Уменьшение динамических воздействий на объекты магистральных нефтегазопроводов

Валеев, Анвар Рашитович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Уменьшение динамических воздействий на объекты магистральных нефтегазопроводов
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Уменьшение динамических воздействий на объекты магистральных нефтегазопроводов"

На правах рукописи

ВАЛЕЕВ АНВАР РАШИТОВИЧ

УМЕНЬШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОБЪЕКТЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 25.00.19

«Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005059082

Уфа 2013

1 6 МАЙ 2013

005059082

Работа выполнена на кафедре «Транспорт и хранение нефти и газа» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Научный руководитель: Коробков Геннадий Евгеньевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа» ФГБОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной технический университет"

Официальные оппоненты: Банков Игорь Равильевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»/ заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика» Лежнев Михаил Александрович кандидат технических наук, доцент кафедры «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и хранилищ» ФГБОУ ВПО Российского Государственного Университета Нефти и Газа им. И.М. Губкина

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

технический университет» (г. Самара)

Защита состоится «24» мая 2013 года в 1430 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяной техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «24» апреля 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ямалиев Виль Узбекович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время доля основного оборудования нефте- и газоперекачивающих станций, приближающегося к полной отработке своего ресурса, постоянно растет. Все больше внимания уделяется мероприятиям по поддержанию надежности и эффективности эксплуатируемого оборудования, минимизации влияния различных негативных факторов, Одним из основных негативных факторов, влияющих на эксплуатацию оборудования, является вибрация. По мере выработки ресурса основного перекачивающего оборудования уровень его вибрации постепенно возрастает. Это может происходить как из-за старения отдельных его узлов и деталей, так и вследствие внешних факторов, таких как гидродинамическая нестационарность перекачиваемого потока, пуск и остановка агрегата и т.д. Вибрация негативно влияет как на само перекачивающее оборудование, так и на окружающие объекты.

Для поддержания надежной и эффективной" работы нефте- и газоперекачивающих агрегатов требуется разработка средств вибрационной защиты. Задача осложняется тем, что виброизоляторы должны быть рассчитаны на большую нагрузку и иметь достаточно малую частоту собственных колебаний, чтобы эффективно противодействовать различным пределам изменения вращения ротора и широкому спектру вибрации. Разработка простых, надежных и в то же время эффективных виброизоляторов с малой частотой собственных колебаний является актуальной задачей магистрального транспорта энергоресурсов.

В настоящее время все больше трубопроводов прокладываются в зонах с повышенной сейсмической опасностью. Это северо-восток Сахалина, прилегающие к нему участки шельфа, а также некоторые районы пролегания нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий Океан». Кроме того, сейсмическая активность может проявляться и в тех регионах, в которых она ранее не наблюдалась, например, в 1994 и 1995 годах в Пермском крае произошли

землетрясения магнитудой в 7 баллов.

Согласно действующим нормативным документам, на участках пересечения трассой трубопровода активных тектонических разломов необходимо применять надземную прокладку. Сейсмические воздействия в виде сейсмических волн могут иметь любое направление в пространстве. Для расчета надземного нефтепровода должны рассматриваться сейсмические волны, действующие вдоль оси нефтепровода и по нормали к продольной оси нефтепровода, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях.

Однако опоры, обеспечивающие перемещение трубопровода в вертикальном направлении, еще недостаточно изучены и разработаны. Создание опор линейной части трубопровода, обеспечивающих перемещение трубопровода в пространстве, является актуальной задачей.

Таким образом, разработка средств защиты объектов нефтегазовой отрасли от динамических воздействий является актуальной проблемой, требующей своего решения.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических и конструктивных основ создания средств защиты объектов магистральных нефте- и газопроводов от динамических воздействий на основе систем с квазинулевой жесткостью.

В соответствии с целью диссертационной работы были поставлены следующие основные задачи:

1) анализ существующих виброзащитных систем и возможности их применения для объектов магистральных нефте- и газопроводов;

2) теоретическое исследование динамики и определение критериев эффективности систем с квазинулевой жесткостью. Разработка методики по выбору основных параметров виброизолятора с квазинулевой жесткостью в зависимости от его назначения;

3) разработка способов защиты объектов магистральных нефте- и газопроводов от динамических воздействий на основе систем с квазинулевой жесткостью;

4) экспериментальное исследование виброизолятора с квазинулевой жесткостью.

Методы решения. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования систем с квазинулевой жесткостью. Решения задач базируются на положениях теоретической механики, теории сопротивления материалов, теории нелинейных колебаний и математического моделирования. Для решения некоторых задач использовался математический пакет и компьютерная программа анализа модели методом конечных элементов. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, использованием известных положений фундаментальных наук, совпадением полученных теоретических результатов с данными эксперимента, а также с результатами исследований других авторов.

Научная новизна работы.

1 Определены минимально и максимально допустимые значения жесткости и эквивалентная частота собственных колебаний виброизоляционных систем с квазинулевой жесткостью нефтеперекачивающих агрегатов в зависимости от параметров оборудования и нагрузки.

2 Доказана возможность применения компенсаторов жесткости для повышения эффективности виброзащитных систем нефтегазоперекачивающего оборудования с линейной силовой характеристикой.

Практическая ценность работы. Разработана "Методика расчета оптимальных параметров виброизоляционной системы с нелинейной характеристикой для нефтегазоперекачивающего оборудования", которая внедрена в ООО НПО "Уфанефтегазпроект" при расчете средств виброизоляции.

Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО УГНТУ и представлены в учебно-методическом пособии "Расчет системы виброизоляции нефтегазоперекачивающего оборудования" при подготовке бакалавров и магистров направления подготовки 131000 "Нефтегазовое дело",

Разработанные Валеевым А.Р. виброопора и виброизоляционная подвеска

с квазинулевой жесткостью внедрены в ООО "Малое инновационное предприятие УГНТУ Виброзащита".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих мероприятиях: 59, 60, 61, 62 и 63-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2008-2012 г.г.), XXIII Международная конференция "Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов" (Санкт-Петербург, 2009 г.), X научно-техническая конференция молодежи ОАО АК Транснефти (1-й тур) (Уфа, 2009 г.), X научно-техническая конференция молодежи ОАО АК Транснефти (3-й тур) (Тюмень, 2010 г.), Международная конференция 7th International Youth Oil&Gas Forum (Алматы, 2010 г.), Всероссийская научно-техническая конференция "Инновационное нефтегазовое оборудования: проблемы и решения" (Уфа, 2010 г.), Международная учебно-научно-практическая конференция "Трубопроводный транспорт - 2010" (Уфа, 2010 г.), Международная конференция "Актуальные проблемы науки и техники" (Уфа,

2010 г.), III Межрегиональный семинар "Рассохинские чтения" (Ухта, 2011 г.), Всероссийская научно-техническая конференция "Современные технологии для ТЭК Западной Сибири" (Тюмень, 2011), Всероссийский конкурс инновационных проектов и идей научной молодежи (финальный этап, Москва,

2011 г.), Всероссийский конкурс инновационных проектов "Кубок Техноваций" (финальный этап, Москва, 2011 г.), Программа "Участник молодежного научно-инновационного конкурса" ("УМНИК") (финал, МФТИ (ГУ), г. Москва, 2011), IV Межрегиональный семинар "Рассохинские чтения" (Ухта, 2012 г.).

Результаты диссертации легли в основу научной работы, удостоенной Государственной республиканской молодежной премии в области науки и техники за 2011 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 41 печатная работа, в том числе 12 статей в журналах, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ для публикации диссертаций, получено

4 патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы из 154 наименований и 4 приложений; изложена на 180 страницах машинописного текста и содержит 50 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, раскрыта актуальность темы исследования. Сформулированы цель и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дано краткое содержание работы.

В первой главе произведен анализ публикаций по источникам динамических воздействий на объектах транспорта и хранения нефти и газа и способам защиты от них.

В нефтяной отрасли проблемами защиты от динамических воздействий занимались многие ученые: Алиев И.М., Бажайкин С.Г., Бочарников В.Ф., Белов А.И., Габдрахимов М.С., Галеев A.C., Гумеров А.Г., Гумеров P.C., Зотов А.Н., Исхаков Р.Г., Керимов З.Г., Копейкис М.Г., Кутдусов А.Т., Мирзаджанзаде А.Х., Новикова Л.Ф., Пахаруков Ю.В., Петрухин В.В., Султанов Б.З., Уразаков K.P., Хангильдин В.Г., Хангильдин Т.В., Янтурин A.C. и др.

Основными причинами возможного выхода из строя насосных агрегатов являются динамические (вибрационные) перегрузки роторных систем. Вибрация приводит к усталостным поломкам, вызывает ускоренный износ оборудования и узлов, что ведет к дополнительным затратам при плановых и аварийных ремонтах.

Особой проблемой с точки зрения виброизоляции является оборудование с низкой частотой вынуждаемых колебаний, например, поршневые газоперекачивающие агрегаты, мотокомпрессоры, буровые насосы, тихоходные электродвигатели. Частота основной роторной гармоники достигает 6 Гц,

поэтому данное оборудование нельзя защищать традиционными средствами виброизоляции.

Для защиты от вибрации применяют различные виброизоляторы. Виброизоляторы для нефтегазового оборудования должны быть рассчитаны на большую нагрузку и в то же время иметь низкую частоту собственных колебаний и малую жесткость. Таким образом, применение традиционных средств виброзащиты нерационально.

Проблему может решить применение защитных систем с нелинейной силовой характеристикой, получивших название систем с квазинулевой жесткостью. Силовая характеристика таких систем имеет качественный вид, представленный на рисунке 1.

Рисунок 1 - Силовая характеристика систем с квазинулевой жесткостью

Они отличаются тем, чем в рабочем диапазоне эти системы имеют пологий участок силовой характеристики, и, следовательно, обладают малой жесткостью. При вынужденном движении системы внутри рабочей зоны восстанавливающая сила систем с квазинулевой жесткостью практически не меняется и динамически передаваемая сила через такую систему становится равной почти нулю. Это делает их перспективными для использования в качестве средств защиты от динамических воздействий, таких как вибрация и сейсмические колебания. Их преимуществами перед традиционными виброизоляторами являются более высокий коэффициент виброизоляции (в 20-

л с"

рабочая зона системы

Р - восстанавливающая сила; х - перемещение

150 раз), более широкий спектр виброизолируемых частот, возможность изоляции низких частот. Учитывая потенциально высокие вибро- и ударозащитные свойства систем с квазинулевой жесткостью, их перспективность для использования на объектах магистральных нефте- и газопроводов очень высока.

Изучением систем с квазинулевой жесткостью занимались ученые: Алабужев П.М., Генкин М.Д., Зотов А.Н., Зуев А.К., Гурова Е.Г., Кочетов О.С., Carrella A., Cazzolato В., Brennan М., Robertson W., Waters Т., Zander А.

Недостатками существующих подобных систем являются малый диапазон квазинулевой жесткости, низкая технологичность и трудность в создании и монтаже. Кроме того, они отличаются сложностью проведения аналитического и экспериментального исследования вследствие нелинейности силовой характеристики.

