Повесть о великом инженере

Ссылаясь на данные американского инженера Хаупта для железных труб диаметром 4 дюйма, Войслав дает весьма приблизительный подсчет расхода нефти, оговариваясь, что «применение того или иного диаметра труб для нефтепровода должно быть сделано только после обстоятельных исследований местных условий и точного расчета длины и стоимости труб, стоимости их перевозки, стоимости машин и постройки станций, количества и стоимости горючего, расходуемого на действие машин, а главное, того количества нефти, доставку которого вполне гарантирует нефтеносная страна». Условный характер носит и сделанный Воиславом примерный подсчет стоимости постройки длинных нефтепроводов.

Американцы не скрывали того, что «долгая и по-своему примечательная эпопея трубопроводов - это, в основном, история практических работ, проделанных любознательными, но, увы, невежественными людьми, которые… не имели четкого представления, что именно они делают, или как они это делают». Пионер американского нефтепроводного бизнеса Джекоб Вандергрифт назвал разговоры о теории трубопроводов салонной болтовней, добавив: «Вы не можете ответить на… заумные вопросы, пока не построите трубопровод. А построить его вы не сможете без настоящих парней, с ломами, гаечными ключами, захватами, динамитом и запасом смелости. Только это и надо брать в расчет».

Пренебрежение научной стороной дела, точным математическим расчетом обходилось недешево. К примеру, нефтепровод «Колумбия лайн», названный «ключом к подземным сокровищам», был сооружен на поверхности земли в жаркие летние месяцы без учета того, что чугун имеет свойство расширяться при высоких температурах и сокращаться при низких. Когда на холмы Пенсильвании пришла холодная зима, предок американских дальних трубопроводов повел себя, на взгляд многих, более чем странно. Стыки стали распадаться, потоки нефти полились на промерзшую землю. Дальний трубопровод через Аллеганские горы был, наоборот, проложен в середине зимы. С приходом жаркого лета толстостенные железные трубы, собранные без припусков и уложенные вдоль шоссейной дороги, начали расширяться. Нефтепровод стал корчиться и извиваться, словно гигантская змея. Звенья труб загромождали шоссейную дорогу, вырывали с корнем деревья, сносили телеграфные столбы. Мастер, взиравший на эту трагедию, глубокомысленно заметил: «Выходит, парни, мы переборщили- уложили слишком много этих проклятых труб».

Из неприятных случаев был сделан практический вывод - трубы надо прятать в землю на глубину несколько футов. Но поставить сооружение нефтепроводов на научную основу - об этом до Шухова никто не помышлял.

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;