, (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; ДT2 - температурный напор, 0С.
Коэффициент теплопередачи k, при условии, что трубное покрытие будет играть роль стенки, определяется по формуле:
, (15)
где б1 - коэффициент теплоотдачи от материала трубы к покрытию Вт/(м2С); дп - толщина слоя покрытия, мм; лп - коэффициент теплопроводности материала покрытия, Вт/(м·0С); б2 - коэффициент теплоотдачи от материала покрытия в окружающую среду, Вт/(м2С).
Тепловой расчет на участке 2-3 аналогичен участку 1-2, с учетом следующих характеристик покрытия:
толщина слоя покрытия дп;
теплопроводность покрытия лп;
коэффициент теплоотдачи покрытия в окружающую среду б2.
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 єС, 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 єС, 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)
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
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».
Экспериментально установлено, что цикл сварки труб газопроводов, гарантируя качество и надежность сварного шва, инициирует запуск механизма термического влияния на полимерные составляющие покрытия труб, воздействуя тем самым в различной степени на прочность их адгезионного соединения. Минимальное тепловое воздействие на торцевую кромку покрытия обеспечивается на расстоянии менее 160 мм от сварного шва при минимальной температуре предварительного и сопутствующего подогрева, не превышающей 50С.
Между тем, для получения гарантированных служебных свойств сварных соединений, особенно при проведении сварочно-монтажных работ в условиях низких температур Крайнего Севера, требуется нагрев 50-100С, а в некоторых случаях и выше. Поэтому с целью предотвращения возникновения тепловых повреждений покрытий при сварке были разработаны способы нейтрализации теплового воздействия процессов сварки на покрытие. При проведении в процессе монтажа МГ из труб с покрытиями заводского нанесения выполняют следующие мероприятия, обеспечивающие сохранность покрытия и отсутствие повреждений:
- мониторинг температур на торцовой кромке покрытия в процессе сварки, при нанесении термоусаживаемых манжет;
- контроль кромки покрытия на наличие отслаивания, сдвига;
- использование защитных экранов;
- использование фиксирующих хомутов.
Использующиеся до настоящего времени методы и устройства предохранения защитного покрытия были неэффективны, так как не учитывалось количество отводимого тепла от кромки покрытия, что приводило, либо к избыточному охлаждению, в том числе сварного шва, что недопустимо, либо к перегреву покрытия. Усиливающие хомуты были громоздки, а в условиях отрицательных температур не приводили к требуемому фиксирующему эффекту.
Поэтому был разработан новый метод предохранения защитного покрытия, лишенный указанных недостатков. На свободную от покрытия часть трубы, на расстоянии не менее 1 см от края защитного покрытия устанавливается фиксирующий хомут (рис. 9). Фиксирующий хомут состоит из трех криволинейных элементов, каждый из которых представляет собой стальную криволинейную пластину с отогнутыми концами, на одном из торцов которой с внутренней стороны выполнен паз.
а) б)
Рис. 9 Общий вид (а) и разрез (б) устройства для предохранения защитного покрытия от деформации при сварке трубопроводов
1 - труба, 2 - защитное покрытие, 3 - фиксирующий хомут, 4 - прокладка из теплоизоляционного термоустойчивого материала, 5 - удерживающий хомут, 6 - быстросъёмный теплоотвод
В паз устанавливается прокладка из теплоизоляционного термоустойчивого материала, препятствующая распространению тепла от фиксирующего хомута к защитному покрытию. Сборку фиксирующего хомута начинают у верхней образующей трубы, где болтовыми соединениями два криволинейных элемента присоединяют друг к другу, а затем к этим двум криволинейным элементам крепят третий. В пазы на криволинейных элементах фиксирующего хомута устанавливается прокладка из теплоизоляционного термоустойчивого материала.
Заканчивают сборку хомута затяжкой, обеспечивающей необходимый обжим трубы. На край защитного покрытия в такой же последовательности, как и при установке фиксирующего хомута, устанавливают удерживающий хомут. Удерживающий хомут состоит из трех криволинейных элементов и аналогичен по конструкции фиксирующему хомуту, за исключением того, что монтажный диаметр удерживающего хомута соответствует диаметру трубы с защитным покрытием.
Длина криволинейных элементов удерживающего хомута должна обеспечивать зазор в 2-3 мм между их отогнутыми концами для обеспечения возможности перемещения криволинейных элементов при деформации покрытия. На внутренней поверхности криволинейных элементов удерживающего хомута монтируется прокладка из фрикционного материала, исключающая скольжение удерживающего хомута относительно изоляционного покрытия.
Для того, что бы контактное давление между прокладкой из фрикционного материала и защитным покрытием при тепловой деформации покрытия уменьшалось незначительно и исключало скольжение фиксирующего хомута относительно покрытия под головки стяжных болтов устанавливаются винтовые пружины сжимающиеся при затяжке болтов и обеспечивающие вдавливание прокладки из фрикционного материала в изоляционное покрытие при его разогреве. Для взаимного соединения фиксирующего и удерживающего хомутов используют болты, которые вставляются в прорези бобышек, приваренных равномерно по окружности к внешней поверхности хомутов. Для компенсации внутренних напряжений в покрытии, между головками болтов и бобышками удерживающего хомута устанавливаются винтовые пружины, обеспечивающие осевой натяг кромки защитного покрытия в сторону свариваемого торца трубы. Быстросъёмные теплоотводы крепятся к внешней поверхности криволинейных элементов фиксирующих хомутов болтами.
Устройство для отвода избыточного тепла от кромки покрытия было проверено экспериментально. В ходе нагрева кромки до 200 єС проводилось измерение температуры, при этом использовалось съемное теплоотводящее устройство, имеющее семь теплоотводящих пластин длиной 15, 30, 55 см.
Эффективность применения теплоотводящего устройства оценивалась уменьшением времени действия критических температур, превышающих 100 єС на кромке покрытия. Условно принималось, что если температура на кромке покрытия в течении 5 минут была 102 єС, то происходило размягчение, а если 140 єС - покрытие плавилось и переходило в вязкое состояние. Поэтому введен условный параметр - количество получаемого тепла в единицу времени (град·c) (рис. 10).