КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ НАЛИВНОГО ТРУБОПРОВОДА ОТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА

Полезная модель относится к устройствам для защиты трубопроводов, преимущественно нефтеналивных морских и речных терминалов от волн повышенного давления (гидравлических ударов), возникающих в процессе эксплуатации трубопровода при быстром закрытии задвижек на трубопроводах нефтеналивных терминалов, и может быть использовано при эксплуатации жидкостных систем, а именно нефтепроводов и нефтепродуктопроводов.
При закрытии секущей (судовой) задвижки происходит резкое торможение потока жидкости в трубе, неизбежно вызывающее столь же резкое увеличение давления. Скачок давления гасит инерцию, которой обладает движущаяся жидкость. Фронт торможения распространяется в виде волны повышенного давления вверх по течению, поэтому в том или ином сечении наливного трубопровода (нефтепровода) может произойти его разрыв, разгерметизация и выход транспортируемой жидкости наружу.
Известно устройство для компенсации увеличения давления в волне гидравлического удара, представляющее собой закрытую емкость, в которую через подводящий патрубок подается инертный газ. Жидкость из защищаемого трубопровода попадает в устройство через клапан. Более того, устройство оснащено клапаном, обеспечивающим обратный переток жидкости из емкости в трубопровод (см. Патент US №5816291 (A), опубликован 06.10.1998). К недостаткам данного устройства относятся большие габариты закрытой емкости, что является критичным условием при защите трубопроводов нефтеналивных терминалов ввиду дефицита свободного пространства на причалах.
Известно устройство для защиты от гидравлического удара, основанное на применении хрупких шаров, разрушающихся при превышении давления выше допустимого, тем самым демпфирующих колебания давления при гидравлическом ударе (см. Патент RU №2134834, F16L 55/045, опубликован 20.08.1999). К недостаткам данного устройства относится необходимость периодической замены разрушенных шаров и относительная сложность изготовления и установки шаров, а также непрерывного функционирования данного устройства.
Известно устройство гасителя гидравлического удара, предназначенное для предотвращения или уменьшения воздействия гидравлического удара, представляющее собой упругий шланг с диаметром меньшим, чем диаметр трубопровода, заполненный воздухом и закрепленный в нижней части внутренней полости трубопровода, при этом концы шланга закрыты пробками (см. Патент RU №2220359, F16L 55/045, опубликован 20.06.2003). Однако данное устройство создает дополнительное сопротивление течению жидкости и тем самым снижает пропускную способность трубопровода. Более того, в случае износа или механического повреждения упругой оболочки шланга устройство перестанет функционировать.
Известно устройство для защиты от гидравлического удара, представляющее собой герметичную емкость, подключаемую к защищаемому трубопроводу. В этой емкости находится сжимаемая камера, заполненная газом. Жидкость может беспрепятственно перетекать во внутреннюю полость устройства, тем самым достигается снижение уровня давления в основном трубопроводе (см. Патент US №3420273 A, опубликован 07.01.1969). К недостаткам известного устройства относится относительно большой объем емкости, необходимой для обеспечения требуемого уровня защиты трубопровода.
Известно также устройство, предназначенное для гашения волны гидравлического удара, представляющее собой воздушный колпак, подключенный к защищаемому трубопроводу вблизи источника гидравлического удара, способный прервать дальнейшее распространение волны гидравлического удара (см. монография «Гидравлика», Френкель Н.З. 1956 г., стр. 315, фиг. 19-1). Недостатком известного устройства является то, что для обеспечения требуемого уровня защиты, необходима установка воздушного колпака весьма большой вместимости.
Наиболее близким решением к заявляемой полезной модели является устройство системы защиты морского нефтеналивного терминала от волн гидравлического удара, содержащее причальную и береговую сбросные открытые емкости, соединенные с нефтеналивным трубопроводом. В местах подключения емкостей к защищаемому трубопроводу устанавливаются предохранительные клапаны (см. статью «Комбинированная система защиты морских нефтеналивных терминалов от гидроударных явлений», Арбузов Н.С., «Трубопроводный транспорт: теория и практика» №4 (20), август 2010, с. 20-23). Недостатками известного устройства являются: необходимость установки дополнительного насосного оборудования для обратной закачки жидкости из сбросных емкостей в трубопровод; возможность переполнения предохранительных емкостей для чего их объем должен быть весьма велик; задержка срабатывания системы защиты, вызываемая конструктивными особенностями предохранительных клапанов.
Техническим результатом полезной модели является исключение необходимости применения насосов для обратной закачки жидкости из сбросных емкостей в трубопровод, исключение возможности переполнения сбросных емкостей, устранение задержки (запаздывания) в срабатывании систем защиты при повышении давления в трубопроводе.
Технический результат полезной модели достигается за счет того, что система защиты наливного трубопровода от гидравлического удара содержит причальную и береговую сбросные емкости, соединенные с наливным трубопроводом, причем причальная сбросная емкость выполнена меньшего объема, чем береговая сбросная емкость, при этом каждая емкость выполнена герметичной, свободно сообщена с наливным трубопроводом и частично заполнена газом и транспортируемой жидкостью.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема комбинированной системы защиты; на фиг. 2 показана сбросная емкость (газовый колпак); на фиг. 3 показано изменение давления в трубопроводе в случае системы защиты с одной сбросной емкостью (причальной); на фиг. 4 показано изменение давления в трубопроводе в случае комбинированной системы защиты с двумя сбросными емкостями (газовыми колпаками малого объема на причале и большего объема на берегу).
Комбинированная система защиты наливного (нефтеналивного) трубопровода от гидравлического удара содержит причальную и береговую герметичные сбросные емкости 1 и 2 (газовые (воздушные) колпаки), свободно сообщенные с наливным трубопроводом 3. Причальная сбросная емкость 1 выполнена меньшего объема, чем береговая сбросная емкость 2, при этом для обеспечения демпфирующих свойств каждая емкость 1, 2 частично заполняется газом и частично-транспортируемой жидкостью (например, нефтью или другими нефтепродуктами: дизельное топливо, бензин, сжиженные углеводородные газы и т.п.).
Схема работы заявленного устройства изображена на фиг. 1 и заключается в следующем. При штатном режиме перекачки транспортируемая жидкость подается из резервуарного парка 4 по наливному трубопроводу 3 на принимающий танкер (не показан). В этом случае давление в полости емкостей 1 и 2 (газовых (воздушных) колпаков) устанавливается равным давлению в сечении подключения емкостей 1, 2 к трубопроводу 3. При экстренном закрытии секущей (судовой) задвижки 5 формируется волна давления, которая распространяется в направлении резервуарного парка 4. При этом жидкость сразу же начинает частично сбрасываться в установленную на причале причальную емкость 1 (причальная система защиты), постепенно повышая в ней давление. Та часть волны гидравлического удара, которую не способна остановить емкость 1 меньшего объема будет перенаправлена в емкость 2 большего объема (береговая система защиты), установленную на берегу. Приходящая от нее к емкости 1 волна разрежения прекращает сброс в нее транспортируемой жидкости.
нач
кон
3
3
Эффективность заявляемого устройства подтверждается расчетами параметров переходного процесса, возникающего в наливном трубопроводе 3, оборудованным заявляемым устройством, при закрытии секущей задвижки 5. Рассмотрим результаты расчета двух способов защиты 5-км участка наливного трубопровода с внутренним диаметром d=500 мм, по которому транспортируют нефть с плотностью ρ=870 кг/м и кинематической вязкостью ν=10 сСт. Абсолютное давление в начальном сечении трубопровода P=0,6 МПа, давление в конечном сечении P=0,1 МПа. В конечном сечении рассматриваемого трубопровода 3 установлена задвижка 5, которая закрывается за время τ=5 с. Первый способ реализуется установкой в сечении близком к конечному воздушного колпака, при этом подключение осуществляется напрямую, т.е. без предохранительного клапана. Вторым способом является применение комбинированной системы защиты. Газовый колпак 1 меньшего объема (5 м) устанавливается в непосредственной близости от задвижки 5, в то время как газовый колпак 2 большего объема (30 м) устанавливается на расстоянии 500 м от конечного сечения трубопровода 3. В качестве метода расчета нестационарных процессов используется известный «метод характеристик» (Лурье М.В. «Математическое моделирование процессов трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа», М.: Изд. центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. - 2012. - 456 с).
На фиг. 3 представлены зависимости распределения давления в сечении подключения газового колпака. Очевидно, что с увеличением объема емкости удается снизить уровень максимального давления в трубопроводе 3.
На фиг. 4 показаны зависимости изменения уровней давления в трубопроводе 3 при установке комбинированной системы защиты. Из приведенных графиков видно, что применение комбинированной системы защиты позволяет не только эффективно защитить трубопровод 3 от гидравлического удара, но и освободить дополнительное пространство на причале.
Устройство предназначено для защиты от гидравлических ударов, возникающих при быстром закрытии задвижки 5 в результате экстренных ситуаций - подвижке заполняемого танкера, переполнении танков, ложном срабатывании системы безопасности и т.п. Устройство предназначено для предотвращения или уменьшения воздействия гидравлического удара.
3
3
Предлагается использовать устройство, включающее две герметичные емкости 1, 2 различного объема, частично заполненные инертным газом (например, азотом), частично-транспортируемой жидкостью. На причале устанавливается герметичная емкость 1 меньшего объема (например, 5-10 м), на берегу - герметичная емкость 2 большего объема (например, 25-50 м). Обе емкости 1, 2 свободно сообщаются с наливным трубопроводом 3, и за счет сжимаемости находящегося в них газа позволяют обезопасить наливной трубопровод 3 от разгерметизации при гидравлическом ударе. Рабочим элементом предлагаемого устройства является газовый колпак, устройство которого изображено на фиг. 2. Здесь жидкость из наливного трубопровода 3 поступает в полость газового колпака, сжимая при этом инертный газ и, как следствие, уменьшая давление в наливном трубопроводе 3. Волна разряжения, возникающая при начале отбора жидкости в береговую емкость 2, возвращаясь обратно к причальной емкости 1, прекращает поступление в нее транспортируемой жидкости.