автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Разработка методов предупреждения аварийных ситуаций в системах городской инфраструктуры

на правах рукописи

Сулименко Владимир Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ В СИСТЕМАХ ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

05.26.02 - Безопасность в чрезвычайных ситуациях (в энергетике)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007 г.

003069248

Работа выполнена на кафедре прикладной экологии экологического факультета Российского университета дружбы народов

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент В.Н. Применко

Официальные оппоненты; доктор технических наук, профессор В.А. Акатьев доктор технических наук, профессор Д.К. Гришин

Ведущая организация: Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН

Защита состоится " _24_" _мая_ 2007 г. в _17_ часов на

заседании диссертационного совета К212.203.12 в Российском Университете дружбы народов по адресу: 117302, г. Москва, Подольское шоссе, 8/5

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского Университета дружбы народов (117198; г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6).

Автореферат разослан "_"__2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор

Виноградов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Диссертационная работа посвящена вопросам разработки технических методов и средств защиты окружающей среды путем обеспечения надежной и безаварийной работы систем водо-теплоснабжения, являющихся неотъемлемой частью любой городской инфраструктуры

Водо-теплоснабжение юрода - одна из самых экологически опасных отраслей хозяйствования Она отличается большой землеемкостью, значительной загрязняющей способностью и высокой пожаро- и взрывоопасностью промышленных объектов

Транспортировка воды опасна повышенной аварийностью выполняемых работ в связи с тем, что основные производственные процессы происходят под высокой температурой и давлением Оборудование и трубопроводные системы работают в агрессивных средах.

Вопросы обеспечения экологической безопасности трубопроводного транспорта, сокращения потерь природных ресурсов при транспортировке воды за счет снижения аварийности, повышения надежности и долговечности имеют большое значение для предприятий топливно-энергетического комплекса РФ

В настоящее время наблюдается тенденция увеличения аварийности на трубопроводном транспорте, рост количества аварий с разрывами трубопроводов, большими безвозвратными потерями транспортируемых сред и широкомасштабными загрязнениями окружающей природной среды По официальным данным только ежегодные потери воды из-за аварий при транспортировке по трубопроводам превышают 1 млн т Сложившееся положение в значительной мере связано с увеличением износа действующих трубопроводных систем, накоплением усталостных явлений в трубопроводах вследствие длительного воздействия динамических нагрузок, вызванных вибрацией и пульсациями давления в транспортируемых системах

Эффективность, надежность и безопасность работы трубопроводных систем также во многом зависит от функционирования системы контроля и автоматики, для чего необходимо обеспечить удовлетворительный съем показаний приборов контроля давления и расхода Пульсации давления и резонансные явления в безрасходных магистралях - импульсных трубах (ИТ) контрольно-измерительных приборов приводят к искажению показаний, сокращению срока службы регистрирующих приборов, ложным срабатываниям технологических защит, способствуя возникновению тяжелых аварийных ситуаций с серьезными экологическими последствиями, а также ошибками в учете количества транспортируемого продукта на узлах замера расхода Инциденты и аварийные ситуации, вызванные воздействием волновых процессов на ИТ приборов контроля и автоматики, происходят во всех отраслях промышленности, энергетике и трубопроводном транспорте

Традиционно используемые методы и средства борьбы с волновыми явлениями в импульсных трубах, например, змеевики и гасители камерного

типа — неэффективны, о чем свидетельствует широкая распространенность ложных действий защит

К вышеуказанному следует добавить, что в материалах Международного бюро труда (г Женева) неисправности трубопроводных систем, систем контроля и автоматики названы одной из наиболее частых причин, приводящих к крупным аварийным ситуациям, нарушающим безопасную работу оборудования и вызывающих его повреждение.

Поэтому устранение влияния пульсаций давления и резонансных явлений в расходных и безрасходных магистралях на работу систем городского водо-теплоснабжения является актуальной задачей, решение которой позволит не только снизить дополнительные эксплуатационные затраты за счет продления срока службы трубопроводных систем .приборов контроля и импульсных труб, но и устранить ложные срабатывания аппаратуры технологической защиты, следствием чего явится экономия электроэнергии и топлива, снижение издержек при производстве и транспортировке за счет сокращения времени внепланового простоя оборудования, увеличения срока службы трубопроводов и повышения общей их надежности, что позволит снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду

Целью работы является создание эффективных средств для устранения пульсаций давления и резонансных явлений в трубопроводах и безрасходных магистралях регистрирующих приборов автоматики и контроля, приводящих к ложным срабатываниям технологических защит, возникновению аварийных ситуаций с серьезными экологическими последствиями, ресурсосбережение и охрана окружающей среды за счет снижения дополнительных затрат электроэнергии и топлива при внеплановых остановках оборудования, увеличения срока службы и общей надежности трубопроводных систем и оборудования

Идея работы состоит в том, что поставленная цель достигается на основе решения следующих задач

- обеспечение надежной, экономической и безаварийной работы трубопроводных систем необходимо предупреждение и устранение колебаний давления, расхода рабочей среды и связанных с ними вибраций трубопроводов, арматуры и оборудования, возникающих главным образом в результате периодического характера работы насосных установок,

- исследования волновых процессов в системе водо-теплоснабжения и путей уменьшения их интенсивности за счет изменения параметров трубопроводной системы (податливости, приведенного гидравлического сопротивления, введения диссипативных элементов и предкамеры для расширения потока и т.д );

- разработки математической модели, позволяющей осуществлять эффективный выбор технических принципов реализации средств гашения волновых и вибрационных процессов;

- разработки принципиально новых средств борьбы с волновыми

процессами в расходных и безрасходных магистралях систем водо-теплоснабжения - стабилизаторов давления (СД), оптимизации параметров и исследования эффективности их работы Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы интегрирования обыкновенных линейных дифференциальных уравнений и дифференциальных уравнений в частных производных, обработки результатов эксперимента, который проводился на экспериментальном стенде и в реальных условиях эксплуатации.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна. На защиту выносятся следующие основные научные положения и разработки:

- математическая модель для расчета динамических нагрузок в трубопроводах водо-теплоснабжения,

- тепловая модель для расчета температурных полей в демпфирующей камере стабилизатора давления,

- математическая модель волновых процессов в расходных и безрасходных магистралей систем водо-теплоснабжения без стабилизатора и со стабилизатором,

- методика проектирования стабилизаторов и их основных конструктивных элементов (упругих элементов, распределенной перфорации, податливости и геометрических размеров),

- результаты анализа экспериментального исследования волновых процессов в системах водомеплоснабжения в реальных условиях без стабилизатора и со стабилизатором, подтверждающие возможность обеспечения безопасной эксплуатации системы

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных в диссертационнои работе подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований волновых процессов в безрасходных магистралях, полученных с использованием современных математических методов и тех же результатов, полученных экспериментальным путем

Практическая значимость работы. Использование технических средств защиты трубопроводных систем, а также регистрирующих приборов систем автоматики и контроля давления и расхода в трубопроводных системах -стабилизаторов давления (СД), эффективно работающих в широком диапазоне рабочих давлений (0,1-30 МПа) и частот (до 200 Гц) позволяет значительно снизить интенсивность волновых процессов в импульсных трубах, полностью устранить резонансные явления и ложные срабатывания аппаратуры технологических защит, в результате чего продлевается срок службы трубопроводов и оборудования (в том числе регистрирующих приборов контроля), повышается общая надежность работы трубопроводных систем при одновременном снижении эксплуатационных затрат и антропогенной нагрузки на окружающую среду, а также экономии природных ресурсов Теоретическое обоснование, технические принципы реализации и методика определения основных параметров стабилизаторов давления являются универсальными и

могут быть применены для расходных и безрасходных магистралей, используемых в различных областях народногр хозяйства

Практическая реализация работы. Экспериментальные исследования эффективности работы стабилизаторов давления проводились на экспериментальном стенде, а в натурных условиях эксплуатации в цехах ЧЕРТАНОВСКОЙ НПО г. Москвы и ряде других объектов, о чем свидетельствуют акты внедрения устройств, имеющиеся в работе Научное значение работы заключается в том, что полученные зависимости между характеристиками возбудителей колебаний, характеристиками трубопроводных систем и требуемой эффективности гашения волновых, вибрационных и ударных процессов позволяют определить оптимальные значения параметров стабилизаторов давления и его элементов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались

- на Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (г. Пенза, 2004 г.),

- на Международной научно-практической конференции «Повышение качества срсды жизнедеятельности города и сельских поселений архитектурно-строительными средствами» (г. Орел, 2005 г ),

- на Международном семинаре «Проблемы безопасности сложных систем» (г Москва, 2006 г )

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 115 наименований Основное содержание изложено на 129 страницах, содержит 22 рисунка и 6 таблиц

Соискатель выражает благодарность своему учителю,заслуженному изобретателю России, академику МИА, д т.н., профессору Низамову X Н.,безвременно ушедшему из жизни, и консультанту академику МАЭП, МАНЭБ и АБОП, д т н , профессору РУДН Мусаеву В К

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит общую характеристику проблемы по анализу аварийности трубопроводных систем, обеспечению надежной работы систем автоматики в трубопроводных системах и анализу основных причин их неудовлетворительной работы при совместной работе систем водо-теплоснабжения и систем контроля давления и расхода в гидросистемах. Здесь же обосновывается актуальность проводимых исследований, определяется их цель и способы ее достижения

Первая глава состоит из четырех разделов и посвящена анализу основных причин аварийных ситуаций в трубопроводных системах различного назначения При этом показано, что практически каждое из этих событий, способных вызвать крупную аварию, является следствием изменений режима

давления из-за волновых и ударных процессов, которые неизбежно возникают в процессе эксплуатации систем теплоснабжения

Показано, что основной задачей для обеспечении надежной, экономической и безаварийной работы трубопроводных систем является предупреждение и устранение колебаний давления, расхода рабочей среды и связанных с ними вибраций трубопроводов, арматуры и оборудования, возникающих главным образом в результате периодического характера работы насосных установок При возникновении резонансных явлений вследствие совпадения или близости собственной частоты трубопровода с вынуждающей частотой колебаний, амплитуды пульсаций давления и вибраций могут возрастать многократно и приводить к раскрытию фланцевых соединений, разрыву сварных швов, утечке транспортируемых продуктов в окружающую среду с серьезными экономическими и экологическими последствиями Приведены формулы для расчета динамических нагрузок в трубопроводах с неагрессивными жидкостями

Значительная часть трубопроводных систем большой протяженности работает в условиях, когда транспортируемая по ним среда обладает коррозионной активностью По действующим нормам в прочностных расчетах этих трубопроводов учитывается работа под статической нагрузкой при отсутствии коррозии, проектирование же защиты от почвенной коррозии ведут без учета механических напряжений и структурно чувствительных свойств стали В реальных условиях вышеназванные трубопроводы и их сварные узлы испытывают действия как статических, так и динамических нагрузок от колебаний давления, температуры и вибрации при одновременном действии коррозионной среды (внутренней и внешней), приводящих в совокупности к коррозионной усталости металла Раздельный подход к механике и коррозии игнорирует хорошо известный факт, что совместное действие коррозии и переменных механических напряжений неизбежно вызывает механохимические явления, отсутствующие при коррозии ненапряженного металла или при механическом нагружении без воздействия коррозионной среды значительное увеличение скорости коррозии напряженного и деформированного металла по сравнению с ненапряженным (механохимическая коррозия) и потеря металлом сопротивляемости нагрузкам, намного меньшим стандартных предела прочности или предела усталости

Многократные исследования подтверждают коррозионно-усталостную природу возникновения трещин при разрушениях на ряде объектов водо-теплоснабжения Для определения скорости коррозии на практике используют испытания на образцах свидетелях установленных в действующие трубопроводные системы Однако .получаемые при таких испытаниях результаты,не могут учесть влияния напряженного состояния .возникающего в стенках.

Поэтому с учетом изложенного, представляется целесообразным для трубопроводных систем транспортирующих коррозионно-активные среды ограничить допустимую динамическую составляющую напряжения в стенке

трубопровода из-за воздействия волновых и вибрационных процессов величиной A6q < 3-5 МПа.

Получены формулы, которые позволяют учесть влияние напряжений на коррозию, что многократно усиливается в местах, являющихся концентраторами напряжений (сварные швы, поверхностные дефекты, царапины, задиры и т п ), а также вызывает неравномерность коррозии и ее локализацию. В результате этого возникает коррозийная усталость металла, характеризующаяся развитием коррозионного процесса в вершине коррозионно-механической трещины, приводящая к разрушению В последнем разделе поставлены цели и задачи исследования

Вторая глава состоит из трех разделов и посвящена теоретическим исследованиям волновых процессов в импульсных трубах со стабилизатором давления и без него В первом разделе показано, что при эксплуатации в трубопроводах водо-теплосиабжения неизбежно возникает проблема борьбы с интенсивными пульсациями давления и расхода среды, и вибрациями трубопроводов Первые могут приводить к частичной разгерметизации уплотнений, что особенно опасно для компрессоров и насосов, транспортирующих легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и токсичные жидкости и газы Вторые к интенсивным динамическим нагрузкам, вызванным повышенным уровнем вибрации трубопроводов, что приводит к возникновению усталостных явлений, возникновению трещин, разгерметизации стыков и порывам трубопроводов с утечками затворной жидкости (масла) При этом велика вероятность возникновения тяжелых аварий из-за пожаров в компрессорных цехах с широкомасштабными загрязнениями окружающей среды и большими экономическими потерями Различают две причины возникновения вибрации трубопроводов первая -колебания насосного агрегата и его фундамента, которые передаются на примыкающие участки трубопроводов, вторая - пульсирующий поток жидкости или газа в трубопроводе. Вибрации, вызванные колебаниями насосного агрегата, как правило, быстро затихают по мере удаления от него и при установке дополнительных креплений

