Стабилизаторы давления: технология противоаварийной защиты трубопроводов и оборудования

В статье описана волновая технология, на основе которой разработаны стабилизаторы давления. Стабилизаторы обеспечивают безаварийную эксплуатацию оборудования и трубопроводных систем за счет гашения гидроударов, колебаний давления, вибраций и резонансных явлений, возникающих в трубопроводах.

Журнал «Сантехника. Водоснабжение и инженерные системы.», №1, 2020г.

Пульсации давления на рабочих частотах насосных агрегатов, вибрации, переходные процессы (переключения, включения, отключения насосов), гидроудары, неизбежно возникающие при эксплуатации гидросистем, усиливают механизмы их деградации, многократно ускоряют скорость внутренних коррозионных процессов, способствуют накоплению усталостных характеристик материала в местах концентрации напряжений (сварные швы, задиры и т. п.) и являются основным фоном возникновения аварийных ситуаций.
Возникновение и высокоскоростное распространение волн повышенного давления, в несколько раз превышающего рабочее давление, часто носит характер гидравлического удара. В результате возникновения гидравлического удара, как правило, происходят прорывы в наиболее ослабленных местах трубопроводной системы, которая вследствие износа неспособна выдержать динамические нагрузки ударного характера.
Причины возникновения гидроудара в трубопроводных системах следующие: прекращение энергоснабжения насосов, короткое замыкание или сбой в системах автоматики и контроля, аварийные остановы (или повторные пуски) насосных агрегатов, внезапное включение мощных потребителей, ложное срабатывание технологических защит, закрытие (открытие) быстродействующей запорно-регулирующей арматуры.
Более 70 % всех аварий и инцидентов происходит по причине гидродинамических процессов. Сложившееся положение связано с отсутствием в сетях надежных и высокоэффективных средств защиты от гидроударов и пульсаций давления, хотя их установка и предусмотрена нормативными документами: СП, РД, ПТЭ. Для борьбы с этим и негативными явлениями, как правило, используются такие технологии, как клапаны сброса рабочей среды, разрывные мембраны, системы частотного регулирования приводов насосных агрегатов и стабилизаторы давления.
Предохранительные клапаны сброса недостаточно надежны (имеется в виду наличие металлических движущихся элементов арматуры, подверженных влиянию процессов внутренней деградации трубопровода), обладают большим запаздыванием (быстродействие сбросного устройства – 0,5 сек. и более), что не позволяет препятствовать распространению гидроудара по трубопроводу, и требуют значительных по объему резервуаров для сброса рабочей среды, а также дополнительной инфраструктуры для обслуживания этих систем. К тому же сбросные клапаны настраиваются на давление, значительно превышающее рабочее давление гидросистемы, и поэтому не действуют при провалах давления и гидроударах по причине остановки и последующего пуска насосных агрегатов, и не гасят пульсации давления на рабочих частотах насосов. Максимально возможный диаметр проходного сечения предохранительных клапанов российского производства Ду = 300 мм, что затрудняет их использование в системе магистральных трубопроводов большого диаметра.
В случае с разрывными мембранными устройствами к вышеуказанным недостаткам добавляется необходимость замены мембраны после каждого срабатывания устройства, что делает его практически бесполезным в случае серии провалов или коротких замыканий в системе электропитания насосов. Также необходимо отметить, что резкий сброс значительных объемов транспортируемой среды сам по себе вызывает интенсивные волновые колебания, которые носят характер провалов давления, прямых и обратных гидроударов. На наш взгляд, использование подобных устройств наиболее целесообразно в тех местах системы, где основным фактором повышения давления сверх допустимого являются перепады высот по трассе (геодезические отметки), а скорость увеличения давления соизмерима со скоростью срабатывания данных устройств и не носит характер гидроудара.
Использование частотного регулирования при пуске и останове насосных агрегатов позволяет уменьшить колебания давления на переходных режимах, но не спасает от постоянно действующих пульсаций давления на насосной частоте и гидравлических ударов при аварийных отключениях электропитания насосных групп. Основное предназначение частотно-регулируемого привода электродвигателей – контроль и гибкое изменение производительности насосов в зависимости от графиков потребления, и, как следствие, экономия электроэнергии, и требуемая степень автоматизации процессов управления технологическими параметрами.
Использование стабилизаторов давления в качестве средств противоаварийной защиты обеспечивает полное гашение или снижение до безопасного уровня амплитуд гидроударов, колебаний давления и связанных с ними вибраций трубопроводов, при этом полностью устраняются аварийные ситуации с разрывами труб от внутрисистемных возмущений транспортируемой среды, а общая аварийность трубопроводов и оборудования снижается. Использование стабилизаторов давления в качестве средств противоаварийной защиты обеспечивает полное гашение или снижение до безопасного уровня амплитуд гидроударов, колебаний давления и связанных с ними вибраций трубопроводов.

