Помощь студентам в учебе
Исследование влияния температурных условий и параметров сварки на качество сварных соединений полимерных материалов
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
1.1 Анализ полимерных материалов для строительства
магистральных трубопроводов 8
1.2 Использование полиэтиленовых трубопроводов
в газовой отрасли 12
1.3 Развитие технологии соединения полимерных труб 13
1.4 Обзор способов сварки полимерных труб 19
1.5 Задачи диссертационного исследования
и методы их решения 30
2 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ СВАРКИ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
2.1 Описание операций технологического процесса 31
2.2 Описание оборудования 35
2.3 Компоновочная схема установки
для сварки магистрального трубопровода из полимерных труб 38
2.4 Проблема сварки полимерных труб
при пониженных температурах 45
2.5 Описание технического решения проблемы 49
3 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ
3.1 Параметры процесса сварки полимерных труб 54
3.2 Общие сведения по методикам контроля 57
3.3 Методика визуально-измерительного контроля 59
3.4 Методика испытания на осевое растяжение 64
3.5 Методика ультразвукового контроля 68
3.6 Методика испытания на статический изгиб 70
3.7 Улучшенная методика испытания на осевое растяжение 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
1.1 Анализ полимерных материалов для строительства
магистральных трубопроводов 8
1.2 Использование полиэтиленовых трубопроводов
в газовой отрасли 12
1.3 Развитие технологии соединения полимерных труб 13
1.4 Обзор способов сварки полимерных труб 19
1.5 Задачи диссертационного исследования
и методы их решения 30
2 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ СВАРКИ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
2.1 Описание операций технологического процесса 31
2.2 Описание оборудования 35
2.3 Компоновочная схема установки
для сварки магистрального трубопровода из полимерных труб 38
2.4 Проблема сварки полимерных труб
при пониженных температурах 45
2.5 Описание технического решения проблемы 49
3 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ
3.1 Параметры процесса сварки полимерных труб 54
3.2 Общие сведения по методикам контроля 57
3.3 Методика визуально-измерительного контроля 59
3.4 Методика испытания на осевое растяжение 64
3.5 Методика ультразвукового контроля 68
3.6 Методика испытания на статический изгиб 70
3.7 Улучшенная методика испытания на осевое растяжение 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Система промышленных трубопроводов в России является одной из самых развитых в мире. Об этом свидетельствует тот факт, что суммарная протяженной трубопроводов нефтяной и газовой промышленности - более 500 тысяч км При этом суммарная протяжённость всех наружных трубопроводов - более 15 миллионов км.
Одной из текущих проблем российских трубопроводов - является их высокая степень износа. По этому показателю Российская Федерация занимает первое место в мировом рейтинге. Данная проблема связана с высоким возрастом трубопроводных систем - основные магистрали строились 30-50 лет назад.
Другая проблема износа трубопроводов - агрессивное воздействие на металл транспортируемой среды. Так, по статистике, на нефтяных трубопроводах в результате коррозионной деградации ежегодно происходит от 40 до 79 тысяч отказов. Каждый отказ трубопровода влечет за собой не только необходимость выполнение котлованов, но и наносит вред экологии. В литературных источниках указано [1], что износ нефтяных трубопроводов достиг значения 60 %.
В настоящий момент на нефтегазовый сектор РФ действуют следующие негативные внешние факторы:
1) рост курса иностранной валюты, что делает весьма дорогостоящим осуществление ремонта и замены труб с применением иностранного оборудования и материалов;
2) уменьшение биржевой стоимости энергоносителей, что заставляет снижать себестоимость работ по поддержанию жизнеспособности и вводу в эксплуатацию новых объектов газонефтяного комплекса;
3) действие ограничений на поставку в РФ интеллектуальных технологий, что требует применения отечественных разработок;
4) стремительное схлопывание экономики РФ, что требует предложения высокоэффективных технологических приёмов, не требующих существенных затрат времени и подготовки производства.
В последнее время в нефтегазовой отрасли начинают набирать популярность трубы из полимерных конструкций. При этом варианты уже существуют следующие варианты из применения - напорные системы, выкидные линии скважин, коллекторы, инфраструктурные инженерные системы.
Использования полимерных материалов позволяет достигнуть таких полезных эффектов, как снижение материалоемкости, сокращение временных затрат на строительство, повышение экологичности, экономия других материалов.
Исследованиям в данной теме занимаются такие ученые, как Моисеев Ю.В., Удовенко В.Е., Поспелов А.М, Шухов В.Г., Агапчев В.И., Ромейко В.С., Каргин В.Ю., Бажанов В.Л. , Киселев. Б.А. , М.Н. Боктицкий, Шевченко А.А., Капустин К.Я. , А.Н. Громов, Рейтлингер С. А. и д.р.
