Неудовлетворительное техническое состояние трубопроводных систем и связанные с ним непрекращающиеся аварии и техногенные катастрофы на трубопроводах влекут за собой ряд негативных экологических и экономических последствий, представляющих серьезнейшую угрозу для государственного устройства и внутренней безопасности страны.
Согласно эксплуатационному опыту причинами разрыва трубопроводов являются:
60% – гидроудары, перепады давления и вибрации;
25% – коррозионные процессы;
15% – природные явления и форс-мажорные обстоятельства.
При аварийном обесточивании насосных групп, останавливаются насосные агрегаты, а гидросистемы испытывают сильные знакопеременные нагрузки (гидравлические удары), вызванные внезапной остановкой или изменением скорости потока. Гидравлические удары имеют высокие скорости (близкие к скорости звука в воде) распространения по гидросистеме и сопровождаются увеличением давления, которое зачастую значительно превосходит остаточные прочностные пределы изношенных труб. Поэтому происходит нарушение герметичности труб или порыв.
Сложившееся положение связано с отсутствием в продуктопроводах надежных и высокоэффективных средств защиты от гидроударов и пульсаций давления, хотя их установка и предусмотрена нормативными документами. Для борьбы с этими негативными явлениями, как правило, используются такие технологии как клапаны сброса рабочей среды, разрывные мембраны, а также гидрозатворы-периливы, системы частотного регулирования приводов насосных агрегатов. Анализ существующих конструкций демпфирующих устройств показывает, что описанным средствам присущ ряд недостатков: обеспечение снижения только собственных частот системы без требуемого уменьшения амплитуды колебаний давления.
Отмеченные обстоятельства обусловливают актуальность разработки принципиально новых вариантов конструкций устройств защиты трубопроводных систем. Наиболее перспективным направлением в области высокоэффективной защиты трубопроводных систем от волновых и вибрационных процессов является применение стабилизаторов давления, принцип работы которых основан на изменении параметров гидросистемы: податливости, позволяющей регулировать упругодемпфирующие эффекты; распределенной перфорации, обеспечивающей необходимые диссипативные свойства; а также геометрических параметров.
Опытно-экспериментальные образцы устройств испытаны в натурных условиях эксплуатации на пяти объектах тепловодоснабжения и имеется положительный опыт их эффективной эксплуатации на объектах в различных отраслях промышленности.
Принцип эффективности гашения волновых процессов в трубопроводных системах, оснащенных стабилизаторами давления, основан на распределенном по длине трубопровода диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на пульсирующий поток перекачиваемой среды. Наибольший эффект гашения достигается при диссипации энергии пульсации на перфорационных отверстиях, равномерно распределенных по длине стабилизатора, а также вследствие демпфирования, обусловленного податливостью упругих элементов стабилизатора, выполняемых в виде газовой подушки, камер и сильфонов со стенками из пружинистых и эластичных материалов. Стабилизатор давления 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 сжатие упруго-демпфирующих элементов (РТИ с заданными техническими характеристиками) и приводит к изменению объёма жидкости в демпфирующей камере. На рисунке показана конструкция стабилизатора давления.
Изменение давления в системе со стабилизатором описывается следующим дифференциальным уравнением:
При отсутствии стабилизатора:
На рисунке приведены результаты решения, то есть, как изменяется давление во времени с момента открытия клапана.
Из приведенных графиков видно, что установка стабилизатора позволила снизить колебания давления при стационарной работе насоса в 4,2 раза
Технология волновой стабилизации давления успешно применяется для противоаварийной защиты трубопроводов и оборудования более чем на 60-ти крупных предприятиях различных отраслей промышленности России, стран ближнего и дальнего зарубежья.
Накопленный практический опыт эксплуатации стабилизаторов давления (СД) свидетельствует о том, что затраты на внедрение полностью окупаются в течение нескольких месяцев с момента монтажа СД.