CC BY
56
Труды международного симпозиума доступа: http://asonika-
10. Лысенко, А.В. Анализ особенностей применения современных активных систем виброзащиты для нестационарных РЭС / А.В. Лысенко, Г.В. Таньков, Д.А. Рындин // Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 155-158.
11. АСОНИКА-УСТ, [электронный ресурс], режим online.ru/products/asonika-ust.
12. Голушко, Д.А. О скорости изменения частоты при проведении испытаний для определения динамических характеристик конструкции / Д.А. Голушко, А.В. Затылкин, А.В. Лысенко // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2015. № 4 (26). С. 147-154.
665.723, 621.593 Краснов А.Н.
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Уфа, Россия
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ РАБОТЫ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВЛАЖНОГО ГАЗА
В работе обсуждаются различные технологические и конструктивные способы улучшения работы аппаратов воздушного охлаждения влажного для обеспечения безгидратного режима в условиях низких температур
Ключевые слова
Аппараты воздушного охлаждения, гидратообразование, ингибитор, теплообменные трубы
В материале [1] представлен краткий список причин, по которым аппараты воздушного охлаждения влажного газа на предприятиях севера Западной Сибири могут работать недостаточно хорошо. Также предлагаются варианты решения проблем -как технологические, так и конструкторские. Вот эти методы [2; 3]:
1. Применение ингибитора образования гидратов перед подачей газа в АВО. В роли ингибитора можно использовать диэтиленгликоль, который затем улавливается в установках комплексной подготовки газа и впоследствии регенерируется. С другой стороны, подача ДЭГ в данном случае может иметь и свои последствия:
Диэтиленгликоль при невысокой температуре густеет и способен загрязнить внутреннюю поверхность трубопровода, а значит, снизить эффективность процедуры охлаждения. Со временем ДЭГ может забить трубы и привести к поломке АВО.
Расходы на систему регенерации ДЭГ возрастают примерно в 1,5-2 раза.
2. Подача осушенного газа, требующая монтажа дожимной компрессорной станции после установки комплексной подготовки газа. Это влечет за собой следующее:
Циркуляцию ДЭГ в системе придется увеличить в 1,5-2 раза.
Унос ДЭГ с осушенным газом увеличивается в 23 раза.
Нагрузка на систему регенерации абсорбентов увеличивается в 1,5-2 раза.
Если давление ниже показателя в 3,5-4 МПа, не удастся добиться должного качества газа по требованиям ОСТ51.40-93.
3. Частичная подача ингибитора метанола только в те ряды трубы, где природный газ охлаждается интенсивнее всего, а также где велика вероятность образования гидратов. Впрочем, данный способ технически сложен.
Чтобы более детально изучить вопрос эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения на Уренгойском нефтегазоконденсатном месторождении, мы обратились к опыту использования АВО на нескольких УКПГ.
Прежде чем рассматривать функционирование аппаратов воздушного охлаждения «сырого» газа, важно изучить работу аппаратов, взяв в качестве примера УКПГ-2, эксплуатируемую по схеме «УКПГ+ДКС+ДКС». ТТР природного газа после установки комплексной подготовки газа равнялась -22,5°С, при этом давление составило порядка 3 МПа.
АВО монтировались после каждой ступени ком-примирования. Блок АВО 1-й ступени включает в себя десять аппаратов. Каждая секция оснащена двумя вентиляторами и тремя секциями оребренных горизонтальных теплообменных труб. Блок 2-й ступени включает в себя шестнадцать аппаратов. Температура газа составляла 8°С, когда он отправлялся из установки комплексной подготовки газа на первую стадию компримирования. При этом показатели температуры и давления претерпевали изменения: с 3 до 45,9°С, с 25,3 до 40 кгс/см2. На второй стадии данные параметры менялись с 22 до 47°С и с 40 до 50 кгс/см2.
В рамках данного исследования главным рассматриваемым вопросом является возможность уменьшения температуры подвергающегося охлаждению газа перед его подготовкой. Все варианты решения проблем, возникающих при работе с аппаратами воздушного охлаждения газа, можно свести к двум направлениям.