Таким образом, создание надежных, эффективных и простых виброзащитных систем с широким диапазоном квазинулевой жесткости для защиты объектов магистрального трубопровода является актуальной задачей.

Во второй главе рассмотрены научно-теоретические основы виброизолирующих систем, пригодных для условий эксплуатации нефте- и газоперекачивающих агрегатов.

В частности, рассмотрены условия существования систем с квазинулевой жесткостью, проанализировано влияние на характеристику систем и динамику их движения таких параметров, как:

- диапазон малой жесткости;

- значение силы трения;

- максимально допустимая динамическая передаваемая сила.

В отличие от традиционных виброизоляторов, на работу системы с квазинулевой жесткостью значительно влияет сила трения. Динамически передаваемая сила становится сравнимой с трением в системе, поэтому коэффициент передачи силы падает.

Установлено, что жесткость системы должна принадлежать

определенному интервалу. Из условия, что рабочая точка на силовой характеристике виброизолятора может перемещаться в отведенном диапазоне (при этом нагрузка на систему ограничивается), получаем ограничение на жесткость снизу:

где с - жесткость системы, Н/м;

(Рщт - Ртах)- интервал рабочей нагрузки, Н; Ь — рабочий диапазон, м;

со — циклическая частота возбуждающей силы, Гц; ш — масса виброизолируемого оборудования, кг. К — максимальная сила трения в системе, Н; Н- амплитуда возбуждающей силы, Н.

Получено минимальное значение жесткости с точки зрения ограниченного влияния трения на коэффициент передачи силы:

Динамическая передаваемая сила • должна быть не больше заданного значения Ршах. Таким образом, получаем ограничение на жесткость сверху:

шах ^тш

(1)

с £ 0,05т со2 —

(2)

с<та)2

(3)

где Ртах - максимально допустимая динамически передаваемая сила.

С учетом вышеизложенного был получен жесткости для систем с квазинулевой жесткостью:

диапазон рекомендуемой

0,05 тсог-\-Н

ь-^ж

тсо у

-Я

1 2 2 —тт \тса 16

Н -\ —К

На основе разработанных во второй главе научно-теоретических принципов виброизолирующих систем с квазинулевой жесткостью были сформулированы методические основы расчета данных систем. Исходными данными для расчета приняты: номинальная нагрузка на виброизолирующую систему, возможное изменение нагрузки согласно технологическому режиму, максимально допустимая динамическая сила, масса виброизолируемого оборудования, масса ротора (вала), эксцентриситет ротора, рабочая частота вращения ротора (частота вибрации с наибольшей амплитудой). Согласно разработанной методике определены минимально и максимально допустимые значения жесткости и эквивалентная частота собственных колебаний виброизоляционных систем с квазинулевой жесткостью для насосов марки НМ (таблица 1).

Таблица 1 - Параметры виброизоляционных систем с квазинулевой жесткостью для насосов марки НМ

Марка насоса Минимально допустимая ЖеСТКОСТЬ Сшт, МН/м Максимально допустимая жесткость Сщюо МН/м Частота собственных колебаний £}, Гц

НМ 125-550 0,28 29,5 1,22

НМ 180-500 0,33 32,1 1,27

НМ 250-475 0,71 46,9 1,54

НМ 360-460 0,71 46,9 1,54

НМ 500-300 0,76 48,5 ■ 1,56

НМ 710-280 1,39 65,8 1,82

НМ 1250-260 1,34 64,6 1,80

НМ 2500-230 3,02 96,8 2,21

НМ 3600-230 2,90 94,9 2,19

НМ 5000-210 3,93 110,4 2,36

НМ 7000-210 5,62 132,0 2,58

НМ 10000-210 12,67 198,3 3,16

Третья глава посвящена разработке научно-теоретических и технологических основ средств защиты объектов транспорта и хранения нефти и газа от динамических воздействий.

При разработке средств защиты от динамических воздействий на основе систем с квазинулевой жесткостью важен выбор конструктивных способов обеспечения малой жесткости, поскольку это влияет на эффективность средств защиты, их надежность, практичность и себестоимость. В диссертационной работе исследовались различные способы получения квазинулевой жесткости.

Изучена возможность применения бистабильных пружин (рисунок 2) для получения квазинулевой жесткости. Установлено, что восстанавливающая сила пластины описывается выражением

4гм 3

где у - п ^з 0 - параметр, отражающий свойства конструкции;

х-точка приложения силы;

х0 - положение верхней точки пластины при отсутствии нагрузки;

Е - модуль Юнга;

1 - расстояние между опорами;

Ь - ширина пластины;

Ь - толщина пластины.

Рисунок 2 - Бистабильная пластина в начальном и рабочем состояниях

1- / \

. *0 ,

Установлено, что совмещенная пара бистабильных пластин имеет участок с квазинулевой жесткостью, если их разместить друг от друга на расстоянии Д=0,816х0. При этом номинальная нагрузка Р, воспринимая такой парой пластин, будет равна

В диссертационной работе разработана упругая подвеска вала с квазинулевой жесткостью, которая представляет собой совокупность пар бистабильных пластин. Упругие пластины предлагается устанавливать между подшипником и корпусом насоса или нагнетателя. Такая подвеска снижает динамически передаваемые силы с вала на оборудование в плоскости, перпендикулярной осевой линии вала. Тогда вал, вращаясь на двух упругих опорах, начнет самоцентрироваться при превышении критического числа оборотов. При этом динамические реакции между валом и упругими опорами становятся во много раз меньше тех же реакций в случае жесткого крепления опор, что приводит к значительному увеличению ресурса подшипников. Квазинулевая жесткостью позволяет получить низкое значение критической частоты вращения вала. Таким образом, самоцентрирование наступает практически при любой рабочей частоте вращения, и вибрация значительно уменьшается.

