Разработка технологии ремонта газопроводов в условиях интенсивного теплоотвода Волков Игорь Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Современное состояние вопроса и проблемы, возникающие при проведении ремонта газопроводов под давлением и перекачивающих газ 8

1.1. Анализ современных методов ремонта дефектов линейной части магистральных газопроводов 8

1.2. Анализ нормативных требования к технологиям ремонта несквозных дефектов магистральных газопроводов 16

1.3. Проблема интенсификации теплоотвода из зоны нагрева при ремонте под давлением 31

1.4. Современные способы оценки влияния условий теплоотвода из зоны нагрева при ремонте методами сварки-наплавки 38

1.5. Выводы по Главе 1 55

Глава 2. Моделирование тепловых полей в зоне ремонта несквозных дефектов газопровода, формирующихся после сварочного подогрева в различных условиях теплоотвода 58

2.1. Общие подходы к моделированию тепловых полей в зоне ремонта несквозных дефектов после сварочного подогрева 58

2.2. Моделирование условий теплоотвода в зоне ремонта после сварочного подогрева при полном сбросе давления в газопроводе 63

2.3. Моделирование условий теплоотвода в зоне ремонта после сварочного подогрева на газопроводе под давлением с временной остановкой транспортировки газа 76

2.4. Моделирование условий теплоотвода после сварочного подогрева при ремонте без остановки перекачки газа 93

2.5. Выводы по Главе 2 100

Глава 3. Экспериментальные исследования термических циклов на участке ремонта дефектов газопровода 103

3.1. Результаты лабораторных исследований влияния конвективной теплоотдачи на скорость охлаждения металла зоны ремонта после сварочного подогрева 103 Стр.

3.2. Результаты экспериментальных исследований термических циклов предварительного подогрева при ремонте дефектов труб в условиях полигона 112

3.3. Экспериментальная оценка межслойной температуры при наплавке(заварке) дефектного участка трубы 120

3.4. Выводы по Главе 3 127

Глава 4. Разработка рекомендаций по назначению нормативных требований к параметрам сварочного подогрева при ремонте несквозных дефектов на газопроводах находящихся под давлением и транспортирующих газ 129

4.1. Обоснование областей применимости технологий ремонта несквозных дефектов газопроводов, находящихся под давлением и транспортирующих газ 131

4.2. Методика определения максимально допустимого межоперационного интервала и его корректировки при выполнении сварочного подогрева при ремонте газопроводов без остановки перекачки газа 135

4.3. Методика определения максимально допустимого межоперационного интервала и его корректировки при выполнении сварочного подогрева при ремонте газопроводов под давлением состановкой перекачки газа 137

4.4. Методика определения максимально допустимого межоперационного интервала и его корректировки при выполнении сварочного подогрева при полном сбросе давления в газопроводе в условиях низких температур окружающего воздуха 140

Выводы и заключение по диссертационной работе 142

Список используемой литературы 145

• Анализ нормативных требования к технологиям ремонта несквозных дефектов магистральных газопроводов
• Моделирование условий теплоотвода в зоне ремонта после сварочного подогрева при полном сбросе давления в газопроводе
• Результаты экспериментальных исследований термических циклов предварительного подогрева при ремонте дефектов труб в условиях полигона
• Методика определения максимально допустимого межоперационного интервала и его корректировки при выполнении сварочного подогрева при ремонте газопроводов без остановки перекачки газа

Введение к работе

Актуальность проблемы. Значительная часть действующих в настоящее время магистральных газопроводов (МГ) характеризуются сроком эксплуатации свыше 30 лет и требует постоянного ремонта. В то же время, согласно статистике диагностирования линейной части (ЛЧ) магистральных газопроводов (МГ) более 30% выявляемых дефектов тела трубы и сварных соединений относятся к несквозным. Это позволяет проводить ремонт без разгерметизации полости газопровода, на трубопроводах, находящихся под избыточным давлением или перекачивающих газ. Существенные экономические и экологические преимущества таких способов ремонта, выполняемых методами наплавки или установкой сварных муфт, определяют все большее их применение в производственной практике.

