От опыта к теории

От опыта к теории

«Насколько нам известно, техническая литература почти не рассматривает вопроса об устройстве нефтепроводов под условием их наибольшей экономичности,- говорит Шухов в одной из своих статей тех лет.- Ввиду этого в настоящей статье мы сделаем попытку дать общие формулы задачи проводов в применении их к условиям нашей нефтяной промышленности».

Шухов рассматривает нефтепровод как сооружение, которое состоит из двух основных станций - приемной и сдаточной, соединенных между собой трубами. Чем дальше расстояние между этими станциями, то есть чем длиннее трубы, тем больший напор требуется для того, чтобы жидкость перемещалась по ним. Но удлинить трубы можно лишь до определенного предела. Больше напор, значит, выше давление в трубах. Чтобы труба могла противостоять высокому давлению, стенки ее должны быть толще.

Однако не исключено, считает Владимир Григорьевич, что требования техники вступят в противоборство с экономическим расчетом. Трубы в конце концов могут стать настолько массивными, тяжеловесными, что их изготовление, перевозка, укладка обойдутся непомерно дорого. Вот почему на трубопроводах большой протяженности необходимо устраивать промежуточные насосные станции. Их обязанность - повышать напор в тех местах, где он ниже допустимого предела. Исходя из этих положений, Шухов ставит перед собой цель - математическим путем найти точные соотношения между стоимостью труб разных диаметров и толщиной стенок, дополнительными насосными устройствами для перекачки нефти и нефтепродуктов и т. д. Зная, что существует строгая зависимость между размерами сооружения и стоимостью его эксплуатации, Владимир Григорьевич так определяет задачу проектировщика: «По данному расстоянию и по количеству перекачиваемой жидкости определить размеры всех частей сооружения под тем условием, чтобы ежегодные проценты с затраченного на устройство капитала, сложенные со стоимостью эксплуатации, составляли возможно меньшую величину».

Выражаясь языком нашего времени, задача, которую хочет решить Шухов, сводится к тому, чтобы найти минимум суммы эксплуатационных расходов и капиталовложений на постройку нефтепровода. Какой элемент сооружения определяет этот минимум? Таким элементом, отвечает Шухов, является диаметр трубопровода.

На что опирается Владимир Григорьевич, приступая к решению этой задачи? С одной стороны, на серьезные познания в области теоретической гидромеханики, полученные от Николая Егоровича Жуковского в стенах Технического училища. Но эта отрасль науки формулирует свои положения для идеальной, не существующей в природе жидкости, которой неведомы такие свойства, как вязкость и сжимаемость. С другой стороны, в памяти стоит совершенно конкретный, воплощенный в металл трубопровод Балаханы - Черный город.

Нельзя, разумеется, утверждать, что молодой инженер самонадеянно вознамерился устранить разрыв между теорией и реальностью. Его цель была намного скромнее. Напоминаем только о трудности поставленной им задачи. Ведь он начал свою работу над теорией нефтепроводов задолго до того, как были опубликованы исследования, определяющие зависимость коэффициента сопротивления движению жидкости в трубах от характера жидкости и ее физических свойств. Работа Шухова вооружает строителей нефтепроводов исключительно важными положениями и данными.

Прежде всего автор математически выражает связь между величинами, определяющими в общем виде процесс протекания жидкости по трубопроводу. Его первая формула связывает объемный расход жидкости, напор, диаметр и длину трубопровода - те величины, которые неизменно фигурируют во всех последующих уравнениях по сопротивлению движению жидкости в трубах.

Но Шухов не может удовлетвориться уравнением, которое дает возможность получить ряд технически правильных решений. Он считает себя обязанным указать, какое из них является наилучшим, наивыгоднейшим в каждом случае. Последовательно Владимир Григорьевич выводит формулы, по которым можно подсчитать общий вес труб, необходимых для трубопровода, годовой расход топлива, определить объем работы насосов для перекачивания жидкости.

Шухов предвидит, что жизнь может поставить перед строителями будущих нефтепроводов следующие задачи:

зная диаметр трубопровода, найти наивыгоднейшую для него величину расхода (то есть количество жидкости, перекачиваемой в минуту) и число станций;

зная расход, определить наивыгоднейшие диаметр трубопровода и число станций.