Предложенная упругая подвеска вала с квазинулевой жесткостью была рассчитана для ротора турбокомпрессора ГТ-750-6 (масса ротора 6000 кг, диаметр вала в подшипнике 175 мм, диаметр подшипника 220 мм). Установлено, что в этом случае пластины должны иметь толщину Ь=4,9 мм, ширину Ь=205 мм и длину 1=110 мм; максимальные напряжения в металле будут равны 493 МПа. В качестве материала пластин предлагается использовать пружинно-рессорные стали 50С2, 70СЗА, 65С2ВА, 60С2Н2А.

В диссертационной работе установлено, что получение характеристики с квазинулевой жесткостью возможно при помощи совмещения упругого элемента

сжатия (пружины или упругой пластины) и пружинного кольца. Определена восстанавливающая сила пружинного кольца в зависимости от его геометрических параметров (рисунок 3).

Рисунок 3 - Расчетная схема для определения восстанавливающей силы полуобруча (полуцилиндра) и пружинного кольца Установлено, что восстанавливающая сила пружинного кольца определяется по формуле

где Р - сила сжатия кольца;

I - момент инерции сечения кольца;

Я - радиус кольца;

А — сжатие кольца.

Применение данного подхода актуально для разработки новых видов сейсмоопор. Известно, что сейсмоопоры должны обеспечивать подвижность трубопровода относительно опор. Поскольку сейсмические волны могут иметь всевозможное направление в пространстве, то сейсмопоры должны обеспечить подвижность не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальном направлении. Сейсмоопоры, обеспечивающие подвижность трубопровода в вертикальном направлении, на данный момент недостаточно разработаны.

Предлагается применение кольцевых пружин в виде компенсаторов

жесткости при защите линейной части магистрального нефтегазопровода от сейсмических воздействий. Эскиз соответствующей опоры представлен на рисунке 4.

1 - трубопровод; 2 - и-образное седло; 3 - кольцевая пружина; 4 - опоры конструкции; 5 - упоры; 6 - упругая пластина Рисунок 4 - Конструкция сейсмоопоры с кольцевыми пружинами для снижения сейсмических воздействий на линейную часть нефтегазопровода

Актуальна разработка средств, которые могут не только являться самостоятельными виброизолирующими элементами, но и повышать виброизоляционные свойства уже смонтированных виброизолирующих систем.

На рисунке 5 представлена виброизолирующая система, включающая систему компенсации жесткости вертикальных пружин. Основу данного виброизолятора можно использовать для повышения виброизоляцинных свойств пружинных виброизоляторов, в том числе и на уже смонтированном оборудовании. Например, таким образом можно улучшить получившую в настоящее время распространение виброизолирующую компенсирующую систему, разработанную в ГУЛ "Институт Проблем Транспорта Энергоресурсов" (ИПТЭР), если подключить параллельно системе компенсаторы жесткости, которые входят в состав нижеописанной конструкции.

1 - звено; 2 - ось; 3 - шарнирное соединение; 4 - пластина; 5 -

горизонтальная пружина растяжения; 6 - талреп; 7 - вертикальная пружина

сжатия

Рисунок 5 - Трехмерная модель виброизолятора с малой частотой собственных колебаний

Талреп 6 (рисунок 5) помогает формировать необходимую силовую характеристику виброизолятора в зависимости от необходимой жесткости механизма и диапазона оптимальных нагрузок. Также при помощи него можно компенсировать неточности монтажа и неточный выбор жесткости упругих элементов.

Установлена восстанавливающая сила данного виброизолятора. В безразмерном виде она выглядит следующим образом:

где ^=Р/(Су-2а) - относительная нагрузка;

У =у/2а — относительное сжатие системы;

5=Д/2а - относительное дополнительное удлинение пружин корректора; б=(Су-Сх)/Су - коэффициент, отражающий соотношение жесткостей горизонтальных и вертикальных пружин; у- сжатие виброизолятора;

1-у

(8)

а - длина звена 1 (рисунок 5);

Д - дополнительное удлинение пружин корректора;

Су - суммарная жесткость вертикальных пружин;

Сх - суммарная жесткость пружин корректора.

Произведенные расчеты показали, что частота собственных колебаний данного виброизолятора составит не более 1 Гц.

Произведено сравнение эффективности разработанных виброизоляторов и амортизаторов А-2000, включенных в виброизолирующую компенсирующую систему, разработанную в ИПТЭР, для насоса марки НМ 2500-230 (таблица 2). Применение разработанных виброизоляторов с горизонтальными компенсаторами жесткости снижает динамическую силу, передаваемую на фундамент нефтеперекачивающего агрегата, на 86% по сравнению с пружинными амортизаторами.

Таблица 2 - Сравнение эффективности амортизаторов А-2000 виброизолирующей компенсирующей системы ИПТЭР и разработанных виброизоляторов

Параметр Коэффициент эффективности виброизоляции ц Коэффициент передачи силы Кс Динамическая сила, передающаяся через систему виброизоляции на фундамент, Бд, Н

Амортизаторы А-2000 виброизолирующей компенсирующей системы ИПТЭР 46,44 0,0215 278,4

Разработанные виброизоляторы (без учета сил трения) 4443 0,000225 2,7

Разработанные виброизоляторы (с учетом сил трения) 309 0,00324 38,1

В таблице 3 представлен ряд предлагаемых виброизоляторов с

квазинулевой жесткостью для нефтегазоперекачивающего оборудования на различную нагрузку и соответствующие им жесткости пружин. Подобраны данные виброизоляторы для насосов марки НМ (таблица 4).

