Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ аварийных ситуаций в трубопроводных системах водо-теплоснабжения вследствие колебаний давления и расчет допустимых нагрузок 26
1.1. Причины повреждения оборудования и типичные неисправности 26
1.2. Допустимые динамические нагрузки в трубопроводах с неагрессивными жидкостями 29
1.3. Учет коррозионной агрессивности жидкости при определении допустимых динамических нагрузок 37
1.4. Влияние динамических нагрузок на скорость коррозии и циклическую долговечность трубопроводов 41
1.5. Постановка задачи исследований 46
Глава 2. Современные методы гашения волновых и вибрационных процессов в трубопроводах водо-теплоснабжения 49
2.1. Существующие средства гашения колебаний давления и расхода в трубопроводных системах 50
2.2. Современные устройства гашения колебаний давления и расхода в системах водо-теплоснабжения 53
2.3. Материалы для упругих элементов стабилизаторов 61
2.3.1. Расчет температурных полей в демпфирующей камере стабилизатора давления 61
2.3.2. Выбор материалов для упругих элементов демпфирующих камер 68
2.4. Выводы 74
Глава 3. Теоретические методы определения параметров стабилизаторов давления и их эффективности 75
3.1. Математическая модель волновых процессов в трубопроводе со стабилизатором и без него 75
3.2. Определение эффективности гашения волновых процессов в расходных трубопроводах со стабилизатором 80
3.2.1. Эффективность стабилизаторов давления при линейном изменении расхода 80
3.2.2. Эффективность стабилизаторов давления при периодическом изменении давления и расхода 83
3.2.3. Эффективность стабилизаторов давления для безрасходных магистралей систем автоматики, управления и контроля 86
3.3. Определение основных проектных параметров стабилизаторов давления 97
3.4. Выводы 100
Глава 4 Экспериментальные исследования для определения эффективности работы стабилизаторов давления 101
4.1. Экспериментальное исследование стабилизаторов давления для трубопроводов тепло-водоснабжения 101
4.2. Результаты экспериментального исследования пульсаций давления в паровом потоке 109
4.3. Исследование динамических характеристик стабилизаторов в тепловых сетях 111
4.4. Выводы 115
Заключение 117
Список литературы 119
- Учет коррозионной агрессивности жидкости при определении допустимых динамических нагрузок
- Современные устройства гашения колебаний давления и расхода в системах водо-теплоснабжения
- Эффективность стабилизаторов давления при периодическом изменении давления и расхода
- Экспериментальное исследование стабилизаторов давления для трубопроводов тепло-водоснабжения
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена вопросам защиты окружающей среды и рационального использования природных ресурсов на основе снижения аварийности и повышения экологической безопасности в системах городской инфраструктуры.
В дальнейшем под этим термином будем понимать не только магистральные трубопроводы, а все трубопроводы различного назначения, в которых транспортируемые вещества обладают большой инерционностью, такие, например, как водоводы, центральные теплотрассы, канализационные напорные коллекторы, пульпопроводы.
Протяженность этих трубопроводных систем увеличивается с каждым годом и, в настоящее время, суммарная протяженность магистральных систем водо-теплоснабжения, мелиоративных сетей и трубопроводов жилищно-коммунального хозяйства в Российской Федерации превышает 2 млн. км. Необходимо отметить, что в силу значительной инерционности потока транспортируемых сред, каждый разрыв трубопровода сопровождается обширными разливами и загрязнениями окружающей среды на значительных площадях, безвозвратными потерями природных ресурсов.
В силу затянувшихся экономических трудностей замена изношенного оборудования и трубопроводов в России в последние 10 лет ведется крайне низкими темпами, что, безусловно, сказывается на техническом состоянии эксплуатируемых трубопроводных систем. Именно поэтому в нашей стране наблюдается устойчивая тенденция увеличения количества аварий на трубопроводном транспорте на 7-9 % в год [26, 27].
Как уже указывалось, рост аварийности в значительной мере связан с увеличением износа действующих трубопроводных систем, накоплением усталостных явлений в материале трубопроводов и сварных швов вследствие длительного воздействия динамических нагрузок, вызванных вибрацией и пульсациями давления в транспортируемых средах.
В материалах Международного бюро труда (г. Женева) по «Предупреждению крупных аварий» приводятся следующие типичные неисправности, нарушающие безопасную работу оборудования и причины его повреждения:
механические поломки сосудов и трубопроводов вследствие их коррозии и гидравлических ударов;
конструкции, не обеспечивающие их целостности при перепадах внутреннего давления, действия внешних сил, коррозии и изменения температуры;
неисправности в системе контроля (датчики давления и температуры, расходомеры, индикаторы уровня, приборы управления);
поломки таких узлов, как компрессоры, насосы и т.п.;
неисправности в системе безопасности (предохранительные клапаны, предохранительные разрывные мембраны и т.п.);
- нарушения сварных швов и соединительных фланцев.
Практически каждая из этих неисправностей, способных вызвать
крупную аварию может быть следствием нарушения режима давления в трубопроводной системе из-за волновых и ударных процессов, возникающих при ее эксплуатации. Кроме того, воздействие волновых, вибрационных и ударных процессов на трубопровод приводит к многократному увеличению скорости коррозии и уменьшению срока его эксплуатации.
Одним из путей предотвращения аварийных ситуаций является использование пластмассовых труб. В 80-х годах потребность в пластмассовых трубах для народного хозяйства СССР на 2000 г. была определена Госпланом СССР в объеме 1100 тыс. тонн. Предполагалось, что до «Далекого» (в те времена) XXI века в строительстве новых и восстановлении изношенных стальных трубопроводов объемы применения труб из прогрессивных полимерных материалов будут непрерывно возрастать [27].
К великому сожалению этого не произошло. Так в 1990 г. страна продолжала потреблять до 24 млн. тонн стальных труб (т.е. как США, Англия, Германия, Япония, Франция и Италия вместе взятые), причем половина этой огромной массы стальных труб использовалась для замены вышедших из строя тех же стальных труб. Это привело к тому, что изношенность трубопроводов в России, как и на других территориях СНГ, самая высокая в мире [27].
Во всем мире из вновь вводимых в эксплуатацию трубопроводов более 80 % составляют трубопроводы из пластических масс. Причем общеизвестно, что прочностные свойства стальных труб, например, в системах водоснабжения используются всего на 2-4 %. Это наследие монополизма в черной металлургии. А тем временем состояние систем водоснабжения и водоотведения в России достигло критической оценки. Большинство трубопроводов систем водо-теплоснабжения и водоотведения в России находится в эксплуатации с 50-60 гг. и практически исчерпало свой срок службы [27]. Известно, что нормативный срок службы составляет для чугунных трубопроводов - 20 лет, стальных - 10-15 лет, керамических - 10 лет, в то время как для полиэтиленовых - не менее 50 лет.
На сегодняшний день большинство трубопроводов эксплуатируется со степенью износа 70-80 %. Из 500 с лишним тыс. км трубопроводов водопроводных сетей 55 % требуют срочной замены и ремонта, на каждые 100 км трубопроводов за один год в среднем приходится 45 аварий, причем с каждым годом положение все ухудшается. Аналогичная картина и в канализационных системах. О каком улучшении качества питьевой воды можно рассуждать, если 80 % систем водоснабжения заросло внутри, а канализация в существующем состоянии является потенциально опасным источником загрязнения водоемов и подземных вод, почвы и всего, что на ней произрастает. В настоящее время в России всеми видами ремонта восстанавливается всего 1-3 % изношенных трубопроводов.
В связи с повышением надежности, долговечности и эффективности инженерных трубопроводных сетей системы жилищно-коммунального хозяйства необходимо проведение следующих работ:
инвентаризация технического состава существующих трубопроводов;
установление фактических потерь воды, тепла и электроэнергии в процессе эксплуатации трубопроводных систем;
разработка рекомендаций по выбору современных технологий для восстановления и ремонта существующих трубопроводов.
Если не принять экстренные меры по восстановлению инженерных коммуникаций две трети трубопроводов будет разрушено в 2005-2010 гг., т.е. произойдет экологическая катастрофа. Необходимо срочно наращивать темпы восстановительных работ на трубопроводных сетях.
В мировой практике в настоящее время существует шесть основных технологий бестраншейного ремонта изношенных подземных трубопроводов с использованием различного оборудования:
«труба в трубу» - протаскивание во внутреннюю полость ремонтируемого трубопровода новой плети трубопровода из полиэтилена. При этом наружный диаметр трубопровода из полиэтилена меньше внутреннего диаметра ремонтируемого трубопровода;
то же, с увеличением диаметра на один сортамент, но с разрушением ремонтируемого трубопровода, что позволяет протаскивать или проталкивать новую полиэтиленовую плеть или отрезки большего размера, чем внутренний диаметр ремонтируемого трубопровода, что на наш взгляд неприемлемо, неэффективно и энергоемко;
нанесение на внутреннюю поверхность ремонтируемого трубопровода, предварительно очищенного и промытого, цементно-песчаного слоя различной толщины. Однако со временем после интенсивной эксплуатации трубопровода происходит механическое или химическое разрушение цементно-песчаного слоя. Это во многом предопределяет
нецелесообразность использования защитных цементно-песчаных покрытий в водоотводящих сетях [28];
«чулочная технология» - протаскивание внутрь ремонтируемого трубопровода, предварительно очищенного высоким давлением, синтетического чулка. После протаскивания, чулок полимеризуется в среде горячей воды, определенной температуры, облучением ультрафиолетом или другим способом, что обеспечивает образование на внутренней поверхности трубопровода прочного инертного слоя регулируемой толщины;
технология «U-лайнер», при которой внутрь предварительно очищенного ремонтируемого трубопровода протаскивается U-образная полиэтиленовая плеть с последующим ее распрямлением с помощью теплоносителя определенной температуры с последующим образованием нового цельного полиэтиленового трубопровода;
локальный ремонт трубопровода с использованием ремонтного робота и ремонтной вставки.
Однако все вышеперечисленное не устраняет причин аварийных ситуаций, а только указывает на пути их разумного разрешения.
Одним из основных путей обеспечения надежной, экономичной и безаварийной работы трубопроводного транспорта является предупреждение и устранение колебаний давления, вибраций и гидроударов, возникающих в основном в результате периодического характера работы нагнетательных установок, изменение режима их работы, срабатывания запорной аппаратуры, аварийных отключений электропитания и ошибочных действий обслуживающего персонала.
Однако традиционно используемые средства для гашения волновых и вибрационных процессов, такие как ресиверы, дроссельные шайбы, воздушные колпаки, аккумуляторы давления и т.п. малоэффективны, и поэтому ими оборудуется лишь незначительная часть всех трубопроводов
небольшой длины и в основном те, где используются нагнетательные установки поршневого типа.
Для трубопроводов большой протяженности в основном используются предохранительные клапаны, осуществляющие сброс транспортируемой среды в резервные емкости в случае чрезмерного повышения давления. Примером таких клапанов являются клапаны типа «Флексфло» и «Аркрон», которыми оборудованы некоторые магистральные трубопроводы, однако их применение ограничено из-за высокой стоимости, большой массы и габаритов, значительных по объему резервуаров. Большинство же трубопроводов вообще не оборудуется средствами защиты.
В связи с изложенным, теоретическая разработка новых высокоэффективных средств защиты трубопроводов большой протяженности от волновых и вибрационных процессов, создание на их базе практических устройств и внедрение их в различные отрасли народного хозяйства являются актуальной проблемой.
Проблемы, связанные с неустановившимся движением сжимаемых жидкостей в трубах, постоянно привлекали внимание отечественных и зарубежных исследователей.
Впервые задача о нестационарном ламинарном движении несжимаемой жидкости без предположения о квазистационарности профиля скорости была решена с помощью рядов еще в 1882 г. И.С. Громекой, где трение учитывалось в исходных дифференциальных уравнениях. Однако числовые результаты для этого решения были получены только в XX веке.
Основы движения неустановившейся жидкости в напорных трубопроводах были заложены еще Н.Е. Жуковским [29, 30]. Он рассмотрел течение невязкой жидкости, составил дифференциальные уравнения ее движения и для ряда задач получил результаты, которые легли в основу дальнейшей разработки теории напорного и безнапорного течений вязкой жидкости.
С помощью этой теории удалось объяснить ряд физических явлений, получивших название гидравлического удара. В них был заложен фундамент современных методов расчета элементов конструкций трубопроводов.
В работе Н.Е. Жуковского [29] показано, что задачу о движении сжимаемой жидкости в упругом цилиндрическом трубопроводе можно свести к задаче о движении сжимаемой жидкости в жестком трубопроводе, но с меньшим модулем упругости жидкости. Это обстоятельство учитывается введением эффективной скорости звука. Метод определения эффективной скорости для более сложного поперечного сечения приведен в работе К.Г. Асатура [3].
В работах М.А. Мосткова [70, 71] развита теория гидравлического удара применительно к трубопроводам гидростанций и гидроэнергетического оборудования, рассмотрены граничные условия и предложены методы расчета для простых и разветвленных трубопроводов.
Весьма подробная библиография работ по неустановившемуся движению и исторический очерк развития теории гидравлического удара содержится в работах А.А. Сурина [97], Н.А. Картвелишвили [28].
Довольно большое количество работ посвящено экспериментальному изучению динамики трубопроводных систем, в частности, исследованию профилей скорости при нестационарном движении.
Л.С. Лейбензоном [59] были впервые рассмотрены периодические колебания давления в длинных трубопроводах, оборудованных поршневыми насосами с учетом сжимаемости жидкости. Им была получена формула для определения ударного давления при нестационарном течении жидкости, позволяющая учесть неравномерное распределение скорости по сечению. В дальнейшем эта формула была уточнена И.Ф. Ливурдовым в работе [60], где учитываются потери на трение от выравнивания скорости в сечении трубопровода при торможении потока.
Теория неустановившегося течения жидкости в трубах с учетом ее вязкости была создана И.А. Чарным. Система дифференциальных уравнений
И.А. Парного [112], описывающая движение жидкости в трубопроводе, использует гипотезу квазистационарности, впервые принятую С.А. Христиановичем для расчета неустановившегося течения в открытых руслах. Гипотеза заключается в том, что сила трения жидкости о стенку трубы в нестационарном режиме принимается такой же, как и при стационарном течении со скоростью, равной мгновенной скорости рассматриваемого нестационарного движения.
Используя полученные уравнения, И.А. Чарный исследовал волновые процессы, протекающие в простом трубопроводе, а также в трубопроводе с простой камерой (воздушным колпаком) с учетом сил трения (длинный трубопровод) и без учета сил трения (короткий трубопровод).
Созданная И.А. Чарным теория неустановившегося движения жидкости в напорном трубопроводе в настоящее время нашла широкое применение.
Развитие работ по энергетическим установкам различного назначения привело к интенсификации исследований по теории колебаний жидких и газообразных сред в трубопроводах, результаты которых изложены в трудах: В.В. Болотина, А.П. Владиславлева, Р.Ф. Ганиева, Х.Н. Низамова, Б.Ф. Гликмана, П.А. Гладких, С.А. Хачатуряна, М.А. Гусейн-Заде, К.С. Колесникова, Д.Н. Попова, В.П. Шорина, С.С. Кутателадзе, М.А. Стыриковича, М.А. Ильгамова, М.С. Натанзона, В.В. Пилипенко, В.А. Светлицкого и др.
Вопросам динамики пространственно изогнутых участков трубопровода с жидкостью, гидравлического удара и способы понижения частот собственных колебаний жидкости в трубопроводах посвящены многие работы.
В монографии К.С. Колесникова [52] исследованы продольные колебания ракеты с жидкостным ракетным двигателем. Там же рассмотрены методики расчета элементов топливной магистрали с сосредоточенными параметрами, которые имеют широкое прикладное значение.
Методика расчета собственных колебаний жидкости в сложных разветвленных трубопроводах, создана коллективом под руководством В.А. Махина [62]. Исследования провалов давления в трубопроводах приведены в работах М.С. Натанзона [81]. Вынужденные колебания сжимаемой жидкости исследовались в работах многих ученых.
Анализ теоретических работ, посвященных динамике жидкости в трубопроводах, показывает, что основное внимание в них уделялось вопросам расчета колебаний давления и расхода жидкости в простых трубопроводах и в системах с воздушными колпаками и аккумуляторами давления. В то же время многочисленные экспериментальные исследования выявили существенное влияние на управление динамическими процессами диссипативных элементов (сосредоточенная перфорация и распределенная перфорация) и геометрических параметров трубопроводной системы. Методы расчета волновых процессов в трубопроводах с гасителями (сосредоточенная перфорация и упругость) предложены в работах [26, 27]. Задача анализа волновых процессов в трубопроводах с распределенными диссипативными элементами и упругими элементами различных типов поставлена в работах [20, 26, 27], где предложен ряд соответствующих методик расчета. Вместе с тем, необходимо отметить, что для газовых магистралей указанная задача не получила пока исчерпывающего решения.
Трубопроводная система нагнетательных установок представляет собой упругую конструкцию, состоящую из прямых участков труб, поворотов, арматур, тройников, патрубков и средств крепления - опор. Их вибрация возникает вследствие переменных нагрузок, сопровождающих работу нагнетательных установок. Различают две причины вибрации трубопроводов и аппаратов:
- первая - кинематическое возбуждение, обусловленное механическими
вибрациями корпуса насоса или компрессора, которые передаются на
примыкающие к цилиндрам компрессора или входам насоса участки
трубопроводов, или на опоры отдаленных участков;
- вторая - пульсирующий поток и акустические колебания жидкости и газа в трубопроводах. Особенно высокие значения вибрации возникают при эксплуатации компрессорных установок. Необходимость изучения основных динамических характеристик трубопроводов компрессорных установок определяется высокими требованиями к их прочности и надежности работы.
Исследования показывают [16], что вибрация опор с амплитудой 0,15-0,2 мм может вызвать в условиях резонанса опасные колебания трубопровода.
В этой же работе показано, что устранение пульсаций давления может увеличить в несколько раз срок службы клапанов.
Периодические изменения давления жидкости и газа вследствие взаимодействия рабочей среды с трубопроводом могут вызвать механические колебания трубопроводов, связанного с ним оборудования и опорных конструкций.
При резонансных условиях под действием продольных волн могут возникать резонансные колебания трубопроводной системы. Анализ многочисленных работ по неустановившимся движениям жидкости (или газа) показывает, что задача защиты трубопроводов от волновых и вибрационных процессов по-прежнему является актуальнейшей проблемой для различных отраслей промышленности. Особое внимание уделялось изучению резонансных колебаний трубопроводных систем.
В работах Б.Ф. Гликмана, К.С. Колесникова предложены методы подавления резонансных частот и способы понижения частот собственных колебаний в жидкостных магистралях путем установки на входах в насосы податливых элементов - демпферов. В монографии [27] выделены следующие три способа снижения частот собственных колебаний жидкости в трубопроводах:
- понижение распределенной упругости жидкости путем вдува в жидкостную магистраль газа;
понижение распределенной упругости трубы путем замены материала трубы на другой, с меньшим модулем упругости;
введение сосредоточенной упругости за счет установки специальных устройств - гидравлических и газовых демпферов.
В этой же работе представлены конструктивные варианты газовых, пружинных, сильфонных и смешанных демпферов применительно к жидкостным магистралям.
В работе В.В. Пилипенко и М.А. Натанзона рассматривается влияние газовых демпферов, установленных в расходных магистралях, на колебания давления на входах в насосы при работе мощных энергетических установок.
Средства защиты от колебаний давления в трубопроводах излагаются в монографии В.П. Шорина [113]. Здесь описываются гасители колебаний различных типов и принципов работы: газожидкостные гасители емкостного типа, гасители типа параллельного резонансного контура, гасители инерционного принципа действия и гасители с активным волновым сопротивлением.
В монографии П.А. Гладких и С.А. Хачатуряна [29] описываются конструкции гасителей пульсаций давления, используемые в газопроводах. Они предлагают использовать в газовых магистралях с поршневыми компрессорными установками три основных вида реактивных гасителей пульсаций давления: ответвленный резонатор; кольцевой гаситель низких частот; камерный гаситель верхних частот.
Имеется ряд фундаментальных работ, в которых рассматриваются теоретические основы расчета колебаний потоков и вибраций систем, вызванных возвратно-поступательным движением поршней. К ним относятся классические исследования СП. Тимошенко и Д. Рэлея.
Одним из распространенных типов гасителей пульсаций давления являются различные резонансные звукопоглощающие системы. Изучением таких систем и созданием методов расчета гасителей успешно занимался С.Н. Ржевкин. Резонатор представляет собой замкнутую полость с жесткими
стенками, сообщающуюся через узкий канал с трубопроводом, в котором необходимо устранить вредные пульсации давления.
Снижение уровня пульсаций давления в трубопроводной системе на практике ведется путем изменения конструкции трубопроводов, уменьшения возмущающих сил за счет уравновешивания ротора насоса и компрессора, увеличения толщины стенок, виброизоляции трубопроводов от источников возбуждения, рациональной укладки трубопроводов и опор. Как правило, такие способы оказываются весьма дорогостоящими.
А.А. Самарин [95] предлагает использовать известные способы гашения пульсаций давления, апробированные в других областях техники, и для теплоэнергетического оборудования.
В трубопроводах компрессорных установок для управления волновыми и вибрационными процессами в настоящее время используются следующие средства: изменение схемы, размеров трубопровода и аппаратов, а также рациональное взаимное расположение цилиндров и фаз их воздействия на трубопровод; установка дроссельной диафрагмы; установка пустотелых камерных гасителей или буферных емкостей; применение акустических фильтров резонаторов.
Наиболее важными для практики являются два последних способа, так как с изменением схемы, размеров трубопроводов и их формы изменяется собственная частота колебаний, но резонанс, устраненный при одних числах оборотов, возникает при других; установка дроссельной диафрагмы приводит к значительному ослаблению колебаний давления, но при этом возникают дроссельные потери, поглощающие значительную часть мощности компрессора.
Широкое распространение в поршневых компрессорах получили буферные емкости. Их эффективность определяется объемом, а принцип работы основан на рассеивании энергии колебаний. Установлено [27], что наилучшее гашение имеет место при установке буферной емкости непосредственно у цилиндра компрессора, так как по мере удаления от
цилиндра гасительные свойства ее ухудшаются. Методы расчета емкостей приведены в работе [27]. Эффективность буферной емкости может быть увеличена путем введения дополнительных активных сопротивлений, например, диафрагмы. При этом объем гасителя может быть уменьшен.
Недостатком гасителей типа буферных емкостей является то, что они позволяют сгладить поток в трубопроводе лишь за собой. Кроме того, размещение буферных емкостей необходимых размеров в многоступенчатых компрессорах с большим числом цилиндров сопряжено с большими трудностями из-за ограниченного места. При этом растут габариты и металлоемкость компрессорных установок.
Акустические фильтры применяют в наиболее ответственных случаях, когда требуется значительное снижение амплитуды колебаний давления. Они сложнее по конструкции и более трудоемки в изготовлении, чем буферные емкости. Потери энергии в этих гасителях большие. Конструктивно они состоят из ряда камер, перегородок и перфорированных трубок для прохода газа. Определение их размеров и отработка конструкций ведутся, в основном, конструктивно. Другие недостатки аналогичны буферным емкостям.
В системах смазки и уплотнений центробежных компрессоров для сжатия природных, токсичных и агрессивных газов широко используются плунжерные и аксиально-поршневые насосы. При этом возникают такие же проблемы гашения пульсаций, как и в поршневых компрессорах. Эти проблемы наиболее остро стоят в компрессорах высокого давления. Дело в том, что пульсации давления могут привести к автоколебаниям системы поддержания перепада давления «масло-газ» и, следовательно, к разгерметизации уплотнений. Большие колебания давления и гидравлические удары могут возникнуть при запуске и останове насосов, при переключении в аварийных режимах с основных на резервные насосы. Для уменьшения колебаний давления в этих случаях широко используются так называемые аккумуляторы давления.
Однако для стабилизации высокого давления требуются большие объемы подушек, что приводит к существенному увеличению габаритов. В связи с этим требуются специальные новые конструктивные решения.
Из проведенного обзора и анализа существующих конструкций демпфирующих устройств (воздушные колпаки, аккумуляторы давления, гасители различных типов, ресиверы, дроссельные шайбы) следует, что описанные средства имеют следующие недостатки:
отсутствие диссипативных элементов не позволяет обеспечить требуемое снижение амплитуды колебаний давления;
невозможность использования их в агрессивных средах из-за пожароопасности;
большие времена и неудовлетворительные качества регулирования переходных процессов;
вследствие сосредоточенных параметров устройства не обеспечивается восстановление пониженного давления (провала) в системе;
нельзя использовать их для стабилизации колебаний давления многорежимных систем (при скачкообразном изменении рабочего давления).
Таким образом, создание новых технических средств защиты трубопроводов от волновых и вибрационных процессов является актуальной задачей применительно к системам водо-теплоснабжения. Ее решение позволит уменьшить непроизводительные потери воды и устранить загрязнение окружающей среды.
В работах [1-115] рассмотрены различные вопросы в области постановки, моделирования и управления безопасностью сложных технических систем с помощью различных подходов.
Рассмотрим краткое содержание работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Введение содержит общую характеристику проблемы по анализу аварийности трубопроводных систем, обеспечению надежной работы систем
автоматики в трубопроводных системах и анализу основных причин их неудовлетворительной работы при совместной работе систем водо-теплоснабжения и систем контроля давления и расхода в гидросистемах. Здесь же обосновывается актуальность проводимых исследований, определяется их цель и способы ее достижения.
Первая глава посвящена анализу основных причин аварийных ситуаций в трубопроводных системах различного назначения. При этом показано, что практически каждое из этих событий, способных вызвать крупную аварию, является следствием изменений режима давления из-за волновых и ударных процессов, которые неизбежно возникают в процессе эксплуатации систем теплоснабжения.
Показано, что основной задачей для обеспечении надежной, экономической и безаварийной работы трубопроводных систем является предупреждение и устранение колебаний давления, расхода рабочей среды и связанных с ними вибраций трубопроводов, арматуры и оборудования, возникающих главным образом в результате периодического характера работы насосных установок. При возникновении резонансных явлений вследствие совпадения или близости собственной частоты трубопровода с вынуждающей частотой колебаний, амплитуды пульсаций давления и вибраций могут возрастать многократно и приводить к раскрытию фланцевых соединений, разрыву сварных швов, утечке транспортируемых продуктов в окружающую среду с серьезными экономическими и экологическими последствиями. Приведены формулы для расчета динамических нагрузок в трубопроводах с неагрессивными жидкостями.
Значительная часть трубопроводных систем большой протяженности работает в условиях, когда транспортируемая по ним среда обладает коррозионной активностью. По действующим нормам в прочностных расчетах этих трубопроводов учитывается работа под статической нагрузкой при отсутствии коррозии, проектирование же защиты от почвенной коррозии ведут без учета механических напряжений и структурно чувствительных
свойств стали. В реальных условиях вышеназванные трубопроводы и их сварные узлы испытывают действия как статических, так и динамических нагрузок от колебаний давления, температуры и вибрации при одновременном действии коррозионной среды (внутренней и внешней), приводящих в совокупности к коррозионной усталости металла. Раздельный подход к механике и коррозии игнорирует хорошо известный факт, что совместное действие коррозии и переменных механических напряжений неизбежно вызывает механохимические явления, отсутствующие при коррозии ненапряженного металла или при механическом нагружении без воздействия коррозионной среды: значительное увеличение скорости коррозии напряженного и деформированного металла по сравнению с ненапряженным (механохимическая коррозия) и потеря металлом сопротивляемости нагрузкам, намного меньшим стандартных предела прочности или предела усталости.
Влияние напряжений на коррозию многократно усиливается в местах резких изменений геометрической формы поверхности, являющихся концентраторами напряжения (сварные швы, поверхностные дефекты, царапины, задиры и т.п.), что вызывает неравномерность коррозии и ее локализацию. В результате этого возникает коррозионная усталость металла, характеризующаяся развитием коррозионного процесса в вершине коррозионно-механической трещины, приводящей к разрушению.
Поэтому с учетом изложенного, представляется целесообразным для трубопроводных систем транспортирующих коррозионно-активные среды ограничить допустимую динамическую составляющую напряжения в стенке трубопровода из-за воздействия волновых и вибрационных процессов величиной Agq < 3-^-5 МПа.
Получены формулы, которые позволяют учесть влияние напряжений на коррозию, что многократно усиливается в местах, являющихся концентраторами напряжений (сварные швы, поверхностные дефекты, царапины, задиры и т.п.), а также вызывает неравномерность коррозии и ее
локализацию. В результате этого возникает коррозийная усталость металла, характеризующаяся развитием коррозионного процесса в вершине коррозионно-механической трещины, приводящая к разрушению.
Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям волновых процессов в импульсных трубах со стабилизатором давления (СД) и без него. Показано, что при эксплуатации в трубопроводах водо-теплоснабжения неизбежно возникает проблема борьбы с интенсивными пульсациями давления и расхода среды, и вибрациями трубопроводов. Первые могут приводить к частичной разгерметизации уплотнений, что особенно опасно для компрессоров и насосов, транспортирующих легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и токсичные жидкости и газы. Вторые к интенсивным динамическим нагрузкам, вызванным повышенным уровнем вибрации трубопроводов, что приводит к возникновению усталостных явлений, возникновению трещин, разгерметизации стыков и порывам трубопроводов с утечками затворной жидкости (масла). При этом велика вероятность возникновения тяжелых аварий из-за пожаров в компрессорных цехах с широкомасштабными загрязнениями окружающей среды и большими экономическими потерями.
Различают две причины возникновения вибрации трубопроводов: первая - колебания насосного агрегата и его фундамента, которые передаются на примыкающие участки трубопроводов; вторая - пульсирующий поток жидкости или газа в трубопроводе. Вибрации, вызванные колебаниями насосного агрегата, как правило, быстро затихают по мере удаления от него и при установке дополнительных креплений.
Вибрации из-за пульсаций давления жидкости распространяются на все трубопроводы системы и могут значительно усиливаться в местах резких поворотов трубопроводов, изменения поперечного сечения трубопровода либо при наличии местного гидросопротивления.
Поэтому самым эффективным способом их гашения является уменьшение амплитуды колебаний давления в системе сразу же за
источником их возникновения - насосным агрегатом. Затем рассмотрены существующие средства гашения колебаний давления и расхода в трубопроводных системах,
В общем случае СД должен препятствовать распространению колебаний среды либо за счет механического воздействия на поток, вызывающего необратимые потери колебательной энергии, либо за счет упругоинерционного воздействия, приводящего к перераспределению энергии в спектре колебаний. В связи с этим все конструкции СД базируются на двух принципах: локализации энергии источника колебаний на определенном участке системы или поглощении энергии источника колебаний.
СД первого типа работают как акустические фильтры, препятствующие прохождению колебаний определенных частот от источника в трубопроводную систему. Эти частоты зависят от массы и упругости рабочей среды в элементах СД. В активных СД энергия колебаний рассеивается за счет вязкого или внутреннего трения. Разделение СД на указанные типы в известной мере условно, так как характер работы реального стабилизатора, как правило, включает в себя оба указанных принципа.
Исходя из проведенного анализа существующих отечественных и зарубежных стабилизаторов, можно выделить несколько типов СД. Для гашения гидравлических ударов и пульсаций давления в трубопроводах диаметром 0,5 м и более целесообразно использовать пневмостабилизатор.
Пневмостабилизатор представляет собой участок трубопровода, снабженный предкамерой, выполненной в виде цилиндра с отверстиями по образующей, которая охватывает с наружи поверхность участка трубопровода. Демпфирующие элементы выполнены в виде цилиндрических камер с укрепленными в них двумя упругими мембранами, разделяющими на три полости. Средняя полость (гидравлическая) соединяется через предкамеру и распределенную перфорацию с магистралью трубопровода. Полости, образованные мембраной и корпусом камеры соединены с линией
наддува газом.
С целью ограничения хода и предотвращении разрыва мембран при отсутствии давления в жидкостной полости в камере установлены сферические диафрагмы с отверстиями, суммарная площадь которых равна или больше площади поперечного сечения основного отверстия, связывающего камеру с предкамерой. Полости, образованные мембраной и корпусом соединены с линией наддува.
Элементы конструкции СД для систем теплоснабжения должны быть работоспособны при температурах рабочей среды до 130 С. С и рабочих давлениях до 1,0-1,2 МПа. Поэтому в работе дана оценка температурных полей в выносных демпфирующих камерах СД. Использование, которых наиболее целесообразно в трубопроводах систем теплоснабжения диаметрами от Ду = 100 мм до Ду= 1200 мм.
Рассмотрена схема теплообмена демпфирующей камеры с предкамерой СД. В этом случае предполагаем, что температура воды в предкамере такая же, как в основном трубопроводе. Тепло поступает к демпферу демпфирующей камеры за счет теплопроводности через патрубок, соединяющий демпфирующую камеру с предкамерой. Отводится тепло от демпфера за счет естественной конвекции.
Подвод тепла к демпферу путем конвекции несуществен для демпферов, расположенных снизу и сбоку от предкамеры, поскольку толщина слоя нагретого, обтекающего предкамеру воздуха, меньше расстояния от предкамеры до демпфера. Демпферы, расположенные над предкамерой могут получать тепло и за счет конвективного теплообмена с теплым воздухом, поднимающимся от предкамеры, если она не теплоизолирована.
Распространение тепла теплопроводностью от трубопровода рассчитывалось по формулам распространения тепла через плоские стенки с учетом теплоотдачи путем естественной конвекции через наружные поверхности этих областей, контактирующие с воздухом.
Используя полученные значения температуры, рассчитывались поля температур. При этом учитывались конструктивные особенности демпфирующей камеры с одним и двумя патрубками.
Расчеты распределения температуры вдоль цилиндрической оболочки демпфирующей камеры выполнены с применением формулы для поля температуры стрежня постоянного сечения конечной длины, на одном конце которого задана температура, а на боковой поверхности - коэффициент теплопередачи к среде с постоянной температурой. Теплообменом удаленного торца стержня с воздухом пренебрегалось, что приводит к незначительному завышению температуры.
Из приведенных результатов расчета следует, что конструкция демпфирующей камеры с одним патрубком с точки зрения температурных полей гораздо предпочтительнее, чем конструкция с двумя патрубками. При этом максимальная рабочая температура материала разделительной оболочки и упругодемпфирующего заполнителя не превышает 110 С.
Третья глава посвящена теоретическим исследованиям волновых процессов в расходных и безрасходных трубопроводах со СД и без него. Проведено исследование волновых процессов в расходной магистрали на основе результатов решения классических линеаризованных уравнений неустановившегося движения вязкой жидкости Л.И. Чарного, устанавливающих связь между давлением и расходом в любом произвольном сечении трубопровода.
Для обеспечения максимальной эффективности гашения волн давления СД целесообразно устанавливать как можно ближе к источникам возмущения потока среды. В этом случае для описания изменения давления в трубопроводе со стабилизатором можно с достаточной точностью представлять гидросистему, как систему с сосредоточенными параметрами используя дифференциальное уравнение.
При периодическом изменении давления и расхода для расчета эффективности следует использовать следующий подход.
Получено выражение, которое позволяют рассчитать эффективность гашения пульсаций давления и гидроударов в расходных магистралях.
Рассмотрено влияние присоединенной массы СД на резонансные свойства безрасходных магистралей на примере импульсной трубы с измерительным прибором и демпфирующим устройством, расположенном на некотором удалении от ее концевых участков. Такой трубопровод будем условно считать сложной системой с распределенными конструктивными параметрами. Предлагается рассмотреть различные граничные условия.
В дальнейшем исследуются основные проектные соотношения, которые позволяют по известным характеристикам трубопровода и требуемой эффективности гашения волновых процессов определить основные проектные параметры СД для расходных и без расходных магистралей.
Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований работы СД в расходных и безрасходных магистралях, полученные в лабораторных и в промышленных условиях эксплуатации. В первом разделе содержатся результаты экспериментальных исследований эффективности работы СД на специальном стенде. Приведено его описание, состав аппаратуры и порядок проведения экспериментальных исследований. Как следует из результатов экспериментов, в диапазоне частот от 0,75 до 100 Гц, при давлениях от 1,0 до 4,0 МПа достигается эффект снижения пульсаций давления от 6 до 10 раз, причем с ростом давления и частоты возрастает и эффективность работы стабилизатора. Аналогичная картина наблюдалась во всем исследованном и расходов как при ламинарном режиме течения жидкости в основной магистрали, так и при турбулентном в диапазоне чисел Рейнольдса Re = 127 ... 12700.
Приводятся результаты исследования эффективности СД с упругими камерами в промышленных условиях энергоустановок. Устройства монтировались в импульсные трубы манометров, а контроль эффективности их работы производился визуально по показаниям приборов. На ТЭЦ-20 (г.
Москва) установка с СД в импульсные линии с рабочими давлениями от 2,3 до 8 МПа обеспечила снижение амплитуды пульсаций в 4-5 раз.
Представлены результаты внедрения СД в системы автоматики перекачивающей насосной станции магистрального трубопровода. СД двух вариантов (пневматический и с металлической упругой камерой эллиптического сечения) монтировались в импульсные линии контроля давления на входе в насосную станцию. Установка стабилизатора с металлической упругой камерой эллиптического поперечного сечения обеспечила снижение колебаний давления в импульсных линиях в 10 раз, а установка пневматического стабилизаторов давления снизила эти же колебания в 40 раз, что позволило полностью устранить ложные действия технологических защит, приводящих к регулярным отключениям насосной станции и всего магистрального нефтепровода.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 115 наименований. Основное содержание изложено на 129 страницах, содержит 22 рисунка и 6 таблиц.
Учет коррозионной агрессивности жидкости при определении допустимых динамических нагрузок
Значительная часть трубопроводных систем большой протяженности работает в условиях, когда транспортируемая по ним среда обладает коррозионной активностью. К ним, в первую очередь относится внутрипромысловые трубопроводные системы нефтегазодобывающих предприятий, магистральные нефте-газопроводы, канализационные коллекторы, пульпопроводы и т. д.
По действующим нормам в прочностных расчетах этих трубопроводов учитывается работа под статической нагрузкой при отсутствии коррозии, проектирование же защиты от почвенной коррозии ведут без учета механических напряжений и структурно чувствительных свойств стали. Однако в реальных условиях вышеназванные трубопроводы и их сварные узлы испытывают действия как статических, так и динамических нагрузок от колебаний давления, температуры и вибрации при одновременном действии коррозионной среды (внутренней и внешней), приводящих в совокупности к коррозионной усталости металла. Раздельный подход к механике и коррозии игнорирует хорошо известный факт, что совместное действие коррозии и переменных механических напряжений неизбежно вызывает механохимические явления, отсутствующие при коррозии ненапряженного металла или при механическом нагружении без воздействия коррозионной среды: значительное увеличение скорости коррозии напряженного и деформированного металла по сравнению с ненапряженным (механохимическая коррозия) и потеря металлом сопротивляемости нагрузкам, намного меньшим стандартных предела прочности или предела усталости.
Влияние напряжений на коррозию многократно усиливается в местах резких изменений геометрической формы поверхности, являющихся концентраторами напряжения (сварные швы, поверхностные дефекты, царапины, задиры и т.п.), что вызывает неравномерность коррозии и ее локализацию. В результате этого возникает коррозионная усталость металла, характеризующаяся развитием коррозионного процесса в вершине коррозионно-механической трещины, приводящей к разрушению. Факты, приведенные в некоторых работах подтверждают коррозионно-усталостную природу возникновения трещин при разрушениях на ряде нефтепроводов.
Для определения скорости коррозии на практике используются испытания на образцах-свидетелях, установленных в действующие трубопроводы. Однако, получаемые при таких испытаниях результаты, не учитывают влияния напряженного состояния, возникающего в стенках, на скорость коррозии.
Изменение скорости коррозии под действием механических напряжений можно определить, используя зависимость: Из уравнения (1.14) видно, что с увеличением величины 5q повышается скорость коррозии. Таким образом, в зонах концентрации напряжений металл будет корродировать быстрее. Переменный характер действующей на трубопровод нагрузки и другие факторы могут привести к образованию микротрещин в материале стенок. На концах микротрещин напряжения будут близки к разрушающим, поэтому с течением времени размеры микротрещин будут увеличиваться, расширяя зону коррозии. При этом, максимальная скорость коррозии будет на тех участках, на которых напряжения будут близки к прочности материала 5вр. Исходя из этого, наибольшее изменение скорости коррозии можно определить из формулы: Расчеты по формуле (1.15) показывают, что для трубопроводов из низкоуглеродистой стали с 6"вр=550 МПа величина (3=4,86, т.е. скорость коррозии увеличивается почти в 5 раз. Этот результат согласуется с результатами натурных наблюдений. Если исключить различные дефекты, наиболее уязвимым звеном трубопроводов является зона сварного соединения. В работе [27] приведены результаты испытаний по симметричному циклу при чистом изгибе образцов из стали 17 ГС, иллюстрирующие влияние внутреннего и наружного шва на долговечность соединений по сравнению с долговечностью металла трубы. Также в работе [27] показано, что долговечность образцов со сварными швами в четыре с лишним раза меньше образцов без сварных швов, а коррозионно активная среда (3 % хлорид натрия, имитирующий пластовые воды) во всех случаях снижает долговечность более чем на 30 %. И хотя эти эксперементальные данные не полностью подтверждают результаты оценок увеличения скорости коррозии, приведенных выше - это стоит отнести к временному фактору, а именно к тому, что испытания на усталость образцов вырезанных из трубопровода проводились в течение короткого промежутка времени с частотой нагружения чистым изгибом 50 циклов в минуту [27]. Учитывая, что большинство трубопроводов работает при рабочих давлениях, вызывающих напряжения в материале трубы до 0,4-0,5 от предела текучести-5т, реальное уменьшение срока службы трубопровода при воздействии переменных нагрузок можно оценить в восемь-десять раз, т.е. при расчетном сроке эксплуатации 30-40 лет, реальный срок жизни трубопровода до разрыва не превысит 5-6 лет. Для реальной оценки допустимой составляющей от динамической нагрузки на трубопровод можно использовать результаты исследований приведенные в работе [27]. Элементы трубопроводов перекачивающих станций, наряду с указанными нагружением, испытывают воздействие высокочастотной составляющей переменных составляющих относительно малой амплитуды. Амплитуда составляет 3-6 МПа при частотах 37-39 Гц на газоперекачивающих станциях и 4-7 МПа при частотах 280-350 Гц на нефтеперекачивающих станциях.
Современные устройства гашения колебаний давления и расхода в системах водо-теплоснабжения
При эксплуатации в трубопроводах водо-теплоснабжения неизбежно возникает проблема борьбы с интенсивными пульсациями давления и расхода среды, и вибрациями трубопроводов. Первые могут приводить к частичной разгерметизации уплотнений, что особенно опасно для компрессоров и насосов, транспортирующих легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и токсичные жидкости и газы.
Вторые к интенсивным динамическим нагрузкам, вызванным повышенным уровнем вибрации трубопроводов, что приводит к возникновению усталостных явлений, возникновению трещин, разгерметизации стыков и порывам трубопроводов с утечками затворной жидкости (масла). При этом велика вероятность возникновения тяжелых аварий из-за пожаров в компрессорных цехах с широкомасштабными загрязнениями окружающей среды и большими экономическими потерями. Так, например, в 1996 г. из-за разрыва подводящего маслопровода гидросистемы торцового уплотнения, вследствие высоких уровней вибраций, возник пожар в одном из компрессорных цехов НАК «Азот». Оборудование цеха было почти полностью уничтожено, окружающей среде нанесен серьезный ущерб, а экономические потери превысили 50 млрд. руб. в ценах 1996 г.
Различают две причины возникновения вибрации трубопроводов: первая - колебания насосного агрегата и его фундамента, которые передаются на примыкающие участки трубопроводов; вторая - пульсирующий поток жидкости или газа в трубопроводе. Вибрации, вызванные колебаниями насосного агрегата, как правило, быстро затихают по мере удаления от него и при установке дополнительных креплений. Вибрации из-за пульсаций давления жидкости распространяются на все трубопроводы системы и могут значительно усиливаться в местах резких поворотов трубопроводов, изменения поперечного сечения трубопровода либо при наличии местного гидросопротивления.
Поэтому самым эффективным способом их гашения является уменьшение амплитуды колебаний давления в системе сразу же за источником их возникновения - насосным агрегатом. Существующие средства гашения колебаний давления и расхода в трубопроводных системах Для уменьшения колебаний давления широко используются так называемые аккумуляторы и дезургеры (Desurger). В дальнейшем их будем называть стабилизаторами. Аккумуляторы представляют собой стальной баллон высокого давления, внутри которого установлен мешок из эластомера. Мешок через клапан наполняется газом (обычно азотом) под давлением. Нижняя часть баллона при работе заполняется рабочей жидкостью (маслом). Клапан предохраняет мешок от разрыва при падении давления в системе и полном вытеснении масла из баллона. Мешки изготовляются негофрированными и гофрированными. Аккумуляторы изготавливают фирмы «Сгеег» (США), «Nippon Accumulator Со, Ltd» (Япония) и др. на давление до 42 МПа, объем баллона 1 - 300 л. Аккумуляторы с малым объемом используют в качестве гасителей пульсации давлений на всасывании и нагнетании плунжерных насосов. Эти аккумуляторы изготовляют горизонтальными и вертикальными. Конструктивно они не отличаются от аккумуляторов большой емкости, описанных выше. Мешки изготовляют из синтетической резины или маслобензостойких материалов. Рабочая температура от 10 до 70 С. Давление зарядки газом (сухим азотом) и требуемый объем зависят от назначения аккумулятора. Если аккумулятор предназначен для аварийного маслоснабжения в случае аварийной остановки насосов или в период переключения с основного маслонасоса на резервный, то давление зарядки должно быть равно р, =(0,8-f0,9)p2, а для гашения скачков давления (гидравлического удара) и пульсаций - р, = (0,6-г0,7)р2 (р2 - минимальное рабочее давление в гидросистеме).
Эффективность стабилизаторов давления при периодическом изменении давления и расхода
В трубопроводных системах волновые процессы возникают, как правило, на переходных режимах работы и при срабатывании различного рода клапанов, запорной арматуры и т.д. Эти процессы приводят к значительным вибрациям, вызывающим разрушение трубопроводов. В некоторых случаях интенсивные волновые процессы могут происходить в трубопроводной системе и при стационарных режимах работы. Это характерно, например, для трубопроводов, по которым транспортируются многофазные среды (газожидкостные). При этом в процессе перекачки может возникать так называемый «снарядный режим», когда в потоке чередуются участки, заполненные газом и жидкостью. Снарядный режим сопровождается мощными пульсациями давления, приводящими к значительным вибрациям, а иногда и к разрушению трубопровода. Подобные режимы работы характерны для некоторых газовых и нефтяных месторождений, а также для линий конденсата систем пароснабжения предприятий. Таким образом, задача разработки СД для магистралей тепло-водоснабжения и экспериментального исследования их эффективности является весьма актуальной. Разработка экспериментального стенда для исследования СД в таких магистралях позволяет провести проверку ряда конструктивных решений по СД, определить рациональные проектные характеристики и эффективность их работы.
С этой целью был сконструирован и изготовлен универсальный экспериментальный стенд, разработан и изготовлен опытный образец СД, отработаны методика и аппаратура для проведения экспериментальных исследований. Проведены исследования динамики потока высоких параметров со СД и без него.
Для исследования эффективности работы и оптимизации параметров СД в трубопроводах был создан универсальный экспериментальный исследовательский комплекс, состоящий из системы подвода и поддержания заданного расхода рабочей среды, включая аппаратуру управления и контроля; рабочего участка, позволяющего исследовать стабилизаторы различных конструкций; устройства создания пульсаций давления заданной частоты, включая аппаратуру управления и контроля; систему измерения давления, как со стабилизатором, так и без него.
С целью повышения безопасности экспериментов было принято решение отказаться от использования взрывоопасных рабочих сред, поэтому использовался перегретый пар давлением до 10 МПа.
Рабочая среда поступала в экспериментальный стенд (рис. 4.1) через вентиль высокого давления, расход определялся при помощи сужающего устройства (дифференциального манометра с электрическим выходом и вторичного прибора). Давление в системе контролировалось при помощи образцовых манометров, температура пара-хромель-копелевой термопарой и вторичным прибором.
Рабочий участок представляет собой съемную секцию трубы из нержавеющей стали, которая по мере надобности заменяется СД. Для исследования эффективности работы был сконструирован и изготовлен СД, схема которого представлена на рис. 4.2. Он состоит из герметичного цилиндрического корпуса с фланцами (внутренний диаметр корпуса равен 78 мм, а толщина стенки 10 мм), в котором находится центральная перфорированная цилиндрическая вставка с внутренним диаметром 12 мм и толщиной стенки 2 мм. Между корпусом стабилизатора и центральной вставкой расположены две перфорированные обечайки с внутренними диаметрами 35 и 55 мм.
Диаметр отверстий перфорации на центральной цилиндрической вставке и обеих обечайках равен 1 мм, при этом перфорационные отверстия располагались поясами, по 4 отверстия в каждом поясе. Как на центральной цилиндрической вставке, так и на обеих обечайках выполнено по 3 пояса перфорированных отверстий, каждый пояс при этом смещен относительно друг друга на 10 мм так, чтобы оси отверстий на соседних цилиндрических вставках не располагались на одном радиусе. Длина СД 400 мм.
Суммарная площадь отверстий перфорации на каждой из трех цилиндрических вставок составляет 33 % от площади проходного сечения подводящего трубопровода.
Работает СД следующим образом. При возникновении неустойчивых режимов течения пароводяной (паровоздушной, парогазовой и тому подобных рабочих сред) смеси гашение колебаний давления (расхода) в стабилизаторе происходит за счет многократной диссипации энергии колебаний на распределенной перфорации цилиндрических обечаек, а также за счет многократного отражения вторичных волн от стоянок цилиндров в коаксиальных зазорах СД.
Пульсации давления создавались пульсатором высокого давления с ручным электромагнитным приводом. Принцип действия пульсатора основывался на сбрасывании части расхода пара в атмосферу. Пульсации давления измерялись при помощи пьезоэлектрических датчиков давления, охлаждаемых водой.
Датчики через специальный штуцер соединялись с рабочим участком и устанавливались до и после СД. Сигналы с датчиков давления усиливались усилителем фирмы «Брюл и Къер» и записывались на магнитограф марки 7005 той же фирмы. В дальнейшем записанные сигналы обрабатывались на двухканальном анализаторе спектра.
Экспериментальное исследование стабилизаторов давления для трубопроводов тепло-водоснабжения
Исследования пульсаций давления на стенде с рабочим участком диаметром 12 мм были выполнены в следующем диапазоне изменения параметров: давления: Р=5,0; 6,0; 7,0 МПа; температуры: Т=350-430 С; скорости: V = 75; 69; 54 м/с.
Пульсации давления представляют собой совокупность турбулентных пульсаций, формируемых потоком пара при движении в рабочем участке с наложением на них пульсаций, создаваемых быстродействующим клапаном. Клапан вызывает колебания давления в трубопроводе путем выброса некоторой небольшой порции пара в атмосферу. Максимальная амплитуда пульсаций равнялась 0,2 МПа.
Пульсации давления регистрируются при помощи пъезодатчиков давления, установленных на входе и выходе из рабочего участка. Рабочий участок представляет собой съемную секцию трубопровода диаметром 12 мм, которую в процессе исследований заменяют на СД.
Анализ пульсаций давления, зарегистрированных на магнитографе, показал, что наличие или отсутствие СД в трубопроводе не сказывается на амплитуде пульсаций давления, измеряемых датчиком давления на входе в рабочий участок.
Затухание пульсаций давления между датчиками при установке в рабочий участок гладкой трубы было незначительным. Установка СД в рабочий участок приводила к уменьшению амплитуды пульсаций давления на всех режимах.
Однако это уменьшение существенно зависит от давления и скорости движения пара в трубопроводе.
Обработка результатов измерения пульсаций давления на узкополосном анализаторе спектра позволила установить информационный диапазон частот. Этот диапазон ограничивался частотами 0...3200 Гц. И расширение диапазона сверх указанных частот не приводило, в пределах заданной точности, к возрастанию суммарной мощности спектра пульсаций давления. Информационный диапазон для пульсаций давления в гладкой трубе был в пределах 0...2000 Гц. Установка СД несколько расширяла информационный диапазон частот, однако суммарная мощность спектра при этом падала. Это свидетельствует о том, что СД осуществлял перераспределение энергии по частотам: уменьшая энергию низкочастотной части спектра он несколько увеличивал энергию высокочастотной.
Как уже было сказано, уменьшение амплитуды пульсаций давления в трубопроводе при наличии СД зависело от давления и скорости движения пара в этом трубопроводе, причем как уменьшение давления, так и уменьшение скорости движения пара в рабочем участке способствовало увеличению коэффициента затухания амплитуды пульсаций давления.
Максимальное значение этого коэффициента достигалось при Р= 5,0 МПа и V = 54 м/с и равнялось 7,58, уменьшение же суммарной мощности спектра равнялось 5,28.
Таким образом, настоящее исследование показало, что применение стабилизатора данной конструкции позволяет уменьшить амплитуду пульсаций давления, однако это уменьшение зависит от режимных параметров потока. Кроме того, необходимы исследования влияния на коэффициент уменьшения амплитуды пульсаций: диаметра перфораций, суммарной площади распределенной перфорации, зазора между слоями перфораций и числа этих слоев.
На первом этапе работ было проведено техническое обследование тепловых сетей с разработкой рекомендаций по их оборудованию СД для гашения пульсаций давления и гидроударов, возникающих в процессе эксплуатации. Основные проектные данные: - объем воды в трубопроводах - 9000 м3; - температура воды на обратном сетевом трубопроводе не более 75С; - температура воды на прямом сетевом трубопроводе у ЦТП - 130С; - общее количество сетевых насосов типа СН 600-90 - 5 шт.; - количество одновременно работающих насосов - 4 шт.; - давление в обратном сетевом трубопроводе - 0,35 МПа; - давление в прямом сетевом трубопроводе - до 0,8 МПа. Распределение горячей воды индивидуальным потребителям осуществляется в основном через ЦТП. Общее количество ЦТП - 18 шт., в том числе 5 ЦТП в 9-ом микрорайоне, 2 ЦТП в 10-ом микрорайоне, 4 ЦТП в 11-ом микрорайоне, 2 ЦТП в 12-ом микрорайоне, 2 ЦТП в 13-ом микрорайоне, 2 ЦТП 232 квартала и 1 ЦТП в микрорайоне 12. Пульсации давления и гидроудары в теплосети могут возникать при аварийном отключении сетевых насосов, при переключении с насоса на насос, а также при быстром закрытии или открытии запорной арматуры на трубопроводах у отдельных потребителей. Во всех перечисленных случаях волна повышенного давления распространяется, постепенно затухая, по всей сети и может приводить к порывам трубопроводов и к разрушению радиаторов отопления у потребителей в непосредственной близости от источника возникновения гидроудара. При этом, как показывает практика эксплуатации гидросистем различного назначения, до 70 % аварий с гидроударами происходит вследствие ошибочных действий обслуживающего и ремонтного персонала. Результаты расчетов максимального повышения давления в обратном сетевом трубопроводе при аварийном отключении одного, двух, трех и четырех сетевых насосов приведены в таблице 4.1.
