Деятельность В. Г. Шухова в нефтяной промышленности

Деятельность В. Г. Шухова в нефтяной промышленности

Исключительно большое значение для развития нефтяной промышленности России имели инженерные работы, начатые В. Г. Шуховым в начале 80-х годов XIX столетия в Баку.

В те годы значительная часть нефти добывалась еще из колодцев, тогда же были пробурены первые скважины, из которых нефть поднималась желонками. Хранилась нефть в земляных бассейнах и транспортировалась в бочках. Все эти процессы сопровождались исключительно большими потерями горючего. Основным нефтепродуктом в то время был керосин. Отсталая техника сильно удорожала керосиновое производство. Вторым широко используемым нефтепродуктом был мазут, который из-за отсутствия совершенных приборов и устройств для его сжигания медленно завоевывал позиции как топливо для котлов.

В сравнительно короткий срок изобретения и усовершенствования В. Г. Шухова коренным образом изменили технику нефтяного производства.

Шухов разработал ряд принципиально новых способов подъема нефти из скважин. Особое значение имела впервые им предложенная конструктивная разработка способа подъема нефти при помощи сжатого воздуха (эрлифт). Аналогичные конструкции на Западе появились значительно позже.

Предложение Шухова о применении сжатого воздуха для эксплуатации скважин поддержал Д. И. Менделеев. Однако широкое распространение эрлифт, а впоследствии газлифт — компрессорный способ эксплуатации скважин — получили лишь после национализации промыслов и имели большое значение в развитии добычи нефти в Азербайджане в 20—30-х годах.

Для подъема жидкости из скважин Шуховым были предложены насосы различных конструкций. В 1890 г. он разработал оригинальную конструкцию инерционного парового поршневого насоса с гибкой штангой, предназначенного для откачки жидкости из глубоких скважин. Конструкция насоса была проста в эксплуатации и обеспечивала безотказную работу; при небольшом диаметре цилиндра насос обладал достаточной производительностью. В Москве, Туле и других городах инерционные насосы Шухова успешно работали на откачке воды из скважин, однако в нефтяной промышленности они не получили распространения: спрос на нефтяном рынке вполне удовлетворялся объемом добычи нефти желонками.

Оригинальный принцип был положен Шуховым в основу конструкции так называемого шнурового насоса, построенного в 1886 г. Этот насос был испытан (в Подольской губернии) для откачки воды с глубины 36 м. Попытка Шухова ввести шнуровой насос на нефтяных промыслах оказалась тогда безуспешной. Лишь после национализации промыслов насосный способ эксплуатации скважин начал быстро развиваться и за короткое время малоэффективное тартание желонками было полностью прекращено.

Исключительное значение для развития нефтяной промышленности имели работы Шухова в области транспортировки и хранения нефти. Уровень техники хранения и транспорта нефти соответствовал в то время архаическим методам ее добычи — нефть хранилась в земляных ямах и прямоугольных резервуарах (амбарах), перевозилась на заводы в бочках на арбах. При таких методах хранения и транспортировки были весьма высоки как потери, так и стоимость перевозки, превышающая в 5— 10 раз стоимость добычи нефти. Шуховым впервые были предложены, рассчитаны, сконструированы и построены рациональные металлические резервуары. В то время это было совершенно новой и сложной задачей. В частности, тогда считалось необходимым применение под резервуары сплошных массивных оснований, дорогих и сложных в изготовлении.

Шуховым эта проблема была решена совершенно по-новому: простым и оригинальным методом он вывел уравнение изогнутой оси балки (в настоящее время известное как дифференциальное уравнение четвертого порядка) и использовал его применительно к вопросам прочности бруса, лежащего на сплошном упругом основании. Практическое применение результатов этого исследования оказалось необычайно важным — выяснилась возможность замены массивных фундаментов песчаной подушкой, расположенной под тонким гибким днищем и окруженной во избежание размыва и выдавливания песка легким бетонным кольцом [1—3].

Не менее блестяще была решена задача определения наименьшего, «минимального» веса расходуемого металла при расчете прочности цилиндрического резервуара заданной емкости. Результатом исследований было практическое использование переменной по высоте толщины стенок (от пояса к поясу) в конструкции резервуара.

Глубокий математический анализ и инженерный расчет в сочетании с экономическими соображениями позволили Владимиру Григорьевичу дать закопченную теорию сооружения резервуаров минимального веса. Наряду с составлением проектов им были разработаны правила, связанные с сооружением цилиндрических резервуаров,— организация их сборки из большого числа размеченных по шаблонам листов [2]. Шухов разработал также интересные конструкции газонепроницаемых висячих крыш для бензиновых резервуаров, впервые примененные в Майкопе. Исследования по теории и руководство к практике сооружения резервуаров Шухов опубликовал в 1883 г. Впоследствии он неоднократно; возвращался к своей теории, дополняя ее отдельные разделы [4].

Сооружение металлических вертикальных и горизонтальных -резервуаров по проектам Шухова началось по всей стране. Только по данным фирмы Бари было построено более 20 тыс. резервуаров. Заводом «Парострой» за 10-летие (с 1918 по 1928 г.) были сооружены резервуары общей емкостью более 800 тыс. т (50 млн. пудов) нефти.