Таблица 3 - Характеристики разработанных виброизоляторов с квазинулевой жесткостью для нефтегазоперекачивающего оборудования

Обозначение Номинальная нагрузка, кг Жесткость вертикальных пружин сжатия, кН/м Жесткость горизонтальных пружин, кН/м

ВИКЖ-200 200 81,5 161

ВИКЖ-400 400 163 321,5

ВИКЖ-600 600 245 482

ВИКЖ-800 800 326 643

ВИКЖ-1000 1000 407,5 804

ВИКЖ-1500 1500 611 1205

ВИКЖ-2000 2000 815 1607,5

Таблица 4 - Подбор виброизоляторов для насосов марки НМ

Марка оборудования Масса оборудования, кг Тип виброизолятора Количество виброизоляторов

НМ 125-550 4785 ВИКЖ-600 8

НМ 180-500 5205 ВИКЖ-600 10

НМ 250-475 7610 ВИКЖ-1000 8

НМ 360-460 7610 ВИКЖ-1000 8

НМ 500-300 7860 ВИКЖ-1000 8

НМ 710-280 10660 ВИКЖ-1500 8

НМ 1250-260 10950 ВИКЖ-1500 8

НМ 2500-230 15690 ВИКЖ-1500 10

НМ 3600-230 15380 ВИКЖ-1500 10

НМ 5000-210 17900 ВИКЖ-1500 12

НМ 7000-210 21400 ВИКЖ-2000 12

НМ 10000-210 32150 ВИКЖ-2000 16

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию виброизолятора с квазинулевой жесткостью для нефтегазоперекачивающего оборудования.

Целью экспериментальных исследований являлось определение силовой характеристики экспериментального виброизолятора с квазинулевой жесткостью путем нагружения виброизолятора различной нагрузкой, а также определение динамической жесткости и оценка величины сил трения в узлах конструкции.

В основу экспериментальной установки была положена сейсмоопора с квазинулевой жесткостью с кольцевыми пружинами. Для удобства монтажа кольцевые пружины были расположены горизонтально. Экспериментальный стенд изображен на рисунке 6.

1 - несущая пластина; 2 - пружинные кольца - компенсаторы жесткости; 3 - корпус; 4 - регулируемые упоры; 5 - центральное крепление; 6 -центратор; 7 - опорная конструкция; 8 - электромотор с эксцентретитетом Рисунок 6 - Эскиз экспериментального стенда

Установлено, что силовая характеристика виброизолятора с квазинулевой жесткостью хорошо оценивается кубическим полиномом, имеющим пологий

участок в рабочей точке системы

# = + (9)

где N - нагрузка виброизолятора, Н;

А - коэффициент, показывающий увеличение жесткости по мере отдаления от рабочей точки, Н/м3;

В - коэффициент, показывающий минимальную жесткость виброизолятора, Н/м;

Хо — положение рабочей точки виброизолятора, м; N0 - оптимальная нагрузка, Н;

Еф - величины сил трения в подвижных узлах конструкции, Н.

После обработки результатов эксперимента была установлена силовая характеристика экспериментального виброизолятора:

N = 1,49-106 27,4-10"3)3+7,97-102 -(х-27,4-10"3)+ 54,2±1,5 (Я). (10)

Данная зависимость проиллюстрирована на рисунке 7.

70 60 50 40 30 20 10 О

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Х,ММ

ч- Экспериментальная характерисшка —Математическая модель

Рисунок 7 - Силовая характеристика виброизолятора

Получена динамическая жесткость виброизолятора в рабочей точке. Оптимальная нагрузка равна 55 Н. Величина силы трения в узлах конструкции

составила 2% от номинальной нагрузки. Частота собственных колебаний виброизолятора составила 1,9 Гц. Коэффициент детерминации равен 0,107, индекс корреляции равен 0,994, следовательно можно заключить о верности совпадения экспериментального и эмпирического значения (10).

Использование компенсирующих пружинных колец позволило снизить жесткость конструкции в 2,5 раза. Низкая сила трения в конструкции обеспечивает ее эффективную работу. На основе проведенных экспериментальных исследований можно заключить о перспективности разрабатываемых конструкций и способов защиты от вибрации на основе систем с квазинулевой жесткостью.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 На основе анализа динамических воздействий на объектах магистральных нефтегазопроводов и возможных способов защиты от них установлено, что вибрация на нефтегазоперекачивающем оборудовании может находиться в широком диапазоне от 2,5 до 5000 Гц, и наиболее высокие показатели по защите от динамических воздействий будут обеспечены системами с квазинулевой жесткостью.

2 Установлены минимально и максимально допустимые значения жесткости и эквивалентная частота собственных колебаний виброизоляционных систем с квазинулевой жесткостью для насосов марки НМ. Разработана методика, позволяющая определить оптимальные параметры виброзащитных систем с квазинулевой жесткостью для нефтегазоперекачивающего оборудования.

3 Разработаны научно-теоретические принципы снижения динамических воздействий на объекты магистрального нефтегазопровода с помощью систем с квазинулевой жесткостью на основе бистабильных пластин, пружинных колец и горизонтальных компенсаторов жесткости. Установлено, что применение горизонтальных компенсаторов жесткости снижает динамическую силу,

передаваемую на фундамент нефтеперекачивающего агрегата, на 86% по сравнению с пружинными амортизаторами. Определены параметры разработанной упругой подвески вала с квазинулевой жесткостью для ротора турбокомпрессора ГТ-750-6 (6 пар бистабильных пластин с толщиной 4,9 мм, шириной 205 мм и длиной 110 мм). Произведен расчет и подбор разработанных виброизоляторов с квазинулевой жесткостью для линейки насосов марки НМ и ряда газомотокомпрессоров.

