Отвод трубопровода для транспортировки многофазного потока Российский патент 2024 года по МПК F16L43/00 

Изобретение относится к конструктивному исполнению элементов трубопроводов и оборудования для транспортировки многофазных потоков, в частности отводов трубопроводов и колен змеевиков технологических нагревательных печей.

Для узлов поворота (отводов) технологических трубопроводов, выполняемых по дугам окружности (конструкция определяется согласно ГОСТ 17375-2001 или ГОСТ 30753-2001), при соединении прямого и криволинейного участка (начало поворота) имеет место резкое изменение радиуса кривизны от бесконечности для линейного участка до постоянного значения радиуса R, и при соединении криволинейного участка с прямолинейным (конец поворота) также имеет место резкое изменение радиуса кривизны от постоянного значения R до бесконечности.

При переходе от прямолинейного движения к криволинейному (и обратно) реализуется ударное воздействие со стороны движущегося потока на стенку трубы вследствие скачкообразного приложения (или прекращения действия) центробежных сил. Возникновение ударных нагрузок в зонах сопряжения приводит к удалению защитной пленки продуктов коррозии с поверхности металла и усилению процессов коррозии, определяемых как эрозионно-коррозионный износ стенок труб трубопроводов или змеевиков.

При движении многофазных сред скачкообразное изменение центробежных сил интенсифицирует сепарационные явления, что приводит к еще более интенсивному воздействию отдельных фаз на стенки трубы, способствуя ее эрозионно-коррозионному износу и возникновению вибрации элементов трубопровода.

При эксплуатации трубопроводов, предназначенных для транспортировки многофазных сред, наиболее быстро происходит коррозионно-эрозионный износ материала труб в зонах, расположенных в отводах трубопроводов и коленах змеевиков печей, что обусловлено действием центробежных сил на среды с отличающейся плотностью, вызывающим разделение (сепарацию) фаз. В результате интенсифицируется ударное воздействие фаз (твердых частиц, капель, пузырей) в локальных зонах, а также усиливаются коррозионные явления материала на поверхности труб при наличии коррозионно-активных компонентов в транспортируемом потоке.

Особенностью движения по трубам парожидкостных потоков при нагреве жидких углеводородных сред в трубчатых печах, является то, что возможно существование режимов, характеризуемых неоднородностью дисперсной структуры, которая при определенных условиях может стать причиной повышенного износа внутренней поверхности трубопровода и его вибрации [Краснов А.В., Хурамшин Р.Т., Яицких Г.С. Проектирование трубопроводов с двухфазными парожидкостными потоками. Химическая техника, 2017, №1, с. 24-27].

Предлагались различные технические решения, позволяющие снизить гидравлическое сопротивление и износ стенок трубопроводов, применяемых для транспортировки многофазных сред.

Из уровня техники известен документ [SU476672, дата публикации: 05.07.1975 г.], в котором предложен фитинг для трубопровода имеющий вход и выход круглого сечения, отличающийся тем, что, с целью уменьшения гидравлического сопротивления и сохранения постоянной скорости потока, его промежуточные сечения выполнены так, что их высота в направлении, перпендикулярном плоскости продольной оси фитинга, плавно увеличивается до максимума, а ширина плавно уменьшается до минимума, а затем высота и ширина плавно выравниваются до величины диаметра трубопровода; площадь сечения везде остается постоянной

Недостаток данного технического решения является то, что на переходе от прямолинейного участка трубопровода к фитингу происходит резкое изменение величины центробежного ускорения от нуля до некоторого значения, определяемого радиусом кривизны осевой линии фитинга, и последующее резкий обратный возврат к нулевому значению центробежного ускорения при выходе на прямолинейный участок. Резкие переходы обусловлены скачкообразным изменением кривизны трубопровода от нулевого значения до некоторого максимального значения, обеспечивающего фитингом требуемый угол поворота трубопровода.

Из уровня техники известен документ [SU709904, дата публикации: 15.01.1980 г.], в котором предложен напорный криволинейный трубопровод, выполненный с переменными радиусами кривизны, состоящий из трех участков, очерченных дугами по 30о, причем радиусы кривизны каждого последующего участка выполнены по следующим соотношениям: R1=(1,0-1,2)d, R2=(1,0-1,2)d, R3=(1,0-1,2)d, где d - диаметр трубопровода. Такое исполнение трубопровода позволяет снизить гидравлического сопротивление трубопровода за счет выравнивания распределения скоростей в колене.

Существенный недостаток предложенного напорного трубопровода заключается в том, что для входного криволинейного потока наблюдается переход от условно бесконечного радиуса кривизны к конечному значению радиуса кривизны R1, вследствие чего будет наблюдаться резкое увеличение центробежной силы, действующей на движущуюся по данному участку трубопровода среду. При транспортировке многофазной среды фаза с большей плотностью будет резко отбрасываться к внешней стороне поворота, что будет провоцировать его повышенный износ сразу за местом входа потока в поворот.

