CC BY
0
УДК 621.183.386
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-2-408-409
ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТОПЛИВНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Т.А. Енютина, Л.В. Кулагина, С.Г. Марченкова, М.М. Гафуров
Актуальность исследования обусловлена необходимостью улучшения способов защиты топливных трубопроводов от протечек на промышленных, нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих предприятиях. Известно, что трубопроводы являются самым безопасным и экономически целесообразным способом транспортировки энергетических продуктов, таких как природный газ, сырая нефть и другие виды топлива, однако аварии приводят к значительным негативным последствиям. Предлагается конструкция предохранительного устройства для перекрытия топливных трубопроводов при возникновении возгорания. При этом осуществляется автоматическое срабатывание устройства за счет использования в его конструкции пружины из материала с памятью формы.
Ключевые слова: топливный трубопровод, нефтепродукты, пружина из материала с памятью формы, нитинол, пожар.
Согласно данным Федеральной службы государственной статистики [1] среднесуточная добыча нефти в России в мае 2021 г. составила 10 431 тыс. баррелей. Это второй результат в мире. На первом - США (10 955 тыс. баррелей в день). На третьем - Саудовская Аравия (8 544 тыс. баррелей в день). Магистральные нефтепроводы являются самыми экономически рентабельными вариантом транспортировки нефтепродуктов. В настоящее время этапы проектирования, строительства и эксплуатации нефтепродуктов находятся на высоком техническом уровне. Однако, несмотря на это, полностью исключить аварии на нефтепроводах не удается. Федеральное Министерства энергетики РФ заявляет о более, чем 17 тыс. аварий с разливами нефтепродуктов, допущенными в 2019 году [2].
Почти 90% аварий на нефтепроводах происходит из-за коррозии труб, на долю износа труб приходится более 70 %. Многие промысловые трубопроводы эксплуатируются еще с советских времен, и без надлежащего обслуживания и своевременного ремонта количество разрывов трубопроводов будет расти год от года.
Чрезвычайные ситуации (ЧС), возникающие в случае возгорания при открытом фонтанировании газообразных или жидких горючих веществ из трубопроводов приводят к людским травмам или смертям, значительным материальным затратам и обширному ущербу для окружающей среды. окружающей среде [3-4]. Самоочищение водоёмов от нефтяного загрязнения — длительный процесс. Поэтому на ЧС нужно реагировать максимально оперативно, в идеале - предотвращая инциденты и минимизировать вероятность возникновения внештатной ситуации, способной привести к катастрофическим последствиям.
Предлагаемое устройство [5] может быть использовано в нефтегазовой промышленности как средство аварийного отключения нефтяных скважин и топливопроводов в случае пожара, а также как превентивное устройство для герметизации устьев скважин в аварийных ситуациях с целью предотвращения выброса нефти, распространения пожаров и загрязнения окружающей среды. В механизме автоматического срабатывания устройства используется пружина из материала с эффектом "памяти формы" (например, нитинола), которая удлиняет форму материала, когда температура достигает точки перехода.
Нитинол (55% никеля, 45% титана) обладает чётко выраженным свойством деформации при изменении температуры, причем диапазон температур можно регулировать от нескольких до десятков градусов, вводя в сплав различные примеси. Кроме того, нитинол легко обрабатывается, устойчив к коррозии и обладает выдающимися физико-механическими свойствами. Например, он имеет предел прочности на растяжение ав = 850 МПа, предел текучести ах = 195 - 690 МПа, более высокую демпфирующую способность, чем у чугуна, высокую пластичность (С = 100,15%), и способность «вспоминать» форму до миллиона раз [6].
Для проверки возможности использования пружин в предлагаемой конструкции была разработана испытательная установка с целью получения зависимости усилия F, Н, развиваемого пружиной, выполненной из материала с «памятью формы», от температуры Г, °С, то есть F = А(Г). Геометрические характеристики пружины приведены в табл. 1. Общий вид опытной установки приведён на рис. 1.
