автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Разработка технических средств защиты трубопроводов с поршневыми насосами и компрессорами от аварийных ситуаций

На правах рукописи

НИЗАМОВА ГУЗЯЛЬ ХАВАСОВНА

РГБ ОД 3 П МАЙ 2000

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДОВ С ПОРШНЕВЫМИ НАСОСАМИ И КОМПРЕССОРАМИ ОТ АВАРИЙНЫХ

СИТУАЦИЙ

05.14.16 - Технические средства и методы защиты окружающей среды (в машиностроении и энергетике).

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва-2000 г.

Работа выполнена на кафедре промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности экологического факультета Российского Университета

дружбы народов.

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор В.И. Тагасов; Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Р.И. Нигматулин; доктор технических наук, профессор Е.А.Самойлов.

Ведущая организация: Институт машиноведения РАН.

Защита состоится " " М&лЗЬ-_ 2000 г. в _ часов на

заседании диссертационного совета К 053.22.32 в Российском Университете дружбы народов по адресу: 117302, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д.З.

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

Автореферат разослан " ОЛ^Ш^Ж, 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Л. ВЛЗиноградов

Л I I л I л л О СГ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вопросы зашиты окружающей природной среди и рационального использования природных ресурсов на основе защиты трубопроводных систем от аварийных ситуаций при бурении газовых-и " нефтяных скважин и перекачке газовых и жидкостных сред по трубопроводам имеют большое значение для всего хозяйственного комплекса Российской Федерации.

Технология разбуривания месторождений нефти и газа требует непрерывной закачки в скважину бурового раствора, в который входят: глина, '' пода, нефть, каустическая сода, унищелочной реагент (иногда возможно добавление барита).

При этом используются поршневые насосы, генерирующие циклические возмущения со значительной амплитудой колебаний (до 50% рабочего давления).

Таким образом, трубопроводы системы закачки и насосно-компрессорные трубы подвергаются высоким знакопеременным динамическим нагрузкам, которые возрастают с ростом среднего давления, что приводит к раскрытию фланцевых соединений; сильным вибрациям трубопровода, сопровождающимся разрывами, отрыву гибкого шланга и турбобура в узлах крепления; разрушению обсадных труб и породы; выходу из строя манифольдов; частичному и катастрофическому поглощению промывочной жидкости и тампонажного раствора; нарушению резьбовых соединений скважинных труб вследствие их изгнбных колебаний. Последствия таких аварий связаны с разливом в систему сбора сточных вод или непосредственно в окружающую среду экологически опасных компонентов бурового раствора, таких как каустическая сода, унищелочной реагент, барит. В наиболее серьезных авариях происходит отрыв турбобура, при этом насосно-комлрессорные трубы приходится заменять.

Рациональное использование добываемого газа, предотвращение его непроизводительных потерь во многом зависит от успешного решения актуальной проблемы совершенствования существующих и создания новых конструкций компрессорных установок, используемых в газовой, нефтяной н нефтехимической промышленностях. Повышение производительности и увеличение мощностей этих установок часто приводят к возникновению неустановившихся движений рабочих сред в трубопроводах, которые сопроводжаются ударными процессами, вынужденными и автоколебаниями, приводящими к высоким вибрационным нагрузкам на элементы системы. Эти процессы приводят к различным негативным явлениям.

В Российской Федерации протяженность магистральных газо-, нефте- и продуктопроводов составляет 200 тыс.км." а промысловых - 350 тыс.км. Для их

обслуживания используются около 800 компрессорных и нефтегазоперекачивающих станций. Значительная часть трубопроводов служит от 15 до 35 лет, поэтому вероятность разрывов трубопроводов вследствие вибрационных нагрузок с каждым годом возрастает на 5%-7%.

Колебания давления и вибрации возникают в результате периодического характера работы нагнетательных установок, изменения режима их работы, срабатывания запорной арматуры, аварийных отключений электропитания, ошибочных действий обслуживающего персонала и являются внутрисистемными возмущениями, присущими трубопроводному транспорту. Традиционно используемые средства для гашения волновых и вибрационных процессов, такие как воздушные колпаки, ресиверы, аккумуляторы давления, дроссельные шайбы малоэффективны, и поэтому не получили широкого распространения.

В связи с изложенным, теоретическая разработка новых высокоэффективных средств защиты от волновых и вибрационных процессов, создание на их базе практических устройств дают возможность уменьшить количество аварий на трубопроводах, улучшить экологическую обстановку и чу сократить потери природных ресурсов'при добычей транспортировке.

Диссертация выполнена в рамкй"~госбюджетных (тема № 010006 в рамках Федеральной программы «Экологическая безопасность России») и хоздоговорных работ, выполняемых на кафедре "Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности" Российского Университета дружбы народов.

Цель работы. Уменьшение непроизводительных потерь добываемого природного газа и устранение загрязнения окружающей среды агрессивными растворами, используемыми в технологии его добычи, на основе разработки технических средств предупреждения аварийных ситуаций в трубопроводах вследствие волновых и вибрационных процессов, возникающих в процессе их эксплуатации.

Идея работы заключается в том, что поставленная цель достигается на основе решения следующих основных задач:

- исследование волновых процессов в трубопроводных системах с поршневыми насосами и компрессорами и путей уменьшения их интенсивности за счет изменения параметров трубопроводной системы (податливости, приведенного гидравлического сопротивления, введения диссипативных элементов и предкамеры для расширения потока);

- выбора технических принципов реализации средств гашения волновых и вибрационных процессов - стабилизаторов давления;

- оптимизация их параметров;

- разработка практических устройств и исследование их эффективности.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались .

методы интегрирования обыкновенных линейных дифференциальных уравнении и дифференциальных уравнений в частных производных. Для описания нестационарного движения газа в системе газопровод-стабилизатор использовались уравнения акустики в цилиндрической системе координат, которые решались с использованием .разложений . в . ряды Фурье. Экспериментальные исследования эффективности работы стабилизаторов давления проводились на специально разработанных стендах и в реальных,, условиях эксплуатации. .

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна. Нз защиту вынося гея следующие основные научные положения и разработки:

- принципиально новые конструкции \ стабилизаторов давления , для ]/'' защиты жидкостных и газовых трубопроводов с поршневыми насосами и компрессорами от аварийных ситуаций;

-математическая модель волновых процессов. в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт без стабилизатора давления и со стабилизатором;

- математическая модель^табилизатора давления ¡для сжимаемых сред (газ, пар, воздух), предназначенных для защиты газо- и паропроводов от разрывов;

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

- результаты экспериментального исследования волновых процессов в трубопроводной системе закачки бурового раствора в пласт при бурении газовой скважины и при эксплуатации газовых (паровых) трубопроводов в стендовых и реальных условиях без стабилизатора и со стабилизатором, подтверждающие возможность обеспечения безопасной эксплуатации бурильной установки, газовых и паровых трубопроводов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации достигается использованием современных математических методов в области гидромеханики, волновой механики и газовой динамики, соответствием теоретических.и экспериментальных результатов (расхождение 7-10%), полученных с использованием современных технических средств и методов обработки; надежной работой ..разработанных стабилизаторов в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт и в узлах замера расхода газа.

Практическая значимость. Разработанные конструктивные схемы, технические принципы их реализации и практические устройства -стабилизаторы давления/- позволяют в значительной мере исключить аварии в трубопроводах от возмущений, вызванных работой поршневых нагнетательных

установок, изменением режима их работы, срабатыванием запорной арматуры, аварийными отключениями подачи электропитания, и т.д. Теоретическое обоснование, технические принципы реализации и методика определения основных характеристик СД носят универсальный характер и могут быть применены для трубопроводных систем различного назначения, что подтверждается результатами эксплуатации стабилизаторов.

Практическая реализация работы. Экспериментальные исследования образцов стабилизаторов давления проводились на Бухарском Управлении буровых работ (буровая №71) ПО "Средазгазпром", стабилизаторы давления ддя паровых и газовых сред прошли успешные испытания в натурных и стендовых условиях и внедрены в газоперерабатывающем Управлении "Шуртангаз" (г.Карши, Узбекистан) в газовых магистралях с рабочим давлением- 7 МПа, а также в межступенчаты < трубопроводах компрессора на Кировском заводе (г. Санкт-Петербург).

Апробация работы. Основные полокения диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй межвузовской конференции "Актуальные проблемы экологии" (г. Моагва, 1996 г. РУДН), конференции "Геоэкология в нефтяной и газовой промышленности" (г. Москва, 1995 г. ГАНГ им. Губкина), на семинаре академика Чёрного Г.Г. в Институте Механики МГУ (г. Москва, 1993 г.) и на конференции в Российской Инженерной Академии (секция "Инженерные проблемы стабильно-гти и конверсии", г. Москва, 1998г.).

: Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе патент РФ и положительное решение по заявке на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы 127 страниц машинописного текста, в том числе 24 рисунка, 2 табгицы, список литературы из 58 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит общую характеристику проблемы аварийности в гидросистеме закачкй бурового раствора в пласт от волновых и вибрационных процессов, а также их влияния при транспортировке сжимаемых сред (газа, пара и воздуха). Здесь же обосновывается актуальность проводимых исследований, определяется их цель и способы ее достижения, новизна, практическое и научное значение, обзор литературы.

Первая глава состоит из двух разделов и посвящена исследованию волновых процессов, в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт й современным способам их устранения. Представлены результаты исследования волновых процессов в гидросистем закачки бурового раствора в пласт с

приведением амплитудно-частотных характеристик и их анализом. Далее описаны специальные конструкции стабилизаторов давления (СД) для зашиты гидросистем закачки бурового раствора в пласт: _самоочищающийся стабилизатор; СД с упругими секционными камерами внешнего нагружения; СД с эжектором; СД повышенной податливости.

На рис.1 изображен разработанный и запатентованный самоочищающийся стабилизатор давления для защиты трубопроводной системы закачки бурового раствора в пласт. Устройство работает

следующим образом. При возникновении колебаний давления в напорном трубопроноде происходит перетекание рабочей среды из перфорированной нростанки и кольцевую предкамеру или наоборот в зависимости от величины и знака возмущений по давлению. При этом обеспечивается диссипация части энергии колебаний на распределенной перфорации и их упругое демпфирование вследствие податливости деформируемых демпфирующих вставок и упругих камер, испытывающих растяжение или сжатие в поперечном сечении. Регулирование диапазона гасимых частот и степени снижения амплитуды колебаний достигается варьированием таких параметров, как объем кольцевой предкамеры и упругих камер, соотношением геометрических размеров эллиптического поперечного сечения упругих камер, размеры и количество перфорационных отверстий, модуль упругости материалов, используемых для изготовления демпфирующих вставок с набивкой.

Вторая глава состоит из двух разделов и посвящена волновым процессам и трубопроводах с газовыми и паровыми средами и средствам их гашения. Рассматриваются существующи? и предлагаются перспективные методы борьбы с пульсациями давления и расхода газа в объемных компрессорах с периодической подачей.

С целыо снижения колебаний давления газа до допустимой степени неравномерности в настоящее время используют следующие способы: изменение схемы, размеров трубопровода и аппаратов, а также рациональное взаимное расположение цилиндров и фаз их воздействия на трубопровод; установка дроссельной диафрагмы; установка пустотелых камерных гасителей или буферных емкостей; применение акустических фильтров-резонаторов.

1—ГТ-Т--"—

А-А

Рис. I. Самоочищающийся стабилизатор давления для гидросистемы закачки бурового раствора в пласт. Условные обозначения: I - корпус, 2-фланец, 3 - центральный трубопровод, 4 - отверстия перфорации, 5 - предкамера, 6- демпфирующие вставки с набивкой, 7 - дополнительные корпуса, 8 - перфорированные перегородки, 9 - упругие элементы эллиптического сечения.

Работа всех известных гасителей колебаний базируется на двух принципах:

-локализация энергии источника колебаний на участке трубопроводной системы;

- поглощение или диссипация (рассеяние) энергии колебаний давления.

Принципиально новой конструкцией для защиты магистралей с газообразной рабочей средой является стабилизатор давления, изображенный на рис. 2. Главным его отличием от приведенных в главе ! конструкций является отсутствие упругого элемента, что обусловлено большой сжимаемостью газовых сред. Стабилизатор давления состоит из корпуса I, двух фланцев 2, один из которых приваривается к корпусу. Внутри стабилизатора находится коаксиалыю расположенная система перфорированных трубок 3 и 4, меньшая из которых является частью основного трубопровода. Диапазон рабочих давлений и температур практически не ограничен и определяется только прочностью корпуса. В зависимости от рабочего давления и амплитуды пульсаций производится выбор объема упругих камер й степени перфорированное™ каждой трубки. В этом стабилизаторе гашение колебаний давления происходит за счет сжимаемости газовой среды и диссипации энергии колебаний при перетекании газа через отверстия перфорированных проставок,

Рис. 2. Стабилизатор давления с двухслойной перфорированной оболочкой.

^V". ;iwm™iM кпмшшшшшл v,liU»tlB СТаОИЛИ ЗаТОра ДаВЛеНИЯ

сильносжимаемыми средами предлагается стабилизатор давления трехслойной перфорацией, схема и принцип действия которого приведены втором разделе второй главы. Суммарная площадь отверстий перфорации каждой из трех цилиндрических вставок составляет 33% от площа, проходного сечения подводящего трубопровода. Все стабилизаторы давлен; прошли успешные испытания в натурных и стендовых условиях, результат которых рассматриваются в главе 5. В настоящее время эти стабилизатор давления успешно эксплуатируются на ряде предприятий газовой, химичеш и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности, энергетики и в систем: коммунального хозяйства.

Третья глава состоит из трех разделов и посвящена разрабоп теоретических методов описания волновых процессов в гидросистеме закач» бурового раствора в пласт со стабилизатором давления. Представлена методи! расчета и выбора параметров стабилизатора давления: суммарной площа; • распределенной перфорации, степени гашения волновых процессо податливости и геометрических размеров. Разработаны методы расчета упруп элементов новой конструкции.

В первом разделе приводится математическая модель волновь процессов в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт без стабилизато| и со стабилизатором давления. Основной причиной возникновения колебат давления в ней является изменение расхода G(t) перекачиваемой среды в како» либо сечении вследствие работы насосного агрегата или запорной арматур! которое в общем случае может описываться произвольной функцией времен В зависимости от типа установленного насоса функция G(t) будет имел различный вид.

Связь между скоростью и давлением жидкости в каком-либо сечении координатой х трубопровода можно представить линеаризованной системс уравнений неустановившегося движения жидкости Чарного И.А.

Для периодического изменения расхода, в случае работы поршневог насоса, граничные условия формулируются следующим образом:

х = О, Р = Ф(0,

Х=ц v+gJL.r^M Ь-ПА (1;

где П - массовая податливость стабилизатора давления, характеризующа изменение массы жидкости (газа) в стабилизаторе при изменении давления трубопроводе; F - площадь поперечного сечения трубопровода.

Решение системы уравнений Чарного с граничными условиями (1) имее

вид:

Р(х,0 = Ат2(.шв,х)е'ы*', (2)

. , п в'т/иг 1 Г;

где ¿(соа,х) = -¡к--, п = —Ло~-Лаш,

й>9 С05/)£-/1/15!П/;£ С*

Здесь Лт- приведенная амплитуда скорости рабочей среды; шв - угловая скорость вала насоса; с - скорость звука в трубопроводе с жидкостью; Ь -длина трубопровода.

Коэффициент сглаживания пульсаций давления при установке стабилизатора в гидросистему насоса можно определить формулой:

* - И -

{сНЪу - cos2(f>)

f sin 2<p htp V {ch2y/ -cos2p L J

sh2y t h\ч ch2t/-cos2p L

J

Здесь <p = — с

Л

J

(3)

•, где a - коэффициент,

2 ' 1 с\ 2

учитывающий потери на трение.

Далее более подробно рассматриваются волновые процессы, происходящие в элементах стабилизатора давления. Обозначим Р, и V, -давление и скорость потока в предкамере; Р и V - давление и скорость потока в перфорированной трубе; Ро и - давление и скорость потока в упругом элементе; с, сг и со - скорость звука в жидкости, движущейся соответственно в перфорированной трубе, предкамере и упругом элементе.

Относительно пульсаций скоростей потоков V, V, и и давлений Р, Р, и Ро в линейном приближении получим систему уравнений:

& сс1 a aj„ " х' и а & w

&

I

pel

— = 0. (В); а а

а а

сТг

дс

+ — = 0, (9)

рс * а i

р4 «а

& pel а а ¿к

где H,=h,t+h,2/dn". d„ - внутренний диаметр перфорированного участка трубопровода; ht - толщина предкамеры.

При записи (4) и (б) принято, что скорость перетекания жидкости через перфорацию пропорциональна разности давлений в предкамере и перфорированном участке трубопровода, т.е.:

V,,cp = (Р-Р«)/А, где V^ - скорость перетекания жидкости из трубопровода в предкамеру; А - константа, перфорационных отверстий.

перфорированного участка зависящая от параметров

После решения приведенных выше уравнении получены зависимости конструктивных параметров упругих элементов стабилизатора давления от эффективности гашения волновых процессов в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт.

