Д.т.н. Карелин И.Н.

Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина

К ВОПРОСУ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ РОССИЙСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗОНЕФТЯНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Масштабность трубопроводных систем нефтегазовой отрасли промышленности России поражает воображение. Магистральные нефтегазопроводы комплектуются различным технологическим оборудованием, трубопроводные обвязки которого имеют значительно меньший по сравнению с магистральным трубопроводом диаметр условного прохода, а направленность участков обвязочных трубопроводов далека от прямолинейной. Малые диаметры прохода таких трубопроводов обусловливают повышенные скорости движения транспортируемых потоков рабочих сред, а их непрямолинейность – повышенные гидравлические потери.

И актуальность проблемы таких трубопроводов состоит в том, что оборудование газонефтяных промыслов, подземных хранилищ газа, компрессорных станций, сборных и газораспределительных пунктов и нефтегазоперерабатывающих заводов нередко эксплуатируются в рабочих и технологических средах, где присутствие механических примесей в значительно больших по сравнению с допустимыми концентрациях практически неизбежны. Как правило, трубопроводные обвязки таких видов оборудования для управления потоками рабочей среды оснащены мелкоразмерными (Ду≤150 мм) специальными и фасонными элементами (запорными и регулирующими устройствами, отводами, тройниками и т.п.) высокого условного давления (Ру≥6,4 МПа). Количество таких элементов газонефтяных трубопроводов (ЭГНТ) только в газовой промышленности превышает миллион единиц. Преждевременные отказы этих изделий вследствие абразивной эрозии загрязненными механическим примесями ускоренными потоками транспортируемых сред являются причиной нарушения нормального режима функционирования технологического оборудования предприятий отрасли и резкого снижения производственных показателей отрасли.

Как известно, конкурентоспособность помимо цены изделия конкретизируется еще и показателями качества, причем такими, которые интересны непосредственно потребителю. Как ни странно, объективная реальность отечественных трубопроводных систем газонефтяной отрасли промышленности оказалась ближе зарубежному газонефтяному машиностроению, которое уже достаточно широко рекламирует в России разработки ЭГНТ, удовлетворяющие потребителя в плане эксплуатации в абразивосодержащих рабочих средах.

Достаточно указать разработки фирм Cooper Industries и Foster Valve Corporation (фонтанные шиберные задвижки) [1,2], Orbit Valve PLC (шаровые краны) [3], Mokveld valves bv (клеточные поршневые клапаны) [4] и др. Укоренившаяся вера в преимущества импортных изделий для большинства отечественных потребителей порой преодолевает осознание их значительно более высоких цен. Поэтому задача отечественных разработчиков и производителей ЭГНТ в существующей конкурентной борьбе состоит в создании и доказательстве новых технических решений и конструкций, удовлетворяющих реальным требованиям эксплуатации или в адаптации зарубежных технических решений к отечественным конструкциям с существенным снижением цены изделий и прежде всего за счет снижения затрат на реализацию таких конструкций.

На современном уровне развития российского арматуростроения наиболее значимыми показателями качества ЭГНТ являются: функциональная пригодность, надежность, безопасность, материалоемкость, эргономичность, эстетичность.

Как известно, развитие конструкций ЭГНТ зависит от условий и параметров эксплуатации, т.е. прежде всего от назначения, и уж затем от применяемых материалов и технологий при реализации конструкций. Так например, переход от конструкции клиновой задвижки к шиберной обусловлен необходимостью снижения энергетических потерь потока рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу с задвижками. Содержание же агрессивных компонентов в рабочей среде обусловливает применение в конструкциях трубопроводной арматуры материалов соответствующей стойкости с необходимыми конструктивными и технологическими изменениями.

По показателям функциональной пригодности современная трубопроводная арматура соответствует принятой в стране классификации по назначению (запорная, регулирующая, защитная, распределительно-смесительная, фазоразделительная)[5]. И совершенствование качества в этом направлении возможно лишь в связи с появлением новых технологий и оборудования добычи, транспорта, хранения и переработки газа и нефти, где потребуется управление потоками рабочих или иных сред. Поэтому данная классификация по назначению представляется пригодной к развитию и перспективной в плане повышения качества изделий, чем и занимается в настоящее время Центральное конструкторское бюро арматуростроения (г. Санкт-Петербург).

Схема действий такова: анализ различных отраслевых (межотраслевых) технологий и/или оборудования, работающих с потоками сред, выявление на его основе нового назначения трубопроводных устройств и создание оригинальных конструкций в соответствии с этим назначением. Такая информация традиционно концентрируется в проектных организациях и является основой перспективного проектирования трубопроводных устройств и систем. От того, в каком состоянии этот процесс и как он развивается, во многом зависит конкурентоспособность данного вида продукции газонефтяного машиностроения.

Существующая классификация по способу перекрытия потока среды (задвижки, клапаны, краны, затворы) [6], а в более современной редакции – по типу [7], полезна лишь в плане идентификации изделий по условному обозначению в документации наравне с классификациями по области применения, по способу управления, уплотнения или расположения. В аспекте совершенствования качества подобная классификация бесперспективна, поскольку в основе конструкций вентилей, золотников, захлопок и др. лежит их основной функциональный признак (единый для всех типов изделий) – изменение параметров протекающего по ним потока среды вплоть до прекращения протекания среды, как например, в задвижках. И будь то заслонка (железный лист с ручкой), клапан (род регулирующего затвора в механизме или организме) или запор (устройство, которым запирают) [8], суть их от названия не меняется и может быть реализована в соответствующей конструкции ЭГНТ.

Правда, в борьбе за снижение себестоимости продукции (а у нас это нередко, причем небезосновательно, отождествляется с внутренней конкурентоспособностью) некоторые заводы идут на сознательное упрощение уже проверенных временем конструкций. Так, модернизированный Воткинским заводом и повторенный Курганским заводом «Корвет» вариант классической бакинской задвижки мод. ЗМС 65-210 до уровня конструкции печной заслонки (рис.1), о чем свидетельствует приведенный на этом же рисунке ее прототип, при эксплуатации в газопроводах практически ничем не лучше клиновой задвижки по гидравлическому сопротивлению затвора. А это – снижение качества изделия по показателю функциональной пригодности. На устранение этого недостатка направлено техническое решение автора настоящей работы [9].

а) б)

Рис.1. Конструкция упрощенной шиберной задвижки с выдвижным шпинделем (а - мод. ЗШ 65-210) и общий вид ее прототипа (б - шиберной ножевой задвижки низкого условного давления).

Способ осуществления упомянутого изменения параметров потока и является предметом конструкторского творчества, причем нередко на уровне изобретений. При этом согласно ГК РФ ч.4 объектом изобретения может явиться даже применение известного ранее устройства по новому назначению. Примером тому служит своеобразный "коллаж" задвижки с фотоаппаратом (а точнее с фотографическим затвором), ставший известным от ДАО «Оргэнергогаз» [10]. Нюанс конструкции заключается в том, что каждая из заслонок такого затвора срабатывает поочередно. Информация о промышленном освоении изделия отсутствует.

Основанное на известном из теории надежности машин принципе резервирования данное запорное устройство полностью отвечает разработанному автором настоящей статьи принципу конструктивного разделения функций на основную и защитную в ЭГНТ [11]. А это означает, что новой эту конструкцию вряд ли можно назвать. Предложенный принцип разделения функций в конструкциях ЭГНТ оказался весьма плодотворным и был реализован в различных изделиях на уровне изобретений [12], права на которые получили ряд авторитетных в отрасли предприятий, среди них ООО "Мострансгаз", ГПО "Воткинский завод", ФГУП "Воронежский механический завод". Этот принцип является достаточно общим в рамках, возможно и не только, арматуростроения.

В плане повышения надежности и безопасности отечественных изделий с соблюдением условия минимума затрат на усовершенствование следует указать на перспективные разработки, например, автора этой статьи. Таковой является, например, конструкция стандартного двухседельного шарового крана на базе алексинского, которая в отличие от одностороннего (односедельного) крана фирмы Orbit Valve PLC, предусматривает рабочий поворот шаровой пробки, исключающий ее трение, причем с защитой от абразивной эрозии. В результате также достигается снижение мощности привода изделия.

Нефтяные и газовые трубопроводы оснащены "неисчислимым" количеством деталей стальных бесшовных приварных типа отводов крутоизогнутых, тройников равнопроходных и переходных, переходов концентрических и эксцентрических, наряду с запорными и регулирующими устройствами относящимися к ЭГНТ. Своим наличием они уже вносят энергетические потери в процесс транспортирования рабочей среды, особенно в газовой промышленности, где огромные усилия и средства расходуются в борьбе за каждую долю процента кпд энергомашин, например, газоперекачивающих агрегатов. А согласно техническим требованиям государственного стандарта 17380-83 «...волнистость, гофры, забоины, вмятины, риски и следы зачистки дефектов не должны выводить размеры деталей за пределы допускаемых отклонений...», т.е. не превышать 2,0 – 2,5 мм для мелкоразмерных отводов трубопроводов высокого условного давления (Ду ≤150 мм, толщина стенки ≥6 мм). И это естественно является серьезным источником дополнительных потерь энергии транспортируемого потока и соответственно причиной абразивной эрозии стенки отвода при наличии в потоке мехпримесей. Разработанные автором совместно со специалистами отечественной авиационной и газовой промышленности технические решения по улучшению качества поворотных участков трубопроводов значительно проще и дешевле по сравнению с известными обеспечивают защиту внутренней стенки отвода от образования свища (рис.2).

Определенные попытки реализовать новые конструкторско-технологические решения отечественных ЭГНТ в области повышения качества по показателям надежности в настоящее время предпринимаются. Так, совместными усилиями автора, Приборостроительного завода (Челябинская обл.) и НПФ"Центральное конструкторское бюро арматуростроения" (г. С.-Петербург) разработана прогрессивная конструкция поворотной износостойкой задвижки (рис.3) с керамическими вставками Ду 100 мм, Ру 8,0 МПа. Нетрадиционное изделие, в конструкции которого реализован вышеупомянутый принцип разделения функций, дает основания ожидать повышения конкурентоспособности отечественных запорно-регулирующих устройств, особенно для загрязненных рабочих сед.

Рис.2.Варианты исполнения защитных лопаток в крутоизогнутом отводе стального трубопровода (а – профилированная лопатка; б – плоская изогнутая лопатка – разомкнутый лист Мебиуса; в – полуцилиндрическая изогнутая лопатка).

Рис.3. Конструкция поворотной износостойкой задвижки.

По мнению головной проектной организации НПФ"ЦКБА" сотрудничество с отечественной вузовской наукой (не только РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, но и Пермского государственного университета, Московского государственного университета инженерной экологии и целого ряда других вузов) представляется перспективным в плане повышения эксплуатационных характеристик качественно изготавливаемой продукции при наличии соответствующих технико-экономических обоснований, способствует обеспечению конкурентоспособности ЭГНТ на внешнем рынке, решению ряда экономических, экологических и социальных проблем в стране.

Известная проблема снижения материалоемкости отечественной трубопроводной арматуры до настоящего времени остается актуальной, но в связи с привлечением к арматуростроению конверсионных предприятий открываются светлые перспективы. Так, прочностной расчет фланцев фонтанных задвижек позволил Воронежскому механическому заводу предложить и выставить на обозрение на международной выставке "Нефть и газ" фланцы, имеющие в поперечном сечении трапецеидальный профиль в отличие от традиционного прямоугольного профиля. Кроме того, на 2-м межотраслевом семинаре "Прочность и надежность нефтегазового оборудования" [13], серьезно обсуждалась реальность решения проблемы завышенных толщин стенок корпусов запорной и регулирующей трубопроводной арматуры с помощью специалистов Инженерного центра прочности, надежности и ресурса оборудования атомной техники.

По такому показателю эргономичности, как соответствие физическим возможностям человека, отечественная трубопроводная арматура с ручным приводом на уровне новых изделий не уступает импортной. Усилие открывания-закрывания устройств рассчитывается исходя из перепада давления среды, трения в сальниках и подшипниках и является основанием для выбора диаметра маховика при заданных материалах изделия, условиях эксплуатации и технического обслуживания. Однако в реальных условиях эксплуатации на промыслах, трассе, КС или ПХГ изменяются не только свойства материалов, что требует искусственного увеличения момента на приводе (кстати, запрещенного техническими условиями на изделия). Поэтому известный производственникам-изготовителям трубопроводной арматуры вопрос возможности изготовления диаметра маховика, равного строительной длине изделия (при отсутствии других ограничений на диаметр маховика) по настоящее время остается открытым.

Показатели эстетичности отечественных конструкций трубопроводной арматуры современными отраслевыми документами типа "Общие технические требования (ОТТ)" специально не оговариваются. Вместе с тем при проведении тендеров проектов Газпрома при комплектации их трубопроводной арматурой требования касательно качества литья корпусов или других методов получения заготовок имеют место быть. К сожалению, ряд отечественных заводов рассматривает затраты на обеспечение требований эстетичности ЭГНТ, как прямой ущерб себестоимости продукции. Однако наличие в отечественной эксплуатации многочисленных импортных ЭГНТ подтверждает, что на самом деле игнорирование требований эстетичности – прямой ущерб конкурентоспособности.

В целом, инерционность и недостаточная гибкость могущественных конверсионных машиностроительных "монстров", причины чего звучат громкой гаммой как в СМИ, так и в отраслевой периодической печати, порой сдерживают, а иногда и стопорят продвижение новых идей. Вместе с тем в настоящее время конкурентоспособность ЭГНТ, производимых подобными заводами, обеспечивается уже не лицензионными зарубежными конструкциями, а собственными, где реализован творческий потенциал своих специалистов. Например, для Газпрома за исключением Астраханского месторождения, где применяется только импортная арматура в нержавеющем исполнении, фонтанные арматуры, в состав которых входит немало запорных и регулирующих трубопроводных устройств серийно поставляет ФГУП "Воронежский механический завод".

И тем не менее перспективными в плане удовлетворения постоянно растущего спроса на более качественную продукцию газонефтяного машиностроения специалисты Газпрома видят в менее крупных отечественных предприятиях типа "Космос-Нефть-Газ" (г. Воронеж), АО "Энерпред-Ярдос" (Моск.обл.) и т.п. И с ними трудно не согласиться, поскольку менее крупные фирмы более маневренны в области качества продукции, так как основной результат их труда оценивается не количеством, а качеством, в то время как на некоторых крупных заводах сил и средств на перспективные НИОКР и опытное производство уже не хватает. Для отечественного производителя участие в тендерах – уже стрессовая ситуация, как справедливо отмечалось на одном из семинаров по трубопроводной арматуре в Санкт-Петербурге [7]. Рассчитывать только на импортные конструкции ЭГНТ экономически нецелесообразно, поскольку только отечественные специалисты знают всю специфику родной эксплуатации.

Список литературы

1.Cooper Industries, Cooper Oil Tool Division, Houston,Texas, 1997. 70 p.

2.Foster Valve Corporation. 6445 Burlington North, Texas 77092.48 p.

3.Orbit Valve PLC. Alexandra Way, Ashchurch, Tewkesbury,Gloucestershire GL20 8JG, England, 2 p.

4.Mokveld valves bv, Gouda, The Netherlands.1997.176 p.

5.Гуревич Д.Ф. Конструирование и расчет трубопроводной арматуры. М., Машиностроение, 1968, 888 с.

6.Гуревич Д.Ф., Шпаков О.Н. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. Л., Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987, 518 с.

7.Трубопроводная арматура. Особенности конструкций, применяемость и качество изготовления. Энергетическая арматура для АЭС и ТЭС. – Материалы семинара. Научно-производственная фирма "Центральное конструкторское бюро арматуростроения". С.-Петербург, 2002, 45 с.

8.Ожегов С.И. Словарь русского языка. Под ред. Н.Ю.Шведовой. М., Рус.яз., 1990, 921 с.

9. Карелин И.Н. и др. Запорный узел. Решение о выдаче патента по заявке на изобретение №2010139823, 2010, 10 с.

10.Ведущий отраслевой форум страны. – Арматуростроение, 2003, №2(24), с.55.

11. Карелин И.Н. Принцип разделения функций в износостойких элементах трубопроводов. - Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2007, №5, с.24-27.

12.Карелин И.Н. Модернизация запорно-регулирующей трубопроводной арматуры (ЗРТА) для абразивсодержащих рабочих сред. - Химическая техника, 2002, №3, с. 32-33.

13.Карелин И.Н. Модернизация запорной трубопроводной арматуры для

оборудования систем очистки природного газа. – В сб.: «Прочность и

надежность нефтегазового оборудования». Тезисы докладов 2-го меж-

отраслевого семинара. М., ГУП НИКИЭТ. 2001, с.37-38.