La vitesse de déplacement du fluide dans un pipeline gravitaire. Calcul des canalisations gravitaires et siphonnées

Les pipelines sans pression (gravitaires) comprennent les conduites d'égout, les canaux de drainage (égouts pluviaux), les conduites d'huile et d'eau par gravité, etc.

Les formes de section transversale les plus courantes des canalisations sans pression sont : rondes (Fig. 5), ovoïdes (Fig. 5) et creuses (Fig. 5). Ces tronçons se caractérisent par une caractéristique hydraulique intéressante : le débit le plus élevé et vitesse la plus élevée ils ne se produisent pas avec un remplissage complet, mais seulement avec un remplissage partiel.

Ceci s'explique par le fait que lorsque la partie supérieure de telles sections est remplie, le périmètre mouillé augmente plus vite que la surface, et donc le rayon hydraulique commence à diminuer, ce qui entraîne simultanément une diminution de la vitesse et du débit.

Les calculs hydrauliques des canalisations à écoulement libre sont effectués de la même manière que les calculs des canaux ouverts, ce qui est naturel, puisqu'une canalisation à écoulement libre est essentiellement aussi un canal ouvert ; La seule différence entre les canalisations et les canaux au sens hydraulique est la diminution mentionnée ci-dessus du rayon hydraulique des canalisations lorsque leur partie supérieure est remplie, tandis que le rayon hydraulique d'un canal augmente constamment avec l'augmentation du remplissage.

Fig.6 Fig.7

Pour simplifier les calculs, les valeurs des caractéristiques de la canalisation (surface de section, rayon hydraulique et valeurs, en fonction de la profondeur de remplissage, peuvent être calculées à l'avance pour certaines formes de section transversale.

Si on note par W 0 et valeurs du module de vitesse et du module de débit au remplissage complet h 0 pipeline, et les mêmes lettres sans index - leurs significations lors d'un remplissage partiel h, les valeurs de rapport peuvent être calculées

selon ; les dépendances résultantes pour les canalisations de sections rondes, ovoïdes et en auge sont présentées sous forme de graphiques sur les figures 6, 7, 8. À l'aide de ces graphiques, les valeurs de vitesse et le débit Q pour un remplissage partiel peut être trouvé à l'aide des formules

8.5. Mouvement sans pression en mode laminaire

Dans la pratique, par exemple, lors du drainage d'huiles et de produits pétroliers très visqueux et de leur écoulement dans des goulottes ouvertes et des conduites gravitaires, lors de la résolution de certains problèmes dans le domaine de l'ingénierie chimique et des raffineries, on est parfois confronté à un mouvement laminaire de fluide à écoulement libre.

Dans ce cas, il est possible de déterminer théoriquement la perte de charge (similaire à l'écoulement laminaire dans les conduites sous pression) et d'obtenir des dépendances calculées pour le débit. Sans présenter ici les solutions correspondantes, qui sont généralement mathématiquement très complexes et lourdes, nous nous limiterons à un simple résumé de quelques formules de calcul pour les canaux ayant les formes de section transversale les plus couramment utilisées. D'après I.A. Charny, pour un canal de section rectangulaire à une profondeur d'écoulement h et largeur b le débit de fluide peut être calculé à l'aide de la formule

Où je–pente du fond du canal ; g– l'accélération de la gravité ; v est la viscosité cinématique du liquide.

Si la profondeur de l’écoulement est très petite par rapport à la largeur, alors

Pour un canal de forme trapézoïdale, la section hydrauliquement la plus avantageuse avec un angle

Pour canal semi-circulaire

Le diamètre des conduites gravitaires est déterminé avec UNV par le débit dans les conditions normales de fonctionnement de la prise d'eau et par la vitesse de déplacement de l'eau de 0,7...2,0 m/s (Tableau 14). considérée comme n'étant pas inférieure à la vitesse d'écoulement de l'eau dans la rivière avec le programme VNU. Le nombre de conduites d'eau par gravité doit être d'au moins deux. Lors de la pose de conduites d'eau par gravité en les abaissant sous l'eau, des tuyaux en acier à isolation renforcée sont utilisés.

