Физико-химические и кристаллизационные процессы в керамических массах с минерализующими добавками определяют характер изменения вязкости образующейся жидкой фазы, а также соотношения кристаллической и жидкой фазы, что находит отражение на изменение вязкости системы в целом. Применение минерализующих добавок является во многих случаях определяющим фактором улучшения и направленного регулирования свойств керамических материалов широкой номенклатуры. Установлено, что минерализующее действие ряда минерализующих веществ приведет к ускорению термических превращений в глинистых системах. Эффективность воздействия минерализаторов находится в зависимости от их реологических характеристик в температурном интервале обжига керамических масс. Нашли экспериментальное подтверждение предположения об эффективности и целесообразности использования комплексных минерализующих добавок, сочетающих минерализаторы с низкой температурой плавления и ускорители спекания с низкой динамической вязкостью для регулирования процесса образования жидкой фазы с оптимальными реологическими характеристиками.

вязкость

минерализующий компонент

реологические свойства

спекание

скорость нагрева

1. Безбородов М.А. Вязкость силикатных стекол. - Минск: Наука и техника. - 1975. -163 с.

2. Будников П.П. Влияние минерализаторов на процесс муллитизации глин, каолинов и синтетических масс / П.П. Будников, Х.О. Говоркян // ЖПХ. - 1946. - Т. XIX. - № 10-11. - С. 1029-1035.

3. Будников П.П. Реакции в смесях твердых веществ / П.П. Будников, А.М. Гинстлинг. - М. : Изд-во лит. по стр-ву, 1971. - 487 с.

4. Никифорова Э.М. Минерализаторы в керамической промышленности. - Красноярск: ГУЦМиЗ, 2004. - 108 с.

5. Chandhuri S.P. Influence of mineraliers on the constitution of hard porcelain. Part II. Microstructures // Amer. Ceran. Soc. Bull. - 1974, 53. - № 3. - Р. 251-254.

Введение

Физико-химические и кристаллизационные процессы в керамических массах с минерализующими добавками определяют характер изменения вязкости образующейся жидкой фазы, а также соотношения кристаллической и жидкой фазы, что отражается на изменении вязкости системы в целом .

Применение минерализующих добавок является во многих случаях определяющим фактором улучшения и направленного регулирования свойств керамических материалов широкой номенклатуры. Механизм действия минерализаторов во время реакций минералообразования в керамических дисперсных системах требует дальнейшего серьезного изучения .

Выбор минерализующих добавок сводится к эмпирическому подбору состава ускорителя спекания. Данный подход не обеспечивает оптимизации принимаемых технических решений. Отсутствуют технологические критерии и объективная оценка эффективности действия минерализаторов, что сдерживает их применение, в том числе и отходов промышленности. Нет общепризнанного объяснения механизма действия минерализаторов в реакциях минералообразования керамических материалов, протекающих при образовании и присутствии жидкой фазы.

Положительное действие минерализаторов нельзя относить только к ускорению образования жидкой фазы, так как необходимо учитывать изменение и других факторов (вязкости, строения расплава и др.). Как отмечают многие исследователи , положительное действие минерализаторов определяется не только ускорением образования жидкой фазы в керамических дисперсных системах, но и реологическими свойствами жидкой фазы. Не дает объяснения механизма действия минерализаторов снижение вязкости жидкой фазы и вязкости системы в целом как определяющего фактора интенсификации процессов формирования керамических дисперсных структур.

Не находят подтверждение взгляды, в соответствии с которыми снижение температуры образования жидкой фазы за счет и в присутствии минерализатора является решающим фактором активизации протекающих реакций.

Наиболее приемлемыми являются взгляды, по нашему мнению, согласно которым активизация процессов в минерализованной жидкой фазе определяется термореологическими свойствами собственно минерализаторов . Однако нельзя исключать, что только совокупность указанных проявлений определяет активизацию реакций фазообразования керамических дисперсных структур.

Материалы и методы исследований

Исследован низкосортный полиминеральный суглинок Сибирского региона, характеризующийся низким содержанием глинистых частиц. Суглинок характеризуется содержанием глинистых минералов монтмориллонита (d/n=1,530; 0,450; 0,255 нм), каолинита (d/n=0,714; 0,357; 0,237 нм) и гидрослюды (d/n=0,998; 0,447; 0,256 нм). В связи с низким содержанием глинистых частиц (до 20%) суглинок нуждается в улучшении и направленном регулировании его физико-химических и технологических свойств. Химический состав исследованного глинистого сырья приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав исходного глинистого сырья, масс. %

Исследование динамической вязкости осуществляли методом тела, вращающегося в расплаве на ротационном вискозиметре. Минералогический состав сырьевых материалов и спеченных масс определен на основе данных рентгеноструктурного анализа, проведенного на дифрактометре фирмы Shimadzu XRD-6000. Дифференциальный термический анализ проводили с использованием дериватографа фирмы Netche Q-1500 в атмосфере воздуха.

В качестве минерализующего компонента к полиминеральной низкосортной глине изучены добавки с широким диапазоном реологических свойств в интервале обжига керамических материалов в виде соединений NaF, Na 2 СO 3 , LiCl и KCl (динамическая вязкость h= (0,6-6) Па×с) и стеклобоя (h= (10-10 14) Па×с), а также отходы промышленности, содержащие комплекс низковязких минерализующих компонентов.

