МАГИСТРАЛЬНЫЕ НЕФТЕПРОВОДЫ

Гидравлический удар в нефтепроводах

Суть гидравлического удара заключается в том, что стационарный поток жидкости в трубопроводе прерывается внезапным закрытием (или открытием) клапана или запуском (или остановкой) насоса, что приводит к резкому торможению (или ускорению) потока и ударному сжатию его частиц.

Фронт, в котором изменяются гидродинамические параметры жидкости, имеет относительно небольшую длину и распространяется вдоль потока в виде волны давления. Аналогичное явление возникает при быстром изменении скорости (расхода) жидкости, как, например, в нефтепроводах. Возможность возникновения гидроударов необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации нефтепроводов, поскольку давление при ударе может значительно превысить допустимое, что приведет к разрыву трубопровода или аварийным ситуациям.

Скорость распространения ударных волн воды в стальных трубах близка к 1000 м/с, а изменение скорости потока на 1 м/с приводит к падению давления примерно на 9,0 бар.

В трубопроводах, транспортирующих капельные жидкости (нефть, нефтепродукты, воду и т.д.), необходимо учитывать разрушительную силу удара и, в отличие от газопроводов, не устанавливать задвижки для быстрого перекрытия участка трубопровода, а использовать задвижки для медленного перекрытия участка и безопасного прекращения потока жидкости. Кроме того, в некоторых случаях на насосной станции используется специальное оборудование для защиты трубопровода от воздействия гидроударов. Например, на всасывающей линии насосной станции устанавливается гаситель гидроударов на случай внезапной остановки насосной станции и повышения давления в прямом направлении. Принцип работы гидравлических амортизаторов заключается в том, что часть жидкости отводится из трубопровода в специальный резервуар для снижения повышения давления. В нагнетательной линии перекачивающей станции устанавливается автоматическая система управления, одной из задач которой является защита станции от ударных волн давления, распространяющихся вверх по потоку или исходящих от предыдущей ступени.

Первое правильное упоминание о гидроударе было сделано нашим соотечественником, Н.Е. Жуковским, в конце прошлого века. Его исследования проводились на Московской водопроводной станции, а работа "О гидравлическом ударе в водопроводных трубах" (1899) стала классическим трудом, известным во всем мире. Н.Е. Жуковский первым связал ударное давление Δр со сжимаемостью жидкости и упругими свойствами стенки трубы, в результате чего были получены известные уравнения.

Гидравлические волны давления, возникающие в нефтепроводах вследствие резких изменений скорости потока, могут распространяться на значительные расстояния с постепенным затуханием из-за диссипации механической энергии силами вязкого трения. Наибольший риск возникновения волн избыточного давления существует на участках трубопровода с высоким статическим давлением. Такие участки расположены вокруг насосной станции и в нижней части трубопровода. В последнем случае пьезометрический напор p(x)/ρg высок, что может соответствовать высокому давлению p(x). Если волна избыточного давления отражается от закрытого участка трубопровода или тупикового ответвления, амплитуда волны Δр удвоится, что еще больше усугубит аварийную ситуацию.

Однако волны снижения давления также могут вызывать опасные явления. Парогазовые объёмы могут скапливаться в верхней части трубопровода и не рассеиваться сразу после возвращения к устойчивому состоянию. В то же время это значительно снижает скорость потока и усиливает вибрации трубопровода. В трубопроводах с большим перепадом высот может возникнуть дисбаланс жидкости, вызывающий так называемый профильный гидравлический удар.