Les conduites d'eau sont enfouies sous le fond de la rivière sur au moins 0,8 à 1,5 m dans les zones navigables pour les empêcher d'être emportées par le débit de la rivière, abrasées par le sable et endommagées par les ancres des navires et des radeaux. Les conduites d’eau ne doivent pas présenter de virages serrés, de rétrécissements ou d’expansions. Ils peuvent être posés horizontalement, avec pente directe et inversée.

Diamètre du tuyau :

où Q r- débit calculé d'une section égal à 0,8 m 3 /Avec;

V calcul- vitesse de conception.

Nous acceptons selon la gamme de tuyaux d fait=800mm.

Vitesse réelle :

En effet, la vitesse dans les conduites gravitaires doit répondre à deux conditions :

UN) doit être supérieure à la vitesse critique, c'est-à-dire la vitesse à laquelle l'envasement des canalisations transportées par les sédiments ne se produit pas :

Vf>V cr,

où : - quantité de sédiments, kg/m 3 ;

w - taille hydraulique moyenne pondérée, m/s ;

d est le diamètre du conduit, m ;

u est le taux de précipitation des particules en suspension dans l'écoulement, m/s ;

g - accélération de chute libre, m/s 2 .

Trouvons la vitesse dans le pipeline en mode d'urgence :

Condition Vf >V cr est réalisé parce que 1,6>1,406.

b) doit être supérieur à la vitesse à laquelle les sédiments de granulométrie D sont capturés dans le tuyau, m

La vitesse de déplacement de l'eau dans les conduites gravitaires est supposée être au moins égale à la vitesse d'écoulement de l'eau dans la rivière.

Les diamètres de tuyaux standards sont acceptés, en arrondissant à la baisse ceux obtenus par calcul. Sur la base du diamètre accepté, la vitesse réelle dans le tuyau gravitaire est spécifiée et doit être supérieure à celle calculée. Cette vitesse est ensuite vérifiée aux niveaux d'eau élevés, c'est-à-dire crue, lorsque, pour garantir un envasement minimal, le débit total passe par une seule conduite.

Diamètre accepté des canalisations gravitaires D (en m) doit être vérifié pour détecter les sédiments fins exempts de limon transportés à travers le tuyau en quantité ρ (en kg/m3), ayant une taille hydraulique moyenne pondérée ω, m/sec, selon la formule (6) et sur la mobilité des sédiments de taille d capturés dans la conduite et entraînés au fond, m, selon la formule (7)

(6)

où V est la vitesse d'écoulement de l'eau dans les lignes de gravité, m/sec ;

u est le taux de précipitation des particules en suspension dans l'écoulement ; u≈0,07∙V m/sec;

D – diamètre des lignes de gravité, m;

A – paramètre pris égal à 7,5-10 ;

d – diamètre des particules, m.

Le diamètre des conduites de prise d'eau gravitaire doit assurer la possibilité d'élimination hydraulique des sédiments qui s'y déposent.

Les tuyaux de siphon peuvent être utilisés dans les prises d'eau des catégories II et III. Ces tuyaux, comme indiqué précédemment, sont constitués de tuyaux en acier en soudage, leur nombre est supposé être au moins deux.

Le diamètre des tuyaux de siphon est déterminé par le débit lors du fonctionnement normal de la prise d'eau et par la vitesse de déplacement de l'eau dans ceux-ci 0,7-1,2 m/sec.

Le vide le plus important doit être créé au point haut du siphon, où est installé un collecteur d'air relié à une pompe à vide. La hauteur admissible du siphon, égale à la différence entre les élévations de son point haut et le niveau d'étiage de l'eau (LW), est déterminée en mode secours à l'aide de la formule :

où est le vide admissible au point le plus haut du siphon, pris 0,6-0,7 mPa;

– perte de charge sur toute la longueur du siphon depuis le point de réception jusqu'au collecteur d'air, m;

∑ξ – la somme des coefficients de résistance locale dans le siphon ;

V est la vitesse de déplacement de l'eau dans le conduit du siphon en mode secours, m/sec;

h in – perte de charge dans la branche ascendante du siphon, m.

