Решетов А.В., Филин В.Е. "Технологические трубопроводы нефтехимической промышленности, требования к определению уклонов"

 Решетов Александр Витальевич, исполнительный директор НК ООО «НТЦ «НефтеМетСервис»

Филин Владимир Евгеньевич, зам.генерального директора ООО «Техэкспертиза»

 Технологические трубопроводы нефтехимической промышленности,  требования к определению уклонов

В статье приводятся требования к точности определения уклонов паропроводов высокого давления. Описаны способы работы с электронным тахеометром для определения планово-высотного положения трубопровода относительно троительных конструкций, а также его  уклона.  

Для технологических трубопроводов характерно многообразие конструктивного исполнения и условий эксплуатации:

• изготовление как из стали, так и из цветных металлов и их сплавов, а также из полимерных материалов;

• работа при рабочих температурах от очень низких (–269°C) до очень высоких (700°C); как при внутреннем избыточном давлении, так и при наружном (вакуумные трубопроводы);

•  способность испытывать различные воздействия в зависимости от места расположения:

внутри сосудов, аппаратов и печей, в закрытых помещениях, на наружных установках и эстакадах, под землей в закрытых каналах и непосредственно в грунте (так называемая бесканальная прокладка).

Выпущенные ранее нормативные документы РТМ 38.001–94 и СА 03-003–07, к сожалению, не охватывали всего этого многообразия. Они распространялись только на стальные трубопроводы, с рабочими температурами –70…+700°C и давлением –0,1…+10 МПа, прокладываемые на опорах.

В технологических трубопроводах химической, фармацевтической, пищевой и других отраслей промышленности применяются также трубы из цветных металлов и полимерных материалов, которые обладают преимуществами по сравнению со стальными трубами: повышенной коррозионной стойкостью, меньшей массой и т. д.

Трубопроводы из полимерных материалов характеризуются нелинейной зависимостью напряжений от деформаций (не соблюдается закон Гука), а также значительной ползучестью под действием постоянной нагрузки и температуры.

Поэтому подходы к расчету на прочность трубопроводов из таких материалов значительно отличаются от расчета трубопроводов из стали.

Трубопроводы из цветных металлов характеризуются более низкими допускаемыми напряжениями, имеют другие физико-механические характеристики (модуль упругости, коэффициент линейного расширения, коэффициенты усреднения и релаксации напряжений), а также параметрами циклической прочности.

Для  обеспечения  безаварийного  производства  пуско-наладочных  работ  и  дальнейшей  безопасной  эксплуатации  трубопроводов,  транспортирующих воду или водяной пар, важное значение на этапе монтажа имеет установка элементов  трубопроводов (паропроводов)  в  проектное  положение.  Обычно  привязку трубопровода в плане осуществляют путем промеров рулеткой до строительных  конструкций  или  оборудования (колонн  главного  корпуса,  конструкций каркаса котла и пр.), вертикальные участки выверяются по отвесу, а горизонтальные – по простейшему  гидроуровню или микронивелиру. В настоящее время  в монтажных  организациях,  кроме  перечисленных,  применяются  лазерные приборы (ротационные нивелиры и построители плоскостей).  

Трубопроводы должны иметь уклоны для стока конденсата пара или воды к дренажным устройствам. Недостаточные уклоны или контруклоны могут вызвать скопление конденсата, что, в свою очередь, может привести к гидравлическим  или  тепловым  ударам,  к  короблению  трубопроводов  и  недопустимым изгибным напряжениям в период пусков, к разбалансировке пружинных креплений,  деформации  или  разрушению  креплений,  к  взрывообразному  разрушению гибов трубопровода и другим неблагоприятным последствиям. В этой связи к монтажу трубопроводов в вертикальной плоскости подходят наиболее ответственно. 

В новом стандарте введены следующие изменения:

•  расширены границы избыточного внутреннего давления (трубопроводы с давлением

свыше 10 МПа);

•  добавлен раздел по расчету прочности криогенных трубопроводов с рабочей температурой от –269°C;

• учтены особенности оценки прочности трубопроводов из цветных металлов (титана, меди, алюминия) и полимерных материалов;

• добавлен раздел по оценке устойчивости как подземных, так и надземных трубопроводов;

• приведена методика определения отбраковочных толщин;

• содержатся требования по расчету трубопроводов, защемленных в грунте (так называемая бесканальная прокладка);

•  приведена методика расчета переходов, косых врезок и косых тройников (в которых ответвление не перпендикулярно магистральной части);

• включен раздел по оценке прочности трубопроводов при сейсмических воздействиях;

• усовершенствована методика расчета вакуумных трубопроводов.