Проведение ремонтных работ на газопроводах, находящихся под давлением или транспортирующих газ, является сложной в техническом отношении и опасной с точки зрения промышленной безопасности задачей. Ее выполнение требует наличия тщательно проработанной пошаговой технологии ремонта с применения обоснованных режимов и параметров каждой операции. Одной из таких операций при выполнении ремонта методами сварки - наплавки является температура подогрева металла, формирующая вместе с режимами сварки нормативный комплекс механических свойств. Обеспечение требуемых значений температуры подогрева к моменту начала наложения сварочного прохода является важным фактором, регулирующим скорость охлаждения металла в процессе сварки-наплавки. При ремонте на действующих газопроводах выполнение этих требований часто не возможно из-за интенсивного теплоотвода в компри-мированный газ.

Поэтому при реализации таких способов ремонта очень важно выявлять случаи, при которых не удастся обеспечить требуемую температуру подогрева еще на этапе разработки технологического процесса, а не на месте проведения работ. Принятие решений о введении внеплановых дополнительных подогревов непосредственно при проведении ремонта может не только оказаться безуспешным, но и привести к аварии. Все это определило актуальность данной работы.

Важным параметром, обеспечивающим сохранение температуры сварочного подогрева, является продолжительность межоперационного интервала между окончанием подогрева и началом наложения слоя наплавки. В дей-1

ствующей нормативной документации, регламентирующей проведение ремонтных работ на магистральных газопроводах, при назначении сварочного подогрева нормирование и методика оценки продолжительности межоперационного интервала отсутствуют. Также нет указаний по применению компенсирующих мероприятий для увеличения продолжительности максимального межоперационного интервала в тех случаях, когда получаемого для данных условий ремонта интервала времени недостаточно по технологическим или другим соображениям для начала операции сварки-наплавки.

Таким образом, повышение безопасности и качества выполнения ремонтных работ на газопроводах, находящихся под давлением и транспортирующих газ, определяет необходимость обоснования областей применимости технологий ремонта методами сварки-наплавки по критерию обеспечения нормативной температуры подогрева, и разработки требований к предельно допустимой продолжительности межоперационного интервала в условиях интенсивного теплоотвода, обеспечивающей сохранение заданной температуры подогрева.

Целью настоящей работы являлось обоснование максимальной продолжительности межоперационного интервала и разработка корректирующих мероприятий для его увеличения при выполнении предварительного и сопутствующего подогрева зоны ремонта несквозных дефектов участка газопровода, находящегося под давлением или транспортирующего газ.

В диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Разработка расчетной методики определения температурно-временных параметров охлаждения металла стенки трубы после предварительного и сопутствующего подогрева при различных условиях теплоотвода из зоны ремонта;

2. Проведение экспериментальных исследований параметров теплоотвода при предварительном подогреве металла зоны ремонта и в процессе сварки для верификации предложенной расчетной методики;

3. Обоснование областей применимости технологий ремонта газопроводов методами сварки-наплавки в условиях интенсивного теплоотвода по критерию обеспечения нормативной температуры подогрева и разработке нормативных требований к длительности межоперационного интервала до начала процесса сварки-наплавки.

Научная новизна:

1. Определены области применимости технологий ремонта газопроводов

под давлением и транспортирующих газ по показателю обеспечения нормативной температуры подогрева, согласно которым диапазон максимально допустимого давления газа в газопроводе пропорционален остаточной толщине стенки трубы с коэффициентом пропорциональности, изменяющимся в зависимости от температуры газа от +20 ⁰С до -40 ⁰С и скорости потока газа от 1 м/с до 25 м/с в интервале от 0,5 до 0,03 соответственно.

2. Выявлено, что для компенсации теплоотвода при ремонте газопроводов под давлением ширину участка дополнительного подогрева целесообразно назначать не более 200 мм по периметру выборки. При ремонте газопроводов, транспортирующих газ, подобное расширение зоны подогрева не эффективно.

