Применение инерционных гасителей пульсаций в системах с плунжерными насосами

При работе с плунжерными узлами любого типа характерна переменная подача, сопровождающаяся высокочастотными скачками давления в напорном трубопроводе. Амплитуда этих колебаний зависит от числа ходов, объема цилиндров, длины магистрали, а также упругости труб и сопротивления в точках подключения.

Для стабилизации потока применяются инерционные гасители, чья задача — снизить давление пульсаций до допустимого уровня и сохранить целостность системы. С учетом того, что кратковременные перепады способны достигать 20–25% от среднего значения, установка правильно подобранного устройства становится обязательной.

Объем камеры гасителя зависит от длины волны гидравлической волны, которая определяется формулой λ = a/f, где a — скорость распространения (порядка 1000–1200 м/с), f — частота пульсаций, вычисляемая по количеству ходов плунжера.

Для одноплунжерного исполнения при 100 двойных ходах в минуту частота составляет 1,67 Гц, что соответствует длине волны около 600–700 м. При этом участок между источником и точкой применения стабилизатора не должен быть короче 1/10 длины волны, то есть минимум 60–70 м, однако фактические значения зависят от компоновки и характеристик трассы.

Наиболее распространены гидропневматические устройства с резиновой диафрагмой, отделяющей газовую полость от жидкости. Внутри создается избыточное давление с помощью азота, реже — воздуха.

Для систем, работающих при 80–100 бар, рекомендуемое значение преднагрузки составляет 60–70% от среднего рабочего давления. Это обеспечивается регулировкой закачки через встроенный клапан. При превышении давления жидкости над уровнем в газовой камере происходит частичное сжатие газа, компенсируя скачок и выравнивая поток.

Материалы, из которых изготавливаются камеры, варьируются в зависимости от состава рабочей среды. Для технической воды и водных растворов применяют нержавеющие марки AISI 316 или 304, в случае контакта с солями — сплавы на основе никеля.

Внутренние поверхности часто покрываются фторопластом, особенно при наличии агрессивных компонентов. Мембраны подбираются из бутадиена, этилпропилена либо фторкаучука. Температурный диапазон стандартного исполнения составляет от –10 до +80 °C, для термостойких — до +150 °C.

Объем подбирается по формуле V = Vp × K, где Vp — номинальный объем, равный одной подаче насоса за один ход, а K — коэффициент, учитывающий желаемый уровень подавления. При снижении пульсаций до 5% от начальных величин принимается K = 20.

Так, для агрегата с рабочей подачей 1 л/с и одним плунжером камера должна иметь объем не менее 1 × 60 × 20 = 1200 см³. При многоцилиндровом исполнении объем делится пропорционально числу рабочих элементов и циклов.

Установка производится на участке напорной магистрали как можно ближе к выходному патрубку. Допускается вертикальное и горизонтальное расположение, однако ось гасителя должна оставаться выше линии заполнения системы, чтобы исключить накопление воздуха. При этом резьбовое или фланцевое соединение должно выдерживать давление не менее 1,5-кратного рабочего, с учетом возможных аварийных режимов. На объектах с номинальным давлением свыше 160 бар рекомендовано использование усиленного корпуса с запасом прочности по ГОСТ 14249.

Периодическая проверка предзаряда производится раз в 3 месяца путем подключения манометра. Если давление азота упало более чем на 10% от номинального значения, выполняется повторная закачка.

При использовании в зоне с повышенной вибрацией фиксируется корпус с помощью хомутов и амортизаторов. Для исключения проникновения посторонних веществ предусмотрены уплотнительные элементы по классу герметичности А по ГОСТ 9544.

В системах с химически активной средой предусматривается установка буферного слоя из инертной жидкости, совместимой с основным веществом. Это позволяет увеличить срок службы мембраны, снизив контакт с агрессивными компонентами.

В нефтяных установках часто применяют глицерин или минеральное масло в объеме до 5% от общего количества. Обратные клапаны, установленные до и после гасителя, исключают перетекание при аварийном отключении.

При транспортировке густых сред допускается использование импульсных колебаний давления как средства перемешивания. В этом случае камера выполняет не только демпфирующую, но и энергетическую функцию. Однако амплитуда должна быть строго регламентирована — не выше 10% от рабочего уровня.

 В противном случае возможно повреждение сварных соединений или деформация труб. Расчет допустимой амплитуды производится с учетом массы подвижного столба и модуля упругости материала стенки.

Часто гасители пульсаций применяются совместно с демпфирующими трубами, длина которых составляет от 20 до 50 диаметров внутреннего сечения. Внутренний диаметр выбирается таким образом, чтобы обеспечить скорость жидкости не более 1,5 м/с, иначе снижается эффективность поглощения колебаний. Для магистралей диаметром 50 мм требуется минимальная длина трубы 1–2 м, выполненной из стали марки 20 или 09Г2С. Стыки провариваются с проваром не менее 5 мм по периметру, без внутренних наплывов.

При подборе оборудования необходимо учитывать диапазон температур, вязкость и вероятность присутствия газа. В системах с кавитацией или попаданием воздуха эффективность резко снижается. В таких случаях предусматривается установка воздухоотделителей или автоматических клапанов.

При работе на объектах с частыми остановками рекомендуется оснащение обратным затвором с малым гидравлическим сопротивлением. Конструкция должна обеспечивать полное закрытие при падении давления ниже 0,3 МПа.

Для плунжерных станций, обслуживающих буровые установки, устройства выбираются с учетом частоты пульсаций до 3 Гц и давления до 400 бар. При этом габариты увеличиваются до 20–40 литров на один контур. Корпус изготавливается из стали 30ХМА, а внутреннее покрытие — из хрома толщиной до 150 мкм. Дополнительная установка манометра перед и после камеры позволяет отслеживать эффективность стабилизации и при необходимости корректировать уровень предзаряда.

В некоторых случаях применяются поршневые стабилизаторы, особенно в условиях с высокой температурой или невозможностью применения мембран. Они требуют регулярной смазки и настройки пружинного механизма. Суммарная масса подвижного элемента подбирается в зависимости от частоты колебаний, чтобы обеспечить фазовый сдвиг на 180° между импульсом подачи и реакцией системы.

В системах с изменяемой производительностью, оборудованных частотными преобразователями, стабилизаторы должны быть рассчитаны на работу в широком диапазоне. Это означает необходимость корректировки объема или наличия регулируемой камеры. В противном случае возможна раскачка давления на низких частотах.