CC BY
39
УДК 622.691.4
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-6-23-28
ОЦЕНКА НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ВИБРАЦИЙ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРУБОПРОВОДЫ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ
ASSESSMENT OF THE NEGATIVE IMPACT OF LOW-FREQUENCY VIBRATIONS ON TECHNOLOGICAL PIPELINES OF COMPRESSOR STATIONS
Р.Р. Хайруллина, А.Р. Валеев
Уфимский государственный нефтяной техническийуниверситет, 450062, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9179-6742, E-mail: khayrullinaradmila@gmail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: anv-v@yandex.ru
Резюме: В статье приведен анализ влияния низкочастотных вибраций на техническое состояние трубопроводной обвязки компрессорных станций. В ходе исследования рассмотрены гипотезы возникновения низкочастотных колебаний в трубопроводах, произведены расчет акустических свойств трубопроводной обвязки цеха и проверка условий возникновения резонансных колебаний. Для рассмотрения условий режимов нагружения трубопроводной обвязки была создана численная модель в программном комплексе ANSYS Workbench. В результате работы была произведена оценка вероятности возникновения тупиковых колебаний в зависимости от условий эксплуатации и конструкции трубопроводов на компрессорных станциях, даны рекомендации по оптимизации положения входных кранов.
Ключевые слова: вибрация, вибродиагностика, трубопроводная обвязка, технологические трубопроводы, компрессорная станция, условия возникновения резонансных колебаний, моделирование, ANSYS.
Для цитирования: Хайруллина Р.Р., Валеев А.Р. Оценка негативного воздействия низкочастотных вибраций на технологические трубопроводы компрессорных станции // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 5-6. С. 23-28.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-6-23-28
В последние годы основное оборудование газовой системы подходит к концу срока эксплуатации и, хотя на смену устаревшим газоперекачивающим агрегатам приходят новые, в пользовании все еще находятся газоперекачивающие агрегаты (ГПА) с наработкой более 100 000 часов и трубы, прослужившие более 50 лет.
Трубопроводные системы компрессорных станций подлежат замене реже, так как процесс реконструкции чаще всего представляет собой замену устаревших ГПА на более совершенные. В особенности, своевременный контроль требуется оборудованию, не имеющему резервирования, что в первую очередь относится к трубопроводной обвязке (ТПО) компрессорных станций (КС). По этой причине сейчас становятся актуальными вопросы диагностики и контроля за техническим состоянием газотранспортной системы (ГТС).
Трудность диагностирования технологических трубопроводов компрессорных станций заключается в том, что эти
Radmila R. Khayrullina, Anvar R. Valeev
Ufa State Petroleum Technological University 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9179-6742, E-mail: khayrullinaradmila@gmail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: anv-v@yandex.ru
Abstract: The article presents analysis of the influence of low-frequency vibrations on the technical condition of compressor stations.The hypotheses of the occurrence of low-frequency vibrations in pipelines are considered during the study, the acoustic properties of the process piping and the resonant vibrations conditions are calculated. A computational model was created in the ANSYS Workbench software in order to estimate the loading conditions for process piping. As a result of the work, the probability of dead-end oscillations was estimated depending on the operating conditions and the design of pipelines at compressor stations, and recommendations were given for optimizing the position of the inlet cranes.
Keywords: vibration, vibration-based diagnostics, connection piping, industrial pipelines of compressor station, conditions of resonance vibration, modeling, ANSYS.
For citation: Khayrullina R.R., Valeev A.R. ASSESSMENT OF THE NEGATIVE IMPACT OF LOW-FREQUENCY VIBRATIONS ON TECHNOLOGICAL PIPELINES OF COMPRESSOR STATIONS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 5-6, pp. 23-28.
