Публикации

Теоретические основы технологии изготовления износостойкого крутоизогнутого отвода трубопровода

29.05.2016

Журнал "Трение и износ", 2016 г.

И.Н. Карелин, В.Д. Седых

Трубопроводные обвязки целого ряда видов газонефтяного оборудования укомплектованы стандартными преимущественно мелкоразмерными (диаметром условного прохода менее 300 мм) трубопроводными устройствами и элементами для управления потоками рабочих и технологических сред. Превышение нормативных концентраций агрессивных компонентов в них (в частности, механических примесей как естественного, например, песок, так и искусственного происхождения, например, гранулят химреагентов) особенно в условиях повышенных скоростей потоков, характерных для мелкоразмерных устройств высокого условного давления, приводит к резкому сокращению гарантированного заводом-изготовителем срока службы этих изделий, т.е. отказам изделий по причине их интенсивной абразивной эрозии. А это в свою очередь, как минимум, нарушает нормальный режим функционирования следующего по технологической цепочке значительно более сложного и дорогостоящего оборудования (например, компрессорного или насосного).

Для предотвращения подобных явлений в газонефтяной отрасли существуют разнообразные системы очистки природного газа на основе химических, физико-химических, механических и комбинированных методов борьбы с выносом песка из скважин до обеспечения регламентируемых корпоративными документами максимально допустимых в транспортируемом продукте концентраций мехпримесей (10 мг/нм3 для газа и 0,010% для нефти).

Вместе с тем оборудование от забоя скважины (даже при наличии призабойных фильтров) до системы очистки (подготовки) включительно работает в условиях повышенного содержания агрессивных компонентов в потоках продукции скважин. Косвенным подтверждением тому является, к примеру, принятая в газовой отрасли типовая программа и методика приемочных испытаний трубопроводных устройств на полигоне испытательной лаборатории ООО "Саратоворгдиагностика". Для моделирования реальных условий эксплуатации предусмотрено наличие в потоке испытательной среды механических примесей в виде песка, сварочного грата до 2 мм и кусков электродов до 20 мм диаметром 3 мм. Сварочный грат и куски электродов, как известно, характерны и для вновь сооружаемых и ремонтируемых участков трубопроводов.

Вышеуказанными факторами и обусловлена актуальность не только разработки более совершенных методов очистки добываемого газонефтяного сырья, но и повышения долговечности действующих (хотя бы в масштабах Единой системы газоснабжения России) и разрабатываемых трубопроводных устройств и элементов. Проблема отказов изделий, работающих в потоках загрязненных сред, преимущественно решается как применением стойких защитных материалов либо изменением газодинамической ситуации в окрестности изнашиваемой поверхности, так и совокупной реализацией данных методов.

Наиболее показательным примером недостаточной эксплуатационной стойкости являются в силу своей массовости стандартные детали для плавного изменения направления обвязочных трубопроводов оборудования систем очистки продукции скважин - отводы крутоизогнутые. Решение проблемы стойкости указанных, казалось бы, простейших изделий, явилось предметом уже нескольких изобретений [1-5]. Несмотря на это существующие технические решения рассматриваемой проблемы в серийном производстве данных изделий так и не нашли применения.

Рис. 1. Схема предпочтительного варианта изобретения [5].

Техническое решение, основанное на методе воздействия на газодинамическую ситуацию в колене стального трубопровода [5], специалистам службы качества одного из заводов-изготовителей крутоизогнутых отводов для газонефтяных трубопроводов представлялось в инновационном аспекте наиболее перспективным. Решающим аргументом в пользу изготовления опытного образца износостойкого отвода стала простота варианта конструкции стального крутоизогнутого отвода с углом 900 с размещенной внутри вдоль оси отвода лопаткой с плоской поверхностью, спрофилированной по винтовой линии с углом поворота 1800. Выбранная конструкция соответствовала одному из предпочтительных вариантов формулы изобретения, представленного в описании чертежом (рис. 1).

