Повышение устойчивости трубопроводов компрессорных и газораспределительных станций на основе компенсационных устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.13, кандидат технических наук Степанов, Игорь Владимирович

• Степанов, Игорь Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Степанов, Игорь Владимирович

Введение.

Глава 1. Анализ проблемы, постановка задач научно-экспериментальных исследований и натурных испытаний.

1.1. Анализ внутренних и внешних факторов воздействия на технологические коммуникации КС и ГРС.

1.2. Анализ существующих традиционных проектных решений.

Глава 2. Проектирование и применение сильфонных компенсаторов для газовой отрасли.

2.1. Опыт традиционного проектирования технологических трубопроводов КС и ГРС.

2.2. Предлагаемые решения. Особенности применения сильфонных компенсаторов в газовой промышленности.

2.3. Выбор расчетной схемы и конструкции сильфонных компенсаторов для компенсации факторов перемещений и вибраций трубопроводов.

Глава 3. Исследование конструкции сильфонного компенсатора и оценка его работоспособности с учетом реальных условий нагружения.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Расчетные оценки прочности выбранной конструкции сильфонного компенсатора в условиях реального нагружения.

3.2.1. Методы моделирования напряженно-деформированного состояния и анализа прочности трубопроводных конструкций.

3.2.2. Моделирование напряженно-деформированного состояния и оценка прочности основных несущих элементов конструкции сильфонного компенсатора.

3.2.2.1. Расчет сильфона.

3.2.2.2. Расчет сварного соединения основания с патрубком.

3.2.2.3. Расчет деталей шарнирного узла.

Глава 4. Исследование эффективности применения сильфонных компенсаторов для снижения нагрузок в технологических трубопроводах ГРС.

4.1. Постановка задачи и выбор метода решения.

4.2. Построение расчетных моделей.

4.3. Результаты расчетов и оценка эффективности применения сильфонных компенсаторов.

Глава 5. Анализ и обобщение результатов научно-экспериментальных, стендовых и опытно-промышленных испытаний.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение устойчивости трубопроводов компрессорных и газораспределительных станций на основе компенсационных устройств»

Газовая промышленность является одной из стратегических отраслей, определяющих экономическое развитие и безопасность России. Это обусловлено быстрым ростом потребностей в энергоресурсах и невозможностью удовлетворения увеличивающегося спроса в полной мере альтернативными источниками (замораживание развития атомной энергетики, стабилизация добычи нефти и низкие темпы наращивания добычи угля).

В отрасли вопросы обеспечения надежности и безопасной эксплуатации газовых объектов являются наиболее актуальными, и им придается большое значение, особенно, на газотранспортных системах и объектах, срок службы которых практически исчерпан и которые требуют капительного ремонта или реконструкции. Это сопряжено со значительными капитальными затратами и при создавшейся финансовой ситуации в отрасли представляется крайне проблематичным.

Компрессорные и газораспределительные станции являются важнейшим звеном системы газоснабжения, осуществляющим подготовку и распределение газа между потребителями в России и СНГ. В настоящее время в России эксплуатируется более 380 компрессорных станций (КС) и порядка 3500 газораспределительных станций (ГРС), из которых 45% находится в эксплуатации свыше 20 лет и нуждается в оценке технического состояния их оборудования, в его реконструкции и замене. Ежегодно вводятся в эксплуатацию около 50 ГРС. Большое количество ГРС проходят полную или частичную реконструкцию с заменой отдельных видов оборудования и расширением возможностей эксплуатируемого оборудования в связи с изменением параметров давления и расхода.

Как показала практика эксплуатации, конструкции технологических трубопроводов КС и ГРС не обеспечивает длительную безаварийную работу, т.е. работу без разрушений. На сегодняшний день вопросы повышения несущей способности технологических обвязок по статическим нагрузкам решаются за счет увеличения толщины стенки трубы.

Применяемые нормы расчета трубопроводов не учитывают воздействие динамических нагрузок /I, 25/.

