Компенсатор для газопроводів низького і середнього тиску

Винахід відноситься до області будівництва і експлуатації трубопроводів, а саме компенсаторів, що використовуються для оснащення газопроводів низького і середнього тиску на міських підземних газопроводах у складних гірничо-геологічних умовах, складними переміщеннями грунту, особливо на територіях гірничих робіт під впливом гірничих підробок. Компенсатори відносяться до пристроїв, що захищають окремі частини газопроводу від пошкоджень. У різних галузях промисловості (будівництво, теплоенергетика, трубопровідний транспорт, хімічна, авіаційнокосмічна і ін.) широко застосовуються різноманітні типи компенсаторів для виключення в умовах експлуатації негативних дій на газові труби у вигляді осьових, вигинних, деформацій, деформацій кручення, вібрацій тощо, що викликаються коливаннями температури і зсувами грунту. Не дивлячись на значну кількість технічних рішень з використанням у конструкціях компенсаторів сильфонів, пружно-еластичних та інши х елементів, вони не можуть бути застосовані безпосередньо в газопроводах через специфічні вимоги, що висуваються до газопостачання. Так, наприклад, на підземних газопроводах забороняється застосовувати сальникові компенсатори, оскільки природний газ швидко поглинає вологу на ущільнення сальників, створюючи витоки газу. На відміну від цього, відомі і дозволені до використання в газопроводах П-подібні зварні сталеві компенсатори, виконані з сталевих труб [1], що вибрані як аналог. Найбільше використання в системах газопостачання знайшли лінзові компенсатори, які встановлюють на підземних газопроводах в колодязях спільно з газовою арматурою, що вибрані як найбільш близький аналог [2]. Компенсуючий деформацію пружний елемент цих компенсаторів виконують з тонколистової сталі у вигляді окремих зварюваних між собою напівлінз. Звичайно для забезпечення нормальних умов демонтажу і монтажу газопроводів застосовують дволінзові компенсатори, що складаються з чотирьох напівлінз. Лінзові компенсатори звичайно встановлюють в дещо стислому стані з урахуванням їх максимальної компенсуючої здатності і осьових зусиль, де під максимальною компенсуючою здатністю компенсатора розуміють двосторонні зміни його довжини. Для багатолінзового компенсатора цю здатність визначають сумою компенсуючої здатності окремих лінз. При цьому на газопроводі можуть застосовуватися дволінзові компенсатори з двома фланцями, з одним фланцем і без фланців. Основним недоліком лінзового компенсатора за конструкцією найбільш близького аналога в складних умовах експлуатації газопроводів є його недостатня компенсуюча здатність, особливо при скручуванні. Окрім високої трудомісткості і вартості, ці лінзові компенсатори достатньо металоємні, що не дозволяє використовува ти компенсатор у складних гірничо-геологічних умовах з максимальною ефективністю. В основу винаходу поставлена задача удосконалення конструкції компенсаторів, що застосовуються при експлуатації газопроводів низького і середнього тиску газу в складних гірничо-геологічних умовах, в яких за рахунок особливостей конструктивного виконання, вибору ефективних співвідношень геометричних розмірів складаючих його елементів і матеріалу складових елементів компенсатора забезпечується підвищення міцності і надійності роботи компенсатора, що приводить до отримання техніко-економічних переваг у вигляді значної економії металу, а також зручності монтажу і ремонту газопроводів низького і середнього тиску. Поставлена задача розв'язується тим, що у компенсаторі для газопроводів низького і середнього тиску, що містить розміщений між фланцями компенсуючий деформацію пружний елемент, компенсуючий деформацію пружний елемент виконаний у вигляді пружньо-еластичного багатошарового гумовотканинного гофрованого армуючого елементу з розташуванням гофрів по гвинтовій лінії, який містить по западинах гофрів підсилюючий дротяний елемент, як тканину компенсатор містить дрібнокомірчасту капронову сітку, фланці виконані з гумовотканинного матеріалу, крок між гофрами (δ) становить 0,03-0,045м, як підсилюючий дротяний елемент компенсатор містить капроновий шнур, внутрішній умовний діаметр компенсатора (D2) перевищує діаметр газопроводу (D1), зовнішній діаметр гофрів (D3) становить 1,21,3 величини внутрішнього умовного діаметра компенсатора (D2), внутрішній діаметр гофрів (D4) становить 0,8 - 0, 85 величини умовного внутрішнього діаметра компенсатора (D2). Внутрішній умовний діаметр компенсатора (D2) становить 1,1 величини діаметра газопроводу (D1), а довжина компенсатора по торцях фланців (L) становить 0,4-0,45м. Для газопроводу низького тиску кількість шарів капронової тканини (nк.