DOI:10.24411/0131-4270-2020-6-23-28
системы при взаимодействии комплексных переменно-постоянных нагрузок являются системами с распределенными параметрами. Это обстоятельство определяет принципиальную невозможность диагностирования причин изменения состояния только экспериментальными средствами, позволяющими получать диагностическую информацию в дискретных точках системы [1]. Поэтому для эффективного диагностирования таких систем необходимо сочетать прямые измерения с созданием математических моделей и моделей возмущения, которые позволят учесть большинство воздействующих факторов на объект [2].
Объектом исследования является трубопроводная обвязка КС-19А, расположенная на территории Республики Башкортостан. Обследование обвязки трубопроводов выявило изменение высотных отметок, которые, возможно, связаны с деформацией трубопроводов вследствие комплексного воздействия разрушающих факторов на обвязку. Такие деформации могут привести к повышенным уровням
Рис. 1. Схема расположения точек для снятия показаний
1
2
\
~ 3
Кр. 1
Таблица 1
Измеренные значения виброскорости, мм/с
№ ГПА Направление № точки
измерения 1 2 3 4
Верт. 4,25 1,22 0,13 1,11
31 (рез) Гориз. 12,22 4,10 0,11 2,59
Осев. - 16,87 0,12 16,33
Верт. 2,06 1,58 3,49 2,45
33 (рез) Гориз. 11,07 2,01 2,79 2,48
Осев. - 17,36 2,24 2,40
Примечание: полужирным шрифтом выделены значения, превышающие нормативные.
напряжения при изменении проектного положения опор. В связи с этим был проведен анализ напряженно-деформированного состояния обвязки трубопроводов для газоперекачивающих агрегатов, находящихся в резерве.
Измерения вибрации трубопроводов обвязки показали, что их уровень превышает допустимые нормы. Нормы показателей виброскорости для ТПО согласно [3, 4]: допустимо: до 11,2 мм/с; требует принятия мер: от 11,2 до 18 мм/с; недопустимо: свыше 18 мм/с. В табл. 1 приведены значения виброскорости с указанием точек с превышениями допустимых значений. Также по результатам нивелировки ТПО (рис. 1) были установлены превышения по уклонам на ГПА № 31 и 33, которые не были включены в работу.
Анализом спектров установлено, что частота доминирующей составляющей вибрации на ТПО кранов № 1 ГПА № 31-34 равняется 11,5 Гц.
Проверка вероятности возникновения низкочастотных «тупиковых» колебаний на станции была произведена из условий [3]:
- скорость газа в коллекторном тройнике у тупика должна быть больше критической скорости vкол > V;
- наличие минимум двух тупиков, присоединенных к одному коллектору, с отношением длин тупиков, близких к нечетному;
- отношение расстояния между соединениями тупиков с коллектором по оси коллектора к средней длине близко к четному (0; 2; 4).
Для определения собственной частоты колебаний системы, которая лежит в частотной области турбулиза-ции, определяемой скоростью потока и характеристикой неоднородностей, используется одно из ряда инженерных соотношений, позволяющее идентифицировать, какой из элементов может инициировать ненормативные колебания. Геометрия исследуемого объекта относится к типу «открытый конец - закрытый конец» [2]. В элементах ТПО такого типа, к которым относятся закрытые байпасные линии, закрытые линии всасывания и нагнетания неработающих
агрегатов, люки-лазы, могут возникать резонансные колебания газа на частотах, определяемых нечетным числом четвертей волн давления, равных эквивалентной длине элемента. Такие элементы являются наиболее распространенными инициаторами автоколебаний газа в обвязках КС с центробежными нагнетателями (ЦБН) большой мощности [5].
Конечно-элементное моделирование процесса в ANSYS
Для более глубокого исследования таких проблем, как низкочастотные колебания, наиболее целесообразным является совмещение инженерных средств расчета динамических процессов и результатов измерений параметров этих процессов в реальных схемах и режимах эксплуатации КС.
