20 подписчиков

«Высокие и сверхвысокие давления в технике.

2 апреля 20242 апр 2024

21 мин

Высокое давление среды природного газа в трубопроводах и сосудах, газопроводах зафиксировано при добыче газа вследствие высокого пластового давления в скважинах месторождения. Кроме того, при перекачке газа по магистральным газопроводам, высокое давление газа компримируют, для поддержания высокой эффективности транспортировки топлива по трубам. Чтобы у читателей было представление об этом, назовем некоторые подробности. Давление в современных газопроводах, доведено до очень высоких значений, а толщина труб уже свыше 40 мм. Самые современные газопроводы, «Северный поток » и «Северный поток- 2», единственные в мире, которые при длине 1200 , с небольшим, километров, имеют одну компрессорную станцию, на входе. Сердцем станции, газопровода «Северный поток- 2», являются 11 газоперекачивающих агрегата производства «Невского завода» — ГПА-32 «Ладога». Это понятно — на море уникальную станцию не устроишь. Чтобы прокачать газ на такое расстояние, на входе создано небывалое давление для магистра

Мы, конструктора, всякий раз встречаясь с высоким давлением, с уважением относимся к коллегам, которые занимаются трубопроводами и сосудами, аппаратами, работающими с высоким давлением.

Высокое давление, трубопроводы и аппараты под высоким давлением среды, наиболее ответственная область конструирования. Мое знакомство с высоким давлением началось неожиданно, появился запрос на альтернативный источник энергии, работающий в среде высокого давления газа (до 30 МПа) Немного по подробнее ,это интересно. Идея источника энергии, который бы работал, поглощая энергию текущей струи газа, при технических условиях транспортирования газа по трубам, его взрывобезопасной эксплуатации, заставили поместить его полностью в рабочем пространстве трубопровода. Идея обладала целым рядом преимуществ. Охлаждались струями газа обмотки генератора, отсутствовали сложные узлы уплотнения вала генератора, генератор выбирался из серийного ряда, полностью решала вопрос взрывобезопасности. Но при детальном рассмотрении, после проведенных расчетов, из-за целого ряда непреодолимых препятствий, не решенных конструкций, полностью теряло воплощение. Особенно это касалось электрических узлов, слишком вызывающе выглядели обмотки электрогенератора, омываемые природным газом. И не было надежного решения передачи электроэнергии сквозь стальную оболочку, работающую под давлением. Заглушки корпуса из-за больших габаритов фланцев и крепежа выглядели крупными и тяжелыми. Размещение всех узлов и деталей в среде высокого давления природного газа было ново, не было надежных аналогов. Разработчики уповали на оригинальность идеи, а когда пришло время детального конструирования, постановки опытного образца на производство, когда возникли вопросы, откровенно сдали позиции. Это и стало объектом разгрома темы на технических советах, образец не тянул даже до стадии экспериментального образца. Волею судеб, эта тема оказалась у мня на столе. После кропотливого поиска решений в открытых источниках информации, консультаций со специалистами, я пришел к выводу¬: воздействие на материалы, изделия высокого давления среды в трубопроводах и сосудах, газопроводах , малоизученно. Не знали об аналогичных решениях и во ВНИИВЭ в г. Донецк, где изготовителю источника энергии предстояло получить разрешение на эксплуатацию. Пришлось все конструировать самому, с самого начала.

А какие требования предъявляются к трубопроводам и к корпусам оборудования, какие технические условия, какие критерии и ограничения накладывает высокое давление среды на безопасность эксплуатации? Прежде всего, высокое давление, заключенное в оболочке, в трубе это потенциал энергии сжатого газа. Этот потенциал обладает огромной силой, энергией и его необходимо учитывать при конструировании. Разработчику оборудования газодобывающей отрасли, наряду с другими знаниями, необходимо обладать знаниями правил проектирования и расчетов с учетом воздействия высокого давления на металлические корпуса и трубы, особенно следует внимание уделять днищам. Кроме того необходимы знания материалов применяемых для труб, соединительных деталей трубопроводов, обечаек корпусов, днищ ,конструирования и знания сварки и термообработки сварочных швов и т.д. Этот раздел занимает огромное пространство, включает в себя сотни наименований научно-технической документации, наличие совершенно специфических знаний. В этой области нет готовых специалистов. Это все нужно освоить самому, выстроить систему, обкатать ее, получить твердые понятия, научиться их отстаивать. Отдельно, плотно с ВНИИВЭ, пришлось заниматься взрывобезопасностью. Изучение и конструирование источника энергии позволили мне узнать нормы, типовые детали и решения. Отдельно изучил сварку трубопроводов и корпусов сосудов. Я стал конструировать и другие трубопроводы и аппараты работающие в среде высокого давления газа. Находясь в НИИ, работая в области конструирования оборудования, от каждой специальности проектировщиков технологов, электриков, сантехников, теплотехников, строителей пришлось понемногу перенимать, осваивать незнакомые дисциплины. Это позволило мне свободно общаться со специалистами, выстраивать собственные понятия, расширять кругозор, осваивать специфические разделы, вторгаясь в их пространство на необходимую глубину. Я освоил большую библиотеку НИИ, а затем и пространство интернета. В справочных разделах моего компьютера появилось множество специальной литературы. Освоение нового, очень интересно и увлекательно, однако все-таки основным направлением деятельности было высокого давление.