1. Пассивное решение проблемы предполагает определение и поддержание оптимальный температуры «сырого» природного газа. Оптимальной -значит такой, ниже которой охлаждать природный газ не стоит из-за возможности гидратообразова-ния. На данный показатель температуры и нужно опираться в случае с аппаратами воздушного охлаждения. При этом данная температура должна быть немного выше температуры, при которой начинается образование гидратов. Связано такое положение вещей со значительной неоднородностью температурного поля в аппаратах. Температура эта становится тем выше, чем ниже температура окружающего воздуха, и связано это опять же с неоднородностью температурного поля.
2. Активное решение проблем включает в себя ряд действий:
Внесение изменений в саму конструкцию АВО.
Выбор иного способа охлаждения (смена направления потоков, подача ингибитора образования гидратов и т.д.).
Небольшие эксплуатационные и капитальные расходы на модернизацию.
Летом не оказывать негативного влияния на эффективность работы аппаратов воздушного охлаждения.
Для того чтобы создать условия, при которых образования гидратов при работе аппаратов воздушного охлаждения зимой не происходит, можно применять перечисленные ниже методы.
1. Такое распределение потока природного газа, при котором расход от верхнего ряда теп-лообменных трубок к нижнему увеличивается, при этом показатель среднего расхода по секции сохраняется.
2. Введение ингибитора в область, где вероятность образования гидратов наибольшая (как правило, это нижний ряд труб).
3. Комбинация первых двух методов.
Изучим более подробно первый способ. В нем предлагается за счет составления особого проекта для гидравлики аппарата прийти к тому, чтобы жидкая фаза в аппарате воздушного охлаждения не накапливалась.
Теплообменные трубы, выстроенные в 6 вертикальных рядов в каждой секции АВО, соединяются при помощи двух камер - сборной и распределительной, их можно расценивать как своего рода коллекторы для отбора и подачи природного газа при снижении его температуры. В работах [4,5] представлено несколько схем (рисунок 1) присоединения коллекторов к потоку. Наиболее распространенной и эффективной (если оценивать теплопередачу) считается схема «Н» для подключения газа (рисунок 1в). Следуя ей, можно максимально уравнять величину потоков по трубкам, которые входят и выходят из коллекторов. Сведение к
минимуму условий, способствующих образованию гидратов, предполагает максимальный расход потока природного газа в нижнем ряду при сохранении среднего потока, проходящего через секцию. Данному требованию соответствует схема <^>> для подключения газа при перекрестном движении теплоносителей (рисунок 1б). Аппараты, которые применяются на практике, подсоединяются по схеме «П» (рисунок 1а), именно она является чем-то среднем между двумя описанными
выше. При этом стоит отметить, что в работах [4,5] рассматриваются жидкости, но сделанные выводы относительно распределения потоков внутри коллекторов применимы и для природного газа. На рисунке 2 представлена схема желательного подсоединения газа. В отличие от актуальной схемы, здесь предусматривается подача природного газа в распределительную камеру сверху, а не снизу.
а)
б)
в)
Рисунок 1 - Виды коллекторных схем: а) - «П», б) - «Ъ», в) - «Н» 1...П - номер ответвления между коллекторами, 3 - распределительный коллектор, изменение статического давления по длине коллектора, 4 - собирающий коллектор, 4' изменение статического давления по длине коллектора
Данная схема хороша не только тем, что позволяет предотвратить процесс образования гидратов, но и тем, что обеспечивает ускоренное выведение зародышей гидратов из нижних рядов труб.
Это возможно благодаря высокой скорости потока газа.
4
4
Рисунок 2 - <^>> - схема подключения аппарата воздушного охлаждения
Второй способ широко известен, он упоминался в работах [1; 6]. Этот метод был испытан на Ям-бургском ГКМ: метанол подавали в газовый поток перед аппаратом воздушного охлаждения. Несмотря на то что метод оказался отчасти эффективным, результаты испытания способа оказались неудовлетворительными.
В такой ситуации необходимо обеспечить циркуляцию ингибитора через функционирующий аппарат (3) следующим образом: подавать метанол в распределительную камеру в каждой секции (всего их 3), убирать его из собирающей камеры, скапливать в буферной емкости, затем с помощью насоса подавать ингибитор на рециркуляцию.
АВО
Газ
Метанол
Рисунок 3 - Принципиальная схема подачи ингибитора в АВО
Схема, подобная описанной выше, но для промывки внутренней поверхности труб аппарата с применением моющих средств, опубликована в работе [7].
При увеличении содержания ингибитора в распределительной камере до сечения труб в нижнем ряду он подхватывается потоком газа и проходит через все трубы нижнего ряда, способствуя разрушению образовавшихся гидратов и не давая образовываться новым гидратам. Чтобы ингибитор накапливался в камере, нужно вставить патрубок в отверстие подачи газа. Газ должен подаваться в таком случае в верхнюю часть распределительной камеры [8].
Плюсы данного способа:
Лед и гидраты разрушаются не только в нижних трубах, но и в собирающих. Кроме того, они удаляются и из распределительных камер секций аппарата воздушного охлаждения.
Метод обеспечивает выведение жидких углеводородов, влаги, механических примесей из нижних труб, препятствуя образованию льда и зародышей гидратов.
Ингибитор поступает прямо в область образования гидратов в нужном количестве.
Процедуру можно проводить как постоянно, так и эпизодически.
Способ обеспечивает минимальную потерю ингибитора с газом.
С помощью данного метода удается создать дополнительное температурное сопротивление передаче тепла от фронтального воздействия холодного воздуха.
Поступление природного газа в верхнюю часть камеры секции аппарата воздушного охлаждения позволяет, избежав существенных денежных расходов, прийти к условиям схемы <^>> подключения газа с возрастанием его расхода в нижнем ряду труб.
Более надежным вариантом считается тот, при котором ингибитор подается в трубы за счет фитилей: один конец фитиля на 100-150 мм находится в теплообменных трубах, другой конец опускается в ингибитор в распределительной камере. Метанол будет увлекаться с потоком газа и проходить через всю трубу.
Еще одним способом подачи ингибитора является установка в торце труб дополнительных труб Г-об-разной формы и диаметром 2-3 мм. Расположение их аналогично фитилям. Ингибитор будет поступать в трубы за счет эжекции газом. Лучше всего разместить эжекционную часть дополнительной трубы у стенки внизу теплообменной трубы. Это необходимо делать с той целью, чтобы количество ингибитора не оказалось чрезмерным.
Концентрированный метанол нужно добавлять в буферную емкость при разбавлении водой или же частичном уносе с потоком природного газа. Данный метод предполагает совсем незначительные затраты, поскольку конструкция аппаратов предполагает наличие необходимых отверстий (они прикрыты пробками). Кроме того, он довольно прост в реализации. Но наилучшего эффекта удастся добиться при комбинировании обоих методов.
Ниже будут рассмотрены другие способы, позволяющие повысить надежность работы аппаратов воздушного охлаждения на «сыром» газе.
1. Установлено, что довольно часто ломаются трубы, которые находятся вдоль несущей рамы из металла. Если эту область рассмотреть более внимательно, можно обнаружить вот что:
Расстояние между трубами и рамой увеличено, что связано с особенностями конструкции аппарата. Из-за этих зазоров холодный воздух здесь проникает в большем количестве, нежели по пространству между трубами. В связи с этим формируются локальные условия для образования гидратов в потоке газа.
I
А-А
(повернуто и увеличино)
Рисунок 4 - Перегородка из уголка
пластины) у продольной стороны рамы аппарата воздушного охлаждения
В зазорах воздух может повторно охлаждаться из-за контакта с металлической холодной рамой. Это создает условия для локального интенсивного образования гидратов.
Вентилятор создает мощный поток холодного воздуха с поступательно-вращательным характером движения. Из-за этого формирующиеся центробежные силы уводят часть воздуха на периферию, что тоже усиливает процесс образования гидратов в трубах возле рамы. Помимо этого, напор воздуха по оси вентилятора из-за их действия понижается, в связи с чем возможна местная рециркуляция воздуха. Изменение локального напора по площади аппарата воздушного охлаждения легко измерить.
Названные факторы необходимо устранять. Для этого нужно монтировать перегородку в форме полоски или уголка из металла (рисунок 4) на раме по направлению вдоль потока природного газа. Перегородка должна прикрывать хотя бы одну расположенную в нижней части трубу возле рамы. За счет этой меры удастся уменьшить объем холодного воздуха у рамы и снизить вероятность местного образования гидратов.
