Повышение надежности и уровня безопасности эксплуатации систем газоснабжения

В последнее время с ростом вероятности возникновения техногенных катастроф повышаются нормативные требования к эксплуатации пожаровзрывоопасных объектов систем газоснабжения и, в частности, газопроводов, большое количество которых — разных диаметров и давлений — ежегодно вводится в работу в связи со строительством и развитием городов, поселков, предприятий. Фактором риска, способным привести к нештатным ситуациям, могут стать давление газа, вибрация и колебания вызванные установленными на газопроводах технологическими установками (компрессорами, насосами и т.д.), а также происходящее при изменении температуры окружающего воздуха и транспортируемой среды линейное удлинение, которое для газопровода из углеродистой стали при увеличении температуры на 100°С на метровом участке составит около 1,2 мм. То есть на 100 м — около 120 мм. Возникающие при этом напряжения весьма показательны.

Так, при перепаде температуры в 60 °С, что вполне достижимо для сезонных колебаний в наших широтах, на концах прямого участка газопровода с наружным диаметром 325 мм при толщине стенки 8 мм между неподвижными опорами (без компенсации) возникнет напряжение сжатия около 150 МПа и усилие сжатия в 12000 кН. Это может привести к разрушению опор и самого газопровода. А если представить такую ситуацию с газопроводом жидкой фазы на наполнительной станции, становится очевидным, что возникновения указанных напряжений нужно гарантированно избегать, а для защиты от столь разрушающих сил необходимо разгружающее устройство, позволяющее трубопроводу свободно перемещаться на участке с жестко закрепленными концами (неподвижными опорами) при нагревании. К таким конструкциям относятся различные виды компенсаторов, из которых наиболее широко применяются горизонтальные или вертикальные гибкие П-образные, чья компенсирующая способность определяется из его «полки» и величины вылета, давления и диаметра газопровода. Между тем есть решение, по всем параметрам превосходящее традиционные способы компенсации, но пока редко применяемое у нас в строящихся системах газоснабжения. Речь об изготавливаемых по современной технологии сильфонных компенсаторах (СК) — их качество и надежность на порядок выше, чем у производимых ранее линзовых.

Гофры новых СК могут изготавливаться многослойными (количество слоев зависит от рабочего давления), состоящими из тонких стальных оболочек (внешняя и внутренняя — из специальной нержавеющей стали) толщиной 0,5 мм, с концами под приварку, с одним или двумя фланцами. Конструкция является гибкой (мягкой) и одновременно очень прочной, так как нагрузки от давления газа воспринимаются в равной мере всеми слоями (оболочками) корпуса компенсатора. К преимуществам СК (по сравнению с П-образными) следует отнести также их малые габариты, небольшой вес, качественный материал (нержавеющая сталь) и изготовление в заводской обстановке (в отличие от сварки П-компенсатора в трассовых условиях).

Рассмотрим затраты на установку П-образного горизонтального компенсатора (рис. 1) по отношению к сильфонному из реально запроектированного и построенного газопровода 0 325x6 мм. Так, для П-компенсатора необходимы следующие дополнительные материалы и виды работ:

 

 

1. Отрезок трубы 325x6 L= 19 м;

2. Четыре отвода Ду 300 мм;

3. Выполнить шесть сварных швов;

4. Стоимость и монтаж трех железобетонных опор;

5.Стоимость монтажа П-образного компенсатора (подъемные механизмы, транспортировка и т.д.);

6. Контроль качества сварки (просветка) — 6 стыков;

7. Стоимость краски, грунтовки и работ по окраске П-образного компенсатора.

Расчет показал, что стоимость оборудования, материалов и работ при установке СК в два раза меньше, чем для П-образного горизонтального компенсатора. При этом не учитывались другие преимущества СК, которые выражаются в реальных материальных величинах, например, экономия от сокращения сроков строительства газопровода, экономия земельных участков, необходимых для размещения горизонтальных П-компенсаторов, и так далее. Следует отметить, что подобный эффект был получен при строительстве газопровода высокого давления (он работает уже пять лет) к Костюковичскому цементному заводу.

