Транспортировка жидкостей и газов

ТЕКУЧЕСТЬ ГРУЗОВ И ВЕЩЕСТВ

Транспортировка жидких, газообразных и многих сыпучих веществ производится с учётом особенных свойств таких материалов. Эти свойства обусловили развитие специальных транспортных средств, тары, погрузочно-разгрузочных технологий.

В сравнении с транспортными и погрузочными операциями с обычными товарами и изделиями, с традиционной тарой, работа с сыпучими, газообразными веществами и жидкостями требует значительно большего знания и применения законов физики и смежных естественных наук.

Особенности сыпучих и жидких грузов

При транспортировке и хранении жидкостей и сыпучих грузов нужно считаться с основными особенностями веществ такого рода:

1. Жидкости и сыпучие вещества оказывают давление на ёмкость, в которой они содержатся, не только в направлении действия силы земного притяжения, но и во всех других направлениях
2. Такие вещества способны перемещаться под действием силы тяжести при наличии даже минимального уклона поверхности, на которую они помещены – стекать с неё. Газообразные вещества, плотность которых ниже плотности воздуха, демонстрируют противоположный эффект. Они стремятся подняться вверх.
3. Вещества с высокой степенью текучести способны проникать через малейшие поры и неплотности преграды. Это свойство усиливается благодаря капиллярному эффекту.

Эти особенности лежат в основе всех принципов и технологий хранения и транспортировки жидких, сыпучих и газообразных веществ.

Трубопроводы и резервуары

Оборудование для хранения и транспортировки жидкостей и газов сводится к устройствам двух видов – резервуарам и трубопроводам. Изучение и проектирование таких устройств и объектов составляет целое направление в инженерном деле. Кардинальный рывок в технологиях хранения и транспортировки таких веществ произошёл на рубеже 19 и 20 веков, когда развитие добычи нефти потребовало резко интенсифицировать операции такого рода с жидкостями и газами.

Нефтепровод на Аляске

Именно в это время появились тонкостенные резервуары. Это конструкции, наиболее рациональным образом сопротивляющиеся давлению жидкости или газа. Резервуары для сыпучих веществ (муки, цемента, зерна), так называемые силосы, делаются на основе таких же принципов, что и ёмкости для жидкостей.

Транспортировка жидкостей и газов выполняется с использованием резервуаров (цистерн). Если маршрут транспортировки отличается стабильным направлением, а объёмы такой операции велики, выгодно устраивать трубопровод. Так появились магистральные трубопроводы, транспортирующие нефтепродукты и газ на очень большие расстояния.

Применение трубопроводов выгодно и на малых расстояниях, прежде всего – для технологических нужд на производстве. Трубопроводы перемещают, к примеру, такие вещества:

1. Воду
2. Пищевые продукты – масло, молоко, спирт
3. Химические составы – кислоты, газы, щёлочи, растворы, нефтепродукты.

В отдельную отрасль выделилась транспортировка энергии с помощью трубопроводов. Это делается с помощью теплотрасс – трубопроводов, по которым перемещают теплоноситель – горячую воду или пар.

Строительство и эксплуатация трубопроводов и резервуаров

Ради эффективного использования трубопроводов и резервуаров, они эксплуатируются в режиме большого давления. Кроме давления, обусловленного большими габаритами ёмкостей или вертикальными размерами трубопроводов, такие системы испытывают добавочное давление, способствующее ускорению транспортировки.

Сопротивление избыточному давлению, достигающему десятков Мпа (сотен атмосфер) – основная проблема строительства объектов, работающих с жидкостями и газами. Вот какие другие проблемы приходится решать при создании этих объектов:

• Коррозия. Многие жидкости и газы оказывают агрессивное воздействие на материалы труб и ёмкостей
• Качество труб, листового материала (металла), фурнитуры
• Высокие требования к качеству монтажа и, особенно – электросварки, основной технологии сборки металлических (стальных) систем транспортировки и хранения таких веществ
• Сложность обслуживания, нередко требующая затратной остановки технологических процессов
• Повышенная опасность в случае аварий.

