Диссертация (Разработка технологии ремонта газопроводов в условиях интенсивного теплоотвода), страница 6

Посколькуснижение температура какпредварительного, так и сопутствующего подогрева наряду с режимаминаплавки может оказывать значительное влияние на механические свойствметалла трубы, получаемые после ремонта.Анализ структурных диаграмм металла ОШУ ЗТВ трубных сталейкатегорий прочности от К52 до К60 показывает, что обеспечение нормативных35требований по механическим свойствам возможно только в случае ограничениядиапазона скоростей охлаждения металла в процессе наплавки (Рис.

1.9).а)б)в)Рис. 1.9. Структурная диаграмма околошовного участка ЗТВ сварныхсоединений а) К52 (09Г2С); б) К56 (17ГС); К60 (10Г2ФБЮ)[60]Как видно из приведенных диаграмм, структура металла ОШУ трубныхсталей категории прочности К52 – К60 в зависимости от скорости охлажденияизменяется от ферритно-перлитно-бенитной до бенитно-мартенситной. По мереформирования и увеличения количества мартенсита в структуре наблюдаетсяснижение ударной вязкости металла и повышение твердости.

Это приводит кнеобходимости ограничения максимально допустимой скорости охлаждения36металла ОШУ ЗТВ при достижении хотя бы по одному показателюмеханических свойств предельного значения. Так у стали 09Г2С ударнаявязкость снижается ниже 39 Дж/см2 при скорости охлаждения 700С/с, а у стали17ГС – при 60 0С/с. У стали 10Г2ФБЮмаксимальная скорость охлажденияограничена величиной около 100 0С/с соответствующей значению твердости350 HV.При этом следует учитывать тот факт, что ремонтные работыпроводятся на металле, бывшем в эксплуатации длительное время. Накоплениедефектов кристаллического строения в результате действия эксплуатационныхнагрузок приводит к существенному охрупчиванию металла, повышениюпрочности и снижению уровня вязкости.Так, согласно данным работы [60] обеспечение нормативных значенийударной вязкости металла ОШУ ЗТВ сварных соединений, выполненных натрубах с разным сроком службы достигается в диапазоне скоростейохлаждения в интервале температур 800-500 0С, указанных в Таблице 1.10.Таблица 1.10.Рекомендуемые диапазоны скоростей охлаждения ОШУ ЗТВ сварныхсоединений, выполненных на трубах с разным сроком службыКатегорияпрочностиДиапазоны скоростей охлаждения металла ОШУ ЗТВсварных соединений, выполненных на трубах с разнымсроком службы:Свыше 15 иДо 15 летдо 30 летК50 (на примерестали 09Г2С)от 5 0С/с до 50 0С/сК55 (на примерестали 17Г1С)от 5 0С/с до 50 0С/сот 5 0С/сдо 20 0С/сСогласно данным работы [60] изменение скорости охлаждения взависимости от температуры подогрева зоны ремонта и погонной энергиисварки можно оценить по графикам на Рис.

1.10.скорость охлаждения, 0С/с37140120100806050 С40150 С20250 С00,60скорость охлаждения, 0С/с1001,441,94140180220погонная энергия, кДж/ммсила тока, А2,50260а)25020015010050 С50150 С250 С00,49100скорость охлаждения, 0С/с0,950,781,181,58140180220погонная энергия, кДж *с/ммсила тока, А2,04260б)14012010080604020050 С150 С250 С0,601000,951,441,94140180220погонная энергия, кДж/ммсила тока, А2,50260в)Рис. 1.10.

Изменение скорости охлаждения (w8-5) металла ОШУ ЗТВ взависимости от режимов сварки и температуры подогрева при выполнении:а) корневого слоя; б) заполняющего слоя; в) облицовочного слояКаквидноизпредставленныхданных,притемпературепредварительного подогрева 150 0С скорость охлаждения металла для разных38слоев составляет от 80С/с до 200С/с. При снижении температуры0предварительного подогрева до 500С диапазон скоростей охлаждения для техже значений погонных энергий смещается в интервал скоростей охлаждениясвыше 500С/с, что не позволяет обеспечить нормативный уровеньмеханических свойств околошовного участка ЗТВ ремонтной наплавки,выполненной на трубах категории прочности К52 – К60 бывших вэксплуатации.Таким образом, проведённые исследования проблемы интенсификациитеплоотвода из зоны нагрева при ремонте методами сварки-наплавки исварными муфтами позволяют сделать следующие выводы:Повышение безопасности и качествавыполнения ремонтных работопределяет необходимость обоснования областей применимости технологийремонта несквозных дефектов в условиях интенсивного теплоотвода иразработкитребованийпродолжительностипорегламентациимежоперационногопредельноинтервала,допустимойобеспечивающейсохранение заданной температуры подогрева.Обеспечение нормативных требований по механическим свойствамметалла околошовного участка зоны ремонта на трубах категории прочностиК52 – К60, бывших в эксплуатации, требует ограничения диапазона скоростейохлаждения в процессе сварки-наплавки 500С/с, что дополнительно ужесточаеттребования к обеспечению не только режимов сварки, но и температурысопутствующего подогрева.1.4.

