Температурные и динамические процессы системы трубопровод-термоочистная машина тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Поляков, Артем Алексеевич

• Поляков, Артем Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Поляков, Артем Алексеевич

Основные обозначения и сокращения.

Введение.

1. Современное состояние вопроса по очистке полимерных изоляционных покрытий.

1.1. Магистральные трубопроводы, их защита от коррозии и очистка.

1.1.1. Краткие сведения о трубопроводах.

1.1.2. Изоляционные полимерные покрытия и их характеристики

1.1.3. Способы наружной очистки трубопроводов.

1.1.4. Устройства, машины для очистки изоляционных покрытий трубопроводов.

1.2. Динамические вопросы механических систем очистных машин.

1.2.1. Динамические особенности очистных машин.

1.2.2. Колебания систем с сосредоточенными и распределенными параметрами.

1.2.3. Обзор по расчету и исследованиям динамики шарнирных систем.

1.3 Методы, используемые при решении задач исследования.

1.3.1. Методы испытания материалов при температурных воздействиях.

1.3.2. Численные методы.

1.4. Выводы и задачи исследования.

2. Исследование влияния температурного воздействия на трубопровод.

2.1. Постановка задач исследований.

2.2. Свойства полимерных изоляционных материалов при положительном воздействии.

2.2.1. Методика, оснастка экспериментальных исследований при положительных температурах.

2.2.2. Результаты влияния температуры нагрева и распределение температурного поля.

2.2.3. Скорость нагрева и остывания нагревателей и распределение температурных полей.

2.2.4. Определение усилия и скорости снятия полимерной пленки.

2.3. Свойства полимерных изоляционных материалов при низких температурах.

2.3.1. Методика и оснастка для определения адгезионных свойств полимерных покрытий.

2.3.2. Усилие отрыва полимерной пленки.

2.3.3. Обработка данных эксперимента на ЭВМ. Результаты испытаний.

2.3.4. Определение температуры "охрупчивания" полимерной пленки.

2.3.5. Удельная энергия разрушения полимерной пленки.

2.4. Испытания материала (стали) трубы.

2.4.1. Методика испытания при низких температурах.

2.4.2. Влияние хладагента на свойства материала трубы.

2.4.3. Механические испытания стали трубы.

2.5. Выводы.

3. Динамика механической системы привода рабочего органа термоочистной машины.

3.1 Постановка задачи исследования.

3.2. Динамическая модель привода рабочего органа.

3.3. Уравнения движения.

3.4. Кинематические параметры шарнирной передачи привода.

3.5. Численное решение задачи крутильных колебаний механической системы привода.

3.6. Исследование динамических нагрузок в звеньях системы и их анализ.

3.7. Оптимизация параметров привода рабочего органа.

3.8. Выводы.

4. Экспериментальное исследование системы «установкатрубопровод»

4.1. Задачи исследования.

4.2. Опытная моделирующая установка, оборудование и оснастка.

4.2.1 Конструктивные особенности установки.

4.2.2. Система подачи и регулирования хладагента.

4.2.3. Измерительная схема, приборы и аппаратура контроля температуры и деформаций.

4.3. Температура и напряжения в трубе. Сравнение экспериментальных и теоретических их значений.

4.4. Исследование динамических нагрузок исполнительного очистного механизма.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Температурные и динамические процессы системы трубопровод-термоочистная машина»

Создание высокоэффективных, новых технологий, техники, механизмов и совершенствования существующих, может быть обеспечено только на основе теоретических, экспериментальных исследований, натурных испытаний и достаточно обоснованных методов расчета, учитывающих все основные конструктивные, технологические, и другие факторы, влияющие на работоспособность конструкций, их эксплуатационную надежность и долговечность.

В настоящее время в нефтегазовом комплексе возникла проблема с ремонтом трубопроводов, в частности, с качественной их очисткой от полимерных изоляционных покрытий с целью повторного нанесения покрытия на трубопроводы.

На сегодня, 127 тыс. км. трубопроводов требуют срочной переизоляции что свидетельствует о выходе данной проблемы за рамки нефтегазовой отрасли [44].

Отсутствие высокоэффективной техники, позволяющей полное и качественное снятие полимерных покрытий с трубопроводов в полевых условиях приводят к значительным убыткам. В связи с этим, возникает острая необходимость в поисках новых решений, технологического и конструктивного характера, связанных с проблемой очистки трубопроводов от полимерных покрытий.

Актуальность темы диссертационной работы. Создание новых, высокоэффективных технологий, техники, механизмов и совершенствования существующих, может быть обеспечено только на основе теоретических, экспериментальных исследований, натурных испытаний и достаточно обоснованных методов расчета, учитывающих конструктивные, технологические, экспериментальные факторы влияющие на работоспособность конструкций: эксплуатационную надежность; долговечность.

В настоящее время при капитальном ремонте трубопроводов имеется проблема качественной очистки от полимерных изоляционных покрытий.

Анализ конструкций и технологий изоляционно-очистных машин показал, что на их базе можно создать новые, перспективные машины, использующие термомеханический эффект. Для этого, необходимо провести исследования температурных и динамических процессов, которые будут способствовать созданию этих высокопроизводительных машин для предремонтной очистки трубопроводов.

Целью работы является изучение свойств материалов полимерных покрытий трубопровода при положительных и отрицательных температурах, статических и динамических нагрузках, определение рациональных конструктивных и технологических режимов процесса работы исполнительных органов очистной машины.

Основные задачи исследования:

- установить механические характеристики полимерного покрытия и материала трубопровода в температурном диапазоне от 80К до 450К на основе экспериментальных исследований;

- установить основные технологические параметры процесса очистки от полимерных покрытий трубопроводов на основе температурного и механического воздействий на покрытие;

- провести анализ динамических нагрузок в звеньях рабочего привода термоочистной машины, путем моделирования данного динамического процесса;

- определить основные рациональные, конструктивные параметры рабочего привода;

- провести моделирование процессов очистки покрытия при температурных воздействиях на базе созданной опытной системы «трубопровод -установка».

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- на основе экспериментальных исследований обосновываются технологические процессы очистки полимерных изоляционных покрытий типа «Nitto» и «Kendall» при температурах в интервалах (195-К213)К и (35(Н370)К;

- получены зависимости скорости и усилия отрыва полимерного покрытия от температуры в зоне его удаления;

- определены интервалы распределения удельной энергий разрушения для пленочных покрытий типа «Nitto» и «Kendall»;

- установлены зоны возможных резонансов и рациональных режимов работы привода, на основе разработанной, динамической модели механической шарнирной системы привода рабочего ротора очистной машины;

- установлено влияние угла разворота плоскостей установки ведущих вилок шарнирных передач на уровень динамических нагрузок в приводе с разветвленной шарнирной системой.

Достоверность и обоснованность результатов проведенных исследований обеспечена использованием принятой модели в рамках известных гипотез, допущений, строгих математических методов и методов механики, а также проверкой на экспериментальных установках, удовлетворительным совпадением расчетных значений с результатами проведенных экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- на основе моделирования процесса очистки от полимерных покрытий трубопровода, установлены оптимальные режимы процесса очистки, обеспечивающие высокую эффективность и качество, температурные режимы минимальной адгезии, не приводящие к снижению прочностных характеристик материала трубопровода;

- разработанные методики испытания полимерного покрытия трубопровода могут быть использованы для исследований различных материалов при положительных и низких температурах;

- метод динамического расчета позволяет произвести оценку динамического воздействия в очистном механизме и рабочем роторе, играющих ключевую роль в процессе очистки. Данный метод позволяет избежать резонансные явления, обеспечив при этом работоспособную высокоэффективную и надежную конструкцию;

- результаты, полученные в работе, касающиеся свойств полимерных покрытий при температурных режимах, динамических особенностей рабочих органов необходимы при проектировании надежных и высокоэффективных очистных машин и устройств.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на региональных научных технических конференциях ассоциации строительных высших учебных заведений «Строительство и образования» (Екатеринбург 2000-2003), на III Всероссийском семинаре им С.Д. Волкова «Механика микрооднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004г.) на научных семинарах кафедры строительной механики УГТУ-УПИ (2000, 2003), на научно-техническом Совете Тюменского нефтегазового государственного университета (Тюмень, 2005г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и изложена на 188 страницах машинописного текста, включает 75 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 192 наименований.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Поляков, Артем Алексеевич

Основные выводы

1. Установлены рабочие режимы процесса качественной очистки изоляционных покрытий трубопровода при температурно-механических воздействиях путем их моделирования на разработанной установке.

2. Определены механические и теплофизические свойства полимерных и изоляционных покрытий в интервале температур (123+353)К. Полимерные покрытия типа «Nitto» и «Kendall» при положительных температурах ведут как нелинейные материалы, а при глубоком охлаждении как хрупкие.

3. Показано, что адгезия покрытий «Nitto» и «Kendall» уменьшается с повышением положительных температур и имеет минимальные значения при (355+373)К. При отрицательных температурах начальный порог охрупчивания для покрытий типа «Nitto» составляет 213К, а для покрытия «Kendall» - 197К. Восстановление первоначальных свойств полимерных пленок после охлаждения начинается через (10+15) сек.

4. Выявлено, что эффективный процесс очистки полимерных покрытий обеспечивается при локальном температурном воздействии.

5. Установлена связь между скоростью, усилием отрыва полимерного покрытия и температурой при тепловом воздействии. При повышении температуры скорость необходимо синхронно увеличивать во избежание перегрева мастики и плавления полимерной пленки.

6. Проведен анализ динамических нагрузок в звеньях привода рабочего органа термоочистной машины на основе разработанной динамической модели, представленной системой нелинейных дифференциальных уравнений. Установлены рациональные параметры системы, при которых неравномерность нагрузок достигает минимума.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Поляков, Артем Алексеевич, 2005 год

1. Андронов А. А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М. :1969,380с.

2. Анкудинов Д.Т., Мамаев К.Н. Малобазные датчики сопротивления. М.: 1986. 186 с.

3. Антипьев В.Н., Бахмат Г.В., Земенков Ю.Д., Важенин Ю.И. и др. Эксплуатация магистральных газопроводов. Учебное пособие/Под общей редакцией Ю.Д.Земенкова. Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2002.-528 с

4. Абрамян С.Г. Экологические основы реконструкции и капитального ремонта магистральных трубопроводов. Волгоград. 2002. 212 с.

5. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968. 560 с.

6. Башарин А.В. Динамика нелинейных электромеханических систем с упругими связями. JL: Ленинградский электротехнический институт, 1983. 81 с.

7. Бабин Л.А. Сооружения магистральных трубопроводов. Охрана окружающей среды М.: 1993. 82с.

8. Белова О.Ю., Сысоев Ю.Г. Колебания составных стержней с упругими шарнирами // Научно технические проблемы Западно - Сибирского нефтегазового комплекса / Межвузовский сб. научн. работ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 1997. - Т.2. - С. 39-45.

9. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. М.: ГИМФМЛ, т.1 -1962. - 464с.; т.2 - 1960, - 620с.

10. Бидерман В.М. Прикладная теория механических колебаний. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1972. 416 с.

11. Бобровский С.А., Щербаков С.Г., Яковлев Е.И. и др. Трубопроводный транспорт газа. М.: Наука, 1980.12