Впоследствии, мне приходилось конструировать все, что касалось оборудования и трубопроводов. Учитывая это, мне поручили проектировать трубопроводы до давления в 50 МПа. Это очень высокое, сверхвысокое давление, проектирование оборудования и трубопроводов на это давление организовано в институте Иркутск НИИхиммаш. Изделия , новое оборудование, которое предназначено для эксплуатации со средами природного газа высокого давления, в виду его повышенной опасности, подлежат экспертизе специализированных организаций. Экспертиза промышленной безопасности - процедура оценки соответствия технических устройств и оборудования федеральным нормам и правилам в области промышленной безопасности. Именно этот институт, Иркутск НИИхиммаш, специализиуется на оборудовании и трубопроводах с давлением выше 10МПа.

Так вышло, удалось выполнить рабочий проект манифольда на 17 скважин с давлением 50МПа, к условиям завода ЗИО г.Подольск. Я без сомнения взялся за его разработку, а также, авторский надзор за изготовлением, приемку деталей и арматуры, размещенных для изготовления на различных заводах Европы, авторское сопровождение во время монтажа, испытания и пуска в эксплуатацию. Это очень ответственная задача. В этом случае приходилось разрабатывать и рассчитывать все специально, тем более в составе газа присутствовал сероводород. Изготовление деталей трубопроводов и арматуры из-за нереально высокого давления пришлось разместить в Италии, трубы в Германии. Заводы, которые я посетил во время приемки изделий, специализируются в изготовлении деталей трубопроводов, арматуры, шаровых кранов больших диаметров и на высокие давления до 50 МПа.

Огромный, в плане, манифольд на 17 скважин длиной 50 метров и шириной 20 метров, с трубами, из качественной углеродистой стали, со стенками до 50 мм, собранный на площадке в степи, хорошо виден из космоса. Во время испытания, после монтажа 250 фланцевых соединений с металлическими прокладками, давление испытательной среды, воды довели до 63МПа, выдержали 10 минут, а затем снизили до рабочего давления 50 МПа с целью испытания на герметичность стыков. С того времени прошло 25 лет, все узлы трубы выдержали испытание временем, без единого замечания.

Рис.1.

В ряде важных современных производств используются высокие рабочие давление и температура: синтез аммиака - 20-60 МПа и 420-500 °С, синтез метанола - 20-30 МПа и 350-400 °С, синтез карбамида - 15-20 МПа и 150— 190 °С, полимеризация этилена в реакторах с мешалкой - 150 МПа и более и 180-240 °С, гидрокрекинг и гидроочистка нефтяных фракций - 3-32 МПа и 250-420 °С и др.

В химической, нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической отраслях промышленности технические требования к сосудам и аппаратам условно разделены на две группы:

сосуды и аппараты сварные из углеродистых, легированных и двухслойных сталей, работающие под вакуумом, без давления или под наливом и под избыточным давлением до 10 МПа;

сосуды и аппараты кованые и кованосварные высокого давления (от 10 до 100 МПа). Такое разделение конструкций связано с особенностями технологии изготовления корпусов сосудов и аппаратов. При изготовлении корпуса из листовой стали путем вальцовки и сварки обечаек или штамповки элементов (днищ, полуобечаек) и их сварки основным ограничением является максимальная стандартная толщина листа: листовой прокат обычно имеет толщину до 50-60 мм для толстолистовой коррозионно-стойкой, жаростойкой и жаропрочной сталей и двухслойной коррозионно-стойкой стали и до 160 мм для листовой горячекатанной стали.

В зависимости от назначения и особенностей изготовления используют сосуды высокого давления (СВД) с монолитной стенкой (кованые, кованосварные, штампосварные) и многослойные.

Итак, мы рассмотрели различные случаи многослойной структуры стали, в которых выигрыш достигнут за счет того что монолитная структура заменена на многослойную.

Рассмотрим те же сосуды работающие под давлением газа, но содержащего сероводород. Устоявшееся международная практика проектирования и изготовления таких сосудов предусматривает применения углеродистых и низколегированных качественных сталей, очищенных от серы и фосфора до низких концентраций, специальную прокатку листов ,сварку специальными электродами термическую обработку после сварки т.д. Вместе с тем эксплуатация сосудов для сероводородсодержащих сред разрешается при напряжении стенок ниже нежели для обычных сред. Толщина стенок у этих сосудов на 15-20 процентов выше.

Перед вами, на рис.1,колона абсорбера, диаметром 3600 мм высотой 18 метров, ее вес составляет около 240 тонн. Проектирование для Мубарекского ГПЗ проводил отдел, нестандартизированного и специального оборудования, созданный в НИИ с моим участием. Толщина металла в утолщенной, кубовой части достигает 110 мм! Изготовление такой колонны, ее доставка, монтаж уникальны. Листы прокатаны из чистой стали 09Г2С по спецзаказу на заводе Азовсталь, автоматическая сварка и термообработка корпуса проведена в Екатеринбурге. А какие требования предъявляются к трубопроводам и к корпусам оборудования, какие технические условия, какие критерии и ограничения накладывает высокое давление среды на безопасность эксплуатации? Прежде всего, высокое давление, заключенное в оболочке, в трубе это потенциал энергии сжатого газа. Этот потенциал обладает огромной силой, энергией и его необходимо учитывать при конструировании. Разработчику оборудования газодобывающей отрасли, наряду с другими знаниями, необходимо обладать знаниями правил проектирования и расчетов с учетом воздействия высокого давления на металлические корпуса и трубы, особенно следует внимание уделять днищам. Кроме того необходимы знания материалов применяемых для труб, соединительных деталей трубопроводов, обечаек корпусов, днищ ,конструирования и знания сварки и термообработки сварочных швов и т.д. Этот раздел занимает огромное пространство, включает в себя сотни наименований научно-технической документации, наличие совершенно специфических знаний. В этой области нет готовых специалистов. Это все нужно освоить самому, выстроить систему, обкатать ее, получить твердые понятия, научиться их отстаивать. Отдельно, плотно с ВНИИВЭ, пришлось заниматься взрывобезопасностью. Изучение и конструирование источника энергии позволили мне узнать нормы, типовые детали и решения. Отдельно изучил сварку трубопроводов и корпусов сосудов. Я стал конструировать и другие трубопроводы и аппараты работающие в среде высокого давления газа. Находясь в НИИ, работая в области конструирования оборудования, от каждой специальности проектировщиков технологов, электриков, сантехников, теплотехников, строителей пришлось понемногу перенимать, осваивать незнакомые дисциплины. Это позволило мне свободно общаться со специалистами, выстраивать собственные понятия, расширять кругозор, осваивать специфические разделы, вторгаясь в их пространство на необходимую глубину. Я освоил большую библиотеку НИИ, а затем и пространство интернета. В справочных разделах моего компьютера появилось множество специальной литературы. Освоение нового, очень интересно и увлекательно, однако все-таки основным направлением деятельности было высокого давление.

Загружено с ошибкой.

Рис.1.

В ходе проектирования конструктора старались уйти от столь трудоемкой и дорогостоящей конструкции, было предложено стальныой со¬суд высокого давления из нержавеющей стали стойкой к сероводороду без каких-то условий, поместить внутрь другого, большего по размеру сосуда из обычной стали. Однако условием их совместной эксплуатацией под давлением является беззазорный контакт их оболочек. Как это достичь? Обычно делается доработкой поверхностей, по выявленным пятнам контакта. Но это ручная пригонка очень трудоемкая и квалифицированная, пригодна только для малогабаритных деталей. Здесь это явно неприемлемо. А если не совмещать, а наоборот оставить зазор между двумя сосудами. И не заботится о размерах зазора, его равномерности по объему детали. Затем заполнить зазор компаундом на основе металла, который бы заполнил бы все промежутки. Далее чтобы гарантировать расчетную совместную работу сосудов в эксплуатации необходимо создать равномерный натяг в зоне их контакта с компаундом. Это достигается принудительного нагнетанием компаунда в зазор, создание и фиксация созданного предварительного напряжения. Если у нас это получилось, попробуем посмотреть преимущества нашего нового сосуда:

- описание такого сосуда не встречается ни в одной нормативной литературе по сосудам,это новинка;

-толщина стенок не больше, а даже ниже обычного сосуда;

-термообработку готовых сосудов производить нет необходимости как для повышения стойкости от растрескивания, так и обычных сосудов т.к. толщина стенок всегда ниже допускаемых по требованиям стандартов т.е. ниже 36 мм для углеродистых сталей и 30 мм для низколегированных;

-при необходимости можем производить набор сосудов из различных материалов в зависимости от требования эксплуатации причем дорогостоящие кислотостойкие жаростойкие жаропрочные стали могут иметь расчетную толщину ниже по сравнению к аналогичным стандартным сосудам ;

-появляется возможность контролировать утечки из основного сосуда путем замера давления в зазоре между сосудами;

Любой конструктор сосудов и аппаратов скажет, что преимущества просто огромные!

Новая технология открывает массу других перспектив.

А какой предлагается компауд?

Компауд предлагается необычный ,это композиция стальные «шарики-графит» является новым рабочим телом в гидравли¬ческих системах, как псевдожидкость и пас¬той-смазкой для уменьшения трения, для иде¬ального заполнителя пустот и зазоров. Шары стальные хро-мированные AISI 52100 (ШХ-15) Шары, сделанные из матери¬ала ШХ-15, отличает превосходная полиров¬ка поверхности, значительная твердость и способность нести большую нагрузку наря¬ду с отличной износоустойчивостью и сопро¬тивляемостью деформациям. Стальные хро-мированные шары ШХ-15 закалены насквозь для получения максимальной механической прочности. Диаметры: 0,5 мм. На¬полнителем является графитовый сорбент СТРГ в качестве смазки.

Теку¬честь псевдожидкости «шарики-графит» по¬зволяет ей беспрепятственно перемещаться в зазорах и создавать под давлением создавать жесткие прослойки..

Новую псевдожидкость характеризуют следующие свойства:

текучесть, независимая от любой темпе¬ратуры эксплуатации;

несжимаемость;

невысокое объемное температурное расширение;

высокий - до +500 градусов Цельсия и низкий - до -60 градусов Цельсия темпера¬турные пороги применения;

нет ограничений по долговечности, а значит, система обладает надежностью и бе-зотказностью во времени;

непожароопасна;

нет зависимости изменения свойств от повышения и понижения температуры;

нет насыщения растворенным газом при контакте с газовыми средами при повышен-ных давлениях.

Система, разработанная на основе тако¬го рабочего тела в качестве передаточного органа, имеет ряд преимуществ перед сис¬темами с традиционным рабочим телом - гидравлической жидкостью или гидропластмассами.

Давление в зазорах между сосудами создается посредством предварительного сжатия компаунда.

Вот одно из направлений уже описанных учеными: «Иногда стальные со¬суды сверхвысокого давления помещают внутрь других, больших по размеру сосудов, в которых создают давление, накачивая в них жидкость. В этом случае разрыву стенок внутреннего сосуда под действием создаваемого в нем давления противодействует не только сопротивление са¬мих этих стенок, но и «поддерживающее» давление жид¬кости, находящейся во внешнем сосуде. Если во внешнем сосуде давление жидкости составляет 10 000 ат, то можно ожидать, что во внутреннем сосуде удастся получить давление 25 000—30 000 ат. В действительности же в ука¬занных условиях удается создать еще более высокое давление. Объясняется это тем, что высокое всесторон¬нее давление повышает прочность металлов и сплавов. Так, давление 100000 ат было достигнуто погружением аппаратуры в жидкость, сжатую до 30 000 ат. Этот способ называется «гидравлической поддержкой».

Предложение относится к области машиностроения и может быть использовано при создании оболочечных конструкций из стали и других материалов, работающих на устойчивость при действии наружного давления и сжимающей силы. Многослойная оболочка содержит наружную цилиндрическую, внутреннюю обечайки, между которыми размещен композит. Существенным преимуществом многослойных сосудов является их большая безопасность. Наличие контрольных отверстий, проходящих в многослойной стенке до центральной обечайки, позволяет своевременно обнаружить утечки рабочей среды и остановить сосуд для ремонта. Дефекты или трещины локализуются в одном слое и не развиваются на всю толщину стенки. Кроме того, при такой конструкции сравнительно просто можно обеспечить коррозионную защиту внутренней поверхности корпуса благодаря установке внутренней обечайки из коррозионно-стойкой стали.Общая толщина стенки значительно ниже той, если бы мы изготовили бы сосуд из коррозионно-стойкой стали. Это пока не предлагал никто.

Считаю наиболее интересным, современным, явление в области высоких давлений, это проект подводного комплекса атомной подстанции АС-12, мини-подлодки (АГС).. Проект атомной подстанции АС-12 был основан конструкторским бюро "Малахит" в 80-е гг. XX в. Главным разработчиком субмарины является Юрий Михайлович Коновалов — советский, российский, конструктор подводных комплексов. Эксперты утверждают, что подводная станция АС-31— одна из самых мощных и бесшумных подводных устройств российского флота. При определенных показателях погружения она может быть практически незаметной для магнитометрических и акустических приборов — это способствует плодотворному проведению научных исследований подводного мира. Хотя официально конструкция научно-исследовательского глубоководного аппарата по понятным причинам не раскрывается, из неофициальных источников известно, что АС-31 предназначен для проведения операций на морском грунте на глубине до шести километров, включающих, в частности, освещение окружающих ландшафтов, манипуляцию с различными внешними изделиями, например установку разнообразных датчиков и резку подводных кабелей, и наконец, общую разведку. Для выполнения таких задач глубоководный аппарат предположительно оснащен манипуляторным комплексом, грузоподъемной системой, гидроакустической станцией, оптической системой и малыми (необитаемыми) дронами. В связи с этим подводным комплексом, невозможно обойти недавнее сообщение о постановки на боевое дежурство, безусловно, одной. из самых загадочных и безусловно сильнейших атомных подлодок К -329 («Белгород»). Без особой шумихи отечественный ВМФ принял в свой состав одну из самых загадочных и безусловно сильнейших атомных подлодок, когда-либо созданных человечеством. Субмарины спецназначения типа подлодок К -329 («Белгород»), работают в интересах сверхсекретного Главного управления глубоководных исследований (ГУГИ) Минобороны России и выступают в качестве, в том числе, лодки-матки — носителя новейшего устройства, работающего в условиях высокого давления воды атомной подстанцией АС-12. Она скрытно доставляет в район «малыша», который имеет малую скорость хода, после чего отсоединяет его для автономной работы.

Внешний вид атомной подстанции АС-12 до сих пор засекречен, достоверных фотографий данной глубоководной станции нет в открытом доступе. В то же время можно утверждать, что и станций, которые бы были подобны АС-12, сегодня нет ни у одной из стран мира.

Корпус атомной подстанции АС-31 состоит из 7-ми шарообразных секторов из титана ("принцип батисферы"), (рис.3).Конструктивно корпус АС-31 скрывает семь титановых относительно независимых друг от друга сферических отсеков, связанных между собой переходами. В хвостовых отсеках, предположительно, находится атомная энергетическая установка. В подводном состоянии лодка в состоянии находится несколько месяцев. При этом глубоководная станция обладает отсеками для отдыха экипажа, камбузом и рабочими помещениями. Именно благодаря такой проекции судно может выдерживать давление воды при большой глубине водоема, избежать быть раздавленным. Однако, несмотря на это, корпус подводной лодки, все-же, на больших глубинах испытывает весьма большие нагрузки. В наиболее опасных сечениях, после испытаний, корпус неоднократно усиливался.

Шарообразная конструкция секторов наиболее целесообразная и устойчивая против воздействия высокого давления на их поверхность.

Используя это, можно избежать, вообще, опасности корпуса быть раздавленным на больших глубинах. Это достигается в том случае, если не меняя общей проекции лодки разгрузить элементы корпуса, сосредоточить противодействие давлению воды на шарообразных секторах т.е на тех элементах, которые способны лучше других воспринимать возникшие нагрузки. Выше уже приводились некоторые примеры повышения устойчивости корпусов внешнему или внутреннему воздействию давления. В этом случае появляется возможность отказаться от чрезмерных мощных конструкций корпуса лодки и нацелить конструкцию корпуса лодки на более высокое давление .