ГОФРИРОВАННЫЙ ГАЗОПРОВОД С ПОДАВЛЕНИЕМ ШУМА И ВИБРАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
CORRUGATED GAS LINE WITH NOISE AND VIBRATION REDUCTION (VERSIONS)

Область техники
Предложение относится к гофрированным трубам (т.е. к трубам, в том числе к шлангам, содержащим гофрированные участки), предназначенным для транспортирования газов или газожидкостных смесей.
Уровень техники
Для доставки добываемого природного газа от подводных скважин к плавучим газодобывающим платформам и от плавучих газодобывающих платформ к береговым сооружениям газового хозяйства (газохранилищам или газоперекачивающим станциям) необходимы гибкие газопроводы (шланги), гибкость которых, как правило, обеспечивается выполнением газопровода из труб гофрированного профиля (гофрированные газопроводы).
Кроме того, отрезки гофрированных труб используют в качестве гибких звеньев воздухопроводов, выполненных в основном из негибких гладких труб (например, подводящих или отводящих звеньев).
Для гофрированных газопроводов остро стоит проблема так называемой «поющей гофрированной трубы», вызванная тем что поток газа (в частности, воздуха) или поток в трубе при достижении им скорости 1,5-2,0 м/с генерирует в гофрированном газопроводе высокий уровень шума и вибрации, снижающий надежность газопровода. Этот эффект сохраняется и при наличии в транспортируемом потоке жидкой фазы (т.е. при транспортировке газожидкостной смеси).
Проблема стоит настолько остро, что на существующих плавучих газодобывающих станциях (например, в Норвегии) ее приходится решать путем существенного уменьшения скорости прокачки газа, что приводит к снижению производительности газодобывающих станций и к огромным экономическим потерям при транспортировке газа. Эту проблему следует отличать от имеющей множество запатентованных решений проблемы VIV (Vortex Induced Vibrations - вибрация, вызванная срывом вихрей). Проблема VIV актуальна для вибраций, вызванных внешним обтеканием труб подводными течениями, и решается, как правило, путем формирования ребер жесткости различной конфигурации на внешней поверхности негофрированной трубы [1].
Результаты исследования и поиска решения проблемы шума и вибрации в гибких гофрированных газопроводах представлены в работах [2] и [3]. При этом теоретически и экспериментально проверялись возможности снижения уровня шума и вибрации путем изменения геометрической формы и размеров гофров, степени отражения звуковых волн от конца трубы, геометрии трубы и эффективной скорости звука в ней. Однако решение проблемы найдено не было.
Известен глушитель шума, содержащий корпус в виде гофрированной трубы, который снабжен звукопоглощающей вставкой, размещенной с зазором относительно внутренней поверхности корпуса и повторяющей форму последней, и перфорированными кольцами из жесткого пористого шумопоглощающего материала, установленными между вставкой и корпусом в его минимальных сечениях [4].
Недостаток этого решения применительно к гофрированному газопроводу - загромождение полости газопровода звукопоглощающими элементами (вставкой и кольцами), снижающее его производительность.
Известна гибкая гофрированная труба, имеющая участки с различным шагом гофра [5]. Однако это решение направлено на повышение работоспособности (надежности) трубы в условиях виброперегрузок, передаваемых от ее патрубков, но не подавляет шум и вибрации, возникающие за счет турбулентности потока среды внутри трубы.
Раскрытие существа изобретения
Задача изобретения состоит в том, чтобы снизить шум и вибрацию, возникающие за счет турбулентности внутреннего потока среды в газопроводе, содержащем гофрированные участки, без потери производительности газопровода.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, - подавление шума и вибрации, возникающих в гофрированных частях газопровода, без потери производительности газопровода, вызванной снижением скорости транспортировки. Этот технический результат достигается в двух вариантах осуществления изобретения.
В первом варианте указанный результат достигается тем, что газопровод содержит, по меньшей мере, одну пару гофрированных отрезков трубы, отношение шагов гофры которых лежит в пределах 0,3-0,9, а отношение амплитуд - в пределах 0,8-1,2, при этом каждый указанный отрезок трубы содержит, по меньшей мере, один шаг гофры.
Гофрированные отрезки трубы, образующие указанную пару, могут быть разделены негофрированным участком трубы или участком с другими параметрами гофры.
Во втором варианте указанный результат достигается тем, что газопровод содержит, по меньшей мере, один гофрированный отрезок трубы с профилем гофры, образованным суммой, по меньшей мере, двух периодических функций расстояния вдоль оси трубы, при этом отношение периодов указанных функций лежит в пределах 0,3-0,9, а отношение амплитуд - в пределах 0,8-1,2.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлены экспериментальные зависимости энергетических потерь в гофрированной трубе от числа Струхаля.
Фиг.2 иллюстрирует обнаруженный авторами эффект подавления колебаний в гофрированной трубе, имеющей два отрезка.
На фиг.3 показаны примеры выполнения конструкций предлагаемого гофрированного газопровода по первому варианту.
На фиг.4 - пример выполнения по второму варианту.
Осуществление изобретения
Теоретические и экспериментальные предпосылки осуществления изобретения представлены в работе [6], согласно которой акустические процессы, сопровождающие прохождение потока газовой (в т.ч. воздушной) среды в гофрированной трубе, характеризуются функцией D(f, L, U), отражающей зависимость суммарных энергетических потерь D на частоте f от шага L гофрировки и скорости U потока среды. Положительные значения D соответствуют затуханию акустических колебаний в гофрированной трубе, а отрицательные - их генерации. Суммарные потери D включают меняющую знак составляющую, связанную с профилем внутренней поверхности гофра, и положительную составляющую, связанную с вязкостью и теплопроводностью среды.
Приведенные в [6] экспериментальные зависимости D от безразмерной величины , называемой числом Струхаля, воспроизведены на фиг.1. Кривые а, б и в соответствуют скоростям потока 5, 10 и 15 м/с. Используя кривые фиг.1, можно получить зависимости величины D от частоты, показанные на фиг.2. Здесь, как и на фиг.1, положительные значения D соответствуют затуханию колебаний, а отрицательные - их генерации.
Значения функции потерь D(f) двух отрезков одной трубы на каждой частоте суммируются. При этом авторами было обнаружено, что при соответствующем соотношении шагов гофра на двух отрезках трубы колебания, генерируемые одним отрезком трубы, затухают в другом.
1
2
Фиг.2 иллюстрирует этот эффект. На ней показаны частотные зависимости D(f) для газопровода, имеющего два отрезка трубы с неодинаковыми шагами L и L гофра при скорости газового потока 15 м/с.
1
2
Кривые D(f) для отрезка с меньшим шагом L гофра помечены знаком , а для отрезка с большим шагом L гофра - знаком О. Фиг.2а соответствует отношению
1
2
1
2
1
2
L/L, равному 0,5, фиг.2б - отношению L/L, равному 0,4, а фиг.2в - отношению L/L, равному 0,6. Результирующие кривые D(f) показаны утолщенными линиями.
Как видно из фиг.2, колебания одной и той же частоты в одном отрезке трубы соответствуют области генерации, а в другой - области затухания.
При выбранных соотношениях шагов гофра колебания, генерируемые одним отрезком трубы, затухают в другом. Из фиг.2 видно, что в составной гофрированной трубе с выбранными соотношениями шагов гофров возникающие колебания в значительной степени подавляются во всей практически значимой области звуковых частот.
1
2
1
2
1
2
1
2
Показанные на фиг.3 примеры конструкций предлагаемого гофрированного газопровода содержат пару отрезков гофрированной трубы: отрезок 1 и отрезок 2. Амплитуда (высота) гофра на участке 1 равна h, на участке 2 равна h. Отношение амплитуд (высот) h/h близко к единице. Шаг гофра на отрезке 1 равен L, а на отрезке 2 равен L. Отношение шагов L/L близко к 0,5.
На фиг.3а показан пример выполнения газопровода из двух отрезков с синусоидальным профилем, на фиг.3б - из двух отрезков, имеющих цилиндрические участки.
На фиг.4 показан пример конструкции газопровода по второму варианту - с профилем гофры, образованным суммой, по меньшей мере, двух периодических функций расстояния вдоль оси трубы, отношение амплитуд которых близко к единице, а отношение периодов близко к 0,5.
Длины отрезков 1 и 2 выбираются из технологических соображений, однако ограничены условием D>Dмин, где Dмин - заданное минимальное значение (например, равное нулю). Проверка выполнения этого условия для гофрированного отрезка трубы с конкретными значениями параметров при заданной максимальной скорости потока среды выполняется с использованием зависимостей, представленных на фиг.1.
1
2
1
2
Изложенное выше подтверждено экспериментальными проверками, при которых установлено, что эффект взаимоподавления колебаний потока среды, протекающего последовательно через отрезки 1 и 2, сохраняется в диапазоне отношений L/L, равном 0,3-0,9, и отношений h/h, равном 0,8-1,2.
Источники информации
1. Пат. США US 6948884, МПК F15D 1/10, F16l 57/00, оп. 27.09.2005.
2. U.Kristiansen, T.Reinen, G.A.Wiik. Proc. of lnter-noise, 2005, p.220-221.
3. U.Kristiansen, T.Reinen, G.A.Wiik. Journal of Acoustic Society of America, 2007, v.121, N 3.
4. Пат. RU 2298668, МПК F01N 1/00, оп. 10.05.2007 г.
5. Пат. RU 2028535, МПК F16L 11/11, оп. 09.02.1995.
6. В.Ф.Копьев, М.А.Миронов, B.C.Солнцева, Акуст. журн., 2008, т.54, №2, 237-243.