Испытательный стенд для оценки влияния акустических колебаний на текучесть гелеобразных сред в пристеночном слое трубопровода

Испытательный стенд для оценки влияния акустических колебаний на текучесть гелеобразных сред в пристеночном слое трубопровода относится к исследованию материалов путем определения их физических свойств, конкретно, к исследованию свойств гелеобразных сред в пристеночном слое трубопровода, в частности, тяжелой фракции нефти в технологических трубопроводах. Принцип действия устройства основывается на том, что критичным для снижения сопротивления прокачки гелеобразной среды через трубопровод является увеличение текучести не в полном объеме рабочей среды, а только в ее пристеночном слое. Именно этот эффект регистрируется в заявляемом устройстве по падению усилия страгивания вращающегося отрезка трубы (статического модуля сдвига) в исследуемой среде, нормированного на начальную температуру среды. С помощью предлагаемого устройства могут легко подбираться оптимальные режимы акустического воздействия, усиливающие полезный эффект увеличения текучести конкретных гелеподобных сред в трубопроводах при заданных температурах окружающей среды, в том числе различных биоорганических веществ и ракетных топлив.

Полезная модель относится к исследованию материалов путем определения их физических свойств, в частности, к исследованию свойств гелеобразных сред в пристеночном слое трубопровода, в частности, тяжелой фракции нефти в технологических трубопроводах.

Известно, что слабая текучесть гелеобразных сред вызывает проблемы при их движении по трубопроводам, особенно при пониженных температурах окружающей среды. Такая проблема возникает, например, при перекачке нефтепродуктов, особенно при страгивании (стартовые режимы), когда нефтепродукты, по крайней мере, в пристеночном слое трубы, претерпевают переход из упругого в текучее состояние (Chang С., Nguyen Q.D., Ronningsen Н.Р. Isothermal start-up of pipeline transporting waxy crude oil // J. Non-Newtonian Fluid Mech. 1999. V.87, P.127-154).

Известно, что воздействие ультразвуковых колебаний вызывает увеличение текучести гелеобразных сред, в частности, нефти (Lionetto F, Coluccia G и др. // Reologia acta. 2007. V.46.N 5.Р.601-609, п. РФ 2350830), поэтому на магистральных трубопроводах устанавливают различного вида электроакустические преобразователи, например, в виде излучателей акустических волн на разных частотах (п. РФ 54652 U1) или множества излучателей (CN 2911173Y, CN 1904461 A).

Известна также система «Гидроакустический комплекс для обработки нефти при транспортировке» (http://www.zvekprogress.com/hydroacoustics/02/), представляющая собой систему ультразвуковых излучателей и ультразвукового генератора. Электроакустические излучатели, установленные на наружной поверхности трубы нефтепровода возбуждают ультразвуковое поле, которое распространяется внутри нефтепровода.

Однако для эффективного конструирования и использования подобных устройств требуются экспериментальные данные по влиянию акустических колебаний на текучесть гелеобразных сред при различных температурах, в частности, при стартовых режимах транспортировки, особенно в условиях низких зимних температур.

Известен трубопроводный стенд для оценки влияния акустических колебаний на текучесть нефти в трубопроводах (М.А.Миронов, В.А.Пирогов, Б.П.Туманян, С.Н.Челинцев. «Акустическая технология снижения вязкости нефтепродуктов в трубопроводах при низкой температуре». Хим. техника, 3, 2002, 38-43), выбранный в качестве прототипа.

Стенд состоит из двух отрезков трубы разного диаметра, один торец которых присоединен через нагнетающий насос к термостатируемой емкости с испытуемым образцом, а другой - к обратной трубе для возвращения образца в емкость. На обеих концах труб установлены вентили-задвижки для подключения их к нагнетающему насосу. Для возбуждения акустических колебаний трубы снабжены магнитострикционными преобразователями, возбуждаемыми генератором. Стенд содержит также измерительный магнитофон, акселерометр, манометры и термометры, установленные на каждой из труб. Испытательный стенд заполняют нефтью путем выдавливания ее сжатым воздухом из накопительной емкости в трубопроводы, то есть приложением внешней силы. После установления требуемой температуры регистрируют начальное давление в виде значения постоянной составляющей тока на одном из каналов измерительного магнитофона. Момент появления давления на выходном торце измерительной трубы считается моментом сдвига нефти в трубе, то есть моментом отрыва ее от стенок трубопровода. Фиксируют потери давления в трубопроводе при течении нефти и соответствующий им расход, который определяют взвешиванием вытекающей нефти из трубопровода за определенный промежуток времени. Таким образом, по величине пускового давления судят об изменении текучести исследуемой нефти в полном объеме трубопровода под действием акустических колебаний.

