Запатентовано «лекарство от лихорадки» трубопроводов с двухфазными потоками

Авторы: Г.С. Яицких, А.В. Краснов, С.Л. Шакимов (АО «ИПН»), Ю.А. Мельников (ГИП АО «ИПН»)

Опубликовано на портале «Химическая техника», февраль 2026

Трубопроводы, по которым перемещаются двухфазные потоки – газ и жидкость, широко применяются в самых различных областях промышленности как в России, так и за рубежом: это нефтепереработка, газопереработка, нефте- и газохимия, производство удобрений, пищевая промышленность, энергетика и др.

Трубопроводы проектируют десятки отечественных проектных организаций – больших, средних и малых. Проектировщик выбирается заказчиком по конкурсу, при этом конкурсные комиссии никогда не принимают во внимание компетентность победителя конкурса в части проектирования трубопроводов с двухфазными потоками. Главную и зачастую решающую роль при выборе победителя играет цена проектирования – «чем меньше, тем лучше». Позднее, после разработки проектной документации и в процессе прохождения экспертизы проектировщику никогда не задают вопросы: правильно ли спроектированы трубопроводы в данном проекте? В итоге при пуске новых или реконструированных технологических установок очень часто возникают вибрации трубопроводов недопустимо высокого уровня, что в свою очередь приводит либо к аварии, либо к аварийной остановке. Зачастую экономия на проектировщике буквально нескольких миллионов рублей уже много раз приводила предприятия к потерям сотен миллионов во время пуска и аварийных остановок технологических установок.

На практике трубопроводы с двухфазными потоками (ТДП) работают в условиях той или иной степени вибрации: в пределах нормативной или сверхнормативной вибрации. В соответствии с нормативно-технической документацией РФ различаются четыре вида уровней вибрации:

1. Расчётный при проектировании;
2. Допускаемый при эксплуатации;
3. Требующий исправления, реконструкции системы;
4. Уровень появления аварийных ситуаций.

Характеристики указанных уровней вибрации представлены в таблице.

АО «ИПН» за последние 20 лет выполнило более 400 работ по устранению сверхнормативной вибрации трубопроводов на десятках предприятий России и ближнего зарубежья. Анализ неудовлетворительной работы сотен трубопроводов позволил выявить наиболее часто встречающиеся ошибки.

Допускаемые значения амплитуд вибрации трубопроводов, мкм

В начальной стадии проектирования технологических установок можно и нужно закладывать технические решения, гарантирующие стабильную работу производства. Сегодня подавляющее большинство проектных организаций сначала располагают технологическое оборудование на площадке, делают компоновки с площадками обслуживания и строительными конструкциями, а обвязку трубопроводами делают в последнюю очередь, «выкручивая вензели». На практике много случаев, когда трансферные трубопроводы от печи до ректификационных колонн имеют многочисленные крутые повороты (огибают строительные конструкции, площадки обслуживания и т.д.). Сверхнормативная вибрация при таком порядке проектирования ТДП обеспечена.

Более правильный подход: первостепенное внимание уделить трассировке ТДП. Определив все ТДП, входящие в состав технологической установки, сначала спроектировать их с гарантией последующей стабильной безаварийной работы, а потом уже компоновать всё остальное.

Если это возможно по условиям компоновки технологической установки, то трансферный трубопровод от печи до ректификационной колонны может быть прямой трубой с линзовым компенсатором. Для этого необходимо печь и колонну разместить на допустимо близком по нормативным документам расстоянии. В этом случае вибрации практически может не быть при любых режимах работы технологической установки – при загрузках от 50 до 110% номинальных значений.

Если по каким-либо причинам невозможно реализовать такую конструкцию ТДП, то следует всячески минимизировать число поворотов, уделить особое внимание к участкам трубопровода на подъёмах; по возможности сократить количество трубопроводной арматуры и клапанов предохранительных, регулирующих.

На рис. 1, 2 в качестве примера неправильно спроектированного ТДП представлен трансферный трубопровод одной из ранее построенных технологических установок  ЭЛОУ-АВТ-6. Трубопровод от печи до атмосферной колонны работал в режиме сверхнормативной вибрации.

Основные причины неудовлетворительной работы трубопровода:

1. Общая длина трубопровода ~100 м. Это говорит о том, что проектировщик сначала расположил технологическое оборудование на площадке, а прокладку ТДП делал в последнюю очередь, не принимая во внимание возможные негативные последствия. Сначала нужно было определить все ТДП на установке и затем располагать связанное с ТДП технологическое оборудование на площадке (компоновку), обеспечивая максимально «комфортный» режим работы ТДП;
2. Как видно из рис. 1, на выходе из печи есть восемь трубопроводов Ду150. Поверочный расчёт показал необходимость увеличения диаметров этих участков трубопроводов до Ду200, что позволит уменьшить скорость и вихреобразование в потоках;
3. Трубопроводы из печи врезаются в общий коллектор снизу под углом 90^о к оси коллектора. Правильнее врезки в общий коллектор делать в горизонтальной плоскости под углом 45^о к оси коллектора;
4. На входе в колонну (см. рис. 2) проектировщик установил обратные клапаны и клиновые задвижки. Конструкция обратных клапанов такова, что они являются источником вибраций при прохождении через них двухфазного потока. Нормативные документы только рекомендуют устанавливать обратные клапаны на входе в аппараты, работающие под давлением, но окончательное решение оставляют за проектировщиком. К сожалению, такая ошибка, как установка обратных клапанов на ТДП, встречается часто, и каждый раз возникают проблемы со сверхнормативной вибрацией трубопроводов.

