Більше половини трубопроводів в світі зношене, явище гідроудару миттєво скорочує термін їх життя і призводить до аварій. Допомагає у вирішенні проблеми російська інновація, яка прийшла з радянського ракетного проекту ...
Причиною манхеттенської аварії і багатьох подібних фахівці вважають гідроудар. Гідравлічний удар називають феноменом Миколи Жуковського. Саме наш великий механік в кінці позаминулого століття першим відкрив і описав явище гідроудару в трубопроводах, розбираючись в причинах виникнення численних аварій на московському водогоні. За вказівкою вченого на Олексіївській водокачки спорудили дослідну мережу водопровідних труб різного діаметру, які можна було змусити працювати в різних технологічних режимах. На цьому полігоні Жуковський і зробив свої висновки і розрахував формули, які відразу ж увійшли в усі підручники з гідравліки та водопровідного справі. За визначенням гідроудар, що викликає більшість аварійний випадків, - це «стрибок тиску в будь-якій системі, заповненої рідиною, викликаний вкрай швидкою зміною швидкості потоку цієї рідини за дуже малий проміжок часу». А швидка зміна швидкості найчастіше якраз і трапляється через некоректно різкого перекриття засувки або клапана при зупинці залишеного, наприклад, без електрики насосного приводу, що відбувається у нас повсюдно. Якщо разом зупинити рухомий в який-небудь трубі потік рідини, то перед місцем зупинки кінетична енергія рухомого стовпа рідини на короткий момент перетвориться в раптово зростання тиску. І це новий стан з багаторазово зрослим тиском поширюється по всій трубі з величезною (до 1200 метрів в секунду) швидкістю по хвильовому принципу в прямому і зворотному напрямках. Можливо і повторне неодноразове проходження фронту хвилі. Схоже відбувається, до речі, в людському організмі при різкій зупинці руху крові, викликаючи гіпертонічні кризи і мозкові крововиливи. У старому трубопроводі таким крововиливом стає аварійний прорив.
Зараз з метою захисту незліченних трубопровідних систем гідроудар намагаються пом'якшити різними пристроями - мембранними демпферами та ін. Але у всіх цих пристроїв є істотні недоліки, основні з яких пояснює, не входячи в деталі, фахівець «Ековейв» Павло Лисицький. По-перше, багато хто з них спрацьовують від датчиків, тобто енергозалежні. По-друге, час реагування цих демпферів на гідроудар становить півсекунди і більш, тобто час, протягом якого ударна хвиля проходить до кілометра. А є інше рішення - стабілізатор тиску «Ековейва». Він в кілька разів дешевше, і його робота не призводить до втрати робочого тіла, не створює додаткового гідросопротівленіе і спрацьовує всього за 0,005 секунди.
Технологія хвильової стабілізації, яка виросла з теорії Жуковського і використовувана зараз переможцями конкурсу для визначення вразливих точок трубопроводів і розрахунку стабілізаторів тиску, спочатку знайшла застосування в ракетній техніці. У 1942 році в Німеччині було розпочато льотні випробування ракети «Фау-2» Вернера фон Брауна з потужним жідкореактівним двигуном конструкції талановитого німецького інженера Вальтера Тіля. Натхнений потенційної дальністю польоту таких ракет, Гітлер в 1944 році поставив перед своїми фахівцями завдання - налагодити на базі «Фау-2» з ЖРД виробництво двоступеневих балістичних ракет з трансатлантичної дальністю польоту, здатних обстрілювати Вашингтон і Нью-Йорк. Але гітлерівський проект народився трошки зарано: навіть якби потрапили потім під репресії ракетники і змогли доставити заряд на американську землю, то зробили б це з розкидом в сотні, а то й тисячі кілометрів. Одна з головних технологічних проблем полягала в нерівномірної подачі рідкого палива в реактивний двигун. Без цього ракета не стабілізувати по поздовжній осі, догляд ж від заданої траєкторії в космосі на десяток кілометрів означав, що «корисний вантаж» міг впасти від заданої точки на сотні кілометрів. У Радянському Союзі це завдання вирішували в 50-60-х роках в Корольовському КБ. Пізніше тут же група радянських вчених працювала над проектом щодо поліпшення системи забезпечення орієнтації і стабілізації космічних апаратів, зменшення витрат палива при імпульсної роботі рухових установок.
Стабілізатори тиску від «Ековейва» рятують трубопроводи від гідроудару
Фото надане компанією «Ековейв Технології»
Трубопровід не постраждав
Цікаво, що Вадим Куликов міг зустрітися з Нізамова. Вони земляки, жили в одному районі Башкирії. Куликов був студентом МВТУ імені Баумана і потім дізнався, що через кілька стін від нього працював професор Хавас Низамов, викладав деякий час в НДІ енергетичного машинобудування при Бауманке. Одна з курсових робіт Куликова називалася «Кріогенні головки самонаведення» і теж була пов'язана з вібрацією. Під час її написання Куликов якраз і познайомився з роботами 60-70-х років по поперечної стабілізації ракет. Що це роботи Нізамова і його колег, з'ясувалося вже пізніше, а тоді це були анонімні наукові документи, розроблені в Королівка.