При строительстве трубопроводов из полиэтилена основным техпроцессом, обеспечивающих надёжность транспортировки сред является сварка. При этом для плавления и сварки труб чаще всего используется нагревающий инструмент. Нагрев свариваемых поверхностей труб осуществляется путем их физического контакта с поверхностью нагреваемого инструмента.
Для того, чтобы соединенность нагретые поверхности свариваемых труб необходимо их сжать, но для этого требуется прерывать подачу тепла, чтобы отвести нагревательных элемент. Поэтому процесс нагрева носит прерывистый характер. Получение сварного шва полимерных труб можно разделить на 3 этапа [2]: обеспечение нагрева поверхностей труб, технологическая пауза для отвода нагревательного инструмента, формирование шва путем сдавливания деталей и выдерживания из под течении времени, обеспечивающем охлаждение релаксационные процессы в соединении.
Параметры режима сварки влияют на структуру материала в зоне шва, что, впоследствии, оказывает значительное влияние на надежность сварного соединения в процессе эксплуатации трубопровода [3 -4]. Считается, что режимы сварки обеспечивают качественные характеристики получаемого соединения [5-6].
Таким образом, по причины сильного износа промышленных трубопроводов, а также из-за необходимости повышения их надежности в процессе эксплуатации, актуальным является проведение исследований, направленных на развитие в нефтяной и газовой отраслях транспортировки сред по трубам из полимерных материалов. Также требуется разработка рекомендаций по способам применения таких трубопроводов.
Однако использование данной технологии сварки в холодном климате затруднено. Это связано с тем, что в случае низкой температуры окружающего воздуха отсутствует технология получения надежных сварочных соединений.
В нормативной документации по сварки полиэтиленовых труб встык указан температурный диапазон (от -15 ОС до +45 ОС) обеспечивающий возможность проведения сварки без дополнительных мероприятий. Прочность сварного соединения обеспечивается соблюдением теплового режима.
При температурах окружающего воздуха ниже значения, указанного в нормативных документах сварку разрешено проводить при использовании отапливаемых конструкций. Однако возведение таких конструкций связано трудоемкими работами, а их использование связано с большими энергетическими затратами. Кроме того, временные затраты при аварийных случаях не допустимы.
Учитывая вышесказанное, актуальной направления стоит признать разработку матмодели тепловых процессов, возникающих при сварке труб из полиэтилена. При этом матмодель должна учитывать основные процессы, влияющие на температурные показатели сварки и обеспечивать обоснование расширения при сварке допустимых температур окружающего воздуха.
Цель магистерской диссертации - повышение производительности и качества выполняемых работ при ремонтной и монтажной сварке полимерных трубопроводов на основе изучения тепловых и физических процессов в свариваемом соединении.
Одной из текущих проблем российских трубопроводов - является их высокая степень износа. По этому показателю Российская Федерация занимает первое место в мировом рейтинге. Данная проблема связана с высоким возрастом трубопроводных систем - основные магистрали строились 30-50 лет назад.
Другая проблема износа трубопроводов - агрессивное воздействие на металл транспортируемой среды. Так, по статистике, на нефтяных трубопроводах в результате коррозионной деградации ежегодно происходит от 40 до 79 тысяч отказов. Каждый отказ трубопровода влечет за собой не только необходимость выполнение котлованов, но и наносит вред экологии. В литературных источниках указано [1], что износ нефтяных трубопроводов достиг значения 60 %.
В настоящий момент на нефтегазовый сектор РФ действуют следующие негативные внешние факторы:
1) рост курса иностранной валюты, что делает весьма дорогостоящим осуществление ремонта и замены труб с применением иностранного оборудования и материалов;
2) уменьшение биржевой стоимости энергоносителей, что заставляет снижать себестоимость работ по поддержанию жизнеспособности и вводу в эксплуатацию новых объектов газонефтяного комплекса;
3) действие ограничений на поставку в РФ интеллектуальных технологий, что требует применения отечественных разработок;
4) стремительное схлопывание экономики РФ, что требует предложения высокоэффективных технологических приёмов, не требующих существенных затрат времени и подготовки производства.
В последнее время в нефтегазовой отрасли начинают набирать популярность трубы из полимерных конструкций. При этом варианты уже существуют следующие варианты из применения - напорные системы, выкидные линии скважин, коллекторы, инфраструктурные инженерные системы.
Использования полимерных материалов позволяет достигнуть таких полезных эффектов, как снижение материалоемкости, сокращение временных затрат на строительство, повышение экологичности, экономия других материалов.
Исследованиям в данной теме занимаются такие ученые, как Моисеев Ю.В., Удовенко В.Е., Поспелов А.М, Шухов В.Г., Агапчев В.И., Ромейко В.С., Каргин В.Ю., Бажанов В.Л. , Киселев. Б.А. , М.Н. Боктицкий, Шевченко А.А., Капустин К.Я. , А.Н. Громов, Рейтлингер С. А. и д.р.
При строительстве трубопроводов из полиэтилена основным техпроцессом, обеспечивающих надёжность транспортировки сред является сварка. При этом для плавления и сварки труб чаще всего используется нагревающий инструмент. Нагрев свариваемых поверхностей труб осуществляется путем их физического контакта с поверхностью нагреваемого инструмента.
Для того, чтобы соединенность нагретые поверхности свариваемых труб необходимо их сжать, но для этого требуется прерывать подачу тепла, чтобы отвести нагревательных элемент. Поэтому процесс нагрева носит прерывистый характер. Получение сварного шва полимерных труб можно разделить на 3 этапа [2]: обеспечение нагрева поверхностей труб, технологическая пауза для отвода нагревательного инструмента, формирование шва путем сдавливания деталей и выдерживания из под течении времени, обеспечивающем охлаждение релаксационные процессы в соединении.
Параметры режима сварки влияют на структуру материала в зоне шва, что, впоследствии, оказывает значительное влияние на надежность сварного соединения в процессе эксплуатации трубопровода [3 -4]. Считается, что режимы сварки обеспечивают качественные характеристики получаемого соединения [5-6].
Таким образом, по причины сильного износа промышленных трубопроводов, а также из-за необходимости повышения их надежности в процессе эксплуатации, актуальным является проведение исследований, направленных на развитие в нефтяной и газовой отраслях транспортировки сред по трубам из полимерных материалов. Также требуется разработка рекомендаций по способам применения таких трубопроводов.
Однако использование данной технологии сварки в холодном климате затруднено. Это связано с тем, что в случае низкой температуры окружающего воздуха отсутствует технология получения надежных сварочных соединений.
В нормативной документации по сварки полиэтиленовых труб встык указан температурный диапазон (от -15 ОС до +45 ОС) обеспечивающий возможность проведения сварки без дополнительных мероприятий. Прочность сварного соединения обеспечивается соблюдением теплового режима.
При температурах окружающего воздуха ниже значения, указанного в нормативных документах сварку разрешено проводить при использовании отапливаемых конструкций. Однако возведение таких конструкций связано трудоемкими работами, а их использование связано с большими энергетическими затратами. Кроме того, временные затраты при аварийных случаях не допустимы.
Учитывая вышесказанное, актуальной направления стоит признать разработку матмодели тепловых процессов, возникающих при сварке труб из полиэтилена. При этом матмодель должна учитывать основные процессы, влияющие на температурные показатели сварки и обеспечивать обоснование расширения при сварке допустимых температур окружающего воздуха.
Цель магистерской диссертации - повышение производительности и качества выполняемых работ при ремонтной и монтажной сварке полимерных трубопроводов на основе изучения тепловых и физических процессов в свариваемом соединении.
В диссертационном исследовании достигалась цель - повышение производительности и качества выполняемых работ при ремонтной и монтажной сварке полимерных трубопроводов на основе изучения тепловых и физических процессов в свариваемом соединении.
При анализе состояния вопроса был выполнен обзор научно-технической литературы в области сварки полимерных трубопроводов. Проведено комплексное исследование истории развития технологии сварки полимерных трубопроводов для транспортировки углеводородов. Были рассмотрены основные методы, свойства и технические средства. По мере открытия новых материалов проходит совершенствование технологии производства и сварки труб, разрабатываются различные добавки, обеспечивающие необходимые эксплуатационные свойства полимерных материалов. Как наиболее перспективный и нашедший самое широкое применение при сварке полимерных трубопроводов, отмечен способ стыковой сварки нагретым инструментом. Как одна из главных сложностей сварки полимерных магистральных трубопроводов отмечено ухудшение свойств сварных соединений при сварке в условиях пониженных температур.
Для повышения эффективности оборудования на основании краткого обзора технологических операций при сварке трубопроводов из полимерных труб предложена компоновочная схема оборудования для сварки магистральных трубопроводов. Предложенная схема позволяет автоматизировать основные и вспомогательные операции, повысить производительность и улучшить условия труда сварщиков. Также при использовании предложенного оборудования существенно повышается качество выполняемого трубопровода за счёт уменьшения напряжения изгиба в свариваемой плети трубопровода.
Исследования тепловых процессов при сварке полимерных труб позволили установить, что в условиях отрицательных температур окружающего воздуха необходимая температура нагрева торцов труб может быть обеспечена путём продления стадии оплавления. Для повышения качества сварных соединений, выполненных при отрицательных температурах окружающего воздуха, предложена технология сварки, предусматривающая дополнительный прогрев труб за счёт увеличения времени контакта труб с нагретым инструментом на стадии оплавления и остывания труб на стадии охлаждения в замкнутом объёме.
Для повышения эффективности технологии был проведён обзор и анализ научно-технической информации по вопросу контроля качества сварных соединений полимерных труб, выполненных стыковой сваркой нагретым инструментом. Исследования эффективности различных методов разрушающего и неразрушающего контроля качества показывают, что существующие испытания зачастую не позволяют выявить нарушения технологии сварки и обеспечить получение количественной оценки прочности сварного соединения.
Предложенная методика позволяет дать оценку прочностным свойствам различных зон сварного стыкового соединения полимерных труб. Экспериментальная сварка и испытания образов по предложенной методике позволила установить, что прочность шва сварного соединения полиэтиленовых труб марки ПЭ80 ГАЗ SDR11 на 11...20 %, ниже чем прочность основного материала.
Проведённые исследования были проведены на трубах из полиэтилена ПЭ80 диаметром 63 мм, они позволили предложить мероприятия по повышению эффективности оборудования и технологии сварки полимерных трубопроводов. Полученные результаты с учётом имеющейся информации об уровне техники позволяют сделать вывод об эффективности применения результатов настоящего диссертационного исследования при сварке магистральных газопроводов.
На основании вышеизложенного цель диссертационного исследования может считаться достигнутой.
При анализе состояния вопроса был выполнен обзор научно-технической литературы в области сварки полимерных трубопроводов. Проведено комплексное исследование истории развития технологии сварки полимерных трубопроводов для транспортировки углеводородов. Были рассмотрены основные методы, свойства и технические средства. По мере открытия новых материалов проходит совершенствование технологии производства и сварки труб, разрабатываются различные добавки, обеспечивающие необходимые эксплуатационные свойства полимерных материалов. Как наиболее перспективный и нашедший самое широкое применение при сварке полимерных трубопроводов, отмечен способ стыковой сварки нагретым инструментом. Как одна из главных сложностей сварки полимерных магистральных трубопроводов отмечено ухудшение свойств сварных соединений при сварке в условиях пониженных температур.
Для повышения эффективности оборудования на основании краткого обзора технологических операций при сварке трубопроводов из полимерных труб предложена компоновочная схема оборудования для сварки магистральных трубопроводов. Предложенная схема позволяет автоматизировать основные и вспомогательные операции, повысить производительность и улучшить условия труда сварщиков. Также при использовании предложенного оборудования существенно повышается качество выполняемого трубопровода за счёт уменьшения напряжения изгиба в свариваемой плети трубопровода.
Исследования тепловых процессов при сварке полимерных труб позволили установить, что в условиях отрицательных температур окружающего воздуха необходимая температура нагрева торцов труб может быть обеспечена путём продления стадии оплавления. Для повышения качества сварных соединений, выполненных при отрицательных температурах окружающего воздуха, предложена технология сварки, предусматривающая дополнительный прогрев труб за счёт увеличения времени контакта труб с нагретым инструментом на стадии оплавления и остывания труб на стадии охлаждения в замкнутом объёме.
Для повышения эффективности технологии был проведён обзор и анализ научно-технической информации по вопросу контроля качества сварных соединений полимерных труб, выполненных стыковой сваркой нагретым инструментом. Исследования эффективности различных методов разрушающего и неразрушающего контроля качества показывают, что существующие испытания зачастую не позволяют выявить нарушения технологии сварки и обеспечить получение количественной оценки прочности сварного соединения.
Предложенная методика позволяет дать оценку прочностным свойствам различных зон сварного стыкового соединения полимерных труб. Экспериментальная сварка и испытания образов по предложенной методике позволила установить, что прочность шва сварного соединения полиэтиленовых труб марки ПЭ80 ГАЗ SDR11 на 11...20 %, ниже чем прочность основного материала.
Проведённые исследования были проведены на трубах из полиэтилена ПЭ80 диаметром 63 мм, они позволили предложить мероприятия по повышению эффективности оборудования и технологии сварки полимерных трубопроводов. Полученные результаты с учётом имеющейся информации об уровне техники позволяют сделать вывод об эффективности применения результатов настоящего диссертационного исследования при сварке магистральных газопроводов.
На основании вышеизложенного цель диссертационного исследования может считаться достигнутой.