2. Температура окружающего воздуха может колебаться в достаточно больших пределах, причем изменения могут происходить плавно. Что касается стандартных АВО, в них нельзя плавно регулировать расход воздуха. С помощью вентиляторов можно обеспечить ступенчатое регулирование [9]. Вот варианты, как это можно осуществить на практике:
Вентиляторы выключены, аппарат функционирует при свободной конвекции холодного воздуха. В данном случае над каждым АВО можно соорудить короб в форме пирамиды, имеющий на вершине круглой отверстие с заслонкой. За счет подобной конструкции создается некий запас тяги, которую можно регулировать заслонкой. Так удастся в той или иной мере влиять на степень охлаждения природного газа, а значит, и на уровень образования гидратов.
Функционирует только 1 вентилятор из 2 имеющихся. Исходя из того что основная задача - снижение местного образования гидратов, более целесообразной представляется работа второго вентилятора. Это связано с тем, что в данном случае зародыши гидратов и вода будут размещаться ближе к выходу, а значит, не успеют закрепиться на стенках и покинут трубу. Рассмотренное в первом пункте решение позволяет значительно расширить возможности управления температурой охлаждения газа в подобной ситуации.
Оба вентилятора работают. И один, и два функционирующих вентилятора в одном АВО способны создать лишь какой-то конкретный режим охлаждения.
Из сказанного выше можно сделать следующий вывод: с помощью короба пирамидальной формы с отверстием в верхней части и заслонкой можно значительно увеличить возможности АВО в плане охлаждения.
В то же время можно не использовать короб, который создает дополнительную тягу в АВО, а предпочесть жалюзи или регулировку проходного сечения в области лопастей вентилятора на коробе, расположенном внизу. Стоит назвать еще одно решение - самое легкое. Оно предполагает, что проходное сечение в области лопастей - это короткая обечайка цилиндрической формы. Для получения необходимых параметров жесткости обечайка соединяется с кольцом, расположенным на корпусе двигателя, с помощью 8 стержней в форме цилиндров. Стержни размещены радиально и ниже, чем лопасти вентилятора, и на них можно монтировать вращающиеся заслонки, способные частично либо целиком закрывать вход для холодного воздуха. Так можно довольно плавно регулировать уровень охлаждения природного газа после компри-мирования. Конструкция может предполагать одновременное или раздельное открытие и закрытие заслонок.
3. Если учитывать тот факт, что в аппаратах выходе из блока аппаратов воздушного охлаждения, воздушного охлаждения теплопередача и распреде- Одновременно с этим АВО, подвергшиеся образова-ление потоков природного газа происходят нерав- нию гидратов, следует перевести на режим тепло-номерно, то становится очевидно: подача ингиби- обмена без вентиляторов. Лед и кристаллы гидра-тора прямо в зону с наибольшей вероятностью об- тов разрушатся из-за контакта с теплым газом, а разования гидратов является вполне приемлемым и затем вместе с потоком газа покинут АВО. Венти-достаточно надежным способом предотвратить фор- ляторы необходимо переключать после того, как мирование гидратов и разрушить уже образовавши- достигнута минимальная допустимая температура, еся кристаллы. Она выясняется опытным путем отдельно для каж-
4. При появлении гидратов на внутренней по- дого блока аппарата воздушного охлаждения. О верхности труб и формировании всех условий для критической температуре природного газа после этого процесса необходим перенос активного охла- аппарата, а также после каждой секции нужно со-ждения с использованием вентиляторов на другие общать на пульт управления.
аппараты. Это нужно осуществить с целью поддержания постоянной температуры природного газа на
ЛИТЕРАТУРА
1. Кемпбел Д.М. Очистка и переработка природных газов. М.: Недра, 1977. -349 с.
2. Ланчаков Г.А., Ефимов Ю.Н., Истомин В.А., Кульков А.Н. Совершенствование технологии абсорбционной осушки на Уренгойском ГКМ при подключении ДКС второй очереди //Сб. науч. тр. Актуальные проблемы освоения газовых месторождений Крайнего Севера.- М.: ВНИИГАЗ, 1995. - С. 73-84.
3. Ланчаков Г.А., Дудов А.Н., Кульков А.И. и др. Опыт эксплуатации и модернизации основного технологического оборудования на объектах добычи и подготовки сырья к транспорту на УКПГ сеноманской и валанжинской залежах / Сб. НТС «Проблемы освоения месторождений Уренгойского комплекса».-М.:Недра, 1999.- С. 36 - 59.
4. Жданова Н.В., Халиф А.Л. Осушка природных газов.- М.: Недра, 1984.- 172 с.
5. Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки. -М.: Химия, 1980 - 407 с.
6. Иванович Б.И., Тагиев В.Г., Тункеев Л.Е. Оптимизация режима работы объектов промысловой подготовки газа // Подготовка и переработка газа и газового конденсата: ОИ. -М., -1981. -Вып. 4-42 с.
7. Совершенствование подготовки газа на УКПГ сеноманской залежи на весь период разработки месторождения, отчет НТЦ ООО «Уренгойгазпром», -Новый Уренгой, 2000.
8. ГОСТ 20 764-79. Аппараты воздушного охлаждения. Типы, основные параметры и размеры.
9. Давлетов К.М. «Ступенчатое регулирование расхода газа в АВО на месторождениях Крайнего Севера». // НТС. Сер. Газификация. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа. Энергосбережение. / ИРЦ Газпром. -1998. - № 5-6, - с. 15-17.
УДК 621.09
Макаров В.Ф., Никитин С, П., Песин М.В., Горбунов А.С.
ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», Пермь, Россия
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ СНИЖЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДЕТАЛЯХ
Установлено, что в процессе механической обработки поверхностей сложного профиля деталей, работающих в эксплуатации при больших знакопеременных нагрузках, в критических переходных зонах сопряженных поверхностей профиля образуются локальные технологические концентраторы напряжений, способствующие зарождению, росту усталостных трещин и последующему разрушению деталей в эксплуатации. Такие явления обнаружены, например, при обработке высоконагруженных зубьев шестерен, при обработке профильных поверхностей лопаток турбин, при изготовлении крупномодульных конических резьб и других деталей, имеющих сложные профильные поверхности. Разработаны и внедрены методы снижения величины таких кон-центраторов напряжений на основе применения различных методов локального поверхностно пластического деформирования поверхностного слоя переходных зон профилей. В результате значительно сократилась вероятность образования усталостных трещин и существенно повысилось сопротивление усталости обработанных деталей
Ключевые слова:
Технологические концентраторы напряжений, профильные поверхности, локальные переходные зоны, усталостные трещины, сопротивление усталости, резьба, шестерни, турбинные лопатки
Введение
В современном машиностроении наиболее сложным и ответственным является производство газотурбинных двигателей, авиационных редукторов и трансмиссий. С каждым годом растут требования к безопасности полётов военной и гражданской техники, что в свою очередь, отражается на ужесточении требований к показателям качества и надежности, предъявляемые к агрегатам и изделиям в целом. Надежность авиационной техники во многом зависит от эксплуатационных свойств таких наиболее ответственных деталей ГТД как лопатки турбины и компрессора, зубчатые колеса, ступенчатые валы, резьбовые соединения, которые работают в тяжелых условиях агрессивных сред, повышенных температур и знакопеременных нагрузок. В то же время для приведенных деталей имеется одна характерная особенность. Все эти детали имеют сложные профильные поверхности с присутствием конструктивного концентратора напряжений и которые обрабатываются часто по профильной схеме методом врезания профильным инструментом. В результате сопряженные поверхности обрабатываемого профиля имеют принципиальные отличия условий контакта и резания соответствующими поверхностями профильного режущего инструмента. Вслед-
ствие этого на контактных поверхностях инструмента и детали создаются различные термодинамические условия резания и стружкообразования, что может вызвать появление значительной неоднородности параметров качества поверхностного слоя в переходной зоне - остаточных напряжений, микротвердости, шероховатости, структурной неоднородности. Эти явления вызывают возникновение технологических концентраторов напряжений в переходных зонах профиля, как раз в тех местах, где уже действуют обычные конструктивные концентраторы напряжений, связанные с резким изменением формы профиля детали. В результате возможно сложение технологического и конструктивного концентраторов напряжений, что приводит к ускоренному появлению и накоплению различных дефектов в поверхностном слое. В результате суммирования конструктивного и технологического концентраторов напряжений существующие при резании дефекты в поверхностном слое переходной зоны профиля, объединяясь в микротрещины, под действием знакопеременных нагрузок приводят к появлению усталостных трещин, что, в конечном счете, приводит к разрушению деталей при испытаниях и в эксплуатации. Известно, что разрушение детали начинается с поверхностного слоя и именно поверхностному слою ответственных деталей, имеющих сложные