Показав, как получить нужные уравнения для решения этих задач, Шухов считает необходимым более подробно остановиться на том случае, когда для трубопровода определенного диаметра нужно отыскать наивыгоднейший расход. Владимир Григорьевич полагает, что «наиболее простая и наиболее богатая интересными для практики теоретическими указаниями постановка вопроса» позволяет в то же время решить другую задачу о выгодности трубопровода по сравнению с другими способами транспортировки жидкости - например, наливными вагонами или судами.

Операции, которые проделывает Шухов со своими уравнениями, подводят его к очень важным выводам. Вот вкратце их суть:

скорость перекачиваемой жидкости, вне зависимости от ее количества и диаметра трубопровода, является величиной постоянной;

всегда можно определить, при каком количестве жидкости перекачка ее по трубопроводу обойдется дешевле перевозки;

только при непрерывной работе трубопровод может дать наиболее экономичные результаты.

От теоретических положений гидромеханики Шухов последовательно переходит к конкретным условиям производства. «Это объясняет заслуженный успех работы Владимира Григорьевича,- говорит И. Я. Конфедератов.- Ученого привлекала в ней строгая методология исследования, практика - конкретные руководящие указания, изложенные в предельно простой и удобной для непосредственного использования форме».

Стремясь предусмотреть все, что может понадобиться практику-строителю, Шухов не жалеет труда и времени, чтобы составить таблицы, где высчитаны наиболее экономные значения скоростей движения жидкости, стоимости перекачки, толщины стенок труб для различных условий.

Почти без передышки Владимир Григорьевич приступает к теоретическому обоснованию процесса транспортировки по трубам мазута, который, как известно, отличается от нефти значительно большей вязкостью. Шухов показывает, что характерные свойства нефтяных остатков с особой силой проявляются при низких температурах: «Характер движения их (остатков) в этом случае не имеет ничего общего с движением жидкого тела. Остатки при этих температурах представляют очень густую массу, падающую комками; и в общем картина их истечения напоминает, если можно так выразиться, истечение мокрой смеси песка с глиной».

Еще в Баку Владимир Григорьевич установил, что с повышением температуры мазута уменьшается его вязкость и облегчается движение по трубам. Руководствуясь этим наблюдением, Шухов построил первый в мире трубопровод с подогревом перекачиваемого мазута. В итоге тщательного изучения работы мазутопровода на свет появилась формула, дающая возможность определить наиболее выгодный диаметр труб по заданному расходу мазута.

Поскольку мазут в то время перекачивался только с помощью паровых насосов прямого действия, Шухов предложил простой и остроумный способ подогрева остатков - использовать теплоту отработанного пара из паровых цилиндров насосов.

Чем больше мы подогреваем мазут, тем меньше его вязкость, следовательно, тем меньше мощности требуется на его перекачку. Но возрастает расход пара на подогрев мазута, больше труда и материалов уходит на сооружение подогревателя. Как быть? Должен же существовать какой-то разумный (невольно напрашивается современный термин «оптимальный») режим, который обеспечит наименьшие расходы на перекачивание и подогрев.

Шухов разрабатывает метод определения такого режима по наивыгоднейшей температуре подогрева мазута. Значения этой температуры он сводит в таблицу, где также приведены данные о величине поверхности нагрева подогревателя. Владимир Григорьевич дает расчеты теплоизоляции мазутопровода, определяет расстояния, на которые его можно провести при полном использовании на подогрев всего отработанного в насосах пара. Предусмотрены все могущие возникнуть у строителя вопросы, например, какого размера должны быть цилиндры перекачивающих насосов при заданной производительности мазутопровода, какой величины должна достигнуть поверхность нагрева паровых котлов для питания паром перекачивающих насосов.

Оценку этих работ мы находим в «Руководстве по нефтепромысловой механике» академика Л. С. Лейбензона. «Автор считает долгом,- пишет Л. С. Лейбензон,- посвятить труд своему учителю - почетному академику В. Г. Шухову, который первый исследовал с научной точки зрения вопросы о движении нефти и подогретого мазута по трубам и тем положил основание нефтяной гидравлике».