Вибрации из-за пульсаций давления жидкости распространяются на все трубопроводы системы и могут значительно усиливаться в местах режих поворотов трубопроводов, изменения поперечного сечения трубопровода либо при наличии местного гидросопротивления.

Поэтому самым эффективным способом и\ гашения является уменьшение амплитуды колебаний давления в системе сразу же за источником их возникновения — насосным агрегатом Затем рассмофены существующие средства гашения колебаний давления и расхода в трубопроводных системах

В общем случае стабилизатор давления должен препятствовать распространению колебаний среды либо за счет механического воздействия на поток, вызывающего необратимые потери колебательной энергии, либо за счет упругоинерционного воздействия, приводящего к перераспределению энертии в спектре колебаний В с пяти с этим все конструкции стабилизаторов давления

базируются на двух принципах локализации энергии источника колебаний на определенном участке системы или поглощении энергии источника колебаний

Стабилизаторы давления первого типа работают как акустические фильтры, препятствующие прохождению колебаний определенных частот от источника в трубопроводную систему. Эти частоты зависят от массы и упругости рабочей среды в элементах стабилизатора давления В активных стабилизаторах давления энергия колебаний рассеивается за счет вязкого или внутреннего трения Разделение стабилизаторов давления на указанные типы в известной мере условно, гак как характер работы реального стабилизатора, как правило, включает в себя оба указанных принципа.

Исходя из проведенного анализа существующих отечественных и зарубежных стабилизаторов, можно выделить несколько типов стабилизаторов давления Для гашения гидравлических ударов и пульсаций давления в трубопроводах диаметром 0,5 м и более целесообразно использовать пневмостабилизатор, схема которого изображена на рис 2 1

Рис.2.1. Стабилизатор с выносными демпфирующими камерами:

1 - перфорированный трубопровод, 2 - присоединительные фланцы, 3 - корпус, 4 - расширительная предкамера, 5 - упругие мембраны,

6 - демпфирующие камеры, 7 - дополнительные перфовставки, 8 - упругодемпфирующий заполнитель, 9 - демпфирующие полости

Пневмостабилизатор представляет собой участок трубопровода 1, снабженный предкамерой 3, выполненной в виде цилиндра с отверстиями по образующей, которая охватывает с наружи поверхность участка трубопровода Демпфирующие элементы выполнены в виде цилиндрических камер 8 с укрепленными в них двумя упругими мембранами 5, разделяющими на три полости Средняя полость (гидравлическая) 6 соединяется через предкамеру 3 и распределенную перфорацию 4 с магистралью трубопровода Полости 9, образованные мембраной 5 и корпусом камеры соединены с линией наддува газом

С целью ограничения хода и предотвращении разрыва мембран при отсутствии давления в жидкостной полости в камере установлены сферические диафрагмы 7 с отверстиями, суммарная площадь которых равна или больше площади поперечного сечения основного отверстия, связывающего камеру 6 с предкамерой 3 Количество рабочих камер, их геометрические размеры, податливость и перфорацию (необходимое число поясов отверстий и количество Средняя полость (гидравлическая) 6 соединяется через предкамеру 3 и распределенную перфорацию 4 с магистралью трубопровода. Полости 9, образованные мембраной 5 и корпусом соединены с линией наддува

Элементы конструкции СД для систем теплоснабжения должны быть работоспособны при температурах рабочей среды до 130° С. С и рабочих давлениях до 1,0-1,2 Мпа Поэтому в работе дана оценка температурных полей в выносных демпфирующих камерах стабилизаторов давления, выполненных по консгруктивной схеме приведенной на рис 1, использование которых наиболее целесообразно в трубопроводах систем теплоснабжения диаметрами от Ду = 100 мм до Ду= 1200 мм.

Рассмотрена схема теплообмена демпфирующей камеры с предкамерой стабилизатора давления приведенная на рис 2.2 При этомпредполагаем, что температура воды в предкамере такая же, как в основном трубопроводе Тепло поступает к демпферу демпфирующей камеры за счет теплопроводности через патрубок, соединяющий демпфирующую камеру с предкамерой (область 1) Далее тоже путем теплопроводности тепло попадает в области 2, 3, 4, 5. Отводится тепло от демпфера за счет естественной конвекции через поверхности областей 1, 2, 3 и 5.

Рис. 2.2. Расчетная схема теплообмена стабилизатора давления:

1 - патрубок, соединяющий предкамеру (Тр) с демпфером, 2 - половина ресивера демпфирующей камеры, ближняя к предкамере; 3 - дальняя от предкамеры половина ресивера, 4 — область демпфера, заполненная пористым эластомером, 5 - стальная цилиндрическая оболочка демпфера; —»- - теплообмен посредством естественной конвекции

Подвод тепла к демпферу путем конвекции несуществен для демпферов, расположенных снизу и сбоку от предкамеры, поскольку толщина слоя нагретого, обтекающего предкамеру воздуха, меньше расстояния от предкамеры до демпфера Демпферы, расположенные над предкамерой могут получать тепло и за счет конвективного теплообмена с теплым воздухом, поднимающимся от предкамеры, если она не теплоизолирована

Распространение тепла 1еплопроводностью от трубопровода через области 1, 2 и 3 рассчитывалось по формулам распространения тепла через плоские стенки с учетом теплоотдачи путем естественной конвекции через наружные поверхности этих областей, контактирующие с воздухом.

Используя полученные значения температуры в областях 1, 2 и 3 рассчитывались поля температуры в областях 4 и 5. При этом учитывались конструктивные особенносги демпфирующей камеры с одним и двумя патрубками

Расчеты распределения температуры вдоль цилиндрической оболочки демпфирующей камеры выполнены с применением формулы для поля температуры стрежня постоянного сечения конечной длины, на одном конце которого задана температура, а на боковой поверхности - коэффициент теплопередачи к среде с постоянной температурой Теплообменом удаленного торца стержня с воздухом пренебрегапось, что приводит к незначительному завышению температуры При этих приближениях температура цилиндрической оболочки определяется так

Т(Х) = ТВ + (ТО - TB)*ch{m* (Lob - x)/ch(m*Lob),

где

Т(Х) - температура оболочки на расстоянии х от ее начала (разъема демпфирующей камеры),

ТВ — температура воздуха, охлаждающего оболочку, ТО — температура оболочки при х = О,

m - (a*P/XCT*SCT)'A - коэффициент снижения ie\fnepaiypbi, а - коэффициент теплопередачи от оболочки к воадуху, Р - периметр оболочки,

ХСТ - коэффициент теплопроводности материала обо точки (сталь 20), SCT - площадь поперечного сечения оболочки, перпендикулярного ее оси, Lob - длина оболочки

Из приведенных результатов расчета следует, что конструкция демпфирующей камеры с одним патрубком с точки зрения температурных полей гораздо предпочтительнее, чем конструкция с двумя патрубками При этом максимальная рабочая 1емпература материала разделительной оболочки и упругодемпфирующего заполнителя на превышает 110° С.

Третья глава состой! из трех разделов и посвящена теоретическим исследованиям волновых процессов в расходных и бсзрасходных трубопроводах со стабилизатором давления и без него В первом разделе

проведено исследование волновых процессов в расходной магистрали на основе результатов решения классических линеаризованных уравнений неустановившегося движения вязкой жидкости Л.И Парного, устанавливающих связь между давлением Р и расходом в в любом произвольном сечении х трубопровода,схема которого представлена на рис 3 1

Рис. 3.1. Схема трубонроводной системы со стабилизатором давления

Для обеспечения максимальной эффективности гашения волн давления СД целесообразно устанавливать как можно ближе к источникам возмущения потока среды. В этом случае для описания изменения давления в трубопроводе со стабилизатором можно с достаточной точностью представлять гидросистему, как систему с сосредоточенными параметрами и использовать следующее дифференциальное уравнение

dt2

1

Р = -

Lg

+ gLn

+ gin

dGW dt '

(3 1)

ю

0

to;

где

P(t) и G(t) - вариации и зменения давления и расхода в фубопроводе,

cOq = " частота основного тона колебаний жидкости в трубопроводе

без стабилизатора,

I - длина трубопровода до стабилизатора, с - скорость распространения волн давления в трубопроводе; П — массовая податливость стабилизатора, характеризующая изменение массы жидкости в стабилизаторе при изменении давления трубопроводе,

L = ——^ — параметр, характеризующий инерционность потока жидкоеiи в

трубопроводе до стабилизатора,

F - площадь проходно! о сечения трубопровода.