Современные способы оценки влияния условий теплоотвода из зонынагрева при ремонте методами сварки-наплавкиРасширение условий проведенияремонтных работ на газопроводахприводит к появлению проблемы ускоренного охлаждения металла зоныремонта, как на этапе предварительного подогрева, так и сопутствующегоподогрева.

Усиление оттока теплоты из зоны ремонта вызвано такими39факторами как наличие компримированного газа вполости трубопровода,влияние вынужденной конвекции при ремонте без остановки перекачки газа,отрицательные температуры металла и газовой среды при ремонте в зимнийпериод. Интенсификация теплоотвода в процессе выполнения ремонтных работнаталкивает на необходимость анализа параметров, определяющих скоростьохлаждения металла зоны ремонта в межоперационный период от окончанияпредварительного или сопутствующего подогрева и до начала наплавки.Необходимость учета значительного числа факторов, влияющих натеплоотвод, требует разработки расчетных методик по оценке тепловых полей,формирующихся в стенке газопровода на разных этапах ремонта.

Для ихсоздания в работе был выполнен анализ существующих теоретическихподходов к расчету термических циклов в условиях сварочного подогрева,осложненного интенсивным теплоотводом в компремированный газ.Основы расчета тепловых процессов при сварке заложены выдающимсяисследователем сварочных процессов академиком Николаем НиколаевичемРыкалиным. В последствии они были развиты Фроловым В.В., Ерохиным А.А..Из современных авторов можно отметить Мазель А.Г., Макарова Э.Л.,Башенкова В.В., Куркина А. С., Березовского Б.М., Гладкова Э.А., ДемченкоВ.Ф. и других отечественных и иностранных ученых.Неравномерное распределение тепла после локальноготепловоговоздействия является причиной начала процесса выравнивания температурывнутри тела и теплообмена с окружающей средой и другими телами.

При этомпередачатеплотыпроисходитзасчеттрехвидовтеплообмена:теплопроводности, конвекции и излучения (радиации).Обычно, наиболее значительный перенос теплоты в неравномернонагретых твердых телах происходит за счет теплопроводности. Он подчиняетсяосновному закону теплопроводности - закону Фурье, согласно которомутепловой поток пропорционален температурному градиенту[17]: = −() = −(1.1)40где:q=dQdFdt– удельным тепловой поток, Дж/см2∙с или Вт/см2;λ – коэффициент теплопроводности, Дж/см∙с∙К;qrad(T) =∂T∂n– градиент температуры по нормали к изотермическойповерхности.Зависимость между температурой, временем и координатами точек телапри его неравномерном нагреве устанавливает дифференциальное уравнениетеплопроводности. При переменном коэффициенте λ, который может зависетьот координат, времени или температуры, дифференциальное уравнениетеплопроводности (соответствующее нестационарному процессу) представляютв форме уравнениям в частых производных второго порядка параболическоготипа:сρ∂T∂t=∂∂T∂∂T∂∂T(λ ∂x ) + ∂y (λ ∂y) + ∂z (λ ∂z ) + q∂x(1.2)где:с – массовая удельная теплоемкость, Дж/г ∙К;ρ – плотность тела в нормальных физических условиях, г/см3;cρ = С – удельная объемная теплоемкость , Дж/см3∙К;q – удельная мощность внутреннего источника тепла (при его наличии), Вт/см3.Расчет температурного поля упрощается, если по условиям задачи сдостаточной для практики точностью в качестве физических условий можнопринять коэффициент теплопроводности λ и удельную объемную теплоемкостьcρ постоянными.

Тогда дифференциальное уравнение теплопроводности принестационарном процессе становится линейным и принимает вид:=2 2 2 + 2 + 2 ) + = ∇2 +(с 2сс(1.3)где:=с– коэффициент температуропроводности , см2/с;2 2 2 2∇2 = (+2+2) – оператор Лапласа в прямоугольной системе координат.41При стационарном процессе распространения теплоты температура независит от времени идифференциальное уравнение теплопроводностипринимает вид:a∇2 T +Длярешенииqсρ=0дифференциальных(1.4)уравненийтеплопроводности,описывающих сварочные процессы, задают условия однозначности (краевыеусловия), которые включают в себя физические, геометрические, граничные иначальные (временные) условия [18].Физические условия характеризуютфизические свойства участвующих в теплообмене тел.

Граничные условияотражают взаимодействие поверхности изучаемого тела с окружающей средой.Геометрические условия отражают форму и размеры тел или их поверхностей,участвующих в теплообмене. Начальные условия определяют начальноесостояние системы и изменение граничных условий во времени.Устанавливая физические условия при сварочном процессе необходимоотметить,чтокоэффициенттемпературопроводности,такжекакикоэффициент теплопроводности и теплоемкость металлов существенно зависятот температуры, плотность же металла при этом изменяется незначительно.Так, на Рис. 1.11 представлены графические зависимости изменениятеплофизических свойств низкоуглеродистой стали с содержанием углерода0,1% от температуры.Однако, часто при аналитическом решении тепловых задач сварочныхпроцессовиспользуютзначениятеплофизическихкоэффициентов,усредненные в рассматриваемом диапазоне температур как это сделано вработах [20,21].