авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Разработка методов диагностирования целостности защитных покрытий труб при строительстве магистральных газопроводов

-- [ Страница 2 ] --

С целью устранения указанных недостатков для диагностирования защитных покрытий труб был экспериментально адаптирован акустический импедансный метод, который основан на зависимости механического импеданса Z, характеризующимся отношением комплексной амплитуды F возмущающей силы к комплексной амплитуде возбуждаемой ею колебательной скорости контролируемого объекта, от наличия дефектов в контролируемом покрытии. При этом в трубе с покрытием возбуждаются изгибные упругие колебания звукового диапазона частот. В отличие от характеристического импеданса Z = ·с ( - плотность среды, с – скорость звука в ней), являющегося свойством среды, механический импеданс является параметром конструкции.

В ходе экспериментальной отработки метода на образцах установлено, что при возбуждении контролируемого покрытия трубы излучающим вибратором раздельно-совмещенного преобразователя амплитуда сигнала на выходе его приемного вибратора зависит от механического импеданса изделия в точках соприкосновения вибраторов с объектом. На дефектных участках контролируемого покрытия модуль импеданса меньше, чем в бездефектных зонах, поэтому амплитуда сигнала на выходе приемного вибратора обычно увеличивается, что является признаком дефекта.

Для калибровки прибора разработан и изготовлен контрольный образец (рис. 2).

Рис. 2 Имитационный образец для настройки импедансного дефектоскопа

1 – верхний стяжной элемент; 2 – нижний стяжной элемент; 3 - полиэтиленовое покрытие; 4 – стяжной болт; 5 – нажимной болт; 6 – нажимной элемент

Целью экспериментов является улучшение информативности неразрушающего импедансного метода за счет создания оптимальных условий контроля, при которых характеристики физико-акустических свойств покрытия соответствуют величинам оптимальной чувствительности импедансного метода, а также за счет использования калибровочных зависимостей наличия нарушений соединения, получаемых на образце и применяемых для процедуры настройки приборов.

Образец состоит из верхнего 1 и нижнего 2 кольцевых стяжных элементов, между которыми зажимается полиэтиленовое покрытие. В образце имитируется плотное прилегание отслоившегося покрытия. Нажимные болты 5 при закручивании упираются в нажимной элемент 6, при этом верхняя часть нажимного элемента взаимодействует с нижней поверхностью полиэтиленового покрытия 3.

Контактные поверхности верхнего зажимного и нижнего зажимных элементов имеют шероховатость, исключающую проскальзывание полиэтиленового покрытия при нагружении. После завершения сборки, образец постепенно нагревается, при этом производятся контрольные замеры с помощью импедансного дефектоскопа. При нагреве образца происходит расширение полиэтиленового изоляционного покрытия, в результате чего зазор между нажимным элементом и нижней поверхностью полиэтиленового покрытия увеличивается до некоторой величины, что способствует увеличению выходного сигнала индикатора дефектоскопа при проведении измерений. На основании замеров, проведённых на образце, строят калибровочные зависимости величины выходного сигнала импедансного дефектоскопа и температуры полиэтиленового изоляционного покрытия, по которой определяют оптимальный диапазон температур контроля t (рис. 3). На калибровочных зависимостях также указывается график, характеризующий выходной сигнал дефектоскопа при контроле хорошо приклеенного покрытия при различной температуре, а так же график, показывающий усилие отрыва приклеенного полиэтиленового покрытия от поверхности трубы, в зависимости от температуры.

 ависимости усилия отрыва защитного покрытия (1), выходного сигнала-8

Рис. 3 Зависимости усилия отрыва защитного покрытия (1), выходного сигнала дефектоскопа (2) и хорошо приклеенного покрытия (3) от температуры

Контроль защитного покрытия после сварки труб выполняется в прикромочной зоне покрытия, а также в районе продольного сварного шва трубы. Перед проведением измерений область проведения исследований нагревается до необходимой температуры, после чего датчик дефектоскопа перемещается по поверхности покрытия и по показаниям прибора устанавливается наличие отслоений, а также их геометрические размеры.

В ходе промышленного внедрения импедансного метода выявлены единичные сквозные и несквозные, одиночные и групповые дефекты защитного покрытия, в том числе в окрестности сквозных дефектов выявлены скрытые, значительные по площади отслоения, которые не могли быть выявлены другими методами. Практически все дефекты покрытия сопровождаются отслоениями площадью, превышающую площадь видимого дефекта в 2–10 раз.

