Причины и устранение сверхнормативной вибрации

Г.С. Яицких Директор по развитию АО «ИПН»

Ю.А. Мельников ГИП АО «ИПН»

С.Л. Шакимов начальник отдела АО «ИПН»

Вот уже более 25 лет АО «ИПН» устраняет сверхнормативную вибрацию (СВ) на трубопроводах и технологическом оборудовании десятков нефте- и газоперерабатывающих заводов, предприятиях нефте- и газохимии России, ближнего и дальнего зарубежья. За эти годы вибрация устранена более чем на 300 промышленных объектах.

Часто причинами сверхнормативной вибрации являются ошибки проектантов, не учитывающих факторы, влияющие на её возникновение.

Опираясь на накопленные статистические данные, специалисты АО «ИПН» в процессе разработки проектной документации акцентируют внимание на виброопасных элементах технологических установок с целью недопущения сверхнормативной вибрации в процессе эксплуатации.

         Работа «по заявкам» на устранение СВ от предприятий проводится специалистами АО «ИПН» по договорам. Ниже приведены несколько наиболее типичных видов СВ, устранённые в последние годы на нефтеперерабатывающих предприятиях.

         Так на одном из заводов Нижегородской области наблюдалась СВ трубопровода подачи воды от деаэратора к питательным насосам. Поверочные теплогидравлические расчёты, выполненные в программе «Гидросистема 4.5» показали, что линейная скорость воды в трубе 1,09 м/с, что не превышает рекомендуемые значения. Кавитационный запас сети составляет 7,0 м, в то время как по характеристикам насосов достаточно 4,0 м, поэтому кавитация в насосах исключается.

Причина СВ в данном случае – недостаточно жёсткая опорная система трубопровода(Рис.1);были применены нежесткие опоры -

подвески типа Hilti (Рис.2),которые позволяли трубопроводу достаточно свободно перемещаться во всех направлениях под воздействием даже незначительных по силе пульсаций потока.

Рис. 1. Изометрическая схема трубопровода с опорными конструкциями

Рис. 2. Подвески типа Hilti (на Рис.1 точки 27, 26, 25, 24)

Ещё одним недостатком вышеуказанной конструкции трубопровода было отсутствие мероприятий для компенсации теплового расширения (удлинения) трубопровода при нагреве его до 100^оС, что привело к значительным нагрузкам, передаваемым трубопроводом в результате линейных расширений   на штуцеры насосов, которые превышали допустимые значения.

На Рис.3 представлена предложенная специалистами АО «ИПН» конструкция этого трубопровода, позволяющая компенсировать тепловые удлинения участков трубы с целью минимизации нагрузок на штуцеры насосов. Показанные на рисунке скользящие опоры №№ 11, 12,16, 22, 57, 58 позволяют при нагреве перемещаться участкам трубопровода в допустимых пределах, снижая нагрузки, передаваемые от трубопровода на штуцеры насосов, до нормативных значений. В то же время скользящие опоры не допускают развития сверхнормативной вибрации.

Величины нагрузок и выполнение условий прочности элементов трубопровода были определены с использованием расчётной сертифицированной программы «Старт».

По результатам расчёта было   определено, что новая конфигурация трубопровода и правильная расстановка опор снижают нагрузки на штуцеры насосов до нормативных значений, при этом условия прочности выполняются для всех элементов трубопровода.

 

Рис 3. Оптимизированная изометрическая схема трубопровода с опорными конструкциями

Нередко СВ возникает в трубопроводах с двухфазными потоками. На установках ЭЛОУ-АВТ виброопасными являются трансферные трубопроводы от печей до ректификационных колонн (основной атмосферной и вакуумной), а также трубопровод на входе в отбензинивающую колонну. Разработка проектной документации этих трубопроводов должна включать следующие этапы:

1.Трассировку трубопровода. Гипотетически идеальная конфигурация такого трубопровода – прямая линия с компенсатором (линзовым, сильфонным и т.п.) для компенсации температурного удлинения трубы. Такая конфигурация практически полностью должна исключить сверхнормативную вибрацию независимо от характера потока (кольцевой, снарядный, турбулентный).

Однако на практике проектировщики чаще применяют П-образные, Г-образные, Z-образные трубные компенсаторы с радиусом отводов 1,5 DN;применяются пружинные опоры, подвески, что в конечном итоге приводит к сверхнормативной вибрации.

Для снижения вибрации необходимо:

- по возможности минимизировать количество поворотов трубопровода;

- радиусы отводов предусмотреть не менее 3DN;

- по возможности исключить применение запорной арматуры, обратных клапанов на данном трубопроводе;

- максимально использовать для трубопроводов большого диаметра усиленных тугоподвижных хомутовых опор по типу ОТП (см. Рис. 4).

