1.6. Магистралды мұнай құбырларын жоғары және төмен қысымды толқындардан қорғау құралдарының сыни анализі және жалпы шолу

Құбырды жоғары және төмен қысымды толқындардан қорғау үшін түрлі әдістер мен техникалық құралдар бар. Оның үстіне, бұл құралдар ылғи жетілдіріліп, жаңа, аса дамыған жүйелер жасалады. Сонымен қатар, техниканың даму мөлшері бойынша жаңа идеялар мен принциптерге негізделген қорғаныс жүйелері пайда болады. Осы дипломдық жобаның тақырыбы мұнай құбырларын жүктемеден қорғаудың жаңа жүйесінің жұмысын зерттеу болғандықтан, қысқаша түсіндірме келтіріп, осы қорғаныс жүйелерінің сыни анализін берейік.

Теңестіргіш қойма. Теңестіргіш қоймалар төменгі қысымды құбырлық жүйелерде ауспалы процессте пайда болатын жоғары және төменгі қысымды толқындардан қорғау үшін қолданылады. 1.2 суретте бірбағытты теңестіргіш қоманың мысалы көрсетілген, ол негізгі құбырмен қосылған аса үлкен емес диаметрлі вертикалды құбыр. Әдетте теңестіргіш қойма қажетсіз жағдаяттардың көзі болуы мүмкін реттегіш құрылғылардың төңірегінде орнатылады. Реттегіш құралдың жабылуы сұйықтықтың кідірісіне әкеледі, нәтижесінде құбырдағы қысым ұлғаяды. Осы кезде сұйықтық теңестіргіш қоймаға аға бастайды. Теңестіргіш қоймаға сұйықтықтың түсуі бойынша ондағы сұйықтық деңгейі артады. Сұйықтықтың бір бөлігі теңестіргіш қоймаға түсетіндіктен, ағынның кідірісі жайырақ жүреді және қысым толқынының амплитудасы айтарлықтай азаяды.

1.1. сурет. Бір бағытты теңестіргіш қойма

Реттегіш құралдың ашылуы кезінде сұйықтықтың үдейтіні, және құбырдағы қысымның азаятындығы анық, сондықтан теңестіргіш қоймадағы сұйықтықтар құбырдың ішкі қуысына қысымның түсуін бөлшектеп теңестіре отырып ағады.

Сорғының тоқтауы кезінде оның шығысында қысымның жылдам азаятыны және төмен қысымды толқынның ағын бойынша төмен таралатыны көрсетілген. Қарастаралап отырған құбырдың бағытын ескерсек, онда пайда болған толқын құбырдағы қысымның сұйықтық буының серпімді қысымына дейін төмендеуіне әкеледі, және сұйықтық қайнайды. Сұйықтықтың қайнауы рұқсат етілмейді. Қарастырылып отырған жағдайда сұйықтықтың қайнау мүмкіндігін жою үшін құбырда үш бір бағытты теңестіргіш қойма орнатылады, олар қосылған құбырдағы қысымының қойма құймасының биіктігімен анықталатын статикалық қысымнан төмен түспеуін қамтамасыз етеді.

Әуе қақпағы. Әуе қақпағы, 1.2. сурет, кең таралымға ие теңестіргіш қойма типтерінің бірі болып табылады.

Бұл құрылғы ауыспалы процессте құбырда пайда болатын жоғары және төменгі қысымды толқындарды тегізтеуге мүмкіндік береді. Сондай-ақ әуе қақпағы қысқа құбырлардағы жоғары жиілікті тербелістерді кішкене қысым амплитудасы бар төменгі жиілікті тербеліске түрлендіреді.

Жалпы жағдайда, әуе қалпағы дегеніміз – бір бөлігі тартып алынатын сұйықтықпен, ал қалғаны сығылған газбен толтырылған жабық сыйымдылық. Газ сұйықтықпен бос қатынаста болуы немесе иілгіш бөлгішпен бөлінуі мүмкін. ТАС іске қосу/тоқтатумен шақырылған ауыспалы процесс мысалында әуе қақпағының жұмыс істеу принципін қарастырайық. Тартып алу станциясы іске қосылғанда оның шығысындағы қысым жылдам артады да, ағын бойынша төменге жоғары қысымды толқын таралады. Мұндай толқынды тегістеу үшін станция шығысында әуе қақпағы орнатылады. Сорғы агрегаттарын іске қосқаннан кейін құбырдағы сұйықтық шығыны артады, осы кезде сұйықтықтың бір бөлігі әуе қақпағына, ал басқа бөлігі негізгі құбырға түседі. Қақпақтың толтырылуы бойынша оның ішіндегі газ сығылады және оның қысымы артады, демек, құбырдағы қысым да сәйкес мәнге артады. Әуе қақпағының ондағы газдың сығылуы үшін мөлшеріне байланысты қақпаққа сұйықтықтың түрлі мөлшерін жүктеу керек. Әуе қақпағының сәйкес мөлшерінде тартып алу станциясын іске қосу кезіндегі оның шығысындағы қысымның бірқалыпты артуына қол жеткізуге болады. Тартып алу станциясы тоқтаған кезде кері жағдай байқалады – станция кірісіндегі қысым жылдам артады да, жоғары қысымды толқын ағын бойынша жоғары таралады. Бұл жағдайда ағынның кідірісі, яғни тартып алу шығынының азаюы жүзеге асырылады. Құбырды мұндай қысым толқынынан қоғау үшін әууе қақпағы станция кірісінде орналастырылады. Тартып алу станциясы тоқтағаннан кейін сұйықтық бірден кідірмейді, ол әуе қақпағына түсе бастайды, бұл кезде газ қысымы жоғарылайды. Қақпақтағы қысым ұлғайған сайын сұйықтық толық тоқтағанға дейін кідіре береді. Осылайша, сәйкес көлемді әуе қақпағы тартып алу станциясы тоқтаған кездегі оның кірісінде пайда болған қысым толқынын түзетеді.

1.2 сурет. Тартып алатын станция шығысындағы әуе қақпағы.

Алайда, әуе қақпақтарының айтарлық кемшіліктері де бар. Магистралды құбырлардағы қысым толқынын түзету үшін әуе қақпағының көлемі 100 м³ кем болмауы керек, егер қақпақ ішіндегі жеткілікті жоғары қысымды ескерсек, онда оның магистралды мұнай құбырларында практикалық қолданылуы қиынға соғады. Әуе қақпақтарын аз диаметрлі қысқа құбырларда тиімді қолдануға болады. Мұндай жағдайларда әуе қақпағының қажет көлемі бірнеше куб метр шамасында болады.

1.3 сурет. Сорғының тоқтау уақытын арттыру мақсатымен күшті толқынға сермер орнатудың принципиалды сұлбасы.

Бұл әдісті алғаш ұсынған және сапалы бағалағандардың бірі ағылшын ғалымы Д.А. Фокс. Сорғы агрегаттарының тоқтау уақыты сорғының өзінің және электрқозғалтқыштың инерция моментімен анықталады.

Магистралды сорғыш агрегаттар үшін тоқтау уақыты шамамен 10 с құрайды. Магистралды сорғыш агрегат осіне сермер орнату оның инерция моментін арттырады, және сәйкесінше, тартып алу станциясы тоқтауы кезінде оның кірісіндегі қысымның ұлғаю және шығысындағы қысымның азаю уақытын созады. Тартып алу станциясы кірісі мен шығысындағы қысымның өзгеруін айтарлықтай созу үшін момент инерциясы үлкен сермер керек. Бұл әдістің кемшілігі мынада: сермер бағасының жоғарылығы; осындай сермері бар сорғыш агрегаттарды іске қосу кезіндегі жоғары энергия шығыны.

Кері клапан. Сорғы арқылы кері бағытта сұйқтықтың ағуын доғару үшін оның шығысына кері клапан орнатады. Магистралды мұнай құбырының барлық тартып алу станциясында клапандар орнатылады; мұндай клапанның мысалы 1.4 суретте берілген.

1.4 сурет. Кері клапан

1 – корпусы;

2 – келте құбыр;

3 – келте құбыр;

4 – ер клапаны;

5 – клапан қақпағы;

6 – қуыс;

7 – каналдар;

Кері бағытта сорғыш агрегаты арқылы сұйықтықтың ағыны кезінде сорғыш агрегаттың іске қосылуы электр қозғалтқышқа аса көп жүктеменің түсуіне әкелуі мүмкін. Электр қозғалтқыштың жұмысы кезінде мұндай жүктемеге тиым салынады. Осы себептен барлық сорғыш агрегаттардың шығысына сұйықтықтың сорғы арқылы кері бағытта ағуына рұқсат бермейтін кері қақпақ орнатылады. Егер кері қақпақ аз инерцияға ие болса, онда кері ағынның пайда болуы кезіндегі оның жабылуы кішкентай. Бұл кері ағын пайда болған жағдайда кері қақпақтың тарсылдауына әкелуі мүмкін. Кері қақпақтың мұндай жұмыс режимі рұқсат етілмеген. Аталған эффекттен кері қақпақтың инерциясын ұлғайту немесе оған қақпақтың бірқалыпты жабылуын қамтамасыз ететін арнайы демпфирлеу жүйесін орнату жолдарымен құтылуға болады.

Үзілісті мембрана. Құбырда орналастырылған жабдықтаманы қысымның ұлғаюынан қорғау үшін үзілісті мембраналар қолданылады.

1.5 сурет. Үзілісті мембрана – күмбез тәрізді тұтас темір диск,

Жұмыстық қысым иілген бетке әсер етеді. Қысым артқан сайын үзілісті мембрананың күмбезі қысымға шыдай алғанынша жіңішкереді де, одан соң мембрана үзіледі. Мембрана параметрлері оның үзілісі құбырда мембрананың баптау қысымына жеткен кезде болатындай таңдалады. Мембрана үзілісінен кейін сыйымдылыққа сұйықтықты лақтыру басталады. Бұл кезде құбырдағы қысым төмендейді. Үзіліс мембранасының кемшіліктері: лақтырудың бақылаусыз көлемі (мембрана жабылмайды); жүйені іске қосу тек үзіліс мембранасын ауыстырғаннан кейін ғана мүмкін. Сақтандырғыш қақпақ (СҚ). Қысымның аса ұлғаюынан қорғаудың жетілдірілген әдісі болып сақтандырғыш қақпақ табылады. Құбырдағы қысымның баптау қысымынан жоғарырақ ұлғаюы кезінде сақтандырғыш қақпақ автоматты түрде ашылады, және сұйықтықты қойма сыйымдылыққа лақтыру басталады. СҚ берілген деңгейде қысымды ұстап тұру кепілін беретін сұйықтық шығынын қамтамасыз етеді. Құбырдағы қысымның баптау қысымынан төмен азаюы сақтандырғыш қақпақтың жабылуына әкеледі. Магистралды мұнай құбырларында сақтандырғыш қақпақтар келесі орындарда орнатылады:

• магистралды сорғыш агрегаттардың тоқтауы кезінде құбырдағы қысымның есептелген мәннен артып кету қаупі себебінен тірек және магистралды сорғыш агрегаттардың арасындағы технологиялық құбырларда;

• қойма бақтарының алдында;

• ТАС тоқтауы кезінде құбырдың тасымалдаушы қасиетінің ұлғаю қаупі себебінен аралық ТАС-да;

• кемелік тиектердің апаттық жабылуы кезінде қысымның есепті мәннен артуын доғару үшін мұнайқұйғыш терминалдарда.

1.6 сурет. Сақтандырғыш қақпақтардың екі негізгі типі бар: серіппе тәрізді және газдық аккумулятормен,

Серіппелі қақпақты құбырды пайдалану кезінде бір жағынан қақпақтың жапқыш элементіне сұйықтықтың қысым күші әсер етеді, ал екінші жағынан – серіппе күші. Серіппе параметрлері құбырдағы қысым қақпақтың баптау қысымынан төмен кезде ол жабық қалатындай таңдалған. Бұның болу себебі, қақпақтың жапқыш элементінің қысу күші сұйықтықтың қысым күшінен артық. Бірақ құбырдағы қысым қақпақтың баптау қысымынан артқан кезде ол ашылады және сұйықтықтың арнайы сыйымдылыққа лақтырылуы басталады. Газды аккумуляторы бар сақтандырғыш қақпақтардың жұмыс істеу принципі серіппелі қақпақтың істеу принципіне ұқсас, оның ерекшелігі мынада: механикалық серіппенің орнына газдық қолданылады.

Үзілісті мембранадан сақтандырғыш қақпақтың ерекшелігі – олар қысым баптау қысымынан төмендегенде жабылады. Бұл лақтыру көлемін айтарлықтай қысқартуға мүмкіндік береді.

Газды аккумуляторы бар қақпақтардан серіппелі қақпақтың басты кемшілігі – аз өткізгіштік қабілеттілік. Бірдей өткізгіш диаметрде серіппелінің өткізгіштік қасиеті газды аккумуляторы бар қақпақтардан екі есе кем.

Көп жағдайда қорғанысты қамтамасыз ету үшін бірнеше сақтандырғыш қақпақ орнату керек. Мұндай жағдайда қорғаныс іске қосылғанда серіппе қақпақтар жабдықтаманың бұзылуына немесе құбырдың жарылуына әкелетін автотербеліске кіруі мүмкін. Газды аккумуляторы бар қақпақтарда мұндай құбылыс байқалмайды. Қысымды автоматты реттеу жүйесі (АРЖ). ТАС шығысындағы максималды қысым омы станцияға ұласатын құбырдың тасымалдаушы қасиетімен, ал кірісіндегі минималды қысым – станцияда орналастырылған сорғыш агрегаттардың кавитациялық қорымен анықталады. Құбырдағы ауыспалы процесстерде тартып алу станциясының кірісі мен шығысындағы қысым сипатталған шектерден шығып кетуі мүмкін. Мұндай қауіпті құбылысты болдырмау мақсатымен станцияларда қысымды автоматты реттеу жүйелері қарастырылады. Тартып алу станциясындағы қысымды реттеу келесі әдістермен жүргізілуі мүмкін: ағынды дроссельдеу; ағынның бір бөлігін айдау желісінен станцияның сору желісіне қайта жіберілуі; сорғыш агрегаттардың айналу жиілігінің өзгеруі .

Қысымды реттеу мақсатымен ағынды дроссельдеу ТАС айдау желісінде орналастырылатын реттегіш жапқыштардың көмегімен жүзеге асырылады. «Butterfly» типті жапқыш реттегіштегі сұйықтық ағынын дроссельдеу 1.7 суретте берілген.

1.7 сурет. «Butterfly» типті жапқыш реттегіштегі сұйықтық ағынын дроссельдеу

Тартып алу станциясының шығысындағы қысымның максималды мәннен ұлғаюы немесе кірістегі қысымның минимал мәннен азаюы кезінде жапқыш аздап жабылады, соның арқасында жасанды жергілікті кедергі пайда болады. Осының нәтижесінде тартып алу станциясы арқылы сұйықтық шығыны азаяды, станция кірісіндегі қысым артады, ал шығыстағы қысым азаяды. Магистралды мұнай құбырларындағы реттегіш жапқыштардың жылдам әсері 20 — 40 с құрайды. Реттеудің мұндай әдісінің негізгі кемшілігі: дроссельдеу; реттегіш жапқыштардың инерциялық қажеттілігі пайда болатын ауыспалы прцесстер кезінде қуаттың көп бөлігінің жоғалуы.