В настоящее время разработка научно обоснованных способов и технических средств, предупреждающих аварийные ситуации, обеспечивающих устойчивость и живучесть газопроводов, снижающих уровень нагрузок, является одной из актуальных проблем для отрасли.

Цель работы

Разработка, научное обоснование и внедрение принципиально новых проектных решений по конструкции технологических коммуникаций и обвязочных газопроводов КС и ГРС с использованием компенсационных и виброгасящих элементов сильфонного типа, направленных на повышение устойчивости, надежности и технико-экономической безопасности объектов при эксплуатации.

Основные задачи работы

I. Исследование объекта внедрения, его функциональных особенностей и состояния с учетом взаимного влияния факторов нагружения.

II. Разработка технического задания на создание СК для коммуникаций

ГРС.

Ш.Разработка конструкции СК.

IV.Научное обоснование работоспособности выбранной конструкции СК с применением современных методов нелинейного прочностного анализа.

V. Проведение натурных стендовых испытаний по оценке его работоспособности с учетом реальных условий нагружения.

VI. Разработка новых проектных решений и рекомендаций по применению СК в газопроводных конструкциях вновь проектируемых, реконструируемых и действующих компрессорных и газораспределительных станций.

Научная новизна

Сильфонные компенсаторы широко используются в мировой практике в судостроительной, авиационной, химической, нефтяной и ряде других отраслей промышленности. Разработанные СК общепромышленного назначения удовлетворяют спрос заказчиков.

Решение использовать СК в газовой отрасли поставило перед специалистами новые задачи по созданию уникальных СК, рассчитанных на большие диаметры, высокие давления и температуры рабочей среды, воспринимающих различные виды длительных нагрузок в особо тяжелых условиях эксплуатации.

В данной работе приводятся принципиально новые решения, позволяющие впервые в практике газопроводного строительства использовать сильфонные компенсаторы на выходных газопроводах ГРС, что позволит повысить надежность обвязочных трубопроводов ГРС, исключив влияние на них сил пучения.

Проведен комплекс расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, включающих натурные ресурсные испытания СК. При выполнении расчетно-теоретических работ автором впервые для анализа прочности и обоснования работоспособности СК была применена вычислительная технология Р1рЕ8^ разработанная в АОЗТ «НПО ВНИИЭФ-Волгогаз».

Практическая ценность

Решена одна из научно-практических задач по повышению устойчивости и надежности технологических трубопроводов узла переключения и созданы научно и экспериментально обоснованные предпосылки для широкого использования СК в коммуникациях ГРС, испытывающих нагрузки от перепадов температур и вибраций.

Примененные автором подходы к расчету трубопроводных систем и разработанные конструкции могут быть применены на других технологических обвязках (ДКС, ТЭЦ, АЭС, АГНКС и др.), испытывающих статодинамические нагрузки.

Содержание работы изложено в пяти главах.

Первая глава посвящена анализу проблемы, постановке задач научно-экспериментальных исследований. Анализируются внутренние и внешние факторы воздействия на технологические коммуникации КС и ГРС и приводятся существующие проектные решения.

Вторая глава посвящена проектированию и применению СК в газовой отрасли. В ней дан анализ современного состояния СК, применяемых в них гибких элементов - сильфонов, разгруженных тяг и шарнирных узлов, воспринимающих распорные усилия от внутреннего давления рабочей среды. Выбирается расчетная схема и конструкция СК для компенсации перемещений выходных газопроводов ГРС «Северная».

В третьей главе изложены результаты исследования конструкции СК и оценка его работоспособности с учетом реальных условий нагружения с применением вычислительной технологии Р1рЕ81

В четвертой главе проводится исследование эффективности применения СК для разгрузки технологических трубопроводов ГРС с использованием компьютерного моделирования по вычислительной технологии Р1рЕз1:.

В пятой главе изложены результаты испытаний сильфонных компенсаторов Ду 500 поворотного типа в системе выходных трубопроводов ГРС "Северная".

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ», Степанов, Игорь Владимирович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Поставлена новая для газовой отрасли задача повышения устойчивости технологических трубопроводов КС, ГРС, ДКС.