Оценка параметров вибрации ТПО выполняется методом расчетного моделирования в программном комплексе ANSYS Workbench с применением алгоритма, включающего последовательное использование нижеприведенных модулей:
- газодинамического CFX, предназначенного для трехмерного численного моделирования течений газа, которое позволяет получить значения параметров среды, таких как скорость, давление, температура и др., в каждой точке объекта исследования с учетом турбулентного параметра течения и геометрических особенностей ТПО [6];
- статического структурного Static Structural, который используется для расчета деформаций, напряжений и внутренних усилий, возникающих в ТПО под воздействием статических нагрузок (внутреннего давления);
- модального Modal, который используется для расчета параметров вибрации конечно-элементной модели трубопроводной обвязки при воздействии внутренних и внешних нагрузок.
Обвязка нагнетателей ГПА представляет собой систему трубопроводов с отводами, тройниками и запорной
4
I Рис. 2. Геометрия модели и схема расположения контрольных точек
I Рис. 3. Поле распределения давления по длине обвязки
I Рис. 4. Линии тока течения газа. Распределение скоростей
|Рис. 5. Поле распределения давления перед входом в работающий ГПА № 34
арматурой (рис. 2). При моделировании предполагалось, что нагнетатель является достаточно жестким и хорошо закрепленным элементом конструкции, поэтому всасывающий участок обвязки моделировался независимо. Для моделирования к максимально приближенным условиям по длине всасывающего коллектора было установлено эквивалентное закрепление, соответствующее размерам регулируемой опоры. Разработка конечно-элементной модели проводилась на основе конструкторской документации и с учетом индивидуальных размеров и расположения опор.
Анализ газодинамического расчета
По результатам расчетного моделирования определены следующие параметры:
- давление газа в заданных контрольных точках (рис. 3);
- скорость газа в заданных контрольных сечениях и структура газового потока (рис. 4, 5).
По характеру изменений линий тока (см. рис. 4) можно наглядно представить, как происходит задерживание молекул газа в глухих безрасходных участках. Также можно отметить зоны срыва потока газа и, как результат, завихрения в сложных неоднородных местах геометрии, таких как тройники и повороты на 90°.
По результатам анализа линий тока газа из всасывающего коллектора на вход в ГПА установлено, что газовый поток в пределах рабочих тройников имеет достаточно сложную структуру, характеризующуюся зоной пониженного давления и изменением направления скорости потока.
Анализ статического расчета
В качестве нагрузок на оболочку из стали 09Г2С выступал импорт давления из предыдущего гидродинамического модуля. В данном этапе вычислений определяются напряжения и деформации в ТПО, обусловленные воздействием давления потока газа на участках трубопровода.
Использована схема закрепления твердотельной модели путем установки регулируемых опор [7], соответствующих геометрическим характеристикам ОР 9.106.2130.000-04 по длине всасывающего коллектора и на участках входа отводов в нагнетатель перед краном № 1.
При анализе результатов статического расчета (рис. 6) наблюдается относительно равномерное распределение напряжения, исключая зону сварных швов тройников. Тройниковые соединения в процессе эксплуатации остаются наиболее напряженными и, как следствие, потенциально опасными. Также можно отметить зоны повышенной деформации (рис. 7), которые свидетельствуют об изменении проектного геодезического положения, описанного в результате обследования ТПО.
I Рис. 6. Тройниковая зона с максимальным напряжением (ГПА № 33)
I Рис. 7. Градиент распределения деформации
Total déformation, mm
6.11Э4 i.3667 ta Qerai
69668 5.ÎJ01 УИ 1,Н» С
I
Рис. 8. Полученные значения собственных частот системы в зависимости от формы колебаний
20-
Е 16-
СО
12-
о го ZT
840-
1
5 6
Форма колебаний
Таблица 2
Результаты модального расчета для собственной частоты ТПО
Форма колебаний fc, Гц
1 13,383
2 16,295
3 19,076
4 19,484
5 23,964
6 24,236
2
3
4
В ходе анализа напряженно-деформированного состояния элементов коллектора газа при действии внутренних и внешних нагрузок установлено следующее:
- уровень эквивалентных напряжений ТПО составляет от 33,7 до 689,5 МПа;
- максимальные эквивалентные напряжения (689,5 МПа) зафиксированы в тройнике к входу в ГПА № 33, находящегося в резерве, что свидетельствует о зарождении усталостных трещин;
- область значений деформации ТПО варьируется от 0 до 7,81 мм;
- максимальную деформацию испытывает тройник на вход в работающий ГПА № 32.