Податливость камеры эллиптического поперечного сечения при малых ее деформациях равна:

Пр = |2(1-//>Х E>{k)tRy{k)K (Ю)

кА

где fiD • коэффициент Пуассона; Еа - модуль Юнга материала трубы; Л0 -толщина стенки упругого элемента; к2 = I - Л„2 /п„:, я, А- полуоси эллипса; La -длина упругого элемента; E(h) = 'l\\-k:im:<p)"td<p " П0Л11Ы" эллиптический

all

, где /:,(*)= J(l-*Jsin2»>)1/2c/p.

интеграл второго рода; igr =

W)

jt/2

F.,(k)= Jo-Jt'sin'»''2^. о

В дальнейшем приводится методика расчета основных проектных параметров стабилизаторов давления различного конструктивного исполнения: массовой податливости и объема упругой полости в зависимости от свойств материалов и ограничений по прочности.

Четвертая глава состоит из трех разделов. В ней рассматривается разработанная методика расчета стабилизатора давления диссипативного типа.

Рассматриваемый стабилизатор давления представляет собой систему, содержащую активные диссилативные элементы, предназначенные для управления волновыми процессами у источника возмущений. Для описания нестационарного движения газа в системе газопровод-стабилизатор воспользуемся уравнениями акустики. Обозначим стационарное решение, соответствующее течению без пульсаций давления, индексом 0 сверху; возмущения всех величин будем считать малыми и обозначим значком ' сверху. В трубе газопровода имеем:

Ср о Ôllr • г о ""Ф о й'г о £>р „ г-ь— + р —-— + р —— +■ р г—- + гн: = 0

& дг н й/> н дг ' dz

о m, dit' dp' о à'A С"ф ф ,,,,

ùl & дг di ce û/j

ой/, dit. ф • dp. o, •

Здесь и„иф,и, • компоненты вектора скорости среды (в цилиндрической системе координат); р - плотность, р - давление.

и

Проведем осреднение акустических уравнений (11) по поперечному :чению газопровода и по поперечному сечению стабилизатора по формулам:

------------------------------------= /""(-,') (труба) (12)

= / (г,0(стабилизатор), (13)

Л, "

; Б,, - площадь поперечного сечения трубы газопровода, 8| - площадь перечного сечения стабилизатора.

Поток массы через боковую поверхность трубы газопровода в сечении т.

/«,(.-./) = ■Хга-а1р^\гиХ.^ф (14)

Пусть в некотором сечении газопровода г = - Ь| >0, к нему исоединен компрессор, создающий на входе в трубопровод пульсации тения р0(1) по известному закону в зависимости от времени. Тогда при г в -имеем следующее краевое условие:

МгЬ.О = Ра«) (15)

Кроме того, при 2=0 и г=1, в стабилизаторе имеем условия:

41) «(I)

иг (0,0 = «, (¿,0 = 0 (16)

Будем считать, что при г > 2ц в трубе газопровода отсутствуют волны, пространяющиеся в направлении противоположном движению газа. Это олнительное краевое условие означает, что в газопроводе нет никаких пятствий движению газа, расположенных правее стабилизатора, т.е. при г > анное краевое условие имеет вид:

+ + о (17)

с! дг

Для полного определения математической модели, описывающей

исснис газа через стабилизатор, необходимо также задать выражение для

жа массы (.-,/) Отверстия в трубе газопровода относительно малы по шению с размерами самого стабилизатора и сосредоточены в одном :рсчном сечении. При таком дискретном расположении отверстий поток :ы через боковые стенки трубы имеет дельтаобразную форму и может быть н с помощью 5 - функции соответствующего сечения:

А АОП

/„, (Г,/) = ¿(Г-Г,,)/ (/)

аОМ

Для функции / (/), описывающей зависимость потока газа от времени, »ем следующее выражение:

di di

= P (пи')" P (*,«.')

Величина Коц суть положительная постоянная величина, имек размерность длины,и характеризующая зависимость проводимости отвер< от их формы и геометрических размеров.

Поставленная задача решалась методом разложения в ряды Фурье времени. В результате были получены оптимальные параметры стабилизат давления для полного гашения к-й гармоники:

В качестве значения величины Куц можно взять сумму коэффициеп проводимости всех отверстий, расположенных в данном ссчснии. Иаприи если все отверстия являются круговыми, имеют диаметр с! и пусть в дат сечении расположено 4 отверстия, то можно приблизительно положить К01 4с). В этом случае имеем следующую оценку для диаметра отверстия с!:

Показано, что стабилизатор рассмотренного типа пригоден для гаше» пульсации давления заданной частоты при соответствующем выборе ме его расположения на линии трубопровода. Оптимальное расположе! стабилизатора на линии трубопровода зависит от частоты пульсаций давлени

Пятая глава посвящена экспериментальным исследовани эффективности работы стабилизаторов давления и содержит четы подраздела.

В первом разделе описывается универсальный экспериментальный сте для исследования эффективности работы и оптимизации параметр стабилизатора давления в трубопроводах паро- и газоснабжения. Разработа методика и выбрана измерительная аппаратура для экспериментальш исследований. Проведены исследования динамики потока высоких параметр со стабилизатором и без него.

Во втором разделе изложены результаты экспериментально исследования пульсаций давления в паровом потоке. Исследования пульсащ давления на паровом стенде проводились в следующем диапазоне изменеш параметров: давления Р=5,0; 6,0; 7,0 МПа;

температуры Т=350-430°С; скорости V = 75; 69; 54 м/с. Диапазон частот от 0 х 3200 Гц. Максимальная амплитуда пульсаций давления равнялась 0,2 МПа.

2

_ 4.

L ~ сТ

, /(ПО

а >-

сГ

(

Максимальное значение коэффициента затухания достигалось при Р= 5,0 МПа и V = 54 м/с и равнялось 7,58. Исследование показало, что применение стабилизатора данной конструкции позволяет уменьшить амплитуду пульсаций

давления до 8 раз.

В третьем и четвертом разделах приведены материалы исследования эффективности гашения пульсаций давления и вибраций трубопроводов в газовых компрессорных установках при промышленной эксплуатации стабилизаторов в технологических линиях производства кислорода на ПО "Нитрон" (г.Саратов), метанола в АК "Азот" (г.Новомосковск). После установки стабилизаторов амплитуда пульсаций и вибрация трубопроводов

уменьшились в 7 раз. ' ...... ,

Стабилизаторами . аналогичной конструкции оснащены компрессорные установки ВСГ М-40 на заводе олигомеров ПО "Нижнекамскнефтехим". Установка стабилизаторов позволила снизить уровень пульсаций в 5 раз.

Стабилизаторы для газовых и паровых сред были успецшо„ внедрены в газоперерабатывающем Управлении "Шуртангаз" (г.Карши, Узбекистан) в узлах замера расхода газа с рабочим давлением' 6 МПа. ' >-■ ,

Стабилизатор давления внедрен в гидравлической системе закачки бурового раствора при бурении газовой скважины в полевых условиях на буровой №71 Бухарского Управления буровых работ треста "Узбекбургаз" ПО "Средазгазпром". Эксперименты были осуществлены в ходе оснащения стабилизатором линий нагнетания насоса УВН-600А. Рабочее давление в линии нагнетания 5,0 МПа. Имели место пульсации давления с частотой 18 Гц, амплитуда которых достигала 2,0 МПа.

Стабилизатор давления обеспечивает снижение амплитуды колебаний в линии нагнетания - в 7 раз. Это снижение обеспечивает надежную безаварийную работу трубопроводной системы закачки бурового раствора в плзст. , • ,. ,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе полученных в работе результатов молено сделать следующие наиболее общие выводы:

1. Экспериментальными исследованиями установлено, что прибурении нефтяных и газовых скважин насосно-компрёссорные трубы и трубопроводы закачки бурового раствора в пласт подвергаются высоким знакопеременным динамическим нагрузкам, которые с вероятностью до, 16,2% приводят к возникновению аварийных ситуаций, сопровождающихся прямым неблагоприятным воздействием на окружающую среду: разливом экологически опасных компонентов! бурового раствора, изливом из устья скважины пластовых вод с высокой степенью минерализации (до 400 г/л),

загрязнением подземных вод вследствие поглощения промывочной ' жидкости и бурового раствора.

2. ' Установлено, что основной причиной _ повреждений газопроводов

являются волновые и вибрационные процессы, а одним из главных источников их возбуждения - поршневые компрессорные установки, что приводит к разрушению соединений, разгерметизации уплотнений, разрыву отдельных участков трубопровода и' возникновению аварийных ситуаций с выбросами газа в окружающую среду, возникновением взрыво- и пожароопасных ситуаций. Значительная часть трубопроводов служит от 15 до 35 лет, поэтому ежегодный прирост аварийности в 90-х годах составляет от 5 до 7%.

3. Предложены новые типы конструкций стабилизаторов давления для защиты трубопроводных систем закачки бурового раствора в пласт и газовых магистралей от аварийных ситуаций вследствие колебаний давления. Принцип действия разработанных конструкций основан на распределенном по длине трубопровода диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на пульсирующий поток. С помощью разработанных конструктивных • решений обеспечена самоочистка • стабилизатора давления от частиц твердой фазы, содержащихся в буровом растворе. На одно из разработанных устройств получен патент РФ.

4. Разработана математическая модель вынужденных колебаний в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт со стабилизатором давления, позволяющая проводить проектные расчеты по оптимизации параметров конструкции стабилизатора с целью обеспечения требуемого коэффициента сглаживания пульсаций давления. Разработаны методы проектного расчета и обоснования параметров упругих элементов стабилизатора давления с использованием аналитических зависимостей и номограмм.

5. Разработана математическая модель волновых процессов в газопроводной системе со стабилизатором диссипативного типа, позволяющая оптимизировать параметры отверстий распределенной перфорации. Теоретически подтверждена возможность снижения амплитуда пульсаций давления при использовании предложенного стабилизатора.

6. Разработан стенд для исследования эффективности стабилизаторов давления, на котором экспериментально подтверждено, что стабилизаторы диссипативного типа обеспечивают снижение амплитуды пульсаций давления не менее чем в 7 раз.

" Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

. Колесников К.С., Низамов Х.Н., Дербуков Е.И., Низамова Г.Х.. Стабилизатор давления. Патент РФ №2133905 // Бюллетень изобретений. -1999. -№21.

!. Низамова Г.Х., Липин A.B. Новые средства защиты безрасходных магистралей от волновых процессов //Нефтепромысловое дело. - 1997. -№ 4-5. - С. 36-42.

Низамова Г.Х., Липин A.B. Средства обеспечения безаварийной работы трубопроводов систем контроля и технологической автоматики // Сборник трудов РИА. Секция «Инженерные проблемы стабильности и конверсии». -выпуск 6: «Методические материалы по проблемам эффективности вооружений, трансфера технологий двойного назначения, обеспечения ' экологической безопасности окружающей природной среды». - М., 1998. - С. 71-78.

Низамова Г.Х., Дербуков Е.И. Математическое моделировагшс динамических .процессов в трубопроводных системах со стабилизатором давления //Нефтепромысловое дело. -1997. - №1. - С.32-35. i. Положительное ..решение о выдаче патента РФ по заявке №98104993/06(004.185) от 02.03.98 «Стабилизатор давления». Авторы: Низамов Х.Н., Дербуков Е.И., Применко В.Н., Липин A.B., Низамова Г.Х. МПК 6 F16L55/04.

). Тагасов В.И., Липин A.B., Низамова Г.Х. Исследование вынужденных

колебаний давления и расхода в трубопроводных системах// Нефтепромысловое дело. - 1997. - № 6-7. - С. 24-30. К Тагасов В.И., Низамова Г.Х. Экспериментальное исследование стабилизаторов давления для паро- и газопроводов //Труды II Межвузовской конференции Актуальные проблемы экологии: Тезисы докладов. - М.: Изд-воРУДН, 1996. -С.95-97.

Низамова Гузяль Хавасовна (Россия)

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДОВ С ПОРШНЕВЫМИ НАСОСАМИ И КОМПРЕССОРАМИ ОТ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Предложены новые типы конструкций стабилизаторов давления дли \J защиты трубопроводных систем закачки бурового раствора в пласт и газовы; /v магистралей от аварийных ситуаций вследствие колебаний давления Разработана математическая модель вынужденных колебаний в гидросистем! закачки бурового раствора в пласт со стабилизатором давления, позволяюща проводить проектные расчеты по оптимизации параметров конструкци) стабилизатора с целью обеспечения требуемого коэффициента сглаживанш пульсаций давления, а также математическая модель волновых процессов i газопроводной системе со стабилизатором диссипативноро, типа и методик; оптимизации параметров отверстий расцределенной перфорации. Разрабопи стенд для исследования эффективности стабилизаторов давления, на которог экспериментально подтверждено, что стабилизаторы диссипативного- тип обеспечивают снижение амплитуды до 7 раз, что позволяет обеспечит безаварийную эксплуатацию газопроводов и уменьшить потери природньг ресурсов при транспортировке.

Nizamova Guzel Khavasovna (Russia)

DEVELOPMENT OF MEANS OF PROTECTION OF PIPELINES WITH PISTON PUMPS AND COMPRESSORS FROM EMERGENCIES

The new types of designs of stabilizers of pressure for protection с pipeline systems of a pumping chisel solution in a layer and gas highways fror emergencies owing to fluctuations of pressure are offered. The mathematics model of the compelled fluctuations in hydrosystem закачки of a chis< solution in a layer with the stabilizer of pressure allowing is developed t spend design accounts on optimization of parameters of a design of th stabilizer with the pmpose of maintenance of demanded factor of smoothing of pulsations of pressure, and also mathematical model of wave processes i gas-pipeline system with the stabilizer of a dissipative type and technique < optimization of parameters of apertures of the allocated punching. The stan for research of efficiency of stabilizers of pressure is developed, on whic experimentally is confirmed, that the stabilizers of a dissipative type provic decrease(reduction) of amplitude to 7 times, that allows to ensure trouble-fh operation of gas pipelines and to reduce losses of natural resources ; transportation.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГИДРОСИСТЕМЕ ЗАКАЧКИ БУРОВОГО РАСТВОРА В ПЛАСТ И СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ.,.

1.1. Характеристики волновых процессов в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт.

1.2. Современные средства защиты гидросистем закачки бурового раствора в пласт.

ГЛАВА 2. ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРУБОПРОВОДАХ С ГАЗОВЫМИ СРЕДАМИ И СРЕДСТВА ИХ ГАШЕНИЯ.

2.1.Существующие способы и устройства борьбы с пульсациями давления и расхода в компрессорных установках.

2.2. Перспективные средства демпфирования колебаний давления в газовых трубопроводах.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ГИДРОСИСТЕМЕ ЗАКАЧКИ БУРОВОГО РАСТВОРА В

ПЛАСТ СО СТАБИЛИЗАТОРОМ ДАВЛЕНИЯ.

З.1., Математическая модель волновых процессов в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт без стабилизатора и со стабилизатором давления.

3.2. Проектный расчет параметров стабилизатора давления

3.3. Расчет конструктивных параметров упругих элементов.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТАБИЛИЗАТОРА ДАВЛЕНИЯ ДИССИПАТИВНОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ГАЗОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Решение поставленной задачи методом разложения в ряды Фурье по времени.

4.3. Исследование найденного решения и обсуждение полученных результатов.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ ДАВЛЕНИЯ.

5.1. ' Экспериментальное исследование стабилизаторов давления для газопроводов.

5.2. Результаты экспериментального исследования пульсаций давления в паровом потоке.

5.3. Трубопроводы газовых компрессорных установок.

5.4. Внедрение стабилизаторов давления в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт.

Актуальность проблемы. Диссертационная работа посвящена вопросам защиты окружающей природной среды и рационального использования природных ресурсов на основе защиты трубопроводных систем от аварийных ситуаций при бурении газовых и нефтяных скважин и перекачке газовых и жидкостных сред по трубопроводам.

Многие месторождения нефти и газа характеризуются аномально высоким пластовым давлением. Технология разбуривания таких месторождений требует непрерывной закачки в скважину бурового раствора, в который входят: глина, вода, нефть, каустическая сода, унищелочной реагент (иногда возможно добавление барита). Процентный состав компонентов строго не определен, поэтому плотность бурового раствора колеблется от 1200 до 1300 кг/м , а при добавлении барита может достигать 2000 кг/м3. В состав оборудования закачки бурового раствора обычно входят один или два двухпоршневых насоса, имеющие следующие характеристики: диаметр поршня 170 мм, номинальная подача 30 м3/ч, предельное давление 14,5 МПа.

При бурении нефтяных и газовых скважин быстровращающимся турбобуром в насосно-компрессорных трубах, заполненных буровым раствором, закачиваемым двумя поршневыми насосами, генерируются циклические возмущения с амплитудой колебаний равной почти 50% рабочего давления.

В стационарном режиме работы бурового насоса УНВ-600А в гидросистеме закачки должно обеспечиваться номинальное давление 5,0 МПа. Эксперименты, проведенные на буровой №71 Бухарского управления буровых работ ПО "Средазгазпром" показали, что в гидросистеме закачки (внутренний диаметр 107 мм, длина с учетом глубины скважины 2800 м) относительно номинального уровня 5,0 МПа имели место пульсации давления с частотой 18

Гц, амплитуда которых достигала 2,0 МПа. При пуске и останове насоса амплитуда изменялась пропорционально давлению.

