM) lp lg(v 4 0,8) a b lg Г;

235