Perte de pression totale dans la conduite du siphon et le réservoir d'eau :

h=h dans +һ n +һ résoudre, m(9)

où h n – perte de charge sur la longueur et résistance locale du siphon, m;

h résoudre – perte de charge dans le réseau, m.

Perte de pression dans les grilles 0,03-0,06 m.

Le calcul est effectué pour des conditions de fonctionnement normal et d'urgence de la prise d'eau.

À mesure que le pétrole se déplace, la pression diminue et plus la vitesse de déplacement est élevée, plus la perte de pression par unité de longueur du pipeline est importante. Si la pression d'huile absolue P. atteint en même temps une valeur égale au DNP à une température donnée P. S, alors à cet endroit de l'écoulement se produisent une vaporisation intense et un dégagement de gaz, ce qui peut conduire à des processus de cavitation ou à une perturbation de la continuité de l'écoulement. L'écoulement de liquide dans le cas décrit peut être stratifié par gravité ou avoir une structure plus complexe (bouchon) dans laquelle des portions de liquide alternent avec des bulles de vapeur-gaz.

L'écoulement stratifié par gravité est un type d'écoulement libre dans lequel le liquide se déplace dans une section transversale incomplète sous l'influence de la gravité, et le reste de la section transversale du tuyau est occupé par des vapeurs de ce liquide. Les zones où se produisent ces courants sont appelées écoulements gravitaires. Dans le même temps, la pression dans la cavité vapeur-gaz de la section gravitaire reste presque constante et égale au DNP du pétrole. Les sections gravitaires stationnaires ne peuvent exister que sur les sections aval du pipeline. Le début de chaque section gravitationnelle, qui coïncide toujours avec l'un des sommets du profil, est appelé point de passage, et il peut y en avoir plusieurs. On constate cependant que le point culminant du parcours n'est pas toujours un col (voir Fig. 5.3).

Riz. 5.3. Point de passage et longueur estimée de l'oléoduc

De la fig. 5.3. on peut voir que la raison de l'apparition de sections gravitaires peut être une diminution du débit dans la canalisation, due à une diminution de la pression dans la section initiale avec p” nà p n(passage en mode pompage réduit). Cependant, lors du retour à la pression précédente, il n'est pas possible d'atteindre le débit précédent, car les accumulations de vapeur-gaz qui en résultent créent une résistance supplémentaire et le processus de leur dissolution se poursuit pendant longtemps. Ainsi, le retour à la consommation antérieure s’effectuera sur une période de temps assez longue.

La dissolution de l'accumulation de vapeur-gaz se produit si la vitesse d'écoulement est suffisante pour séparer et emporter les bulles de vapeur-gaz de la partie inférieure de la cavité gazeuse en aval, tandis qu'à mesure qu'elles s'éloignent de la section gravitaire, la pression du liquide augmente et les bulles s'effondrer, provoquant une cavitation. Cela peut entraîner des vibrations importantes du pipeline et s'accompagne d'une augmentation des niveaux de bruit. Avec une nouvelle augmentation de la vitesse d'écoulement jusqu'à une certaine valeur, l'accumulation est délogée et emportée par le flux entièrement (en un seul bouchon) et peut atteindre le réservoir au point final de l'oléoduc. Les coups de bélier accompagnant ce phénomène entraînent des dommages aux réservoirs et à leurs équipements.

La présence de sections gravitaires entraîne une augmentation de la pression au début du pipeline, et nécessite donc des coûts énergétiques plus élevés pour le pompage. Si nous prolongeons la ligne de pente hydraulique au-delà de la section gravitaire jusqu'à la section initiale, nous pouvons déterminer p’ n, ce qui est nécessaire pour pomper du pétrole au même débit à travers un pipeline de même longueur et de même diamètre, mais sans sections gravitaires. De la fig. 2.3. c'est clair que p’ n < p n .

Un pompage avec la même productivité, mais sans sections gravitaires, peut être organisé en augmentant la pression à l'extrémité de la canalisation jusqu'à p F. La différence entre la pression utile et requise peut être utilisée, par exemple, pour faire fonctionner une petite centrale électrique (la conception d'une telle centrale a été développée pour l'oléoduc Tikhoretsk-Novorossiysk dans la zone du dépôt pétrolier de Grushovaya).

