Изобретения и научные работы В. Г. Шухова в области нефтяной гидравлики

Изобретения и научные работы В. Г. Шухова в области нефтяной гидравлики

В 1878 г. после года работы в Управлении Варшавско-Венс-кой железной дороги в Петербурге по предложению А. Бари, который решил организовать в России техническую контору, В. Г. Шухов в качестве главного инженера конторы приезжает в Баку — крупнейший в те времена центр нефтяной промышленности России. В короткий срок он изучил мало знакомое ему нефтяное дело. В начале 80-х годов XIX в. техника нефтедобывающей отрасли в России находилась на весьма низком уровне, и В. Г. Шухов, обладавший пытливым умом инженера и изобретателя, не мог не видеть необходимости ее совершенствования. В конце века эта отрасль энергетики стала бурно развиваться. Шухов начал с совершенствования наиболее трудоемких и тяжелых процессов в нефтяном деле, на которые указывал еще Д. И. Менделеев. Будучи хорошо знаком с вопросами нефтедобычи, Менделеев неоднократно определял ее узкие места, В. Г. Шухов же смог блестяще решить ряд сложнейших технико-экономических проблем этой отрасли.

Изобретения, новые технические решения и усовершенствования, сделанные В. Г. Шуховым, примерно за 10 лет коренным образом изменили технику нефтяного производства. Чтобы исключить из практики примитивную технику подъема нефти на поверхность — тартание желонками, Шухов предложил использовать в скважинах сжатый воздух — так называемый эрлифт, который затем был развит в самостоятельный метод компрессорной добычи нефти. Это изобретение сделано Шуховым в середине 80-х годов, на 7—8 лет раньше предложения мамут-на-соса Ю. Поле, повторившего в сущности идею эрлифта [1, 2]. При этом Шухов в своем проекте не только обосновал механизм подъема капельной жидкости из скважин за счет энергии сжатого воздуха, но и предложил существенное усовершенствование нефтяных промыслов: исключение трудоемких и опасных операций на скважинах, резкое улучшение условий труда, уменьшение потерь нефти.

Сконструированный Шуховым воздушный подъемник (эрлифт-насос) представлял оригинальное инженерное сооружение для подъема нефти (жидкости) на поверхность из скважины, основные элементы которого сохранились и в современных конструкциях газлифта. Под руководством Шухова и при его непосредственном участии было построено несколько эрлифтных насосов, однако в условиях промышленности царской России широкого распространения на промыслах этот способ добычи не получил, хотя успешно прошел испытания в 1905 г. на ряде скважин в Балаханах (с компрессорами на 30 атм) [3].

Идея эрлифта позднее плодотворно трансформировалась в газлифтный способ добычи нефти, который периодически получал широкое распространение на нефтепромыслах. Заслуга в этом принадлежала также русскому ученому М. М. Тихвинскому, развившему в 1914 г. идею эрлифта Шухова в газлифтный способ добычи. Газлифтная разновидность метода также была успешно внедрена в Сураханах в 1925 г. Очевидно, это стало возможным исключительно благодаря стараниям В. Г. Шухова и непосредственному его участию в работах [4].

Развитие метода приостановилось из-за перехода на глубоконасосную добычу, а в дальнейшем на погружные насосы, однако и в настоящее время компрессорный способ добычи нефти в определенных условиях конкурентоспособен с любым другим. С конца 60-х годов благодаря усовершенствованию подземного и наземного оборудования этот способ добычи стал одним из основных в малодебитных скважинах, оказавшись наиболее рентабельным, наименее трудоемким, хорошо поддающимся автоматическому управлению.

Безусловно, что предложение В. Г. Шухова использовать эрлифт для нефтяных промыслов явилось основополагающим научным обоснованием компрессорного способа нефтедобычи, который занял прочное место в техническом арсенале нефтяников всего мира³².

В. Г. Шухов является также автором так называемых шнуровых тартальных установок — насосов. В 1886 г. он построил и пустил в работу (в водяной скважине Подольской губернии) такой насос, действующий по принципу быстро движущейся «бесконечной» ленты. Насос успешно подавал воду на высоту 17 саженей. Безусловно, Шухов это изобретение предполагал использовать в нефтяных скважинах, однако такая попытка на промыслах Баку, как указывает академик Л. С. Лейбензон [5], осталась безуспешной главным образом потому, что в то время в Баку нужды в насосах для глубокой откачки не было. В дальнейшем идею насоса с бесконечной лентой, шнуром и т. д. развивали многие специалисты, в том числе и зарубежные, но приоритет, несомненно, принадлежит В. Г. Шухову. По мнению Л. С. Лейбензона, расчет конструкции шнурового насоса для тартания нефти — сложная научная задача, и решить ее мог лишь незаурядный ученый в области механики и гидродинамики.

