CC BY
56
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук., ассистент, kute-pov.sergei@mail.т, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
ON THE INTERACTION OF HYDROGEN WITH LATTICE DEFECTS IN METALS AND
ALLOYS
N.N. Sergeev, S.N. Kutepov
The hydrogen interaction with the crystal lattice defects. Shows the classification hydrogen traps in terms of their energy levels and the effect of hydrogen trapping on the hydrogen diffusion coefficient in steel are studied.
Key words: hydrogen traps, hydrogen diffusion, binding energy.
Sergeev Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical sciences, kutepov. sergei@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
УДК 621.643.03; 665.61
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ ТРУБОПРОВОДОВ
О.Н. Петров, А.Н. Сокольников, В.Г. Шрам, В. А. Балясников, Д. В. Агровиченко
Представлена конструкция сброса избыточного давления перед запорной арматурой магистрального нефтепровода, возникающего при ее закрытии, в резервуар для собственных нужд на нефтеперекачивающей станции. Приведена последовательность монтажа предложенной конструкции на примере предохранительного клапана СППК5. Рассмотрены вопросы появления гидравлического удара, явления кавитации. Подробно описаны процессы, происходящие в трубопроводе при срабатывании запорной арматуры.
Ключевые слова: магистральный трубопровод, запорная арматура, задвижка, предохранительный клапан, резервуар сброса.
Магистральные нефтепроводы предназначены для транспортировки товарной нефти и нефтепродуктов (в том числе стабильного конденсата и бензина) из районов их добычи (от промыслов) производства или хранения до мест потребления (нефтебаз, перевалочных баз, пунктов налива в цистерны, нефтеналивных терминалов, отдельных промышленных предприятий и НПЗ). По характеристикам трубопровод должен обладать высокой прочностью, необходимы антикоррозионное и диэлектрическое покрытие, а также полная герметичность всех стыков нефтепровода.
141
Результаты исследования и их обсуждения. Перекачка нефти и нефтепродуктов производится под высоким давлением. При эксплуатации трубопровода могут возникать различные аварийные ситуации, связанные с повышением давления в трубопроводе, которые приводят к частичному или полному разрушению трубопровода или трубопроводной арматуры: нарушение герметичности сварных швов или фланцевых соединений; разрушение уплотнительного материала в седлах клиновой задвижки и т. д. [1, 2]. Поэтому необходим поиск решений и устройств, позволяющих срабатывать при превышении расчетного давления жидкости в трубопроводе и сбрасывать избыточное давление в аварийные емкости [3, 4].
Объектом исследования является трубопроводная арматура в магистральных трубопроводах.
Новизна данной работы состоит в том, что в Российской Федерации до сих пор не принимались решения проблемы сброса избыточного давления, возникающего перед запорной арматурой при ее срабатывании, и как следствие, бывают случаи аварийного разрушения запорной арматуры при герметично закрытом затворе.
Жидкость, текущая в трубе, имеет запас кинетической энергии [5]. Если мгновенно перекрыть поток жидкости затвором крана, то преобразованная энергия резко вызовет повышение давления - это и есть гидравлический удар. Гидравлический удар - неустановившееся движение жидкости с резкими колебаниями давления. При гидроударе могут произойти разрушение стенок трубопровода, клина задвижки, нарушение герметичности фланцевых соединений, повреждение сварных стыков трубопровода. Теория гидроудара была представлена Н. Е. Жуковским в 1898 году [6, 7].
При гидроударе скорость, давление и плотность жидкости изменяется во времени и по длине трубопровода.
При закрытии задвижки жидкость вследствие ее сжимаемости останавливается не вся сразу, а слой за слоем. Поэтому гидравлический удар -это волновой процесс (рис. 1).
Упруга не только жидкость, текущая в трубопроводе, своим модулем упругости обладает и материал трубы. Упругость стенок также влияет на процесс гидравлического удара и соответственно на скорость распространения волны. В трубопроводе с абсолютно жесткими стенками волна распространяется со скоростью акустических волн в жидкой среде:
с = 0 (1) где с0 - скорость распространения волн в жидкой среде,
Е
с<? =
(2) Р
где Е - модуль упругости жидкости; р - плотность жидкости.
Рассмотрим диаграмму давлений для сечения трубопровода у задвижки (рис. 2). Условное начало отсчета времени - точкаТ0 - соответствует моменту мгновенного закрытия задвижки.