2. Разработаны конструкции СК Бу500 поворотного типа для установки на выходных газопроводах ГРС «Северная» с целью снятия напряжений возникающих под действием сил морозного пучения грунта.

3. Разработаны конструкции Бу700/ Бу500 для проведения исследований по замене жестких разгрузочных опор на податливые системы СК для разгрузки динамических и статических напряжений на корпусах нагнетателей природного газа и трубопроводной обвязки Опытно-промышленного стенда КС «Тольятти».

4. Проведенные автором, с помощью вычислительной технологии Р1рЕз^ исследование поведения, анализ НДС и оценка прочности конструкции выходных коллекторов наглядно продемонстрировали эффективность применения разработанных СК при реконструкции ГРС «Северная».

Полученные в результате качественные и количественные оценки НДС конструкции позволяют сделать заключение о том, что установка СК на выходные трубопроводы приведет к снижению до безопасного уровня напряжений, возникающих в трубопроводах при действии рабочих нагрузок и пучении грунта.

5. Выполнен комплекс натурных, стендовых испытаний по оценке прочности, надежности и ресурса разработанной конструкций СК. Результаты испытаний свидетельствуют о высоком запасе эксплуатационной надежности СК.

6. Результаты диссертационной работы внедрены в проекты реконструируемых и вновь создаваемых принципиально новых конструкций обвязочных и технологических газопроводов на объектах отрасли. В результате чего созданы научно-проектные предпосылки для широкого внедрения результатов разработки, направленной на повышение устойчивости, надежности и технико-экологической безопасности объектов отрасли при минимальных капитальных затратах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Степанов, Игорь Владимирович, 2000 год

1. Айбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. М.: Недра, 1982г. стр. 34.

2. Алёшин В.В., Селезнёв В.Е., Клишин Г.С., Жеков К.Н. Анпилов В.Н. Практическая технология комплексной оценки состояния трубопроводов. Ж.: «САПР и графика» №7, 1999г., с.58-62.

3. Аненков Н.И. Оценка сопротивления металла труб хрупкому разрушению в зависимости от рабочих параметров газопроводов. Автореф. Дисс. На соискание ученой степени канд. техн. наук. М., 1974г. стр. 16 (МИНХ им. И.М. Губкина).

4. Анучкин М.П., Горицкий В.Н., Мирошничежо В.Н. Трубы для магистральных трубопроводов. М.: Наука, 1986г. стр.231.

5. Бородавкин П.П., Сиюков A.M. Прочность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1984г. стр. 245.

6. Вольский М.И., Аистов A.C., Гусенков А.П., Гуменный Л.К. Прочность труб магистральных нефте- и газопроводов при статическом и малоцикловом нагружении. /Обзорная информация. Сер. Транспорт и хранение нефтепродуктов. М.: ВНИИОЭНГ. 1979г. стр. 55.

7. Галиуллин З.Т., Швалев В.М., Ермаков A.A. Влияние некоторых факторов на напряженно-деформированное состояние обвязки КС. Э.И. Сер. Транспорт и подземное хранение газа. № 11. 1987г. стр. 13-17.

8. Гольденблат И.И. и др. «Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов», М, Машиностроение, 1968.

9. Григорьев Л.Я. Самокомпенсация трубопроводов. Л.: Энергия, 1969г. -стр. 151.

10. Гусенков А.П., Аистов A.C. Исследование малоцикловой прочности труб большого диаметра магистральных газо- и нефтепроводов. Машиноведение. 1975г. - №3 - стр.61-71.

11. Дедиков Е.В., Клишин Г.С., Селезнёв В.Е., Алёшин В.В., Харионовский В.В., Курганова И.Н. Расчет прочности криволинейных трубопроводов с эрозионными дефектами. Ж.: «Газовая промышленность» №2, 1999г, с.31-33.

12. Дедиков Е.В., Маркелов В.А., Клишин Г.С., Селезнёв В.Е., Алёшин В.В. Расчет прочности технологических трубопроводов КС. Ж.: «Газовая промышленность» №8, 1999г, с.31-33.

13. Задание на выполнение проекта по реконструкции ГРС «Северная», Северного ЛПУ МГ. Утв. Зам. Ген. Директора «Лентрансгаз» А.И. Субачев.

14. Иванцов О.М. Надежность строительных конструкций магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1985г. стр.231. (Надежность и качество).

15. Иванцов О.М. Надежность магистральных трубопроводов. Трубопроводные системы в энергетике. М.: Наука. 1985г. - стр.79-96.

16. Клишин Г.С., Селезнёв В.Е., Алёшин В.В., Худов А.Н., Самсонов Е.Ю. Методы оценки состояния трубопроводов с помощью комплексного численного моделирования по данным технической диагностики. Ж.: «Новые технологии-21 век», №2,1999г., с.41-43.

17. Кулухов В.И., Ботов В.М., Калявин В.В., Степанов И.В. «Анализ конструктивного исполнения сильфонных компенсаторов в трубопроводных конструкциях», сборник научных трудов ВНИИГАЗа

18. Проблемы надежности конструкций газотранспортных систем», М., 1998г.

19. Кулухов В.И. «Исследование вибрации сильфонных компенсаторов в трубопроводах», сборник научных трудов ВНИИГАЗа «Проблемы надежности конструкций газотранспортных систем», М., 1998г.

20. Кулухов В. И. К вопросу выбора разгрузочных элементов сильфонных компенсаторов. «Труды ЦПИИТС». 1974, вып. 137.

21. Кулухов В. И., Теоретическое и экспериментальное исследование сдвиговой жесткости высоконапорных сильфонов. «Труды ЦНИИТС». 1975, вып. 144.

22. Кулухов В.И. Экспериментальное исследование циклической долговечности многослойных армированных сильфонных компенсаторов. «Технология судостроения». 1977, N 7.

23. Луганцев Л.Д. Теоретическое и экспериментальное исследование работы компенсатора сильфонного типа. Автореф. Дисс. На соиск. учен, степени канд. техн. наук. М., 1971, (МИХМ).

24. Мак-Кеон Дж.Т., Мерфи Дж., Рассел К.Д. и др. Расчет и проектирование систем трубопроводов. Пер. с англ. под ред. А.Г. Камерштейна, В.В. Рождественского. М.: Гостопгехиздат, 1962г. - стр.474.

25. Методика расчета технологических трубопроводов компрессорных станций. Министерство газовой промышленности. М.: ВНИИГАЗ, 1987г. стр.

26. Миланчев B.C. Оценка работоспособности труб при наличии концентрации напряжений. М.: Строительство трубопроводов. 1984г. -№2 стр. 23-25.

27. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. М.: Машиностроение. 1974г. - стр.344.28. «Определяющие законы механики грунтов». Под ред. В. Н. Николаевского, М, Мир, 1975.

28. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках. АН ЧССР. Ин-т электросварки им. Е.О. Патона; Под ред. В.И. Труфекова. Киев: Наук.думка, 1990г. - стр.256.

29. Седых А.Д., Дедиков Е.В., Гриценко А.И., Харионовский В.В., Клишин Г.С., Селезнёв В.Е., Алёшин В.В. Методы оценки состояния трубопроводов по результатам диагностики. Ж.: «Газовая промышленность» №8,1998г, с.58-60.31. СНиП 2.05.06-95.

30. Соннинский A.B. «Повышение надежности ГРС», сборник научных трудов ВНИИГАЗа «Проблемы надежности газопроводных конструкций», М., 1991г.

31. Ставропольский Е.Р., Сухарев М.Г., Карасевич A.M. Методы расчета надежности магистральных газопроводов. Новосибирск: Наука, 1982г. стр.125.

32. Стрельцов С.А., Швалев В.М. «Методы и средства оперативной диагностики технологических трубопроводов КС ПО «Куйбышевтрансгаз» сборник научных трудов ВНИИГАЗа «Проблемы надежности газопроводных конструкций», М., 1991г.

33. Тымкин Д.Ф. Разработка методов и технологии диагностики магистральных газопроводов с пересеченным профилем трассы с целью повышения эффективности их работы. Дисс. на соиск. учен. степ, канд.т.н. г.Ивано-Франковск. 1987г.

34. Харионовский В.В., Дегтярев В.И. «Исследование эксплуатационной прочности трубопроводов КС», журнал «Газовая промышленность», 1979г., №2 стр.37-40.

35. Klishin G.S., Seleznev V.E., Aleshin V.V. ANSYS and LS-DYNA software: new quality for pipelines' estimation. Lecture (paper) П.З.1. //17. CAD-FEM Users' Meeting (October 6-8 1999, Sonthofen (Allgäu), Germany).

36. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ НА СОЗДАНИЕ СИЛЬФОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ ДЛЯ КОММУНИКАЦИЙ ГРС

37. Разработку сильфонных компенсаторов (СК) проводил СКТБ «Компенсатор» в соответствии с техническими требованиями предприятия «Лентрансгаз», используя опыт создания СК отечественной и зарубежной промышленностью.

38. Наименование и область применения

39. Сильфонный компенсатор предназначен для установки на выходных газопроводах ГРС «Северная».

40. Поставка на экспорт СК не предусматривается.2. Основание для разработки

41. Основанием для разработки является письмо предприятия «Лентрансгаз» от 30.03.98г.

42. Условное обозначение разработки «Лентрансгаз».

43. Цель и назначение разработки

44. Целью разработки является создание сильфонных компенсаторов для компенсации деформации газопроводов под воздействием пучений грунтов, а также для снижения уровня вибрации, передаваемой по газопроводам.4. Технические требования

45. СК должен быть герметичен по V классу в соответствии с ОСТ 5.0170-81;приемочным испытаниям подвергаются 2 образца.

46. Требования к эксплуатации:в процессе эксплуатации СК не должен требовать специального обслуживания;в процессе монтажа и эксплуатации СК не должен подвергаться воздействию крутящих моментов относительно оси СК;

47. СК не должен воспринимать усилия от массы трубопроводов и арматуры.45. Требования безопасности

48. При монтаже и эксплуатации должны соблюдаться нормы и требования безопасности, действующие на объектах применения СК.

49. Условия транспортирования и хранения:условия хранения 5 (ОЖ4) по ГОСТ 15150-69, тип атмосферы IV по ГОСТ 15150-69;транспортирование СК должно осуществляться всеми видами транспорта.

50. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ НА СОЗДАНИЕ СИЛЬФОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ ДЛЯ КОММУНИКАЦИЙ КС

51. НАИМЕНОВАНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

52. Сильфонные компенсаторы (в дальнейшем "СК") Ду 300, 400, 700, 1000мм. предназначены для герметичного соединения элементов газовой обвязки нагнетателей в условиях относительного их движения при Ру80 кгс/см2.2. ОСНОВАНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ

53. Основанием для разработки является договор № 682/600-СК от 30.04.92г.2. 2. Условное наименование темы "Газпром".

54. ЦЕЛИ И НАЗНАЧЕНИЕ РАЗРАБОТКИ

55. Целью разработки является оснащение газопроводов сильфонными компенсаторами.

56. Транспортирование и хранение.43.1. Требования по транспортированию и хранению должны быть аналогичными требованиям по ГОСТ 27036-86.5. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

57. В процессе эксплуатации СК не должны требовать специального обслуживания.

58. В технической документации должны быть приведены требования и условия монтажа и эксплуатации. Вид климатического исполнения изделий ХЛ1 по ГОСТ 15150.6. ТРЕБОВАНИЯ К УНИФИКАЦИИ

59. В процессе разработки изделии, должны максимально использоваться существующие конструкции составных частей и освоенные технические решения.7. ГАРАНТИИ

60. Гарантийный срок эксплуатации должен быть не менее 24 месяцев со дня изготовления "СК", а гарантийный срок хранения не менее 3 лет.8. СТАДИИ И ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ

61. Работа должна выполняться в три стадии:- разработка технической документации н. проекта ТУ;- изготовление изделий;- стендовые испытания образцов.

62. Количество испытываемых изделий и объем испытаний определяется соответствующими программами и ТУ.9. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ91. Исходные данные.

63. Разработка основных технических решений усовершенствованных газовых обвязок нагнетателей.93. .ТУ-20-28-40-48-79-ЯП.

64. Правила ПУБЭТПГВ и ОТМ РТМ-1С-81.

65. Схемы реконструкции газовых обвязок 2329.ТХ.

66. КД и НТД СКТБ "Компенсатор" по темам "Цирктрасса" и "НПС УФА" и др.

67. ПЕРЕЧЕНЬ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ101. Расчеты.

68. Рабочие чертежи на изделия и составные части.

69. Проект технических условий.

70. Программы стендовых испытаний образцов.

71. Рекомендации по монтажу CK в газовой обвязке.

72. Программа опытно-экспериментальных исследований и натурных испытаний газовой обвязки.

73. Рабочие чертежи оснастки и составных частей.

74. Технологический процесс изготовления. Вся документация кроме документов по п.п. 10.1 и п 10.8 в 3х экземплярах представляется заказчику (ВНИИГАЗ).

75. Документация по п.п. 10.3, 10.4, 10.5, 10.6 подлежит согласованию с ВНИИГАЗ.11. ПРОЧИЕ ТРЕБОВАНИЯ

76. Документация и продукция для поставки на экспорт не предназначается.

77. Рабочая программа опытно-промышленных испытаний сильфонных компенсаторов в обвязке нагнетателя ГЦ-2-360

78. Работа выполняется в соответствии с договором №1Р от 16. 07.96г.)1. Цель испытаний

79. Основные режимы испытаний должны повторяться не менее 7 раз для статистической обработки результатов измерений.

80. Результаты измерений должны записываться на магнитный носитель для дальнейшей обработки.

81. Для получения достоверных указанных характеристик испытания должны обеспечиваться измерительно-анализирующим комплектом и квалифицированными исполнителями. Испытания проводятся в 4 этапа.1. Содержание испытаний

82. Этап 1. Организация, методическая и техническая подготовка испытаний.

83. Разработка проекта стационарной обвязки стенда измерительным комплексом.

84. Экспертиза технической документации по силъфоннымкомпенсаторам (техзадание, результаты расчётов, результатыстендовых испытаний, технические паспорта).

85. Этап 2. Определение статических и динамических характеристик исходной (стандартной) обвязки.

86. Расчетные исследования статических и динамических характеристик обвязки с СК.22.1. Составление расчётной схемы сильфонных компенсаторов и обвязки с СК.22.2. Проведение расчетов по пп. 2.1.2-2.1.4.

87. Этап 3. Определение статических и динамических характеристик обвязки с установленными СК.

88. Врезка СК-700 на входном и выходном патрубке обвязки нагнетателя и СК-500 на тройнике Ду700-Ду500. (Врезку проводить с непрерывным тензометрированием и измерением перемещений элементов обвязки).

89. Подготовка системы измерений. (Калибровка, установка «нулевых отсчётов», высотного положения, геометрических размеров и положения обвязки с СК).

90. Определение собственных динамических характеристик ненагруженных трубопроводных систем с СК (изгибные, крутильные и оболочечные формы аналогично пункту 2.3.2).

91. Этап 4. Обработка результатов измерений и составление отчётного документа.

92. Сравнительная оценка вибрационного состояния.

93. Обработка результатов сравнительного анализа по критериям приёмки.

94. Сравнительный анализ результатов испытаний штатной обвязки и1. СК.45. Составление отчёта.

95. Тольяттинский опытно-промышленный стенд Общая схема обвязки. План.

96. Тольяттинский опытао-промышленный стенд Размещение датчиков статических нагрузок

97. Тольяттинский опытно-промышленный стенд Размещение датчиков статических деформаций