т.) становить не менше трьох, а для газопроводів середнього тиску при кількості шарів каландрованої гуми (nг) становить не менше чотирьох. Для газопроводу середнього тиску кількість шарів капронової тканині (nк.т.) становить не менше чотирьох при кількості шарів каландрованої гуми (nг) не менше чотирьох. Принаймні один з фланців виконаний роз'ємним по діаметру. Діаметр капронового шнура становить 6-10мм. Підсилюючий дротяний елемент розміщений по западинах гофрів герметично і виконаний з корозійностійкого дроту діаметром 2мм. Перераховані ознаки способу складають сутність винаходу. Наявність причинно-наслідного зв'язку між сукупністю істотних ознак винаходу і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. Значною проблемою будівництва споруд і трубопроводів в складних гірничо-геологічних умовах, зокрема, в умовах Донбасу, є їх захист на підроблюваних територіях від пошкоджень, що викликаються деформацією земної поверхні. Переміщення грунту, що викликається нижчележачими гірськими розробками, при деформації газопроводів призводить до появи значних напруг на розрив, стиснення, вигин,кручення. Наприклад, у ряді районів м. Горлівки Донецької області величина зсуву земної поверхні досягає 10мм на погонний метр. Тому, дотепер проектні інститути продовжують рекомендувати для зон гірських підробок укладання газових труб підвищеної міцності, тобто з потовщеною стінкою, що неминуче призводить до різкого збільшення вартості будівництва і підвищеної витрати металу. Актуальною продовжує залишатися задача створення для газопроводів низького і середнього тиску дешевши х пружньо-еластичних компенсаторів, наприклад, на базі гумової суміші, що володіють збільшеною компенсуючою здатністю. На підставі експериментальних даних, випробувань різних типів наповнених технічних гум було встановлено, що каучук і гума на його основі можуть бути надійними конструктивними матеріалами для виготовлення компенсаторів для підземних газопроводів низького і середнього тиску. Причому стійкими до тривалої дії природного газу виявилися гуми на основі різних каучуків, відмінних один від одного за показниками міцності. Випробування проводили на дослідних зразках гумових компенсаторів для газопроводів низького і середнього тиску газу діаметром 100мм і 150мм з гофрованим еластичним елементом на основі каучуку СКЕ-30 і хлоропренового каучуку. Між шарами гуми, як армуючий елемент поміщалися прошарки з рукавної тканини марки Р2 (ЧЕФЕР) в кількості від 1 до 4 штук. Запропонована конструкція гумовотканинних компенсаторів задовольняла цілому ряду вимог більш жорсткіших технічних умов для безпечної експлуатації газопроводів природного газу, які, зокрема, передбачали: 1. Тривалу роботу компенсаторів на підземних і надземних газопроводах природного газу середнього тиску (0,3МПа) при випробувальному тиску 0,45МПа протягом 10 хвилин і низького тиску (0,003МПа) при випробувальному тиску 0,1 МПа протягом 10 хвилин. 2. Компенсуючу здатність на розтягнення, стиснення, зсув в межах ±400мм (по осі труби) при мінімально можливій довжині компенсатора. 3. Забезпечення міцності, еластичності і газонепроникності конструкції компенсаторів при коливанні температури зовнішнього середовища в межах від -30°С до +40°С. 4. Технологія виготовлення експериментальної партії компенсаторів повинна передбачати випуск їх в серійному виробництві із застосуванням максимальної механізації. Партія вдосконалених дослідних компенсаторів була встановлена для тривалих випробувань на діючих міських газопроводах в районі гірничих розроблень стрімкоспадаючих пластів в м.Горлівці Донецької області. В результаті експериментальних досліджень було встановлено, що для удосконалення конструкції і технології виго товлення компенсаторів доцільним є виконання наступних умов: - виконання тканини у вигляді дрібнокомірчастої капронової сітки, для підвищення міцності і зменшення ваги компенсатора; при цьому діаметр капронового шнура становить 6-10мм; - виконання фланців з гумовотканинного матеріалу, що приводить до збільшення герметичності конструкції компенсатора, при цьому довжина компенсатора по торцях фланців становить 0,4-0,45м, і принаймні один з фланців виконаний роз'ємним по діаметра; - зменшення довжини компенсатора (Lк ) до 400-450мм для усунення спрацьовування компенсаторів на «подовжній вигин» при деформації стиснення; - збільшення кроку гофрів, тобто крок між гофрами (d) становить 0,03-0,045м; - герметичне розміщення підсилюючого дротяного елементу по западинах гофрів і виконання його з корозійностійкого дроту діаметром 2мм; Крім того, внутрішній умовний діаметр компенсатора (D2) перевищує діаметр газопроводу (D1), і, зокрема, становить 1,1 величини діаметра газопроводу (D1); - зовнішній діаметр гофрів (D3) становить 1,2-1,3 внутрішнього умовного діаметра компенсатора (D2); внутрішній діаметр гофрів (D4) становить 0,8-0,85 величини умовного внутрішнього діаметра компенсатора (D2). Експериментальне підтверджено, що для забезпечення необхідної міцності компенсаторів для газопроводів низького тиску кількість шарів капронової тканини (nк.