Рис. 1. Обищй вид опытной установки: 1 - площадка; 2 - стойка; 3 - нланка; 4 - шток; 5 - гайка «барашек»; 6 - крепление для температурного щупа; 7 - температурный щуп; 8 - цифровой термометр; 9 - упорная гайка; 10 - пружина; 11 - цифровые весы; 12 - технический фен; 13 - пластина из огнеупорного материала
Таблица 1
Основные геометрические характеристики пружины__
Характеристика Единица измерения Значение
Высота пружины в исходном состоянии мм 10
Максимальная высота в нагретом состоянии мм 18
Диаметр проволоки мм 1,8
Количество витков пружины шт 5
Внешний диаметр пружины мм 14
Устройство имеет платформу (1), на которой закреплен кронштейн (2). На кронштейне горизонтально закреплена перекладина (3), а через центр кронштейна проходит перекладина (4). Положение перекладины (4) относительно кронштейна (1) регулируется и фиксируется двумя гайками-"барашками" (5). К нижней части стержня (4) крепится термопара (6), а к цифровому термометру TM902C (8) подключается температурный зонд TTD-01 (7). На нижнем конце стержня закреплена фланцевая гайка (9) для позиционирования и центрирования тестируемой пружины (10); на платформе (1) установлены электронные весы DELTA KCE-22-F302 (11). Фен Dexter Power Technical HG-DP2000-LCD (12) используется для нагрева тестируемой пружины (10). Для того чтобы диск весов (11) не подвергался воздействию горячего воздуха, на диск весов устанавливается пластина (13) из огнеупорного материала. Результаты опытов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты опытов по определению усилий F, Н_
Установившаяся температура воздуха вблизи исследуемой пружины /, °С Усилие развиваемое пружиной F, Н
Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 Среднее значение
50 3,49 3,07 3,51 3,36
60 16,41 13,86 15,74 15,33
70 25,21 23,34 23,29 23,95
80 27,84 26,45 26,94 27,07
90 28,49 27,65 28,15 28,10
100 28,88 28,21 28,54 28,54
110 29,30 28,53 29,07 28,97
120 29,60 28,80 29,35 29,25
130 29,81 29,05 29,58 29,48
Для большей наглядности результаты представлены в виде графической зависимости (рис. 2). зз
.о
>' 12 -—
0
40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Температура воздуха, °С Рис. 2. График зависимости .Г =/($
Полученную зависимость Г = ХО можно представить методом кубической аппроксимации [7] в виде
уравнения
Г = 0,0001597222/3 - 0,0506915584/2 + 5,3176749639 / -155,5989177486 ,
причём ошибка составляет 2,1390226143375374868 %
Г = 0,000159/3 - 0,0507/2 + 5,318/ -155,596 ,
ошибка составляет = 7,2%.
Ниже представлена конструкция предохранительного устройства, схема которого в перекрытом положении представлена на рис. 3.
Устройство аварийного отключения топливопровода включает в себя корпус 1 с центральным каналом 2 и горизонтальным боковым выступом 3, встраиваемый в линию рабочего трубопровода с помощью фланцевых соединений (условно не показано). В корпусе 1 в поперечном направлении выполнен горизонтальный плашечный канал 4 прямоугольного поперечного сечения, проходящий через боковой выступ 3 и сообщающийся с центральным каналом 2. В горизонтальном плашечном канале 4 расположена плоская плашка 5 устройства, выполненная в виде диска, с возможностью возвратно-поступательного перемещения в нем и перекрытия центрального канала 2 с помощью механизма автоматического срабатывания, размещенного в корпусе 6. При этом корпус 6 механизма автоматического срабатывания устройства присоединен к боковому выступу 3 корпуса 1 соосно с горизонтальным плашеч-ным каналом 4 с помощью болтовых соединений. Плоская плашка 5 жестко соединена со штоком 7, на выходе кото-
409
рого из корпуса 1 выполнен уплотнительный узел 8, располагающийся между корпусами 1 и 6, последний из которых предназначен для монтажа элементов, необходимых для перемещения плоской плашки 5 устройства и образующих механизм автоматического срабатывания конструкции при пожаре вблизи устройства. На конце штока 7 установлен диск 9, расположенный в корпусе 6. Конец корпуса 6 закрыт торцевой крышкой 10, соединенной с корпусом 6 с помощью фланцевых соединений. В корпусе 6 также расположена пружина 11, один конец которой закреплен на диске 9, а второй - на торцевой крышке 10. При этом пружина 11 является приводным элементом и изготовлена из материала с эффектом «памяти формы», например, нитинола, с возможностью изменения формы, в частности увеличения длины пружины для осуществления перемещения плашки 5 при повышении температуры до температуры трансформации формы. Для улучшения теплообмена с окружающей средой поверхность корпуса 6 автоматического рабочего механизма устройства перфорирована.
Рис. 3. Принципиальная схема предохранительного устройства
Противопожарные свойства устройства заключаются в следующем. При эксплуатации топливных трубопроводов в стандартном безопасном режиме пружина 11 имеет исходную первоначальную длину, а плоская плашка 5 располагается в горизонтальном плашечном канале 4 в крайнем правом положении (по чертежу). При этом центральный канал 2 корпуса 1 открыт для прохода рабочего потока. При возникновении аварийной ситуации, в частности, пожара на скважине или в зоне расположения трубопровода, температура вблизи устройства резко повышается. Пружина 11, выполненная из материала с памятью формы и являющаяся приводным элементом механизма автоматического срабатывания, при нагревании изменяет форму, становится длиннее и воздействует на диск 9 штока 7, вследствие чего, соединенная со штоком 4 плоская плашка 5 перемещается влево и перекрывает центральный канал 2 корпуса 1, как показано на приведенном чертеже. Когда аварийная ситуация заканчивается, пружина 11 возвращается в исходное положение и рабочий поток возобновляет прохождение.
