Способы защиты трубопроводной системы от гидроударов

Основным вопросом при транспортировке нефти и газа является обеспечение безопасности и безаварийности данного процесса. На протяжении всего срока эксплуатации все элементы трубопроводной системы испытывают динамические нагрузки — перепады давления, вибрации, циклические деформации, гидроудары, которые могут являться причиной усталостного разрушения, повреждения узлов, разрывов отдельных деталей трубопровода и аварий в транспортной системе.

Гидравлический удар характеризуется колебанием давления с большой амплитудой (в некоторых случаях давление может превышать рабочее в сотни раз), с большой скоростью распространяющимся по трубопроводу. Конечно, невозможно с абсолютной точностью определить вероятность возникновения гидроудара, однако вполне реально заранее просчитать потенциальное изменение давления и предупредить его разрушительное воздействие. К основным факторам, вызывающим перепады давления, можно отнести:
— неравномерность подачи рабочей среды;
— резкое начало движения или торможение потока;
— определённая степень эластичности материала трубопровода;
— сложная топография расположения трубопровода;
— несоответствие объёма рабочей среды и диаметра трубопровода;
— запуск или остановка насосов.

Например, в нефтепроводах при отключении насосов или изменении режимов перекачки нефти может внезапно поменяться давление, и эти, даже небольшие, деформации будут иметь негативный накопительный эффект. При повышенном давлении может произойти разрыв трубы, повреждение элементов трубопроводной системы — арматуры, насосов, крепежа; а при пониженном давлении может произойти смятие труб, утечка рабочей среды через места соединений, разрыв столба жидкости.

Классическая формула расчёта ударного давления определяется следующим образом:
Руд = pcu, где
p — плотность жидкости,
u — средняя скорость движения в трубопроводе до закрытия затвора,
c — скорость распространения ударной волны, которую можно рассчитать по формуле:
С = √K/p*(1/√(1+KD/Ee), где
К — модуль упругости жидкости;
Е — модуль упругости материала стенок;
D — диаметр трубы,
е — толщина стенок.

Использование дополнительных механизмов может защитить трубопроводы от скачка давления. Подобными защитными устройствами служат редукторы, пневмно-, гидро- и электроприводы, устройства для подсасывания жидкости и впуска воздуха, гидровоздушные мембранные баки, насосы с автоматической регулировкой оборотов и давления, различные амортизирующие устройства, ресиверы, дроссельные шайбы, компенсаторы гидравлического удара — демпферы, гидроаккумуляторы, а также защитные клапаны.

Защитные клапаны, как правило, устанавливаются на отводах, и они помогают быстро нивелировать скачок давления. Принцип действия подобного клапана следующий: при перепадах давления реагирует специальный установленный датчик (пилот низкого давления), и клапан открывается, причем, степень открытия клапана может различаться в зависимости от значения давления. В результате чего происходит сброс ударной волны, которая может двигаться со скоростью, превышающей скорость звука. Затем происходит медленное и плавное закрытие клапана.

Эффективность применения подобных устройств можно увидеть на следующих графиках.

График давления на незащищенной насосной станции

График давления на насосной станции, защищенной клапаном

В настоящее время выбор устройств, обеспечивающих снижение вероятности возникновения гидравлического удара, довольно широк, необходимо только выбрать наиболее подходящее, исходя из условий эксплуатации трубопровода и транспортируемой рабочей среды. Применение дополнительных механизмов способствует повышению уровня безаварийности эксплуатации и диагностированию возможных неполадок элементов системы.

Авторы: Сергей Савельев, директор по развитию ООО «ТД «Маршал»,
Екатерина Русакова, специалист отдела маркетинга и PR ООО «ТД «Маршал»

Материал опубликован в журнале «Добывающая промышленность» №2 2016 г.

Новости по теме