Таким образом, трубопроводы системы закачки подвергаются высоким знакопеременным динамическим нагрузкам, которые возрастают с ростом среднего давления, что приводит к раскрытию фланцевых соединений; сильным вибрациям трубопровода, сопровождающимся разрывами в месте установки насоса; отрыву гибкого шланга и турбобура в узлах крепления; разрушению обсадных труб и породы; выходу из строя манифольдов; частичному и катастрофическому поглощению промывочной жидкости и тампонажного раствора; нарушению резьбовых соединений скважинных труб вследствие их изгибных колебаний. Последствия таких аварий связаны с разливом в систему сбора сточных вод или непосредственно в окружающую среду экологически опасных компонентов бурового раствора, таких как каустическая сода, унищелочной реагент, барит. В наиболее серьёзных авариях происходит отрыв турбобура, при этом насосно-компрессорные трубы приходится заменять.

По данным ВНИИСПТнефть, общая вероятность возникновения аварийных ситуаций на 1000 м проходки в нефтегазовой промышленности в разведочном бурении составляет 16%, а в эксплуатационном - 3%, неуправляемых нефтегазопроявлений приходится один случай на 1000 скважин. Аварии при бурении сопровождаются как прямым, так и косвенным неблагоприятным воздействием на окружающую среду. Поглощение промывочной жидкости и бурового раствора может стать причиной загрязнения подземных вод. При нарушении устойчивости пород увеличивается непредусмотренное образование отходов бурения - буровых вод и шламов. Излив из устья скважины пластовых вод с высокой степенью минерализации (до 400 г/л) даже в случае их попадания в систему сбора сточных вод существенно усложняет проблему оборотного водоснабжения. Вследствие волновых процессов в импульсных трубках контрольно-измерительных приборов ухудшение точности измерения отпущенных объёмов перекачиваемой среды достигает до 20%. Это приводит к непроизводительным потерям газа, ложным срабатываниям автоматики защиты насосных и компрессорных станций вследствие кратковременных динамических забросов давления. Экономический эффект от устранения влияния волновых процессов на работу контрольно-измерительных приборов обусловлен повышением точности отпущенных объемов газа.

Рациональное использование добываемого газа, предотвращение его непроизводительных потерь во многом зависит от успешного решения актуальной проблемы совершенствования существующих и создания новых конструкций компрессорных установок, используемых в газовой, нефтяной и нефтехимической промышленностях. Повышение производительности и увеличение мощностей этих установок часто приводят к возникновению неустановившихся движений рабочих сред в трубопроводах, которые сопровождаются ударными процессами, вынужденными и автоколебаниями, приводящими к высоким вибрационным нагрузкам на элементы системы. Эти процессы приводят к различным негативным явлениям:

- снижение ресурса, мощности и КПД компрессорных установок, потеря прочности и работоспособности их узлов и элементов, уменьшение надежности и долговечности работы трубопроводов;

- разрушение соединений, разгерметизация уплотнений, разрыв отдельных участков трубопровода и возникновение аварийных ситуаций с выбросами газа в окружающую среду (установлено, что основным видом разрушения трубопроводов являются волновые и вибрационные процессы, а одним из главных источников возбуждения - поршневые компрессорные установки);

- утечка перекачиваемого газа по стыкам и фланцевым соединениям трубопроводов, что сопровождается возникновением взрыво- и пожароопасных ситуаций;

Устранение перечисленных негативных явлений позволит снизить степень загрязнения окружающей среды и существенно уменьшить непроизводительные потери добываемого газа вследствие снижения количества аварийных ситуаций в трубопроводных системах.

В Российской Федерации протяженность магистральных газо-, нефте- и продуктопроводов составляет 200 тыс.км., а промысловых - 350 тыс.км. Для их обслуживания используются около 800 компрессорных и нефтегазоперекачивающих станций. Значительная часть трубопроводов служит от 15 до 35 лет, поэтому вероятность разрывов трубопроводов вследствие вибрационных нагрузок с каждым годом возрастает на 5%-7%.

Трубопроводы имеют значительную пространственную кривизну, сосредоточенные в промежуточных сечениях гидравлические сопротивления (дроссельные шайбы, клапаны, задвижки, компенсаторы, датчики, манометры и т.п.). Большие длины трубопроводов являются причиной возникновения пульсаций давления с большой амплитудой в момент включения и выключения нагнетательных установок, отсечных клапанов, задвижек.

Пульсации давления снижают пропускную способность трубопроводов, а гидравлическое сопротивление и внутреннее трение при этом значительно возрастают, вследствие больших мгновенных скоростей. Например, колебания давления в нагнетательных трубопроводах поршневых компрессоров в межступенчатых коммуникациях приводят к дополнительной потере мощности до 40% от индикаторной мощности, повышению температуры нагнетания газа, ухудшению работы клапанов, увеличению нагрузки на детали цилиндров и механизм движения, нарушению герметичности предохранительных клапанов, искажению показаний расходомеров, манометров и т.д.

Одним из основных путей обеспечения надежной, экономичной и безаварийной работы таких машин является предупреждение и устранение колебаний, возникающих в основном в результате периодического характера работы насосных и компрессорных установок.

Целью диссертационной работы является: уменьшение непроизводительных потерь добываемого природного газа и устранение загрязнения окружающей среды агрессивными растворами, используемыми в технологии его добычи, на основе разработки технических средств предупреждения аварийных ситуаций в трубопроводах вследствие волновых и вибрационных процессов, возникающих в процессе их эксплуатации.

Поставленная цель достигается путём исследования волновых процессов в трубопроводных системах с поршневыми насосами и компрессорами, уменьшения их интенсивности за счет изменения параметров трубопроводной системы (податливости, приведенного гидравлического сопротивления, введения диссипативных элементов и предкамеры для расширения потока), выбора технических принципов реализации средств гашения волновых и вибрационных процессов - стабилизаторов давления, оптимизации их параметров, разработки практических устройств и исследования их эффективности.

Научные положения. На защиту выносятся следующие основные научные положения и разработки:

- принципиально новые конструкции стабилизаторов давления для защиты жидкостных и газовых трубопроводов с поршневыми насосами и компрессорами от аварийных ситуаций;

-математическая модель волновых процессов в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт без стабилизатора давления и со стабилизатором;

-математическая модель стабилизатора давления для сжимаемых сред (газ, пар, воздух), предназначенных для защиты газо- и паропроводов от разрывов;

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

- результаты экспериментального исследования волновых процессов в трубопроводной системе закачки бурового раствора в пласт при бурении газовой скважины и при эксплуатации газовых (паровых) трубопроводов в стендовых и реальных условиях без стабилизатора и со стабилизатором, подтверждающие возможность обеспечения безопасной эксплуатации бурильной установки, газовых и паровых трубопроводов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации достигается использованием современных математических методов в области гидромеханики, волновой механики и газовой динамики, соответствием теоретических и экспериментальных результатов (расхождение 7-10%), полученных с использованием современных технических средств и методов обработки; надежной работой разработанных стабилизаторов в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт и в узлах замера расхода газа.

Экспериментальные исследования образцов стабилизаторов давления проводились на Бухарском Управлении буровых работ (буровая №71) ПО "Средазгазпром", стабилизаторы давления для паровых и газовых сред прошли успешные испытания в натурных и стендовых условиях и внедрены в газоперерабатывающем Управлении "Шуртангаз" (г.Карши, Узбекистан) в узлах замера расхода газа с рабочим давлением 6 МПа.

Научное значение работы заключается в том, что полученные зависимости между характеристиками возбудителей колебаний, характеристиками трубопроводной системы и требуемой эффективности гашения волновых, вибрационных и ударных процессов позволяют определить оптимальные значения параметров СД и его элементов.

Практическое значение работы заключается в том, что разработанные конструктивные схемы, технические принципы их реализации и практические устройства - стабилизаторы давления - позволяют в значительной мере исключить аварии в трубопроводах от возмущений, вызванных работой поршневых нагнетательных установок, изменением режима их работы, срабатыванием запорной арматуры, аварийными отключениями подачи электропитания и т.д.

Теоретическое обоснование, технические принципы реализации и методика определения основных характеристик СД носят универсальный характер и могут быть применены для трубопроводных систем различного назначения.

Тема диссертации соответствует направлению госбюджетных и хоздоговорных работ, выполняемых на кафедре "Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности" Российского Университета дружбы народов.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй межвузовской конференции "Актуальные проблемы экологии" (г.Москва, 1996г. РУДН), конференции "Геоэкология в нефтяной и газовой промышленности" (г.Москва, 1995г. ГАНГ им. Губкина), на семинаре академика Чёрного Г Г. в Институте Механики МГУ (г.Москва, 1993г.) и на конференции в Российской Инженерной Академии (секция "Инженерные проблемы стабильности и конверсии", г.Москва, 1998г,).