Наиболее многотоннажные отходы алюминиевого производства - шламы газоочистки представлены тонкодисперсным материалом черного цвета с размером частиц от 0,071 до 1,0 мм. Микроскопическое исследование шлама показало, что материал состоит из метаморфизованных угольных частиц графита, криолита, хиолита, корунда, флюорита, нефелина, диаспора и др. На дифрактограмме графит фиксируется по линиям с величиной d/n = 0,338; 0,202; 0,169 нм, корунд - d/n = 0,208; 0,255; 0,160 нм, криолит - d/n = 0,193; 0,275; 0,233 нм. При нагреве шламов наблюдается эндотермический эффект при температуре 50-100 ºС, относящийся к удалению гигроскопической воды; экзотермический эффект при 90-140 ºС связан с адсорбцией угольной массой кислорода из атмосферы; слабый эффект в интервале температур 180-300 ºС относится к процессу дегидратации гидрооксида алюминия; эндотермический эффект в 340 ºС связан с потерей воды кристаллогидратом криолита; интенсивный экзотермический эффект при 350-600 ºС относится к процессу выгорания углеродистой массы; экзотермический эффект с максимумом в 975 ºС относится к кристаллизации стеклофазы.

Химический состав смешанных отходов алюминиевого производства соответствует содержанию следующих компонентов, масс. %: SiO 2 - 0,68; Al 2 O 3 - 12,53; Fe 2 O 3 - 1,13; CaO - 0,73; MgO - 0,60; Na 2 O - 15,89; F - - 16,38; п.п.п. - 51,42. Шламы алюминиевого производства характеризуются низкой вязкостью их минерализующих составляющих NaF, Na 2 CO 3 , Na 2 SO 4 , NaHCO 3 , Na 3 AlF 6 , AlF 3 друг с другом с h 900-1000 ºС =(4,9-1,9) Па×с.

Результаты исследований и их обсуждение

Изменение вязкости керамической системы с минерализующими добавками в зависимости от реологических свойств минерализаторов установлено в керамических дисперсных системах из масс на основе полиминеральной глины с добавками (минерализаторы NaF, Na 2 CO 3 , стеклобой, а также отходы производства в виде шлама), имеющими температуру плавления ниже оптимальной температуры обжига глины. Кривые изменения вязкости в зависимости от температуры и вида добавки представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Изменение вязкости садового суглинка с минерализующими добавками в зависимости от температуры: 1 - чистая глина; 2 - с добавкой стеклобоя; 3 - с Na 2 CO 3 ; 4 - c NaF; 5 - c добавкой шлама.

Анализ процессов, обуславливающих аномалии на кривых вязкости, свидетельствует о том, что с вводом минерализующих добавок кристаллизационные процессы претерпевают изменения.

Так, появление жидкой фазы за счет эвтектических расплавов, характеризующееся для полиминеральной глины температурой в 875 ºС, сдвигается в область более низких температур: при добавлении стеклобоя на 15 ºС, Na 2 CO 3 - на 70 ºС, NaF - на 75 ºС, шлама - на 80 ºС. Начало появления жидкой фазы, обуславливающее монотонное снижение вязкости для масс с NaF и стеклобоем, совпадает по температуре с эндотермическим эффектом на дифференциальной кривой в 810 и 840 ºС соответственно, отвечающим появлению расплава минерализатора. Перегиб на кривой вязкости, соответствующий превращению продуктов дегидратации в новые кристаллические фазы и характеризующийся для чистой глины в 925 ºС сдвигается с вводом минерализаторов в область более низких температур, за исключением добавки стеклобоя, не изменяющего температуру начала кристаллизации новых фаз.

Добавка Na 2 CO 3 сдвигает эту температуру на 15 ºС, NaF - на 25 ºС, шлам - на 30 ºС. Перегиб на кривых, соответствующих чистой глине, и с добавками NaF и стеклобоя совпадает с экзотермическим эффектом на дифференциальной кривой в 925 и 900 ºС соответственно, отвечающим перекристаллизации новых фаз.

Наиболее интенсивно влияет на характер кристаллизационных процессов, протекающих при обжиге легкоплавкой садовой глины, добавка шлама. Очевидно, это связано с тем, что уже при 800 ºС комбинированный минерализатор из минерализующих составляющих шлама обладает низкой динамической вязкостью h=4,9 Па×с. Добавка шлама в установленном ряде активности минерализаторов и их влияние на физико-химические и кристаллизационные процессы: шлам > NaF > Na 2 СО 3 > стеклобой, опережает отдельные минерализующие составляющие шлама (NaF, Na 2 CO 3), что подтверждает эффективность комбинированных минерализаторов.

Введение добавок NaF и стеклобоя приводит к увеличению интенсивности эндотермического эффекта с максимумом в 130 ºС для садовой глины и сдвигает процесс, обусловленный дегидратацией и удалением межслоевой воды из решетки монтмориллонита в область более низких температур: NaF - на 15 ºС, стеклобоя - на 5 ºС.

