Диссертация (1026131), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Максимальная температурасварочного подогрева принималась равной 180 0С и 130 0С в соответствии стребованияминормативныхпродолжительностьдокументов.межоперационногопериодаПредельнодопустимаяограничиваласьфактомснижения температуры подогрева да 120 0С и 80 0С соответственно.Ширина УДП принималась равной 100 мм в соответствии с требованияминормативных документов.
Так же рассматривались случаи её уменьшения иувеличения, что имеет место в практике проведения ремонтных работ.Необходимо отметить, что втепловом расчёте не учитывалась разница втолщинах стенки трубы в зоне выборки и прилегающего к ней УДП. Расчётпроводился как для пластины с толщиной, равной остаточной толщине стенкитрубы после выборки.Исходя из этого, температурное поле от начального плоского распределения( ′ , ′ , 0) в соответствии с (2.1) было представлено в виде суммы приращенийтемпературотмгновенныхэлементарныхлинейныхисточников,распределённых по площади зоны нагрева по нормали к стенке трубы с учётомтеплоотдачи:∞∞(−′)2 +(−′)21′ ′′′ −4∆(, , ) =∫ ∫ ( , , 0) ∙ − (2.2)4−∞ −∞Далее были выведены расчётные выражения для температуры стенки трубыпри различной форме зоны нагрева.
Расположив начало Декартовой системыкоординат в центре выборки, а оси Х и У параллельно сторонампрямолинейной выборки (Рис. 2.1), распределение температур во времени научастке нагрева можно записать в соответствии с выражением (2.2) как:61(, , ) = 0 + ∆(, , ) = 0 +∆макс4+УДП2+УДП2∫∫ ′ ′ −(−′)2 +(−′)24∙ −−( +УДП) −( 2 +УДП)2(2.3)где:Ly и Lx – ширина и длина прямолинейной выборки, мм;УДП – ширина участка дополнительного подогрева, мм (Рис. 2.1).Рис.
2.1. Схема нагрева участка ремонта с прямолинейной выборкойРасположив начало полярной системы координат в центре круглойвыборки (Рис. 2.2), распределение температур после окончания подогрева и доначала процесса сварки-наплавки можно записать как:2 2 +УДП∆макс(, , ) = 0 + ∆(, , ) = 0 +∫ ∫402′′ ′ − 2 + ′ −2∙∙ ′ ∙( ′ −)4∙ −0(2.4)где:D – диаметр выборки, мм;r; φ – круговые координаты анализируемой точки зоны нагрева, мм;рад.ЗонавыборкиπЗонанагрева62Рис.
2.2. Схема нагрева участка ремонта с круглой выборкойРаспределение температур по площади овальной выборки можновычислить, представив зону нагрева как три независимых участка нагрева (Рис.2.3) и суммируя приращения температур от каждого из них в соответствии спринципом суперпозиции температурных полей [22]: = 0 + ∆Т1 + ∆Т2 + ∆Т3 ,(2.5)где:Т1 – приращение температуры от прямолинейного участка нагрева 1 (Рис. 2.3);∆Т2 , ∆Т3 - приращение температуры от полукружных участков нагрева 2 и 3(Рис.
2.3), соответственно.Рис. 2.3. Схема нагрева участка ремонта с выборкой овальной формы63Ниже представлены выражения для приращения температуры от каждогоучастка нагрева для овальной выборки в собственной системе координат:∆макс∆1 (1 , 1 , ) =4+УДП2 −2∫∫22(1 −1′ ) +(1 −1′ )′′ −41 1 ∙ − −−( 2 +УДП) − 2(2.6) +УДП2 2∆макс∆2 (2 , 2 , ) =∫ ∫4−222 2 +2 ′ −2∙2 ∙2 ′ ∙(2 −2 ′)′′ ′ −42 2 2 ∙ −0(2.7) +УДП2 2∆макс∆3 (3 , 3 , ) =∫ ∫4−223 2 +3 ′ −2∙3 ∙3 ′ ∙(3 −3 ′)′′ ′ −43 3 3 ∙ −0(2.8)2.2. Моделирование условий теплоотвода в зоне ремонта после сварочногоподогрева при полном сбросе давления в газопроводеПри невозможности проведения ремонтных работ на газопроводах,находящихся под давлением и перекачивающих газ, ремонт дефектов можетосуществляться после остановки перекачки и сброса избыточного давления. Вэтом случае наибольшее влияние на снижение температуры металла зоныремонта после сварочного подогрева оказывает теплопроводность [8].Как видно из полученных расчётных выражений (2.3-2.8) основноевлияние на снижение температуры нагретого участка трубопровода за счёттеплопроводности должны оказывать: форма и размеры выборки, ширина64участка дополнительного подогрева, расположение анализируемой точкиотносительно центра выборки, начальная температура металла и максимальнаятемпература нагрева.