Расчет показывает, что технологические трубопроводы на линии всасывания и отводы имеют запас прочности [8]. Эквивалентные напряжения стенок трубопровода ниже предела прочности ств для стали 09Г2С (420 МПа) в два раза. Но в зонах тройниковых соединений зарегистрировано превышение предела прочности материала почти в 1,5 раза, что свидетельствует о возможности разрушения материала в данных участках [9].
Анализ модального расчета
Модальный анализ является расчетным средством для нахождения собственных частот и форм колебаний конструкции (рис. 8 и табл. 2), также он представляет собой важную составляющую любого динамического анализа, который позволяет оценить динамическое поведение конструкции.
В данный модуль были импортированы результаты статического расчета из предыдущего этапа.
Разница составила 16,2% между действительным значением первой гармоники fcд) = 11,5 Гц, измеренной на станции, и собственной частотой ТПО для первой формы колебаний, полученной в расчете. Следовательно, моделирование перекачки газа можно считать приближенным к реальным условиям.
Рекомендации по устранению возникновения автоколебаний
Для устранения превышений уклонов на входных трубопроводах ГПА № 31, 33 произвести высотную регулировку опор кранов № 1 [10].
Для устранения условий возникновения резонансных акустических «тупиковых» колебаний и, как следствие, повышенной вибрации входных линий неработающих ГПА предлагается:
- при расходах газа через КС-19А, близких к номинальным, выбирать по возможности режимы работы с загрузкой ГПА ст. № 31, 33;
- рассмотреть возможность изменения положения на всасывающем коллекторе тройников входных линий ГПА с целью устранения условий акустического резонанса;
- рассмотреть возможность изменения положения кранов № 1 на входных линиях ГПА с целью устранения условий акустического резонанса путем смещения крана ближе к всасывающему коллектору на 1,5-2,0 м.
Заключение
Для достижения поставленных целей:
- были получены результаты вибрационных исследований резонансного нагружения технологической обвязки компрессорной станции;
- результаты численных исследований неравномерности и колебаний параметров работы приводов во входном тракте ГПА на резонансную вибрацию;
- установлены закономерности влияния неоднородности потока газа в коллекторе ГПА на появление ненормативных колебаний трубопроводной обвязки;
- предложены конструктивные решения по повышению эффективности и надежности работы КС для снижения вероятности возникновения тупиковых колебаний.
В целях дальнейшего исследования планируется проверить эффективность смещения кранов № 1 для изменения отношения длин (плеч) тупиковых участков. В последующем будет возможно произвести оценку эффективности этих методов на рабочей модели, полученной в ходе данной работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шаммазов А.М., Мастобаев Б.Н., Сощенко А.Е. и др. Основы технической диагностики трубопроводных систем нефти и газа: учебник. СПб: Недра, 2009. 512 с.
2. Якубович В.А. Вибрационная диагностика трубопроводов компрессорных станций. М.: Недра-Бизнесцентр, 2004. 334 с.
3. СТО Газпром 2-2.3-324-2009 Диагностическое виброобследование технологических трубопроводов компрессорных цехов с центробежными нагнетателями. Нормы оценки и методы проведения работ. М.: Газпром экспо, 2009. 65 с.
4. Федеральный закон № 116 от 20.07.1997 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». URL: http://base.garant.ru/11900785/ (дата обращения 28.03.2020).
5. Бутусов Д.С. Исследование пульсации потока в технологических трубопроводах компрессорных станций магистральных газопроводов: дис. канд. техн. наук: 05.15.13 / Дмитрий Станиславович Бутусов. М., 2000. 202 с.
6. Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений. СПб: Изд-во БГТУ, 2000. 109 с.
7. Козаченко А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. М.: Нефть и газ, 1999. 463 с.
8. ГОСТ 32388-2013. Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчета на прочность, вибрацию и технологические.
9. СТО Газпром 2-3.5-454-2010 «Правила эксплуатации магистральных газопроводов». М.: Газпром экспо, 2010. 216 с.
10. Устюжанин А.В., Свердлик Ю.М., Репин Д.Г. Применение акустического анализа для исследования возбудимости тупиковых ответвлений в обвязках компрессорных станций // Газовая промышленность. 2018. № 1. С. 42-49.
REFERENCES
1. Shammazov A.M., Mastobayev B.N., Soshchenko A.YE. Osnovy tekhnicheskoy diagnostiki truboprovodnykh sistem nefti i gaza [Fundamentals of technical diagnostics of oil and gas pipeline systems]. St. Petersburg, Nedra Publ., 2009. 512 p.
2. Yakubovich V.A. Vibratsionnaya diagnostika truboprovodovkompressornykh stantsii [Vibration diagnostics of pipelines of compressor stations]. Moscow, Nedra-Biznestsentr Publ., 2004. 334 p.
3. STO Gazprom 2-2.3-324-2009 Diagnosticheskoye vibroobsledovaniye tekhnologicheskikh truboprovodov kompressornykh tsekhov s tsentrobezhnymi nagnetatelyami. Normy otsenki i metody provedeniya rabot [STO Gazprom 2-2.3-324-2009 Diagnostic vibration inspection of technological pipelines of compressor shops with centrifugal blowers. Assessment standards and work methods]. Moscow, Gazprom ekspo Publ., 2009. 65 p.
4. Federal'nyyzakon №116 ot 20.07.1997 «O promyshlennoy bezopasnosti opasnykh proizvodstvennykh ob»yektov» (Federal Law No. 116 of 20.07.1997 «On Industrial Safety of Hazardous Production Facilities») Available at: http:// base.garant.ru/11900785/ (accessed 28 March 2020).
5. Butusov D.S. Issledovaniye pul'satsii potoka v tekhnologicheskikh truboprovodakh kompressornykh stantsiy magistral'nykh gazoprovodov. Diss. kand. tekhn. nauk [Research of flow pulsation in technological pipelines of compressor stations of main gas pipelines. Cand. tech. sci. diss.]. Moscow, 2000. 202 p.
6. Belov I.A., Isayev S.A. Modelirovaniye turbulentnykh techeniy [Simulation of turbulent flows]. St. Petersburg, BGTU Publ., 2000. 109 p.
7. Kozachenko A.N. Ekspluatatsiya kompressornykh stantsiy magistral'nykh gazoprovodov [Operation of compressor stations of main gas pipelines]. Moscow, Neft' i gaz Publ., 1999. 463 p.
8. GOST 32388-2013. Truboprovody tekhnologicheskiye. Normy i metody rascheta na prochnost', vibratsiyu i tekhnologicheskiye [State Standard 32388-2013. Processing pipes. Standards and calculation methods for the stress, vibration and seismic effects].
9. STO Gazprom 2-3.5-454-2010 «Pravila ekspluatatsii magistral'nykh gazoprovodov» [STO Gazprom 2-3.5-454-2010 "Rules for operation of main gas pipelines"]. Moscow, Gazprom ekspo Publ., 2010. 216 p.
10. Ustyuzhanin A.V., Sverdlik YU.M., Repin D.G. Application of acoustic analysis to study the excitability of dead-end branches in the piping of compressor stations. Gazovaya promyshlennost', 2018, no. 1, pp. 42-49 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Валеев Анвар Рашитович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Хайруллина Радмила Радиковна, студент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Anvar R. Valeev, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Radmila R. Khayrullina, Student of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Oil Technical University.