Lorsqu'une section gravitaire apparaît entre les stations de pompage intermédiaires, les sections de la canalisation principale avant et après le point de passage cessent d'être reliées hydrauliquement. Si, pour une raison quelconque, la productivité de la section après le point de transfert augmente, mais que dans la section initiale reste au même niveau, la pression d'aspiration de la station de pompage à côté du point de transfert commencera à diminuer et pourra atteindre la limite inférieure autorisée.

Une teneur accrue en composés soufrés dans l'huile peut provoquer des processus de corrosion accélérés sur la surface interne de la paroi du tuyau au-dessus de la surface libre du liquide.

Lors du calcul hydraulique d'un pipeline avec des sections gravitaires, l'équation (5.11) est transformée sous la forme suivante

, (5.15)

Où L r– la longueur estimée du MT, qui est considérée comme la distance entre le point de départ et le point de transfert le plus proche, m ;

z’ =(z P. –z N) – différence entre les marques géodésiques du point de passage et du point de départ, m ;

p oui =(P. s –P. un) – pression de vapeur d'huile, qui peut être positive ou négative, Pa. Cependant, en règle générale, pour les huiles (avec p oui <0) согласно третьим членом в уравнении (5.15) пренебрегают.

Considérons l'écoulement du fluide au-delà du point de selle (Fig. 5.4).

Riz. 5.4. Écoulement du fluide au-delà du point de passage

La ligne de pente hydraulique dans la section gravitaire est parallèle au profil du pipeline à une distance p oui /( g), d'où il résulte que la pente hydraulique dans la section gravitaire est égale à la tangente de l'angle d'inclinaison du profil du pipeline à l'horizon je=tg α n .

Puisque d'après l'équation (5.1)

puis la vitesse de déplacement du fluide dans la section gravitationnelle w vitesse d'écoulement du fluide plus élevée dans les sections remplies du pipeline w 0 car au même débit la zone S occupé par le liquide dans la section gravitaire est inférieur à la section transversale totale du tuyau S 0 . Ratio des surfaces indiquées

est appelé degré de remplissage de la section de pipeline, qui dépend du rapport entre la pente hydraulique de la section complètement remplie et la pente hydraulique de la section gravitaire

peut être déterminé par l’une des dépendances d’approximation suivantes données dans le tableau 5.3.

Tableau 5.3

La longueur de la section gravitationnelle peut être déterminée graphiquement ou en l'exprimant à partir de l'équation de Bernoulli pour la section AK (voir Fig. 5.4)

Marque géodésique de fin de section gravitaire z UN peut être déterminé en connaissant z P. et les coordonnées du point d'itinéraire le plus proche x Et z x, à partir de relations géométriques simples

En remplaçant l'équation (5.17) par (5.16) et en exprimant je s.u. nous obtenons

. (5.18)

Pour trouver le point selle, il suffit de déterminer la surpression à chaque sommet du profil, en partant de l'extrémité : si p<p oui, alors le sommet est le début de la section gravitationnelle, en tenant compte de cela, des surpressions se retrouvent aux sommets suivants. Le sommet le plus proche du début de l’oléoduc, qui est le début de la section gravitationnelle, sera le point de passage.

Les eaux usées du réseau d'égouts doivent se déplacer à une vitesse telle que les contenus solides ne se déposent pas le long du parcours. Sinon, avec le temps, cela entraînera inévitablement l'envasement des éléments de transport - pipelines ou plateaux.

Mais il existe également une limite supérieure au débit. Les particules solides présentes dans l'eau se déplaçant à grande vitesse augmentent l'abrasion mécanique de la surface du collecteur.

Vitesses de conception

La vitesse maximale de conception est la vitesse maximale d'écoulement des eaux usées dans les canaux et les canalisations à laquelle aucun dommage mécanique n'est causé au matériau des collecteurs.

Vitesse de conception minimale (critique) - la vitesse d'écoulement la plus basse requise pour empêcher l'envasement des tuyaux et des collecteurs.

