Конструктивные исполнения магистральной арматуры, отвечающие требованиям к эксплуатации линейной части трубопровода

Окт 23, 2020
 
Эффективность эксплуатации линейной части магистральных трубопроводов в значительной степени зависит от качества выполнения функций используемой в системе линейной арматуры. В этой связи должно уделяться должное внимание методологии выбора исполнения арматуры. В ее основе должен быть реализован принцип иерархический подчиненности, который для настоящей задачи трансформируется в следующие положения [1‚ 2, 3].
 
1. Линейная магистральная трубопроводная система является крупным эксплуатационным объектом, выполняющим заданные технологические функции по организации транспорта газообразных и жидких углеводородов.
2. Линейная трубопроводная арматура является элементом этого эксплуатационного объекта.
3. Трубопроводная арматура выполняет служебные функции, отличные от функций трубопроводной системы.
4. Служебные функции трубопроводной арматуры являются управляющими по отношению к функциям трубопроводной системы, формируются для удовлетворения функций трубопроводной системы и подчиняются им.
 
Руководствуясь этими положениями, первыми и важнейшими задачами методологии выбора арматуры следует считать: а) установление всего многообразия ожидаемых (проектных) в процессе работы трубопроводной системы эксплуатационных ситуаций штатного и критического характера; б) изучение, анализ, систематизация, функциональное и параметрическое обобщение эксплуатационных ситуаций; в) формирование совокупности эксплуатационных требований к арматуре, вытекающие из изучения эксплуатационных ситуаций.
 
Группы показателей качества и параметров, характеризующих эксплуатационные требования к магистральной арматуре. В качестве базовой совокупности эксплуатационных требований следует руководствоваться следующими группами показателей, которые характеризуют как свойства арматуры позволяющие удовлетворять эксплуатационные требования, так и воздействия на арматуру, как элемента эксплуатационной системы, мешающие арматуре удовлетворять эксплуатационные требования высшей иерархической структуры — трубопроводной системы [3].
 
Первая группа представлена показателями качества, которыми оцениваются“ свойства линейной запорной арматуры достаточно широкой номенклатуры. В состав группы вошли такие показатели:
1. Внешняя герметичность материала корпусных деталей и их соединений, выраженная в виде количественной величины допустимой утечки в единицу времени ([Qвτ]), [Qвτ] ≥ 0;
2. Внешняя герметичность сальникового уплотнения, выраженная в виде количественной величины допустимой утечки в единицу времени ([Qвсτ]), [Qвсτ] ≥ 0;
3. Внутренняя герметичность в затворе, выраженная в виде количественной величины допустимой утечки в единицу времени ([Qвн3τ]), [Qвн3τ] ≥ 0;
4. Количество циклов «срабатывания затвора за период эксплуатации (Nτ);
5. Частота дискретного события — срабатывания затвора (n);
6. Скорость срабатывания затвора (Vз);
7. Чувствительность затвора к изменению управляющего усилия (Кч);
8. Коэффициент гидравлического сопротивления проточной части (ζ).
 
Вторую группу составляют параметры, характеризующие среду, транспортируемую по трубопроводу и воздействующую на элементы арматуры изнутри. Для арматуры линейной части трубопроводов эта группа будет представлена такими параметрами:
1. Давление среды (рабочее), соответствующее нормальному технологическому режиму эксплуатации трубопроводной системы (рр);
2. Нижнее предельное критическое давление среды, соответствующее возможному падению давления в трубопроводной системе при отклонении технологического режима эксплуатации (ркрн);
3. Верхнее предельное критическое давление среды, соответствующее возможному возрастанию давления в трубопроводной системе при отклонении технологического режима эксплуатации (ркрв);
4. Температура (диапазон температур) среды, соответствующая нормальному технологическому режиму эксплуатации (Т);
5. Удельный вес среды (γ);
6. Вязкость среды динамическая (η), кинематическая (ν);
7. Коррозионная активность среды (Н);
8. Скорость транспортирования среды (Vср);
9. Загрязненность среды.
 
Третью группу составляют параметры, которые определяют возможность управляющего воздеиствия на затвор арматуры Эта группа параметров представлена в таком составе:
1. Номинальная сила управления затвором от внешних приводных устройств (Fупн);
2. Допустимое изменение номинальной силы управления затвором от внешних приводных устройств (±ΔFупн);
3. Номинальная сила управления затвором при самоуплотнении от действия давления среды (Fупнс);
4. Допустимое изменение номинальной силы управления затвором при самоуплотнении от действия Давления среды (±ΔFупнс);
 
Четвертую группу образуют параметры и факторы, характеризующие внешнее силовое воздействие со стороны трубопроводной системы на арматуру как функционально обособленного объекта.
 
Для установления состава параметров этой группы необходим не только анализ эксплуатационных требований, но и анализ процесса монтажа арматуры и точности изготовления привалочных поверхностей. Регламентированные нормативной документацией погрешности привалочных поверхностей в виде их непараллельности обуславливают необходимость их компенсации или устранения за счет деформаций прокладок, корпусных деталей или фланца трубопровода. Это осуществляется в процессе монтажа в результате действия монтажных сил, которые вместе с силами от температурных Деформаций трубопроводной системы с учетом конструктивно-технологических схем установки арматуры на трубопроводе дают достаточно полную картину внешних силовых действий. В качестве примера на рис. 1 представлены схемы действия внешних сил на трубопроводную арматуру для различных условий монтажа и расположения трубопровода. Наибольшее влияние на изменение показателей качества арматуры имеют также составляющие внешних воздействий: монтажные силы Fм компенсирующие неточность изготовления и установки арматуры на трубопровод; силы от температурных деформации трубопровода Fт; силы, зависящие от массы арматуры FG и участков трубопровода Fgтр. Ввиду значительного влияния этих сил, они должны быть учтены как параметры суммарных внешних силовых воздействий. Состав параметров этой группы следующий:
1. Предельно допустимая суммарная сжимающая сила, действующая на привалочные поверхности магистральных патрубков (фланцев) в эксплуатационном состоянии ([FΣсж]);
2. Предельно допустимая суммарная растягивающая сила, действующая на привалочные поверхности магистральных патрубков (фланцев) в эксплуатационном состоянии ([FΣраст]);
3. Предельно допустимый изгибающий момент от действия суммарных растягивающих и сжимающих сил с местом их приложения к привалочным поверхностям магистральных патрубков (фланцев) в эксплуатационном состоянии ([Мизг]). 
 
 
Рис. 1. Монтаж трубопровода и арматуры с опорами и схемы внешних силовых воздействий на арматуру:
а) - горизонтальный трубопровод с опорами; б) - горизонтальный трубопровод с опорами под арматуру (1 - трубопровод; 2 - трубопроводная арматура; 3 - опора)
 
Режимы эксплуатации магистральной арматуры. По характеру и режиму применения на магистральных трубопроводах арматура классифицируется по четырем основным группам. Характерными для каждой группы являются следующие признаки [3]:
1. Арматура непрерывного применения, предназначенная для непрерывного выполнения своих функций в течение всего периода эксплуатации, за исключением плановых и вынужденных перерывов в работе. В таком режиме функционирования может использоваться трубопроводная арматура таких классов, как запорная, чаще всего с дистанционным управлением приводными устройствами, регулирующая, с воздействием на управляющий элемент затвора одной среды, смесительная, с управляющим воздействием на затвор двух сред, имеющих различные параметры, предохранительная прямого и непрямого действия и т. д.
2. Арматура периодического применения, которая за период эксплуатации способна выполнять свои функции несколько раз в зависимости от эксплуатационной ситуации. Такой эксплуатационный режим использования наиболее характерен для запорной арматуры таких типов как задвижки клиновые и шиберные, краны шаровые и конические, затворы поворотные дисковые, запорные клапаны, а также для предохранительной арматуры. Основной эксплуатационный режим запорной арматуры определяется степенью перекрытия транспортируемого по трубопроводу потока среды. При этом приняты только два положения затвора — затвор не препятствует прохождению среды (нормально открытый затвор) и затвор препятствует прохождению среды (нормально закрытый затвор).
3. Арматура однократного применения, которая предназначена для выполнения своей основной функции один раз за весь период эксплуатации. Этому режиму использования отвечают отдельные виды предохранительной арматуры (разрывные мембраны и т.д.).
4. Арматура универсального применения, которая в процессе эксплуатации может использоваться непрерывно или периодически для решения различных эксплуатационных задач. Работать в таком эксплуатационном режиме может запорная арматура всех типов — задвижки, краны, затворы поворотные, клапаны с различными приводами, регулирующая арматура, устанавливаемая на резервных участках магистральных трубопроводов, предохранительная арматура и т. д.
 
Линейная запорная арматура относится ко второй группе режима эксплуатации магистральной арматуры.