В технологической реализации изделие трудности не представляло. И для оценки эффективности этого изобретения опытный образец был отправлен на эксплуатационные испытания в одно из производственных подразделений ПАО "Газпром". Результат испытаний оказался отрицательным (рис. 2) и вся информация об испытаниях и изготовлении была направлена авторам изобретения, что и явилось предметом настоящего исследования.

Рис. 2. Виды испытанного отвода заводского исполнения

Опытный образец изделия был изготовлен на заводе из стандартного отвода 900  108×4 ГОСТ 17375-2001. Поскольку в описании изобретения [5] лопатка предлагалась из керамического материала на заводе она не была признана технологичной. В качестве заготовки приняли стальную полосу и лопатку изготовили в точном соответствии с вышеуказанным предпочтительным вариантом формулы изобретения (рис. 3, а) и графическим изображением в описании. Профилирование по винтовой линии с углом поворота 1800 было произведено путем холодной обмотки стальной полосы вокруг цилиндра (рис. 3, б). Для указанного отвода шаг винтовой линии составлял расстояние между центрами его торцов.

      

Рис. 3. Детали заводского опытного образца отвода: а – заготовки изделия; б – схема профилирования лопатки

Опытный отвод был установлен в дренажном трубопроводе обвязки блока сепараторов в режиме продувки на свечу на полном перепаде давления (~7,0 МПа). Рабочая среда: природный газ, жидкость (пластовая минерализованная вода), абразивные частицы (до 50% по объему). Опытный отвод эксплуатационниками был врезан в трубопровод без требуемого изобретением увеличения диаметра условного прохода, а значит, оценивалось влияние только лопатки.

Полученный результат испытаний (см. рис. 2) свидетельствует об отсутствии предполагаемого в описании влияния такой лопатки на снижение потерь энергии потока за счет ослабления известных [6] агрессивных отрывных явлений в зоне внутренней криволинейной поверхности центральной (большего радиуса) части отвода. Фактически эта лопатка образовала в этой зоне отвода укороченный цилиндрический стальной желоб (см. рис.3, б), расположенный с любого конца отвода под углом 450 к вектору скорости загрязненного потока рабочей среды. Другими словами, получилась дополнительная стальная цилиндрическая стенка, загораживающая опасную зону возникновения свища в безлопаточном отводе. А из теории абразивной эрозии конструкционных материалов определенно следует, что углы атаки воздействующего загрязненного потока в диапазоне 300-600 для стальных поверхностей соответствуют максимальной скорости изнашивания. Всё это говорит о некорректности формулы рассматриваемого изобретения [5] относительно геометрической формы лопатки и ее связи с выполняемой ею функцией. И не классической профилированной, обычно применяемой в аэродинамических трубах [6], а вышеозначенного варианта исполнения.

Правильная с точки зрения функции геометрия лопатки была сформулирована автором предпочтительного варианта формулы изобретения [5] в более поздней публикации [7], где указывалось, что лопатка имела вид разомкнутой ленты Мёбиуса. Собственно, в этом направлении и проведено настоящее теоретическое исследование, суть которого сводится к обоснованию технологии изготовления такой лопатки.

Аналитически такая криволинейная поверхность лопатки описывается следующим образом. В трехмерном пространстве с декартовыми координатами x, y, z (рис. 4, а) в горизонтальной плоскости z = 0 проведена окружность C радиуса R > 0 с центром в начале координат O. Часть L окружности C, состоящая из точек с неотрицательными координатами x, y, z, задается формулами

x = R cos t,  y = R sin t,  z = 0, O ≤ t ≤ π/2             (1)

Пусть П – вертикальная плоскость, проходящая через ось z и точку P дуги  L. Введем в плоскости П декартову систему координат u, z с началом в точке O, где ось u определяется вектором OP. В плоскости П проведем отрезок I длины 2r, где 0 < r < R, так, что:

  • точка P является серединой отрезка I;
  • если точка P лежит на оси x, то отрезок I лежит в плоскости z = 0;
  • при равномерном вращении точки P вокруг точки O по направлению от оси x к оси y отрезок I вращается вокруг точки P по направлению от оси z к оси u с вдвое большей угловой скоростью (на рис. 4, а изображены две кривые, которые заметаются концами отрезка I при его движении в пространстве).

Отрезок I, проходящий через точку P = (R cos t, R sin t, 0), задается формулами:

u = s cos t, z = - sin 2t,  - r ≤ s ≤ r.             (2)

Поэтому объединение S отрезков I по всем точкам P дуги L является параметризованной поверхностью

 x = (r + cos 2t) cos t, y = (r + s cos 2t) sin t, z = -s sin 2t,        (3)

0 ≤ t ≤  π/2 ,   -r ≤ s ≤ r.

Она и есть поверхность требуемого варианта исполнения лопатки.

Легко видеть, что поверхность S может быть задана неявно уравнением

2 xy (R - √ x2 + y2) - ( x2 - y2 ) z = 0,         (4)

Это уравнение задает в пространстве алгебраическую поверхность 6-й степени. Поскольку градиент функции

ƒ (x, y, z) = 2xy (R -√‾x2 + y2) - (x2 - y2) z =0   (5)

определен и не равен нулю во всех точках (x, y, z), не лежащих на оси z, то S – гладкая поверхность.

Гауссова кривизна поверхности S вычисляется по формуле

 K = - 4R2 / ((R + s cos 2t)2 + 4s2)2            (6)

Она отрицательна всюду, причем ее абсолютная величина отделена от нуля:

|K|  ≥   4R2 / ((R + r)2 + 4r2 )2        (7)

Поверхность S лежит внутри тора, образованного окружностями радиуса r, имеющими центр на окружности C и лежащими в вертикальных плоскостях, проходящих через ось z Часть F этого тора, состоящая из точек с неотрицательными координатами x, y, z,  задается формулами

x = (R + r cos φ) cos t,   y = (R + r cos φ) sin t,    z =  r sin φ,        (8)

0 ≤ t ≤  π/2,     0 ≤ φ ≤  2π.

Края

x = (R + r cos 2t) cos t,  y = (R + r cos 2t) sin t,   z =  ∓ r sin 2t,      (9)

0 ≤ t ≤  π/2,

поверхности S принадлежат поверхности T, т.е. лопатка S вписана в крутоизогнутый отвод F (рис. 4, б).

Рис.4. Теоретическое представление износостойкого отвода: а – расчетная модель лопатки; б – графическая интерпретация модели

Такую поверхность получить простым изгибанием, как это реализовано в заводском варианте исполнения (см. рис. 3), не представляется возможным, что подтверждается методами дифференциальной геометрии. Действительно, изгибанием гладкой поверхности называется такая ее деформация, при которой не меняются длины лежащих на поверхности кривых. Гауссова кривизна поверхности не меняется при изгибании. Гауссова кривизна плоскости (а также цилиндрической и конической поверхностей) равна нулю. Следовательно, поверхность отрицательной гауссовой кривизны не может быть получена изгибанием плоской стальной полосы.

На практике деталь, имеющая форму поверхности S, не может быть изготовлена из плоской пластины без существенного растяжения материала. Причем растяжение действительно должно быть значительным, поскольку абсолютная величина гауссовой кривизны поверхности S отделена от нуля, что хорошо видно из формулы (7).

Наличие данного обоснования существенно облегчает задачу выбора технологии изготовления лопатки. Такие распространенные технологические методы формообразования, как литье и штамповка, для данной стальной лопатки в экономическом отношении являются не самыми предпочтительными. В простейшем экономически выгодном технологическом варианте стальная полоса-заготовка может быть подвергнута требуемой сложной деформации только методом холодной или горячей прокатки. Создание специальной технологической оснастки позволит обеспечить одновременно деформационные процессы гибки и закрутки стальной полосы.

Безусловно, при конструировании крутоизогнутого отвода с лопаткой ее материальное исполнение связано со способом крепления ее в отводе. Для стальной лопатки с разного рода износостойкими покрытиями на рабочих поверхностях ее позиционирование в отводе и последующее крепление сомнений не вызывает. При ширине части лопатки внутри отвода менее его диаметра условного прохода входная и выходная кромки лопатки выполняются равной ширины с диаметром отвода и используются для крепления лопатки сваркой. Применение же современных высокопрочных эрозионно-коррозионностойких неметаллических материалов для изготовления лопатки (например, углепластиков) потребует от конструкторов и технологов более тщательной проработки как способа формообразования, так и технического решения ее крепления.

Лопатка такой геометрии в некотором приближении сравнима с известным в аэродинамике завихрителем аксиально-тангенциального типа [8], организующим, в частности, слабо закрученную струю. Для таких струй характерна неравномерность распределения аксиальной составляющей скорости, т.е. с максимумом на оси. Именно такая характеристика несущего потока наряду с эжектирующим эффектом и стабилизацией турбулентности и позволит обеспечить требуемое воздействие на газодинамическую ситуацию вблизи изнашиваемой поверхности отвода. Причем помимо стабилизации турбулентности несущего потока наличие частиц мехпримесей в потоке приводит к существенной диссипации турбулентности несущей фазы особенно в непосредственной близости от обтекаемой преграды [9]. За счет закрутки потока возможно снижение или даже устранение местных агрессивных отрывных явлений и парных вихрей в опасной зоне, известных в безлопаточном отводе [6].

Кроме того, скорости летящих в закрученном несущем потоке природного газа и скользящих по поверхности такой лопатки частиц механических примесей характеризуются тремя составляющими – радиальной, аксиальной и тангенциальной. А это является значимой причиной эффективного в данном случае нарушения их сосредоточенного воздействия на опасный участок внутренней поверхности отвода, т.е. рассеяния частиц по всей поверхности. При этом при отмеченных преимуществах исследованной поверхности лопатки прочие преимущества изобретения [5] должны быть сохранены.

Учитывая, что задача о движении турбулентного потока в крутоизогнутом отводе трубопровода до сих пор теоретически не решена [6], далее вступает в силу философский принцип "практика – критерий истины".

Обозначения

x, y, z – декартовы координаты трехмерного пространства; C – окружность радиуса R>0; L – часть окружности C; П – вертикальная плоскость, проходящая через ось z и точку P дуги L; u, z – декартова система координат в плоскости П; I – отрезок длины 2r в плоскости П; S – параметризованная поверхность; K – гауссова кривизна поверхности S; T – часть тора, внутри которого лежит поверхность S.

Литература

 

1. Алмаев Р.А., Прокопов О.И. Колено трубопровода для пневмотранспортных установок. – А.с. СССР №787310, 1980

2. Зарянкин А.Е., Жиргалова Т.Б., Осинцев В.В. Трубопровод. – А.с. СССР №879126, 1981

3. Сельницын М.Г., Лупин В.А., Камерлохер П.А. Износостойкое биметаллическое трубное колено. – А.с. SU 1492171 A1, 1989

4. Червяков И.Б., Левин С.М., Вышегородцева Г.И. и др. Отвод пневмотранспортного трубопровода. – А.с. SU 1562580 A1, 1990

5. Карелин И.Н., Галигузов В.И., Полищук И.Н. Колено стального трубопровода. – Патент RU №2118737 C1, 1996

6. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. – Л., "Машиностроение", Ленингр. отделение. – 1974

7. Карелин И.Н. Цель – экологическая безопасность элементов газонефтяных трубопроводов // Трубопроводная арматура и оборудование. – 2005, №3, 75–77

8. Аэродинамика закрученной струи. / Под ред. Р.Б. Ахмедова. – М.: Энергия. – 1977

9. Вараксин А.Ю. Турбулентные течения с твердыми частицами. – М.: Физматлит. – 2003

 

Обсудить на форуме Armtorg >>>