Введение к работе
Актуальность работы. Одной из основных причин, сдерживающих широкое использование полиэтиленовых труб в регионах холодного климата, является отсутствие надежной технологии сварки полиэтиленовых труб встык при низких температурах окружающего воздуха (ОВ). Согласно нормативным документам, существующая технология контактной тепловой сварки полиэтиленовых (ПЭ) труб встык позволяет проводить сварочные работы при температуре окружающего воздуха от -15 до +45 С. Прочность сварного соединения во многом определяется температурным режимом в процессе сварки. Температурное поле в конце нагрева и скорость охлаждения свариваемых труб на этапе осадки оказывают существенное влияние на формирование надмолекулярной структуры материала сварного шва и, соответственно, прочность соединения. При сварке полиэтиленовых труб в условиях низких температур ОВ динамика температурного поля не обеспечивает необходимую прочность сварного шва. Сварку ПЭ труб при температурах ОВ ниже регламентируемых рекомендуется проводить в отапливаемых легких конструкциях. Однако такая сварка связана с большими энергетическими непроизводительными затратами и длительными подготовительными работами, что недопустимо в аварийных ситуациях. В то же время возможности существующей технологии контактной тепловой сварки встык далеко не исчерпаны. Для расширения диапазона температур ОВ, при котором допускается проведение сварки полиэтиленовых труб, практически не используются методы управления динамикой температурного поля. Регулирование температурным режимом и обеспечение такого же температурного поля при нагреве и такого же темпа охлаждения при осадке, как и при допустимых температурах ОВ, позволит провести сварку полимерных труб при температурах ОВ ниже нормативных без изменения основных параметров сварки (давления на торцы, технологической паузы, величины и скорости осадки).
Для решения проблемы регулирования динамики температурного поля необходимо привлечение методов математического моделирования. В то же время, существующие математические модели недостаточно адекватно описывают тепловой процесс при сварке. В большинстве работ, посвященных данной теме, тепловой процесс при сварке полимерных труб исследуют, используя одномерное уравнение теплопроводности. При таком моделировании не учитываются особенности теплового процесса при сварке полимерных труб. На этапе осадки часть расплавленного материала выдавливается наружу, образуя грат, и свариваемые трубы укорачиваются. В существующих математических моделях теплового процесса при сварке влияние образовавшегося грата на температурное поле не учитывается. Не учитывается также уменьшение длины трубы на величину осадки, что препятствует использованию подобных моделей для решения задач регулирования температурного режима.
В связи с этим актуальным является разработка математической модели теплового процесса при сварке полиэтиленовых труб, учитывающей основные процессы, влияющие на температурный режим, и расширение на ее основе диапазона допустимых температур окружающего воздуха для сварки.
Целью работы является определение технологического режима сварки полиэтиленовых труб для газопроводов встык при низких климатических температурах на основе математического моделирования теплового процесса.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- теоретическое исследование теплового процесса при нагреве и разработка методики определения продолжительности нагрева торцов труб нагретым инструментом при сварке полиэтиленовых труб при температурах окружающего воздуха ниже нормативных;
- математическое моделирование процесса охлаждения сварного соединения с учетом теплового воздействия грата и формоизменения труб;
- разработка численного алгоритма определения изменения во времени температуры в теплоизоляционной камере и температурного поля в стенках свариваемых труб и расчетной методики определения размера теплоизоляционной камеры, обеспечивающей допустимую скорость охлаждения;
- экспериментальная проверка разработанного технологического режима сварки полиэтиленовых труб при низких температурах ОВ на основе предлагаемой математической модели процесса охлаждения.