В третьей главе разработаны рекомендации по поддержанию защитной способности покрытий при длительном хранении труб. Новыми, ранее не применяющимися организационно-техническими мероприятиями, обеспечивающими сохранность защитных покрытий при хранении труб, являются:

- периодическая перекладка труб в штабелях;

- использование защитных укрытий (экранов).

Периодическая перекладка необходима при хранении труб без использования защитных экранов, так как в этом случае вследствие длительного воздействия (в летний период) прямых солнечных лучей, способствующих неравномерному нагреву поверхности труб, а также под действием внутренних напряжений возможны деформации некоторых участков покрытия и, как следствие, возникновение отслоений. Длительное воздействие солнечных ультрафиолетовых лучей способствует растрескиванию поверхности покрытия за счет деструкции. Перекладку штабелей труб выполняют один раз в 2 года в летний период при температуре воздуха не менее плюс 20 °С. При перекладке трубы с защитным покрытием из нижнего ряда, покрытие которых испытывает наибольшее давление в зонах контактного соприкосновения, укладывают в верхний ряд вновь формируемого штабеля. При длительном (более 2 лет) хранении труб с защитными покрытиями в трассовых условиях применяют защитные укрытия (экраны), изготавливаемые из укрывного материала, отражающего солнечные лучи и обеспечивающего однородность распределения температур на поверхности защитного покрытия труб.

Разработаны мероприятия по предохранению защитных покрытий труб в ходе сварочных работ при строительстве трубопроводов. Расчетным путем проводилась оценка распределения теплового поля сварки по трубе с защитным покрытием заводского нанесения. Цель расчета - обосновать уравнение, позволяющее определять температуру покрытия для прогноза его состояния (твердое, эластичное, вязко-текучее) при сварке. За основу расчета была взята известная методика расчета температур сварки в трубе без покрытия Н.Н. Рыкалина (1959 г.). Данная методика была усовершенствована путем учета влияния полимерного защитного покрытия в процессах теплообмена (рис. 4).

Рис. 4 Схема к расчету распределения сварочного тепла по трубе с покрытием

1 – труба, 2 – покрытие, Q – теплота от сварочной дуги, Q1- теплота на кромке покрытия, Q/ - теплота на удалении L2 от кромки покрытия, Q// – теплота конвективной теплоотдачи через покрытие, Q/// – теплота конвективной теплоотдачи внутрь трубы, П – толщина покрытия, М – толщина трубы

Теплота Q1 характеризует такой вид передачи тепла, как теплопроводность и определяется по формуле:

, (1)

где м – коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м·0С); Sсеч – площадь поперечного сечения трубы, м2; – время действия сварочной дуги, с.

Площадь поперечного сечения трубы Sсеч определяется по формуле:

(2)

где D – внешний диаметр газопровода, м.

Время сварки или время излучения электрической дугой теплоты определяется из выражения:

(3)

где Dср – срединный диаметр трубы, мм; – скорость перемещения источника, м/с; n – общее число проходов сварочного аппарата.

Теплота Q2 определяется по формуле:

(4)

где 3 – коэффициент теплоотдачи от трубы в пространство окружающей среды, Вт/(м2·0С); – площадь теплоотдающей поверхности (участок 1-2, внешняя поверхность трубы), м2; T1 – температурный напор, 0С; t – время с момента начала сварки, с.

Площадь теплоотдающей поверхности выражается формулой:

(5)

Температурный напор находится по формуле:

(6)

где Tср – средняя температура по трубе на участке длиной L1, 0C; Tос – температура окружающей среды, 0C

В общем случае средняя по длине участка трубы температура определяется по следующей формуле

(7)

Теплота Q3 определяется аналогично теплоте Q2:

, (8)

где – площадь теплоотдающей поверхности (участок 1-2, внутренняя поверхность трубы), м2.

Площадь теплоотдающей поверхности выражается формулой:

(9)

где d – внутренний диаметр газопровода, м.

Определив все исходные величины, составляем уравнение теплового баланса, для нахождения закона распределения температуры на участке 1-2:

(10)

Введем следующие обозначения:

  • ;
  • .

Решая уравнение (10), получаем следующую зависимость:

(11)

где x – расстояние от источника тепла до искомой точки.

Теплота Q1, распространяясь на участке 2 – 3, разделится на 3 части:

  • Q/ – будет распространяться дальше вдоль трубы на участке длиной L2;
  • Q// - теплоотдачи от внешней поверхности трубы через слой покрытия в окружающую среду;
  • Q/// - теплоотдачи от внутренней поверхности трубы.

Меры этих теплот определяются подобно их аналогам на участке 1 – 2:

, (12)

, (13)

, (14)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·0С), – площадь теплоотдающей поверхности (участок 2-3, внешняя поверхность трубы), м2; – площадь теплоотдающей поверхности (участок 2-3, внутренняя поверхность трубы), м2; T2 – температурный напор, 0С.

Коэффициент теплопередачи k, при условии, что трубное покрытие будет играть роль стенки, определяется по формуле:

, (15)

где 1 – коэффициент теплоотдачи от материала трубы к покрытию Вт/(м2°С); п – толщина слоя покрытия, мм; п – коэффициент теплопроводности материала покрытия, Вт/(м·0С); 2 – коэффициент теплоотдачи от материала покрытия в окружающую среду, Вт/(м2°С).

Тепловой расчет на участке 2-3 аналогичен участку 1-2, с учетом следующих характеристик покрытия:

  • толщина слоя покрытия п;
  • теплопроводность покрытия п;
  • коэффициент теплоотдачи покрытия в окружающую среду 2.

Введем следующие обозначения:

  • ;
  • .

Определив все исходные величины, составляем уравнение теплового баланса, для нахождения закона распределения температуры на участке 1-3:

(16)

Порядок решения полученного уравнения (16) описан ранее, поэтому запишем только закон распределения температуры на участке 2 – 3:

(17)

С учетом формулы (11) перепишем уравнение (17) в следующем виде:

(18)

Расчетные данные температур сварочного процесса были проверены экспериментально на трубосварочной базе. На первом этапе исследований был выполнен визуальный осмотр кромок защитного покрытия двухтрубных секций, расположенных в окрестности сваренных стыков. Установлено, что степень оплавления определяется толщиной свариваемых труб, а также расстоянием от сварного стыка до кромки покрытия. В большинстве случаев, для труб с толщиной стенки 21,6 мм наблюдается оплавление поверхности кромки покрытия, ширина зоны оплавления составляет 0,8–1,5 см.

Очевидно, что такой вид оплавления возникает под действием теплового излучения сварки, при этом покрытие не прогревается на всю толщину, и усадки не происходит. Для толстостенных труб (26,7 мм) зафиксировано значительное оплавление и деформация кромки покрытия, в некоторых случаях сопровождающаяся локальным отслоением и усадкой небольших участков на глубину 2–3 мм. Измерение температуры на поверхности защитного покрытия проводили несколькими датчиками, разнесенными от кромки торцевой кромки покрытия вдоль оси трубы через 10 см. Результаты измерения температуры защитного покрытия в момент завершения сварки для труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 21,6 и 26,7 мм представлены на рис. 5.

а) б)

Рис. 5 Зависимость температуры на поверхности защитного покрытия трубы диаметром 1420 мм с толщиной стенки 26,7 мм (а) и 21,6 мм (б) от времени после завершения сварки

1 – температура металла на границе с кромкой покрытия; 2 – температура покрытия на кромке; 3 – в 10 см от кромки; 4 – в 20 см от кромки; 5 – в 30 см от кромки; 6 – в 40 см от кромки; 7 – в 50–100 см от кромки

Установлено, что температура металла трубы вблизи кромки покрытия составляет порядка 120 С, и после завершения процесса сварки начинает убывать со скоростью 0,025 град/с. Температура на поверхности покрытия после завершения сварки, напротив, временно несколько увеличивается. При этом, с одной стороны, начальная температура уменьшается с удалением от торцевой кромки покрытия, что объясняется удалением от источника сварочного тепла, с другой стороны наблюдается возрастание температуры от начального значения во времени, причем длительность этого возрастания обратно пропорциональна удалению датчика от торцевой кромки покрытия. Это объясняется тем, что с приближением к точке сварки количество сварочного тепла увеличивается, в том числе и за счет нагрева излучением, которое является быстродействующим и быстро уменьшается со временем. С удалением от источника сварочного тепла увеличение температуры происходит за счет аккумулирования тепла металлом трубы, изолированным от конвективного теплообмена с воздухом защитным полимерным покрытием.