Существующий порядок проектирования и строительства объектов транспортировки и хранения сыпучих, газообразных и жидких веществ обусловлен необходимостью обеспечения безопасности таких объектов. Вот что характерно для процесса их создания:

1. Обилие специальных нормативов и правил
2. Сложный и многоэтапный процесс согласования проектных решений, изготовления или строительства
3. Обязательное участие государственных надзорных органов на всех этапах реализации таких проектов
4. Наличие законодательных механизмов ограничительного характера, специальных допусков, лицензий, разрешений.

Безопасностью транспортировки и хранения жидких и газообразных веществ заняты многие службы, в том числе – Инспекция безопасности дорожного движения (ГИБДД).

Качество и контроль

Основополагающее значение в безопасности таких объектов имеет проект. Расчёт и конструкция резервуара, ёмкости, трубопроводного хозяйства важны для объекта любого масштаба.

В период строительства и эксплуатации на одно из первых мест по значимости выходит качество производства, монтажных работ и обслуживания. Оценки качества и технического состояния объектов выполняются в различных регламентах, включая вневедомственные и государственные проверки, а также – помощь специализированных лабораторий неразрушающего контроля.

Крупные и профильные предприятия, занятые созданием трубопроводов и резервуаров обычно обеспечивают производственный контроль собственными силами, создавая специальное подразделение. Преимущество независимой лаборатории заключается в комплексе факторов, отличающих ей от ведомственного подразделения:

• Обширная специализация по всему кругу вопросов качества обеспечивает максимальную компетенцию специалистов
• Обычно независимые лаборатории оснащены наиболее совершенной аппаратурой
• Независимый статус делает экспертов лаборатории недоступными для какого-либо влияния.

Неспроста услугами профессиональной лаборатории неразрушающего контроля качества пользуются даже предприятия, имеющие собственное аналогичное подразделение. Специалисты неразрушающего контроля из таких лабораторий способны применить наиболее современные и точные технологии. Очень часто методы профессиональной лаборатории превосходят по информативности обязательные и регламентируемые законом технологии контроля качества поднадзорных объектов.

Требования безопасности и надёжности

Для полноценной и безопасной работы систем, функционирующих с жидкостями и газами, требуется обеспечение качества их конструкций по нескольким направлениям:

1. Достаточная прочность и устойчивость к механическим воздействиям
2. Способность выдерживать давление
3. Герметичность
4. Стойкость против воздействия коррозии.

Конструкции для хранения и транспортировки жидких веществ и газов разрабатываются проектированием. Именно на этом этапе закладываются все компоненты качества и безопасности. Дальнейший контроль качества обеспечивается проверками при изготовлении и сдаче в эксплуатацию. Работающее устройство или система подлежит постоянному или системному контролю, порядок которого регламентируется нормами. Некоторые устройства требуют постоянного мониторинга рабочих параметров, прежде всего – давления рабочей среды и температуры.

Старинная трубопроводная система эксплуатируется по сей день

Системы и контроль

Вот несколько примеров оборудования для транспортировки и хранения жидких, газообразных и сыпучих веществ:

• Трубопроводы – технологические, магистральные, местные
• Транспортные ёмкости – цистерны для железнодорожной или автомобильной транспортировки
• Бункеры, цистерны и силосы для сыпучих веществ
• Резервуары, газгольдеры, баллоны.

Для оценки их технического состояния применяется различная аппаратура неразрушающего контроля. Основную группу таких приборов и устройств составляют ультразвуковые системы. Приборы этой группы способны обнаружить трещины в металле, дефекты сварочных швов, неоднородности материалов. Ультразвуковая техника помогает измерить недоступные другим инструментам размеры.

Используют также приборы других типов, в том числе:

1. Аппаратуру радиографического контроля
2. Магниторезонансные устройства
3. Тепловизионную технику
4. Технологии капиллярного контроля.

Каков бы ни был технический уровень аппаратуры, ключевым компонентом проверок качества является визуальный осмотр. Профессионализм и опыт экспертов позволяют назначить наиболее рациональный порядок обследования, а очень часто – сразу же обнаружить уязвимые, опасные и повреждённые места любой системы.

Вот какой примерный порядок обследования небольшого технологического трубопровода для жидкости:

• Изучение эксплуатационной и проектной документации
• Осмотр и поиск следов протечек, коррозии, проверка надёжности крепления труб. При необходимости – обслуживание резьбовых соединений и уплотнений
• Проверка сварочных швов ультразвуковой техникой
• Контроль толщины металла
• Испытание давлением
• Документирование выполненных работ.

Для систем, в которых важен температурный режим, выполняется проверка термоизоляции. Кроме осмотра теплоизолирующих конструкций используют тепловизионную аппаратуру, позволяющую обнаружить места повышенной теплоотдачи.

Испытания

Важная часть работ по оценке качества и состояния систем транспортировки жидкостей и газов – испытания. Такая проверка выполняется как в процессе обследования, так и в качестве завершающего этапа. На основании результатов испытаний выдаётся разрешение на эксплуатацию поднадзорных объектов.

Задача испытания – убедиться в пригодности объекта к практическому использованию. Главная технология такой проверки – приложение усилий, превышающих обычные условия эксплуатации. Примеры таких усилий – повышенная нагрузка на элементы крепежа и такелажа, испытательное высокое давление.

В системах, работающих с жидкостями и газами, испытания проводятся с целью проверки герметичности, которую иными способами обнаружить сложно или невозможно.

Проще всего испытания проводят в отношении баллонов. Эти ёмкости небольшого размера после осмотра, проверки резьбовых соединений и уплотнений подвергают действию давления, превышающего эксплуатационный режим. Параметры таких испытаний регламентируются, в частности – величина и продолжительность приложения давления. Результат испытаний и напоминание о следующей такой проверке наносятся на баллон надёжным образом.

Проверка давлением крупных резервуаров и газгольдеров сложнее и более продолжительна, однако принципы её сохраняются – восприятие испытательного давление гарантирует надёжную эксплуатацию.

Транспортировка жидкостей и газов

Трубопроводы на химических предприятиях служат для транспортирования газов, паров и жидкостей, а также пластических и сыпучих материалов с различными физико-химическими свойствами (щелочи и кислоты, горючие, взрывоопасные, токсичные, при атмосферном или высоком давлении, под вакуумом и т.д.). Протяженность трубопроводов (как магистральных, так и внутрицеховых) на многих заводах химической промышленности достигает десятков и сотен километров. Их стоимость составляет до 30% от затрат на сооружение всего предприятия.

Большинство труб изготавливают из стали разных марок, однако встречаются трубы почти из всех конструкционных материалов, применяемых в химическом машиностроении. При выборе материала труб для их монтажа следует учитывать температуру и давление транспортируемой среды, коррозионную стойкость материала в данной среде и другие его свойства.

Широко распространены в промышленной практике лакокрасочные защитные покрытия, препятствующие коррозии и ограничивающие доступ агрессивной среды к защищаемой поверхности. Они составляют до 80% всех применяемых защитных покрытий. Защитное действие таких покрытий усиливается при введении в лакокрасочные покрытия ингибиторов коррозии или использовании пассиваторов.

Кроме лакокрасочных защитных покрытий, применяемых для всех трубопроводов (за исключением стеклянных, фарфоровых и керамических), используется покрытие трубопроводов тепловой изоляцией (с температурой наружной стенки более 45 °С).

• — уменьшить потери теплоты через стенку трубы;
• — предотвратить конденсацию пара, транспортируемого по трубе;
• — избежать конденсации водяных паров, содержащихся в воздухе, на холодных (например, водопроводных) трубах;
• — предохранить помещение от излишнего нагрева, а обслуживающий персонал — от ожогов.

Прокладочные материалы используют для герметизации соединений деталей трубопроводов между собой, а также в различной химической аппаратуре. Прокладочные материалы должны обладать эластичностью, достаточной прочностью, стойкостью к агрессивным средам, способностью сохранять прочность в определенных пределах температур.

Трубы соединяются между собой и с устройствами, необходимой для управления потоками арматурой (вентили, задвижки, краны и т.д.).

Соединения труб бывают разъемными и неразъемными. Разъемные соединения могут быть фланцевыми, резьбовыми и раструбными; неразъемные — с помощью сварки, пайки и склеивания. Выбор типа соединения зависит от материала трубопровода, свойств транспортируемой среды, температуры и давления, потребности в частых демонтажных операциях.

Соединительные части трубопроводов обычно называют фасонными деталями или фитингами. Они служат для перехода от одного диаметра трубы к другому, для развертывания или поворота трубопровода. Наиболее распространенные фасонные детали трубопроводов: колено, отвод, крестовина, переход, двойник.

Запорную арматуру применяют для перекрытия потока, транспортируемого по трубе. Для регулирования расхода (или давления) применяют регулирующую арматуру. Кроме того, к трубопроводной арматуре относят: предохранительные и перепускные клапаны (для выпуска избытка потока при росте давления), обратные клапаны (препятствующие обратному движению потока), спускные краны, конденсатоотводчики, указатели уровня.

Запорная арматура включает в себя: вентили, задвижки и краны.

Запорная арматура классифицируется:

• — в зависимости от способов соединения с трубопроводом — на фланцевую, резьбовую и с концами под сварку;
• — по способу приведения в действие — на приводную (открытие и закрытие арматуры происходит под действием электродвигателя, гидро- или пневмопривода, от руки) и самодействующую (называемую иногда автоматической). У самодействующей арматуры открытие и закрытие происходит под воздействием потока, транспортируемого по трубопроводу.

Основные параметры трубопроводной арматуры: условный диаметр прохода, а также рабочее и условное давления.

Трубопроводы (как и многие другие виды технологического оборудования) после монтажа подвергаются гидравлическим или пневматическим испытаниям.

Внутренний диаметр d (в м) трубопроводов рассчитывают из уравнения расхода:

где Q — заданный расход жидкости или газа, м 3 /с; со — скорость потока, м/с.

Скорость потока, обеспечивающую близкий к оптимальному диаметр трубопровода, можно выбрать по табл. 7.1.

Чем больше скорость, тем меньше диаметр трубы, т.е. меньше его стоимость, однако превышение скорости ведет к увеличению гидравлического сопротивления, а следовательно, к дополнительным затратам мощности насосов и компрессоров, а также к увеличению толщины стенки трубы (металлоемкости).

После расчета диаметра трубы выбирают по сортаменту трубу ближайшего диаметра.

При движении жидкостей со скоростями, превышающими 2 м/с, в трубопроводах появляется шум и увеличивается опасность возникновения гидравлического удара при внезапном открытии или закрытии запорной арматуры (например, крана). При внезапном изменении скорости потока в напорном трубопроводе резко меняется давление и может возникнуть гидравлический удар. Повышение давления зависит от соотношения г »ф/ г гу » где — время открытия или закрытия запорного устройства

(крана, вентиля); г^ = lL/с — время, в течение которого ударная волна

дойдет до резервуара и отраженная вернется к запорному устройству; L — длина трубопровода; с — скорость распространения ударной волны.

где = рсо 1 /2 — потеря давления на сообщение потоку скорости, необходимый для

транспортирования; /±р^ = Л(//*/)Др_в — потери давления, затрачиваемые на преодоление трения потока о стенки труб; Др_ые = ~ потери давления на преодоление

местных сопротивлений; — коэффициент местного сопротивления, (отношение напора в местном сопротивлении к скоростному напору).

Иногда для упрощения расчета потери от местных сопротивлений выражают в метрах эквивалентной трубы (/_экв) того же диаметра, что и фасонная часть или арматура, создающая сопротивление (6.24).

Гидравлическое сопротивление трубопровода на преодоление трения и местных сопротивлений и скорости потока рассчитывают по формуле:

Для расчета общего сопротивления подачи жидкости на высоту Я, которое должен преодолеть насос или вентилятор, необходимо также учесть:

• — сопротивление подъема жидкости (газа) на высоту всасывания и нагнетанияh,(Ар_п = pgh);
• — дополнительное сопротивление, равное разности давлений на концах трубопровода ( =р₂— р_х).

Для расчета потерь напора необходимо уметь определять коэффициент трения Я = ДRe,/)- Для его определения используют формулы (6.23) — (6.24) и диаграммы.

Расчет мощности N (в кВт), затрачиваемой на перемещение жидкости или газа на высоту Я, осуществляют по формуле:

где Q — расход насоса по жидкости (газу), г — полный КПД насоса (вентилятора):

где г „ — КПД насоса (tj _м= 0,5. 0,8 — для центробежных насосов высокого давления и 0,3. 0,6 — низкого давления); г КПД передачи; г _д— КПД двигателя.

Классификация трубопроводов и их виды

Для транспортировки газов, жидкостей, твердых веществ создана сложная инженерная система трубопровода, включающая трубы и различные разновидности соединений. Под воздействием давления или ландшафтно-геодезической среды материалы движутся по трубам до места назначения. Существует большое количество видов труб для водоснабжения, канализации, отопления и других систем. Приведем несколько распространенных классификаций, составленных с учетом характеристик оборудования.

Виды трубопровода по типу материала

В зависимости от вида переносимого материала существуют следующие трубопроводы:

• Газопровод — для транспортировки газа. Для передачи газового топлива на большие расстояния создан магистральный трубопровод. На протяжении всей линии стоят компрессорные станции, поддерживающие постоянное давление в сети. На конечном пути газопровода распределительные станции понижают давление до размеров, необходимых для подачи потребителям.
• Нефтепровод — предназначен для переноса нефти и продуктов переработки. Существуют промысловый, магистральный, соединительный и распределительный виды трубопроводов. В зависимости от переносимого нефтепродукта бывают: мазутопроводы, бензопроводы, керосинопроводы. Магистральный трубопровод представлен системой подземных, наземных, подводных и надземных коммуникаций.
• Гидропривод — для транспортировки полезных ископаемых. Сыпучие и твердые вещества переносятся под действием потока воды. Таким образом происходит транспортировка на большие расстояния угля, гравия и песка от месторождений к потребителям и выводят отходы с электростанций и обогатительных заводов.
• Водопровод — вид труб для питьевого и технического водоснабжения. Горячая и холодная вода движется по подземным трубам к водопроводным башням, откуда подается потребителям.
• Водовыпуск — система отвода воды, скапливающейся в нижних частях коллекторов, туннелей.
• Водосток — сеть труб для отвода ливневых и грунтовых вод. Предназначена для улучшения состояния грунта в строительных работах.
• Воздуховод — служит для перемещения воздуха в системах вентиляции и кондиционирования.
• Канализация — тип трубопровода для вывода продуктов жизнедеятельности, хозяйственно-бытовых отходов. Также существует канализация для прокладывания кабелей под землей.
• Паропровод — для передачи пара на тепловых и атомных электростанциях, промышленных предприятиях.
• Теплопровод — для подачи пара и горячей воды в системы теплоснабжения.
• Кислопроводы — для подачи кислорода на промышленных предприятиях, используют внутрицеховые и межцеховые трубопроводы.
• Аммиакопровод — вид, предназначенный для перекачки аммиака.

Классификация трубопроводов

Трубопроводы в зависимости от класса опасности транспортируемого вещества (взрыво-, пожароопасность и вредность) подразделяются на группы среды (А, Б, В) и в зависимости от расчетных параметров среды (давления и температуры) — на пять категорий (I, II, III, IV, V).

Обозначение группы определенной транспортируемой среды содержит обозначение группы среды (А, Б, В) и подгруппы (а, б, в), отражающей токсичность и взрывопожароопасность веществ, входящих в эту среду.

Источник http://prokontrol.ru/articles/tekuchest/

Источник https://studme.org/374961/tehnika/transportirovka_zhidkostey_gazov

Источник https://ecomont.ru/blog/139-klassifikatsiya-truboprovodov