По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, получен патент РФ, получено положительное решение по заявке на изобретение. и

Состояние проблемы и цель исследования. Проблемы, связанные с неустановившимся движением сжимаемых жидкостей в трубах, постоянно привлекали внимание отечественных и зарубежных исследователей.

Впервые задача о нестационарном ламинарном движении несжимаемой жидкости без предположения о квазистационарности профиля скорости была решена с помощью рядов еще в 1882 г. И.С. Громекой, где трение учитывалось в исходных дифференциальных уравнениях. Однако числовые результаты для этого решения были получены только в XX в.

Основы движения неустановившегося движения жидкости в напорных трубопроводах были заложены еще Н.Е.Жуковским [16,17]. Он рассмотрел течение невязкой жидкости, составил дифференциальные уравнения ее движения и для ряда задач получил результаты, которые легли в основу дальнейшей разработки теории напорного и безнапорного течений вязкой жидкости. С помощью этой теории удалось объяснить ряд физических явлений, получивших название гидравлического удара. В них был заложен фундамент современных методов расчета элементов конструкций трубопроводов.

В работе Н.Е.Жуковского [16] показано, что задачу о движении сжимаемой жидкости в упругом цилиндрическом трубопроводе можно свести к задаче о движении сжимаемой жидкости в жестком трубопроводе, но с меньшим модулем упругости жидкости. Это обстоятельство учитывается введением эффективной скорости звука. Метод определения эффективной скорости для более сложного поперечного сечения приведен в работе К.Г. Асатура [1].

В работах М.А.Мосткова [30,31] развита теория гидравлического удара применительно к трубопроводам гидростанций и гидроэнергетического оборудования, рассмотрены граничные условия и предложены методы расчета для простых и разветвленных трубопроводов.

Весьма подробная библиография работ по неустановившемуся движению и исторический очерк развития теории гидравлического удара содержится в работах А.А.Сурина [47], Н.А.Картвелишвили [10], Мартина [28], Гудсона и Леонарда [13].

Довольно большое количество работ посвящено экспериментальному изучению динамики трубопроводных систем, в частности, исследованию профилей скорости при нестационарном движении [15,40,53].

Л.С.Лейбензоном [24] были впервые рассмотрены периодические колебания давления в длинных трубопроводах, оборудованных поршневыми насосами с учетом сжимаемости жидкости. Им была получена формула для определения ударного давления при нестационарном течении жидкости, позволяющая учесть неравномерное распределение скорости по сечению. В дальнейшем эта формула была уточнена И.Ф.Ливурдовым в работе [25], где учитываются потери на трение от выравнивания скорости в сечении трубопровода при торможении потока.

Теория неустановившегося течения жидкости в трубах с учетом ее вязкости была создана И.А.Чарным. Система дифференциальных уравнений И.АЛарного [55], описывающая движение жидкости в трубопроводе, использует гипотезу квазистационарности, впервые принятую С.А.Христиановичем для расчета неустановившегося течения в открытых руслах. Гипотеза заключается в том, что сила трения жидкости о стенку трубы в нестационарном режиме принимается такой же, как и при стационарном течении со скоростью, равной мгновенной скорости рассматриваемого нестационарного движения [54].

Используя полученные уравнения, И.А.Чарный исследовал волновые процессы, протекающие в простом трубопроводе, а также в трубопроводе с простой камерой (воздушным колпаком) с учетом сил трения (длинный трубопровод) и без учета сил трения (короткий трубопровод).

Созданная И.А.Чарным теория неустановившегося движения жидкости 1 напорном трубопроводе в настоящее время нашла широкое применение.

Развитие работ по энергетическим установкам различного назначение привело к интенсификации исследований по теории колебаний жидких 1 газообразных сред в трубопроводах, результаты которых изложены в трудах

B.В.Болотина [3], А.П.Владиславлева [6], Р.Ф.Ганиева и Х.Н.Низамова [7,8,9] Б.Ф.Гликмана [12], П.А.Гладких и С.А.Хачатуряна [11], М.А.Гусейн-Заде [57. 58], К.С.Колесникова [19,20], Д.Н.Попова [42], В.П.Шорина [56].,

C.С.Кутателадзе и М.А.Стыриковича [23], М.А.Ильгамова [18], М.С.Натанзона [33], В.В.Пилипенко [41], В.А.Светлицкого [46] и др.

В монографии [20] рассматривается динамика пространственно изогнутых участков трубопровода с жидкостью, гидравлический удар и способы понижения частот собственных колебаний жидкости в трубопроводах.

В монографии К.С.Колесникова [19] исследованы продольные колебания ракеты с жидкостным ракетным двигателем. Там же рассмотрены методики расчета элементов топливной магистрали с сосредоточенными параметрами, которые имеют широкое прикладное значение.

Методика расчета собственных колебаний жидкости в сложных разветвленных трубопроводах, создана коллективом под руководством В.А.Махина [29]. Исследования провалов давления в трубопроводах приведены в работах М.С.Натанзона [33].

Вынужденные колебания сжимаемой жидкости исследовались в работах [10, 11, 19, 33, 56] и др.

Анализ теоретических работ, посвященных динамике жидкости в трубопроводах, показывает, что основное внимание в них уделялось вопросам расчета колебаний давления и расхода жидкости в простых трубопроводах и в системах с воздушными колпаками и аккумуляторами давления [6,10,11]. В то же время многочисленные экспериментальные исследования [9,20,56] выявили существенное влияние на управление динамическими процессами диссипативных элементов (сосредоточенная перфорация и распределенная перфорация) и геометрических параметров трубопроводной системы. Методы расчета волновых процессов в трубопроводах с гасителями (сосредоточенная перфорация и упругость) предложены в работах [11,20]. Задача анализа волновых процессов в трубопроводах с распределенными диссипативными элементами и упругими элементами различных типов поставлена в работах [8,9], где предложен ряд соответствующих методик расчета. Вместе с тем, необходимо отметить, что для газовых магистралей указанная задача не получила пока исчерпывающего решения.

Трубопроводная система нагнетательных установок представляет собой упругую конструкцию, состоящую из прямых участков труб, поворотов, арматур, тройников, патрубков и средств крепления - опор. Их вибрация возникает вследствие переменных нагрузок, сопровождающих работу нагнетательных установок. Различают две причины вибрации трубопроводов и аппаратов: первая - кинематическое возбуждение, обусловленное механическими вибрациями корпуса насоса или компрессора, которые передаются на примыкающие к цилиндрам компрессора или входам насоса участки трубопроводов, или на опоры отдаленных участков; вторая - пульсирующий поток и акустические колебания жидкости и газа в трубопроводах [5,45,52]. Особенно высокие значения вибрации возникают при эксплуатации компрессорных установок. Необходимость изучения основных динамических характеристик трубопроводов компрессорных установок определяется высокими требованиями к их прочности и надежности работы.

Исследования показывают [5], что вибрация опор с амплитудой 0,15 - 0,2 мм может вызвать в условиях резонанса опасные колебания трубопровода.

В этой же работе показано, что устранение пульсаций давления может увеличить в несколько раз срок службы клапанов.

Периодические изменения давления жидкости и газа вследствие взаимодействия рабочей среды с трубопроводом могут вызвать механические колебания трубопроводов, связанного с ним оборудования и опорных конструкций.

При резонансных условиях под действием продольных волн могут возникать резонансные колебания трубопроводной системы [45]. Анализ многочисленных работ по неустановившимся движениям жидкости (или газа) показывает, что задача защиты трубопроводов от волновых и вибрационных процессов по-прежнему является актуальнейшей проблемой для различных отраслей промышленности.

Особое внимание уделялось изучению резонансных колебаний трубопроводных систем.

В работах Б.Ф.Гликмана [12], К.С.Колесникова [19] предложены методы подавления резонансных частот и способы понижения частот собственных колебаний в жидкостных магистралях путем установки на входах в насосы податливых элементов - демпферов. В монографии [20] выделены следующие три способа снижения частот собственных колебаний жидкости в трубопроводах:

- понижение распределенной упругости жидкости путем вдува в жидкостную магистраль газа;

- понижение распределенной упругости трубы путем замены материала

Л Л. 1. •/ А-/ X трубы на другой, с меньшим модулем упругости;

- введение сосредоточенной упругости за счет установки специальных устройств - гидравлических и газовых демпферов.

В этой же работе представлены конструктивные варианты газовых, пружинных, сильфонных и смешанных демпферов применительно к жидкостным магистралям.

В работе В.В.Пилипенко и М.А.Натанзона [41] рассматривается влияние газовых демпферов, установленных в расходных магистралях, на колебания давления на входах в насосы при работе мощных энергетических установок.