В 1890 г. В. Г. Шухов разработал для нефтяников совершенно оригинальный инерционный поршневой насос (с одним клапаном и гибким шатуном). Насос работал на нефтяных и водяных глубоких скважинах. Он давал возможность достигать увеличенной скорости движения поршня, хотя привод был от паровой установки 1[6]. Такие насосы долгое время успешно работали в нефтяной промышленности. Хорошая работа таких насосов прямого действия обусловила использование аналогичного принципа в насосах ряда других систем. По мнению многих специалистов, теория компенсации (теория регулировки хода поршней насоса в зависимости от расширения пара в цилиндрах), разработанная и опубликованная В. Г. Шуховым в 1894 г., являет собой значительный вклад в развитие насосной техники [4, 7].

В разрабатываемых конструкциях насосов Шухов сочетал глубокий научный подход с требованиями практики и оригинальностью инженерных решений. Вскоре он становится одним из наиболее авторитетных в России специалистов по насосам. Блестящую аттестацию творчеству и инженерной деятельности Шухова дал его современник Н. Е. Жуковский в 1903 г. на собрании Политехнического общества: «Идея об отыскании наивыгоднейших конструкций лежит в основе почти всех технических работ Шухова. Она выражается в стройной и простой математической форме, иллюстрируется таблицами и графиками. Примером этого может служить работа по паровым насосам прямого действия, где изыскивается наивыгоднейшая конструкция насоса» [8].

Развитие нефтяной промышленности в конце прошлого столетия и в первой четверти XX в. немыслимо представить без теоретических работ и изобретений В. Г. Шухова. Особенно большой вклад он внес в улучшение транспорта нефти с промыслов на заводы, в порты погрузки и т. д.

В конце XIX в. нефть с промыслов транспортировалась на арбах в бурдючной или деревянной таре. Еще в 1863 г. Д. И. Менделеев высказал мысль о возможности и целесообразности перекачки нефти по трубам, подобно воде. Однако воплотить эту идею в практику нефтяного дела не удавалось по основополагающих научных и инженерных работ Владимира Григорьевича Шухова.

На основе глубоких теоретических исследований гидромеханики именно Шухов впервые разработал приемлемые инженерные расчетные схемы для проектирования нефтепроводов. В условиях жесткой конкуренции он добился и построил первые в России (и один из первых в мире) нефтепроводы местного и дальнего транспорта. Постройке нефтепроводов предшествовали глубокие теоретические работы Шухова по гидравлике и прочности трубопроводов [9]. Шухов впервые решал задачи применительно к реальной вязкой жидкости, какой является нефть. До него инженерная гидравлика не знала о коэффициенте сопротивления движению такой системы в зависимости от режимов прокачки (скорость, влияние температуры и т. д.) и других параметров. В. Г. Шухов предложил оригинальные расчетные формулы для проектирования нефтепроводов, учитывающие зависимости расходов жидкости от ее вязкости, диаметра трубопровода и т. д., а также технико-экономические критерии: потребность в насосных станциях, расход и стоимость топлива для насосов, производительность, размеры погашения капиталовложений. В. Г. Шухов ввел понятие о коэффициенте расхода и его зависимостях. Его расчетные формулы считаются классическими, ими можно пользоваться и в настоящее время.

Академик Л. С. Лейбензон совершенно справедливо называл Шухова основоположником мировой нефтяной гидравлики: его первая работа по нефтепроводам, вышедшая в 1884 г., является самым ранним исследованием на эту тему, а первые нефтепроводы были построены по проектам Шухова в 1878—1879 гг. в Балаханах.

В те годы Шухов провел также огромную экспериментальную работу, наблюдая за функционированием первых построенных им нефтепроводов. Путем тщательного анализа их работы с различными режимами он установил значения отдельных коэффициентов в расчетных формулах и свел их в таблицы. Эксперименты подтвердили его основные теоретические результаты [9]. Стоимость доставки нефти на заводы по нефтепроводам вначале снизилась в 3 раза, а когда все промыслы и заводы покрылись сетью труб (соединение всех узлов в единую систему), стоимость промыслового транспорта нефти упала в 15—20 раз. Насосы на перекачивающих станциях работали на газовых двигателях, и это было осуществлено значительно раньше, чем в Америке.