4 Разработан и сконструирован экспериментальный стенд виброизолятора с квазинулевой жесткостью. При исследовании экспериментального виброизолятора определена его силовая характеристика с гистерезисом, динамическая жесткость в рабочей точке, оптимальная нагрузка и положение рабочей точки. Установлено, что использование компенсирующих пружинных колец позволило снизить жесткость конструкции в 2,5 раза.

По теме диссертационной работы опубликованы следующие работы

1 Зотов А.Н. Виброзащитные и ударозащитные системы, имеющие силовые характеристики с петлями гистерезиса прямоугольной формы / А.Н. Зотов, А.Ю. Тихонов, А.Р. Валеев // Известия высших учебных заведений «Горный журнал». - 2010. - № 1. - С. 125 - 131.

2 Валеев А.Р. Конструкция сейсмоопоры с компенсационными кольцевыми пружинами / А.Р. Валеев // Нефтяное хозяйство - 2010. - №6 - С. 116-118.

3 Валеев А.Р. Виброизоляционная подвеска валов с квазинулевой жесткостью / А.Р. Валеев, А.Н. Зотов, А.Ю. Тихонов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов - 2010. - №3 - С.68 - 77.

4 Валеев А.Р. Применение системы с квазинулевой жесткостью для защиты роторных машин от вибрации / А.Р. Валеев, А.Н. Зотов, А.Ю. Тихонов // Морские интеллектуальные технологии. -2010. -№2 - С. 35-37.

5 Валеев А.Р. Разработка звукоизоляционного материала на основе систем с квазинулевой жесткостью / А.Р. Валеев, А.Н. Зотов // Безопасность

жизнедеятельности. - 2011. - № 1 - С. 15-20.

6 Валеев А.Р. Проектирование виброизолятора малой жесткости для защиты нефте- и газоперекачивающих агрегатов / А.Р. Валеев, Г.Е. Коробков // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов - 2011. -№1 -С.129- 135.

7 Валеев А.Р. Виброизоляторы нефте- и газоперекачивающего оборудования с низкой частотой собственных колебаний / А.Р. Валеев // Химическое и нефтегазовое машиностроение - 2011. - №6 - С.6 - 8.

8 Валеев А.Р. Виброизоляционные системы ГПА с низкой частотой вращения ротора / А.Р. Валеев // Газовая промышленность - 2011. - №8 - С.51 — 53.

9 Валеев А.Р. Экспериментальное исследование виброизолятора малой жесткости для защиты нефте- и газоперекачивающих агрегатов / А.Р. Валеев, Г.Е. Коробков, В .Я. Саньков // Нефтегазовое дело - 2011. - том 9, №2 - С.29 -33.

10 Валеев А.Р. Моделирование компактной виброизоляционной опоры с квазинулевой жесткостью / А.Р.Валеев, А.Ю.Тихонов, А.Н.Зотов, Г.Е.Коробков // Тяжелое машиностроение - 2012. - №3 - С.34 - 37.

11 Валеев А.Р. Моделирование виброизолятора с малой жесткостью для нефтегазоперекачивающего оборудования / А.Р. Валеев, Г.Е. Коробков // Нефтегазовое дело - 2012. - том 10, №1 - С.27 - 30.

12 Валеев А.Р. Совершенствование виброизоляционных систем нефтеперекачивающих агрегатов / А.Р. Валеев, Г.Е. Коробков // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья - 2012. — №4 - С.22 - 24.

13 Валеев А.Р. Защита от вибрации и ударов системами с квазинулевой жесткостью / А.Р. Валеев, А.Н. Зотов // Монография. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2013.-166 с.

14 Пат. 2426920 РФ, МПК Р16Р 1/18, Р16Р 15/703. Виброопора / А.Р. Валеев, А.Н. Зотов, А.Ю. Тихонов (РФ). - 2010111212/11; Заявл. 23.03.2010; Опубл. 20.08.2011, Бюл. №23.

15 Пат. 2440518 РФ, МПК Р16С 27/04. Виброизоляционная подвеска

ротора машин и оборудования / А.Р. Валеев, А.Н. Зотов; УГНТУ ; Заявл. 27.08.2010; Опубл. 20.01.2012, Бюл. №2. .

16 Пат. 2463497 РФ, МПК Р16Р 3/02, Р16Р 15/06. Виброизолятор с квазинулевой жесткостью / А.Р. Валеев, В.Я. Саньков, Г.Е. Коробков (РФ). - № 2011120530/11; Заявл. 20.05.2011; Опубл. 10.10.2012, Бюл. №28.

17 Пат. 2464391 РФ, МПК Е04В 1/82. Звукоизоляционная панель / А.Р. Валеев, А.Н. Зотов (РФ). - №2011117887/03; Заявл. 04.05.2011; Опубл. 20.10.2012, Бюл. №29.

Подписано в печать 23.04.2013. Бумага офсетная. Формат 60x84 '/¡6 Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1 Тираж 100. Заказ 46

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства и типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Валеев, Анвар Рашитович, [Уфа]

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201357840

На правах рукописи

ВАЛЕЕВ АНВАР РАШИТОВИЧ

УМЕНЬШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОБЪЕКТЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

Специальность: 25.00Л 9 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов,

баз и хранилищ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д-р. техн. наук, проф. Коробков Г.Е.

2013

СОДЕРЖАНИЕ

с.

