Предпосылки к разработке конструкции фильтрующего элемента природного газа, исключающей его деформирование и разрушение

ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ КОНСТРУКЦИИ ФИЛЬТРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ПРИРОДНОГО ГАЗА, ИСКЛЮЧАЮЩЕЙ ЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ

Редакционная информация. Статья размещена на сайте Novaprom.ru в связи с участием владельца сайта Усуева Заура Мухтаровича в её подготовке: он указан в числе соавторов работы наряду со специалистами Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина и ОАО «Гипрониигаз». Материал носит информационный характер.

Авторы: А.П. Усачев, И.С. Парфенов, А.А. Захаровский (Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина, г. Саратов); А.Л. Шурайц, Д.В. Салин, З.М. Усуев, А.Е. Даньшев (ОАО «Гипрониигаз», г. Саратов).

Аннотация. В существующей газовой практике отсутствуют научно обоснованные методы по предотвращению разрушения фильтрующих элементов природного газа. Отмеченные недостатки существующих конструкций фильтрующих элементов требуют разработки мероприятий по их устранению.

Ключевые слова: предотвращение, разрушение, фильтрующий элемент, природный газ, улавливание, крупные твёрдые частицы.

Установки очистки природного газа от твёрдых частиц играют важную роль в обеспечении безопасной эксплуатации систем газораспределения. По откликам газораспределительных организаций, значительное количество инцидентов и аварийных ситуаций приходится на разрушение фильтрующих элементов (ФЭ), обусловленное потерей прочности и устойчивости его опорных конструкций при повышении перепада давления на ФЭ до предельного значения. Это создаёт возможность попадания обломков ФЭ в редукционную, запорную, предохранительную арматуру и узлы учёта расхода газа, что может привести к материальному и социальному ущербу. Однако в существующей практике отсутствуют научно обоснованные методы по предотвращению разрушения ФЭ.

В связи с этим актуальным вопросом, требующим своего решения, является разработка мероприятий по предотвращению разрушения защитных опорных конструкций и ФЭ при повышении перепада давления на них до предельного значения.

Устройство и режим работы фильтрующего элемента

Фильтрующий элемент (ФЭ), предназначенный для очистки природного газа от твёрдых частиц, состоит из гладкой или гофрированной фильтрующей сетки, как правило цилиндрической формы. Конструктивно ФЭ входит в состав установки фильтра очистки, которая включает корпус для размещения фильтрующего элемента, патрубки для входа неочищенного и выхода очищенного газа, устройство по предотвращению разрушения фильтрующего элемента и распространения его обломков за пределы фильтра, накопитель твёрдых частиц. При засорённости фильтрующего элемента твёрдыми частицами значительно выше допустимых значений наружный перепад давления на засорённой фильтрующей сетке — то есть разность давлений с наружной и внутренней сторон сетки — может превысить предельное значение из условий прочности ∆Рпр, что способно привести к её разрушению.

При воздействии наружного перепада давления, когда наружное давление больше внутреннего, на боковую поверхность засорённого фильтрующего элемента цилиндрической формы (в отличие от воздействия внутреннего перепада давления) действуют силы, которые могут привести как к разрыву сетки, так и к потере устойчивости, то есть к скручиванию и деформации всей конструкции фильтрующего элемента.

В этом случае образовавшиеся обломки должны быть локализованы устройством по предотвращению их распространения за пределы фильтрующего элемента. Здесь ∆Рпр > 20,0 кПа — предельный наружный перепад давления, то есть разность давлений с наружной и внутренней сторон фильтрующей сетки фильтрующего элемента, выше которого происходит его разрушение [1].

Известные технические решения

Известна конструкция по предотвращению разрушения фильтрующего элемента и распространения его обломков за пределы газового фильтра, включающая внутреннюю цилиндрическую перфорированную оболочку с гладкой поверхностью из утолщённой сетки, расположенную после фильтрующего элемента по ходу течения газа, укреплённую вертикальными опорными стержнями, расположенными после внутренней цилиндрической перфорированной оболочки с гладкой поверхностью из утолщённой сетки по ходу течения газа, основание с наружной и внутренней кольцеобразными стенками для фиксации внутренней цилиндрической перфорированной оболочки с гладкой поверхностью из утолщённой сетки в нижней её части, крышку с наружной и внутренней кольцеобразными стенками для фиксации внутренней цилиндрической перфорированной оболочки с гладкой поверхностью из утолщённой сетки в верхней её части [2].

Недостатком известного устройства является недостаточная прочность и устойчивость и, как следствие, безопасность эксплуатации внутренней цилиндрической перфорированной оболочки с гладкой поверхностью из утолщённой сетки, которая деформируется и разрушается при наружном перепаде давления на фильтрующей сетке, не достигнув предельного значения ∆Рпр. Низкая прочность внутренней цилиндрической перфорированной оболочки с гладкой поверхностью из утолщённой сетки обусловлена тем, что она переносит усилия, передаваемые от засорённого фильтрующего элемента на несущие вертикальные стержни, только в местах касания с ними. В тех местах, где внутренняя цилиндрическая перфорированная оболочка с гладкой поверхностью из утолщённой сетки не касается несущих вертикальных стержней, её прочность не увеличивается по сравнению с внутренней цилиндрической обечайкой из сетки, не укреплённой несущими вертикальными стержнями. Здесь несущие вертикальные стержни являются своеобразными рёбрами жёсткости для внутренней цилиндрической оболочки. Однако они с ней жёстко не связаны, и их количество, как правило шесть-восемь стержней, недостаточно для необходимого увеличения прочности и устойчивости внутренней цилиндрической оболочки.

Другим недостатком данной конструкции является возможность попадания на наружную поверхность фильтрующей сетки обломков, находящихся в потоке природного газа на входе в ФЭ установки очистки и попадающих туда в результате разрушения элементов газового оборудования, расположенного до фильтрующего элемента по ходу течения газа, что снижает безопасность эксплуатации фильтрующих элементов.

Известна также конструкция по предотвращению разрушения ФЭ из гофрированной сетки и распространения его обломков за пределы газового фильтра, включающая наружную цилиндрическую перфорированную оболочку из металлического листа с равномерно расположенными по её поверхности отверстиями, по величине меньшими, чем минимальный размер обломков, размещённую до фильтрующего элемента по ходу течения газа; внутреннюю цилиндрическую перфорированную оболочку из металлического листа с равномерно расположенными по её поверхности отверстиями, по величине меньшими, чем минимальный размер обломков, размещённую после фильтрующего элемента по ходу течения газа; основание с наружной и внутренней кольцеобразными стенками для фиксации ФЭ, наружной и внутренней цилиндрическими перфорированными оболочками в нижней их части; крышку с наружной и внутренней кольцеобразными стенками для фиксации ФЭ, наружной и внутренней цилиндрическими перфорированными оболочками в верхней их части [3].

Преимуществом данного устройства является увеличение механической прочности наружной и внутренней цилиндрических перфорированных оболочек путём изготовления из утолщённого металлического листа с равномерно расположенными по его поверхности отверстиями. Другим преимуществом является предотвращение распространения обломков разрушенного оборудования, находящихся в потоке природного газа на входе в фильтрующий элемент из гофрированной сетки, за счёт выполнения наружной цилиндрической оболочки из утолщённого металлического листа с равномерно расположенными по его поверхности отверстиями, по величине меньшими, чем минимальный размер обломков.

Недостатком известного устройства является деформация гофрированной сетки и возможность дальнейшего разрушения ФЭ вследствие повышения наружного перепада давления сверх предельного значения, то есть ∆Рпр > 20,0 кПа, на полностью засорённой гофрированной сетке. В результате постепенного засорения ячеек гофрированная сетка ФЭ превращается в сплошную оболочку, нагруженную наружным перепадом давления. При повышении наружного перепада давления сверх максимально допустимого значения, то есть ∆Рпр > 20,0 кПа, засорённая гофрированная сетка деформируется, прогибается внутрь и сминается в средней части по высоте ФЭ. Это приводит к слипанию и наложению друг на друга гофр в средней части по высоте ФЭ, а на полностью засорённых участках — к порыву и разрушению гофр в начальной и конечной части по высоте фильтрующего элемента.

Другим недостатком является недостаточная степень улавливания крупных твёрдых частиц, поскольку максимальный диаметр отверстия в наружной цилиндрической оболочке, составляющий 7,0 мм, меньше минимального размера обломков, но больше максимального размера крупных твёрдых частиц. Это исключает возможность улавливания таких частиц отверстиями наружной цилиндрической оболочки [3].

Недостаточная степень улавливания крупных твёрдых частиц обусловливается также тем, что наружная цилиндрическая перфорированная оболочка расположена на расстоянии от гофрированного фильтрующего элемента, значительно большем, чем размер крупных твёрдых частиц. Вместе с тем дополнительное улавливание крупных твёрдых частиц имеет место, когда расстояние от гофрированного фильтрующего элемента до наружной цилиндрической перфорированной оболочки становится соизмеримым с размером крупных твёрдых частиц.

Выводы

• Проведённый анализ показывает, что в существующей газовой практике отсутствуют принципы разработки конструкции по предотвращению разрушения фильтрующего элемента из гофрированной сетки и распространения его обломков за пределы газового фильтра, что требует разработки соответствующих мероприятий.
• В настоящее время не решён вопрос улавливания крупных твёрдых частиц, находящихся в потоке природного газа на входе в фильтрующий элемент. Отмеченные недостатки существующих конструкций фильтрующих элементов требуют разработки мероприятий по их устранению.

Литература

1. Промышленное газовое оборудование: Справочник. 5-е изд., перераб. и доп. / Под ред. Е.А. Карякина. Саратов: Газовик, 2010. 992 с.
2. Усачев А.П., Шурайц А.Л., Густов С.В., Желанов В.П. Целевая функция, устанавливающая требования к системе защиты, предотвращающей падение давления природного газа на фильтрующем элементе установки очистки сверх максимально допустимого значения // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. Уфа, 2011. Вып. 4 (86). С. 164–173.
3. Патент на полезную модель № RU 126957 U1. Устройство для предотвращения распространения обломков за пределы фильтрующего элемента природного газа / С.В. Густов, А.П. Усачев, А.Л. Шурайц и др. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ. Приоритет от 24.08.2012 г. 6 с.

Связанные материалы

• Защита фильтрующего элемента: патент RU 166735 U1;
• Газовые фильтры ФГ-НП — производство НОВАПРОМ;
• Запросить расчёт и коммерческое предложение.