1.3. Защита трубопроводов от перегрузок по давлению 1.3.1. Причины возникновения перегрузок по давлению

Перегрузки по давлению (гидравлический удар) возникают при любых изменениях скорости перекачки. Теория гидравлического удара была разрабо­тана в конце прошлого столетия выдающимся русским ученым Н.Е. Жуков­ским. Полученная им формула для величины прироста давления вследствие гидравлического удара имеет вид

ДР = pc-Av, (1)

где р - плотность перекачиваемой жидкости;

с - скорость распространения ударной волны,

/ \ "I-».*

(2)

( 1 D^¹

^С=1Р\Е;⁺Е5.

Е₀, Е - модуль упругости соответственно жидкости и металла труб, для стали Е = 210^ МПа;

D, 8 - внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода;Av - изменение средней скорости перекачиваемой жидкости.Пример.Определить величину прироста давления при изменении на 1 м/с скорости перекачки бензина р = 720 кг/мЗ по трубопроводу с D_H = 529 мм и 5 = 7 мм. Модуль упругости бензина Е₀= 1,3 10^0 МПа, стали -Е = 2,1 ЮН Па.

Находим скорость распространения ударной волны по формуле (2)

с =! 72of ¹+ = 1803 м/с.

lu-io¹⁰ 2,1 10 -7 10

Определяем прирост давления по формуле (1)

АР = 720• 1803 1 = 1,3 • 10⁶Па = 13 кг/см2. Из формул (1), (2) видно, что чем меньшеAv и модуль упругости (выше эла­стичность) материала стенок труб, а также чем больше отношение D/5, тем меньше величина гидравлического удара.

Формула (1) описывает величину прироста давления непосредственно в месте возникновения гидравлического удара. При распространении ударной вол­ны по трубопроводу величина АР постепенно уменьшается вследствие трения.

Причинами возникновения гидравлического удара в магистральных тру­бопроводах являются пуск и отключение насосного агрегата (станции), изме­нение степени открытия задвижек (регулирующих заслонок), включение- отключение отводов и т.д.

Наиболее опасным случаем является отключение промежуточной неф­теперекачивающей станции. При этом поток жидкости в участке, предшест­вующем ей, затормаживается и возникает волна повышенного давления, кото­рая со скоростью звука в жидкости движется в направлении, обратном направ­лению перекачки. Сумма давления развиваемого станцией, предшествующей остановленной, и ударного давления может превысить допустимую величину и вызвать разрыв МТ. Как показывает опыт эксплуатации магистральных тру­бопроводов, в наиболее опасном положении оказывается участок трубы на расстоянии 20...40 км по потоку от станции, предшествующей остановленной.

1.3.2. Средства и методы защиты трубопроводов от перегрузок по давлению [71

Различают активные и пассивные методы защиты трубопроводов от пе­регрузок по давлению. К активным относится создание волны пониженного давления, идущей навстречу волне повышенного давления. Волна пониженно­го давления создается путем посылки сигнала по линии связи с остановленной нефтеперекачивающей станции на предшествующую для отключения на ней одного или нескольких насосных агрегатов. При этом возникает волна пони­женного давления, двигающаяся по потоку. При встрече волн пониженного и повышенного давления они взаимно гасятся и, следовательно, опасного повы­шения давления в трубопроводе не произойдет.

Система создания встречной волны пониженного давления включает:

- устройство для формирования сигнала при возникновении опасных возмущений давления (за критерий выбрана скорость нарастания давления; она должна быть не менее 1...1.2 МПа за 5...6 с);

• линию связи с остальными нефтеперекачивающими станциями;

• устройство для отключения одного или нескольких насосных агрегатов при поступлении сигнала.

Система создания волны пониженного давления (типа "Волна") внедрена на отдельных участках нефтепровода "Дружба".

Недостатком данного метода защиты трубопроводов от перегрузок по давлению является необходимость обеспечения помехоустойчивости и высо­кой надежности линии связи. Кроме того, отключение насосов необходимо осуществлять на нескольких предыдущих нефтеперекачивающих станциях, так как каждое отключение приводит к возникновению волны повышенного давления на предшествующем участке трубопровода.

К пассивным средствам защиты трубопроводов от перегрузок относятся:

• утолщенная стенка трубопровода;

• воздушный колпак;

• система сглаживания волн давления.

СНиП 2,05.06-85 предусматривает расчет толщины стенки магистраль­ных трубопроводов с использованием коэффициента перегрузки трубопрово­дов по давлению п. Эта величина принимается равной п = 1,15 при перекачке по системе "из насоса в насос" и п = 1,1 при других системах перекачки. За счет этого толщина стенки трубопровода завышается.

Эффективным методом уменьшения ударного давления является гаше­ние волны повышенного давления непосредственно в месте ее возникновения (в этом случае исключается динамическая перегрузка всей линейной части трубопровода, а не только участков, примыкающих к нефтеперекачивающим станциям по направлению перекачки).

Гашение волны повышенного давления у остановленной станции осущест­вляется за счет того, что уменьшение расхода через остановленную станцию происходит постепенно, за время, соизмеримое с временем пробега ударной вол­ной участка между нефтеперекачивающими станциями. Для этого применяют:

• установку воздушных колпаков на линии всасывания НПС;

• автоматический сброс части перекачиваемой жидкости в месте возник­новения волны повышенного давления в специальный резервуар.

Расчеты показывают, что для обеспечения требуемого снижения скоро­сти нарастания давления в современных магистральных трубопроводах объем воздушного колпака должен составлять 100...200 м^. Кроме того, воздушный колпак должен работать при давлениях до 6 МПа, что требует больших метал- лозатрат и специальной системы компенсации запаса воздуха вследствие его частичного растворения в перекачиваемой жидкости.

Вследствие простоты конструкции и эксплуатации на магистральных нефтепроводах нашел широкое применение способ автоматического сброса чайти перекачиваемой нефти в специальный резервуар (система сглаживания волн давления). В качестве автоматических устройств для сброса применяются шланговые клапаны, называемые иногда регуляторами скорости изменения волны давления. На рис. 1.1 приведена принципиальная схема шлангового клапана "Флекс-Фло" (США). Он состоит из корпуса с входным 1 и выходным 6 патрубками, дросселя 2, разделительного сосуда 3, гильзы 4 и шланга 5. Входная I и выходная П полости клапана разделены перегородками с боковы­ми прорезями, закрытыми цилиндрическим шлангом 5 из бензостойкой рези­ны. Полость I соединена с нефтепроводом на линии всасывания НПС и давле­ние в ней равно давлению подпора станции. Полость II соединена с резервуа­ром для сбрасываемой нефти. Полость Ш заполняется воздухом или инертным газом. Полость I и П1 соединены с разделительным сосудом 3, внутри которого находится эластичная мембрана. В разделительный сосуд из полости I посту­пает нефть, а из полости III - инертный газ (или воздух).

Клапан работает следующим образом. При установившемся режиме пе­рекачки давление в полостях I и Ш одинаково и равно давлению в нефтепро­воде, резиновый шланг 5 плотно прилегает к гильзе с прорезями 4.

При плавном повышении давления во всасывающей линии НПС дрос­сель 2 не оказывает существенного сопротивления нефти и поэтому давления в полостях I и III успевают своевременно выравниваться, а, следовательно, шланговый клапан не открывается. При резком повышении давления в нефте­проводе и соединенной с ним полости I, например, при внезапном отключении промежуточной нефтеперекачивающей станции, создается разность давлений между полостями I и Ш, достаточная для преодоления жесткости шланга. При этом шланг прогибается, отходя от боковых прорезей, и часть нефти из полос­ти I попадает в полость II, а из нее - в резервуар для сброса. Сброс нефти из трубопровода при срабатывании шлангового клапана обеспечивает полное или частичное гашение волны повышенного давления, и волна давления распро­страняется по трубопроводу с небольшой крутизной фронта, благодаря чему на предыдущей станции успевает срабатывать система регулирования давле­ния. В результате опасного повышения давления не произойдет и трубопровод плавно перейдет на новый установившийся режим работы с уменьшенным расходом и без одной промежуточной НПС. В соответствии со СНиП 2.05.06-85 системы сглаживания волн давления (ССВД) должны уста­навливаться на промежуточных НПС магистральных трубопроводов диамет­ром 720 мм и выше.

из нефте-1- провода-₇'

в емкость для сбрасывания нефти

1

химич е с к а я

Рис 1.1. Шланговый клапан "Флакс-Фло"

\ коррозия

[м^вх^ИйзЩ

9лв кт роли « ы у* с

о з ия итох

1*незЫ

газовая коррозия 51

л

<5*

ft

§3 »

ID §s о ^

ft

гттттп

по площади повреждения

X,

сплошная

местная

J

:::::"• z:::j _A

равномерная неравномерная

x

\побиду корром^його/^р'ждения^

_ _

пятна­ми

язвен­ная

точеч­ная

nodnoStm ностная

избира­тельная I

межк/тж литная

кярряионт растрес­кивание

Рис 12.Классификация коррозионных процессов

Необходимость применения ССВД на трубопроводах меньшего диамет­ра должна обосновываться расчетом.

ССВД должна срабатывать при повышении давления в трубопроводе на величину не более 0,3 МПа, происходящим со скоростью выше 0,3 МПа/с. Дальнейшее повышение давления в зависимости от настройки ССВД должно происходить плавно со скоростью от 10 до 30 кПа/с.

ССВД устанавливается на байпасе приемной линии НПС после фильт­ров-грязеуловителей. Диаметр байпасного трубопровода выбирается так, что­бы площадь его сечения была не менее половины площади сечения приемной линии. Объем резервуаров-сборников для сброса нефти должен быть не менее: 500 мЗ для нефтепроводов диаметром 1220 мм, 400 мЗ - 1020 мм, 200 мЗ - 820 мм, 150 мЗ - 720 мм и менее.