Как  правило,  для  трубопроводов  транспортирующих  перегретый  пар,  уклон должен быть не менее 0,004, а для трубопроводов насыщенного пара, отборов от турбины, а также продувочных и дренажных трубопроводов – не менее 0,006. В трубопроводах высокого давления (более 100 кгс/см2) уменьшение величины уклона от проектной допускается не более 1 мм на 1 м длины  трубопровода или в относительной мере не более 0,001 [1]. Исходя из этого, погрешность определения уклона не должна превышать 0,000 5.

Уклон участка трубопровода находится по известной формуле 

i  = h1–2 / S

h1–2 – превышение между центрами сечений (окружностей) 1 и 2 трубопровода; 

S – расстояние между сечениями 1 и 2.

Для определения превышения между точками с помощью нивелира требуется  однообразно  прикладывать  рейку  к  трубопроводу  и  обеспечивать  на  нее видимость  при  горизонтальном  положении  визирного  луча,  что  в  стесненных условиях цеха может оказаться  затруднительным. Также проблематично определять  уклоны  трубопроводов,  расположенных  на  подвесках,  так  как  рейку приходится прикладывать пяткой к нижней части трубы. Следует отметить, что нивелирование  может  выполняться  со  значительным  неравенством  плеч,  поэтому перед выполнением работ следует тщательно отъюстировать нивелир для соблюдения его главного условия.

Наиболее просто задача по определению уклона трубопровода может быть решена путем выполнения бесконтактной тахеометрической съемки с применением электронного тахеометра. Безотражательные электронные тахеометры успешно  применяются  в  судостроении,  при  выполнении  фасадных  съемок,  при контроле  положения  строительных  конструкций,  при  выверке  оборудования  и в других областях. Рассмотрим приемы работы с электронным тахеометром  для  определения  уклона  трубопровода,  закрепленного  на  подвесках. 

Тахеометр устанавливается на жестком основании (не рекомендуется размещать штатив на неустойчивых металлических настилах), откуда имеется видимость на исследуемый участок трубопровода.  

Положение  трубопровода  относительно  балки  перекрытия  или  иной  конструкции  установлено  проектом (расстояние  по  вертикали L  от нижней  грани балки  до  оси  трубопровода). Фактическое  положение  трубопровода (фактическое расстояние LФ до строительной конструкции) находится как:

LФ = h0 – hi + R

h0 – превышение между осью вращения зрительной трубы тахеометра и нижней частью балки;

hi   –  превышение  между  осью  вращения  трубы  тахеометра  и  нижней  частью трубопровода в i-м сечении;

R – радиус трубопровода.

Величина  hi  определяется  путем  непрерывных  измерений  расстояний  тахеометром (в  режиме  Tracking)  в  угловом  секторе  α  и  выбором  наименьшего значения превышения (до самой низкой точки трубопровода в данном сечении). 

Выполняя  аналогичные  измерения  в  другом (j-м)  сечении,  находим  превышение hj. Отношение разности hi  – hj к расстоянию S между сечениями и есть уклон участка трубопровода. Длина участка S трубопровода между выбранными сечениями измеряется тахеометром в режиме косвенных измерений. 

Продифференцировав  выражение (1) по dh и переходя к  средним квадратическим ошибкам, получим :

 mi = mh / S

Приняв  ошибку  измерения  превышения между  двумя  точками  трубопровода mh = 2,0 мм и расстояние S = 5 000 мм, получим mi = 0,000 4, а при большем расстоянии S ошибка mi будет еще меньше. Исследованиями установлено,  что  тригонометрическим  методом  с  использованием  электронного тахеометра превышение может быть уверенно определено  с ошибкой, не превышающей 1,0  мм.  Таким  образом,  применение  электронного  тахеометра  позволяет  обеспечить  требуемую  точность  определения  уклонов (с  ошибкой  не более 0,000 5). 

Рассмотрим определение совместного (планового и высотного) положения участка паропровода. Устанавливают электронный тахеометр в месте, с которого имеется прямая  видимость на исследуемый  участок паропровода, и  задают параметры станции: координаты станции (в условной системе координат) и ориентирование прибора. Ориентирование выполняют таким образом, чтобы одна из осей условной системы координат была параллельна оси здания (паропровода). Высота оси вращения зрительной трубы тахеометра, в соответствии с инструкцией, определяется относительно  исходного репера, а не от строительных конструкций (перекрытий). 

После задания параметров станции приступают непосредственно к съемке.

Выполняют  определение  координат  точек  на  поверхности  паропровода  в  нескольких  сечениях (A,  B  и  др.),  а  также  определяют  положение  элементов строительных конструкций, к которым осуществлена привязка паропровода по проекту.  Например,  рулеткой  намечается  середина  грани  колонны  главного корпуса, и тахеометром фиксируются  пространственные  координаты  намеченной  точки.  Также  определяется

фактическое  положение  по  высоте  строительной  конструкции,  относительно которой  задана  привязка  трубопровода  проектом.

Со станции 1 тахеометра может иметься видимость только на одно сечение A. В  этом  случае  условная  система  координат  задается  относительно колонн 2  и 3  главного  корпуса,  высотная  привязка  осуществляется  к  реперу Rp1, в качестве которого может использоваться осадочная марка. После получения координат точек трубопровода в сечении A на станции 2 устанавливают второй штатив  с отражателем и определяют  его координаты полярным  способом.  Затем  тахеометр  и  отражатель меняются местами,  выполняется  ориентирование прибора визированием на отражатель, установленный на первом штативе, и выполняется съемка трубопровода в сечении B.  

Положение тахеометра на станциях 1, 2, … n может осуществляться методом обратной линейно-угловой засечки от пунктов цеховой геодезической  сети,  если  такая  сеть  была предварительно  создана на  этапе  выполнения  строительных работ или позднее,  специально для обеспечения установки  трубопроводов  и  технологического  оборудования  в  проектное  положение.

После  выполнения  съемки  данные  импортируют  на  компьютер  и  затем  в программный продукт AutoCAD. По полученным в ходе съемки координатам точек a1, a2, … an, принадлежащих трубопроводу, строят окружность А.

Средствами AutoCAD окружность можно построить по трем точкам. Если в ходе  съемки  в  одном  сечении  паропровода  определены  координаты  большего числа  точек (например  восьми)  решается  математическая  задача  аппроксимации  полученных  точек  окружностью [19].  В  результате  аппроксимации  находится  центр  окружности ОA  и  ее  радиус  R,  по  которым  строится  окружность  в AutoCAD и визуально оцениваются отклонения исходных  точек a1, a2, … an  от окружности.  

Затем  средствами AutoCAD (линейный  размер)  оценивается  положение трубопровода  относительно  строительных  конструкций (по  высоте –  расстояние HA и в плане – LA, см. рис. 4). После выполнения аналогичных действий для второго сечения B строится окружность с центром OB и определяется ее фактическое положение. 

Превышение между центрами окружностей hA-B    характеризует уклон трубопровода, который окончательно находится по формуле (1). Вычисленный ук лон сравнивается с нормативным (эксплуатационным). Величины HA и LA сравниваются с проектными и делается вывод о соответствии положения смонтированного  паропровода  проекту.  Фактические  и  проектные  расстояния  от  оси трубопровода до колонн,  стен и перекрытий не должны отличаться более чем на ± 15 мм.

Предложенная  методика  позволяет  с  высокой  точностью (с  ошибкой  до 2 мм) определить пространственное положение трубопровода без изоляции относительно строительных конструкций или элементов оборудования, а также определить  геометрические  параметры  трубопровода:  уклон,  радиус  сечения, длину участка. В  сравнении  с классическими  способами определения уклонов (по  гидроуровню) бесконтактная тахеометрическая съемка позволяет ускорить и облегчить процесс сбора, обработки и интерпретации данных. 

Список литературы:

1.      ФЗ № 116.

2.      СА 03-003-07 «Стандарт ассоциации. Расчеты на прочность и вибрацию стальныхтехнологических трубопроводов».

3.      ПБ 03-585-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов.