Публикации

Принцип разделения функций в конструкциях износостойких элементов трубопроводов

25.05.2016

Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2007, №5, с.36-39

Карелин И.Н., д.т.н., профессор, e-mail: KARELIN-IN@MAIL.RU, Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина" 

Большинство существующих трубопроводных обвязок технологического оборудования в целом ряде отраслей промышленности в целях управления потоками протекающих по ним рабочих сред оснащены соответствующими элементами: запорными и регулирующими устройствами, а также фитингами различных условных проходов. Для мелкоразмерных (Ду не более 300 мм) элементов трубопроводов характерны повышенные скорости движения потоков. Поэтому содержание в них по тем или иным, часто неустранимым причинам твердых измельченных компонентов приводит к существенному сокращению фактического срока службы данных элементов трубопроводов по причине изнашивания. 

В частности, современное оборудование газонефтяной отрасли промышленности комплектуется стальными элементами трубопроводов, назначенный срок службы которых исчисляется годами или даже десятилетиями. В соответствии с последними требованиями ОАО "Газпром" к данному виду изделий срок службы должен составлять не менее 30 лет (пожелания имеются уже и на 40 лет). Однако в газонефтяной отрасли существуют такие виды оборудования, где практически неизбежно присутствие механических примесей в рабочих средах в значительно больших концентрациях по сравнению с допустимыми. 

Несмотря на существующие химические, физико-химические, механические и комбинированные методы борьбы с выносом песка из скважин до настоящего времени достаточно эффективного решения данной проблемы не найдено. Присутствие в рабочих (газ, газоконденсат, нефть) и технологических (буровых и промывочных растворах) средах продуктов газонефтеносного пласта усугубляется наличием других механических примесей (продукты коррозии и эрозии, минеральные пыли, содержимое различного рода фильтров, сварочный шлам и т.п.), что приводит к необходимости использовать различные системы очистки на производственных объектах добычи, транспорта, хранения и переработки указанных флюидов. 

Трубопроводные обвязки такого рода систем в газовой промышленности комплектуются преимущественно мелкоразмерными элементами высокого условного давления (Ру≥6,4 МПа). Прежде всего, к ним относятся: клиновые, шиберные и поворотные задвижки, шаровые краны и клапаны, многоходовые краны, регулирующие проходные клапаны, нерегулируемые и регулируемые штуцеры, крутоизогнутые отводы трубопроводов. Максимальные поверхностные и глубинные повреждения и разрушения данных изделий (рис.1) локализуются в зонах изменения направления движения или защемления агрессивного потока рабочей среды. Причиной разрушений всех рассматриваемых изделий является абразивная эрозия ускоренным потоком рабочей среды, содержащей механические примеси. Поэтому их фактический срок службы определяется часами, а в лучшем случае – сутками. 


Открыть в полном размере>>>

Рис.1. Виды повреждений абразивосодержащим потоком мелкоразмерных элементов газонефтяных трубопроводов (запорные 1-5 и регулирующие 6-13 устройства, крутоизогнутый отвод 14), приводящие к функциональным отказам оборудования. 

Наиболее распространенными средствами защиты рабочих органов данных изделий, технологически реализуемыми на заводах-изготовителях, являются:

  • наплавка (например, плазменная наплавка самофлюсующимися никель-хромовыми сплавами типа ПР-НХ16СР3, твердыми сплавами типа ВК-8 или стеллитами клинкетов и шиберов задвижек);
  • химико-термическая обработка (например, азотирование или нитроцементация шиберов задвижек);
  • электрохимические покрытия (например, твердое хромирование шаровых пробок кранов).

Непосредственность принципа "где изнашивается, там и надо упрочнять" к сколько-нибудь заметному увеличению долговечности подобных изделий так и не привела. Вместе с тем достаточно давно известна необходимость учета гидрогазодинамической специфики трубопроводных устройств. 