В дальнейшем, уже при Советской власти, Шухов спроектировал и построил много тысяч километров различных трубопроводов (в том числе деревянных) для нефти, продуктов переработки нефти, мазута, воды и т. д. Немаловажное значение имели работы Шухова 20-х годов XX в. по прокладке нефтепроводов Эмба — Урал и Макат — Гребенщиково³³.

Нефтепроводы дальнего транспорта, которыми сейчас покрыта огромная территория нашей страны, также начал проектировать и строить В. Г. Шухов. Еще в 80-х годах прошлого века при поддержке Д. И. Менделеева и других прогрессивных деятелей России он создал проект нефтепровода Баку — Батуми [10]. В 1904— 1907 гг. между Баку и Батуми был построен керосинопровод. Шухов не был автором этого проекта, но его влияние и авторитет как специалиста в области трубопроводов безусловно сыграли здесь свою роль. Нефтепровод дальнего транспорта Баку — Батуми (883 км) был сооружен в 1926 г., спустя почти полвека после строительства первого нефтепровода, и руководил этим уже советским строительством (и проектированием) В. Г. Шухов. Второй гигантский по тем временам нефтепровод Грозный — Туапсе (618 км) проектировался и строился также под руководством В. Г. Шухова.

Можно утверждать, что в деле строительства нефтепроводов (и газопроводов) наша страна занимает первое место в мире благодаря творческому заделу, оставленному нам выдающимся инженером В. Г. Шуховым.

Нельзя не отметить блестящее решение Шуховым важнейшей проблемы транспорта нефти — увеличения пропускной способности нефтепроводов и вообще трубопроводов. Его теория лупинга (опубликованная в небольшой работе «О применении петель (loops) в нефтепроводных линиях» [11]), тысячекратно» проверенная практикой, представляет пример остроумного и простого решения сложной инженерной задачи. Лупинги сейчас встречаются в нефтяной технике на каждом шагу.

Намного раньше, чем в Америке, Шуховым были разработаны научные основы сооружения мазутопровода с подогревом. Он предложил и практически проверил рациональность использования простой формулы, позволявшей определять наивыгоднейший диаметр трубопровода по заданному расходу мазута, что также является его вкладом в нефтяную гидравлику. Но Шухов-инженер не мог остановиться на этом. Он разработал технику подогрева мазута и построил первый в мире мазутопро-вод с подогревом.

Много усовершенствований внес Шухов в конструкции паровых установок, которые в свое время преобладали на нефтяных промыслах [6].

Многочисленные научные работы, изобретения и проекты В. Г. Шухова коренным образом изменили технику и технологию нефтяного производства его времени, они не утратили своего значения и до сих пор.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пархоменко В. Е. Владимир Григорьевич Шухов: (К 100-летию со дня рождения). Изобретения в области нефтяной промышленности. М.; Л.:. Гостоптехиздат, 1953. 48 с.

2. Лейбензон Л. С. Владимир Григорьевич Шухов и техника нефтяного дела: (К 45-летию научно-технической деятельности).— Нефт. и сланц. хоз~во, 1924, № 7, с. 89—94.

3. Лейбензон Л. С. К 80-летнему юбилею академика В. Г. Шухова.— Вестн. инж. и техн., 1933, № 1, с. 470.

4. Лейбензон Л. С. Владимир Григорьевич Шухов.— В кн.: Люди русской науки. М.: Гостехтеориздат, 1948, т. 2, с. 1025—1033.

5. Лейбензон Л. С. Нефтепромысловая механика.— Собр. трудов. М.: Изд-во> АН СССР, 1955, т. 3, 678 с.

6. Лопатто А. Э. В. Г. Шухов — выдающийся русский инженер. М.: Изд-ио АН СССР, 1951. 12 с.

7. Шухов В. Г. Насосы прямого действия и их компенсация.— Бюл. Политехи, о-ва, 1893/1894, № 8 (прил.). 33 с; Шухов В. Г. Насосы прямого действия: Теоретические и практические данные для расчета их.— В кн. Шухов В. Г. Гидротехника: Избр. тр. М.: Наука, 1981, с. 122—148.

8. Жуковский Н. Е. В Совет Политехнического общества: Характеристика технической деятельности В. Г. Шухова.— Бюл. Политехи, о-ва, 1903, № 5,. с. 441.

9. Шухов В. Г. О применении петель (loops) в нефтепроводных линиях.— Нефт. хоз-во, 1926, № 2, с. 233—235.

1 Архив АН СССР, ф. 1508, оп. 1, д. 40.