По отношению к гидрослюдисто-каолинито-монтмориллонитовой садовой глине установлено значительное снижение температуры диссоциации CaCO 3 в присутствии минерализаторов и сдвиг зоны декарбонизации в область более низких температур, о чем свидетельствует смещение максимума эндотермического эффекта, соответствующего данному процессу и характеризующегося максимальным пиком в 805 ºС для глины на 55-60 ºС при добавлении NaF и на 20-25 ºС при добавлении стеклобоя.

Температура плавления минерализаторов NaF и стеклобоя выше температуры диссоциации карбоната кальция CaCO 3 , что дает основание предположить, что реакции взаимодействия между минерализатором и карбонатом кальция идут в твердой фазе с образованием твердых растворов, способствующих деформации кристаллических решеток реагирующих компонентов и повышению их реакционной способности.

Образование твердых растворов объясняется увеличением амплитуды колебания ионов Na + вокруг своего геометрического центра при 600-700 ºС и близости величины его ионного радиуса к радиусу Ca 2+ , что создает условия для внедрения иона Na + в кристаллическую решетку CaCO 3 , CaO. На термограммах сразу же после эндотермического эффекта диссоциации CaCO 3 обнаружены эндотермические эффекты при температуре 810, 840 ºС в массах с минерализаторами NaF и стеклобоем соответственно, что может быть связано с появлением жидкой фазы при температурах ниже температуры плавления минерализатора за счет образования легкоплавких эвтектик минерализатора и карбоната кальция. Это наблюдение вполне согласуется с данными Н.А. Торопова , указывающего на образование жидкой фазы в системе NaF-CaCO 3 при 400-600 ºС. Значительно больший по интенсивности пик эндотермического эффекта, связанный с появлением жидкой фазы у масс с содержанием NaF, характеризует более активный процесс ее образования в сравнении с массой глины и стеклобоя, что связано с меньшей вязкостью жидкой фазы, образованной минерализатором NaF в глине в период диссоциации кальцита и, как следствие, увеличением количества расплава за счет активизации процесса растворения в нем карбоната кальция.

Установленное значительное уменьшение интенсивности пика эндотермического эффекта, связанного с диссоциацией кальцита в массе глины и NaF, вызвано перекрытием его экзотермической реакцией образования силикатов кальция, являющимся следствием прямого ускорения воздействия гидрослюды и монтмориллонита глины и содержащихся в них минерализаторов на диссоциацию карбонатов.

Судя по приведенным выше данным, минерализующее действие ряда веществ приводит к ускорению термических превращений в глинистых системах, повышению их реакционной способности, причем эффективность воздействия минерализаторов на данные процессы находится в зависимости от их реологических характеристик в температурном интервале обжига керамических масс.

Нашли экспериментальное подтверждение предположения об эффективности и целесообразности использования комплексных минерализующих добавок, сочетающих минерализаторы с низкой температурой плавления и ускорители спекания с низкой динамической вязкостью в интервале температур обжига керамических материалов для регулирования процесса образования жидкой фазы с оптимальными реологическими характеристиками.

Результаты исследований реологических свойств комплексных добавок минерализаторов (рис. 2, 3), совпадающие с данными Бондаренко Н.В. , свидетельствуют о возможности снижения температуры плавления расплава путем сочетания минерализующих добавок с различными реологическими свойствами.

Рис. 2. Зависимость вязкости комплексной добавки от температуры и состава (масс., %): 1 - LiCl 100; 2 - KCl 100; 3 - LiCl 10, KCl 90; 4 - LiCl 30, KCl 70; 5 - LiCl 50, KCl 50; 6 - LiCl 70, KCl 30.

Рис. 3. Зависимость вязкости комплексной добавки стеклобой - NaF от температуры и состава (масс. %): 1 - стеклобой 100; 2 - NaF 100;

3 - стеклобой 50, NaF 50; 4 - стеклобой 75, NaF 25; 5 - стеклобой 25, NaF 75.

Как следует из рис. 2, наиболее эффективна с точки зрения оценки ее реологических свойств, в сравнении с чистыми добавками LiCl и KCl, комбинированная минерализующая добавка в сочетании LiCl и KCl 1:1, образующая расплав при температуре плавления LiCl, в то же время вязкость комплексной добавки приближается к вязкости KCl. Также весьма эффективна комбинированная минерализующая добавка, сочетающая низковязкую добавку NaF (h 1000º C = 2Па×с) и высоковязкую добавку стеклобоя (h 800º C = 10 9 Па×с), образующая расплав при температуре на 130 ºС ниже температуры плавления NaF. В то же время вязкость комбинированного минерализатора приближается к вязкости NaF(h 870º C =4 Па×с). В соответствии с установленными закономерностями очевидна возможность активации отдельных высоковязких добавок, характеризующихся началом размягчения в области достаточно низких температур 575-875 ºС (эрклез, борат кальция, стеклобой, фритта, цеолит) уже в данном температурном интервале.

Заключение

Установлено изменение вязкости керамической дисперсной системы из масс на основе полиминеральной глины с минерализующими добавками в зависимости от термореологических свойств минерализаторов. Выявлен характер изменения кристаллизационных процессов, обусловливающих аномалии на кривых вязкости.

Экспериментально доказана возможность повышения эффективности высоковязких добавок и перевода их термореологических свойств в оптимальный диапазон путем комбинирования с низковязкими минерализаторами. Сочетание высоковязких добавок, имеющих низкую температуру размягчения с низковязкими минерализаторами, приводит к снижению вязкости и сохранению низкой температуры размягчения.

Рецензенты:

• Толкачев В.Я., д.т.н., профессор, главный технолог ЦПК ООО «Сибирский элемент», г. Красноярск.
• Ступко Т.В., д.т.н., старший научный сотрудник, заведующая кафедрой «Химия» Красноярского государственного аграрного университета, г. Красноярск.

Библиографическая ссылка

Даже если вы используйте самое современное моторное масло, его свойства в процессе эксплуатации автомобиля меняются.

Как известно, все масла содержат функциональные добавки, призванные улучшать и поддерживать определённые свойства (в России их принято называть присадками). При работе в двигателе эти добавки разрушаются под действием термических и механических нагрузок. Изменения претерпевают и сами молекулы масла. Когда все эти изменения доходят до определенного предела, необходимо производить замену моторного масла.

Одной из ключевых характеристик, позволяющей установить срок смены масла, является изменение вязкости, от которой в огромной степени зависит способность масла осуществлять свои функции . Изменение вязкости всего на 5% уже воспринимается специалистами как сигнал, а изменение на 10% - как критический уровень.

Важно понимать, что изменение вязкости не происходит скачкообразно. Это постепенный процесс, протекающий в течение всего срока эксплуатации автомобиля между сменами масла. Основные причины, приводящие к изменению вязкости, представлены в таблице.

Распространенные причины изменения вязкости моторных масел

Изменения, связанные с загрязнением масла, нужно устранять либо путем диагностики и ремонта на станциях технического обслуживания, либо изменением стиля езды.

Наиболее интересны изменения, происходящие на молекулярном уровне. Интересны тем, что их полностью не избежать, поскольку они носят фундаментальный, естественный характер. Но эти изменения можно сдерживать.

Причины, приводящие к повышению вязкости, будут рассмотрены в отдельной статье, посвященной противоизносным свойствам масел. Здесь же остановимся на обратном процессе. Приведем наиболее вероятные следствия снижения вязкости моторного масла:

Снижение толщины пленки масла на поверхностях трущихся деталей и, как следствие, избыточный износ, повышенная чувствительность к механическим примесям, разрыв масляной пленки при высоких нагрузках и при запусках двигателя.

Повышение силы трения в элементах двигателя, работающих в смешанном и граничном режимах трения (поршневые кольца, газораспределительный механизм) приведет к избыточному потреблению топлива и выделению тепла.

Известно , что стандартом SAE J300 одобрено четыре метода определения вязкости моторного масла. Поскольку следствия снижения вязкости в основном проявляются в работающем двигателе, наиболее подходящим методом будет определение вязкости HTHS.

Этот параметр, который расшифровывается как высокотемпературная вязкость при высокой скорости сдвига (High-Temperature High-Shear rate viscosity) обычно определяют в условиях, максимально приближенных к условиям работы масла в паре трения поршневое кольцо - стенка цилиндра. К слову сказать, аналогичные условия существуют и на поверхности кулачков распределительного вала, и в подшипниках коленчатого вала при высоких нагрузках на двигатель. Температура при определении вязкости HTHS составляет + 150 °С, а скорость сдвига - 1.6*10 6 1/с. Чтобы было легче представлять последнюю величину, приведем несколько фантастических бытовых примеров, в которых скорость сдвига имеет близкое значение: покраска забора валиком со скоростью 160 км/с, выдавливание воды из 10-мл шприца с иглой за 1/10 секунды, намазывание масла на 200000 кусков хлеба одним человеком за 1 минуту.

Итак, именно вязкость HTHS наиболее тесно связана как с защитными свойствами масла, так и расходом топлива работающего двигателя. Последнее утверждение подтверждается исследованиями (рис1).

Рисунок 1.
Связь расхода топлива со свойствами моторного масла
(P.I. Lacey, SAE Technical Paper 2001-01-1904)

В лаборатории ВМПАВТО на реометре Anton Paar MCR 102 измерение вязкости HTHS может быть определено в более «мягких» условиях, чем предусмотрено в стандартах: пока удается достичь скорости сдвига 10 5 1/с при +150 °С. Однако и с таким приближением можно получить интересные результаты.

На рис.2 представлены результаты определения HTHS вязкости полностью синтетического масла Shell Helix ULTRA AV-L 5W-30, использовавшегося в автомобиле VW GOLF 1.6 2006 г. вып. Новое масло имело HTHS вязкость 3.62 мПа*с. Но уже после 8000 км пробега HTHS вязкость упала на 0.16 мПа*с (-4.4%), то есть уже подошла к «сигнальным» 5% для специалистов уровню. Это означает, что все негативные последствия, описанные выше, могут начать проявляться в самое ближайшее время.

В начале 2013 г научно-технический отдел ВМПАВТО приступил к разработке многофункциональной добавки нового поколения к моторным маслам. Ее название - “P14”. Весной 2014 г начались натурные испытания на автомобилях различного класса.