Однако, положенный в основу конструкции стенда принцип измерения гидравлического сопротивления исследуемой нефти в объеме трубы, приводит к громоздкости стенда и сложности процесса измерения, а также необходимости использования больших объемов исследуемой среды и, следовательно, значительным энергозатратам. Особые сложности с применением прототипа возникают при понижении температуры до среднезимних значений (-15°С) и использовании в качестве образца тяжелых фракций нефти, например, топочного мазута - температура плавления 40°С.

Задача полезной модели состоит в упрощении и расширении возможностей испытательного стенда за счет применения к поставленной задаче принципа обращения геометрии задачи о продвижении рабочей среды в трубе и оценки текучести гелеобразной среды не по всему объему трубопровода, а только в пристеночном слое отрезка трубы по величине усилия его поворота в исследуемой среде.

Поставленная задача решается испытательным стендом, состоящим из емкости для гелеобразной среды, акустического узла, включающего П-образный подвес, на кромке которого точечно закреплен отрезок трубы с присоединенным к его верхнему торцу пьезокерамическим преобразователем, соединенным с электронным генератором, при этом акустический узел установлен с возможностью вращения вокруг своей оси, П-образный подвес снабжен рычагом, к которому через гибкую тягу прикреплен датчик силы, а стенд снабжен датчиком температуры.

Схематичное изображение заявляемого стенда представлено на фиг.1, где 1 - емкость для исследуемой среды 2; 3 - ось вращения внешнего штатива (на фиг. не показан); 4 - П-образный подвес; 5 - исследуемый отрезок трубы; 6 - пьезокерамический преобразователь; 7 - рычаг; 8 - датчик силы; 9 - гибкая тяга.

Исследуемый отрезок трубы 5 точечно крепится к П-образному подвесу 4. П-образный подвес 4 и отрезок трубы 5 с пьезокерамическим цилиндром 6, установленном на верхнем торце отрезка трубы 5 образуют акустический узел.

Стенд работает следующим образом.

Емкость 1 заполняют исследуемой средой 2 при комнатной температуре. Фиксируют акустический узел в емкости 1 путем соединения с осью 3 вращения внешнего штатива. Пьезокерамический преобразователь 6 вместе с патрубком 5 образуют ¹/₂-волновой преобразователь системы возбуждения ультразвуковых колебаний, который при точечном креплении к кромке П-образного подвеса 4 в зоне акустического узла, обеспечивает акустическую развязку системы возбуждения ультразвуковых колебаний от остальной части конструкции.

Установка охлаждается до требуемой температуры. С электронного генератора (на фиг. не показан) на пьезокерамический преобразователь 6 в течение контролируемого экспериментатором времени подается электрический сигнал, что приводит к развитию в пристеночном слое отрезка трубы сдвиговых колебаний исследуемой среды. На рычаге 7 через гибкую тягу 9 и датчик силы 8 создается усилие, при котором отрезок трубы 5 вместе со всем вращающимся акустическим узлом страгивается и начинает проворачиваться в горизонтальной плоскости в исследуемой среде. Это усилие регистрируется датчиком силы 8 и по графику его отклика выбирается максимальное значение, которое пропорционально статическому модулю сдвига исследуемой среды. Это максимальное значение нормируется на начальную температуру среды. По изменению данного параметра в процессе воздействия ультразвука по сравнению с фоновым (без ультразвука) оценивается степень влияния акустических колебаний на изменение текучести исследуемой среды и подбираются наиболее оптимальные режимы акустического воздействия.

Принцип действия заявляемого стенда в отличие от прототипа, основывается на том, что критичным для снижения сопротивления прокачки гелеобразной среды через трубопровод является увеличение текучести не в полном объеме рабочей среды, а только в ее пристеночном слое. Именно этот эффект регистрируется в заявляемом стенде по падению усилия страгивания вращающегося отрезка трубы (статического модуля сдвига) в исследуемой гелеобразной среде, нормированного на начальную температуру среды.