т.) повинна становити не менше трьох, а для газопроводів середнього тиску при кількості шарів каландрованої гуми (nг) становить не менше чотирьох. У свою чергу, для газопроводу середнього тиску кількість шарів капронової тканини (nк.т.) становить не менше чотирьох при кількості шарів каландрованої гуми (nг) не менше чотирьох. На фіг.1 приведено схема компенсатора при його установці на газопроводі у колодязі, де 1 гофрований гумовотканинний елемент, що виконаний з шарів каландрованої газоморозостійкої гуми; 2 фланець гумовотканинний; 3 - підсилюючий міцність дротяний елемент діаметром dд.е.; 4 - кріпильний елемент; 5 - шар армування, виконаний у вигляді дрібнокомірчастої капронової сітки з діаметром армуючого шнура dк.ш.; 6 - підвідний газопровід; 7 - відвідний газопровід; D1 - діаметр газопроводу; D2 внутрішній умовний діаметр компенсатора; D3 - зовнішній діаметр гофрів; D4 - внутрішній діаметр гофрів; 5 - крок між гофрами; lк - довжина компенсатора по торцях фланців (2). Гофрований гумовотканинний елемент (1) виконаний з шарів каландрованої газоморозостійкої гуми, армованої капроновою сіткою (5) для забезпечення необхідної міцності. Для виготовлення гумовотканинних компенсаторів використана дрібнокомірчаста капронова тканина (сітка), що вживається для верху взуття, і яка випускається за тимчасових технічних умов ТУ 1196-55. Ця капронова сітка виробляється з капрону №64 на основов'язальній машині «Вертелка». Гумовотканинний елемент (1) має фланці (2), що виконані з гумовотканинного матеріалу, до яких за допомогою металевих фланців приєднуються кінці газопроводів: підвідний (6) і відвідний (7). Гумовотканинний елемент (1) зовні по западинах гофрів для додаткової міцності обплетений підсилюючим дротяним елементом (3), що виконаний у вигляді капронового шнура діаметром dд.е.=6-10мм. Число гофрів (k) на гумовотканинному елементі (1) вибирається в залежності від діаметра газопроводу і умов його роботи. При цьому крок між гофрами (δ) становить 0,03 - 0,045 м. Внутрішній умовний діаметр компенсатора (D2) перевищує діаметр газопроводу (D1), зокрема, D2=l,lD1. Зовнішній діаметр гофрів (D3) становить 1,2-1,3 внутрішнього умовного діаметра компенсатора (D2), а внутрішній діаметр гофрів (D4) становить 0,8-0,85 величини умовного внутрішнього діаметра компенсатора (D2). Довжина компенсатора по торцях фланців (Lк ) становить 0,4-0,45м, при цьому принаймні один з фланців виконаний роз'ємним по діаметра. Підсилюючий міцність дротяний елемент (3) розміщений по западинах го фрів герметично і виконаний з корозійностійкого дроту діаметром 2мм. Для газопроводу низького тиску кількість шарів капронової тканини (nк.т.) становить не менше трьох, а для газопроводів середнього тиску при кількості шарів каландрованої гуми (nг) становить не менше чотирьох. Для газопроводу середнього тиску кількість шарів капронової тканині (nк.т.) становить не менше чотирьох при кількості шарів каландрованої гуми (nг) не менше чотирьох. Розроблений гумовотканинний компенсатор працює таким чином. Компенсатор може встановлюватися на газопроводі, розміщуваному в колодязі, а також може поміщатися у футляр, який захищає компенсатор від механічних пошкоджень, а також забезпечує його обслуговування і ремонт в процесі експлуатації. Компенсатори встановлюються в газопровід на фланцях в розрахунковий розмір. В процесі роботи компенсатор за рахунок гофрів здатний компенсувати значні переміщення на розтягування і стиснення, а також на скручування. Встановлено, що максимальне подовження компенсатора складає до 60-70% до початкової його довжини. Дослідні зразки компенсаторів пройшли успішні випробування в м. Горлівці (Донецька обл.) в складних гірничо-геологічних умовах. Випробування показали працездатність дослідних компенсаторів на газопроводах низького тиску діаметром 100 і 150мм. При цьому переміщення кожного з кінців складало від 100мм до 300мм, що цілком достатньо для безпечної експлуатації газопроводів низького і середнього тиску. Джерела інформації 1. Курюкин С.А. Системы газоснабжения предприятий. - Л.: Гостехиздат, 1962. - С.93-96. 2. Стаскевич Н.Л. и др. Справочник по газоснабжению и использованию газа. - Л.: Недра, 1990. - С.177.