Средства защиты от колебаний давления в трубопроводах излагаются в монографии В.П.Шорина [56]. Здесь описываются гасители колебаний различных типов и принципов работы: газожидкостные гасители емкостного типа, гасители типа параллельного резонансного контура, гасители инерционного принципа действия и гасители с активным волновым сопротивлением.

В монографии П.А.Гладких и С.А.Хачатуряна [11] описываются конструкции гасителей пульсаций давления, используемые в газопроводах. Они предлагают использовать в газовых магистралях с поршневыми компрессорными установками три основных вида реактивных гасителей пульсаций давления: 1) ответвленный резонатор; 2) кольцевой гаситель низких частот; 3) камерный гаситель верхних частот.

В литературе имеется ряд фундаментальных работ, в которых

ГЧОЛГ»»* оттчигг» ОТПТГ»ГГ ТОГЧГ»а'ГТЖТТОЛ1Л1*0 ПГ»ТТЛЛТ Т ППЛТТОТО Т/-ЛПО^ОТТ1>Т* ГТГЧТОТ/ТУГ» II Т»Т1 ^Г>ОТТТ1Т1 рач/аI рпоад; 1 Ч/Л 1 1 .гтс^хч-п^ и^пиош лу^сиапш! пихилио хк спирацш1! систем, вызванных возвратно-поступательным движением поршней. К ним относятся классические исследования С.П.Тимошенко [50] и Д.Рэлея [44].

Одним из распространенных типов гасителей пульсаций давления являются различные резонансные звукопоглощающие системы. Изучением таких систем и созданием методов расчета гаситей успешно занимался С.Н.Ржёвкин [43]. Резонатор представляет собой замкнутую полость с жесткими стенками, сообщающуюся через узкий канал с трубопроводом, в котором необходимо устранить вредные пульсации давления.

Снижение уровня пульсаций давления в трубопроводной системе на практике ведется путем изменения конструкции трубопроводов, уменьшения возмущающих сил за счет уравновешивания ротора насоса и компрессора, увеличения толщины стенок, виброизоляции трубопроводов от источников возбуждения, рациональной укладки трубопроводов и опор. Как правило, такие способы оказываются весьма дорогостоящими.

А.А.Самарин [45] предлагает использовать известные способы гашения пульсаций давления, апробированные в других областях техники, и для теплоэнергетического оборудования.

В трубопроводах компрессорных установок для управления волновыми и вибрационными процессами в настоящее время используются следующие средства: изменение схемы, размеров трубопровода и аппаратов, а также рациональное взаимное расположение цилиндров и фаз их воздействия на трубопровод; установка дроссельной диафрагмы; установка пустотелых камерных гасителей или буферных емкостей; применение акустических фильтров-резонаторов.

Наиболее важными для практики являются два последних способа, т.к. с изменением схемы, размеров трубопроводов и их формы изменяется собственная частота колебаний, но резонанс, устраненный при одних числах оборотов, возникает при других; установка дроссельной диафрагмы приводит к значительному ослаблению колебаний давления, но при этом возникают дроссельные потери, поглощающие значительную часть мощности компрессора.

Широкое распространение в поршневых компрессорах получили буферные емкости. Их эффективность определяется объемом, а принцип работы основан на рассеивании энергии колебаний. Установлено [11], что наилучшее гашение имеет место при установке буферной емкости непосредственно у цилиндра компрессора, т.к. по мере удаления от цилиндра гасительные свойства ее ухудшаются. Методы расчета емкостей приведены в работах [5,11]. Эффективность буферной емкости может быть увеличена путем введения дополнительных активных сопротивлений, например, диафрагмы. При этом объем гасителя может быть уменьшен.

Недостатком гасителей типа буферных емкостей является то, что они позволяют сгладить поток в трубопроводе лишь за собой. Кроме того, размещение буферных емкостей необходимых размеров в многоступенчатых компрессорах с большим числом цилиндров сопряжено с о ОЛЬШИIV! И трудностями из-за ограниченного места. При этом растут габариты и металлоемкость компрессорных установок.

Акустические фильтры применяют в наиболее ответственных случаях, когда требуется значительное снижение амплитуды колебаний давления. Они сложнее по конструкции и более трудоемки в изготовлении, чем буферные емкости. Потери энергии в этих гасителях большие. Конструктивно они состоят из ряда камер, перегородок и перфорированных трубок для прохода газа [5, 11, 56]. Определение их размеров и отработка конструкций ведутся, в основном, конструктивно. Другие недостатки аналогичны буферным емкостям.

В системах смазки и уплотнений центробежных компрессоров для сжатия природных, токсичных и агрессивных газов широко используются плунжерные и аксиально-поршневые насосы. При этом возникают такие же проблемы гашения пульсаций, как и в поршневых компрессорах. Эти проблемы наиболее остро стоят в компрессорах высокого давления. Дело в том, что пульсации давления могут привести к автоколебаниям системы поддержания перепада давления "масло-газ" и, следовательно, к разгерметизации уплотнений. Большие колебания давления и гидравлические удары могут возникнуть при запуске и останове насосов, при переключении в аварийных режимах с основных на резервные насосы. Для уменьшения колебаний давления в этих случаях широко используются так называемые аккумуляторы давления.

Однако для стабилизации высокого давления требуются большие объемы подушек, что приводит к существенному увеличению габаритов. В связи с этим требуются специальные новые конструктивные решения.

Из проведенного обзора и анализа существующих конструкций демпфирующих устройств (воздушные колпаки, аккумуляторы давления, гасители различных типов, ресиверы, дроссельные шайбы) следует, что описанные средства имеют следующие недостатки:

- отсутствие диссипативных элементов не позволяет обеспечить требуемое снижение амплитуды колебаний давления;

- невозможность использования их в агрессивных средах из-за пожароопасности;

- большие времена и неудовлетворительные качества регулирования переходных процессов;

- вследствие сосредоточенных параметров устройства не обеспечивается восстановление пониженного давления (провала) в системе;

- нельзя использовать их для стабилизации колебаний давления многорежимных систем (при скачкообразном изменении рабочего давления).

Таким образом, создание новых технических средств защиты трубопроводов от волновых и вибрационных процессов является актуальной задачей применительно к системам добычи и транспортирования газа. Её решение позволит уменьшить непроизводительные потери природного газа и устранить загрязнение окружающей среды в процессе его добычи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе полученных в работе результатов можно сделать следующие наиболее общие выводы:

1. Экспериментальными исследованиями установлено, что при бурении нефтяных и газовых скважин насосно-компрессорные трубы и трубопроводы закачки бурового раствора в пласт подвергаются высоким знакопеременным динамическим нагрузкам, которые с вероятностью до 16,2% приводят к возникновению аварийных ситуаций, сопровождающихся прямым неблагоприятным воздействием на окружающую среду: разливом экологически опасных компонентов бурового раствора, изливом из устья скважины пластовых вод с высокой степенью минерализации (до 400 г/л), загрязнением подземных вод вследствие поглощения промывочной жидкости и бурового раствора.

2. Установлено, что основной причиной повреждений газопроводов являются волновые и вибрационные процессы, а одним из главных источников их возбуждения - поршневые компрессорные установки, что приводит к разрушению соединений, разгерметизации уплотнений, разрыву отдельных участков трубопровода и возникновению аварийных ситуаций с выбросами газа в окружающую среду, возникновением взрыво- и пожароопасных ситуаций. Значительная часть трубопроводов служит от 15 до 35 лет, поэтому ежегодный прирост аварийности в 90-х годах составляет от 5 до 7%.

3. Предложены новые типы конструкций стабилизаторов давления для защиты трубопроводных систем закачки бурового раствора в пласт и газовых магистралей от аварийных ситуаций вследствие колебаний давления. Принцип действия разработанных конструкций основан на распределенном по длине трубопровода диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на пульсирующий поток. С помощью разработанных конструктивных решений обеспечена самоочистка стабилизатора давления от частиц твердой фазы, содержащихся в буровом растворе. На одно из разработанных устройств получен патент РФ.

4. Разработана математическая модель вынужденных колебаний в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт со стабилизатором давления, позволяющая проводить проектные расчеты по оптимизации параметров конструкции стабилизатора с целью обеспечения требуемого коэффициента сглаживания пульсаций давления. Разработаны методы проектного расчета и обоснования параметров упругих элементов стабилизатора давления с использованием аналитических зависимостей и номограмм.

5. Разработана математическая модель волновых процессов в газопроводной системе со стабилизатором диссипативного типа, позволяющая оптимизировать параметры отверстий распределенной перфорации. Теоретически подтверждена возможность снижения амплитуды пульсаций давления при использовании предложенного стабилизатора.

6. Разработан стенд для исследования эффективности стабилизаторов давления, на котором экспериментально подтверждено, что стабилизаторы диссипативного типа обеспечивают снижение амплитуды пульсаций давления не менее, чем в 7 раз.

1. Асатур К.Г. Гидравлический удар в трубопроводах с диаметром и толщиной стенки, непрерывно меняющимися по длине. Изв.АН Арм.ССР,- т.З, №3, 1950.

2. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. 4-е изд. М.: Машиностроение, 1993. - 639 с.

3. Болотин В.В. Неконсервативные задачи теории упругой устойчивости. М.: Физматгиз, 1961.

4. Бутковский А.Г. Методы управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1975. - 568 с.

5. Видякин Ю.А., Доброклонский Е.Б., Кондратьева Т.Ф. Оппозитные компрессоры. Л.: Машиностроение, 1979. - 280 с.

6. Владиславлев А.П., Козобков A.A., Малышев В.А. Трубопроводы поршневых компрессорных машин. М.: Машиностроение, 1972. - 288 с.

7. Ганиев Р.Ф., Кобаско Н.И. Колебательные явления в многофазных средах и их использование в технологии. Киев: Техника, 1980. - 143 с.

8. Ганиев Р.Ф., Низамов Х.Н., Дербуков Е.И. Волновая стабилизация и предупреждение аварий на трубопроводах. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1996. - 258 с.

9. Ганиев Р.Ф., Низамов Х.Н. и др. Стабилизация колебаний давления в трубопроводных системах энергетических установок. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1993. - 183 с.

10. Гидравлический удар и уравнительные резервуары. /Под ред. H.A. Картвелишвили. М.: Наука, 1968. - 248 с.

11. Гладких П.А., Хачатурян С.А. Предупреждение и устранение колебаний нагнетательных установок. М.: Машиностроение, 1964. - 275 с.

12. Гликман Б.Ф. Математические модели пневмогидравлических систем. М.: Наука, 1986.-356 с.

13. Гудсон. Леонард, Обзор методов моделирования переходных процессов в гидравлических линиях. ТОИР, 1972, №2.

14. Двухшерстов Г.И. Гидравлический удар в трубах некругового сечения в потоке жидкости между упругими стенками.// Ученые записки МГУ. Сер. Механика. 1948. Т.11, вып.122. С. 15-76.

15. Denison Е.В., Stevenson W.H. Oscillatory flow measurements with a directionally sensitive laser velosimeter. The Review of Scientific Instruments, 1970, v.41, №10.

16. Жуковский H.E. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах. М.; Л.: Гостехиздат, 1949. - 103 с.

17. Жуковский Н.Е. Собрание сочинений: В 7 т. М.; Л.: Гостехиздат, 1949. Т.2: Гидродинамика. - 763 е.; Т.З: Гидравлика. Прикладная механика. -700 с.

18. Ильгамов М.А. Колебания упругих оболочек, содержащих жидкость и газ. -М.: Наука, 1969.- 182 с.

19. Колесников К.С. Продольные колебания ракеты с жидкостным ракетным двигателем. М.: Машиностроение, 1971. - 260 с.

20. Колесников К.С., Самойлов Е.А., Рыбак С.А. Динамика топливных систем с ЖРД. -М.: Машиностроение, 1975.- 169 с.

21. Кубенко В.Д., Ковальчук П.С., Подчасов Н.П. Нелинейные колебания цилиндрических оболочек. Киев: Вища школа, 1989. — 208 с.

22. Кутателадзе С.С., Стырикович М;А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976. - 296 с.

23. Лейбензон Л.С. Собрание трудов. М.: Изд.АН СССР, Т.З, 1955. - 678 е.; Т.4, 1956.-396 с.

24. Ливурдов И.Ф. Неустановившееся движение жидкости в трубах с переменным и постоянным поперечным сечением: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. -М., 1956. -8 с.

25. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. - 848 с.

26. Максимов В.А., Прунцов A.B., Шнепп В.Б. и др. Современные методы стабилизации колебаний давления и расхода газожидкостных сред в компрессорных установках. М.: Изд-во ЦИНТИхимнефтемаш, 1983.- 36 с.

27. Мартин. Современное состояние теории переходных гидравлических процессов. ТОИР, 1973, №2.

28. Махин В.А., Пресняков В.Ф., Велик Н.П. Динамика жидкостных ракетных двигателей. -М.: Машиностроение, 1969. 384 с.

29. Мостков М.А., Башкиров A.A. Расчеты гидравлического удара. М.; -Л.: Госэнергоиздат, 1952. - 200 с.

30. Мостков М.А. Гидравлический удар в гидроэлектрических станциях.- М.; Л.: ГОНТИ, 1938. - 148 с.

31. Мясников М.П., Низамова Г.Х. Расчет стабилизатора давления диссипативного типа/ Отчет №4286 Института Механики МГУ. 1993. -42 с.

32. Натанзон М.С. Продольные автоколебания жидкостной ракеты. М.: Машиностроение, 1977. -208 с.

33. Низамова Г.Х., Дербуков Е.И. Математическое моделирование динамических процессов в трубопроводных системах со стабилизатором давления//Нефтепромысловое дело, 1997, №1, С.32-35.

34. Низамова Г.Х., Липик A.B. Новые средства защиты безрасходных магистралей от волновых процессов// Нефтепромысловое дело, 1997, №4-5, С.36-41.

35. Низамов Х.Н., Дербуков Е.И., Хатмуллин Ф.Х. и др. Стабилизатор давления. Патент РФ № 2083908// Открытия. Изобретения. 1997. №19 (II ч.).

36. Низамов Х.Н., Колесников К.С., Низамова Г.Х. и др. Стабилизатор давления. Патент РФ №2133905// Бюллетень изобретений. 1999. №21.

37. Низамов Х.Н., Применко В.Н., Галюк В.Х. и др. Стабилизатор давления для магистральных нефтепроводов. A.c. СССР №1789824, класс F16L55/04,1993.

38. Olimi М., Usui Т., Fukawa М., Harasaki S. Pressure and velocity distribution in pulsating turbullent pipe flow. Experimental investigations. Bull. JSME, 1976, V.19, №134.

39. Пилипенко B.B., Задонцев В.А., Натанзон M.C. Кавитационные автоколебания и динамика гидросистем. М.: Машиностроение, 1977. -351 с.

40. Попов Д.Н. Нестационарные гидромеханические процессы. М.: Машиностроение, 1982. - 238 с.

41. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. М.: Изд-во МГУ, 1960.

42. Рэлбй Д.В. Теория звука: В 2 т. М.: Гостехиздат, 1955. Т.1. 504 е.; Т.2. -476 с.

43. Самарин A.A. Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения. М.: Энергия, 1979. - 286 с.

44. Светлицкий В.А. Механика трубопроводов и шлангов. М.: Машиностроение, 1982. - 280 с.

45. Сурин A.A. Гидравлический удар в водопроводах и борьба с ним. М.: Трансжелдориздат, 1946. 371 с.

46. Тагасов В.И., Низамова Г.Х. Исследование вынужденных колебаний давления и расхода в трубопроводных системах// Нефтепромысловое дело, 1997, №6-7, с.24-30.

47. Тагасов В.И., Низамова Г.Х. Экспериментальное исследование стабилизаторов давления для паро- и газопроводов/ Труды II Межвузовской конференции «Актуальные проблемы экологии». М.: Изд-во РУДН, 1996. С.95-97.

48. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967. -444 с.

49. Феодосьев В.И. Расчет тонкостенных трубок Бурдона эллиптического сечения энергетическим способом. М.:Оборонгиз, 1940. - 94 с.

50. Фролов К.В. и др. Колебания элементов аксиально-поршневых гидромашин. М.: Машиностроение, 1973. - 279 с.

51. Harris J., Peev G., Wilkinson W.L. Velocity profiles in laminar oscillatory flow in tubes. J. of Scientific Instruments, 1969, v.40, №2.

52. Христианович C.A., Михлин С.Г., Девисон Б.Б. Неустановившееся движение в каналах и реках. Математическая теория пластичности/ Под ред. Н.Е.Кочина. М.; - Л.: Изд-во АН СССР, 1938. - 407 с.

53. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. 2-е изд. М.: Недра, 1975. - 296 с.

54. Шорин В.П. Устранение колебаний в авиационных трубопроводах. -М.: Машиностроение, 1980. 155 с.

55. Юфин В.А., Гусейн-Заде М.А. Методы расчета неустановившегося течения в магистральных нефтепроводах с промежуточными насосными станциями. М.: Наука, 1973. - 70 с.127

56. Юфин В.А., Гусейн-Заде М.А. Трубопроводный транспорт нефти и газа. М.: Недра, 1978. - 324 с.