Связь работы с крупными научными программами: в основу диссертации положены результаты исследований в рамках научно-исследовательских программ и тем: 8.3.5. «Длительная прочность полимерных и композиционных материалов при воздействии климатических факторов с учетом микро- и мезоструктурных изменений», 2004-2006 гг., № гос. регистрации 0120.0408280; 5.2.1.1. «Создание и прогнозирование изменений физико-механических свойств перспективных полимерных композиционных материалов для использования в технологических системах и технике нефтегазовой отрасли в условиях холодного климата», 2007-2008 гг.; проекта РФФИ «Разработка технологии термоконтактной сварки полимерных труб при низких температурах», 2006-2008 гг., № 06-08-96000-р_восток_а. Работа выполнена при финансовой поддержке «Фонда содействия отечественной науке» по программе «Лучшие аспиранты РАН» за 2007-2008 гг. и государственной стипендии Академии наук Республики Саха (Якутия) за 2007 г.
Научная новизна работы состоит в следующем:
на основе численного решения двумерной задачи Стефана показана возможность обеспечения необходимой глубины проплавления материала при сварке полиэтиленовых труб при температурах ОВ ниже нормативных путем увеличения продолжительности воздействия нагретым инструментом;
разработана математическая модель процесса охлаждения полиэтиленовых труб с учетом теплового воздействия формоизменения трубы при осадке и грата;
разработан упрощенный алгоритм определения температуры в теплоизоляционной камере, эффективность которого подтверждена натурными экспериментами;
численными экспериментами доказана возможность регулирования температурного режима сварного соединения и обеспечения допустимой скорости охлаждения использованием теплоизоляционной камеры.
Теоретическая, практическая значимость и реализация результатов работы:
Полученные результаты моделирования теплового процесса при сварке полиэтиленовых труб могут быть использованы при исследованиях динамики температурного поля в сварном соединении, для определения размеров зон термического влияния, при изучении формирования надмолекулярной структуры материала и т.д.
Разработанные комплексы программ и методики могут быть использованы для определения технологических режимов (продолжительности нагрева, размеров теплоизоляционной камеры) при сварке полиэтиленовых труб различного сортамента при температурах ОВ ниже нормативных. На предлагаемый технологический режим сварки полиэтиленовых труб при низких климатических температурах получен патент РФ № 2343331 «Способ сварки полимерных труб».
Результаты проведенных исследований приняты к использованию на ООО ПМК «Намгазстрой».
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается применением апробированного метода решения задачи Стефана. Правомерность принятых допущений в предложенной математической модели теплового процесса и ее адекватность реальному процессу при сварке полиэтиленовых труб установлена сопоставлением экспериментальных и расчетных значений температур.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Математическая модель процесса нагрева и охлаждения сварного соединения с учетом формоизменения материала труб и теплового воздействия грата;
Результаты вычислительного эксперимента, показывающие обеспечение необходимой скорости охлаждения сварного соединения при температурах воздуха ниже нормативных с помощью теплоизоляционной камеры.
Апробация работы. Основные результаты работы и отдельные положения диссертации докладывались и обсуждались на III и IV Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата «EURASTRENCOLD-2006, 2008» (г. Якутск, 2006, 2008); научных конференциях «X, XI, XII Лаврентьевские чтения» (г. Якутск, 2006, 2007, 2008); XIV международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2007); конференции научной молодежи «Эрэл-2007» (г. Якутск, 2007); V, VI Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов «Математическое моделирование развития северных территорий Российской Федерации» (г. Якутск, 2007, 2008); V Международной конференции по математическому моделированию (г. Якутск, 2007); I, II, III Всероссийских научных конференциях «Информационные технологии в науке, образовании и экономике» (г. Якутск, 2005, 2007, 2008); VIII ежегодной международной промышленной конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях» (п. Славское, Украина, 2008); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов «Математическое моделирование развития северных территорий Российской Федерации» (г. Якутск, 2008); XII международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых: «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2008); V международной научно-практической конференции: «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2008); V Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (г. Воронеж, 2008).
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 29 публикациях: 5 статьях в журналах рекомендованных ВАК РФ, 5 статьях в периодических научных изданиях, 14 статьях в сборниках трудов конференций, 4 тезисах докладов на научно-технических конференциях, патенте РФ № 2343331.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 143 наименований и приложения. Объем диссертации составляет 128 стр., включая 36 рисунков и 3 таблицы.