Как видно из рис. 2 добавление “P14” практически не повлияло на HTHS вязкость нового моторного масла (-1.4%). В то же время, добавление “P14” к маслу после 8000 км пробега позволило не только восстановить значение HTHS вязкости до начального, но и несколько повысить его (+3.0%), придав моторному маслу новый «вязкостный потенциал» для дальнейшей беспроблемной работы. Измерение HTHS вязкости через 7500 км после применения “P14” (+5.5%) показывает, что даже перед очередной сменой моторного масла, его защитные характеристики остаются на высоком уровне: не произошло ни критического падения, ни роста этого важнейшего параметра.

Рисунок 2.
HTHS вязкость моторного масла при + 150 °С и скорости сдвига 10 5 1/с.
Каждое значение - среднее из 100 измерений.

В течение года при сезонной смене температуры вязкость транспортируемой нефти изменяется (рис. 1.20). В случае повышения температуры нефти от t 1 до t 2 , вязкость нефти уменьшается. Это приводит к уменьшению гидравлического сопротивления трубопровода (H 2 Q 1).

Рассмотрим влияние изменения вязкости нефти на величину подпоров ПС. Предположим, что на всех станциях установлено одинаковое число однотипных насосов, подпор на головной перекачивающей станции h П, остаточный напор на конечном пункте h ОСТ. Примем для простоты, что нефтепровод состоит из одного эксплуатационного участка N Э =1, а число ПС составляет n (рис. 1.21).

Напор перекачивающей станции в зимний период составит

в летний период

, (1.59)

где H 1 , H 2 – суммарные потери напора в трубопроводе, соответственно в зимний и летний периоды.

Рис. 1.20. Совмещенная характеристика трубопровода и ПС

при изменении вязкости нефти

Рис. 1.21. Влияние сезонного изменения вязкости нефти

на величину подпоров перед ПС

Из начальной точки профиля трассы отложим в вертикальном масштабе значения H 1 и H 2 , затем вершины отрезков соединим прямыми с точкой z K +h ОСТ. Полученные линии соответствуют положению линий гидравлических уклонов в зимний i 1 и летний i 2 периоды.

Представим, что трасса трубопровода – восходящая прямая AB. Как видно из построений, при расстановке станций такая трасса будет разбита на равные участки длиной L/n. При этом линии гидравлических уклонов i 1 и i 2 пересекут линию AB в одних и тех же точках. Это говорит о том, что при монотонном профиле трассы нефтепровода изменение вязкости нефти не оказывает влияния на величину подпоров на входе промежуточных ПС.

В реальных условиях профиль трассы может быть сильно пересеченным, тогда расстояния между перекачивающими станциями будут неодинаковы (l 1 ¹l 2 ¹l 3 ¹l n). Рассмотрим изменение подпора перед ПС в этом случае.

Величину подпора DH C перед с-й ПС можно найти из уравнения баланса напоров

где a=m M ×a M и b=m M ×b M .

Значение расхода в выражении (1.61) определяется из уравнения баланса напоров нефтепровода в целом (1.37), что позволяет записать

. (1.62)

осле подстановки (1.62) в (1.61), получим

Как следует из выражения (1.63), от величины вязкости зависит только один сомножитель , так как .

Введем обозначения:

;

– среднее расстояние между перекачивающими станциями на участке до с-й ПС;

– среднее арифметическое расстояние между ПС;

С учетом принятых упрощений выражение (1.63) можно представить в виде

где
.

Величина F прямо пропорционально зависит от изменения вязкости нефти: при снижении вязкости уменьшается и величина F.

Если выполняется условие L ср < l ср(С) , то при уменьшении вязкости подпор на с-й ПС возрастает. В противном случае при L ср > l ср(С) подпор на с-й ПС снижается и может оказаться меньше допустимого значения DH min (рис. 1. 21). В случае расстановки ПС согласно гидравлическому расчету при минимальной температуре нефти (t 1 =t min , n 1 =n mах), необходимо проанали­зи­ровать работу каждого перегона в летний период.

В летнее время, если позволяет прочность трубы, можно увеличить подпор на ГПС включением дополнительного последовательно соединенного подпорного насоса.

1.10. Регулирование режимов работы нефтепровода

Режимы работы нефтепровода определяются подачей и напором насосов ПС в рассматриваемый момент времени, которые характеризуются условиями материального и энергетического баланса перекачивающих станций и трубопровода. Любое нарушение баланса приводит к изменению режима работы и обуславливает необходимость регулирования .

К основным факторам, влияющим на режимы работы системы «ПС – трубопровод», можно отнести следующие:

§ изменение реологических параметров нефти вследствие сезонного изменения температуры, а также влияния содержания воды, парафина, растворенного газа и т. п.;

§ технологические факторы – изменение параметров насосов, их включение и отключение, наличие запасов нефти или свободных емкостей и т. д.;

§ аварийные или ремонтные ситуации, вызванные поврежде­ниями на линейной части, отказами оборудования ПС, срабатываниями предельной защиты.

Некоторые из этих факторов действуют систематически, некоторые – периодически. Все это создает условия, при которых режимы работы системы «ПС – трубопровод» непрерывно изменяются во времени.

Из уравнения баланса напоров следует, что все методы регулирования можно условно разделить на две группы:

q методы, связанные с изменением параметров перекачивающих станций

§ изменение количества работающих насосов или схемы их соединения;

§ регулирование с помощью применения сменных роторов или обточенных рабочих колес;

§ регулирование изменением частоты вращения вала насоса;

q методы, связанные с изменением параметров трубопровода

§ дросселирование;

§ перепуск части жидкости во всасывающую линию (байпасирование).