Из уровня техники известен документ [RU198596, дата публикации: 17.07.2020 г.], в котором предложено сварное колено поворота трубопровода, транспортирующего пылегазовую смесь, которое содержит семь элементов, соединенных между собой таким образом, что ось первого элемента пульпопровода, ось седьмого элемента совпадает с осью отводящего участка пульпопровода, угол поворота оси второго элемента относительно оси первого элемента составляет 7,5°, угол поворота оси шестого элемента относительно оси седьмого элемента составляет 7,5°, угол поворота осей третьего, четвертого и пятого элементов относительно осей предыдущих элементов составляет 15°, длина по внешней стороне сварного колена поворота первого и седьмого элементов равна внешнему диаметру трубы, длина по внешней стороне сварного колена поворота второго и шестого элементов равна двум внешним диаметрам трубы, а длина по внешней стороне сварного колена поворота третьего, четвертого и пятого элемента равна 1,1 от внешнего диаметра трубы. В качестве эффекта изобретения было заявлено в повышение технологичности сопряжения подводящего и отводящего участков поворота трубопровода при сохранении показателей абразивной устойчивости.

Недостатком данного технического решения является то, что переход между участками колена осуществляется ступенчато при этом происходит резкое изменение направления вектора скорости основного потока и векторов скоростней отдельных частиц, на которые действуют центробежные силы. В результате будут возникать ударные воздействия частиц на стенки, что будет провоцировать их повышенный износ в переходных зонах.

В качестве прототипа выбрано техническое решение из документа [SU1131799, дата публикации: 30.12.1984 г.], в котором обеспечивается повышение срока службы колена трубопровода для пневмотранспорта сыпучих материалов за счет равномерного распределения износа по длине колена, что обеспечивается за счет того, что в колене, содержащем изогнутую с переменным радиусом кривизны трубу, последняя на начальном участке, расположенном по дуге окружности 10-25°, изогнута по радиусу Rf=md, а на последующем участке - по радиусу R=nd: где d - диаметр проходного сечения трубы при выполнении ее цилиндрической или диаметр вписанной окружности при выполнении трубы прямоугольной: m от 10 до 40, n - от 9 до 2. В качестве эффекта изобретения было заявлено уменьшение углов атаки частиц транспортируемого материала во входной зоне колена трубопровода, вследствие чего интенсивность локального абразивного воздействия на стенку трубопровода снижается и износ меньшей интенсивности распределяется по большей поверхности колена, что приводит к увеличению срока его возможной эксплуатации.

Недостатком прототипа является то, что для колена трубопровода используется труба, каждый из участков которой имеет постоянный радиус кривизны, а ось трубопровода фактически представляет ломанную плоскую линию, вследствие чего в зонах сопряжения отдельных участков происходит резкое изменение, как направления, так и величины действующей на частицы движущегося потока, центробежной силы. Это приводит к тому, что частицы оказывают ударное воздействие на стенки трубопровода в зонах сопряжения участков, вызывая их повышенный износ.

Кроме того, на конечном участке колена значение радиуса кривизны достигает минимального значения, а, следовательно, при переходе к прямолинейному участку трубопровода будет наблюдаться самое сильное ударное воздействие твердых частиц на переходный участок, в результате чего повышенный износ будет происходить не в колене, а в начале прямого участка, причем его величина будет существенно выше, чем в случае колена с постоянным радиусом кривизны, поскольку величина центробежной силы, и, вызванной ей, ударной нагрузки будет больше.

Анализ рассмотренных технических решений, в том числе прототипа позволяет сделать следующие выводы в отношении имеющихся недостатков:

- повышенный износ отводов трубопроводов для транспортировки многофазных сред обусловлен ударным воздействием компонентов фаз (твердых частиц, капель, пузырей) находящихся в движущемся потоке;

- ударное воздействие компонентов является следствием ступенчатого изменения кривизны трубопровода и его траектории, в результате чего резко меняется направление и величина центробежной силы, действующей на отдельные компоненты фаз (твердые частицы, капли, пузыри) движущегося потока;

- для снижения износа отводов необходимо обеспечить плавный (отсутствие ступенчатых изменений радиуса кривизны отвода и «изломов» его оси) переход с траектории нулевой кривизны (прямолинейный участок трубопровода перед отводом) на траекторию максимальной кривизны, и обратный переход на траекторию нулевой кривизны (прямолинейный участок трубопровода после отвода);

