Устройства для виброобработки нефти в трубопроводе

Размеры виброустройств ограничены диаметром трубопровода, по которому перекачивается высокопарафинистая нефть. А режим виброобработки предопределен скоростью перекачки, которая обычно находится в пределах 0,3—1 м/с. Дополнительные необходимые условия - пониженная (ниже точки застывания) температура нефти, поскольку лишь при этом виброобработка эффективна, а также достаточное для перекачки от одного объекта до другого время тиксотропного восстановления структуры после виброобработки.

На основе физического моделирования и экспериментальных исследований были разработаны на уровне изобретений устройства виброобработки высокопарафинистой нефти, устанавливаемые внутри нефтепроводов (А.с. 868231, 868232, 868233).

Особенность этих устройств заключается в том, что они состоят из набора сит, каждое последующее из которых позволяет увеличить скорость сдвига, создаваемую предыдущим ситом. При этом скорость сдвига от сита к ситу меняется ступенчато, например от 10³ до 5·10³ с^-1. Кроме того, набор сит позволяет увеличить время виброобработки. Сита можно выполнять в виде сферы (или полусферы) и другой формы.

Более простым в изготовлении является устройство, показанное на рис. 14.3. Сита выполнены из сетки с размером ячеек 6—8 мм. Для ступенчатого уменьшения живого сечения ячеек от сита к ситу в арифметической прогрессии сита смещены одно относительно другого в поперечной плоскости. Каждое последующее сито установлено с поворотом относительно предыдущего на 10—35°. Все сита закреплены на одном многозвенном виброшатуне 2, выполненном в виде колец. Виброшатун приводится в колебательное движение при помощи эксцентриков 5, закрепленных на приводном валу 9.

Рисунок 14.3 - Схема устройства для виброобработки нефти в трубопроводе:

1 — виброустройство; 2 — виброшатун; 3 — ведущее звено виброшатуна; 4, 8 — втулки; 5 - эксцентрики; 6 - шпильки; 7 - гайки; 9 - вал; 10 - трубопровод; 11 - лазы

При увеличении числа сит возрастает время и эффективность виброобработки. Но вместе с этим растет гидравлическое сопротивление.

Вибросита кольцевые. При увеличении диаметра нефтепровода возможна организация перекачки нефти в структурном режиме с центробежным ядром застывшей нефти. Для этой цели разработано устройство, в котором все сита выполнены в виде колец. В этом устройстве виброобработке подвергается не весь поток, а только пристенный слой толщиной, равной ширине колец сита. Следует заметить, что на практике при перекачке нефти при больших давлениях надежность проволочных сит невысока. Более целесообразным является применение стальных дырчатых листов толщиной не менее 3 мм.

Вибросита цилиндрические. Для увеличения времени виброобработки и снижения гидравлического сопротивления самого вибросита при обработке нефти в тонком пристенном слое целесообразным будет устройство (А.с. 1158817), в котором сито выполнено в виде тела вращения (длинного цилиндра). В этом устройстве вибрация на сито передается от вибратора, закрепленного на наружной поверхности трубопровода, через стенку трубопровода и амортизаторы. Длина цилиндрического сита может составлять десятки метров.

При этом высокопарафинистая структурированная нефть, продавливаемая по трубопроводу при температуре ниже или порядка застывания, испытывает в пристенном слое двойное воздействие — от поверхности трубопровода и сита,

Гидравлическое сопротивление такого устройства значительно меньше, так как загромождение живого сечения трубопровода незначительно, а степень разрушения структуры и снижения вязкости в пристенном слое больше за счет увеличения зоны контакта нефти и сита.

Вибросита в потоке нефти. Сотрудники Куйбышевского политехнического института совместно с инженерами управления приволжскими магистральными нефтепроводами разработали техническое задание и технические условия на устройство виброобработки высокопарафинистой нефти в потоке для магистрального нефтепровода диаметром 700 мм (рис. 14.4). Четыре кольцевых вибросита 7 устанавливают внутри катушки с фланцами 5. Привод осуществляется от электродвигателя 1 взрывобезопасного исполнения типа ВАО-62-2, установленного на специальной раме-кожухе.3, которая при помощи муфты 2 соединяется с приводным валом 4 кольцевых сит. Последние изготавливают из перфорированного листа толщиной 6 мм. Эксцентрик 8 вала приводит в возвратно-поступательное движение вдоль потока раму и сита. Размер ячеек уменьшается от сита к ситу от 12 до 4 мм. Все сита жестко закреплены на раме-шатуне и между собой при помощи шпилечных, болтовых и сварных соединений. Сита устанавливают в трубопроводе 6 с зазором 3 мм от внутренней поверхности катушки. Рамы с ситами монтируют на четыре подвижных рольганга, по которым она и совершает возвратно-поступательное

Рисунок 14.4 - Схема устройства для виброобработки высокопарафинистой нефти в потоке для магистрального нефтепровода

Рисунок 14.5 - Схема устройства для вибрации участка трубопровода

движение вдоль потока. Устройство устанавливают на обводной линии магистрального нефтепровода.

Виброустройства для разрушения пристеночного слоя. Для виброобработки пристенной зоны трубопровода с застывшей высокопарафинистой нефтью было разработано устройство (А.с. 932096), в котором осуществляется вибрация самого трубопровода (волновода), (рис. 14.5).

К волноводу 1 под некоторым углом (10 - 90°) жестко прикреплены фланцы 2 с отверстиями и кольцевой коллектор 3 с изогнутыми в радиальном направлении соплами 4. Сжатый воздух подается в коллектор по патрубку 8. Коллектор и фланцы закрыты обоймой 5, в которой движется полый шарик 6 с отверстиями. Ось отверстия шарика смещена относительно его центральной оси, что обеспечивает упругие колебания, которые передаются от обоймы к волноводу (трубопроводу). Фланцы крепят к обойме при помощи болтов 7. Оси сопел наклонены к оси волновода под углом в направлении выхода воздуха и изогнуты так, чтобы обеспечить максимальное давление на шарик. Зазор между наружной кромкой сопла и поверхностью беговой дорожки обоймы на 2—3 мм больше диаметра шарика.

Устройство работает следующим образом. Сжатый воздух под давлением 300—500 кПа подается по патрубку 8 в канал кольцевого коллектора 3 через сопло 4 и приводит в движение полый шарик 6, который одновременно вращается как вокруг собственной оси, так и вокруг волновода 1, перемещаясь по обойме 5. Упругие колебания, возникающие в обойме 5, носят ударный характер, обусловливаемый как высокой скоростью перемещения и вращения шарика, так и смещением его центра тяжести. Колебания передаются на волновод. Вибровоздействия разрушают кристаллическую решетку застывшей высокопарафинистой нефти в пристенном слое и резко уменьшают ее вязкость. Колебания трубопровода способствуют также уменьшению структурообразований и парафинистых отложений в зоне вибровоздействий. Эффективный диапазон частот устройства находится в пределах 200—800 Гц, амплитуда колебаний в пределах 10—600 мкм.

На промышленных трубопроводах были испытаны пневматические виброустройства, серийные дебалансные вибраторы с электроприводом типов ИВ-19, ИВ-21, ИД-91 -IV и глубинные типа ИВ-47.

Виброустройства были установлены и прошли опробование на различных объектах:

- на трубопроводе диаметром 168 мм при откачке нефти из нефтехранилища;

- на вводных и выводных участках печей подогрева нефти;

на подземном трубопроводе диаметром 462 мм и длиной 2600 м;

- на надземном трубопроводе диаметром 529 мм и длиной 2000 м.

Замеры показали, что распространение колебаний по длине подземного трубопровода диаметром 462 мм незначительно: амплитуда колебаний трубопровода при удалении от места установки вибратора на 100 м снизилась с 80 до 40 мкм, а частота — с 390 до 200 Гц. По надземным трубопроводам вибрация распространяется с меньшим затуханием на большие расстояния: амплитуда на расстоянии 2000 м от места установки вибратора снизилась с 960 до 360 мкм, а частота колебаний практически осталась на прежнем уровне.

Давление сдвига на трубопроводах при вибрации снижаются в несколько раз. Проводили опытные пуски застывших нефтепроводов печей подогрева нефти Г9П02В после длительной остановки при температуре окружающей среды, на (20—40) К меньшей температуры застывания нефти. На вводах в печь были жестко установлены при помощи специальных ложементов и хомутов серийные вибраторы типа ИВ-47. Давление сдвига, осуществляемое работой топливных насосов, при температуре наружного воздуха 263 К за счет вибрации снижалось с 490 до 130 кПа.

Недостатком описанных выше устройств виброобработки нефтей является то, что они представляют собой дополнительные элементы оборудования нефтепроводов. Кроме того, в некоторых из устройств накладывается вибрация на трубопровод, что снижает надежность самого трубопровода.

Механическое разрушение структуры. С целью повышения надежности трубопровода целесообразным следует признать устройства для разрушения структуры среды (нефти) без дополнительной вибрации, а лишь созданием высоких градиентов скорости (скорости сдвига), и по возможности с использованием установленного оборудования. Как показывает опыт, насосы, перекачивающие высокопарафинистую нефть при пониженных температурах, сами разрушают структуру нефти, снижая ее вязкость. Применением дополнительных сит (решеток) в насосах можно увеличить эффект разрушения структуры.

Повышение эффективности диспергирования при перекачке высокопарафинистых нефтей обеспечивается центробежным насосом. В этом насосе на входе и выходе рабочего колеса установлены перфорированные кольца, а в отводе - перфорированные перегородки. При окружных скоростях, которые обычно имеют место в центробежных насосах, можно создать градиенты скорости в ячейках перфорации колец ≥ 10⁴ с^-1. Проведенный анализ и промышленные эксперименты на объектах магистрального нефтепровода Узень-Гурьев-Куйбышев показывают, что применение способа и устройств виброобработки при снижении температуры подогрева нефти (в идеале - отказ от подогрева) может дать значительный экономический эффект, выражающийся в экономии ценного сырья – перекачиваемой нефти.