Гидроудар в трубопроводе: причины, последствия, способы предотвращения

Нестационарное движение жидкости в напорных трубопроводах вызывает формирование участков резкого изменения давления. Возникающие при скачкообразном росте или падении давления гидравлические удары (ГУ) приводят к развитию аварийных ситуаций за счет повреждений трубопроводов, насосных систем, соединительных элементов и арматуры. В случае трубопроводов нефтегазохимического назначения опасность аварий усугубляется негативными экологическими последствиями при попадании перекачиваемых продуктов в окружающую среду. В связи с этим актуальными являются исследования по разработке технических приемов, снижающих или устраняющих негативные последствия ГУ в трубопроводе. Целью данной статьи является систематизация представлений о последствиях ГУ и способах защиты трубопроводов и соответствующего напорного оборудования от ГУ.

Проектирование трубопроводов нефтегазохимического назначения с учетом вероятности возникновения ГУ и минимизации его последствий осложняется тем, что в отличие от водопроводных систем, перекачиваемые продукты имеют сложный, многокомпонентный состав, что затрудняет гидравлические расчеты и прогнозирование последствий нестационарного течения. В практике эксплуатации магистральных нефтепроводов, кроме форс-мажорных обстоятельств развития ГУ, зачастую возникает необходимость плановой остановки или подключения насосов. В таких случаях резкое изменение скорости перекачиваемой жидкости приводит к развитию волны повышенного давления в обратном направлении [1, с. 117].

В результате ГУ происходит рост динамической нагрузки на систему трубопроводов, запорных клапанов, крепежных элементов, упоров и пр. В связи с невозможностью полного исключения скачкообразных колебаний давления, необходимым остается сохранение динамики изменения давления в трубопроводах в пределах безопасных диапазонов. В зависимости от повышения или снижения давления последствия ГУ могут вызывать ряд необратимых повреждений. Так, при резком росте давления и возникновении ГУ возможны следующие последствия: разрыв трубы, нарушение сплошности креплений, возникновение повреждений насосов, фитингов, арматуры, фундаментов. В случае снижения давления возможны: образование вмятин на тонкостенных металлических или пластиковых трубах, отслоение их внутренней облицовки (например, цементно-песчаной), подсос посторонних жидкостей или воздуха через фланцы, муфты, сальники или сквозь зоны утечек. При этом в местах подсоса формируются участки повышенного давления за счет процессов микрокавитации [2, с. 64].

Оценка риска возникновения ГУ производится на основании измерений пульсаций давления и прогнозирования вероятности ударной волны. В этом случае применяют расчетные (уравнение Жуковского) и графические методы (метод Шнидера-Бержерона) исследований, а также средства программного обеспечения. В терминах физики принципы защиты от ГУ предполагают предотвращение перехода кинетической энергии движения потока в энергию упругой деформации. Защита напорных трубопроводов от скачкообразных перепадов давления включает ряд мероприятий, например:

• 1.    сброс части перекачиваемого продукта из основного трубопровода;

• 2.    устранение участков формирования вакуума, посредством впрыска воздуха или жидкой среды;

• 3.    расширение периода переходного течения перекачиваемого продукта без образования турбулентных потоков;

• 4.    снижение общей жесткости системы [3, c. 60].

При организации защитных мероприятий по первому способу, посредством сброса части перекачиваемой жидкости, возникает проблема сбора отводимых объемов. Действительно, в случае водопроводных систем отведение и сброс воды могут быть организованы непосредственно в окружающую среду, что недопустимо для продуктов нефтегазохимического профиля. В случае последних, необходима организация специальных резервуаров для слива жидкостей.

Для защиты от ГУ по такому принципу устанавливают систему предохранительных клапанов на входах перекачивающих станций, открытие которых происходит при превышении границы допустимого значения давления. Результатом такого мероприятия является сброс некоторого объема жидкостей в специальный резервуар и снижение давление в системе трубопроводов. Однако, возможность многократного применения такого способа защиты от ГУ ограничена размером резервуара [4, с.127].

Защита от ГУ путем сброса жидкости по первому способу или подачи среды по второму способу требует использования различных предохранительных устройств. В качестве таких предохранителей могут использоваться мембранные, колпаковые и клапанные системы. Так, на опасных участках трубопроводов, перед запорно-регулирующей аппаратурой    возможно    установление    разрывных    мембран.

Предохранительная система в таком случае имеет нож и надрезанную мембрану, при скачках давления происходит дополнительное разрезание мембраны ножом, а такой разрыв мембраны сопровождается подачей сигнала на задвижку. В качестве преимуществ мембран можно отметить низкую стоимость и точность срабатывания, а в качестве основного недостатка одноразовость изделия.

Нивелирование последствий ГУ возможно с применением газового колпака, где, в зависимости от перепада давления в трубопроводе, накапливается или впрыскивается обратно в трубу часть транспортируемого продукта. При этом, несмотря на простоту обслуживания и действия, колпаки практически не используются в связи с большими габаритами и сложностью контроля объема среды в колпаке. Наибольшее распространение среди предохранительных устройств получили различные пружинные клапаны. В общем виде действие клапанов заключается в поднятии пружины при возникновении скачков давления и отведении через образующееся пространство (между седлом клапана и запорным элементом) части трансформируемой среды. Увеличение скорости срабатывания клапана может быть достигнуто посредством использования не механических систем поднятия пружины, а газовых. Среди современных клапанных систем известны предохранители типа «Флексфло», «Данфло», а также клапаны с пилотным управлением «Моквелд» и с разгруженной пружиной «Манкенберг» [5, c. 39-50].

Для расширения периода переходного течения перекачиваемого продукта без образования турбулентных потоков и организации защиты по третьему способу устанавливают специальные системы подавления ГУ, имеющие в составе аккумулятор, позволяющий сдерживать скачки давления. Например, воздушная подушка гидро- или газового аккумулятора выступает как накопитель энергии. Если подушка отсутствует на выходе насоса, то кинетическая энергия трансформируется в упругую деформацию. Наличие воздушной подушки позволяет накопленной в ней энергии принять работу насоса и, в случае его аварийной остановки, подушка расширяется и подает жидкость в трубопровод. Существуют разнообразные конструктивные решения гасителей ГУ. Так, гасители дифференцированного действия с гидронагрузкой могут настраиваться автоматически на заданное давление в системе и срабатывать при возникновении отклонений давления [6, c. 770].

Последствия ГУ зависят также от материалов трубопровода, что требует снижения жесткости и хрупкости материалов системы и использования высокопрочных и, одновременно, эластичных конструкций, рассеивающих ударную энергию. Это достигается путем замены металлических труб на поливинилхлоридные, полиэтиленовые, а также путем применения различных оплеток из полиамидных, полиэфирных, стекловолоконных материалов.

Таким образом, для защиты трубопровода от последствий ГУ возможно применение комплекса подходов и предохранительных средств, включая организацию участков сброса или подачи среды; сглаживание скачков давления за счет специальных гидроаккумуляторов, мембран, колпаков, клапанов; использование материалов трубопровода, эффективно поглощающих и рассеивающих энергию удара.