ВВЕДЕНИЕ 5

1 ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБЪЕКТАХ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ И ЗАЩИТА ОТ НИХ

1.1 Источники динамических воздействий на объектах транспорта и хранения нефти и газа

1.2 Способы снижения уровней вибрации. Основы теории виброизоляции 23

1.3 Защитные системы с квазинулевой жесткостью 33 Постановка цели и задач исследований 42 ГЛАВА 2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ С КВАЗИНУЛЕВОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ, ПРИГОДНЫХ ДЛЯ УСЛОВИЙ 44 ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

2.1 Условия существования систем с квазинулевой жесткостью, пригодных для виброизоляции нефтегазоперекачивающих агрегатов

2.2 Влияние сухого трения на динамику систем с квазинулевой жесткости, используемых для виброизоляции нефтегазоперекачивающих агрегатов

2.3 Выбор жесткости для систем с квазинулевой жесткостью, пригодных для виброизоляции нефтегазоперекачивающих агрегатов

2.4 Методика расчета оптимальных параметров систем с квазинулевой жесткостью для виброизоляции нефтегазоперекачивающего оборудования Выводы по главе 2 66 ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТА И ХРАНЕНИЯ НЕФТИ

И ГАЗА ОТ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМ С КВАЗИНУЛЕВОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ

3.1 Разработка научно-теоретических основ снижения вибрации нефтега- 67

зоперекачивающего оборудования с помощью виброизоляционной подвески валов с квазинулевой жесткостью

3.2 Основные теоретические аспекты снижения сейсмических воздействий

на линейную часть магистрального нефтегазопровода посредством сейс- 76 моопоры с малой жесткостью на основе упругих пластин

3.3 Основные теоретические аспекты снижения сейсмических воздействий

на линейную часть магистрального нефтегазопровода посредством сейс- ^ моопоры с малой жесткостью на основе компенсационных кольцевых пружин

3.4 Использование эффекта квазинулевой жесткости в звукоизоляционном

материале для снижения шумового воздействия перекачивающего обору- 91 дования насосных и компрессорных станций на окружающую среду 3.5 Моделирование компактного виброизолятора с квазинулевой жесткостью для нефтегазоперекачивающего оборудования и исследование его 98 работы

Выводы по главе 3 115

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРОИЗОЛЯТОРА С КВАЗИНУЛЕВОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ ДЛЯ НЕФТЕГАЗОПЕРЕКА- 117 ЧИВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

4.1 Планирование эксперимента 117

4.2 Проектирование экспериментальной установки 118

4.3 Проведение экспериментов 124

4.4 Обработка результатов эксперимента 128 Выводы по главе 4 135 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 13 6 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 13 8 Приложение А Методика расчета оптимальных параметров виброизоля-

ционной системы с нелинейной характеристикой для нефтегазоперекачи-

вающего оборудования

Приложение Б Справка о внедрении результатов научной работы в ООО

"Малое инновационное предприятие УГНТУ Виброзащита Приложение В Справка о внедрении результатов научной работы в ООО

179

НПО "Уфанефтегазпроект"

Приложение Г Справка о внедрении результатов научной работы в учебный процесс ФГБОУ ВПО Уфимский Государственный Нефтяной Техни- 180 ческий Университет

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В настоящее время доля основного оборудования нефте- и газоперекачивающих станций, приближающегося к полной отработке своего ресурса, постоянно растет. Все больше внимания уделяется мероприятиям по поддержанию надежности и эффективности эксплуатируемого оборудования, минимизации влияния различных негативных факторов. Одним из основных негативных факторов, влияющих на эксплуатацию оборудования, является вибрация. По мере выработки ресурса основного перекачивающего оборудования уровень его вибрации постепенно возрастает. Это может происходить как из-за старения отдельных его узлов и деталей, так и вследствие внешних факторов, таких как гидродинамическая нестационарность перекачиваемого потока, пуск и остановка агрегата и т.д. Вибрация негативно влияет как на само перекачивающее оборудование, так и на окружающие объекты.

Для поддержания надежной и эффективной работы нефте- и газоперекачивающих агрегатов требуется разработка средств вибрационной защиты. Задача осложняется тем, что виброизоляторы должны быть рассчитаны на большую нагрузку и иметь достаточно малую частоту собственных колебаний, чтобы эффективно противодействовать различным пределам изменения вращения ротора и широкому спектру вибрации. Разработка простых, надежных и в то же время эффективных виброизоляторов с малой частотой собственных колебаний является актуальной задачей магистрального транспорта энергоресурсов.

активность может проявляться и в тех регионах, в которых она ранее не наблюдалась, например, в 1994 и 1995 годах в Пермском крае произошли землетрясения магнитудой в 7 баллов.

Однако опоры, обеспечивающие перемещение трубопровода в вертикальном направлении, еще недостаточно изучены и разработаны. Таким образом, создание опор линейной части трубопровода, обеспечивающих перемещение трубопровода в пространстве, является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических и конструктивных основ создания средств защиты объектов магистрального нефтегазопровода от динамических воздействий на основе систем с квазинулевой жесткостью.

Задачи исследований:

4) экспериментальное исследование виброизолятора с квазинулевой жесткостью.

Научная новизна работы.

Основные защищаемые положения

1. Результаты анализа существующих систем с квазинулевой жесткостью и области их возможного применения на объектах транспорта нефти и газа.

2. Разработанные научно-теоретические принципы выбора основных параметров систем с квазинулевой жесткостью. Условия их существования и безостановочного движения. Анализ влияния на динамику работы систем с квазинулевой жесткостью следующих параметров: ширина диапазона квазинулевой жесткости, значение силы трения, диапазон изменяемой нагрузки, максимально допустимая динамическая передаваемая сила.

