Компенсация линейных удлинений СПГ-проводов

Магистральные трубопроводы сжиженного природного газа эксплуатируются в сложных температурных условиях (сжиженный газ охлаждается до температуры -162ºС; перепад температуры от момента их строительства до пуска в работу может достигать 200ºС). В связи с этим наблюдается значительное удлинение линейных размеров газопроводов, что приводит к возникновению опасных напряжений в стенках трубопроводов. Для обеспечения надежной эксплуатации СПГ-трубопроводов необходимы специальные компенсаторы температурных удлинений.

Компенсация линейных удлинений трубопроводов сжиженного природного газа осуществляется за счет:

а) самокомпенсирующихся трубопроводов;

б) сильфонных компенсаторов;

в) осевых компенсаторов с сальниковым уплотнением.

Эффективным способом самокомпенсации трубы является использование стальной спиральношовной трубы с винтовыми гофрами (рис. 17.3), разработки института Электросварки имени Е.О. Патона.

Рис. 17.3. Труба с непрерывным компенсатором СК

Самокомпенсирующиеся трубы за счет винтовых гофр, расположенных по всей длине трубы спиралью, обеспечивают непрерывную компенсацию температурных и других осевых деформаций по всей длине трубопровода.

Участки трубопровода из самокомпенсирующихся (СК) труб не требуют установки компенсаторов тепловых удлинений. СК-труба имеет двухзаходные гофры высотой 30–35 мм и шириной около 100 мм с углом наклона винтовой линии трубы 70 °. На этих трубопроводах применяются вставки из гладкостенных труб в местах врезок отверстий, перемычек, неподвижных опор.

Компенсирующая способность СК труб удовлетворяет условию

Δ_СК > αΔt, (17.1)

где α – коэффициент линейного расширения стали, принимаемый для углеродистой стали 12∙10^-3 1/°С [0,012 мм/(м∙°С)]; Δt – расчетный температурный перепад, °С.

На трубопроводах сжиженного природного газа могут применяться также сильфонные компенсаторы. При низком давлении они делятся, как и для тепловых сетей, на односторонние (рис. 17.4) и двухсторонние.

Осевые компенсаторы стандартные, применяемые для тепловых сетей, мало приемлемы для трубопроводов сжиженного природного газа. Поэтому для СПГ-проводов разработаны компенсаторы специальной конструкции Полозова А. Е. (рис. 17.5). Эти компенсаторы являются самоуплотняющимися (не требуют добивки сальников) и изготовлены из никелевых сталей аустенитного класса, например, Х18Н9Т или Х18Н10Т.

Рис. 17.4. Компенсатор сильфонный осевой неразгруженный односекционный:

1 – патрубок; 2 – стойка; 3 – кожух; 4 – стяжка; 5 – гибкий элемент; 6 –внутренняя

обечайка; L_стр – длина строительной части конструкции

Рис. 17.5. Сальниковый компенсатор

1-2 –уплотнительные элементы; 3-4 – контрбуксы; 5 – полость; 6, 9 – труба;

7 – емкость-испаритель; 8 – обратный клапан; 10 – трубопровод; 11 – грундбукса

Рис. 17.6. Сальниковое уплотнение

1 – трубопровод; 2 – патрубок; 3 – сальниковая набивка;

4-5 – металлическое кольцо; 6 – грундбукса

Компенсатор (рис. 17.5) содержит сальниковые элементы 1 и 2, контрбуксы 3 и 4. Кольцевая полость 5, образованная двумя контрбуксами 3 и 4, соединена трубкой 6 с емкостью-испарителем 7 и обратным клапаном 8. Для обеспечения интенсивности притока тепла из окружающей среды в емкость-испаритель 7 определенная часть ее поверхности не изолирована. Обратный клапан 8 соединен трубкой 9 с внутренней полостью теплоизолированного трубопровода 10. Затяжка сальника осуществляется грундбуксой 11.

В процессе эксплуатации ослабевают сальниковые уплотнительные элементы 1 и 2 и сжиженный газ проникает из трубопровода 10 в полость 5. Из полости сжиженный газ по трубе 6 поступает в емкость-испаритель 7. Под воздействием температуры окружающей среды сжиженный газ, находящийся в емкости-испарителе, испаряется. За счет этого в ней создается избыточное давление в емкости-испарителе, и в кольцевой полости. Создавшееся повышенное давление воздействует на контрбуксы 3 и 4 в разных направлениях, обеспечивая уплотнение сальников 1 и 2.

Если давление в емкости-испарителе становится выше допустимого, то газ сбрасывается через обратный клапан 8 по трубке 9 в трубопровод 10.

Наличие кольцевой полости в уплотнительном элементе и емкости для испарения сжиженного газа обеспечивает само­уплотнение сальника в процессе эксплуатации, увеличивая тем самым надежность работы компенсатора.

Недостаточная герметичность существующих сальниковых уплотнений компенсируется разработанным сальником, имеющим специальные металлические чашечки 4 (рис. 17.6), увеличивающие герметичность конструкции даже при ослабленном сальнике.

Рис. 17.7. Неподвижная опора

Для СПГ-проводов создана и неподвижная опора (рис. 17.7). Взаимодействие опоры с грунтом при подземной прокладке осуществляется через диафрагменные элементы, при надземной – через фундамент.

Неподвижная опора для закрепления трубопровода выполнена в виде надетых на трубопровод полого цилиндра 1, диафрагм 3, имеющих взаимодействующие с грунтом 2 и составного из продольных лепестков 4 конуса 5, помещенного усеченной частью в зазор между трубопроводом 6 и цилиндром 1. Этот зазор образован полостью внутренней конусоидальной фаски 7, выполненной на торце цилиндра 1. При необходимости фиксации трубопровода от продольных перемещений в обоих направлениях конусы 5 располагают в фасках 7 с обоих сторон цилиндра. Для исключения смещения конусов их лепестки 4 прикреплены к полухомутам 8, скрепленным между собой крепежом 9 с фиксацией на трубопроводе.

При монтаже опоры на трубопровод 6 надевают цилиндр 1 и забивают в полость его клиновидных фасок 7 лепестки 4 усеченных конусов 5, затем скрепляют крепежом 9 полухомуты 8. В завершение трубопровод с опорами засыпают грунтом и уплотняют.

Надежность фиксации обеспечивается не только начальной затяжкой хомутов, но, главным образом, за счет взаимодействия клиньев с конической фаской, что приводит к росту давления лепестков на трубу, а следовательно, и к увеличению сил трения. Окружающий опору грунт является прочным, так как промораживается низкой температурой от трубопровода СПГ.

Вопросы для самопроверки

1. На каких газопроводах температура газа увеличивает, а на каких уменьшает линейные размеры газопровода?

2. Какой температурный перепад может наблюдаться на обычных газопроводах и СПГ-проводах?

3. Что такое самокомпенсация линейных удлинений трубопроводов, и какие виды самокомпенсации вы знаете?

4. Какие вы знаете гибкие (гнутые) компенсаторы трубопроводов?

5. Представьте формулу изменения длины трубопровода при температурном перепаде.

6. Какая величина линейного расширения у стальных трубопроводов при присутствии температурного перепада?

7. Расскажите о конструкции самокомпенсирующегося трубопровода.

8. Представьте расчет Г-образного компенсатора из стали ст3 с использованием монограммы для Г-образных компенсаторов?

9. Что такое сильфонные компенсаторы, как они работают, где применяются на газопроводах?

10. Представьте схему установки (размещения) компенсаторов в нитке газопровода.

11. Какие компенсаторы применяются для трубопроводов сжиженного природного газа, как они работают?

12. Изобразите конструкцию неподвижной опоры СПГ-провода.