2 Правительственный комитет выставки, удостоивший контору Бари высшей награды, тем не менее, никак не отметил талантливого изобретателя — главного инженера фирмы В. Г. Шухова, многочисленные патенты которого и их практические воплощения здесь так успешно демонстрировались. И позднее, когда на проспектах и бланках фирмы А. Бари по решению комитета по обе стороны государственного герба помещалось изображение Золотой медали Всемирной выставки в Париже, на которой отлита фамилия В. Г. Шухов, вместо фамилии Шухова печаталась белая строчка.

3 Институт «ЦНИИпроектстальконструкция», основателем которого по праву считается В. Г. Шухов, сегодня насчитывает более 5 тыс. специалистов — и все они идейные последователи Шухова, конструктора-металлиста.

4 Этому вопросу было посвящено всего две страницы в книгах Винклера «Die Lehre von der Elastizitat und Festigkeit» («Учение об упругости и прочности», 1867) и «Vortrage iiber Eisenbahnb.au» («Лекции по железнодорожному строительству», 1871). Практическое применение к решению задачи об изгибе железнодорожного рельса эта формула получила в работе Винклера «Theorie der Brucken» («Теория мостов», 1881).

5 Опубликованию этой книги предшествовала большая дискуссия В. Г. Шухова с инженером К. Есиповым на страницах «Бюллетеня Политехнического общества» (№ 5, 8 за 1902 г. и № 4, 7 за 1903 г.). В 1902 г. К. Есипов в статье «Изгиб бруса, опирающегося по всей длине на сплошную упругую опору» ссылался на ряд иностранных источников, но не упомянул об отечественных работах по этому вопросу. В статье 1902 г. «По поводу уравнения EId⁴y/dx⁴ = - q» Шухов критиковал положение статьи К. Есипова и показывал на конкретных примерах, как следует использовать уравнение. Далее в 1903 г. (№ 4) последовала статья К. Есипова, а затем в ответ на нее в 1903 г. (№ 7) новое выступление Шухова.

6 В 1915 г. это сообщение Жуковского было опубликовано [6].

7 Практическим приложением книги «Стропила» является неопубликованная при жизни рукописная работа В. Г. Шухова «Графический метод инженера-механика В. Г. Шухова для определения усилий, действующих в частях прямолинейных стропильных ферм». Рукопись находилась в фонде ученого-Архива АН СССР, была подготовлена к публикации и напечатана в томе I Избранных трудов В. Г. Шухова «Строительная механика» [9].

8 Метод расчета ферм с жесткими узлами был сложен, поэтому ученые вынуждены были использовать метод расчета ферм с идеальными шарнирами. О том, насколько труден был метод расчета ферм с жесткими узлами, говорит факт объявления в 1880 г. Мюнхенским инженерным училищем конкурса на решение этой проблемы. Предложенная Г. Мандерла методика оказалась настолько сложной, что была признана непригодной для применения. Ученые вынуждены были согласиться с утверждением О. Мора, доказавшего в 1892 г., что на перемещениях узлов их жесткость сказывается не особенно сильно и поэтому такие перемещения можно определять по методу, принятому для ферм с идеальными шарнирами.

9 Первое подобное покрытие было выполнено Шуховым для здания с каменными стенами на котелы-юм заводе Бари в Москве.

10 В 1918 г. Шухов, занятый срочным правительственным заданием — конструированием высотной мачты для радиостанции имени Коминтерна (гиперболоидной Шаболовской башни), попросил П. К. Худякова обработать его рукописи по расчету балок и опубликовать их под своим (П. К. Худякова) именем.

11 Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1976— 1980 годы. М.: Политиздат, 1976, с. 63.

12 К открытию выставки в Москве было построено новое здание Курского вокзала, с которого отправлялись поезда в Нижний Новгород (вместо бывшего вокзала Нижегородской железной дороги за Абельмановской заставой).

13 Каркас шуховского здания с сетчатым сводом в начале 70-х годов ещё сохранялся вблизи станции Чепелево Московской железной дороги.

14 Ленин В. И. Развитие капитализма в России.— Полн. собр. соч., т. 3, с. 530.

15 Всесоюзная патентная библиотека; группа 13, привилегия № 1895 на сетчатые сводообразные покрытия, выданная Шухову 12 марта 1899 г.; заявлена 27 марта 1895 г.

16 Всесоюзная патентная библиотека, группа 13, привилегия № 1896 на ажурную башню, выданная Шухову 12 марта 1899 г., заявлена 11 января 1896 г.

17 Привилегия № 1894 «Сетчатые покрытия для зданий». Выдана март 1899 г., заявл. 1895 г.; Привилегия № 1896 на «Ажурную башню». Выдана март 1898 г., заявл. 1896 г. (Свод привилегий. Департамент торговли и мануфактур, 1899

18 Гипары — тип современных пространственных зданий и покрытий зданий, по форме представляющих собой гиперболический параболоид.