При транспортировке нефти узким местом как в отношении пропускной способности, так и стоимости была ее перевозка с промыслов на заводы в бочках. В 1879 г. Шухов осуществил давнюю идею Д. И. Менделеева, предложившего (1863 г.) перекачивать нефть по трубопроводам. Шуховым был спроектирован и построен первый в России нефтепровод с промыслов на нефтеперегонные заводы в Черном городе (район г. Баку) протяженностью 11 км.

В 80-е годы XIX в. в гидромеханике теория была разработана лишь применительно к идеальной (невязкой жидкости). Шухову на практике пришлось иметь дело с реальной вязкой жидкостью. Для производственных целей ученому, потребовалось провести большие теоретические исследования в области механики и гидравлики вязкой жидкости. В результате им были получены простые уравнения и формулы для расчетов нефтепроводов, ставшие классическими. Одна из формул связывает расход жидкости с диаметром нефтепровода, его длиной и величиной напора; другая дает значение наивыгоднейшей скорости течения нефти. Путем расчетов и наблюдений за работой первого нефтепровода Шухов установил значение коэффициентов, входящих в формулы, для различных условий, встречающихся на практике. В 1884 г. он опубликовал работу «Нефтепроводы» — самое раннее исследование в этой новой (для того времени) области [5, 6].

В. Г. Шуховым был разработан проект большого нефтепровода Баку — Батуми, но этот проект так и не был осуществлен в дореволюционной России [7].

Для перекачки по трубопроводу мазута — жидкости еще более вязкой, чем нефть, — Шухов использовал свойство мазута снижать вязкость при повышении температуры. Он разработал теоретические основы сооружения мазутопровода с подогревом, а также технику подогрева мазута и построил первый мазутопровод с подогревом значительно раньше, чем это было сделано в США.

В. Г. Шухов является автором прибора для сжигания мазута и других видов жидкого топлива в топках промышленных и транспортных устройств.

Форсунка конструкции Шухова, разработанная им еще в годы учебы (в окончательном варианте в 1880 г.), обеспечивает тщательное распыление жидкого топлива водяным паром; топливо (мазут или другое жидкое горючее) превращается в тонкую пыль, мгновенно распыляющуюся и сгорающую в раскаленном пространстве топки без остатков и копоти.

Шухову принадлежит остроумное и простое решение увеличения пропускной способности действующего нефтепровода путем устройства параллельного ответвления трубы на некотором ограниченном участке трубопровода [8].

С постройкой на промыслах железных резервуаров и началом перекачки нефти по нефтепроводам стоимость доставки нефти с промыслов на заводы снизилась в 3 раза. Впоследствии при более развитой сети нефтепроводов и насосных станций стоимость доставки нефти снизилась в 10—12 раз.

Почти через полвека после строительства первых бакинских нефтепроводов Шухов в советское время руководил проектированием и строительством больших нефтепроводов Баку — Батуми (883 км) и Грозный — Туапсе (618 км).

Проектирование и постройка нефтепроводов и исследование их работы способствовали возникновению у Шухова интереса к эксплуатации насосов. В результате Владимир Григорьевич стал одним из наиболее авторитетных специалистов в этой области. В 1894 г. он опубликовал фундаментальный труд «Насосы прямого действия и их компенсация» — образец инженерной работы высокого класса, где проводится последовательная линия от строгих научных определений к решению конкретных технико-экономических вопросов [9, 10].

Анализируя работы В. Г. Шухова, академик Л. С. Лейбензон заслуженно назвал его основоположником нефтяной гидравлики.

Нефтеналивной транспорт появился на Волге и на Каспии •сравнительно рано: в начале 70-х годов XIX в. сначала деревянные (парусные), затем железные нефтеналивные суда. Применение нефтеналивных барж значительно снижало стоимость транспорта нефти, но они были далеки от совершенства. Основным недостатком деревянного нефтеналивного флота были значительные утечки и увлажнение нефти. Металлические нефтеналивные суда и баржи не были достаточно совершенными в конструктивном отношении. Шухов решил задачу постройки железных наливных барж, применив созданную им ранее теорию работы балок па упругом основании [3]. Он построил классические конструкции металлических плавающих гигантов — нефтеналивных барж длиной до 170 м, грузоподъемностью до 18 тыс. т. К 1909 г. на Волге плавало уже более 16 тыс. наливных судов, обслуживающих исключительно нефтяную промышленность, общей грузоподъемностью около 3,5 млн. т. Утечки и потери нефтепродуктов, составлявшие при перевозке в бочках 7—10%, сократились до 2%, а стоимость транспортировки нефти снизилась в 10 раз. Таковы были практические результаты инженерной деятельности Шухова в области транспорта нефти.

Деятельность В. Г. Шухова не ограничивалась проблемами: добычи, транспорта и хранения нефти. Он внес также огромный вклад в технологию переработки нефти и проявил здесь себя как технолог, конструктор и теплотехник-новатор. Некоторые из изобретенных им аппаратов и установок были тогда же применены в промышленности, другие послужили прообразами более поздних устройств.