Другой пример неправильного проектирования ТДП – расположение трубопроводов подачи насыщенного аминового раствора от теплообменников до колонны-регенератора на технологических установках очистки углеводородных газов от сернистых соединений (рис. 3).

После нагрева в рекуперационных теплообменниках до 100…109^°С из насыщенного раствора МДЭА начинает выделяться кислый газ (Н₂S, СО₂ и др.), поэтому далее по трубопроводу перемещается двухфазный поток.  Сверхнормативная вибрация трубопровода насыщенного амина на входе в колонну регенерации – часто встречающаяся проблема в случае некомпетентного проектирования. Причина всегда одна – неустойчивый парожидкостной режим течения (как правило, снарядный или переходный), который формируется в трубопроводе после дросселирования.

Ключевая ошибка, усугубляющая ситуацию, чаще всего заключается в значительном удалении дросселирующего клапана от входа в колонну. На участке между ними успевает сформироваться и развиться нестабильный поток, что приводит к следующему:

• расслоению фаз и формированию пробок (снарядов) жидкости;
• циклическим гидроударам, в частности в Т-образном тройнике, на крутых поворотах потока.

На практике такие ТДП работают в диапазоне от 50 до 110% номинальной производительности, поэтому не всегда удаётся обеспечить кольцевой режим течения двухфазного потока. Наиболее практичным направлением борьбы с сверхнормативной вибрацией является адаптация конфигурации элементов трубопровода к «капризному» поведению двухфазного потока с целью «сглаживания» ударных нагрузок на трубу:

• замена стандартных отводов с радиусом поворота 1,5Д отводами с радиусом поворота 3Д и более плавными; увеличение радиуса гиба снижает локальные гидродинамические удары и механические напряжения, минимизируя возбуждение вибрации;
• замена Т-образных тройников Y-образными (или косые врезки). Плавный отвод тройника в этом случае значительно уменьшает гидравлическое сопротивление, фазовое расслоение, ударные нагрузки и турбулентность в узле разветвления, который зачастую является основным источником низкочастотной вибрации;
• спрямление трассы и уменьшение по возможности поворотов; уменьшение числа местных сопротивлений сокращает общий уровень возмущений потока;
• устранение «горизонтальной полки» перед вертикальным участком трубы исключает эффект накопления жидкости и вброс «снаряда» по вертикали с последующим ударом по Т-образному тройнику (если он имеется).

На рис. 4 показана правильная конструкция трубопровода подачи насыщенного раствора МДЭА в колонну-регенератор. Необходимо отметить, что организация, проектировавшая эту установку восемь лет назад, не расположила правильно дросселирующий клапан на входе в колонну, но даже в этом случае принятые вышеописанные меры по адаптации элементов трубопровода позволяют достичь нормативных показателей вибрации.

Необходимо отметить, что кроме описанных технических мероприятий важную роль в снижении вибрации на ТДП играет правильный выбор типа опор и их расстановка. Наиболее часто устанавливают тугоподвижные опоры или опоры нестандартного типа (неподвижные или направляющие), что вызывает увеличение нагрузок на штуцеры технологического оборудования. При «зажатии» трубопровода снижается его вибрация, но при этом значительно увеличиваются нагрузки от него на опорные металлоконструкции и штуцеры оборудования. В связи с этим при разработке опросных листов и технических проектов оборудования необходимо закладывать максимально возможные нагрузки на штуцеры оборудования, связанные с ТДП; на выходе двухфазных потоков из печи предусматривать неподвижные опоры, которые целесообразно включать в комплект поставки печи.

Как уже было сказано, работа АО «ИПН» позволила устранить сверхнормативную вибрацию на сотнях производственных объектах как в России, так и за рубежом. Анализ дефектов монтажного проектирования отечественных и зарубежных проектных организаций позволил выявить наиболее часто повторяющиеся ошибки. АО «ИПН» запатентовало основные элементы правильного проектирования ТДП, которые обеспечивают гарантии безаварийной работы таких трубопроводов (патент РФ на изобретение №2853759 «Трансферный трубопровод для транспортировки газожидкостного потока»). Срок действия исключительного права на изобретение – до 18 декабря 2044 г.

АО «ИПН» является лицензиаром; использование при проектировании и строительстве трубопроводов с двухфазными потоками элементов конструкции трубы в соответствии с формулой изобретения данного патента требует приобретения лицензии у лицензиара.