Для проверки стенда была изготовленна лабораторная установка, исследуемой гелеобразной средой являлся мазут М-100 Белореченского завода. Охлаждение стенда, заполненного мазутом, производилось в морозильной камере холодильника в течение не менее 4 часов. Двусторонняя площадь погруженной в мазут части вращающегося отрезка трубы (внешний диаметр 25 mm, внутренний - 23 mm, глубина погружения 10 mm) составила S=9.06 cm² .

Измерение усилия страгивания отрезка трубы производилось датчиком силы SBA-100L (CAS Corporation), подключенным через мостовой усилитель к электронному самописцу PowerLab-8/30 (ADInstruments). Датчик силы в горизонтальном положении через тягу (леску), закрепленную на рычаге (плечо 28 мм относительно оси вращения системы), приводился в движение по направлению касательной к круговой траектории вращающегося узла установки после включения режима записи данных на электронный самописец. После страгивания отрезка трубы и начала его вращения усилие прекращалось. Для оценки усилия страгивания использовалось максимальное значение силы.

В качестве режимов работы установки использовались: отсутствие ультразвука (режим 0) - фоновый режим, 20-секундное воздействие ультразвука частотой 25 kHz (режим 1).

Помимо усилия страгивания (F, мкВ), контролировались следующие параметры: температура мазута в объеме (Tv, °C), ток потребления пьезопреобразователя (I, мА) и выходное напряжение генератора (U, В).

Проведено 38 экспериментов, результаты которых приведены на фиг.2.

С помощью критерия Шапиро-Вилка была проверена нормальность распределения всех вариант для каждого из режимов. С использованием гетероскедастического t-теста оценена статистическая значимость (p) различий контролируемых параметров между двумя режимами (0 и 1) работы установки (Фиг.3), где F/Tv - отношение усилия к начальной температуре, F, мкВ - усилие страгивания, tv, °C - температура мазута в объеме.

Разница между значениями усилия F находится на грани статистической достоверности, однако с учетом поправки на начальную температуру (которая была не одинакова в разных экспериментах) для параметра F/Tv (отношение усилия к начальной температуре) получена высокодостоверная статистическая значимость различий между воздействием ультразвука и фоновым воздействием без такового (Фиг.3). Это свидетельствует о статистически существенном увеличении текучести исследуемой среды в пристеночном слое трубы и, следовательно, трубопровода при акустическом воздействии. Средняя величина увеличения текучести (с поправкой на начальную температуру) при используемых режимах акустического воздействия составляет 19.3% (Фиг.3). При этом на пьезопреобразователь установки в охлажденном мазуте подается активная электрическая мощность около 0.36 Вт (U=50 В, I=40 мА, cos=0.18). Площадь погруженной в мазут части исследуемого отрезка трубы пьезопреобразователя составляет 9.06 см² . Тогда с учетом 5% КПД пьезопреобразователя удельная акустическая мощность развиваемая установкой в охлажденном мазуте может составлять примерно 0.002 Вт/см².

Таким образом, на заявляемом стенде впервые экспериментально выявлен эффект вызванного сдвиговыми ультразвуковыми колебаниями статистически достоверного снижения нормированного на исходную температуру статического предела текучести столь тяжелой фракции нефти (мазут М-100) в пристеночном слое отрезка трубы при столь низких температурах (от -13°С до -17.5°С).

С помощью предлагаемого стенда могут легко подбираться оптимальные режимы акустического воздействия, усиливающие полезный эффект увеличения текучести конкретных гелеподобных сред в трубопроводах при заданных температурах окружающей среды, в том числе различных биоорганических веществ и ракетных топлив.

Испытательный стенд для оценки влияния акустических колебаний на текучесть гелеобразных сред, состоящий из емкости для гелеобразной среды, акустического узла, включающего П-образный подвес, на кромке которого точечно закреплен отрезок трубы с присоединенным к его верхнему торцу пьезокерамическим преобразователем, соединенным с электронным генератором, при этом акустический узел установлен с возможностью вращения вокруг своей оси, П-образный подвес снабжен рычагом, который через гибкую тягу соединен с датчиком силы, а стенд снабжен датчиком температуры.