Температура процесса и аппарата

Мы показали, что температура продукта или стенки аппарата существенным образом

влияет не только на ход технологического процесса, но и на прочность системы.

Рассмотрим вопрос выбора давления при испытаниях аппаратов и трубопроводов на

прочность в плоскости влияния на этот показатель рабочей температуры процесса.

Объекты промыслового обустройства работают при температуре, не превышающей

60 °С.

Однако если будут внедряться газовые процессы, температура некоторых из них мо-

жет повыситься до 300–350 °С. Имеются в виду процессы осушки газа и регенерации сор-

бентов. Не исключено появление на промыслах установок вторичной переработки

нефти (например, для производства моторных топлив или для утилизации пропан-

бутановой фракции), использующих более высокую температуру.

Нормы проектирования технологических трубопроводов учитывают температурную

поправку при определении давления в процессе испытания. Таким же образом определя-

ется и давление испытания аппаратов. Эта поправка учитывает снижение прочностных

показателей конструкционного материала, из которого изготовлены аппараты и техноло-

гические трубопроводы.

Нормы проектирования линейных сооружений (магистральных и промысловых тру-

бопроводов) не учитывают температурной поправки при определении давления испыта-

ния на прочность. Отличие норм испытания линейных трубопроводов от технологиче-

ских трубопроводов заключается в том, что температура среды в линейных трубопрово-

дах всегда бывает ниже 100 °С и существенного снижения предела прочности материала

трубопровода при такой температуре не наблюдается.

При разработке проектов трубопроводных систем необходимо учитывать измене-

ние температуры трубопровода в цикле его эксплуатации для учета температурных де-

формаций и нагрузок, которые сопровождают эти изменения.

В качестве примера можно рассмотреть случай строительства промыслового

нефтесборного трубопровода, проект которого разрабатывался силами проектно-

сметного бюро НГДУ. Строительство участка трубопровода диаметром 300 мм длиной 5

км выполнялось в зимний период времени. Трубопровод прокладывался на эстакаде из от-

дельно стоящих стоек через болото в условиях отсутствия дороги. Для компенсации тем-

пературных удлинений проектом предусматривались Л-образные компенсаторы, разме-

щаемые с шагом 1500 м. Каждый компенсатор состоял их двух отводов под углом 45 гра-

дусов и одного отвода 90 градусов. Вылет компенсатора составлял 4 м. Неподвижные

опоры размещались с шагом 1500 м в середине участка между компенсаторами. Строи-

- 57 -

тельство трубопровода завершено в зимний период, однако до наступления тепла трубо-

провод продуктом не загружался. В конце апреля, когда температура воздуха достигла 3–

7 °С, а температура темного трубопровода под действием солнечной радиации поднялась

до 20 °С, произошло падение трубопровода с эстакады на землю. Трубопровод дважды

укладывали на эстакаду, однако он снова падал с нее.

Строительство трубопровода проводилось при температуре минус 30 °С, а при

нагревании стенок до 20 °С происходило падение его на землю. Трубопровод должен

был работать при температуре 40 °С.

Необходимо было определить причину падения трубопровода и предложить реше-

ние, стабилизирующее его положение на стойках в рабочем состоянии.

Причина падения трубопровода заключалась в том, что технические решения не до-

статочно полно учитывали температурные деформации трубопровода. Расстояние между

неподвижными опорами было завышено, как минимум в 5 раз, компенсирующая способ-

ность принятых компенсаторов была явно не достаточной. В качестве выхода из положе-

ния было предложено уложить трубопровод между неподвижными опорами на землю

при средней температуре 10–20 °С, произвести разрезку в середине между неподвижными

опорами. Уложить концы трубопроводов на стойки с образованием захлеста. Участок

трубы, равный длине захлеста, вырезать, оставшиеся концы соединить сваркой. После вы-

полнения этой процедуры трубопровод сохраняет проектное положение как в холостом,

так и в рабочем режиме.

Наше предложение строилось на результатах анализа температурных деформаций. В

процессе строительства и эксплуатации температура трубопровода изменяется. При

строительстве температура имеет минимальное значение, при нагреве трубопровода про-

дуктом или солнечной радиацией температура стенки достигает максимального значения.

Если сварку замыкающих стыков трубопровода выполнить при максимальной темпера-

туре стенки, то в остальное время трубопровод будет работать в растянутом состоянии,

при этом напряжения в стенках трубопровода будут пропорциональны разности темпера-

тур между температурой стенки при монтаже трубопровода и температурой стенки тру-

бопровода при эксплуатации. Если сварка замыкающих стыков производится при мини-

мальной температуре стенки (как это имело место в рассматриваемом примере), в

остальное время трубопровод будет иметь сжимающие напряжения. При сжатии прямо-

линейного трубопровода наступает критическое состояние, при котором трубопровод

теряет устойчивость. Он начинает изгибаться с образованием вылета. Так как расстояния

между неподвижными опорами были существенно большими, чем расстояния между ря-

довыми (скользящими) опорами, прогиб трубопровода в вертикальной плоскости из-за

большой жесткости стержня (на малой длине трубопровода) не мог компенсировать тем-

пературные удлинения. Большое расстояние между неподвижными опорами обеспечило

деформацию трубопровода при горизонтальном (боковом) смещении трубопровода, при

котором он оказывался на земле.

Удаление части трубопровода по длине, равной примерно половине температурной

деформации привело схему нагружения трубопровода от температурных перемещений к

симметричному графику. При температуре 10–20 °С после удаления захлестов темпера-

турные напряжения (и деформация трубопровода) стали равными нулю. При минимальной

температуре (минус 30 °С) трубопровод растянут, при температуре 40 °С трубопровод

сжат. Однако напряжения сжатия в этом случае оказываются в 2 раза меньше первона-

чальных напряжений, удлинение трубопровода не столь значительно, это обеспечивает

устойчивое положение трубопровода на стойках эстакады.