Более половины трубопроводов в мире изношено, явление гидроудара мгновенно сокращает срок их жизни и приводит к авариям. Помогает в решении проблемы российская инновация, пришедшая из советского ракетного проекта…

Рисунок: Константин Батынков

19 июля 2007 года в результате прорыва магистральной теплотрассы образовался столб кипятка и горячего пара высотой 36 метров. На месте прорыва трубы, проложенной еще в 1924 году, появился кратер диаметром несколько метров. Это сообщение вовсе не из российских архивов СМИ — авария произошла в одном из деловых районов Манхэттена. В итоге в самом центре Нью-Йорка на сутки было парализовано движение, перекрыто пять веток метро, несколько кварталов надолго отключили от электроэнергии, в кипятке обварились десятки человек.

Бедственное состояние нашего ЖКХ стало скучной притчей во языцех. А дело-то, оказывается, не скучное и отнюдь не доморощенное — аварий хватает везде. У тех же англичан в компании Thames Water, снабжающей водой и канализирующей стоки 13 млн клиентов, износ труб составляет 60%, и прорывы не в диковинку. На сайте этого своего рода Лондонканала, одного из крупнейших в мире и уж точно самого большого в Великобритании из занятых этим делом, честно написано, что многим магистральным трубопроводам больше ста лет. Планы обновления сетей кажутся грандиозными: к следующему году в городе собираются поменять 1300 миль водопроводных и канализационных труб. На деле это совсем немного, если знать, что протяженность только канализационных сетей в Лондоне превышает 44 тыс. миль; 60% износа не самый плохой показатель. В передовиках итальянцы, средний износ трубопроводной системы у них превышает 70%, а в Риме и вовсе 80%, из-за чего теряется более четверти чистой воды. «Трубы очень изношены в Нью-Йорке. И вообще, ни в одной развитой стране мира, в которой я изучал положение с трубопроводными сетями, нет муниципий, где износ труб был бы меньше 50–60 процентов. Проблема усугубляется тем, что изношенные сети повсеместно еще и плохо защищены от гидроударов и вибрационных процессов», — говорит Вадим Куликов, показывая мировые перспективы для своего продукта — стабилизатора давления, который решает эти проблемы. Куликов — инженер, заслуженный изобретатель РФ и бизнесмен, руководитель группы рекламных компаний, инновационного центра имени себя и председатель совета директоров «Эковэйв Технологии» — компании, победившей в прошлом году на Конкурсе русских инноваций с проектом «Противоаварийная защита трубопроводов и оборудования».

Гитлер поторопился

Причиной манхэттенской аварии и многих подобных специалисты считают гидроудар. Гидравлический удар называют феноменом Николая Жуковского. Именно наш великий механик в конце позапрошлого века первым открыл и описал явление гидроудара в трубопроводах, разбираясь в причинах возникновения многочисленных аварий на московском водопроводе. По указанию ученого на Алексеевской водокачке соорудили опытную сеть водопроводных труб разного диаметра, которые можно было заставить работать в различных технологических режимах. На этом полигоне Жуковский и сделал свои выводы и рассчитал формулы, которые сразу же вошли во все учебники по гидравлике и водопроводному делу. По определению гидроудар, вызывающий большинство аварийный случаев, — это «скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени». А быстрое изменение скорости чаще всего как раз и случается из-за некорректно резкого перекрытия задвижки или клапана при остановке оставленного, например, без электричества насосного привода, что происходит у нас повсеместно. Если разом остановить движущийся в какой-нибудь трубе поток жидкости, то перед местом остановки кинетическая энергия движущегося столба жидкости на короткий момент превратится во внезапно возросшее давление. И это новое состояние с многократно возросшим давлением распространяется по всей трубе с огромной (до 1200 метров в секунду) скоростью по волновому принципу в прямом и обратном направлениях. Возможно и повторное неоднократное прохождение фронта волны. Похожее происходит, кстати, в человеческом организме при резкой остановке движения крови, вызывая гипертонические кризисы и мозговые кровоизлияния. В старом трубопроводе таким кровоизлиянием становится аварийный прорыв.

Сейчас с целью защиты бесчисленных трубопроводных систем гидроудар пытаются смягчить разными устройствами — мембранными демпферами и проч. Но у всех этих устройств есть существенные недостатки, основные из которых поясняет, не входя в детали, специалист «Эковэйв» Павел Лисицкий. Во-первых, многие из них срабатывают от датчиков, то есть энергозависимы. Во-вторых, время реагирования этих демпферов на гидроудар составляет полсекунды и более, то есть время, за которое ударная волна проходит до километра. А есть другое решение — стабилизатор давления «Эковэйва». Он в несколько раз дешевле, и его работа не приводит к потере рабочего тела, не создает дополнительного гидросопротивления и срабатывает всего за 0,005 секунды.

Технология волновой стабилизации, выросшая из теории Жуковского и используемая сейчас победителями конкурса для определения уязвимых точек трубопроводов и расчета стабилизаторов давления, сначала нашла применение в ракетной технике. В 1942 году в Германии были начаты летные испытания ракеты «Фау-2» Вернера фон Брауна с мощным жидкореактивным двигателем конструкции талантливого немецкого инженера Вальтера Тиля. Воодушевленный потенциальной дальностью полета таких ракет, Гитлер в 1944 году поставил перед своими специалистами задачу — наладить на базе «Фау-2» с ЖРД производство двухступенчатых баллистических ракет с трансатлантической дальностью полета, способных обстреливать Вашингтон и Нью-Йорк. Но гитлеровский проект родился немножко рановато: даже если бы попавшие затем под репрессии ракетчики и смогли доставить заряд на американскую землю, то сделали бы это с разбросом в сотни, а то и тысячи километров. Одна из главных технологических проблем заключалась в неравномерной подаче жидкого топлива в реактивный двигатель. Без этого ракету не стабилизировать по продольной оси, уход же от заданной траектории в космосе на десяток километров означал, что «полезный груз» мог упасть от заданной точки на сотни километров. В Советском Союзе эту задачу решали в 50–60−х годах в королёвском КБ. Позднее здесь же группа советских ученых работала над проектом по улучшению системы обеспечения ориентации и стабилизации космических аппаратов, уменьшению расхода топлива при импульсной работе двигательных установок.

Стабилизаторы давления от «Эковэйва» спасают трубопроводы от гидроудара

Фото предоставлено компанией «Эковейв Технологии»

Первопроходцем в практическом применении принципа стабилизации давления в жидких и газовых средах считают королёвца, доктора наук, профессора Хаваса Низамова, автора 94 патентов на изобретения в области динамики трубопроводных систем. Результат его разработок в области огневых средств, который показали испытания ракетно-космической техники в НПО «Энергия», на Куйбышевском моторном заводе и в Московском институте теплотехники, — сокращение от двух до пяти раз объема натурных исследований систем двигательных установок и улучшение их динамических характеристик. Низамов один из тех советских ученых-рекордсменов, чьи изобретения сэкономили стране десятки миллионов рублей. Найденные им технические решения по обеспечению продольной устойчивости ракет-носителей указывали, что и в других отраслях, от ЖКХ до нефтепроводного транспорта, есть возможность существенного, почти десятикратного снижения уровня пульсаций давления и гидравлических ударов в трубопроводных системах. Низамовым была создана нелинейная математическая модель динамических процессов в газовых трубопроводных системах высокого давления со стабилизатором диссипативного принципа действия. Благодаря упорству ученого, считает генеральный директор «Эковэйв» Константин Качер, в 70−е и 80−е годы технология волновой стабилизации была конвертирована в сугубо земную тематику при создании серии стабилизаторов давления (СД) для различных трубопроводных систем. В 80−х годах под руководством Низамова разрабатываются СД для нефтегазовых сред, тогда же сделаны первые инсталляции, говоря языком Куликова, на нефтебазах в Сочи и Ногинске, магистральных нефтепроводах Рязани и Сызрани, маслопроводах в машиностроительной индустрии. Позднее опытно-промышленные стабилизаторы давления внедрялись образованным выходцами из Королёвки научно-исследовательским и внедренческим центром «Гидроудар» на трубопроводах в атомной энергетике на Калининской, Балаковской, Южно-Украинской, Ростовской и Смоленской АЭС, на объектах ТЭК и химической промышленности. В 1996−м разработка стабилизаторов давления продолжилась в компании «Венчурные проекты» при АО «Деловые консультации Москвы». В 2005 году Хавас Низамов ушел из жизни, командная работа прекратилась, коллектив развалился, а группа его последователей пришла в Центр инноваций Куликова. В 2006 году Вадим Куликов с товарищами и единомышленниками создали при участии бывших членов команды Низамова компанию «Эковэйв Технологии», заточенную исключительно на разработку и коммерческое продвижение стабилизаторов давления, и из стадии опытно-промышленной проект вышел на стадию промышленного тиражирования технологии.

Трубопровод не пострадал

Интересно, что Вадим Куликов мог повстречаться с Низамовым. Они земляки, жили в одном районе Башкирии. Куликов был студентом МВТУ имени Баумана и потом узнал, что через несколько стен от него работал профессор Хавас Низамов, преподававший некоторое время в НИИ энергетического машиностроения при Бауманке. Одна из курсовых работ Куликова называлась «Криогенные головки самонаведения» и тоже была связана с вибрацией. Во время ее написания Куликов как раз и познакомился с работами 60–70−х годов по поперечной стабилизации ракет. Что это работы Низамова и его коллег, выяснилось уже позднее, а тогда это были анонимные научные документы, разработанные в Королёвке.

И даже первое серьезное дело, реализованное Вадимом Куликовым, напрямую связано с гидродинамическими расчетами и проектированием трубопроводных систем. В 1988 году студент 3−го курса МВТУ имени Баумана, увлеченный компьютерами, программированием и систематизацией сложных гидрогазодинамических процессов, был приглашен в группу разработчиков системы автоматизированного проектирования нефтепроводов для производственного объединения «Лангепаснефтегаз» в Западной Сибири. Необходимо было рассчитать архитектуру всей системы: спроектировать прокладку трубопроводов, посчитать динамические нагрузки, необходимые мощности насосных групп, характеристики станций очистки, подобрать сортамент труб. Пришлось разбираться в многофазных структурах, таких как нефть.

Проект был реализован очень быстро — практически за три месяца система такого расчета была полностью построена. Заказчики получили ошеломляющий результат. То, что раньше делал отдел капитального строительства или целый институт несколько лет, рассчитывалось по баумановской программе всего за нескольких часов. «Я получил,– рассказывает Куликов, — громадные деньги по тем временам: 10 процентов от суммы премии за полученный экономический эффект, а она составляла около 300 тысяч рублей».

Куликов занимался проблемой разводки нефтепроводов до 1991 года, всего было семь инсталляций, и он «почувствовал запах настоящих денег». Позже он с партнерами создал электронные площадки для Российской товарно-сырьевой и других бирж, а также известную в рекламном бизнесе группу компаний «Витрина А» — российского лидера визуальных маркетинговых коммуникаций на местах продаж. И за всеми бизнес-делами Куликов не оставлял занятий гидродинамикой, работая совместно с коллегами из Бауманки над проектами, в том числе и для Министерства обороны. С 1995−го по 2006 год ими было зарегистрировано около 30 патентов, многие из которых касались гидродинамических процессов. В конце 90−х годов Куликов получил звание «3аслуженный изобретатель РФ» за создание инновационных технологий, связанных с динамическими процессами в трубопроводах. Речь идет прежде всего об ультразвуковых способах разбивания пленки поверхностного натяжения жидкостей, за счет чего многократно ускоряются тепломассообменные процессы в теплообменном оборудовании, в частности в рубашках охлаждения реакторов. Параллельно Куликов руководил Центром инноваций — некоммерческим партнерством, осуществляющим поиск и селекцию инновационных научных идей с последующей разработкой инновационных технологий и внедрением их в производство.

Понятно, что, имея такой практический опыт в гидродинамике и бизнесе, Куликов не мог не оценить перспектив проекта волновой стабилизации Низамова уже с точки зрения коммерческого развития. Не случайно проект компании «Эковэйв Технологии» «Противоаварийная защита трубопроводов и оборудования» был поддержан экспертным советом Конкурса русских инноваций, разобравшимся, какие перспективы таит в себе эта технология. «Эковэйв» был награжден в номинации «История успеха» за успешную реализацию и развитие начатой Низамовым и его коллегами технологии стабилизации давления, хотя компания только-только вышла на самоокупаемость и прибыль — причем вся она реинвестируется в новые разработки. В фирме Куликова созданы новые алгоритмы и стабилизаторы для мощных трубопроводных систем: если раньше диаметр защищаемых труб составлял 150 мм, то теперь рассчитаны СД на трубопроводы диаметром 1200 мм. Кроме того, сконструированы микростабилизаторы для установки перед домовыми счетчиками (мэрия Екатеринбурга уже заказала более 1200 таких СД).

По расчету самих разработчиков, СД «Эковэйва» продлевают срок службы трубопроводов в два-три раза, снижая аварийность в пять-семь раз. При этом стоимость инновации не превышает 1% стоимости защищаемой системы. В итоге даже частичное латание с помощью этих технологий вопиющих дыр трубопроводной системы позволит продлить ее жизнь еще на восемь-десять лет. Для российских трубопроводов это как раз то время, которое можно использовать на постепенное обновление, сэкономив за пять лет до 200 млрд рублей, что тратятся на устранение аварий.

Можно ли справиться с гидроударом? Можно, если построить, к примеру, новую трубопроводную систему. Но это нереально. Каждый год, говорит Вадим Куликов, происходит окончательное старение 3% труб, при том что заменяется — где лучше, где хуже — менее 2% обветшавших. Полную же замену трубопроводной системы не потянет ни одна экономика мира.

Что технология волновой стабилизации работает, знают уже многие потребители, за два года стабилизаторы давления установлены на 60 предприятиях, говорит Константин Качер и приводит в пример Калининградскую теплосеть. Здесь было четко зафиксировано гашение стабилизаторами давления двух мощных гидроударов, каждый из которых сопоставим с тем, что успел до установки стабилизаторов основательно порвать магистральную теплотрассу, за что коммунальная компания заплатила штрафов на 11 млн рублей. Главный инженер Калининской АЭС посчитал, что СД, стоящий на маслопроводе, привел к повышению коэффициента использования установленной мощности блока, за счет чего за год выработано дополнительно электроэнергии на 4 млн рублей. До установки СД трубопровод рвался по два-три раза в год.

Самый показательный случай произошел на Балтийской электростанции в эстонском городе Нарва. Там по разным причинам произошли разрывы сети питательной воды. Гидроудар был такой мощности, что вырвало бетонные быки, на которых располагался трубопровод, — а защищенный СД трубопровод не пострадал. Понятно, что такой «визуальный маркетинг» дал результат — еще несколько стабилизаторов заказало шведское подразделение русской компании Ecowave Nordic AB. Сейчас американское представительство компании Ecowave North America, расположенное во Флориде, рассчитывает несколько проектов по установке СД в США — один из них будет установлен в Нью-Йорке.

«Эксперт»