Для оценки влияния каждого из этих факторов былипроведены расчётные эксперименты, используя указанные выражения и сучётом регламентированных при ремонте на участках газопроводов безизбыточного давления газа диапазонов применимости, рассмотренных вразделе 1.2.Форма выборки и соответствующей ей зоны нагрева определяетпериметр, через который осуществляется теплоотвод в холодную часть стенкитрубы. На Рис. 2.4 графически представлена зависимость изменения периметраот площадидля случаякруглой ипрямолинейной(с минимальнойрегламентируемой шириной 20 мм) выборок. Как видно из представленныхданных, их периметр при одинаковой площади может отличаться более чем втри раза. При этом разница в периметре тем больше, чем больше площадьвыборки.Форма выборки:Рис.
2.4. Зависимость периметра от площади для выборок круглой ипрямолинейной (шириной 20 мм) формыТакимобразом,выборкакруглойформыбудетостыватьмедленнеепрямолинейной. Величина скорости остывания выборки овальной формы будет65находиться между скоростью охлаждения круглой выборки аналогичнойплощади и прямолинейной, той же площади и ширины. При одинаковойплощади зоны нагрева прямолинейных выборок наибольшая скоростьохлаждения будет регистрироваться у выборки, имеющей минимальноезначение одного из двух габаритных размеров.
С увеличением габаритныхразмеров, а вместе с этим и количества аккумулированного тепла, для выбороклюбой формы скорость охлаждения снижается.Распределение температур по поверхности выборки может быть так жезначимо для правильной интерпретации данных при замерах температур передначалом наплавки. Очевидно, что наибольшую скорость охлаждения длякруглой выборки будут иметь участки, расположенные по её периметру (точкаВ, рис.
2.2), в то время, как у прямолинейной выборки быстрее всего будутохлаждаться угловые участки выборки (точка В, рис. 2.1). Наименьшаяскорость охлаждения во всех вариантах будет наблюдаться в центральной частивыборок (точка А на рис. 2.1 и 2.2).На Рис. 2.4а и 2.4в представлены полученные расчётные диаграммыохлаждения границы и центра круглой выборки диаметром 210 мм и площадью35 000 мм2, а на Рис. 2.4б и 2.4г диаграммы охлаждения угловых точек и центрадля прямолинейной выборки шириной 70 мм и площадью 35 000 мм2 приТемпература, 0Сширине УДП 100 мм.АВВремя, са)Температура, 0С66АВб)Температура, 0СВремя, сАВв)Температура, 0СВремя, сАВг)Время, сРис. 2.4 Диаграммы охлаждения точек А и В круглой и прямолинейнойвыборок в нормируемых диапазонах 180 0С – 120 0С (а,б) и 130 0С – 80 0С (в,г)при начальной температуре стенки трубы T0=20 0CДанные графики характеризуют градиент температур по поверхностивыборок одинаковой площади в процессе охлаждения в нормируемых67диапазонах температур предварительного подогрева 180 0С – 120 0С и 130 0С –80 0С в зависимости от длительности межоперационного периода.
При этомразница температур между точкой А и B в процессе остывания обусловленаразличной скоростью охлаждения, которая так же изменяется во времени. Так,если через 90 секунд после окончания предварительного подогрева температурав точке В для прямоугольной выборки меньше примерно на2 %, чемтемпература по центру, то через 180, 270 и 360 секунд эта разница составляетуже 9, 15 и 19 %, соответственно. Градиент температур для выборки круглойформы будет меньше и разница между температурой центра и края выборкичерез 360 секунд составляет порядка 13 %.Доминимальнодопустимойдляначалатемпературы предварительного подогрева 120наплавочногопроцессаС металл центра круглой0выборки согласно расчётам остывает со 180 0С за 1328 секунд, а металл награнице выборки за 875 секунд. При этом для центра прямолинейной выборкиэто время составит уже 1104 секунды для центра и 597 секунд для угловыхточек.
Для критической температуры 80 градусов при максимальном нагреве130 0С эти величины составляют 1672 и 1156 секунды для круглой и 1465 и804 секунды для прямолинейной выборки соответственно. Таким образом,максимальная разница во времени остывания, а значит и их скоростиохлаждения, между крайними точками рассмотренных выборок и их центрамисоставляет почти 82 %. Поэтому контроль температуры целесообразнопроводит именно в приграничной области выборки или на ее границах.Необходимо отметить, что СТО Газпром рекомендуют проводить несколькозамеров на удалении 10-25 мм от края выборки по её периметру.Проведение ремонтных работ при отрицательных температурах такжевызывает рост скоростиохлажденияметалла выборки.На Рис.
2.5представлены графики снижения температуры металла круглых выборокразличного диаметра после подогрева до 180 0С при температуре окружающеговоздуха плюс 20 0С и при минус 40 0С.68а)б)Рис. 2.5 Диаграммы охлаждения металла границы круглой выборки различногодиаметра при начальной температуре стенки трубы Т0:а) + 20 0С; б) - 40 0СКак видно из представленных данных время достижения минимальнодопустимой для рассматриваемого случая температуры 120 0С изменяется взависимости от диаметра выборки в диапазоне от 316 до 875 секунд при Т 0равной плюс 20 0С, и от 238 до 605 при Т0 равной минус 40 0С. Таким образом,максимальнаяразницамеждумаксимальнойпродолжительностью69межоперационного интервала для рассматриваемого диапазона диаметроввыборки при начальной температуре минус 40 0С и плюс 20 0С составит почти45 %.
Необходимо отметить, что в интервалетемператур предварительногоподогрева 130 0С – 80 0С вышеуказанная величина будет несколько меньше.Поверхностнаятеплоотдачатожевноситзначительныйвкладвформировании скорости охлаждения металла, особенно при малой остаточнойтолщине стенки трубы после выборки. С использованием рассматриваемых вразделе1.4зависимостейбылирассчитанытеплоотдачи при свободной конвекциизначениякоэффициентаот наружной и внутреннейповерхностей стеки трубы в окружающую среду и газ внутри полоститрубопровода в зависимости от параметров выборки, параметров нагрева, а также температуры окружающего воздуха при проведении ремонтных работ. Длямаксимальных размеров выборки при ширине УДП 100 мм и максимальнойтемпературе нагрева 180 0С коэффициент теплоотдачи при охлаждении навоздухе равен: 15,5 Вт/м2К при температуре окружающего воздуха минус 40 0С,12,8 Вт/м2К - при 0 0С и 10,8 Вт/м2К – при плюс 20 0С.
Эти значения и былиприняты в качестве консервативных при проведении ремонтных работ нагазопроводах со сбросом давления газа в трубе.С использованием выражений (2.3) и (2.4) были получены построеныграфики, характеризующие изменение скорости охлаждения металла круглыхвыборок в интервале температур плюс 180 0С - плюс 120 0С в зависимости от ихдиаметра, ширины участка дополнительного подогрева, остаточной толщиныстенки (Рис. 2.6). Начальная температура стенки трубы принималась равнойтемпературе окружающего воздуха в момент проведении ремонтных работ.ширина УДП 50 мм705100 мм10325200 мм1032а)ширина УДП 50 мм0.700.650.550.500.40100.353250.30100 мм0.450.250.20100.15200 ммСкорость охлаждения, 0С/с0.60320.100.050.001060110160210Диаметр выборки, ммб)Рис. 2.6. Графики изменения скорости охлаждения металла для круглойвыборки в интервале температур 180-120 0С при температуре окружающейсреды: а) +20 0С, б) – 400С71Как видно из графиков, величина диаметра круглой выборки влияет наскорость охлаждения металла по экспоненциальной зависимости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