3. Методика расчета оптимальных параметров систем с квазинулевой жесткостью, пригодных для виброизоляции нефтегазоперекачивающего оборудования.

4. Способы снижения сейсмических воздействий на линейную часть трубопровода посредством сейсмоопоры с малой жесткостью, обеспечивающей свободу перемещений трубопровода, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

5. Способы снижения динамических воздействий на нефтегазоперекачивающее оборудования с помощью систем с квазинулевой жесткостью.

6. Способ снижения шумового воздействия перекачивающего оборудования насосных и компрессорных станций на окружающую среду.

7. Результаты исследований экспериментального виброизолятора с квазинулевой жесткостью.

Практическая ценность работы

Разработана "Методика расчета оптимальных параметров виброизоляционной системы с нелинейной характеристикой для нефтегазоперекачивающего оборудования", используемая при расчете средств виброизоляции, которая внедрена в ООО НПО "Уфанефтегазпроект".

Результаты научной работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО УГНТУ и представлены в учебно-методическом пособии "Расчет системы виброизоляции нефтегазоперекачивающего оборудования" для дисциплин "Проектирование и эксплуатация насосных и компрессорных станций" и "Сооружение и ремонт насосных и компрессорных станций" при подготовке бакалавров и магистров направления подготовки 131000 "Нефтегазовое дело".

Разработанные Валеевым А.Р. виброопора и виброизоляционная подвеска с квазинулевой жесткостью внедрены в ООО "Малое инновационное предприятие УГНТУ Виброзащита".

"Кубок Техноваций" (финальный этап, Москва, 2011 г.), Программа "Участник молодежного научно-инновационного конкурса" ("УМНИК") (финал, МФТИ (ГУ), г. Москва, 2011), IV Межрегиональный семинар "Рассохинские чтения" (Ухта, 2012 г.).

Диссертационная работа выполнялась при поддержке гранта осуществление НИОКР по программе "Участник молодежного научно-инновационного конкурса" (программа "УМНИК", срок действия гранта с 01.02.2012 - 31.01.2013); гранта Республики Башкортостан молодым ученым и молодежным научным коллективам (дата вручения 8 февраля 2012); гранта РФФИ 12-08-97026-р_поволжье_а "Разработка виброзащитных систем с квазинулевой жесткостью для нефтехимического оборудования".

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедр «Транспорт и хранение нефти и газа» и «Механика и конструирование машин» УГНТУ, а также лично: Зотову А.Н., Санькову В.Я. за помощь в проведении исследований и обсуждении результатов работы.

ГЛАВА 1 ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБЪЕКТАХ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ И ЗАЩИТА ОТ НИХ

1.1 Источники динамических воздействий на объектах транспорта и хранения нефти и газа

В настоящее время темпы износа основных фондов нефтеперекачивающих (НПС) и компрессорных (КС) станций опережают темпы их реновации, а средний возраст насосных (НА) и газоперекачивающих агрегатов (ГПА) неуклонно увеличивается. Большая часть ныне эксплуатируемых перекачивающих агрегатов нефтегазовой отрасли было смонтировано в 60-е - 80-е годы и уже отработало свыше 70 тысяч часов. Помимо линейной части изнашивается как физически, так и морально, оборудование нефтеперекачивающих и компрессорных станций, поэтому снижение надежности и эффективности энергоемких насосных и газоперекачивающих агрегатов является важной проблемой для нефтегазовой отрасли.

Нефтегазовая отрасль является стратегической для страны, что предопределяет высокие требования к эксплуатации, качеству изготовления и рациональной технологии ремонта оборудования. В то же время уровень аварийности на производственных объектах нефтегазового комплекса, включая системы магистрального и промыслового трубопроводного транспорта нефти и газа, продолжает оставаться практически неизменным в течение последних шести лет и достигает 66 аварий в год [38]. Большинство аварий характеризуются тяжелыми последствиями. Анализ опыта эксплуатации [90] показывает, что обслуживание и ремонт агрегатов занимает 11-12% календарного времени (в том числе 3-4% времени занимают внеплановые ремонты) и их проведение связано с большими материальными затратами. Все это указывает на необходимость повышения эффективности,

надежности и увеличения межремонтных периодов эксплуатации ГПА и НА. Аварии на НПС и КС могут привести к большому экологическому и материальному ущербу, что создает необходимость содержания на предприятиях значительного количества эксплуатационного и ремонтного персонала и вспомогательных служб, увеличивает потребность предприятий в резервном оборудовании и запчастях.

Установлено, что до 70% отказов основного оборудования НПС обусловлено износом деталей, деформациями, накопленными усталостными повреждениями [38]. В то же время можно отметить, исходя из длительного опыта эксплуатации насосных агрегатов, что более чем в 90% случаев выходу машины из строя предшествует резкое повышение уровня вибраций. При длительном периоде срока службы насосного оборудования частотные составляющие вибрации увеличиваются со временем линейно и достаточно медленно, затем начинается сильный рост вибрации, заканчивающийся выходом машины из строя.

Кроме того, повышенная вибрация, а также создаваемый ею шум, негативно влияет на обслуживающий персонал [12]. Согласно нормативным документам, максимально допустимая вибрация, влияющая на человека при длительном воздействии, равна 6,4 мм/с [30]. При этом вибрационная активность оборудования часто близка к этому значению или превышает ее, так как аварийное отключение возможно только при

Информация о работе

Валеев, Анвар Рашитович
кандидата технических наук
[Уфа], 2013
ВАК 25.00.19

Диссертация

Уменьшение динамических воздействий на объекты магистральных нефтегазопроводов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы