Как определить размер подъемной трубы для бурового насоса

Напорный трубопровод — это вертикальная труба, которая подает воду из погружного насоса в скважине на поверхность. Его выбор может показаться простым: подключите трубу к выходному патрубку насоса и выведите ее на поверхность.

На практике напорный трубопровод влияет на производительность насоса, энергопотребление, нагрузку при монтаже, гидроудары, техническое обслуживание и долгосрочную надежность.

Слишком маленький диаметр трубы приводит к высокой скорости воды и чрезмерным потерям на трение. Насос вынужден работать против дополнительного напора, что может снизить подаваемый расход и увеличить энергопотребление.

Необоснованно большой диаметр трубы стоит дороже, увеличивает вес и может затруднить установку внутри имеющейся обсадной колонны скважины.

Размер выходного патрубка насоса также не определяет автоматически правильный диаметр всего напорного трубопровода. Размер выходного патрубка указывает на механическое соединение выбранного насоса. Окончательный диаметр трубы должен быть проверен с учетом расчетного расхода, внутреннего диаметра трубы, длины, материала, номинального давления и условий монтажа.

Напорный трубопровод, также называемый колонной трубой, напорной трубой или выпускной трубой, соединяет выходной патрубок погружного насоса с устьем скважины.

В зависимости от установки он может быть изготовлен из:

• Углеродистая сталь

• Оцинкованная сталь

• Нержавеющая сталь

• ПНД

• ХПВХ

• Армированная гибкая труба

• Другой одобренный материал напорной трубы

Труба должна транспортировать перекачиваемую воду, одновременно поддерживая или компенсируя нагрузки, создаваемые узлом насоса, кабелем, обратными клапанами и водяным столбом.

В некоторых установках напорный трубопровод механически поддерживает насос. В других предусмотрен отдельный страховочный трос или система поддержки. Полная конфигурация должна соответствовать инструкциям производителя трубы и местным требованиям к установке.

Диаметр трубы влияет на скорость воды и потери на трение.

При заданном расходе уменьшение внутреннего диаметра увеличивает скорость. Более высокая скорость, как правило, увеличивает потери на трение и делает систему более чувствительной к внезапному движению клапана и пуску или остановке насоса.

Увеличение диаметра трубы снижает скорость и потери на трение, но также увеличивает стоимость материала, вес трубы и пространство, необходимое внутри скважины.

Правильный диаметр, следовательно, является балансом между:

• Требуемый расход насоса

• Допустимая скорость воды

• Допустимые потери на трение

• Общая стоимость установки

• Номинальное давление трубы

• Допустимый зазор в обсадной колонне

• Механическая прочность

• Требования к установке и извлечению

Размер трубы следует выбирать как часть полной насосной системы, а не после заказа насоса.

Каталог погружных насосов обычно указывает размер выпускного патрубка для каждой серии насосов.

Например, различные модели SLAPK 6SP могут использовать разные выпускные соединения, поскольку их номинальные диапазоны расхода отличаются. Серия 8SP обычно предназначена для более высоких расходов и использует более крупные выпускные соединения.

Однако размер выходного патрубка сам по себе не определяет оптимальный диаметр напорного трубопровода.

Может использоваться короткий переходник, если рассчитанный диаметр трубы отличается от выходного патрубка насоса, при условии, что:

• Переходник механически пригоден.

• Номинальное давление достаточно.

• Соединение не создает чрезмерных местных потерь.

• Переходник помещается внутри обсадной колонны.

• Узел может быть безопасно опущен и извлечен.

• Производитель одобряет конфигурацию.

Не выбирайте трубу только потому, что ее номинальный размер соответствует резьбе или фланцу выходного патрубка.

Напорный трубопровод должен быть рассчитан на фактический расчетный расход, а не на максимальный заявленный расход насоса.

Расчетный расход должен определяться исходя из применения, например:

• Потребность в орошении

• Потребление воды в населенном пункте

• Время заполнения накопительного бака

• Потребность в промышленных процессах

• Потребность в воде для животноводства

• Потребность в пожарной воде

• Перекачка воды для горнодобывающей или строительной промышленности

Выбранный насос должен обеспечивать этот расход при рассчитанном общем динамическом напоре.

Если система будет работать при нескольких расходах, проверьте трубу при:

• Минимальный непрерывный расход

• Нормальный расчетный расход

• Максимальный ожидаемый расход

• Пределы работы с переменной скоростью

• Расход при будущем расширении, если подтверждено

Потери на трение не увеличиваются линейно с расходом. Относительно небольшое увеличение расхода может вызвать гораздо большее увеличение потерь в трубе.

Гидравлические расчеты должны использовать внутренний диаметр трубы.

Две трубы одинакового номинального размера могут иметь разные внутренние диаметры из-за:

• Толщины стенки

• Класса трубы

• Класс давления

• Материала

• Стандарта изготовления

• Внутреннего покрытия

Труба высокого давления обычно имеет более толстую стенку, чем труба более низкого давления того же наружного диаметра. Более толстая стенка уменьшает внутреннюю площадь потока.

Использование номинального диаметра вместо фактического внутреннего диаметра может привести к недооценке скорости воды и потерь на трение.

Получите данные о размерах от производителя трубы перед завершением расчета.

Средняя скорость воды может быть рассчитана из расхода и площади поперечного сечения трубы:

Скорость = Расход ÷ Площадь внутренней трубы

Для круглой трубы:

v = 4Q ÷ (πD²)

Где:

• v — средняя скорость воды

• Q — объемный расход

• D — фактический внутренний диаметр трубы

• π — приблизительно 3,1416

Все единицы измерения должны быть согласованы. Если расход указан в кубических метрах в час, переведите его в кубические метры в секунду перед расчетом скорости в метрах в секунду.

Скорость является параметром проверки, а не единственным критерием выбора. Допустимый диапазон зависит от материала трубы, режима работы системы, метода пуска, анализа гидроударов и применимого инженерного стандарта.

Избегайте применения единого универсального ограничения скорости для каждого проекта.

Потери на трение — это напор, потребляемый при движении воды по напорному трубопроводу.

Они зависят от:

• Расход

• Фактический внутренний диаметр

• Длина трубы

• Шероховатость трубы

• Материал трубы

• Возраст и внутреннее состояние трубы

• Свойства воды

Методы Дарси-Вейсбаха и Хазена-Вильямса часто используются для расчетов водопроводных систем.

Дарси-Вейсбах может применяться к широкому спектру жидкостей и материалов труб при использовании правильного коэффициента трения. Хазен-Вильямс часто используется для оценки систем водоснабжения, но его коэффициент должен быть выбран соответствующим образом.

Для обоснованного расчета:

1. Определите полную вертикальную длину трубы.

2. Подтвердите внутренний диаметр и материал.

3. Рассчитайте потери на единицу длины при расчетном расходе.

4. Умножьте на фактическую длину трубы.

5. Повторите расчет при других ожидаемых рабочих расходах.

6. Включите результат в общий динамический напор системы.

Не используйте общий процент глубины скважины вместо расчета потерь в трубе.

Для полного метода расчета напора см. Руководство по подбору насосов для глубоких скважин: как рассчитать расход и общий динамический напор.

Напорный трубопровод — не единственный источник гидравлического сопротивления.

Дополнительные потери могут возникать из-за:

• Переходников на выходном патрубке насоса

• Обратные клапаны

• Задвижек

• Дисковых затворов

• Отводов

• Тройников

• Редукторов

• Расходомеров

• Манометров и фитингов для манометров

• Фильтров

• Соединений устья скважины

• Регулирующих клапанов

• Узлов ввода в резервуар

Эти потери могут быть рассчитаны с использованием коэффициентов потерь, эквивалентных длин труб или данных производителя.

Обратные клапаны заслуживают особого внимания. Клапан, выбранный только по номинальному размеру, может создавать значительные потери при высоком расходе. Подтвердите его площадь полного открытия, номинальное давление, ориентацию и пригодность для вертикальной установки.

Труба должна выдерживать давление выше нормального выходного давления, наблюдаемого на поверхности.

В зависимости от условий эксплуатации максимальное давление может возникать вблизи насоса или во время переходного процесса.

Проверка давления должна включать:

• Напор при закрытой задвижке насоса

• Давление статического водяного столба

• Нормальное рабочее давление

• Требуемое давление устья скважины

• Закрытие клапана

• Пуск и остановка насоса

• Гидроудар

• Изменения высоты

• Настройки регулирования давления

• Испытательное давление

• Требуемый запас прочности по стандарту трубы

Нижние участки глубокого напорного трубопровода могут подвергаться высокому внутреннему давлению.

Не выбирайте класс давления только по показаниям манометра устья скважины. Проектировщик должен проверить наиболее серьезные возможные условия эксплуатации и переходные процессы.

Гидроудар — это временное изменение давления, вызванное быстрым изменением скорости воды.

Он может возникнуть, когда:

• Насос внезапно запускается.

• Насос останавливается после сбоя питания.

• Обратный клапан быстро закрывается.

• Поверхностный клапан закрывается слишком быстро.

• Частотно-регулируемый привод (ЧРП) слишком агрессивно меняет скорость.

• Поток реверсируется до закрытия обратного клапана.

Интенсивность зависит от длины трубы, скорости воды, материала трубы, поведения клапана и скорости изменения скорости.