Перспективы применения СК для компенсации температурных и механических напряжений при прокладке надземных и подземных газопроводов

На наш взгляд, использование П-образных вертикальных и горизонтальных компенсаторов при прокладке газопроводов на подрабатываемых территориях может быть неэффективным. Увеличение их количества также не решит проблему безопасности. Суть в следующем: при механическом перемещении грунта нельзя предсказать направление силы, воздействующей на газопровод. В граничных условиях можно предположить, что оно будет варьироваться от параллельного до перпендикулярного поверхности, то есть рядом нужно устанавливать два П-образных компенсатора (рис. 2).

 

В идеальном случае необходимо, чтобы П-образные компенсаторы были установлены в одной точке через 15-30 градусов (от 0 до 180°, рис. 3) для нейтрализации напряжения на газопровод от подвижек грунта в любых направлениях.

 

Безупречно решит эту проблему использование только одного СК. По той же причине специальные СК идеально подходят при подземной прокладке газопроводов на подрабатываемых территориях — их применение в характерных точках исключает необходимость в постройке дорогостоящих подземных железобетонных каналов, снижаю- щих нагрузку на газопровод при перемещениях грунта. При этом установка СК значительно дешевле этих конструкций,

Перспективы применения СК для устранения вибраций от компрессоров, насосов, котлов.

В последнее время в силу ряда объективных причин повышены требования и контроль органов Проматомнадзора за эксплуатацией пожаровзрывоопасных объектов и, в частности, газонаполнительных станций (ГНС), которые на основании разработанных мероприятий по повышению уровня техники безопасности приводятся в соответствие с нормативными требованиями. Одним из пунктов определена установка устройств для гашения вибрации и компенсации температурных напряжений газопроводов на входе и выходе компрессоров насоснокомпрессорного отделения ГНС. Это вызвано тем, что соединяющие трубопроводы компрессоров, помимо напряжений, характерных для всех газопроводов (обусловленных внутренним давлением и тепловым расширением), подвержены еще и дополнительному напряжению, Оно обусловлено наличием при работе поршневых компрессоров существенных, носящих резонансный характер неустранимых вибраций, амплитуда которых наиболее значительна на напорном трубопроводе каждого компрессора в направлении, перпендикулярном плоскости, где лежат оси обоих колен трубопровода (Г-образная конфигурация).

Расчеты показали, что условия прочности здесь выполняются, однако запас ее практически отсутствует. Если учесть, что трубопровод подвергается знакопеременным напряжениям, которые могут вызвать усталостные явления в металле, то эту ситуацию следует расценивать как критическую.

Принципиальная невыполнимость полной сбалансированности кривошипно-шатунной системы (системы поршень-шток-коленвал) поршневого компрессора является причиной возникающих при работе вибраций, в силу чего устранить их полностью нельзя, можно лишь уменьшить за счет установки компрессора на более жесткое основание. Но на большинстве ГНС это требование удовлетворяется, поэтому единственной возможностью снижения вибраций, а значит и вибрационных напряжений на соединяющих трубопроводах, остается развязка их от компрессора через легко деформируемые упругие элементы (компенсаторы). Однако установка обычных СК сопряжена с дополнительной проблемой возникающего от внутреннего давления распорного осевого усилия, для компенсации которого наилучшим образом подходят изгибные компенсаторы, выполненные как сильфоны в металлической проволочной оплетке (сила ее натяжения и компенсирует распорное усилие). Если требуется скомпенсировать перемещения по всем осям, то необходимо использовать либо два компенсатора, установленных перпендикулярно (рис. 4а), либо один с достаточно длинной сильфонной частью, чтобы ее можно было изогнуть по дуге, охватывающей 90° (рис. 46). Второй вариант хотя и проще, но значительно дороже из-за больших предельно допустимых радиусов изгиба, чье упругое напряжение, кроме того, также действует на трубопровод, и высокой стоимости сильфонной части компенсатора. В первом случае также необходимо подбирать длину сильфонной части таким образом, чтобы при заданной величине перемещений не достигался предельно допустимый радиус изгиба.

 

При выборе длины сильфона надо иметь в виду, что чем больше она превышает минимально допустимое значение, тем сильфон «мягче», то есть эффективнее компенсирует вибрации. Практически из-за довольно малых предельных длин гибкой части компенсатора основным критерием будет расстояние между фланцами — достаточное, чтобы обеспечить удобство их монтажа.

Компенсаторы следует применять на всех соединительных трубопроводах компрессора. При этом ближайший необходимо по возможности устанавливать непосредственно на фланец соединительного патрубка компрессора, избегая длинных переходных патрубков между ним и первым компенсатором.

Перспективы применения СК при защите переходов «полиэтилен-сталь» на вводах в дома от чрезмерных механических и возникающих в результате температурных изменений нагрузок

В России при цокольном вводе полиэтиленового газопровода с помощью полиэтиленового отвода или естественного изгиба трубы для исключения возможности разрыва полиэтиленовой трубы или нарушения герметичности перехода «полиэтилен-сталь» в результате температурных воздействий на газопровод, естественных подвижек земли и других факторов разработаны нормали с установкой Г- или П-об-разных стальных вставок. (Максимально возможная величина подвижки грунта при пучинистости или просадочности составляет 15 см при температуре наружного воздуха от -30 °С до +30 °С. Доказано, что в отсутствие компенсаторов даже при небольшой подвижке почвы (до 4 см) возникают значительные силы реакции, способные разрушить соединение «полиэтилен-сталь».)

Стальные компенсаторы цокольного ввода выполняют демпфирующую функцию, позволяющую компенсировать возможные подвижки почвы как вверх, так и вниз (например, при пучинистости или просадочности). Размеры «полок» компенсаторов Lmln подбираются таким образом, что они становятся поглотителями возникающих напряжений (рис. 5).

 

Расчеты показали, что минимально необходимая длина трубопроводов для компенсационных плеч для Г- и П-образных компенсаторов при 0 57x3 составляет Lmin = 0,981x2=1,96ми Lmin= 0,732х4=2,93м.

Вместе с тем решить вопрос повышения долговечности и надежности вводов газопроводов можно менее затратными и более современными методами. К таким следует отнести установку СК малых диаметров (гибких стальных вставок) на вертикальных участках газопроводов на вводах в здания. При этом их стоимость сравнима со стоимостью трубы, необходимой для устройства Г- или П-образных компенсаторов. Одновременно СК можно установить в любом месте, так как не требуются дополнительные площади для их размещения. Они не нарушают эстетичного вида стены здания и имеют большие функциональные возможности, поскольку могут работать не только в осевом направлении, но и при угловых смещениях. Конструктивно СК ввариваются на вертикальном участке газопровода или выпускаются как одно целое при изготовлении ввода.

Как показывает опыт эксплуатации изолирующих муфт на вводах газопроводов в здания, довольно часто происходит их разгерметизация с утечкой газа. По предположительным оценкам единственно возможная причина этого — знакопеременные напряжения, возникающие в результате механических и температурных воздействий сезонного характера. Как указывалось ранее, их величина может привести к разрушению переходов «полиэтилен-сталь». Следовательно (так как изолирующие муфты изготавливаются из материалов с близкими физико-техническими характеристиками), вероятно не только нарушение герметичности по соединениям, но и полная деформация. Исходя из этого, считаем возможным устанавливать небольшие СК, позволяющие гасить напряжения в газопроводах и, как следствие, повысить долговечность и надежность вводов газопроводов в здания.

Как известно, при прокладке трубопроводов на подрабатываемых территориях требуется их повышенная компенсационная возможность независимо от способа прокладки (надземно или подземно). Вместе с тем от внимания не должен уходить такой важный элемент систем газоснабжения на подрабатываемых территориях, как ввод в здания. Опыт эксплуатации показывает, что просадка зданий на подрабатываемых территориях является довольно вероятным событием, поэтому смещение здания относительно газопровода может представлять серьезную угрозу для безопасности всей системы газоснабжения. Поэтому установка СК малых диаметров (притом увеличенной компенсирующей способности) на вводах в здания является наиболее приемлемым вариантом решения вопроса безопасности эксплуатации системы здание — ввод газопровода на подрабатываемых территориях.

Одно из преимуществ установки СК с точки зрения безопасности — искусственная концентрация общей деформации в одной точке трубопровода, что дает возможность при помощи простейших устройств или даже без них осуществлять визуальный периодический контроль за величиной относительного смещения стены здания и газопровода и принимать соответствующие меры.

Применение компенсаторов является необходимым, а в некоторых случаях обязательным условием для обеспечения должного уровня безопасности при эксплуатации систем газоснабжения. В существующих нормативных документах эта возможность отражена, а выбор того или иного их типа определяется проектирующей организацией в зависимости от условий эксплуатации и расчетных параметров. Обязательны и наличие разрешения (сертификата) на право использования устройства на территории республики и обеспечение его необходимой документацией (паспорт, техническое описание и т.д.).