Технический прогресс в развитии трубопроводных систем предъявляет высокие требо-вания к безопасности и надежности работы насосных и компрессорных станций, а также линейной части трубопровода. Практика эксплуатации трубопроводных систем показала, что пульсация давления и расхода, имеющие место на выходе нагнетательных установок и затем передающиеся в линию, а также возмущения ударного характера, возникаю-щие при включении и выключении нагнетательных установок, срабатывании запорных элементов, являются причиной воздействия на трубопровод динамических нагрузок, ко-торые могут приводить к авариям и катастрофам с тяжелыми последствиями, человеческими жертвами.

При работе трубопровода в оптимальном режиме предельные значения давления на линии нагнетания ограничиваются прочностью трубопровода, а на линии всасывания – кавитационным запасом насоса. Правильный выбор режима работы нагнетательных ус-тановок имеет большое значение, так как при одной и той же производительности трубо-провода на одних участках давление может быть повышенным, а на других пониженным. При быстром перекрытии сечения трубопровода, остановке и пуске насосных агрегатов и других элементов трубопроводной системы имеют место значительные изменения скоро-сти движения перекачиваемой среды, вследствие чего и возникают волны повышенного и пониженного давления, распространяющиеся по трубопроводу.

Во время переходного процесса в отдельных сечениях трубопровода, особенно на входе и выходе нагнетательной установки, изменение давления может быть столь резким, что возможно разрушение стенок трубопровода. Чтобы избежать возникновения аварийной ситуации, необходимо располагать способами и техническими средствами стабили-зации давления в трубопроводе (гасители вибрации, стабилизаторы давления, автомати-ческие регуляторы частоты). Кроме того, наличие вредных пульсаций значительно снижает КПД и увеличивает темпы износа трубопроводных систем.

Эффективность разработанных средств гашения колебаний давления в трубопроводных системах была ограниченной вследствие ряда принципиальных недостатков. При использовании гасителей без диссипативных элементов, таких как воздушные колпаки, ре-сиверы, предохранительные клапаны, клапаны сброса жидкости, невозможно обеспечить существенное снижение амплитуды колебаний давления. Большие объемы газовой по-душки гасителей типа воздушных колпаков не позволяет их использовать в конструкциях с жесткими массо-габаритными требованиями. Срабатывание клапанов сброса сопровож-дается потерями рабочей среды из трубопроводной системы. Гасители интерференцион-ного типа весьма чувствительны к изменению характеристик гасимых колебаний и рабо-тоспособны лишь в случае гармонических колебаний, крайне редко встречающихся в ре-альных технических системах. Гасители с сосредоточенным сопротивлением, такие как набор дроссельных шайб, узкие каналы, снижают рабочее давление и производитель-ность трубопроводной системы, не обеспечивают восстановление пониженного давле-ния, малопригодны в системах со скачкообразным изменением режима давления и при-водят к значительным потерям энергии на преодоление противодавления заслонки, что, в свою очередь приводит к износу оборудования и утечкам рабочей среды.

Более эффективное решение рассматриваемой проблемы заключалось в расширении диапазона гасимых частот за счет распределенного по длине трубопровода диссипатив-ного и упругодемпфирующего воздействия на пульсирующий поток посредством стаби-лизаторов давления. Разработана широкая гамма стабилизаторов давления, предназна-ченных для использования в трубопроводных системах диаметром от 10 до 1200 мм и с рабочим давлением до 20 МПа. Они используются не предприятиях химической, нефтя-ной, газовой, биологической, целлюлозно-бумажной промышленности, атомной энергети-ки, коммунального и промышленного водо- и теплоснабжения, трубопроводного транс-порта нефти и нефтепродуктов.

Максимально эффективным и наиболее современным видится использование стабили-заторов давления (которые сглаживают последствия включения и выключения нагнета-тельных установок, срабатывания запорных элементов) и автоматических регуляторов частоты, которые воздействуют на первопричину динамических нагрузок в трубопровод-ных системах – привод нагнетательных установок. В случае применения автоматического регулятора частоты осуществляется поддержание давления в трубопроводной системе независимо от расхода за счет регулирования частоты вращения электродвигателя наг-нетательной установки, что приводит не только к экономии ресурса трубопроводной си-стемы, но и экономии электроэнергии, перекачиваемой среды, тепла и т.п. Автоматиче-ские регуляторы частоты “Mitsubishi Electric”, применяющиеся для управления приводом насосов, вентиляторов, компрессоров мощностью от 0,2 кВт и диапазоном изменения ча-стоты от 0,2 до 400 Гц, используются во всех областях, где применяется электропривод.

В материалах Международного бюро труда по «Предупреждению крупных аварий» пе-речислены следующие причины повреждения оборудования и типичные неисправности, нарушающие условия его нормальной эксплуатации и безопасной работы:

а) механические разрушения сосудов, трубопроводов и конструкций при перепадах внутреннего давления, действия внешних сил, коррозии и изменения температуры;

б) поломки таких узлов, как насосы, компрессоры, вентиляторы, вентиляторы и переме-шиватели;

в) неисправности в системе контроля (датчики давления и температуры, индикаторы уровня, расходомеры, приборы управления);

г) неисправности в системе безопасности (предохранительные клапаны, система сброса давления, системы нейтрализации, предохранительные разрывные мембраны);

д) нарушения сварных швов и соединительных фланцев.

Анализ аварийных ситуаций в трубопроводных системах различного назначения пока-зывает, что практически каждое из этих событий, способных вызвать крупную аварию, мо-жет быть следствием изменений режима давления из-за волновых и ударных процессов.

Рабочая среда – теплоноситель – в трубопроводах энергетических установок имеет ряд особенностей: высокие температуры и температурные градиенты, значительные скорости потока, высокие давления. В наиболее узких сечениях скорость жидкого теплоносителя достигает 14 м/с, газообразного 100 – 150 м/с, давление 16 МПа, температура 400 – 500^оС. Процессы в главных циркуляционных трубопроводах характеризуются значитель-ными нестационарными расходами теплоносителя и интенсивными волновыми и вибра-ционными нагрузками.

Вибрации могут стать причиной усталостных разрушений трубопроводов, элементов энергетических установок, в результате которых нарушается проектная степень герме-тичности проточных трактов и появляются значительные течи теплоносителя.

Основными источниками вибрации трубопроводов в большинстве случаев являются ди-намические нагрузки вращающихся неуравновешенных роторов насосов и турбоагрега-тов, а также пульсирующий поток теплоносителя.

Особую опасность в такой ситуации представляет случай, когда в процессе разгона ро-тора происходит переход через резонансную частоту трубопровода. Резонанс характери-зуется максимальными амплитудами колебаний, при которых трубопровод может разру-шиться. Резонансные явления в межступенчатых трубопроводах и в трубопроводах на выходе компрессоров являются причиной многочисленных аварий на химических и неф-теперерабатывающих комбинатах. Подобные аварии имели место на Ярославском и Ка-занском ОАО «Оргсинтез», НАК «Азот» (г. Новомосковск Тульской обл.) и Саратовском ОАО «Нитрон». Поэтому одно из средств обеспечения надежной работы межступенчатых коммуникаций и аппаратуры – исключение резонансных условий их работы. Для предот-вращения появления резонансных частот автоматические регуляторы частоты “Mitsubishi Electric” имеют функцию, позволяющую вырезать из рабочего диапазона эти частоты.

Вследствие пульсации давления перекачиваемой среды снижается пропускная способность трубопроводов, а гидравлическое сопротивление и внутреннее трение при этом значительно возрастают из-за больших мгновенных скоростей потока. При колебаниях давления в нагнетательной сети поршневых компрессоров в межступенчатых коммуникациях теряется до 40% индикаторной мощности, повышается температура нагнетания, ухудшаются условия работы клапанов, увеличиваются нагрузки на детали цилиндров и механизм движения, нарушается герметичность предохранительных клапанов, искажают-ся показания расходомеров и манометров. Колебания давления в сети вызывают крайне неблагоприятную вибрацию трубопроводов, которая ведет к генерации шумов, повреждению аппаратов и арматуры, нарушению герметичности уплотнений, что особенно опасно при работе с токсичными, взрывоопасными и воспламеняющимися веществами. Для гашения колебаний давления в трубопроводах компрессорных установок до сих пор использовали такие методы и средства, как изменение схемы, размеров трубопроводов и аппаратов, а также рациональное взаимное расположение цилиндров и фаз их воздействия на трубопровод; установка дроссельной диафрагмы и др. Изменением схемы, разме-ров трубопроводов и их формы можно влиять на собственную частоту компрессорной установки. Но в процессе эксплуатации частотная характеристика системы в целом меняет-ся, поэтому резонанс, устраненный при одних частотах, возникает при других. Устранению этого недостатка, а также оперативную «вырезку» резонансных частот могут обеспечить автоматические регуляторы частоты “Mitsubishi Electric”, у которых предусмотрено до трех скачкообразных изменения частоты, минуя резонансные.

Таким образом, вышеприведенный анализ показывает, что оснащение трубопроводных систем эффективными средствами гашения вынужденных колебаний давления и гидрав-лических ударов имеет важное значение для обеспечения пределов и условий их безопасной эксплуатации.