- конструктивное исполнение отвода с плавным изменением кривизны на входе в отвод от нуля до некоторого максимального значения и последующее плавное изменение кривизны до нуля на выходе с отвода в отсутствии «изломов» оси отвода обеспечит для зон сопряжения прямолинейных и криволинейных участков устранение ударных нагрузок, снижение абразивного и эрозионного воздействия на стенки отвода и переходных зон, и, как следствие, увеличит срок службы трубопровода или змеевика, в составе которого используется отвод.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик отвода трубопровода для транспортировки многофазного потока.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении срока службы отвода трубопровода для транспортировки многофазного потока за счет устранения ударных нагрузок, способствующих абразивному и эрозионному износу в переходных зонах.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Отвод трубопровода для транспортировки многофазного потока характеризуется тем, что выполнен в виде изогнутой с переменным радиусом кривизны трубы, состоящей из нескольких сопрягаемых между собой участков, на каждом из которых ось трубы является переходной кривой, и условием сопряжения участков трубопровода между собой является равенство в точках сопряжения радиусов кривизны оси трубы и углов наклона касательной к ней.

Сопряжения участков трубопровода между собой из условия равенства в точках сопряжения радиусов кривизны оси трубы и углов наклона касательной к ней обеспечивает отсутствие резких переходов, как по величине, так и по направлению действия центробежных сил на движущийся многофазный поток, вследствие чего устраняется ударное воздействие частиц на материал стенок отвода, что снижает их абразивный и эрозионный износ.

Отвод трубопровода может быть выполнен в виде изогнутой трубы, состоящей из трех участков. При этом на начальном участке радиус кривизны оси трубы может плавно изменяться от условного бесконечного значения до конечного значения, на среднем криволинейном участке радиус кривизны может плавно изменяться от значения на границе начального участка до значения на границе криволинейного участка, а на конечном участке радиус кривизны может изменяться от конечного значения на конце среднего участка до условного бесконечного значения на конце отвода.

Плавное изменение радиуса кривизны от одного значения, включая бесконечность, к другому и обратно, может быть обеспечено применением переходных кривых, в частности: кубической параболы, лемнискаты Бернулли, клотоиды. Сопряжение участков отвода трубопровода между собой из условия равенства радиусов кривизны оси трубы и углов наклона касательной в точках сопряжения наиболее просто осуществить, выполнив на начальном участке ось трубы по клотоидному профилю, на среднем участке - по кубической параболе, и на конечном участке - обратному клотоидному профилю.

Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что: отвод трубопровода для транспортировки многофазного потока выполнен в виде изогнутой с переменным радиусом кривизны трубы, состоящей из нескольких сопрягаемых между собой участков, на каждом из которых ось трубы является переходной кривой, и условием сопряжения участков трубопровода между собой является равенство в точках сопряжения радиусов кривизны оси трубы и углов наклона касательной к ней, что устраняет ударные нагрузки, способствующие абразивному и эрозионному износу в его переходных зонах.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении срока службы отвода трубопровода для транспортировки многофазного потока за счет устранения ударных нагрузок, способствующих абразивному и эрозионному износу в переходных зонах, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики отвода трубопровода для транспортировки многофазного потока.

Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Изобретение не известно из уровня техники, ввиду чего оно соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется следующими фигурами.

Фиг. 1 - Схема отвода трубопровода с переменным профилем кривизны и углом поворота двух прямых труб на угол 90°.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Номерами 10, 12, 14, 16 обозначены точки сопряжения участков отвода трубопровода.

Отвод соединяет две прямых трубы входную до точки 10 и выходную от точки 16.

Отвод разбит на 3 участка - начальный 18 между точками 10 и 12, средний 20 между точками 12 и 14, и конечный 22 - между точками 14 и 16.

Начальный участок отвода имеет переменный радиус кривизны с плавным уменьшением от условного бесконечного значения радиуса кривизны в 10 до некоторого значения радиуса R₁ в точке 12 сопряжения начального и среднего участков 18 и 20.

Средний участок 20 отвода имеет переменный радиус кривизны от значения R₁ в точке 12, с постепенным плавным уменьшением радиуса кривизны до минимального значения R_min в середине участка, и с последующим плавным его увеличением до некоторого значения радиуса R₂ в 14 сопряжения среднего и конечного участков 20 и 22.

Значения R₁ и R₂ могут быть не равны, и переход от R₁ и R₂ может быть несимметричен относительно минимального значения радиуса кривизны R_min.

Конечный участок 22 отвода имеет переменный радиус кривизны, изменяющийся от значения R₂ в точке 14 сопряжения среднего и конечного участков 20 и 22 с плавным увеличением до условного бесконечного значения радиуса кривизны в точке 16 сопряжения конечного участка 22 отвода с выходной трубой.

В точках 10, 12, 14, 16 сопряжения участков выполняется равенство радиусов кривизны оси трубы и углов наклона касательной 24 к ней, что обеспечивает безударное гидродинамического взаимодействия фаз транспортируемого потока между собой и стенками отвода при переходе из одного участка отвода в другой, вследствие чего процессы абразивно-эрозионного износа стенок отвода существенно ослабляются.

Отвод трубопровода работает следующим образом

Транспортируемый многофазный поток поступает из входной прямой трубы в точке 10 на начальный участок 18 отвода, выполненный с переменным радиусом кривизны, плавно уменьшающимся от бесконечно большого значения до значения R₁ в точке 12.

Вследствие плавного нарастания центробежной силы, действующей на поток, фаза, имеющая большую плотность, безударно переходит во вращательное вихревое движение внутри отвода, и при достижении стенки отвода приходит во взаимодействие с ней под малым углом атаки, что снижает ее абразивно-эрозионное воздействие на стенку.

Плавно перейдя от начального участка 18 отвода к среднему 20 в точке 12, транспортируемый многофазный поток в виде двух параллельных закрученных вихревых трубок проходит его и поступает в конечный участок 22 отвода в точке 14.

В среднем участке 20 отвода центробежная сила вследствие минимальных значений радиуса кривизны R_min, достигает максимальных значений, но вследствие взаимодействия двух параллельных вихревых трубок происходит интенсивное перемешивание фаз и кинетическая энергия их частиц главным образом затрачивается на перестройку гидродинамического профиля, а не ударное взаимодействие со стенками отвода, что снижает их износ.

В конечном участке 22 действие центробежных сил снижается вследствие увеличения радиуса кривизны на данном участке от значения R₂ до бесконечно большого значения в 16 при входе в выходную трубу. Это также способствует снижению абразивно-эрозионного износа в зоне перехода от отвода в выходной трубе.

Предлагаемый отвод может быть применен в трубопроводах с отличными от 90° углами поворота.

Изготовление подобных отводов целесообразно производить с помощью специализированного оборудования, обеспечивающего непрерывное формирование отвода из трубной заготовки в соответствии с математическими зависимостями, описывающими конкретный типоразмер отвода.

При высоких скоростях движения жидкости (>10 м/с), например, в случае большого количества паровой (газообразной) фазы во внутреннем пространстве трубопровода, что характерно для змеевиков трубчатых печей, и при малых радиусах узлов поворота трубопроводов или змеевиков, как правило, R=1,5D или R=D (D - условный диаметр трубопровода), возникающие центробежные силы для жидкой и паровой фаз достигают значительных величин, создавая ударные нагрузки и вибрации в зонах сопряжения криволинейных и прямолинейных участков, что провоцирует эрозионно-коррозионное повреждение стенок с выходом из строя трубопровода или змеевика.

Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известными техническими решениями обеспечивает устранение ударных нагрузок в отводе трубопровода и в зонах его сопряжения с прямыми участками. Срок службы трубопровода или змеевика увеличился в 1,5-2 раза.

Таким образом, обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении срока службы отвода трубопровода для транспортировки многофазного потока за счет устранения ударных нагрузок, способствующих абразивному и эрозионному износу в переходных зонах, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики отвода трубопровода для транспортировки многофазного потока.

Изобретение относится к конструктивному исполнению элементов трубопроводов и оборудования для транспортировки многофазных потоков, в частности отводов трубопроводов и колен змеевиков технологических нагревательных печей. Сущность изобретения заключается в отводе трубопровода для транспортировки многофазного потока, выполненном в виде изогнутой с переменным радиусом кривизны трубы, состоящей из нескольких сопрягаемых между собой участков, на каждом из которых ось трубы является переходной кривой, и условием сопряжения участков трубопровода между собой является равенство в точках сопряжения радиусов кривизны оси трубы и углов наклона касательной к ней. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении срока службы отвода трубопровода для транспортировки многофазного потока. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Отвод трубопровода для транспортировки многофазного потока, выполненный в виде изогнутой с переменным радиусом кривизны трубы, состоящей из нескольких сопрягаемых между собой участков, на каждом из которых ось трубы является переходной кривой, отличающийся тем, что условием сопряжения участков трубопровода между собой является равенство в точках сопряжения радиусов кривизны оси трубы и углов наклона касательной к ней.

2. Отвод по п. 1, отличающийся тем, что труба состоит из трех участков, причем на начальном участке радиус кривизны переходной кривой плавно изменяется от условного бесконечного значения до конечного значения, на среднем участке радиус кривизны переходной кривой плавно изменяется от значения на границе начального участка до значения на границе криволинейного участка, и на конечном участке радиус кривизны переходной кривой плавно изменяется от конечного значения на конце среднего участка до условного бесконечного значения на конце отвода.

3. Отвод по п. 2, отличающийся тем, что на начальном участке ось трубы соответствует клотоидному профилю, на среднем участке ось трубы соответствует профилю кубической параболы, и на конечном участке ось трубы соответствует обратному клотоидному профилю.