Ключевые слова: технологический трубопровод, высотные отметки, напряженно-деформированное состояние, температурный перепад, продольные напряжения, программное обеспечение, вибродиагностика.
Энергообеспечение в значительной степени зависит от газовой отрасли, где газ доставляется потребителям через взаимосвязанную сеть трубопроводов и технических сооружений, образующих газотранспортную систему (ГТС) [1]. Гидравлические потери при транспортировке газа приводят к снижению давления на больших расстояниях, что может вызвать недостаточное пластовое давление для поддержания транспортировки газа в трубопроводах. Компрессорная станция (КС) играет критически важную роль в ГТС, выступая основным регулирующим элементом, отвечающим за сжатие газа и поддержание необходимого расхода в процессе транспортировки.
Ростехнадзор предъявляет строгие требования к производственной безопасности объектов, относящихся к трубопроводному транспорту природного газа, включая компрессорные станции. В настоящее время существует значительная проблема в газовой отрасли, связанная с тем, что большинство газопроводных систем России эксплуатируются более 30 лет. При проведении реконструкций акцент зачастую делается на замену устаревших газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на более современные, в то время как технологические трубопроводы (ТП) подвергаются замене гораздо реже. В данной ситуации повышается значимость раннего выявления дефектов на стадии их формирования и оценки технического состояния ТП, что становится возможным благодаря мониторингу.
Технологические трубопроводы функционируют в тяжелых условиях, где могут возникать напряжения, связанные с собственным весом трубы, давлением газа, тепловыми расширениями и колебаниями потока сжимаемого газа, которые провоцируют вибрацию. Наибольшие вибрационные нагрузки в обвязке ГПА наблюдаются в переходные режимы: при запуске и остановке, а также при приближении ГПА к работе в помпажной зоне. Основные виды нагрузок в обвязке ТПО представлены на рисунке 1.
В широком смысле нагрузки можно классифицировать на статические и динамические. Основными статическими нагрузками, значительно влияющими на несущую способность трубопроводов (НДС), являются изменения высотных отметок и давление рабочей среды. В отличие от рабочего давления, изменения высотных отметок являются более непредсказуемыми и чаще всего возникают в регионах с особыми геологическими условиями, где компоненты трубопроводных систем взаимодействуют со слабо несущими грунтами. В таких случаях система «трубопровод-опора» может деформироваться, изменяя свою НДС, что может привести к разрушению или просадке опор, провисанию труб и потере контакта между трубой и опорой. Проблема укрепления грунтовой основы остается актуальной, и ее решение заключается в разработке инновационных подходов и модернизации существующих методов.
Также перекосы в высотных отметках могут быть связаны с деформацией трубопроводов, что приводит к повышению уровней напряжений. В рамках мониторинга изменений высотных отметок ТП чаще всего осуществляются измерения с использованием нивелиров в реперных точках, что позволяет, в свою очередь, с помощью подвижных опор снижать напряжение в трубопроводах. Однако следует отметить, что данный метод регулировки часто оказывается неэффективным в долгосрочной перспективе и не позволяет в полном объеме достичь поставленных целей. В таких случаях может потребоваться реконструкция технологических трубопроводов.
Согласно статистическим данным, большинство отказов на компрессорных станциях связано с возникновением повышенных уровней вибрации, которые составляют 40 % от общего числа отказов (рис. 2). Поэтому вибромониторинг играет значительную роль в процессе эксплуатации этих объектов.
Основными причинами появления вибраций является передача нагрузок от работающего агрегата и возникновения пульсационных составляющих транспортируемой среды. Нагрузкам, передаваемым от ГПА, больше всего подвергаются трубопроводы, близ расположенные к нему. Такие вибрации лежат в низкочастотном диапазоне, кратном частоте вращения ротора. Повышенные высокочастотные вибрации возникают на высоких линиях у фланцев ЦБК и в местах с где возникают разветвления с безрасходными участками (тупиковые ответвления), ответвлениями на «лопаточных» и «полулопаточных» частотах. Для снятия как статических, так динамических нагрузок существуют опоры, в редких случаях используют виброгасители. Разрушение и проседание опор приводит к пригибанию трубопровода повышению вибрации, тем самым увеличивается износ и увеличивается вероятность образования дефектов.
Как объект диагностирования ТПО КС имеет определенную специфику в связи с тем, что подвержен воздействию комплексных переменно-постоянных нагрузок. В силу этого не всегда возможно диагностировать причины изменения состояния по экспериментальным данным в дискретных точках трубопроводов. Оценить влияния статических нагрузок не составляет особого труда в отличие от динамических с учетом сложности выявления основных причин, вызывающих эти возмущения и их количественной оценки, а также не совершенствованием методики определения эталонных уровней вибраций, дающих объективную информацию о напряжено-деформированном состоянии оборудования. Использование большинства норм применимо только в первом приближении. В зависимости от конструкции трубопровода, месторасположения сварочных соединений, арматуры и фасонных элементов некоторые трубопроводы работают надежно при эффективных значениях виброскорости 45 мм/с и выше, а в некоторых случаях при уровне виброскорости 12 мм/с установлены трещины трубопроводов, просадка опор или сварные соединения. В связи с этим диагностирование таких систем должно включать создание математических моделей.
В связи с вышеизложенным диагностирование таких систем должно основываться на создании математических моделей. С развитием компьютерных технологий и цифровизации производственных процессов возникает необходимость применения современных программных решений, таких как ANSYS, для анализа и оптимизации технологических процессов. Расчеты статических нагрузок в этих программных пакетах относительно статических нагрузок (например, давление и изменения высотных отметок) не представляют собой трудности. Для создания смоделированной математической модели необходимо задать основные свойства материала и установить граничные условия (см. рисунок 3).
По результатам которой можно составить таблицу и сравнить с расчетными максимально доступными.
Создание точной математической модели, способной учитывать динамические нагрузки на трубопроводы, представляет собой значительную сложность, обусловленную несколькими факторами. Во-первых, динамические нагрузки в компрессорных станциях часто варьируются в широком диапазоне и зависят от множества переменных, таких как режим работы агрегатов, изменения давления и температурные колебания. Это требует от модели учета различных сценариев эксплуатации и величин нагрузок. Во-вторых, взаимодействие между трубопроводом и рабочей средой (газом) создает дополнительные сложности. Пульсации давления, вызванные изменениями в режиме работы компрессоров, могут приводить к непредсказуемым колебаниям и хаотическому поведению трубопроводов. Эти явления сложно смоделировать из-за их нелинейной природы и необходимости применения сложных математических методов. В-третьих, физические характеристики материалов трубопроводов, такие как упругость, прочность на сжатие и столкновение с усталостью, варьируются в зависимости от условий эксплуатации и времени. Таким образом, создание универсальной модели, которая учитывает все эти переменные и их взаимосвязь, является продолжительным и ресурсоемким процессом. Кроме того, существующие программные решения, такие как ANSYS, хотя и обладают мощными функциями для численного моделирования, могут иметь ограничения в возможности точно учитывать все аспекты динамических нагрузок. Это может привести к необходимости использования нескольких программных пакетов или разработки специализированного программного обеспечения, что увеличивает затраты и время, требуемые для анализа. Таким образом, необходимость создания надежной математической модели и сложность учета динамических нагрузок ставит перед исследователями и инженерами задачу, требующую тонкого баланса между теоретическими и практическими аспектами.
Заключение
В заключение следует отметить, что диагностика и мониторинг состояния технологических трубопроводов компрессорных станций являются критически важными для обеспечения безопасности и надежности газотранспортной системы. Нагрузки, возникающие под воздействием работающих агрегатов и пульсаций рабочей среды, создают сложные условия эксплуатации, требующие внимательного наблюдения и анализа. В связи с этим методики, основанные на математическом моделировании и цифровых технологиях, открывают новые горизонты для повышения точности и эффективности мониторинга.
Данное исследование подчеркивает важность интеграции современных программных решений, таких как ANSYS, для анализа поведения трубопроводов под динамическими и статическими нагрузками. Понимание специфики вибрационных процессов и влияние конструктивных особенностей на техническое состояние трубопроводов откроет новые возможности для оптимизации их проектирования и эксплуатации.
На основании проведенного анализа, можно рекомендовать разработать специализированные методики мониторинга, которые сочетали бы традиционные технические подходы с современными цифровыми технологиями. Необходимо развивать математические модели, учитывающие множество переменных, чтобы улучшить предсказуемость поведения трубопроводов и предотвратить возможные аварийные ситуации.
Дальнейшие исследования в этой области должны сфокусироваться на создании интегрированных систем диагностики, которые будут обеспечивать непрерывный мониторинг и быстрое реагирование на любые изменения в работе трубопроводов. Это позволит не только повысить безопасность газотранспортных систем, но и существенно сократить эксплуатационные затраты.
Таким образом, внедрение новых технологий и методов мониторинга может стать важным шагом к улучшению надежности и безопасности эксплуатации компрессорных станций и всей газотранспортной системы в целом.
Литература
1. Вибрационная диагностика трубопроводов компрессорных станций / Якубович В.А. – Москва: Недра-Бизнесцентр, 2004. – 334 с.
2. СТО Газпром 2-2.3-324-2009 Диагностическое виброобследование технологических трубопроводов компрессорных цехов с центробежными нагнетателями. Нормы оценки и методы проведения работ. М.: Газпром экспо, 2009. 65 с.
3. Козаченко А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. – 1999.
4. Рамазанов Р.М. Диагностирование состояния трубопроводных обвязок компрессорных станций // Достижения науки и образования. – 2020. – № 2 (56). – С. 5–10.
5. Зотов, Н., & Абакумова, В.В. Проектирование, строительство и эксплуатация систем трубопроводного транспорта на подрабатываемых территориях // Булатовские чтения. – 2018. – Т. 4. – С. 65–67.
6. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы. – М.: ФГУП ЦПП, 2005. – 60 с.