І навіть перше серйозне справу, реалізоване Вадимом Куликовим, прямо пов'язане з гідродинамічними розрахунками і проектуванням трубопровідних систем. У 1988 році студент 3-го курсу МВТУ імені Баумана, захоплений комп'ютерами, програмуванням і систематизацією складних гідрогазодинамічних процесів, був запрошений в групу розробників системи автоматизованого проектування нафтопроводів для виробничого об'єднання «Лангепаснафтогаз» в Західному Сибіру. Необхідно було розрахувати архітектуру всієї системи: спроектувати прокладку трубопроводів, порахувати динамічні навантаження, необхідні потужності насосних груп, характеристики станцій очищення, підібрати сортамент труб. Довелося розбиратися в багатофазних структурах, таких як нафта.
Проект був реалізований дуже швидко - практично за три місяці система такого розрахунку була повністю побудована. Замовники отримали приголомшливий результат. Те, що раніше робив відділ капітального будівництва або цілий інститут кілька років, розраховувалося за баумановской програмі всього за кілька годин. «Я отримав, - розповідає Куликов, - величезні гроші на ті часи: 10 відсотків від суми премії за отриманий економічний ефект, а вона становила близько 300 тисяч рублів».
Зрозуміло, що, маючи такий практичний досвід в гідродинаміки і бізнесі, Куликов не міг не оцінити перспектив проекту хвильової стабілізації Нізамова вже з точки зору комерційного розвитку. Не випадково проект компанії «Ековейв Технології» «Протиаварійний захист трубопроводів і обладнання» був підтриманий експертною радою Конкурсу російських інновацій, розібратися, які перспективи таїть в собі ця технологія. «Ековейв» був нагороджений в номінації «Історія успіху» за успішну реалізацію та розвиток розпочатої Нізамова і його колегами технології стабілізації тиску, хоча компанія тільки-тільки вийшла на самоокупність і прибуток - причому вся вона реінвестується в нові розробки. У фірмі Куликова створені нові алгоритми і стабілізатори для потужних трубопровідних систем: якщо раніше діаметр захищаються труб становив 150 мм, то тепер розраховані СД на трубопроводи діаметром 1200 мм. Крім того, сконструйовані мікростабілізатори для установки перед будинковими лічильниками (мерія Єкатеринбурга вже замовила понад 1200 таких СД).
За розрахунком самих розробників, СД «Ековейва» продовжують термін служби трубопроводів в два-три рази, знижуючи аварійність в п'ять-сім разів. При цьому вартість інновації не перевищує 1% вартості, що захищається системи. В результаті навіть часткове латання за допомогою цих технологій кричущих дірок трубопровідної системи дозволить продовжити її життя ще на вісім-десять років. Для російських трубопроводів це якраз той час, який можна використовувати на поступове оновлення, заощадивши за п'ять років до 200 млрд рублів, що витрачаються на усунення аварій.
Чи можна впоратися з гідроударів? Можна, якщо побудувати, наприклад, нову трубопровідну систему. Але це не реально. Щороку, каже Вадим Куликов, відбувається остаточне старіння 3% труб, при тому що замінюється - де краще, де гірше - менше 2% постарілих. Повну ж заміну трубопровідної системи не потягне жодна економіка світу.
Що технологія хвильової стабілізації працює, знають вже багато споживачів, за два роки стабілізатори тиску встановлені на 60 підприємствах, говорить Костянтин Качор і наводить як приклад Калінінградську тепломережа. Тут було чітко зафіксовано гасіння стабілізаторами тиску двох потужних гідроударів, кожен з яких можна порівняти з тим, що встиг до установки стабілізаторів грунтовно порвати магістральну теплотрасу, за що комунальна компанія заплатила штрафів на 11 млн рублів. Головний інженер Калінінської АЕС порахував, що СД, що стоїть на мастилопроводі, привів до підвищення коефіцієнта використання встановленої потужності блоку, за рахунок чого за рік вироблено додатково електроенергії на 4 млн рублів. До установки СД трубопровід рвався по два-три рази на рік.
Самий показовий випадок стався на Балтійської електростанції в естонському місті Нарва. Там по різних причин сталися розриви мережі живильної води. Гідроудар був такої потужності, що вирвало бетонні бики, на яких розташовувався трубопровід, - а захищений СД трубопровід не постраждав. Зрозуміло, що такий «візуальний маркетинг» дав результат - ще кілька стабілізаторів замовило шведський підрозділ російської компанії Ecowave Nordic AB. Зараз американське представництво компанії Ecowave North America, розташоване у Флориді, розраховує кілька проектів по установці СД в США - один з них буде встановлено в Нью-Йорку.