La vitesse moyenne des eaux usées est le rapport du débit Q des eaux usées dans la conduite à la valeur de sa section ouverte ω :

v = Q/ω m/sec.

Les vitesses d'écoulement à différents endroits de la section d'écoulement sont en réalité différentes. Plus ils sont proches du milieu (noyau) du flux, plus ils sont grands qu'au fond et sur les parois. Les vitesses au fond et près des parois sont minimes. Il est impossible de calculer le réseau d'égouts pour les vitesses de fond et à proximité des parois en raison de la grande complexité de ces calculs. Par conséquent, la valeur fondamentale sur laquelle repose la conception est la capacité de transport du flux. Elle est déterminée par la vitesse d'écoulement estimée. Le principal critère pour déterminer cette vitesse est d'assurer l'autonettoyage des collecteurs et des canalisations.

Pour les conduites à écoulement gravitaire, la vitesse requise est assurée par la pente correcte. Là où la pente n'est pas possible, ils sont utilisés pompes à eaux usées puissance appropriée.

La vitesse de conception est le débit des eaux usées aux débits de conception (maximaux) et, par conséquent, de remplissage. Les vitesses calculées doivent se situer entre les valeurs maximales autorisées dans le canal - maximale et minimale.

La vitesse maximale de conception du mouvement des eaux usées selon les normes doit être prise pour

• tuyaux métalliques - pas plus de 8 m/sec ;
• non métalliques (béton armé, béton, amiante-ciment, céramique et autres) - jusqu'à 4 m/sec.

La valeur des vitesses de déplacement des canaux et tuyaux autonettoyants calculées est influencée par des paramètres tels que le rayon hydraulique ou le degré de remplissage et la taille des matières en suspension présentes dans les eaux usées.

La vitesse d'écoulement minimale de conception dans les canalisations d'eaux usées domestiques et pluviales non traitées à la valeur de remplissage de conception est indiquée dans le SNiP correspondant.

Si le remplissage des canalisations du réseau d'égouts n'est pas calculé, alors le taux de leur auto-nettoyage vн (l'indice « n » signifie « non-envasement ») est calculé selon la formule proposée par le professeur N. F. Fedorov :

• R est le rayon hydraulique en m ;
• n est l'exposant racine (3,5 + 0,5R).

La vitesse de conception la plus basse dans les plateaux et les tuyaux pour les eaux usées clarifiées ou purifiées par des méthodes biologiques peut être considérée comme égale à 0,4 m/sec.

Dans les siphons d'un diamètre allant jusqu'à 800 mm, la valeur de 1 m/sec est prise comme limite inférieure des vitesses de conception pour les eaux usées non clarifiées. Pour les diamètres supérieurs à 80 cm, vn est également déterminé par la formule de Fedorov.

Les eaux usées doivent s'approcher du siphon à une vitesse ne dépassant pas la vitesse de conception du siphon lui-même. Dans ce cas, il est nécessaire de respecter les valeurs minimales indiquées ci-dessus ou calculées à l'aide de la formule de Fedorov.

Pour que les collecteurs s'autonettoient, la vitesse le long du trajet d'écoulement doit augmenter constamment. Les valeurs de vitesse requises sont fixées par les pentes des canalisations. Valeurs de pente minimales pour tout système d'assainissement lorsqu'il est rempli de tuyaux des diamètres suivants :

• 150 mm - 0,007 ;
• 200 mm - 0,005 ;
• 1250 mm et plus - 0,0005.

La charge des sections initiales du réseau d'égouts avec des canalisations de 200 mm ou moins n'atteint presque jamais la valeur de conception. Par conséquent, leur vitesse n'est pas calculée et elles sont dites non calculées.

Pour les canalisations d'égout d'un diamètre supérieur à 200 mm, les pentes minimales requises doivent être calculées en tenant compte de la vitesse d'écoulement qui garantit l'autonettoyage du collecteur. La formule empirique la plus simple donne pour cela des résultats tout à fait satisfaisants :

Ici, le diamètre du tuyau d est pris en mm.