Изменение количества работающих насосов. Этот метод применяется при необходимости изменения расхода в нефте­проводе. Однако результат зависит не только от схемы соединения насосов, но и вида характеристики трубопровода (рис. 1.22).

1 – характеристика насоса; 2 – напорная характеристика ПС при последовательном соединении насосов; 3 – напорная характеристика ПС при параллельном соединении насосов; 4, 5 – характеристика трубопровода; 6 – h-Q характеристика насоса при последовательном соединении; 7 – h-Q характеристика насоса при параллельном соединении

Рассмотрим в качестве примера параллельное и последовательное соединение двух одинаковых центробежных насосов при работе их на трубопровод с различным гидравлическим сопротивлением.

Как видно из графических построений (рис. 1.22), последо­вательное соединение насосов целесообразно при работе на трубопровод с крутой характеристикой. При этом насосы работают с большей, чем при параллельном соединении, подачей (Q B >Q C), а также с более высоким суммарным напором и коэффициентом полезного действия. Параллельное соединение насосов более предпочтительно при работе на трубопровод с пологой характеристикой (Q F >Q E , H F >H E , h F >h E).

Регулирование с помощью сменных роторов . Большинство современных магистральных насосов укомплектовано сменными роторами на пониженную подачу 0,5Q НОМ и 0,7Q НОМ. Кроме того насос НМ 10000-210 укомплектован сменным ротором на 1,25 Q НОМ.

Сменные роторы имеют частные характеристики (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Характеристика насоса со сменными роторами

Применение сменных роторов является экономичным на начальной стадии эксплуатации нефтепровода, когда не все перекачивающие станции построены, и трубопровод не выведен на проектную мощность (поэтапный ввод нефтепровода в эксплуатацию). Эффект от установки сменных роторов можно получить и при длительном уменьшении объема перекачки.

Обточка рабочих колес по наружному диаметру широко применяется в трубопроводном транспорте нефти. В зависимости от величины коэффициента быстроходности n S обточку колес можно выполнять в следующих пределах: при 60< n S <120 допускается обрезка колес до 20%; при 120< n S <200 – до 15%; при n S =200¼300 – до 10%.

Пересчет характеристики насоса при обточке рабочего колеса выполняется по формулам подобия:

где Q З, H З и N З – подача, напор и потребляемая мощность, соответствующие заводскому диаметру рабочего колеса D З;

Q У, H У и N У – то же при уменьшенном диаметре рабочего колеса D У.

Способ регулирования за счет обточки рабочего колеса может быть эффективно использован при установившемся на длительное время режиме перекачки. Следует отметить, что уменьшение диаметра рабочего колеса сверх допустимых пределов приводит к нарушению нормальной гидродинамики потока в рабочих органах насоса и значительному снижению к. п. д.

Изменение частоты вращения вала насоса – прогрессивный и экономичный метод регулирования. Применение плавного регулирование частоты вращения роторов насосов на ПС магистральных нефтепроводов облегчает синхронизацию работы станций, позволяет полностью исключить обточку рабочих колес, применение сменных роторов, а также избежать гидравлических ударов в нефтепроводе. При этом сокращается время запуска и остановки насосных агрегатов. Однако, в силу технических причин, этот способ регулирования пока не нашел широкого распространения.

Метод изменения частоты вращения основан на теории подобия

(1.66)

где Q 1 , H 1 и N 2 – подача, напор и потребляемая мощность, соответствующая частоте вращения рабочего колеса n 1 ;

Q 2 , H 2 и N 2 – то же при частоте вращения рабочего колеса n 2 .

При уменьшении частоты вращения характеристика насоса изменится и рабочая точка сместится из положения А 1 в А 2 (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Совмещенная характеристика нефтепровода и насоса при изменении частоты вращения вала

В соответствии с (1.66) при пересчете характеристик насоса с частоты вращения n 1 на частоту n 2 , получим следующие соотношения:

Изменение частоты вращения вала насоса возможно в следующих случаях:

§ применение двигателей с изменяемой частотой вращения;

§ установка на валу насосов муфт с регулируемым коэффициентом проскальзывания (гидравлических или электромагнитных);

§ применение преобразователей частоты тока при одновременном изменении напряжения питания электродвигателей.

Следует отметить, что изменять частоту вращения в широких пределах нельзя, так как при этом существенно уменьшается к. п. д. насосов.

Метод дросселирования на практике применяется сравнительно часто, хотя и не является экономичным. Он основан на частичном перекрытии потока нефти на выходе из насосной станции, то есть на введении дополнительного гидравлического сопротивления. При этом рабочая точка из положения А 1 смещается в сторону уменьшения расхода в точку А 2 (рис. 1.25).

Рис. 1.25. Совмещенная характеристика ПС и трубопровода при регулировании дросселированием и байпасированием

Целесообразность применения метода можно характеризовать величиной к. п. д. дросселирования h ДР

. (1.68)

С увеличением величины дросселируемого напора h ДР значение h ДР уменьшается. Полный к. п. д. насоса (ПС) определяется выражением h=h 2 ×h ДР. Метод дросселирования уместно применять для насосов, имеющих пологую напорную характеристику. При этом потери энергии на дросселирование не должны превышать 2% энергозатрат на перекачку.

Метод перепуска части жидкости во всасывающую линию насосов (байпасирование ) применяется в основном на головных станциях. При открытии задвижки на обводной линии (байпасе) напорный трубопровод соединяется с всасывающим, что приводит к уменьшению сопротивления после насоса и рабочая точка перемещается из положения А 1 в А 3 (рис. 1.25). Расход Q Б =Q 3 -Q 2 идет через байпас, а в магистраль поступает расход Q 2 .

Коэффициент полезного действия байпасирования составляет

. (1.69)

На практике байпасирование используется редко из-за неэкономичности. Метод регулирования байпасированием следует применять при крутопадающих характеристиках насосов. В этом случае он экономичнее дросселирования.

Вязкостью называется способность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Это свойство жидкости проявляется лишь при ее движении. Допустим, что некоторое количество жидкости заключено между двумя плоскими неограниченными параллельными пластинами (рис. 2.1); расстояние между ними – п; скорость движения верхней пластины относительно нижней – υ.

Опыт показывает, что слой жидкости, непосредственно прилегающий к стенке, прилипает к ней. Отсюда следует, что скорость движения жидкости, прилегающей к нижней стенке, равна нулю, а к верхней – υ. Промежуточные слои движутся со скоростью, постепенно возрастающей от 0 до υ.

Рис. 2.1.

Таким образом, существует разность скоростей между соседними слоями, и возникает взаимное скольжение слоев, которое приводит к проявлению силы внутреннего трения.

Чтобы перемещать одну пластину относительно другой, необходимо приложить к движущейся пластине некоторую силу Г, равную силе сопротивления жидкости в результате внутреннего трения. Ньютон установил, что эта сила пропорциональна скорости и, поверхности соприкосновения S и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами n , т.е.

где μ – коэффициент пропорциональности, называемый динамической вязкостью (или динамическим коэффициентом вязкости).

Для большего уточнения этой зависимости ее следует отнести к бесконечно малому расстоянию между слоями жидкости, тогда

где Δ υ – относительная скорость движения соседних слоев; Δп – расстояние между ними. Или в пределе

Последнее выражение представляет закон Ньютона для внутреннего трения. Знак плюс или минус принимается в зависимости от знака градиента скорости dv/dn.

Так как τ = Т/S есть касательное напряжение сдвига, то закону Ньютона можно придать более удобный вид:

Касательное напряжение, возникающее в жидкости, пропорционально градиенту скорости в направлении, перпендикулярном вектору скорости и площадке, по которой оно действует.

Коэффициент пропорциональности µ характеризует физические свойства жидкости и называется динамической вязкостью. Из формулы Ньютона следует, что

Из этого выражения вытекает физический смысл коэффициента р: если , то µ = τ.

В гидродинамике вводят в рассмотрение величину

называемую кинематической вязкостью (кинематическим коэффициентом вязкости).

Динамическая вязкость µ с ростом температуры уменьшается, а с увеличением давления увеличивается. Однако влияние давления для капельных жидкостей незначительно. Динамическая вязкость газов с увеличением температуры возрастает, а от изменения давления меняется незначительно.

Закон Ньютона для внутреннего трения в жидкостях существенно отличается от законов трения в твердых телах. В твердых телах существует трение покоя. Кроме того, сила трения пропорциональна нормальному давлению и мало зависит от относительной скорости движения. В жидкости, подчиняющейся закону Ньютона, при отсутствии относительной скорости движения слоев сила трения отсутствует. Сила трения не зависит от давления (нормального напряжения), а зависит от относительной скорости перемещения слоев. Жидкости, подчиняющиеся закону Ньютона, называются ньютоновскими. Однако существуют жидкости, которые не подчиняются этому закону (аномальные жидкости). К их числу относятся различного вида эмульсии, коллоидные растворы, представляющие собой неоднородные тела, состоящие из двух фаз (твердой и жидкой).

Так, глинистые растворы, применяемые при бурении нефтяных скважин, некоторые сорта нефтей вблизи температуры их застывания не подчиняются закону Ньютона. Опытами установлено, что в подобных жидкостях движение наступает после того, как касательные напряжения достигнут некоторого значения, называемого начальным напряжением сдвига.

Для таких жидкостей справедлива более общая зависимость для τ (формула Бингема):

где τ0 – начальное напряжение сдвига; η – структурная вязкость.

Таким образом, эти жидкости при напряжении τ < τ0 ведут себя как твердые тела и начинают течь лишь при τ ≥ τ0. В дальнейшем градиент скорости пропорционален не т, а разнице τ -τ0.

Графически зависимость между и τ изображается кривой 1 для ньютоновских жидкостей и кривой 2 – для аномальных жидкостей (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Зависимость dv/dn от касательного напряжения

При движении структурных жидкостей по трубопроводу наблюдаются три режима их движения: структурный, ламинарный, турбулентный.

Структурный. Для начала движения необходим некоторый начальный перепад давления в трубопроводе Δр 0, после чего жидкость отделяется от стенок и начинает двигаться как одно целое (как твердое тело).

Ламинарный. При увеличении перепада давления Δр будет увеличиваться скорость движения жидкости и вблизи стенок начнет развиваться ламинарный режим течения. По мере дальнейшего увеличения скорости область ламинарного режима будет расширяться, затем структурный режим полностью переходит в ламинарный.