При периодическом изменении давления и расхода для расчета эффективности следует использовать следующий подход

Пусть массовый расход за насосом описывается периодической функцией

С„=У *р*Р«Соз(юО, (32)

11 т

Г, * г * о„ 2

где —*-*е*х. ю = т*шь, Х = ~Г",-

г т — 1

Тогда

5С"»

= —Ач * р ♦ Р * ю * Ят^).

дЬ

Уравнение (3 1) для вынужденных колебаний давления примет вид'

+ *Р = Ь»ш2 ♦ю» А *р*Р*$М1(о>1) = Н*$и](юП. (33) Л2 8 8 «п

Тогда

■у

Ь*ю * е * ю * А * о * Р

ш ь 'Ч, и

Р=-2- 8ш(ш1)= ё —-- —-------Бп^ю»). (3 4)

со - СО Ю - 03

При отсутствии стабилизатора со^ = оа^ и

Н Ь*ш2*ё*ш*А *Р*Р

Р==_ " &„(©!) =----=--7М-----Ят(шО. (3 5)

со 2-со2 8 0

Степень гашения колебаний давления в трубопроводе со стабилизатором можно определить, разделив (3 5) на (3 4)

р "о*^-"2*

К*»= * = (36)

Ъ О

Выражение (3 6) позволяют рассчитать эффективность гашения пульсаций давления и I идроударов в расходных магистралях

Рассмотрено влияние присоединенной массы стабилизатора давления на резонансные свойства безрасходных магистралей на примере импульсной трубы с измерительным прибором и демпфирующим устройством, расположенном на некотором удалении от ее концевых участков Такой трубопровод будем условно считать сложной системой с распределенными конструктивными параметрами

Граничные условия для этого случая будут иметь следующий вид В сечении 0 - 0 (в месте соединения измерительного прибора с безрасходной магистралью) при Х| = 0 считаем

G,=(0,t) = 0, (3 7)

что соответствует сделанным выше допущениям и упрощает расчет

В сечении 1-1, проходящем через демпфер, при х = хь х2 = 0 считаем.

Р,(х„ t) = Р2(0, t), С,(х„ t) = Сг(0, t) + Ga(t), (3 8)

где.

G (e) = П ÍLÍ*í>e„ dW>; ,w * dt ' dt

Пд - податливость стабилизатора давленния, С»,, (t) - расход жидкости через него

Рж= Р,(х„ 0 = 1*2(0» 0 - давление жидкости на боковую поверхность демпфера,

S - боковая поверхность;

Стабилизатор давления представим как пассивный демпфер в виде поршня с массой m и пружины, имеющей жесткость к Тогда уравнение его движения под действием возмущающих сил запишется следующим образом

m-y + h- y + E- y- S Р„, (3 9)

где

m - масса,

е = к - коэффициент, характеризующий жесткость СД (k = р 8„ф/Пд, где Пд - массовая податливость демпфера),

у - координата перемещения демпфера во время работы в радиальном направлении,

h - демпфирующее сопротивление.

В сечении 2 - 2 (в месте соединения трубопровода с основной магистралью при х = х2) считаем, что

P2(xI,t) = P0-e™'

(3.10)

где:

Р0 - установившееся значение давления,

о - частота возмущающей силы

На основании представленных выражений окончательно получаем частотное уравнение безрасходной магистрали с учетом присоединенной массы демпфирующего устройства.

m со3

2cos(to (т,+т2)) + ———Пд с sin(co-(t, +т2)) + g F е

(3 11)

с sm(o> т2) cos(to = — Пд с sin(co т2) sm(ra х,).

В дальнейшем исследуются основные проектные соотношения, которые позволяют по известным характеристикам трубопровода и требуемой эффективности гашения волновых процессов определить основные проектные параметры стабилизаторов давления для расходных и без расходных магистралей

Четвертая глава состоит из трех разделов и содержит результаты экспериментальных исследований работы стабилизаторов давления в расходных и безрасходных магистралях, полученные в лабораторных и в промышленных условиях эксплуатации. В первом разделе содержатся результаты экспериментальных исследований эффективности работы СД на специальном стенде. Приведено его описание, состав аппаратуры и порядок проведения экспериментальных исследований Как следует из результатов экспериментов, в диапазоне частот от 0,75 до 100 Гц, при давлениях от 1,0 до 4,0 МПа достигается эффект снижения пульсаций давления от 6 до 10 раз, причем с ростом давления и частоты возрастает и эффективность работы стабилизатора. Аналогичная картина наблюдалась во всем исследованном и расходов как при ламинарном режиме течения жидкости в основной магистрали, так и при турбулентном в диапазоне чисел Рейнольдса Re = 127 ... 12700.

