Диссертация (Разработка технологии ремонта газопроводов в условиях интенсивного теплоотвода), страница 9

разные участки тела охлаждаются с различной скоростью [31]. При этоминтенсивность падения температуры в теле существенно зависит от еготолщины или сечения [5]. Зависимость Т   x, y, z, t  в этом случае можнополучить,интегрируянестационарноедифференциальноеуравнениетеплопроводности.Аналитическое решение задачи нестационарной теплопроводности дляпредварительно нагретого термически толстого слоя, омываемого с однойстороны потоком газа, и полученное методом разделения переменных (методФурье) [38,31,39], представлено ниже: = н + Θ(г − н )2Θ = 1 − ∑∞=1 cos[ (1 − )] exp⁡(− )где: Θ – безразмерная температура; ≡ℎ2– критерий Фурье (безразмерное время);(1.16)(1.17)54 – коэффициент температуропроводности, м2/ч; – время, ч;ℎ – толщина пластины, м; ≡ℎ– критерий Био; – коэффициент теплоотдачи,Вт;м2 ∙град ≡ – безразмерная координата;ℎ – корни характеристического уравнения = = (−1)+12√ 2 + 2 ( 2 + 2 +);– параметр амплитуды колебаний температуры;н – начальная температура пластины , 0С;г – температура газа , 0С.Так же эта задачаΘ(, В)[38].При100), когда⁡ ≫решена графически с помощью номограмм видабольшихзначениях(практическипри >сразу после начала процесса поверхность тела охлаждаетсядо температуры жидкости.

При таких режимах теплообмена изменениетемпературы внутри тела определяется только термическим сопротивлениемтеплопроводности и дальнейшее увеличение уже не ускоряет процессохлаждения [31].Таким образом, на основе выполненного обзора способов оценки влиянияусловий теплоотвода из зоны нагрева при ремонте методами сварки-наплавкиможно сделать следующие выводы:исходя из обеспечения приемлемой для практического примененияточности решения, расчёт тепловых полей в зоне ремонта в межоперационныйпериод от момента окончания подогрева и до момента начала наплавкицелесообразнопроводитьспомощьюаналитическогорешениянестационарного уравнения теплопроводности методом источников с учётоминтенсивностиповерхностнойтеплоотдачи,критериальных уравнений подобия.определяемойспомощью55Основнымивидамитеплообменаприостываниизоныремонтагазопровода после предварительного или сопутствующего подогрева являютсятеплопроводность и конвекция. Влияние лучистого теплообмена в условияхремонта на газопроводе, находящемся в эксплуатации, пренебрежимо мала.Интенсивность теплоотдачи от поверхности нагретого участка зоныремонта при проведении ремонтных работ на газопроводах находящихся поддавлением или перекачивающих газ зависит от множества факторов, таких как:характер и скорость течения газа, теплофизические параметры газа в моментвыполнения ремонтных работ, температуры стенки трубы и газа; диаметргазопровода,пространственноерасположениеремонтируемогоучастка,которые необходимо учитывать ещё на начальном этапе решения задачитеплоотдачи при выборке критериального уравнения подобия.Принимаемыевтепловомрасчётеупрощенияонезависимоститеплофизических параметров металла от температуры и схематизациягеометриизоныремонтатребуютпоследующейэкспериментальнойверификации полученных расчетных значений.1.5.

Выводы по Главе 11.В настоящее время по совокупность технологических, экономических иэкологических факторов наиболее востребованными являютсятехнологииремонта без стравливания газа в атмосферу, реализуемые на действующихгазопроводах и газопроводах, находящихся под давлением, методами сваркинаплавки и сварными муфтами. В свою очередь, для обеспечения безопасностиикачествавыполненияработктакимметодамремонтадолжныустанавливаться особые требования по соблюдению технологий в соответствиис нормативными документами.2.Всоответствиисдействующейнормативнойдокументациейвзависимости от вида дефекта габаритные размеры выборки зоны ремонтанесквозных дефектов существенно изменяются от 20 мм до 650 мм и могут56иметькруглую,прямолинейнуюилиовальнуюформу,чтопослепредварительного подогрева приводит к формированию нагретых участковразличной площади, аккумулировавших разное количество теплоты при однойи той же температуре предварительного подогрева, и различной скорости ихохлаждения.3.Основным критерием оценки обеспечения качества металла зоны ремонтанормативнымтребованиямнаэтапеподогреваявляетсясохранениетемпературы подогрева в интервалах 180-120 0С или 130-80 0С.4.К основным факторам, интенсифицирующими теплоотвод из зоныремонта, могут быть отнесены отрицательная температура окружающей средыдо –40 °С, скорость транспортируемого потока газа до 25 м/с, избыточноедавление в газопроводе в диапазоне 1,2 -25 МПа.5.Повышение безопасности и качествавыполнения ремонтных работопределяет необходимость обоснования областей применимости технологийремонта несквозных дефектов в условиях интенсивного теплоотвода иразработкитребованийпродолжительностипорегламентациимежоперационногопредельноинтервала,допустимойобеспечивающейсохранение заданной температуры подогрева.6.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.7.Исходя из обеспечения приемлемой для практического примененияточности решения, расчёт тепловых полей в зоне ремонта в межоперационныйпериод от момента окончания подогрева и до момента начала наплавкицелесообразнопроводитьспомощьюаналитическогорешениянестационарного уравнения теплопроводности методом источников с учётом57интенсивностиповерхностнойтеплоотдачи,определяемойсостываниизоныпомощьюкритериальных уравнений подобия.8.Основнымивидамитеплообменаприремонтагазопровода после предварительного или сопутствующего подогрева являютсятеплопроводность и конвекция.

Влияние лучистого теплообмена в условияхремонта на газопроводе, находящемся в эксплуатации, пренебрежимо мала.9.Интенсивность теплоотдачи от поверхности нагретого участка зоныремонта при проведении ремонтных работ на газопроводах находящихся поддавлением или перекачивающих газ зависит от множества факторов, таких как:характер и скорость течения газа, теплофизические параметры газа в моментвыполнения ремонтных работ, температуры стенки трубы и газа; диаметргазопровода,пространственноерасположениеремонтируемогоучастка,которые необходимо учитывать ещё на начальном этапе решения задачитеплоотдачи при выборке критериального уравнения подобия.10.Принимаемыевтепловомрасчётеупрощенияонезависимоститеплофизических параметров металла от температуры и схематизациягеометриизоныремонтатребуютпоследующейверификации полученных расчетных значений.экспериментальной58Глава 2.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ В ЗОНЕ РЕМОНТАНЕСКВОЗНЫХ ДЕФЕКТОВ ГАЗОПРОВОДА, ФОРМИРУЮЩИХСЯПОСЛЕ СВАРОЧНОГО ПОДОГРЕВА В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХТЕПЛООТВОДА2.1. Общие подходы к моделированию тепловых полей в зоне ремонтанесквозных дефектов после сварочного подогреваВ соответствии с выполненным в главе 1 анализом применяемых методовтепловых расчётов для оценки изменения температуры металла в зоне ремонтав течение межоперационного интервала от момента окончания сварочногоподогрева и до момента начала наплавки был использован классический длярасчёта сварочных и наплавочных процессов метод источников.Стенка трубы рассматривалась как термически тонкая бесконечнаяпластина и теплоотдача с её внутренней и наружной поверхностей учитываласьс помощью введения в расчётное выражение безразмерного множителя − ,где =αcρs– коэффициент температуроотдачи [17].

Коэффициент теплоотдачиα рассчитывался с помощью теории подобия и критериальных уравнений,выведенных В.П. Исаченко и М.А. Михеевым,используемых обычно длярасчёта теплообмена в трубах [39,42].Исходя из этого, распределение температур через время t послеокончания нагрева в общем виде рассчитывалось по выражению:(, , , ) =∞1(4)32∞∞′′′′′∫ ∫ ∫ ( , , , 0) ′−(−′)2 +(−′)2 +(−′)24∙ −н ∙ −в−∞ −∞ −∞(2.1)где:а – коэффициент температуропроводности, мм2/с;t – время после окончания сварочного подогрева, с;х, у ,z – декартовы координаты анализируемой точки, мм;59bн =αнcρs– коэффициент температуроотдачи с наружной поверхности стенкитрубы, 1/с;bв =αвcρs– коэффициент температуроотдачи с внутренней поверхности стенкитрубы, 1/с;αн , αв – коэффициенты теплоотдачи с наружной и внутренней стеноктрубы,Вт;м2 ∙градc −⁡удельная⁡теплоёмкость⁡металла⁡трубы,ρ – плотность металла трубы,кгм3Дж;⁡кг∙град.Для решения тепловой задачи были определены следующие условияоднозначности.

При расчете использовались теплофизические характеристикиметалла труб, принятые по средним значениям для низкоуглеродистых инизколегированных трубных сталей в объединённом интервале нормируемыхтемператур подогрева от + 80 0С до + 180 0С [44]:- удельная теплоёмкость c = 540Дж;кг∙градкг- плотность⁡ρ = 7754 3 ;м- коэффициент температуропроводности а = 10 мм2/с.Нагревмоделировалсямгновеннымилинейнымиисточниками,распределёнными в поперечном сечении зоны ремонта, что наиболее близкосоответствует подогреву индукционным методом.Температура окружающего воздуха и начальная температура стенкитрубы рассматривались в диапазоне от минус 40 0С до плюс 20 0С, избыточноедавление газа в трубе – от 0 до 25 МПа, а скорость потока газа в работающемгазопроводе – в диапазоне от 0 до 25 м/с при температуре перекачиваемого газаот 0 до плюс 20 0С.Теплофизические параметры компримированного метана при различнойтемпературе и давлении брались из справочных пособий [56].60Рассматривались случаи подогрева прямолинейной, круглой и овальнойвыборок с прилегающими к ним участками дополнительного подогрева (УДП).Диапазоны геометрических размеров дефектных участков труб были принятыдля выборок равными: шириной (диаметром) от 5 (10) мм до 210 мм, длинойдо 650 мм при остаточной толщине стенки 5-32 мм.