Длинный вертикальный напорный трубопровод содержит значительный движущийся водяной столб. Неправильно выбранный обратный клапан или быстрая остановка могут вызвать разрушительные скачки давления.

Возможные меры контроля включают:

• Бесшумные обратные клапаны

• Контролируемая работа клапана

• Плавный пуск

• Контролируемое ускорение и замедление ЧРП

• Гидроаккумуляторы

• Устройства сброса давления

• Другое инженерное оборудование для контроля перенапряжений

Для глубоких скважин, длинных трубопроводов и систем с высоким расходом может потребоваться детальный анализ переходных процессов.

Напорный трубопровод должен безопасно выдерживать собственный вес, вес содержащейся воды и любое поддерживаемое им оборудование.

Соответствующие нагрузки включают:

• Вес сухой трубы

• Вес водяного столба

• Вес насоса и двигателя

• Вес обратного клапана

• Вес кабеля и защитного кожуха кабеля

• Вес муфты

• Динамические нагрузки при пуске и остановке

• Нагрузки при установке и извлечении

• Силы гидроудара

• Нагрузки на опору устья скважины

Для стальных труб с резьбой проверьте прочность резьбы и муфты. Для фланцевых труб проверьте фланец, болты и уплотнение.

Для пластиковых труб проверьте нагрузку на растяжение, ползучесть, температурные эффекты, номинальное давление соединения и пределы производителя для подвесной вертикальной эксплуатации.

Труба, соответствующая требованиям по внутреннему давлению, может быть непригодна для подвесной механической нагрузки.

Наружный диаметр напорного трубопровода, муфт и аксессуаров должен проходить через минимальный внутренний диаметр обсадной колонны.

Проверьте полный монтажный габарит, включая:

• Муфты труб

• Фланцы

• Переходник на выходном патрубке насоса

• Обратные клапаны

• Силовой кабель

• Защитные кожухи кабеля

• Зажимы для кабеля

• Защита стыков

• Центраторы

• Страховочный трос

• Подъемные приспособления

Самым крупным компонентом может быть муфта или клапан, а не сама труба.

Также учитывайте:

• Отклонение скважины

• Соединения обсадной колонны

• Внутренние сварные швы

• Гильзы

• Отложения накипи

• Деформацию

• Изменения диаметра обсадной колонны

Теоретический зазор «металл к металлу» не является допустимым для монтажа.

Для получения дополнительной информации о зазорах см. Насосы для скважин 6 дюймов против 8 дюймов: как выбрать.

Напорный трубопровод из углеродистой стали

Углеродистая сталь обеспечивает высокую механическую прочность и широко доступна. Она может подходить для глубоких и высо Nапорных установок.

Однако необходимо учитывать коррозию. Внутренняя коррозия увеличивает шероховатость и потери на трение, а внешняя коррозия уменьшает толщину стенки.

Могут потребоваться покрытия, футеровки и запас на коррозию.

Напорный трубопровод из оцинкованной стали

Оцинкованная сталь часто используется в установках для водоснабжения из скважин, особенно при средних размерах.

Ее пригодность зависит от химии воды, срока службы установки, резьбовых соединений и местных стандартов. Поврежденное цинковое покрытие на резьбе или соединениях может стать точкой коррозии.

Напорный трубопровод из нержавеющей стали

Нержавеющая сталь обеспечивает улучшенную коррозионную стойкость, но правильная марка должна быть выбрана на основе анализа воды.

SS304 не всегда подходит для воды с высоким содержанием хлоридов. SS316L, дуплексная нержавеющая сталь или другой сплав могут потребоваться в более агрессивных условиях.

Также следует рассмотреть гальваническое взаимодействие между разнородными металлами.

Напорный трубопровод из ПНД

ПНД может обеспечить коррозионную стойкость, гладкие внутренние поверхности и меньше жестких соединений.

Его проектирование требует тщательного рассмотрения:

• Класс давления

• Нагрузка на растяжение

• Температура

• Ползучесть

• Метод соединения

• Удлинение

• Совместимость с соединением насоса

• Требования к вертикальной поддержке

Производитель трубы должен подтвердить пригодность для подвесной установки в скважине.

Напорный трубопровод из ХПВХ

Специализированные трубы из ХПВХ используются в некоторых скважинных системах, поскольку они легкие и коррозионностойкие.

Труба и резьбовые соединения должны быть специально рассчитаны на глубину установки, давление и подвесную нагрузку. Обычные напорные трубы не должны автоматически использоваться в качестве колонных труб для глубоких скважин.

Предположим, погружной насос должен подавать 50 м³/ч через вертикальный напорный трубопровод длиной 140 м.

Две кандидатные трубы соответствуют основным требованиям к соединению и давлению. Одна имеет меньший внутренний диаметр, другая — больший.