Турбулентный. При дальнейшем увеличении скорости ламинарный режим переходит в турбулентный (см. параграф 6.1).

Зависимость вязкости от температуры и давления. Вискозиметры

Вязкость капельной жидкости в значительной степени зависит от температуры и в меньшей степени – от давления. Зависимостью вязкости от давления в большинстве случаев пренебрегают. Например, при давлениях до 50 105 Па вязкость изменяется не более чем на 8,5%. Исключением является вода при температуре 25°С – ее вязкость с увеличением давления незначительно уменьшается. Другая особенность воды состоит в том, что ее плотность с уменьшением температуры до +4°С возрастает, а при дальнейшем уменьшении температуры (от +4 до 0°С) – уменьшается. Этим объясняется тот факт, что вода замерзает с поверхности. При температуре около 0°С она имеет наименьшую плотность, и слои жидкости, имеющие такую температуру, как наиболее легкие всплывают на поверхность, где и происходит замерзание воды, если ее температура оказывается меньшей 0°С.

При атмосферном давлении вязкость воды в зависимости от температуры определяется по формуле Пуазейля

где v – кинематическая вязкость; µ – динамическая вязкость; ρ – плотность воды при данной температуре; t – температура воды.

Вязкость жидкости определяют при помощи приборов, называемых вискозиметрами. Для жидкостей, более вязких, чем вода, применяют вискозиметр Энглера. Этот прибор состоит из емкости с отверстием, через которое при температуре 20°С определяют время слива дистиллированной воды Т 0 и жидкости T , вязкость которой требуется определить. Отношение величин Т и Т 0 составляет число условных градусов Энглера:

После определения вязкости жидкости в условных градусах Энглера кинематическая вязкость (см2/с) находится по эмпирической формуле Убеллоде

Полученные по этой формуле значения v хорошо согласуются с опытными данными.

В течение года при сезонной смене температуры вязкость транспортируемой нефти изменяется (рис. 1.20). В случае повышения температуры нефти от t 1 до t 2 , вязкость нефти уменьшается. Это приводит к уменьшению гидравлического сопротивления трубопровода (H 2 Q 1).

Рассмотрим влияние изменения вязкости нефти на величину подпоров ПС. Предположим, что на всех станциях установлено одинаковое число однотипных насосов, подпор на головной перекачивающей станции h П, остаточный напор на конечном пункте h ОСТ. Примем для простоты, что нефтепровод состоит из одного эксплуатационного участка N Э =1, а число ПС составляет n (рис. 1.21).

Напор перекачивающей станции в зимний период составит

в летний период

где H 1 , H 2 – суммарные потери напора в трубопроводе, соответственно в зимний и летний периоды.

Рис. 1.20. Совмещенная характеристика трубопровода и ПС

при изменении вязкости нефти

Рис. 1.21. Влияние сезонного изменения вязкости нефти

на величину подпоров перед ПС

Из начальной точки профиля трассы отложим в вертикальном масштабе значения H 1 и H 2 , затем вершины отрезков соединим прямыми с точкой z K +h ОСТ. Полученные линии соответствуют положению линий гидравлических уклонов в зимний i 1 и летний i 2 периоды.

Представим, что трасса трубопровода – восходящая прямая AB. Как видно из построений, при расстановке станций такая трасса будет разбита на равные участки длиной L/n. При этом линии гидравлических уклонов i 1 и i 2 пересекут линию AB в одних и тех же точках. Это говорит о том, что при монотонном профиле трассы нефтепровода изменение вязкости нефти не оказывает влияния на величину подпоров на входе промежуточных ПС.

В реальных условиях профиль трассы может быть сильно пересеченным, тогда расстояния между перекачивающими станциями будут неодинаковы (l 1 l 2 l 3 l n). Рассмотрим изменение подпора перед ПС в этом случае.

Величину подпора H C перед с-й ПС можно найти из уравнения баланса напоров

где a=m M a M и b=m M b M .

Значение расхода в выражении (1.61) определяется из уравнения баланса напоров нефтепровода в целом (1.37), что позволяет записать

. (1.62)

После подстановки (1.62) в (1.61), получим

Как следует из выражения (1.63), от величины вязкости зависит только один сомножитель , так как.

Введем обозначения:

;

–среднее расстояние между перекачивающими станциями на участке до с-й ПС;

–среднее арифметическое расстояние между ПС;

С учетом принятых упрощений выражение (1.63) можно представить в виде

где .

Величина F прямо пропорционально зависит от изменения вязкости нефти: при снижении вязкости уменьшается и величина F.

Если выполняется условие L ср < l ср(С) , то при уменьшении вязкости подпор на с-й ПС возрастает. В противном случае при L ср > l ср(С) подпор на с-й ПС снижается и может оказаться меньше допустимого значения H min (рис. 1. 21). В случае расстановки ПС согласно гидравлическому расчету при минимальной температуре нефти (t 1 =t min ,  1 = mах), необходимо проанали­зи­ровать работу каждого перегона в летний период.

В летнее время, если позволяет прочность трубы, можно увеличить подпор на ГПС включением дополнительного последовательно соединенного подпорного насоса.