142
Рис.1. Процесс волнообразования жидкости в трубе
Т0=2Ч
-л Р
Ро
кс
д Р
Т0
I =0
ь
с
2Ь с
4Ь с
61 с
8Ь с
10Ь с
Рис. 2. Диаграмма давлений для сечения трубопровода
Прохождение ударной волны регистрируется скачками давления на диаграмме. В остальные равные промежутки времени, которые называются фазами удара, давление по отношению к начальному либо повышенное, либо пониженное. Период циклических колебаний массы жидкости при гидравлическом ударе равен сумме фаз пониженного и повышенного давлений.
Гидравлический удар, который начинается с волны повышенного-давления, называют положительным, если же удар начинается с пониженного давления, то такой удар называется отрицательным. Такой удар возникает, например, по другую сторону задвижки, при резком ее закрытии из-за сильного понижения давления сплошность жидкости может быть нарушена, в этом случае говорят о гидравлическом ударе с разрывом сплошности потока.
До тех пор, пока давление не достигнет давления насыщенных паров жидкости, ее упругость сохраняется, следовательно, и гидравлический удар остается упругим.
Если же расчетное ударное давление больше или равно разнице первоначального давления в трубопроводе и давления насыщенных паров, то сплошность жидкости нарушается. Возникает гидравлический удар с разрывом сплошности потока.
При этом минимальное давление равно давлению насыщенных паров жидкости, а максимальное ударное давление может быть больше, чем найденное по формуле Жуковского.
Фазы повышенного и пониженного давления не симметричны относительно уровня начального давления. На протяжении фазы пониженного давления в жидкости образуются пустоты, развивается процесс кавитации.
Гидравлический удар с разрывом сплошности потока может возникнуть при внезапной остановке насоса для подачи нефти в магистральный трубопровод [8]. Подача жидкости насосом прекращается, а ее движение в трубопроводе продолжается по инерции. Насос с обратным клапаном выполняет роль задвижки в начале трубопровода. При мгновенном закрытии задвижки возникает «отрицательный» гидроудар с разрывом сплошности потока.
Кавитация - нарушение сплошности жидкости с образованием полостей, заполненных газом, паром или их смесью. Газ растворен в жидкости и выделяется из нее при понижении давления. Пары жидкости образуются не только при ее нагревании, но и при быстром снижении давления до определенного уровня, что по аналогии называют холодным кипением.
При отрицательном гидравлическом ударе, когда давление в трубопроводе понижается до атмосферного, начинается выделение растворенного в жидкости газа, образуются газовые пузырьки - каверны. Дальнейшее падение давления до уровня давления насыщенных паров резко активизирует образование парогазовых или паровоздушных каверн.
Оторвавшаяся от задвижки жидкостная колонна возвращается к месту разрыва. Каверна, схлопываясь, вызывает резкое повышение давления, что может привезти к разрушению стенок трубопровода [9].
144
Для защиты сосудов, аппаратов, емкостей, трубопроводов и другого технологического оборудования от разрушения при чрезмерном превышении давления чаще всего применяют предохранительные клапаны. Предохранительный клапан обеспечивает безопасную эксплуатацию оборудования в условиях повышенных давлений газа или жидкости [10].
В данной работе к рассмотрению принят клапан СППК5 100-160. Следует понимать, что выбор должен быть подтвержден необходимыми расчетами.
Когда клапан закрыт, на золотник действует сила от рабочего давления жидкости, текущей в трубопроводе. Текущая жидкость стремится открыть клапан, но с обратной стороны на него давит пружина с большим усилием. С возникновением в системе возмущений, вызывающих повышение давления свыше рабочего, уменьшается величина силы притяжения пружиной золотника к седлу. В момент, когда сила притяжения становится равной нулю, наступает равновесие активных сил от воздействия давления в системе и пружины на золотник. Золотник начинает отрываться от седла, если давление в системе начнет превышать силу давления пружины на золотник. Далее происходит сброс рабочей среды через клапан через отводящий трубопровод до тех пор, пока давление в системе не уменьшится на 5 % от рабочего.
С понижением давления в защищаемой системе, вызываемом сбросом среды, исчезают возмущающие воздействия. Золотник под действием силы давления пружины возвращается обратно на седло.
При гидравлическом ударе максимальное давление в трубопроводе превышает нормальное гидродинамическое давление установившегося течения на дополнительное ударное давление.
Р = Р0 + АР, (3)
где Р - давление при гидроударе; Р0 - рабочее давление перекачки нефти; АР - ударное давление.
Ударное давление пропорционально плотности нефти в трубопроводе, скорости течения до удара и скорости распространения вдоль трубопровода волны гидравлического удара,
АР = р • с • д0 , (4)
где р - плотность перекачиваемой нефти, кг-м ; с - скорость распространения волны; - скорость течения нефти до удара, м/с.
Для трубопровода с упругими стенками скорость такой ударной волны меньше, но может достигать значения 1000 м/с:
с =
Е
ё • Е
Р-(1 + "-)
й- Е
и г.СТ
(5)
где Е и ЕСТ - соответственно модуль упругости нефти и материала трубопровода, Н/м ;ё - внутренний диаметр трубопровода, м.
Теперь необходимо рассмотреть техническое предложение для сброса избыточного давления, возникающего перед задвижкой в момент ее закрытия.
Для монтажа клапана необходимо внести в некоторые изменения в соединение трубопроводной арматуры, клиновой задвижки, с подводящим трубопроводом.
Монтаж включает в себя вырезку части трубы, приварку тройника, установку клапана, прокладку трубы отвода от клапана к резервуару; оп-рессовка, проверка на прочность и герметичность трубопровода.
Монтаж тройника начинается с перекрытия потока нефти в трубопроводе и откачки остатка нефти в нем. Это нужно для безопасной работы монтажников. Далее происходит раскручивание шпилек фланцевого соединения трубы и задвижки (рис. 2). После этого с помощью автокрана трубу поднимают и устанавливают ее на искусственную опору, сделанную из насыпи грунта, отрезают часть трубы длиной 1 метр [11].
а
п
б
й й
О"
г
Рис. 3. Процесс вырезки трубы: а - место разъединения фланцев; б - поднятая труба на опоре; в - место вырезки части трубы; г - труба с вырезанным участком
В заранее привезенной готовой трубе с приваренными к ней на заводе фланцами длиной 1 метр проделывают отверстие для приварки патрубка длиной 20 см с приваренным к ней фланцем. Затем тройник отчищают изнутри от окалины и мусора, устанавливают между трубой и задвижкой и прикручивают гайками к шпилькам типа М52х60 к трубе и задвижке.
Вырезка трубопровода может производиться машиной для безогневой резки труб, к примеру, марки СМ-307. Разделка кромок производится той же машиной. После проделанной операции по разделке кромок трубы к ней приваривают фланец, выбранный в соответствии с ГОСТ 12815 - 80 (рис. 4). На задвижку приварка фланца не требуется.
После приварки патрубка на него устанавливают клапан СППК5. Фланцы скручиваются гайками на шпильках типа М27х50.
Рис. 4. Собранная конструкция и тройник с клапаном: а - монтированный тройник с клапаном к трубе и задвижке; б - клапан, монтированный на тройник
Рис. 5. Собранная конструкция и тройник с клапаном: 1- клиновая задвижка; 2 - клапан СППК5100-160; 3 - отводящий трубопровод; 4 - магистральный трубопровод; 5 - тройник
Во время установки приварки фланцев и установки клапана производится прокладка отводящего трубопровода от резервуара к участку на трубопроводе, на котором будет установлен клапан.
Сброс жидкости производится по отводящему трубопроводу в резервуар для собственных нужд на нефтеперекачивающей станции [12]. В подводящий трубопровод в резервуаре монтируют тройник, к которому будет приварена труба-отвод, выходящая из клапана. Трубу-отвод диаметром 150 мм прокладывают подземным способом укладки на глубину 1 метр.
После прокладки трубы-отвода один конец трубы, к которому приварен фланец, соединяют с выходным фланцем патрубка клапана гайками и шпильками типа М27х50.
После монтажа тройника, прокладки и подключения трубопровода к резервуару, установки клапана проводятся испытания трубопровода на прочность и герметичность аналогично испытаниям магистральных трубопроводов, также проверяется исправность работы клапана путем создания давления до величины, на которое рассчитан клапан.
Выводы
1. Исследован процесс возникновения гидравлического удара, возникающий в линейной части магистрального трубопровода при закрытии запорной арматуры, и возможные виды разрушений, вызванных данным явлением.
2. Предложена конструкция сброса избыточного давления перед запорной арматурой, включающая тройник с фланцем, на который монтируется предохранительный клапан. К фланцу клапана крепится трубопровод-отвод для сброса избыточного давления в резервуар-сборник.
Список литературы
1. Коршак А. А. Основы транспорта, хранения и переработки нефти и газа. Ростов-на-Дону: Феникс, 2015. 366 с.
2. Лурье М.В. Задачник по трубопроводному транспорту, нефти, нефтепродуктов и газа: учебное пособие. М.: Издательский центр РГУНиГ им. И.М. Губкина, 2011. 336 с.
3. Иванцова С.Г. Концепция анализа риска резервуарных конструкций / С.Г. Иванцова, А.И. Рахманин, М.А. Тарасенко, П.Ф. Сильницкий. Управление качеством в нефтегазовом комплексе. 2011. №3. С. 31 - 35.
4. Бабкин В.Г., Абкарян А.К. Методы исследования, контроля и испытания материалов: учеб.пособие для вузов. Красноярск: СФУ, 2012. 213 с.
5. Вильнер Я.М. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. М.: Высшая школа, 1976.
148
6. Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах. М. - Л., 1949.
7. Мостков М.А., Башкирова А. А. Расчеты гидравлического удара. М. - Л., 1952.
8. Лурье М.В. Математическое моделирование процессов трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: учеб. пособие. 2-е. изд. М.: ИЦ РГУНиГ. 2012. 147 с.
9. Каверзин С.В. Курсовое и дипломное проектирование по гидроприводу самоходных машин: учеб.пособие. Красноярск: ПИК «Офсет», 1997. 384 с.
10. Васильев Г.Г. Управление проектами и организация строительства объектов магистрального трубопроводного транспорта: учеб.пособие / Г.Г. Васильев, А.М. Ревазов, Ю.Э. Кинцлер, Б.С. Ланге. М.: МПА-ПРЕСС, 2011. 314 с.
11. Коршак А. А. Нефтеперекачивающие станции: учеб.пособие для вузов. Ростов-на-Дону: Феникс, 2015. 270 с.
12. Резервуары для приема, хранения и отпуска нефтепродуктов: учебное пособие для вузов / Ю.Н. Безбородов [и др.]. Красноярск: СФУ, 2015. 108 с.
Петров Олег Николаевич, канд. техн. наук, доц., Petrov oleq a mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Сокольников Александр Николаевич, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, aso-kolnikovahk.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Шрам Вячеслав Геннадьевич, канд. техн. наук, старший преподаватель, shram IHrus a mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Балясников Валерий Александрович, асп., kanzas29a mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Агровиченко Дарья Валентиновна, ассистент, dashuta2806@mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
IMPROVEMENT OF OPERATION METHOD OF THE PIPELINE
O.N. Petrov, A.N. Sokolnikov, V.G. Shram, V.A. Balyasnikov, D.V. Agrovichenko
Presented overpressure relief design to the main oil pipeline shut-off valve, which occurs when it is closed to the tank for their own needs in the pumping station. The sequence of installation of the proposed construction of an example of the safety valve SPPK5. The questions of the appearance of water hammer, cavitation. It describes in detail the processes occurring in the pipeline when triggered valves.
Key words: trunk pipeline, valves, valve, safety valve, relief tank.
149
Petrov Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, Pe-trov oleqamail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Oil and Gas Institute,
Sokol nikov Alexandr Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, asokolnikovabk.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Oil and Gas Institute,
Shram Vyacheslav Genad'evich, candidate of technical sciences, Senior Lecturer, shram IHrus a mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Oil and Gas Institute,
Balyasnikov Valeriy Aleksandrovich, postgraduate, kanzas29a mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Oil and Gas Institute,
Agrovichenko Darsya Valentinovna, assistant, postdashuta2806@,mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Oil and Gas Institute
УДК 502; 502.3; 502.5; 502.34; 504.054; 574.2; 628.54; 608.2
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ РТУТЬСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ В КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ
В.В. Артемасов, М.Г. Мельман, И.Н. Паскарь
Рассмотрена технология приема, транспортировки и утилизации ртутьсо-держащих приборов основанная на патенте РФ на полезную модель №162292 от 13.05.2016 г. Применение данной приемо-измельчительной установки для ртутьсо-держащих ламп позволит повысить эффективность работы относительно используемых в настоящее время технологий в десятки раз.
Ключевые слова: Демеркуризация, экология, ртуть, техногенное загрязнение, ртутьсодержащие отходы, загрязнение ртутью, экологическая обстановка.
Ртуть (Hg, от лат. Hydrargyrum) - элемент шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Этому завораживающему металлу посвящено много тем, трудов, трактатов, большая часть которых до сих пор не переведена на русский язык. Человечество использует ртуть более 3000 лет.