Меньшая труба приведет к:

• Более высокой скорости воды

• Большим потерям на трение

• Более высокому общему динамическому напору

• Большей чувствительности к гидроударам

• Более низкой начальной стоимости трубы

Большая труба приведет к:

• Более низкой скорости воды

• Более низким потерям на трение

• Более низкому требуемому напору насоса

• Потенциально более низкому энергопотреблению

• Более высокой начальной стоимости и весу

Правильное решение не может быть принято только на основе цены покупки.

Инженер должен рассчитать рабочую точку для обоих вариантов, добавить потери на трение к общему динамическому напору и сравнить:

• Модель насоса и мощность двигателя

• КПД насоса

• Годовое энергопотребление

• Стоимость трубы и установки

• Класс давления

• Зазор в скважине

• Ожидаемый срок службы

Большая труба может снизить затраты на энергию в течение срока службы, но увеличение диаметра сверх практической необходимости может дать незначительную дополнительную выгоду.

Многие погружные насосы включают обратный клапан на выходном патрубке или рядом с ним. Дополнительные обратные клапаны могут быть рассмотрены для длинных напорных трубопроводов, но их не следует добавлять по универсальному правилу интервалов.

Неправильно расположенные или неподходящие обратные клапаны могут способствовать:

• Запертому давлению

• Гидравлическому удару

• Дребезжанию клапана

• Задержке закрытия

• Реверсивному вращению

• Увеличению потерь на трение

• Затруднению обслуживания

Расположение клапанов должно выбираться в зависимости от глубины насоса, длины трубы, давления, расхода, метода пуска и инструкций производителя.

Перед установкой дополнительных клапанов убедитесь, есть ли в выбранном насосе встроенный обратный клапан.

Должен ли напорный трубопровод быть такого же размера, как выходной патрубок насоса?

Не обязательно. Выходной патрубок определяет непосредственное соединение. Диаметр напорного трубопровода должен быть проверен с учетом расхода, скорости, потерь на трение, давления, механической нагрузки и зазора в обсадной колонне.

Могу ли я уменьшить диаметр напорного трубопровода над насосом?

Редуктор возможен, но он увеличивает скорость и может добавить гидравлические потери. Вся система должна быть пересчитана, а переходник должен быть механически пригоден.

Улучшает ли большая труба всегда производительность насоса?

Больший внутренний диаметр снижает потери на трение, но чрезмерный размер может увеличить стоимость, вес и сложность установки. Выбирайте диаметр на основе гидравлических расчетов и оценки жизненного цикла.

Следует ли рассчитывать потери на трение от глубины скважины?

Нет. Используйте фактическую длину, внутренний диаметр, материал и расчетный расход каждого участка трубы. Одна только глубина скважины не определяет потери на трение.

Можно ли использовать ПНД в качестве напорного трубопровода для погружного насоса?

Да, в подходящих установках, но конкретная труба, соединения и система поддержки должны быть рассчитаны на внутреннее давление, подвесную нагрузку, температуру, ползучесть и глубину установки.

Сколько обратных клапанов должен использовать насос для глубокой скважины?

Нет универсального количества или интервала, подходящего для каждой скважины. Следуйте рекомендациям насоса, клапана и проектировщика системы после рассмотрения глубины, давления и переходных условий.

Влияет ли напорный трубопровод на мощность двигателя насоса?

Да. Трение в трубе добавляется к общему динамическому напору. Более высокий общий динамический напор может изменить выбранную модель насоса, количество ступеней, рабочую точку и требуемую мощность двигателя.

Надежный напорный трубопровод для погружного насоса должен одновременно соответствовать гидравлическим, прочностным, механическим требованиям и требованиям к установке.

Процесс выбора должен включать:

• Подтверждение расчетного расхода.

• Использование фактического внутреннего диаметра трубы.

• Расчет скорости воды и потерь на трение.

• Учет клапанов и фитингов.

• Проверку рабочего, закрытого и переходного давления.

• Проверку прочности трубы и соединений.

• Подтверждение зазора в обсадной колонне.

• Выбор материала, совместимого с водой.

• Оценку стоимости энергии в течение жизненного цикла.

Не выбирайте полный напорный трубопровод только по размеру выходного патрубка насоса. Окончательный диаметр трубы и класс давления должны быть проверены с учетом фактических условий скважины и эксплуатации.

Отправьте в SLAPK требуемый расход и напор, глубину скважины, глубину установки насоса, минимальный внутренний диаметр обсадной колонны, предлагаемый материал и диаметр трубы, требуемое выходное давление, напряжение, частоту и анализ воды.

Наши инженеры могут рекомендовать подходящий погружной насос серии QJ или SP и предоставить кривую насоса, размеры выходного патрубка и данные по установке, необходимые для проектирования вашего напорного трубопровода.