Очевидно, что вблизи торцевой кромки покрытия максимальная температура будет превышать 90 С, с удалением от кромки по оси трубы распределение максимальных температур в покрытии будет подчиняться графикам, показанным на рис. 5 пунктирными линиями. С аналогичным расположением температурных датчиков на поверхности покрытия вдоль оси трубы с дискретностью 10 см от кромки получены зависимости температуры от расстояния до сварного шва в различное время после окончания сварки (рис. 6).

а) б)

Рис. 6 Зависимость температуры на поверхности защитного покрытия трубы диаметром 1420 мм с толщиной стенки 26,7 мм (а) и 21,6 (б) от расстояния до сварного шва при различном времени после завершения сварки

1 – после завершения сварки; 2 – через 7 мин; 3 – 20 мин; 4 – 35 мин; 5 – 10 мин;
6 – 20 мин; 1-4 толщина стенки трубы 26,7 мм, 5,6 - 21,6 мм

Подтверждено, что в этот период происходит перераспределение тепла вдоль оси трубы от торцевой кромки в покрытие, характеризуемое плавным уменьшением температуры на кромке с одновременным увеличением температуры удаленного от кромки покрытия. Из графиков также следует, что разогрев покрытия после завершения сварки тем выше, чем больше толщина стенок свариваемых труб. Установлено, что изменение температуры при сварке подчиняется следующей зависимости: интенсивный прирост температуры при приближении сварочной дуги к датчикам, достижение некоторого промежуточного максимального значения, плавное охлаждение до момента вторичного приближения дуги к датчикам, после которого следует дальнейший рост температуры и т.д. Измерение температуры стенки трубы на различном удалении от сварного шва проводилось с внутренней поверхности трубы (рис. 7). Датчики располагались вдоль сварного шва с расстоянием между датчиками и от шва 10 см (рис. 7, а) и перпендикулярно сварному шву с таким же расположением (рис. 7, б).

Наибольшая интенсивность роста температуры наблюдается на расстоянии до 20 см до сварного шва, скорость увеличения составляет 0,007 град/с. Для определения соответствия полученного расчетного выражения распределения температуры в стенке трубы при сварке, построили зависимости, характеризующие расчетное и экспериментальное распределение температуры. Очевидно, что для адаптации полученного теоретического уравнения к экспериментальным данным необходимо ввести поправочный коэффициент (рис. 8). Величина поправочного коэффициента определялась с помощью табличного редактора MS Excel, для чего, используя вкладку «Поиск решения» выполнялся подбор такого коэффициента, при котором сумма квадратов разностей соответствующих значений в двух массивах данных (расчетном и экспериментальном) будет минимальной.

 а) б) ависимость температуры стенки трубы от времени после-39

 а) б) ависимость температуры стенки трубы от времени после-40

а) б)

Рис. 7 Зависимость температуры стенки трубы от времени после начала сварки с расположением датчиков вдоль шва (а)) и перпендикулярно шву (б) на различном расстоянии от сварного шва

1 – 20 см от шва; 2 – 30 см; 3 – 40 см; 4 – 50 см

 кспериментальная и теоретическая зависимости температуры от-41

Рис. 8 Экспериментальная и теоретическая зависимости температуры от расстояния до сварного шва

1 – теоретическая зависимость; 2 – теоретическая зависимость с учетом поправочного коэффициента; 3 – экспериментальная зависимость

В результате формула (18) принимает окончательный вид

, (19)

где f – поправочный коэффициент, составляющий 2,9–3,1.

Необходимость корректировки исходного расчетного уравнения распределения температурного поля при сварке объясняется, прежде всего, тем, что при расчетах использовались упрощенные модели, в которых не учитывались все факторы, сопровождающие процесс сварки. Например, известно, что теплопроводность некоторых сталей при нагреве до высоких температур может постепенно снижаться в 2–2,5 раза, при этом удельная теплоёмкость может возрастать более чем в 1,5 раза. Т.е. в данном случае все теплофизические постоянные, также будут представлять собой некоторые функции температуры, использование которых при определении теоретического закона распределения может значительно усложнить расчеты.

Итак, из результатов анализа при сварке следует, что интенсивность термического влияния на кромки покрытия труб зависит от расстояния до рассматриваемого сечения; температуры предварительного подогрева; режимов сварки и временного цикла «нагрев-охлаждение».



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.