С целью определения характеристик пружины выполнен конструкторский расчёт предохранительного устройства [8] с использованием данных по физико-механическим свойствам нитинола (табл. 3).
Таблица 3
Результаты конструкторского расчёта предохранительного устройства_
Наименование величины Обозначение Размерность Значение
Давление в трубопроводе р МПа 1,0
Условный диаметр DT мм 40,0
Усилие затяжки сальника Ос Н 594,4
Сила трения между сальниковой набивкой и штоком Fc Н 274,6
Давление среды на плашку ßc Н 2374,6
Усилие, с которым рабочая среда «выдавливает» шток из устройства 0.шп Н 254,6
Усилие на штоке в момент открывания Qcr Н 1537,3
Усилие на штоке в момент закрывания бзкр Н 67i,i
Согласно [8], выбрана пружина расширения: диаметр прутка d = 7 мм, наружный диаметр Di = 40 мм, свободная длина Lo =160 мм, число витков n = 16, усилие пружины Fn = 2151 Н, артикул 3604.
Выводы:
1. Преимущество предлагаемого конструктивного решения для аварийного закрытия топливопроводов заключается в том, что оно достаточно простое в реализации, поскольку количество элементов в механизме автоматического срабатывания невелико, а в качестве исполнительного элемента используется пружина из материала с памятью формы.
2. Не требуется специального обслуживания, что снижает эксплуатационные расходы.
3. Техническими результатами внедрения этого оборудования стали расширение выбора технических мероприятий, применяемых для аварийного отключения топливопроводов, упрощение конструкции оборудования, повышение пожарной безопасности при эксплуатации нефтяных скважин и топливопроводов.
Список литературы
1. Сайт rosstat.gov.ru, Федеральная служба государственной статистики [Электронный ресурс] URL: https://rosstat.gov.ru/folder/70843/document/i2984l (дата обращения: 14.01.2024).
2. Сайт dprom.online, Журнал «Добывающая промышленность» [Электронный ресурс] URL: https://dprom.online/oilngas/avarii-na-nefteprovodah (дата обращения: 15.01.2024).
3. Енютина Т.А. Расчет и проектирование систем обеспечения безопасности: учеб. пособие / Т. А. Енюти-на, Л. В. Кулагина. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2022. 190 с.
4. Промтов М.А. Безопасная эксплуатация технологического оборудования : учеб. пособие / М.А. Пром-тов, В.Я. Борщев, Г.С. Кормильцин. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. 80 с.
5. Патент № 194845 Российская Федерация, МПК E21B 33/06 (2006.01), E21B 34/16 (2006.01), F16K 31/64 (2006.01). Устройство для аварийного отключения топливных трубопроводов: заявл. 25.02.2019: опубл. 25.12.2019 / Кулагина Т.А., Енютина Т.А, Забиров А.В., Калинич И.В., Марченкова С.Г.
6. Сайт wikipedia.org [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B8%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%BB (дата обращения: 15.01.2024).
7. Сайт strtool.ru_[Электронный ресурс]. URL:
https://strtool.ru/Catalog%20Lesiofors%2015%20Russian%20CTPnew.pdf (дата обращения: 15.01.2024).
8. ГОСТ 13772-86. Межгосударственный стандарт. Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения II галасса, разряда 3 из стали круглого сечения. Дата введения 1988-07-01. Переиздание (сентябрь 1999 г.) с Изменением N 1, утвержденным в ноябре 1988 г. (ИУС 2-89).
Енютина Тамара Афанасьевна, канд. техн. наук, доцент, tamara. taiga@yandex. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,
Кулагина Людмила Владимировна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,
Марченкова Светлана Георгиевна, канд. техн. наук, доцент, SMarchenkova@sfu-kras. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,
Гафуров Марат Мисютович, аспирант, [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет
SAFETYDEVICE FOR PROTECTING FUEL PIPES T.A. Yenutina, L.V. Kulagina, S.G. Marchenkova, M.M. Gafurov
The relevance of the study is due to the need to improve methods ofprotecting fuel pipelines from leaks at industrial, oil-producing, and oil-refining enterprises. It is known that pipelines are the safest and most cost-effective way to transport energy products such as natural gas, crude oil and other fuels, but accidents lead to significant negative consequences. A design of a safety device is proposed for shutting offfuel pipelines in the event of a fire. In this case, the device is automatically triggered due to the use of a spring made of shape memory material in its design.
Key words: fuel pipeline, petroleum products, spring made of shape memory material, nitinol, fire
Yenutina Tamara Afanas 'evna, doctor of technical sciences, docent, tamara. taiga@yandex. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,
Kulagina Liudmila Vladimirovna, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,
Marchenkova Svetlana Georgievna, doctor of technical sciences, docent, SMarchenkova@sfu-kras. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,
Gafurov Марат Мисютович, postgraduate, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal
University