Преимущества стабилизаторов давления:
- быстродействие (0,005 сек.);
- отсутствие потерь рабочей среды;
- энергонезависимость;
- экологичность;
- отсутствие дополнительного гидросопротивления;
- малые массогабаритные характеристики;
- способность компенсировать кратковременные провалы давления;
- отсутствие необходимости обслуживания в процессе эксплуатации;
- легкость монтажа.

Устройство и принцип действия стабилизатора давления
Действие стабилизаторов давления основано на распределенном по длине трубопровода диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на поток перекачиваемой среды.
Стабилизатор давления для жидких сред состоит из корпуса, имеющего перфорированный по длине и периметру участок трубопровода и демпфирующие камеры, гидравлические полости которых соединены посредством патрубков с корпусом.
Стабилизатор давления для жидких сред с твердыми включениями состоит из корпуса, имеющего сегментированный по длине участок трубопровода, и демпфирующих камер, состоящих из гидравлического демпфера и демпфирующего устройства.
Стабилизатор давления для жидких сред работает следующим образом. При возникновении в основном трубопроводе волновых процессов (гидроудары, вынужденные колебания давления и т. д.) происходит перетекание жидкости через отверстия перфорации центрального трубопровода в кольцевую предкамеру, образованную внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью центрального перфорированного трубопровода или наоборот, в результате чего изменяется давление в гидравлической полости демпфирующей камеры, что вызывает упругую деформацию упругодемпфирующего материала демпфирующей камеры, эластичной оболочки (эластомеры с заданными техническими характеристиками) и приводит к изменению объема жидкости в демпфирующей камере.
Такое последовательное взаимодействие жидкости с упругими элементами демпфирующих камер позволяет обеспечить высокую эффективность работы устройства за счет высокой податливости демпфирующих камер в динамическом режиме и диссипации энергии колебаний на отверстиях перфорации и демпфирующих элементах.
Стабилизатор давления для жидких сред с твердыми включениями работает следующим образом: при возникновении в основном трубопроводе волновых процессов (гидроудары, вынужденные колебания давления и т. д.) происходит перетекание жидкости через сегментное отверстие центрального трубопровода в предкамеру, образованную внутренней поверхностью корпуса демпфирующей камеры и внешней поверхностью центрального сегментированного трубопровода, или наоборот, в результате чего изменяется давление в гидравлическом демпфере камеры, что вызывает упругую деформацию упругодемпфирующего элемента демпфирующей камеры (с заданными техническими характеристиками) и приводит к изменению давления жидкости в гидравлическом демпфере, а энергия колебаний гасится в демпфирующей камере.
Такое последовательное взаимодействие жидкости с гидравлическими демпферами и упругими элементами демпфирующих камер позволяет обеспечить высокую эффективность работы устройства за счет высокой податливости демпфирующих элементов камер в динамическом режиме и диссипации энергии колебаний на отверстиях распределенной перфорации, что приводит к ее невосполнимым потерям, создавая условия, препятствующие дальнейшему волновому распространению, компенсируя провалы давления.
Стабилизаторы давления одинаково эффективны как в аварийном, так и в штатном режиме работы гидросистемы.

Область применения
Область применения стабилизаторов давления достаточно обширна – это трубопроводные системы диаметром от 10 до 1200 мм и рабочим давлением до 25 МПа в ЖКХ, электроэнергетике, нефтегазовой отрасли, металлургической и химической промышленности:

• в ЖКХ: в трубопроводных системах и насосно-перекачивающих станциях (НПС) холодного и горячего водоснабжения, теплоцентралях, отопительных котельных и центральных тепловых пунктах, на насосных станциях напорной канализации;

• в электроэнергетике: на магистральных трубопроводах и НПС, а также в трубопроводных системах пожарно-технического водоснабжения, системах маслопроводов гидростатического подъема роторов турбин и т. д. тепловых энергетических станций (ТЭЦ и ГРЭС), атомных станций (АЭС) и гидроэлектростанций (ГЭС);

• в нефтегазовой промышленности: во внутрипромысловых и технологических системах, НПС горячего и холодного водоснабжения, а также при транспортировке водо-нефтегазовых смесей от скважин до систем подготовки, кроме того, в системах поддержания пластового давления, системах транспортировки нефти от мест добычи до товарных парков, насосных станциях на нефтеперерабатывающих заводах, в нефтеналивных терминалах, на магистральных трубопроводах транспортировки нефти и газа;

• в других отраслях промышленности (металлургия, химия): в трубопроводных системах чистого цикла, технологического и пожарного водоснабжения, технологических трубопроводах, в том числе и для агрессивных и полуагрессивных сред с твердыми включениями.

Практические результаты эксплуатации
- Снижение аварийности трубопроводов и оборудования до 85 %.
- Увеличение коррозионно-усталостной долговечности трубопроводных систем.
- Продление срока эксплуатации даже сильно изношенных трубопроводных систем в 1,5–2 раза.
- Сокращение прямых и косвенных затрат на аварийно-восстановительные работы, связанных с экстренной заменой аварийных участков.
- Снижение эксплуатационных затрат трубопроводных систем.
- Обеспечение ремонтов трубопроводных систем в планово-предупредительном режиме.