Во втором разделе приводятся результаты исследования эффективности СД с упругими камерами в промышленных условиях Устройства монтировались в импульсные трубы манометров, а контроль эффективности их работы производился по показаниям приборов. На ЧЕРТАНОВСКОЙ НПС установка СД в импульсные линии с рабочими давлениями от 2,3 до 8 МПа обеспечила снижение амплитуды пульсаций в 4-5 раз

Представлены результаты внедрения стабилизаторов давления в системы автоматики перекачивающей насосной станции магистрального трубопровода СД двух вариантов (пневматический и с металлической упругой камерой эллиптического сечения) монтировались в импульсные линии контроля давления на входе в насосную станцию. Установка стабилизатора с

металлической упругой камерой эллиптического поперечного сечения обеспечила снижение колебаний давления в импульсных линиях в 10 раз, а установка пневматического СД снизила эти же колебания в 40 раз, что позволило полностью устранить ложные действия технологических защит, приводящих к регулярным отключениям насосной станции и всего магистрального трубопровода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе полученных в работе результатов можно сделать следующие основные выводы

1. Проведенный анализ информационных источников показал, что ежегодно на трубопроводном транспорте, включая магистральный, происходит очень большое количество аварий, которое возрастает из года в год Причиной аварий являются внутрисистемные возмущения — волны повышенного или пониженного давления и вибрации

2. Существующие средства гашения волновых и вибрационных процессов малоэффективны В тоже время в области динамики трубопроводов появился принципиально новый подход к созданию средств предупреждения аварий - стабилизаторов давления или дезургеров, основанный на комплексном воздействии на волновую энергию в трубопроводе (изменение податливости, приведенного гидравлического сопротивления и введение диссипативных элементов)

3 На основе анализа имеющихся данных по циклической долговечности трубопроводов, разработаны ограничения на амплитуду динамической составляющей напряжения из-за воздействия волновых и вибрационных процессов неизбежно возникающих при эксплуатации

4 Предложена методика оценки допустимых значений волновых и вибрационных нагрузок для различных типов сред, транспортируемых по трубопроводной системе.

5 Из приведенных результатов теплового расчета следует, что конструкция демпфирующей камеры с одним патрубком с точки зрения температурных полей гораздо предпочтительнее, чем конструкция с двумя патрубками Максимальная рабочая температура материала разделительной оболочки и упругодемпфирующего заполнителя на превышает 110° С.

6 На основе проведенного анализа выбраны конструктивные схемы стабилизаторов давления, использование которых в трубопроводных системах большой протяженности является наиболее целесообразным

7. Предложено новое конструктивное решение устройства, стабилизаторов давления , позволяющее решать вопросы гашения гидроупругих процессов в трубопроводах большой протяженности с большими перепадами высот по трассе прокладки

8 Разработаны математические модели нестационарного движения жидкости в трубопроводной системе без стабилизатора, давления и, ■ со стабилизатором давления Получены аналитические зависимости, связывающие эффективность гашения колебаний давления и гидроударов с основными параметрами стабилизатора давления: податливостью, суммарной площадью распространения перфорациии и коэффициентом эквивалентного вязкого демпфирования Разработана методика расчета конструктивных характеристик СД

9 Проведен сравнительный анализ эффективности работы стабилизаторов давления по результатам которого можно отметить, что установка стабилизатора давления в трубопровод позволяет.

- существенно (более чем в 2 раза) уменьшить амплитуду изменения напряжений в стенке трубопровода при одновременном уменьшении количества циклов нагружения более чем в 2 раза, следовательно, значительно увеличить срок его безаварийной работы (примерно 8-10 раз),

- при возникновении нештатных ситуаций уменьшить объемы воды сбрасываемой в резервные емкости более чем на 2 порядка, а в некоторых случаях, при достаточной эффективности работы стабилизатора давления и совсем его не производить

Основные положения диссертационной работы опубликованы в

следующих научных трудах:

1 Низамов X Н., Саликов Л М, Сулименко В В К вопросу повышения надежности работы систем контроля трубопроводных систем // Сборник материалов Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» — Пенза МЛНЭБ, 2004 -С. 100-105

2 Саликов Л М, Сулименко В В Формирование структуры системы управления на основе модели объекта // Международный сборник научных трудов «Информационные технологии моделирования и управления» Выпуск 12 Воронеж Научная книга, 2004 -С 124-128

3 Низамов X Н , Саликов Л М , Сулименко В.В Некоторые проблемы обеспечения безопасности в системах теплоснабжения II Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции «Повышение качества среды жизнедеятельности города и сельских поселений архитектурно-строительными средствами» - Орел МАНЭБ, 2005. - С. 7375

4 Низамов X Н, Саликов Л М, Сулименко В.В К расчету волновых процессов в трубопроводах со стабилизаторами давления // Двойные технологии -2005 -№2 -С 6-10

5 Низамов Х.Н., Применко В.Н , Саликов Л.М , Сулименко В В. К вопросу защиты трубопроводов водо- теплоснабжения от гидравлических ударов // Двойные технологии - 2005. - № 3 - С. 36-39.

6. Низамов Х.Н, Саликов Л М, Сулименко В.В. Обеспечение безопасности в системах теплоснабжения // Сборник трудов по итогам X Международной открытой конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях». Выпуск 10 - Воронеж-Научная книга, 2005 -С 173-174

7 Низамов X Н, Саликов Л.М , Сулименко В В О повышении надежности систем контроля трубопроводных систем // Сборник трудов по итогам X Международной открытой конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» Выпуск 10 - Воронеж: Научная книга, 2005 - С 165-172

8 Саликов ЛМ., Сулименко ВВ. Об анализе аварийных ситуаций в трубопроводных системах // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия проблемы комплексной безопасности. - 2006 - № 1 - С 23-28.

9 Саликов Л.М, Сулименко В.В Математическое моделирование в задаче об определении основных параметров стабилизаторов давления // Вестник Российского университета дружбы народов Серия проблемы комплексной безопасности - 2006 - № 1 - С 87.

10 Саликов Л М, Сулименко В.В О некоторых теоретических методах определения эффективности стабилизаторов давления // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия проблемы комплексной безопасности.-2006 1.-С 87

11 Саликов Л М, Сулименко В В. Об эффективном применении стабилизаторов давления для снижения аварийных ситуаций в магистральных трубопроводах // Вестник Российского университета дружбы народов Серия проблемы комплексной безопасности. - 2006 - № 1 -С. 87

12 Мусаев В К, Саликов ЛМ., Сулименко В.В. О закономерностях волн давлений в сложных технических системах // Вестник Российского университета дружбы народов Серия проблемы комплексной безопасности - 2006 - № 1 - С 89.

СУЛИМЕНКО ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ (РОССИЯ)

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ АВАРИЙНЫХ

СИТУАЦИЙ В СИСТЕМАХ ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

Предложены новые технические средства защиты трубопроводных систем, а также систем автоматики и контроля от волновых процессов, реализующие принцип волновой стабилизации Также разработаны новые практические устройства для работы в широком диапазоне рабочих давлений и частот -стабилизаторы давления Создана математическая модель импульсного трубопровода с учетом присоединенной массы стабилизатора давления и без него. Проведены экспериментальные исследования эффективности предлагаемых технических средств в реальных условиях эксплуатации Результаты показали, что гашение волновых процессов в трубопроводах, в регистрирующих приборах систем автоматики позволяет существенно снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду за счет снижения аварийности работы технологического оборудования, более экономного расхода топлива и реагентов в результате устранения ложных действий технологических защит и повышения точности замеров расхода

SULiMENKO VLADIMIR VIKTOROVICH (RUSSIA)

DEVELOPMENT OF METHODS OF THE PREVENTION OF EMERGENCIES IN SYSTEMS OF THE CITY INFRASTRUCTURE

New means of protection of pipeline systems, and also systems of automatics and the control over the wave processes, realizing a principle of wave stabilization are offered Also new practical devices are developed for work m a wide range of working pressure and frequencies - stabilizers of pressure. The mathematical model of the pulse pipeline in view of the attached weight of the stabilizer of pressure and without it is created Experimental researches of efficiency of offered means m real conditions of operation are lead Results have shown, that clearing of wave processes m pipelines, in registering devices of systems of automatics allows to lower essentially anthropogenous loading on an environment due to decrease in breakdown susceptibility of work of the process equipment, more economical charge of fuel and reagents as a result of elimination of false actions of technological protection and increase of accuracy of gaugings of the charge

Отпечатано в ООО «Ор| сервис—2000» Подписано в печать 12.04 07 Объем 1,12 п.л Формат 60x90/16 Тираж 100 экз Заказ №12/04—4т 115419, Москва, Орджоникидзе, 3