19 Архив АН СССР. Расчет башни маяка высотой до огня 68 м системы инженера В. Г. Шухова, ф. 1508, оп. 1, д. 83.

20 Архив АН СССР, ф. 1508, оп. 1, д. 83, л. 1—31.

21 «Руководство для инженеров строителей» Ранкина «Manual of civil engini-reeng» было переведено на русский язык в 1870 г

22 См. работы: Подольский И. С. Пространственные фермы: Теория расчетами Л.: ОНТИ, 1931; Дядюша В. А. Падение водонапорной башни.— Сан. техника, 1931, № 2/3, с. 25—30. Эти методы были рекомендованы в 30— 40-х годах в научной, справочной и учебной литературе только для башен высотой до 30 м. с технологическими рекомендациями по их проектированию [12]. См.: Ковальчук М. Ф. Башни системы Шухова. Промстройпроект.Справочник проектировщика промышленных сооружений т. 5, с. 657—668. М.: ОНТИ, 1937,

23 См. работы: Попов Г. Д. Расчет башен системы Шухова.— Строит, пром-сть, 1931, № 7, с. 375—376; Абрамов Г. Д. К расчету башен Шухова.— Строит, пром-сть, 1932, № 6, с. 34—36; Жигулев А. Ф. Расчет стержневых башен системы акад. В. Г. Шухова.— Тр. Ленингр. ин-та инженеров коммун, хоз-ва, 1934, вып. 1, с. 63—79; Писчиков В. Г. Справочник инженера проектировщика промсооружений. М.: Стройиздат, 1934; Ковельман Г. М. О расчете оболочек вращения.— Строит, пром-сть, 1932, № 6, с. 31—34; Николаи Б. Л. К расчету усилий в элементах сетчатой башни Шухова.— Вести, инж. и техн., 1946, № 8, с. 241—243.

24 К этим работам в строительстве Лысков пришел от работ в дирижаблестроении

25 Применен видоизмененный метод С. П. Тимошенко. См.: Тимошенко С. П. Устойчивость упругих систем. М.; Л.: Гостехиздат, 1946.

26 Шаболовская, башня неоднократно переоборудовалась. В 1937 г. производилась ее надстройка («Радиостроем»).

27 В 1972 г. фирма «Балке — Дюрр» и конструкторское бюро в Штутгарте (ФРГ) разработали проект вантовой градирни с мембранной оболочкой по системе Шухова (патент Франции) [28]

28 Заявка на авторское свидетельство — Подушка для уплотнительных приспособлений к поршням сухих газгольдеров. Подана 15 февраля 1933 г. (Авторское свидетельство № 37656 от 31 июля 1934 г.) Шухов В. Г. совместно с Антроповым А., Ксшдеевым В., Котляром Е., Тукмановым-Беловым П., Си-ницыным В., Федоровым А.\ заявка на авторское свидетельство — Приспособление для прижатия к стене резервуара уплотнительных колец для поршней сухих газгольдеров, 15 февраля 1933 г. (Авторское свидетельство № 39038 от 31 октября 1934 г.) Шухов В. Г. совместно с Антроповым А., Кандеевым В., Котляром Е., Тукмановым-Беловым П., Синицыным В., Федоровым А.; заявка на авторское свидетельство — Подушка для уплотнительных приспособлений к поршням сухих газгольдеров. Подана 15 февраля 1933 г. (Авторское свидетельство № 39039 от 31 октября 1934 г.) Шухов В. Г. совместно с Антроповым А., Кандеевым В., Котляром Е., Тукмановым-Беловым П., Синицыным В., Федоровым А.

29 Архив АН СССР, ф. І508, оп. 1, д. 121, л. 1 об. По вопросу о котлах высокого давления. Машинопись с пометками автора. Март 1928 г.

30 Список экспонатов, удостоенных похвальных наград. Министерство финансов, 1897, отдел XVII; Каталог русского отдела на Всемирной парижской выставке в 1900 г.; группа IV, класс 19.

31 Привилегия на «Аппарат для непрерывной дробной перегонки нефти и т. п.. веществ» заявлена 13 мая 1886 г.

32 К сожалению, во многих учебниках по добыче нефти и даже в БСЭ при описании газлифтного способа нефтедобычи не отмечается приоритет В. Г. Шухова

33 Архив АН СССР, ф. 1508, оп. 1, д. 19, 25. Автограф, окт. 1920 г.

жүктеу/скачать 2.48 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: