СОБЫТИЯ

Журнал «Нефть и Газ Сибири» стал участником выставки в Казани

6-8 сентября в столице Татарстана прошла 24-я международная специализированная выставка «Нефть, газ. Нефтехимия» в рамках Татарстанского нефтегазохимического форума. «Нефть, газ. Нефтехимия» — ведущая отраслевая ...

В отеле InterContinental представляетсяаналитика по модернизации нефтегазоперерабатывающих производств до 2020 года

12 сентября в отеле InterContinental (Москва, Тверская, 22) состоится седьмая ежегодная конференция «Модернизация производств для переработки нефти и газа»(Нефтегазопереработка-2017). Участникам будут представлены аналитические ...

ЛУКОЙЛ, РуссНефть, Зарубежнефть встретятся с участниками нефтесервисного рынка

17 октября в отеле InterContinental (Москва, улица Тверская, 22) состоится двенадцатая ежегодная конференция «Нефтегазовый сервис в России» (Нефтегазсервис-2017). На конференции выступают кураторы нефтесервисного блока ВИНК и ...

Роснефть стала лидером среди крупнейших налогоплательщиков России

По итогам 2016 года ПАО «НК «Роснефть» признана крупнейшим налогоплательщиком в РФ. Лидирующую позицию нефтяная компания занимает уже четвертый год подряд. Об этом свидетельствуют данные рейтинга, составленного РБК. Согласно ...

17 октября в отеле InterContinental АО «Зарубежнефть» собирает поставщиков оборудования

17 октября в отеле InterContinental (Москва, Тверская, 22) состоится двенадцатая ежегодная конференция «Нефтегазовый сервис в России» (Нефтегазсервис-2017). На конференции выступают кураторы нефтесервисного блока ВИНК и руководители ...

Специфика проектирования трубопроводных устройств для загрязненных сред

И. Н. Карелин, д­р техн. наук, профессор Российского государственного университета нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина

 

 

 

В настоящей работе предложена система представления проблемы надежности
нефтегазовых трубопроводных устройств (НГТУ) и ее конструктивная реализация на примере шиберной задвижки фонтанной арматуры.

 

 

 

Особенности эксплуатации трубопроводных обвязок оборудования добычи, транспорта и хранения природного газа и нефти заключаются в том, что даже классические запорные устройства, пусть кратковременно, но циклически, работают в условиях, которые можно отнести к категории критических [1]. Защемление потоков, характерных для оборудования нефтегазовой отрасли и не только, сопровождается такими скоростями этих потоков, да еще и при наличии агрессивных компонентов, включая неизбежные в целом ряде случаев механические примеси, при которых самые твердые из существующих стойких к абразивной эрозии материалов и покрытий [2] оказываются малоэффективными (рис. 1). Причем с далеко не безопасными последствиями (рис. 2).

Существующий преимущественно эмпирический подход к решению указанной проблемы, выражающийся непосредственностью принципа «где изнашивается, там и надо упрочнять», обусловил необходимость методологического пересмотра ее решения. При этом в плане постановки новых задач исследований наиболее полезной оказалась методология системного подхода [3].

 

 

В отличие от известной ранее трибосистемы в виде абразивосодержащего потока и материала преграды [4,5] в предметной области трубопроводных устройств было предложено выделить системное образование под названием «система абразивной эрозии элемента трубопровода», которая представляла собой взаимодействующие подсистемы: поток рабочей среды и функционирующее трубопроводное устройство (рис. 3). Определив свойства элементов «поток» и «изделие», которые при реализации связи между элементами трансформируются в функции, на основе логического эксперимента на модели шиберного затвора сформулирована принципиальная с позиций возникновения и развития отказа функция блокирования потока. В результате чего в теории проектирования НГТУ для абразивосодержащих сред впервые был предложен принцип разделения функций, состоящий в следующем: в конструкции изделия детали или их поверхности, выполняющие основную или непосредственно связанную с ней функцию, не должны выполнять функции защиты от абразивной эрозии, которая должна быть возложена на другие поверхности или детали.

На основе данного принципа первые запатентованные технические решения модернизированного запорного узла фонтанной шиберной задвижки были предложены в виде разделения функций рабочих поверхностей шибера [6] и в виде дополнительных деталей запорного узла в совокупности с разделением функций поверхностей, начальный вариант [7].

При реализации полного разделения рабочих поверхностей шибера (рис. 4) на блокирующую (защитную) и герметизирующую (функциональную) требовалось изготовление новой корпусной детали задвижки, что в условиях ремонтной базы производственного подразделения «Газпрома» было неосуществимым. Фактически удалось лишь изменить диаметр перекрываемого проходного отверстия фонтанной бакинской задвижки ЗМС 65­210, т.е. шибера и седел с 65 мм до 50 мм. При этом в пределах базовой корпусной детали рабочая часть шибера несколько увеличилась и блокирующие поверхности были отделены от герметизирующих известными из триботехники поперечными абразивоудаляющими канавками.

 

 

Опытный образец задвижки был испытан на скважине и получен интересный результат. По отзывам операторов, работающих этой задвижкой, ее звук при работе отличался от обычной задвижки и отмечалось меньшее усилие на ручном приводе. Обследование разобранной задвижки показало локализацию эрозионного воздействия перекрываемого потока на блокирующих поверхностях и канавках (рис. 5). Отсюда были сделаны два полезных вывода:

– канавки не только счищают и удаляют абразивные загрязнения с контактных поверхностей, но и выполняют разгрузочную функцию при защемлении потока, т.е. изменяет газодинамическую ситуацию в окрестности изнашиваемых поверхностей;

– размер блокирующей поверхности в направлении рабочего хода шибера может быть меньше, чем требовалось изначально (см. рис. 4), а значит, и величина рабочего хода.

 

 

В результате после расчетов прочности, размерных цепей изделия и размеров разгрузочно­абразивоудаляющих канавок конструктивная схема модернизированного запорного узла (рис. 6) полностью вписалась в исходные габариты и прочие размеры задвижки. Результаты эксплуатационных испытаний модернизированных фонтанных задвижек заводского исполнения (совместного АО «Алексинский завод «Тяжпромарматура» с
АО «Рыбинское конструкторское бюро моторостроения» и АООТ «Волжский машиностроительный завод»; ГПО «Воткинский завод»; ФГУП «Воронежский механический завод»; ОАО «Калужский турбинный завод») явились основанием рекомендации ОАО «Газпром» к использованию данного технического решения в продукции, поставляемой заводами на производственные объекты отрасли.

Даже в рассмотренном простейшем варианте реализации принципа разделения функций на шибере конструкция задвижки оказалась конкурентоспособнее предлагаемой в России американской задвижки с двойным седлом фирмы Foster Valve Corporation [8].

 

 

Последующая предложенная модернизация задвижки в виде вышеупомянутого запатентованного технического решения вследствие насколько более сложной реализации касалась не только шибера, но и неподвижных незащищенных седел изделия. До опытного образца модернизированного изделия данное техническое решение автором, естественно, доведено не было.

Суть изобретения сводилась к защите седел с применением дополнительных деталей. Ведь контактные кольцевые поверхности седел участвуют как в процессе блокирования потока, где в секторе защемления потока активно повреждаются, так и в процессе герметизации затвора (рис. 7).

Поэтому согласно изложенному положению о разделении контактные поверхности поврежденных седел также не должны участвовать в выполнении функции герметизации, т.е. они должны быть удалены из зоны герметизации затвора. Для этого шиберный затвор предложено оснастить двумя дополнительными защитными шиберами, расположенными между неподвижными седлами и основным шибером и выполняющими функцию подвижных седел, последний вариант [9].

 

 

Порядок перемещения дополнительных деталей такого запорного узла сводится к следующему (рис. 8). На закрытие основной шибер с разгрузочно­абразивоудаляющими канавками при защищенных защитными шиберами седлах совершает рабочий ход до положения «закрыто» (положения 1–4), затем при перекрытом проходном отверстии поочередно в направлении рабочего хода основного шибера перемещаются защитные шиберы на расстояние, равное диаметру проходного отверстия, плюс ширина контактного кольца неподвижного седла (положения 5–8). На открытие указанные детали запорного узла совершают перемещения в обратном порядке, т.е. поочередно:

– защитные шиберы при перекрытом проходном отверстии, затем – основной шибер осуществляет открытие проходного отверстия.

В результате поврежденные в процессе блокирования потока поверхности защитных шиберов, закрывающих неподвижные седла, удаляются из зоны герметизации и в контакт с неповрежденными потоком поверхностями основного шибера и седел вступают неповрежденные потоком поверхности дополнительных шиберов. Таким образом, осуществляется полная защита запорного узла шиберной задвижки от абразивной эрозии, поскольку движущийся поток абразивосодержащей рабочей среды в процессе перемещения основного и защитных шиберов не воздействует на герметизирующие поверхности седел. В процессе перемещения основного шибера движущийся поток воздействует на контактные поверхности защитных шиберов, а не на герметизирующие поверхности седел. При перемещении защитных шиберов поток остановлен и, следовательно, не агрессивен.

 

 

Конструкторская проработка данного технического решения требует решения интересной задачи проектирования механизма согласования движений шиберов в рассмотренной последовательности и, соответственно, проектирования нового корпуса задвижки, выполнения прочностных, точностных и прочих необходимых расчетов. В таком исполнении может быть получена реально долговечная износостойкая фонтанная шиберная задвижка.

Предложенное конструктивное разделение функциональных и защитных поверхностей и деталей затвора задвижки своей простотой и эффективностью реализации выгодно отличается от существующей реализации только технологических методов защитного поверхностного упрочнения или применения новых перспективных защитных материалов (например, технической керамики или композитов) и вместе с тем существенно повышает их эффективность (этот вопрос проработан, но выходит за рамки настоящей статьи (рис. 9) [10]).

Методологически разработанный принцип разделения функций в плане реализации представляется достаточно универсальным, поскольку явился основой изобретения целого ряда долговечных НГТУ [11], так и не получивших применения. Причем упомянутые в этой работе изобретения даже с доказанной в эксплуатации эффективностью, при наличии рекомендаций «Газпрома», заводской конструкторской и другой документации в промышленности так и не реализованы (по организационным или более экономическим причинам). Кроме нефтегазовой отрасли они могут оказаться полезными и в других отраслях промышленности (например, металлургии, горнодобывающей, химической и т.д.).

Актуализируемая Минпромторгом РФ проблема импортозамещения в отрасли нефтегазового машиностроения в аспекте рассмотренного в настоящей работе научного подхода в наибольшей степени соответствует полноценному толкованию термина «импортозамещение», т.е. реализации отечественных инноваций, а не только копирования зарубежных образцов трубопроводного оборудования с помощью иностранных станков и технологий.

 

 

 

Литература:

 

1. Материалы Международного форума «ValveIndustryForum&Expo. Оборудование для критических условий эксплуатации». – Москва. ЦВК «Экспоцентр», 01­03 ноября 2016 г. – www. valve­forum.ru.

2. Балдаев Л.Г. Реновация и упрочнение деталей машин методами газотермического напыления. – М. Изд­во «КХТ». 2004. 134 с.

3. Садовский В. Н. Основания общей теории систем. – М., «Наука». 1974. 341 с.

4. Справочник по триботехнике. Под общ. ред. М. Хебды, А. В.Чичинадзе. В 3 т. Т.1. Теоретические основы.– М., «Машиностроение», Варшава ВКЛ.1989. 400с.

5. Николаев В. Н., Брук В. М. Системотехника: методы и приложения. ­Л., «Машиностроение», Ленингр. отд­ние. 1985. 199 с.

6. Пат. 2002151Рос. Федерация. Запорный узел.

7. Пат. 2084734Рос. Федерация. Запорный узел.

8. Foster Valve Corporation. 6445 Burlington North, Texas 77092.48 p.

9. Пат. 2463505Рос. Федерация. Запорный узел «ИГР».

10. Пат. 2516758Рос. Федерация. Износостойкий запорный узел «ИГР».

11. Карелин И. Н. Инновационные трубопроводные устройства газовой отрасли. – Сфера. Нефть и газ. 2015. №1. с. 44–46.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НГС 3 (28) август 2017 


Категория статьи: Наука и образование

К содержанию журнала
Яндекс.Метрика