К началу работы Шухова в нефтяной промышленности на нефтеперегонных заводах продолжали применять технологические процессы, изобретенные еще братьями Дубиниными; к тому времени они были лишь несколько усовершенствованы за счет некоторых вспомогательных процессов, была также увеличена емкость перегонных кубов. Ломая эту старинную технику перегонки, Шухов начал проектировать и строить вместе с инженерами И. И. Единым и Ф. А. Инчиком новые тогда в Баку многокубовые, непрерывно действующие батареи.

Далее, стремясь усовершенствовать процесс перегонки нефти и устранить многие недостатки громоздких кубовых батарей, Шухов с Инчиком разработали оригинальную компактную большой производительности нефтеперегонную установку³¹, где получили дальнейшее развитие некоторые принципы, заложенные Д. И. Менделеевым в непрерывно действующей установке на Константиновском заводе Рагозина и в Кусково под Москвой. В 1889 г. в Баку были сооружены пять установок Шухова—Инчика, которые работали с небольшими переделками; примерно до середины 20-х годов нашего столетия.

Венцом творческой деятельности Шухова в области технологии переработки нефти явилась изобретенная им в 1890 г. совместно с инженером-механиком С. Гавриловым трубчатая установка, названная в привилегии (заявлена 24 января 1890 г.) «Приборы для непрерывной дробной перегонки нефти и т. п. жидкостей, а также для непрерывного получения газа из нефти и ее продуктов» [11]. Это изобретение (неосуществленное в предложенном виде) предусматривало как прямую перегонку нефти, так и перегонку ее с разложением в трубчатых печах — аппаратах, которые только примерно с 1915 г. получили широкое распространение.

Перегонка нефти и ее тяжелых фракций с разложением (крекинг) практиковалась для увеличения выхода керосина в Западной Европе и США с 60-х годов XIX в. Все зарубежные авторы патентов на аппаратуру для крекинга ранее предлагали для этой цели обычные цилиндрические кубы. Шухову мы обязаны разработкой наиболее совершенной технологической схемы и введением впервые для осуществления крекинга трубчатой печи.

Предложенная Шуховым трубчатая установка непрерывного действия для переработки любого нефтяного сырья с принудительной циркуляцией, с орошением паров, работающая при высоких температурах и при повышенном давлении, являет собой прообраз наиболее совершенных современных установок. В ней глубоко продуман целый ряд особенностей техники крекинга нефти.

Глубоко прогрессивное научное творчество В. Г. Шухова на много десятилетий определило развитие нефтеперерабатывающей техники. Работы его имеют огромное значение и сейчас, идеи его развиваются. Трубчатые печи Шухова в наше время получают второе рождение в области нефтеразработки и нефтехимии.

Трудно переоценить значение работ Владимира Григорьевича Шухова в отечественной и мировой науке и технике. Можно только удивляться его многогранному таланту и преклоняться перед его способностью предвидеть пути развития науки и техники. Именно поэтому необходимо продолжать всесторонне исследовать работы этого выдающегося инженера и ученого.

ЛИТЕРАТУРА

,2. Шухов В. Г. Механические сооружения нефтяной промышленности.— Инженер, 1883, т. III, кн. 13, вып. I, с. 500—507.

3. Шухов В. Г. Уравнение EId⁴y/dx⁴ = — ay в задачах строительной механики. М.: Типолитогр. «Рус. товарищества печ. и изд. дела», 1903. 22 с.

4. Кандеев В. И., Котляр Е. Ф.. Шухов В. Г. Определение основных размеров вертикальных цилиндрических резервуаров с плоскими днищами.— В кн.: Стальные резервуары. М.; Л.: Гостехмашмехиздат, 1934, с. 63—69.

5. Шухов В. Г. Нефтепроводы.— Вестн. пром-сти, 1884, № 7, с. 69—76.

6. Шухов В. Г. Трубопроводы и их применение в нефтяной промышленности. М.: Моск. политехи, о-во, 1895. 37 с; Шухов В. Г. Трубопроводы и их применение в нефтяной промышленности.— В кн.: Шухов В. Г. Гидротехника: Избр. тр. М.: Наука, 1981, с. 159—210.

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

8. Шухов В. Г. Насосы прямого действия и их компенсация.— Бюл. Политехи, о-ва, 1893—1894, № 8 (прил.) 33 с.

9. Шухов В. Г. Насосы прямого действия: Теоретические и практические данные для расчета. М.: Моск. политехи, о-во, 1897. 51 с.

10. Шухов В. Г. Насосы прямого действия: Теоретические и практические данные для расчета.— В кн.: Шухов В. Г. Гидротехника: Избр. тр. М.: Наука, 1981, с. 122—148.

11. Шухов В. Г. Приборы для непрерывной дробной перегонки нефти и подобных жидкостей, а также для непрерывного получения газа из нефти и ее продуктов.— В кн.: Шухов В. Г. Нефтепереработка и теплотехника.

Избр. тр; М.: Наука, 1982, с. 22.