Совершенствование систем подачи и распределения воды с применением труб, покрытых эмалью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.04, кандидат технических наук Демидочкин, Виталий Васильевич

• Демидочкин, Виталий Васильевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Демидочкин, Виталий Васильевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование систем подачи и распределения воды с применением труб, покрытых эмалью»

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

Заключение диссертации по теме «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов», Демидочкин, Виталий Васильевич

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Демидочкин, Виталий Васильевич, 2000 год

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