Рис. 4. Тугоподвижная хомутовая корпусная опора

2.С учётом предварительно разработанной конфигурации трубопровода определяются нагрузки от него на штуцеры технологических аппаратов, возникающие при выходе технологической установки на регламентный температурный режим.

Преследуя цель снизить эти нагрузки, проектировщики нередко увлекаются дополнительными изменениями конфигурации трубопровода – лишними поворотами, различными трубными компенсаторами, применением пружинных опор и т.п. Однако при снижении такими методами нагрузок на штуцеры аппаратов увеличивается вероятность сверхнормативной вибрации.

По мнению опытных специалистов более целесообразно просто усилить штуцеры (дополнительные накладки, увеличение толщины штуцера и т.д.), обеспечив возможность нести дополнительные нагрузки.

3. Далее выполняется теплогидравлический расчёт трубопровода с целью определения оптимального диаметра, который должен обеспечивать скорость потока не более 0,8Маха на всех участках трубы. Это обеспечивает дисперсно-кольцевой режим движения двухфазного потока внутри трубопровода. Нужно избегать снарядного режима потока с целью минимизации вибрации трубопровода.

4. Производится расчёт на прочность трубопровода; определяется толщина его элементов, уточняется конфигурация участков трубопровода, при которой нагрузки на штуцеры аппаратов не превышают допустимые значения.

5. В случае изменения конфигурации трубопровода по результатам расчёта на прочность повторно производится поверочный теплогидравлический расчёт.

В качестве негативного примера приводится выполненный с ошибками проект трансферного трубопровода на одном из заводов центрального федерального округа России. На Рис. 5 и фотографии 6 показана первоначальная конфигурация трубопровода по которому двухфазный поток из печи подавался в ректификационную колонну.

На участках трубопровода 5-16,13-8 была сверхнормативная вибрация по следующим причинам:

- отсутствие расчета габаритных размеров П-образных компенсаторов;

- использование для П-образных компенсаторов крутоизогнутых отводов с радиусом 1,5DN;

- неправильное закрепление трубопровода;

- наличие по факту неработающих опор трубопровода (см. Рис. 5 в точках 49, 50);

- наличие тройниковых врезок в точках 8 и 16.

Специалистами АО «ИПН» была предложена оптимизированная

конфигурация трубопровода и корректировка типа и схемы расположения опор, обеспечивающая вибрацию в пределах нормативных значений – Рис.7.

Для максимального снижения вибрации и обеспечения условий прочности трубопровода, обеспечения выполнения требований по допускаемым нагрузкам на штуцера оборудования были выполнены мероприятия:

- в точках 51, 52 установлены дополнительные направляющие опоры (с ограничением на поперечное перемещение), в точках 15, 16 (рис. 7) необходимо восстановить опорные конструкции за счет обеспечения контактирующей поверхности опоры трубопровода и опорной конструкции колонны;

- для выравнивания потока, с учетом применения неподвижных нестандартных опор и опасности возникновения вибрации, рекомендовано изменить габаритные размеры, конфигурацию трубопровода за счет корректировки П-образного компенсатора на участках 2-3-4, 10-11-12, за счет сглаживания потока, снижения вылета и использования отводов с радиусом 3DN;

- для сглаживания потока в точках 8 и 16 (Рис. 5), с учетом стесненных условий существующей обвязки – заменить тройниковые врезки, под прямым углом, на отводы с радиусом 1,5DN (см точки 7 и 8 Рис. 7).

Рис. 5 Существующая конструкция трансферного трубопровода с опорными конструкциями 

Рис. 6 Фотография существующего трансферного трубопровода

Рис.7 Оптимизированная конфигурация трансферного трубопровода с опорными конструкциями

Новая конфигурация трубопровода (Рис. 7) была проверена расчётом на прочность, который показал, что в элементах трубопровода выполняются условия прочности, а нагрузки на штуцеры технологических аппаратов не превышают допустимых значений. Теплогидравлический расчёт показал, что в трубопроводе кольцевой режим движения потока.

Анализ выявленных за 25 лет специалистами АО «ИПН» ошибок проектирования трубопроводов и технологических узлов НПЗ позволяет сделать вывод о том, что далеко не все проектные организации имеют достаточно компетенций для выполнения такого рода работ. Поэтому тендерным подразделениям заводов, проводя закупочные процедуры на выполнение проектных работ, рекомендуется обращать особое внимание на компетенции проектировщика в части монтажного проектирования виброопасных технологических узлов, строящейся (или реконструируемой) технологической установки.