Отказы запорной трубопроводной арматуры подземных хранилищ природного газа или компрессорных станций газовой промышленности явились объектом систематических исследований и основой приложения методологии системного подхода к решению данной проблемы. В предметной области трубопроводных устройств было предложено выделить системное образование под названием "система абразивной эрозии элемента трубопровода". Последняя представляла собой не известную ранее совокупность абразивосодержащего потока и материала преграды, а взаимодействующие поток и функционирующее трубопроводное устройство. 

В таком представлении традиционный для методологии системного подхода анализ функций элементов системы позволил на примере классического запорного устройства (задвижки) констатировать не две, как обычно, функции изделия: 1 – перекрытие прохода потока по трубопроводу; 2 – открытие прохода потока по трубопроводу. Выяснилось, что функций у этой подсистемы три: 1- блокирование потока в трубопроводе, т.е. уменьшение расхода потока рабочей среды до достижимого (регламентированного) минимума; 2 – обеспечение требуемой нормативными документами герметичности перекрытого прохода потока; 3 – открытие прохода потока по трубопроводу. Последующее установление связи выделенных функций со свойствами взаимодействующих подсистем позволило вскрыть закономерность процесса повреждения трубопроводного устройства абразивосодержащим потоком в зависимости от его конструктивного исполнения. В результате был сформулирован частный принцип разделения функций, гласящий: поверхности, выполняющие функцию блокирования потока в конструкции изделия не должны участвовать в герметизации затвора. Уже в таком виде принцип оказался конструктивным средством продления фактического ресурса запорных трубопроводных устройств для потоков с механическими примесями. 

В определенном смысле этот принцип представляется научно-технической модификацией исторически известного политического принципа "разделяй и властвуй". Причем, не касаясь морального аспекта, прагматическая составляющая последнего достаточно эффективна. В более поздней обобщенной интерпретации принцип разделения функций элементов трубопроводов абразивосодержащих сред формулируется следующим образом: в конструкции изделия детали или их поверхности, выполняющие основную или непосредственно связанную с ней функцию, не должны выполнять функции защиты от абразивной эрозии, которая должна быть возложена на другие детали или поверхности

Данная закономерность позволила модернизировать целый ряд газонефтяных запорных трубопроводных устройств на уровне оригинальных технических решений с применением нетрадиционных для арматуростроения неметаллических материалов в конструкциях мелкоразмерных клиновых, шиберных и поворотных задвижек, шаровых кранов и клапанов (патенты Российской Федерации №№ 2002151, 2005240, 2084734, 2161744, 2059907, 2094682, 2076797, 2165555, 2206006, 0041824). При этом эффективность модернизации оценивается кратным увеличением фактического ресурса изделий, а в денежном выражении суммой более 10 млн. долл. в год. В целях освоения промышленного производства модернизированных конструкций запорных устройств в настоящее время под руководством автора данной статьи проводятся исследования по отработке технологии изготовления композит-конструкций функциональных деталей с учетом переменности их прочностных и трибологических характеристик. 

Выявленная закономерность в исследуемой зависимости износостойкости запорных трубопроводных устройств от принципа их действия оказалась достаточно эффективной и в конструкциях регулирующих устройств (патенты Российской Федерации №№ 2080507, 2115948, 25229). Универсальность данной закономерности подтверждается конструктивной реализацией в простейшем элементе трубопровода – крутоизогнутом отводе (патент Российской Федерации № 2118737), основания прогнозируемого повышения долговечности которого представляются следующими. 

В серийной конструкции стенка отвода трубопровода выполняет как основную функцию обеспечения необходимой прочности при рабочем давлении протекающей среды, так и вспомогательную, т.е. защиту от абразивной эрозии в области наибольшего радиуса закругления. Известное образование дополнительных завихрений потока в зоне угловой оси симметрии гладкого поворотного участка трубопровода в реальном крутоизогнутом отводе усугубляется низким качеством внутренней поверхности проходного отверстия. В условиях абразивосодержащих рабочих сред эти явления приводят к функциональному отказу крутоизогнутых отводов вследствие образования свища в указанном опасном сечении. 

Согласно принципу разделения функций для выполнения функции защиты стенки отвода от абразивной эрозии в конструкцию отвода введена дополнительная деталь. В проходном отверстии отвода размещена стальная лопатка, спрофилированная по винтовой линии. Установлена лопатка симметрично относительно половины угла изменения направления потока в колене, что обеспечит эффективную работу колена и в случае противоположного направления движения рабочего потока. Защитная функция такой лопатки представлялась комплексной, поскольку должна была служить не только для отбоя абразивных частиц, но и для направленного воздействия на газодинамическую ситуацию вблизи изнашиваемой поверхности. Профилирование лопатки по винтовой линии имело целью устранить сосредоточенное завихрение потока частиц в опасной зоне отвода, т.е. обеспечить рассеяние частиц по внутренней поверхности стенки отвода. 

Оценка предположения осуществлялась на специально разработанной математической модели модернизированного колена. Плоская винтовая лопатка представляет собой пластину, изгибаемую в каждом сечении ti относительно оси отвода радиуса r, т.е. каждое сечение лопатки есть отрезок прямой длиной b , повернутый в пределах внутреннего диаметра трубы соответствующего сечения относительно центра этой окружности на соответствующий угол (рис.2,а). 


Открыть в полном размере>>>

Рис.2. Векторное представление геометрических параметров лопатки модернизированного крутоизогнутого отвода трубопровода: а) в пределах угла поворота потока рабочей среды; б) в пределах внутреннего диаметра трубы. 

Для угла поворота потока уравнение радиуса a2 = x2 + y2  в векторном выражении записывается:      

Вектор касательной в сторону роста t записывается как:


откуда соответствующий единичный вектор:

Учитывая ½ r½= a, длина дуги оси поворота потока S= a t. Тогда


откуда единичный вектор этой нормали запишется как


Единичный вектор бинормали выражается векторным произведением

  

Для описания поворота прямолинейной образующей поверхности винтовой лопатки внутри окружности проходного отверстия трубы (рис.2,б) введем параметр -1 £ u £ 1, определяющий любую точку образующей:

т.е.

                                 r1 = ( b cos w t) n + ( b sin w t) b  .                            (8)

 

Отсюда

                                 r = (u b cos w t) n + (u b sin w t) b  .                          (9)

 

Результирующий радиус-вектор R лопатки:

Значения w определяются из граничных условий:

При закрутке лопатки на p имеем: u b sin (wp/2 ) =0; wp/2 = p; w=2 и


При равномерном изменении угла закрутки лопатки W по мере изменения текущего угла поворота потока ti (т.е. при w = const) значения w определяются из выражения 

                                                                w = W/t.                                      (14) 

 


Открыть в полном размере>>>

Рис.3. Оптимальный вариант исполнения лопатки.

Для проектирования модернизированного отвода с плоской лопаткой, спрофилированной по винтовой линии, были определены следующие критерии:

  • симметричность, т.е. при перестановке входа в отвод на выход характер взаимодействия потока с лопаткой до ti = p/4 не должен изменяться;
  • местное гидравлическое сопротивление отвода с лопаткой, обусловленное трением потока о поверхность лопатки, должно быть минимальным;
  • конструкция модернизированного отвода должна быть технологичной;
  • эффект защиты опасного сечения отвода должен быть максимальным при минимальном повреждении лопатки.

Исследования показали, что оптимальным по указанным выше критериям является модернизированный отвод с плоской лопаткой, спрофилированный по винтовой линии, имеющей параметры W = p, (w t)in = 0, схема которой приведена на рис.3, где (w t)in; (wt)out - углы поворота образующей лопатки во входном и выходном сечениях отвода, соответственно. 

Для отвода t=p/2, w=2 и Dу= 89 10-3 м с расчетными параметрами a = 185 10-3 м и b=28 10-3 м, оснащенного лопаткой данного профиля, представляющей собой разомкнутый лист Мёбиуса, в координатах XYZ по формуле (13) в масштабе построены значения годографов радиус-вектора R (t,u) при крайних значениях параметра u , т.е. R (t,-1) и R (t,+1) (рис.4; табл. 1).

Рис.4. Графическое изображение годографов радиус-вектора R (t,u) при  крайних значениях параметра u. 

 

Таблица 1

Расчетные координаты точек поверхности лопатки


Значение ti

Координаты точек


X1

Y1

Z1

X2

Y2

Z2

0

157

0

0

213

0

0

153

63

20

189

78

-20

131

131

28

131

131

-28

63

189

20

63

153

-20

0

213

0

0

157

0


 Годографы представляют собой пространственные изображения крайних линий лопатки вдоль оси отвода. При произвольных значениях параметра u в пределах -1 < u < +1 определяются координаты любой точки поверхности лопатки R (t,u). В общем случае траектория частицы, скользящей по поверхности лопатки, определяется трением ее о поверхность лопатки и изменением вектора скорости скольжения в зависимости от угла закрутки лопатки W. В первом приближении, задавая закон изменения центробежной составляющей вектора скорости скользящей частицы от угла закрутки лопатки Vл = f (w ti) в виде u=sin(w ti) произведен расчет траектории частицы, вошедшей контакт с поверхностью лопатки во входном сечении колена (ti=0) при u=0 и в промежуточном сечении (ti=p/6) при u=0 (табл.2). Результаты расчетов до u=-1 и построения показывают направление вектора скорости частицы Vч при срыве ее с кромки лопатки в сторону внутренней поверхности стенки отвода (см. рис.4). 

Таблица 2

Расчетные координаты траекторий скользящей по лопатке частицы


Траектория R(t,u) при ti =0 град и Dt=15 град.

Значения координат


X

Y

Z

R(0;0)

185

0

0

R(15;-0,5)

189,2

51,3

-7

R(30;-0,866)

160,6

92,7

-21

R(45;-1)

131

131

-28

Траектория R(t,u) при ti =30град. и Dt=15град.

 

X

 

Y

 

Z

R(30;0)

160

92,5

0

R(45;-0,5)

131

131

-14

R(60;-0,866)

86,4

149,7

-21

R(75;-1)

41,8

156

-14


 Поскольку трение частицы о поверхность лопатки является причиной снижения значения модуля вектора, но не изменения его направления, расчетные направления векторов срывающихся с лопатки частиц представляются достоверными. Факт снижения значения модуля вектора скорости представляется положительным, т.к. снижение скорости абразивных частиц является наиболее значимым фактором снижения их агрессивности в плане абразивной эрозии. 

Рассеяние направлений векторов скорости срывающихся с кромки лопатки частиц (на рис. 4 представлено рас-сеяние составляющих скорости скольжения частиц вдоль образующих поверхности лопатки Vл) свидетельствует об отсутствии концентрированного потока частиц (как в безлопаточном варианте исполнения колена) в направлении какой-либо зоны внутренней поверхности отвода. В совокупности с рассеянием частиц лопатка, как известно, положительно влияет на уменьшение гидравлического сопротивления за счет изменения газодинамической ситуации в проточной части и, в частности, в опасной зоне, т.е. за счет снижения завихрений в опасной зоне вследствие закрутки потока несущей фазы. 

Представленное теоретическое обоснование технического решения модернизированного отвода стального трубопровода, доказывает возможность конструктивной реализации рассмотренной закономерности в виде принципа разделения функций не только в конструкциях запорных трубопроводных устройств. В настоящее время разработана оригинальная технологическая оснастка для изготовления профилированной по винтовой линии лопатки, методом холодной гибки стальной ленты. Однако решающее слово – за практикой. Отработка данной конструкции отвода крутоизогнутого для укрепления "слабого звена" трубопроводных обвязок газонефтяного оборудования, а также промышленной технологии его изготовления в условиях ВУЗа не представляются осуществимыми и требуют участия соответствующего завода. 

Обсудить на форуме Armtorg >>>