Опыт применения сильфонных компенсаторов на магистральных газопроводах

Актуальной проблемой при строительстве и эксплуатации магистральных газопроводов является вопрос продольной устойчивости. Впервые потеря продольной устойчивости серьезно отразилась на работоспособности магистрального газопровода Бухара-Урал (Ду 1000 мм).

В результате проведенных исследований были выработаны рекомендации, которые сводились к ограничению разницы температуры укладки, засыпки плетей и сварки замыкающих стыков, более качественному выполнению проектных решений, проведению работ по дополнительному защемлению трубопровода и т.п. Указанные рекомендации не дали желаемых результатов.

Потери продольной устойчивости продолжали наблюдаться на системе трубопроводов Средняя Азия-Центр Ду 1200, 1400, а затем в значительных масштабах на северных газопроводах.

Проблема обеспечения устойчивости подземных магистральных газопроводов связана с разработкой новых, нетрадиционных технических решений, способствующих компенсации линейных расширений трубопроводов и снижающих напряженно-деформированное состояние до безопасного уровня.

Одним из наиболее перспективных направлений является применение многослойных сильфонных компенсаторов, выгодно отличающихся от компенсаторов других типов (линзовых, сальниковых, складчатых, волнистых, лиро- и П-образных, резинометаллических и других): большей компенсирующей способностью при малой жесткости, оптимальными массогабаритными показателями, коррозионной стойкостью к другими.

Сильфонные компенсаторы более 40 лет широко используются в судостроительной, авиационной, химической, нефтяной и ряде других отраслей для восприятия статических и динамических перемещений трубопроводов и механизмов компенсации тепловых расширений трубопроводов, а также для снижения уровня вибрации, передаваемой по трубопроводам.

Многолетний опыт эксплуатации сильфонных компенсаторов в различных отраслях промышленности показал их эффективность и надежность.

Основным элементом сильфонного компенсатора является сильфон — многослойная гофрированная оболочка, способная воспринимать деформации растяжения-сжатия, сдвига и углового поворота (изгиба).

Сильфоны изготавливаются из многослойной трубы методом гидравлического формования в специальной оснастке. Многослойная труба представляет собой пакет однослойных цилиндрических обечаек, вставленных одна в другую. Обечайки, в свою очередь, изготавливаются из листовой или рулонной нержавеющей стали толщиной не более 0,5 мм, марки 05Х18Н10Т сваренной аргонно-дуговой сваркой в стык. Толщина многослойной трубы, а следовательно, и сильфона определяется многими Факторами — внутренним рабочим давлением, величиной рабочего хода, устойчивостью и т.д. Заданная геометрия гофров сильфонов достигается путем применения специальной гидроформовочной оснастки. Для дополнительного восприятия внутреннего давления рабочей среды, уменьшения жесткости сильфонов и снижения его толщины во впадинах гофров сильфонов предусмотрены армирующие кольца, которые остаются во впадинax гофров во время и после формования сильфонов.

Во время гидроформования сильфона возможно попадание воды между его слоями. Для удаления этой воды сильфоны просушиваются в электропечи в течение 3 ч при температуре 300-350 °С. Просушенный сильфон приваривается аргонно-дуговой сваркой к кольцам. Сварной шов подвергается радиографическому контролю. К кольцам, в свою очередь, привариваются присоединительные патрубки с разделкой под приварку к газопроводу. Все сварные швы сильфонного компенсатора подвергаются радиографическому контролю.

В связи с тем, что во время эксплуатации сильфонного компенсатора в составе газопровода возможно воздействие на газопровод и сильфонный компенсатор боковых сил (подвижка грунтов, ветровые нагрузки и т.д.), для предотвращения разрушения сильфонного компенсатора в его конструкции предусмотрен наружный защитный кожух. При этом толщинa кожуха (8 мм) выбрана с учетом равнопрочности сильфонного компенсатора и газопровода при воздействии боковых сил. Для этой цели служит упорное кольцо, ограничивающее перемещение сильфонов в радиальном направлении при действии боковых сил. Присоединительный патрубок имеет гладко обработанную наружную поверхность. По данной поверхности происходит скольжение уплотнительных прокладок, препятствующих попаданию влаги и грунта в полость между сильфоном и кожухом во время эксплуатации сильфонного компенсатора. Для установки этих уплотнительных прокладок служат цилиндр и кольцо, затягиваемое болтами.

Таким образом, с помощью цилиндра, колец и кожуха между кожухом и сильфоном создается замкнутая полость, куда в случае разгерметизации сильфона начинает поступать газ. Для своевременного обнаружения утечки газа в кольце предусмотрено отверстие для установки датчика течки газа, а в самом сильфоне во всех слоях, кроме внутреннего, просверлены отверстия диаметром 1,5-2 мм на цилиндрическом участке в районе приварки сильфона к кольцу.

В связи с тем, что в начале разрушения сильфона разрушается внутренний слой, а остальные слои остаются целыми еще какое-то время, газ под внутренним (разрушенным) слоем через отверстие попадает в замкнутую полость между кожухом и сильфоном, где на него реагирует датчик. Так как разрушение слоев происходит постепенно, начиная с внутреннего, спонтанного выхода из строя не происходит. Сильфонный компенсатор сохраняет работоспособность в течение 2-10 недель, достаточных для его замены на новый сильфонный компенсатор.

Для снижения аэродинамического сопротивления сильфонного компенсатора и уменьшения влияния скоростного напора потока рабочей среды и исключения механических повреждений гофров сильфона в конструкции сильфонного компенсатора предусмотрены внутренние направляющие патрубки.

Указанные сильфонные компенсаторы предпочтительно эксплуатировать с применением монтажного натяга (изменение длины сильфонного компенсатора в сторону противоположную его рабочему ходу), т.е. заранее подвергая его растяжению и увеличивая тем самым его компенсирующую способность на сжатие. Для этой цели в конструкции сильфонного компенсатора предусмотрено специальное приспособление, состоящее из шпильки, втулки, швеллера и гаек, которые после монтажа сильфонного компенсатора в газопровод удаляются.

Опыт эксплуатации сильфонного компенсатора в течение 30-40 лет позволяет сделать заключение о том, что при соблюдении требований нормативно-технической документации срок их эксплуатации исчисляется десятками лет. Вместе с тем, развитие судостроительной, авиационной и других отраслей промышленности ставит задачи создания новых конструкций сильфонных компенсаторов, воспринимающих различные виды длительных нагрузок в особо тяжелых условиях эксплуатации при повышенных давлениях, температурах и агрессивности сред.

До настоящего времени в системах магистральных газопроводов эксплуатируется около 3500 ГРС, обеспечение надежности и безопасной эксплуатации которых требует проведения коренной реконструкции их технологических газопроводов, к которым следует отнести, прежде всего, коммуникации узла редуцирования, испытывающие нагрузки от перемещения подземных коллекторов при пучении грунтов и вибрации, обусловленной сверхкритическими скоростями редуцируемого газа.

Обеспечение устойчивости и безопасности эксплуатации реконструкциированных и проектируемых узлов редуцирования возможно при принятии новых решений по конструкции коммуникаций.

Одним из таких решений является использование сильфонного компенсатора как на низкой, так и на высокой сторонах узла редуцирования (рис.1). Для реализации принципиально нового решения необходимо знание характера и уровня нагрузок, действующих на конкретном объекте, а также последующая расчетно-проектная проработка для выбора расчетной схемы и конструкции сильфонного компенсатора.

На рис.2 представлено возможное решение по реконструкции технологических газопроводов узла редуцирования.

Наиболее актуальным является создание сильфонного компенсатора для газовой промышленности и, в первую очередь, для магистральных газопроводов (КС, ГРС и линейной части).

Сотрудничество специалистов ВНИИГАЗа, Оргдиагностики, Самаратрансгаза, Лентрансгаза, СКТБ «Компенсатор», НПФ «Силко», ОАО «Металкомп» и др. позволило выполнить комплекс НИР и ОКР в области создания высоконапорных сильфонных компенсаторов для магистральных газопроводов, включающий:

1. Исследование напряженно-деформированного состояния армированных сильфонных компенсаторов с П-образным профилем гофра.

Исследования проводились методом линейной теории оболочек. Для каждой из тороидальных оболочек получены разрешающие уравнения, с помощью которых определены все усилия и моменты в оболочке. Составлены граничные условия и условия сопряжения. После построение решений разрешающих уравнений и определения произвольных постоянных получены формулы для расчета поворота и смещения крайнего сечения гофра относительно плоскости симметрии гофра, а также формула для сдвигового перемещения сильфонов.

Расчет многослойных сильфонов проводился в предположении независимой работы слоев. Это допущение в дальнейшем проверялось экспериментальным путем

При исследовании напряженно-деформированного состояния армированного сильфона, подверженного действию распределенного внутреннего давления и осесимметричной нагрузки, основное разрешающее уравнение тороидальной оболочки принималось в форме Мейснера-Лурье.

Учитывая, что в рассматриваемых конструкциях сильфоны изготавливались из тонкостенных оболочек, решение основных разрешающих равнений строилось асимптотическим методом. В работе получены зависимости для определения напряженного состояния в гофрах и осевого перемещения одного торца сильфона относительно другого.

Проверка основных результатов теоретических исследований проводилась экспериментально. Результаты экспериментальных исследований вменения величин напряжений и характер их распределения на поверхности однослойных и многослойных сильфонов под действием внутреннего давления и осевой нагрузки подтвердили возможность использования анализа поведения однослойных армированных сильфонов для практического решения задачи оптимального проектирования многослойных сильфонов [1].

2. Исследование циклической прочности сильфонных компенсаторов.

В системах трубопроводов сильфонные компенсаторы работают в условиях малоциклового нагружения (10² — 10⁴ циклов). Наиболее нагруженные зоны гофров подвергаются циклическому упругопластическому деформированию. При этом деформации могут достигать величины порядка 0,5-2 %.

Расчетный метод оценки прочности по локальным значениям напряжений или деформаций связан с чрезвычайно большими трудностями как принципиального, так и технического характера. Затруднения, связанные с разработкой строгих методов расчета сильфонных компенсаторов на малоцикловую усталость, и настоятельная необходимость решения ответственных практических задач обусловили разработку приближённой методики расчета с использованием результатов исследований работ сильфонов в упругой области в комбинации с экспериментальными данными.

3. Экспериментальное исследование вибропрочности сильфонного компенсатора при протекании среды [2].

Исследования проводились на стендах ПО «Кировский завод» (рабочая среда — воздух, пар). Исследовались сильфонные компенсаторы Ду 100 и Ду 300 сдвиговой и разгруженной конструкций.

В процессе испытания определялись: пульсация потока среды, напряженно-деформированное состояние гофров и направляющих патрубков, уровни вибрации на входном и выходном фланцах сильфонного компенсатора, а также рабочие параметры среды (v, t, p).

исследования проводились в диапазоне:

• уровни вибрации от 20 до 123 ДБ;
• скорость среды в сильфонном компенсаторе от 40 до 290 м/с;
• температура среды от 180 до 350 °С;
• рабочее давление среды от 4 до 31 кгс/см²

Все сильфонные компенсаторы испытания выдержали, герметичность и устойчивость не потеряли. Отслоения или повреждения слоев после испытаний не обнаружено.

На основании проведенных исследований:

1. Разработаны конструкции сильфонных компенсаторов Ду 500 поворотного типа для газораспределительных станций (ГРС) и установлены (рис.3) на выходных газопроводах ГРС «Северная» с целью снятия напряжений, возникающих под действием силы морозного пучения грунта. Полученные в результате качественная и количественная оценки напряженно-деформированного состояния выходных трубопроводов ГРС «Северная» подтвердили снижение до безопасного уровня напряжений, возникающих в трубопроводах при действии рабочих нагрузок и пучении грунта [3].

Поворотные сильфонные компенсаторы Ду 500 успешно эксплуатируются на выходных трубопроводах ГРС «Северная», начиная с 2001 г.

2. Изготовлены опытные образцы высоконапорных сильфонных компенсаторов Ду 700, Ру 80 и проведены межведомственные испытания на заводских стендах. В процессе испытаний подтверждены жесткостные характеристики и циклическая прочность сильфонного компенсатора под действием повторно-статических нагрузок (N=11000 циклов).

3. Выполнен комплекс натурных испытаний партии высоконапорных сильфонных компенсаторов Ду 700 и Ду 400, Ру 80 кгс/см² в обвязке нагнетателя ГЦ-2-360 на тольяттинском опытно-промышленном стенде (рис.4). Результаты испытаний свидетельствуют о высоком запасе эксплуатационной надежности сильфонного компенсатора.

4. Разработаны сильфонные компенсаторы для подземных магистральных газопроводов Ду 500 — Ду 1000, Ру 75 кгс/см² с компенсирующей способностью ∆_ос ≤ 200 (±100) мм.

Ведутся работы по созданию сильфонных компенсаторов Ду 1200 и Ду 1400, Ру 85 для подземных магистральных газопроводов с компенсирующей способностью до 300 (±150) мм.

В результате проведенных работ созданы предпосылки для широкого внедрения сильфонных компенсаторов в магистральных газопроводах с целью повышения устойчивости, надежности и технико-экономической безопасности объектов отрасли при минимальных капитальных затратах.

Литература

1. Кулухов В. И. Экспериментальное исследование напряженного состояния однослойных и многослойных армированных сильфонных компенсаторов // Вопросы судостроения. 1984. Выпуск 2.
2. Кулухов В. И. Исследование вибрации сильфонных компенсаторов в трубопроводах // Проблеммы надежности конструкций газопроводных систем. М.: ВНИИГАЗ, 1980.
3. Харионовский В. В., Степанов И. В., Клишин Г. С., Селезнев В. Е., Алешин В. В. Сильфонные компенсаторы для снижения напряжений в трубопроводах ГРС // Газовая промышленность. 2001. N 1.