3. На основе результатов математического моделирования процессов конвективного теплообмена с компримированной газовой средой выявлено влияние на снижение температуры сварочного подогрева способа и условий проведения ремонта, а так же параметров дефектного участка газопровода и установлены закономерности позволяющие определить фактическую длительность межоперационного интервала.

Практическая значимость и ценность результатов диссертации заключается в следующем:

1. Обоснована необходимость нормирования продолжительности межоперационных интервалов при ремонте газопроводов в условиях интенсивного теплоотвода, позволяющая обеспечить сохранение нормативных значений температур предварительного и сопутствующего подогрева и способствующая формированию требуемого уровня механических свойств металла зоны ремонта, особенно на газопроводах бывших в эксплуатации.

2. Предложен расчетно-графический метод оценки продолжительности максимального межоперационного интервала после окончания сварочного подогрева и до начала наплавки, позволяющий определить его фактическое значение в условиях интенсификации теплоотвода при ремонте несквозных дефектов газопровода под давлением и при перекачке газа.

3. Предложены мероприятия по увеличению максимальной продолжительности межоперационного интервала при выполнении предварительного и сопутствующего подогрева путем увеличения ширины участка дополнительного подогрева, а также уменьшения давления и скорости транспортировки газа.

Результаты работы были использованы при разработке Р Газпром 2-2.3-3

961-2015 «Технологии сварки при ремонте магистральных газопроводов, находящихся под давлением, методами врезки под давлением, сварными муфтами, сваркой-наплавкой» и Р Газпром 2-2.3-352-2009 «Рекомендации по режимам подогрева при выполнении сварочных работ на газопроводах, находящихся под давлением».

Методология и методы исследования. Методология исследований заключалась в поэтапном изучении влияния различных условий теплоотвода на процесс снижения температуры сварочного подогрева в зоне ремонта: параметров выборки дефектного участка, режима подогрева, а так же температуры окружающей среды на интенсивность теплоотвода в холодный металл стенки трубы; давления и температуры газа в трубе, режима подогрева и размеров и расположения выборки на свободный конвективный теплообмен; давления, температуры, скорости потока газа, а так же диаметра газопровода на вынужденную конвекцию при ремонте на действующем газопроводе.

При этом в теоретической части работы применялась идеализация объекта исследования в виде термически тонкой пластины, проводилось математическое моделирование изменения теплового поля в зоне ремонта при нестационарном режиме теплопроводности и использовалась теория подобия для оценки конвективной составляющей теплообмена с учетом параметров процесса и условий выполнения ремонтных работ на действующем газопроводе и находящимся под давлением. Для верификации полученных зависимостей была проведена экспериментальная проверка адекватности математической модели.

Основные положения, выносимые на защиту:

4. Алгоритм и методики определения параметров предварительного и сопутствующего подогрева и длительности межоперационного интервала при ремонте дефектов линейной части газопроводов методами сварки-наплавки без стравливания газа, под давлением и без остановки перекачки газа.

5. Результаты лабораторных исследований и полигонных испытаний, подтверждающих применимость предлагаемых расчетных методик.

6. Практические рекомендации по обоснованию областей применимости технологий ремонта методами сварки-наплавки в условиях интенсивного теп-лоотвода и длительности межоперационного интервала при ремонте дефектов линейной части газопроводов без стравливания газа, под давлением и без остановки перекачки газа.

Достоверность результатов исследования обеспечивалась путем применения апробированных методов экспериментальных исследований,

осуществленных на оборудовании, прошедшем аттестацию и государственную поверку, а также признанных методик расчета процессов конвективного теплообмена и процессов теплопроводности на основе известных теоретических положений и опытных данных термодинамики неравновесных процессов, согласованностью аналитических данных с экспериментальными.

Личный вклад автора в получении основных научных результатов состоит в следующем:

в разработке расчетной методики определения температурно-временных параметров охлаждения металла стенки трубы после предварительного и сопутствующего подогрева при различных условиях теплоотвода из зоны ремонта;

в проведении экспериментальных исследований параметров теплоотвода при предварительном подогреве металла зоны ремонта и в процессе сварки для верификации предложенной расчетной методики;

в обосновании областей применимости технологий ремонта в условиях интенсивного теплоотвода на газопроводах, находящихся под давлением и транспортирующих газ, и разработке нормативных требований к и длительности межоперационного периода после окончания сварочного подогрева.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях: 64-я Международная научная студенческая конференция «Нефть и газ - 2010» (Москва, 2010 г.); VII Международная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Сварка и родственные технологии» (Украина, г. Ворзель, 2013 г.); X Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2014 г.); II Международная научно-техническая конференция «Трубопроводный транспорт: теория и практика-2017» (Москва, 2017 г.); II Международная конференция «Арктика: шельфовые проекты и устойчивое развитие регионов» (Москва, 2017 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 научных статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, заключения, списка литературы из 60 наименований, работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 25 таблиц.

Анализ нормативных требования к технологиям ремонта несквозных дефектов магистральных газопроводов

Основными документами, регламентирующими ремонт несквозных дефектов линейной части газопроводов методами сварки-наплавки и сварными муфтами, являются СТО Газпром 2.3-137-2007 "Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов. Часть 2" [57], СТО Газпром 2-2.2-360-2009 "Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов. Часть III" [58], СТО Газпром 2-2.3-425-2010 "Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов. Часть IV" [59]. Ремонт дефектов методами сварки-наплавки (заварки) согласно указанным нормативным документам проводится в следующей последовательности:

1. До начала ремонта с поверхности ремонтного участка газопровода механическим способом удаляется изоляционное покрытие и производится очистка поверхности на ширину не менее 200 мм от границ предполагаемых сварных соединений;

2. Для уточнения толщины стенки, выявления возможных расслоений металла трубы, поверхностных и внутренних дефектов проводится визуальный и измерительный контроль, ультразвуковой контроль участков трубы по наружному контуру примыкания к границам предполагаемой выборки на ширину не менее 100 мм;

3. Выполняется предварительный подогрев выборки дефектного участка, включая зоны прилегающих к ним участков поверхности газопровода на расстоянии не менее 100 мм от границ выборки.

4. Выполняется многопроходная наплавка (заварка) выборки с применением ручной или механизированной дуговой сварки.

Ремонт сварными муфтами дефектов труб и сварных швов участков газопроводов упрощённо проводится в следующей последовательности:

1. До начала ремонта с поверхности ремонтного участка газопровода механическим способом удаляется изоляционное покрытие и производится очистка поверхности на ширину не менее 100 мм от границ предполагаемой установки муфт.

2. С целью уточнения параметров и границ дефектов, толщины стенки, выявления возможных недопустимых поверхностных дефектов, внутренних дефектов или расслоений металла трубы на расстоянии не менее 100 мм от границ предполагаемой установки муфт проведится: визуальный, измерительный, ультразвуковой контроль основного металла трубы полного периметра очищенной поверхности ремонтного участка газопровода и продольного заводского шва; радиографический или ультразвуковой контроль полного периметра кольцевого сварного шва (при наличии внутри зоны установки муфты кольцевого шва).

3. Выполняется сварка составных частей муфты на ремонтируемом участке газопровода.

4. Выполняется приварка колец и/или торцов муфт к ремонтируемому участку газопровода кольцевыми угловыми швами.

После выполнения наплавки металл шва и зоны термического влияния должен соответствовать регламентированным стандартами механическим свойствам. Согласно СТО Газпром 2.3-137-2007, СТО Газпром 2-2.3-425-2010 с помощью ручной и механизированной электродуговой наплавки (заварки) на газопроводах временно выведенных из эксплуатации производится устранение следующих несквозных дефектов труб: - несквозные поверхностные дефекты коррозионного (местная коррозия) и механического (риски, задиры, царапины) происхождения на основном металле труб, а также примыкающие или расположенные на заводских или кольцевых сварных швах на участках газопроводов категорий II–IV из труб диаметром от 426 до 1420 мм включительно с толщиной стенки от 7,0 до 32,0 мм; - несквозные поверхностные дефекты коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) основного металла труб на участках газопроводов категорий II–IV из труб диаметром от 1020 до 1420 мм включительно с толщиной стенки от 7,0 до 32,0 мм; - кольцевые и продольные сварные швы с несквозными поверхностными и внутренними дефектами (поры, шлаковые включения, непровары, несплавления, несквозные трещины, утяжины, превышения проплава, подрезы, коррозионные дефекты) на участках газопроводов категорий II–IV из труб диаметром от 426 до 1420 мм включительно с толщиной стенки от 7,0 до 32,0 мм.

Согласно СТО Газпром 2-2.3-137-2007 параметры выборки имеют представленные ниже особенности для различных видов дефектов. Для единичных дефектов коррозионного и механического происхождения применяют выборки круглой или овальной формы. При этом диаметр круглых выборок в зависимости от класса прочности стали, толщины стенки трубы и глубины выборки ограничен 30-70 мм, а ширина и длина овальной выборки, соответственно, 35-40 мм и 60-80 мм (Таблица 1.1).

Моделирование условий теплоотвода в зоне ремонта после сварочного подогрева при полном сбросе давления в газопроводе

Геометрические условия однозначности для процесса теплоотдачи отражают форму и размеры поверхности соприкосновения газа и трубы, физические условия - свойства природного газа в момент выполнения ремонтных работ (теплопроводность, вязкость и др.). Граничные условия описывают распределения скоростей и температур на границах изучаемой системы, начальные условия характеризует распределение температур ремонтируемого участка трубы в начальный момент времени.

Аналитическое решение системы записанных выше дифференциальных уравнений с учётом условий однозначности возможно получить лишь для некоторых задач и за счёт ряда упрощающих допущений, снижающих возможность его практического применения. Для решения так же возможно применение численных методов, наиболее универсальными из которых по отношению к рассматриваемой системе дифференциальных уравнений являются конечно-разностные [42,43], однако их недостатком является то, что они не отражают физической сущности процесса, а скрытые связи между переменными найти очень трудно. А одной из первоочередных задач работы является как раз нахождение основные значащих параметры процесса теплоотдачи. Классическим методом непосредственного преобразования выражений, содержащие дифференциальные операторы, к простейшим алгебраическим выражениям является теория подобия [27]. В области теории подобия можно отметить работы А.А.Гухмана[28,29], М.В. Кирпичева, П.К. Конакова [47,48,49], М.А. Михеева[42], Л.С. Эйгенсона[50], Б.С. Петухова[51] и других.

Критериальные уравнения подобия, полученные на основе системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена представляют собой функциональную зависимость между безразмерными комплексами (критериями подобия), характеризующие процесс теплоотдачи. Обычно она представлена в виде следующей функции [52]: Nu = Nu(Re, Рг, Gr) (1.13) где: Nu = - критерий Нуссельта, характеризующий соотношение между интенсивностью теплообмена за счёт конвекции и интенсивностью теплообмена за счёт теплопроводности; Re = wo o = Р О О – критерий Рейнольдса, характеризующий соотношение v /J. инерционных и вязких сил в потоке, для случая принудительного движения, Рг = р критерий Прандтля, характеризующий влияние физических свойств теплоносителя на теплоотдачу; Gr = р ЛТ0 критерий Грасгофа, характеризующий соотношение архимедовой выталкивающей силой, вызванной неравномерным распределением плотности теплоносителя в неоднородном поле температур, и силой вязкого трения; Ra = Gr Pr - критерий Рэлея, определяющий поведение теплоносителя под воздействием градиента температуры. Число Nu содержит неизвестную функцию - коэффициент теплоотдачи а и является определяемым безразмерным комплексом (безразмерным коэффициентом теплоотдачи). Определение зависимости коэффициента теплоотдачи а от влияющих на него факторов представляет собой основную практическую задачу решаемую при оценке конвективной теплоотдачи (теплообмена). В свою очередь определение этого параметра является одной из основных задач при расчете процесса снижения температуры при реализации процессов ремонта на действующем газопроводе.

Конкретный вид данной функциональной зависимости находят, как правило, на основе экспериментальных данных, поэтому этот метод является полуэмпирический [52]. Такие уравнения для различных условий теплоотдачи были выведены И.М. Михеевым [42], В.П. Исаченко [39], а так же другими учёными[53,54,55,56] и широко используются в расчётах теплообменных аппаратов.

Для решения задачи нестационарной теплопроводности с учётом теплоотдачи достаточно заменить сложную модель теплообмена в теплоносителе эквивалентной тепловой нагрузкой на границе теплоотдачи и рассчитать температурное поле внутри твердого тела[57].

Наиболее простым является случай термически тонкого тела, когда удельное термическое сопротивление теплоотдачи 1/ос от рассматриваемого тела к окружающей среде значительно больше удельного термического сопротивления теплопроводности внутри тела от середины к поверхности S/A , т. е. когда а « А/8 , где 8 - половина толщины тела (пластины) или радиус (цилиндра и шара), а для тел сложной формы 8 - половина наибольшего линейного размера. В каждый момент времени температура внутри такого тела успевает выровняться за счёт интенсивного переноса теплоты теплопроводностью.

Результаты экспериментальных исследований термических циклов предварительного подогрева при ремонте дефектов труб в условиях полигона

Область диаграммы, расположенная под полученными графиками, определяет ширину зоны нагрева, при которой конвективный поток имеет ламинарный режим течения. Область выше расчетных кривых соответствует переходному и турбулентному режиму. Как видно из полученных данных, для минимально допустимой ширине зоны подогрева, равной 200 мм (раздел 1.2) переход из ламинарного режима в переходный и турбулентный происходит при избыточном давлении газа в газопроводе в диапазоне от 0,35 МПа до 0,45 МПа. При увеличении размеров выборки и, соответственно, увеличении размеров зоны нагрева, критическое значение давления перехода из ламинарного в турбулентный режим будет снижаться. Аналогичный эффект оказывает понижение температуры газа, определяющее повышение температурного напора.

Таким образом, в условиях ремонта с избыточным давлением в газопроводе и временной остановки транспортировки расчёт коэффициента теплоотдачи можно проводить только для турбулентного режима течения свободного конвективного потока.

Согласно В.П. Исаченко [39] при свободной конвекции поверхностей, расположенных в вертикальной плоскости, средний коэффициент теплоотдачи при переходном и развитом турбулентном режиме течения можно определить из следующего выражения: где: Nu = критерий Нуссельта, характеризующий соотношение между интенсивностью теплообмена за счёт конвекции и теплопроводности; Ra = Gr Pr - критерий Рэлея, определяющий поведение газа под воздействием градиента температуры; t = (—) - поправка, учитывающая зависимость физических свойств теплоносителя от температуры; Gr = р АТ0 критерий Грасгофа, характеризующий соотношение архимедовой выталкивающей силой, вызванной неравномерным распределением плотности газа в неоднородном поле температур, и силой вязкого трения; Pr = p критерий Прандтля, характеризующий влияние физических свойств газа на теплоотдачу; Piy - критерий Прандтля для газа с температурой равной определяющей температуре; Prw - критерий Прандтля для газа с температурой равной температуре поверхности теплообмена; Xf - коэффициент теплопроводности газа, —; R0 - определяющий (характерный) размер, м; R0= min(a, b), где a и b - длина и ширина нагретого участка; д - ускорение свободного падения, —; v = – коэффициент кинематической вязкости газа, —; р с \i - коэффициент динамической вязкости газа, ; кг р - плотность газа, —; Р - коэффициент объёмного расширения газа, ЛТ0 = TW — Tj- определяющая (характерная) разность температур, К; Tw - температура текучей среды вдали от поверхности теплообмена (за пределами теплового пограничного слоя), К; Tf - температура поверхности теплообмена, К; ср - удельная изобарная теплоёмкость газа, .

Для наглядности степени влияния каждой из величин, входящих в критерии подобия, на значение коэффициента теплоотдачи, это выражение было представлено в следующем виде: a = 0,15 g0 333 AT0 0 333 n 0,001 t (2.11) Как видно коэффициент теплоотдачи зависит от тепло физических свойств газа: коэффициента объёмного расширения , плотности , теплоёмкости ср, вязкости и теплопроводности газа f, которые в свою очередь зависят от давления и температуры газа. На Рис. 2.11 представлены зависимости теплофизических характеристик метана от абсолютного давления в интервале от 0,1МПа до 25 Мпа при температуре +20 0С в соответствии со справочными данными [56].

Зависимость теплофизических характеристик метана от абсолютного давления при температуре +20 0С Из графика видно, что при увеличении абсолютного давления метана практически прямо пропорционально растёт его плотность, в два раза повышается теплопроводность и вязкость газа при 25 МПа по сравнению с атмосферным давлением, а соответствующий рост теплоёмкости газа составляет 60% .

Так как ремонт газопроводов в отличие от их строительства может производиться в любое время года, то климатический фактор приобретает особое значение. Строительство магистральных трубопроводов в северных регионах страны приводит к необходимости учета влияния температуры на теплофизические параметры газа. На Рис. 2.12 представлены графики изменения теплофизических свойств газа при давлении 10 МПа в диапазоне температур от +20 0С до -40 0С[56]. ?Ґ1 —ОД-кгУмЗ— 10О0-Д w/c м-ОС 10ОО000-Н С/м2 0,01-Дж/кгЮС 60 5020 10 - " _ J 0 -\ 1 1 1 1 1 1 15 JI0 -35 -ЗО -2S -20 15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 ЗО Рис. 2.12. Зависимость теплофизических характеристик метана от температуры при давлении 10 МПа

Как видно из графиков в рассматриваемом интервале температур плотность и теплоёмкость газа с понижением температуры увеличиваются в два раза. При этом рост теплопроводности и динамической вязкости составляет 20% и 30%, соответственно.

Коэффициент теплоотдачи в компримированный газ зависит так же от температурного напора. В выражении (2.11) эта зависимость учитывается через Т00,333 и поправку t, определяющую зависимость физических свойств газа от температуры.

Влияние величины характерного размера R0 (ширины зоны нагрева) при переходном и турбулентном характере течения практически отсутствует.

Коэффициента конвективной теплоотдачи зависит так же от пространственного расположения теплоотдающей поверхности. Согласно [42] для горизонтальной поверхности теплообмена, обращенной вверх, он в 1,3 раза больше аналогичного коэффициента для вертикально расположенной поверхности: ссгор = 1,3-йверт (2.12) а для горизонтальной поверхности теплообмена обращенной вниз, соответственно в 0,7 раза меньше: ссгор = 0,7 ссверт (2.13)

Для промежуточных положений поверхности теплообмена, расположенных под углом 450 можно считать эти коэффициенты соответственно равными 0,85 и 1,15. Таким образом, проведённый анализ показал, что величина коэффициента конвективной теплоотдачи от внутренней поверхности трубы зоны нагрева в компримированный природный газ при ремонте с временной остановкой транспортировки зависит в основном от: - температуры и давления газа в трубе, влияющих через теплофизические величины /?, р, [і, ср, f на режим течения газа в зоне нагрева и определяющих величину коэффициента теплоотдачи; - температуры нагретого участка трубы, влияющей через температурный напор Т0 на режим течения газа в зоне нагрева и величину коэффициента теплоотдачи; - расположения теплоотдающей поверхности в пространстве, определяющей влияние на теплоотдачу местоположения зоны выборки (нагрева) по периметру трубы.

Был проведён анализ ошибки расчёта коэффициента конвективной теплоотдачи с применения критериального уравнения В.П. Исаченко (2.10) по максимальной температуре стенки в нормируемом диапазоне. В Таблице 2.1 представлены полученные расчётные значения коэффициента теплоотдачи в нижней и верхней границе нормируемого диапазона температуры подогрева 180-120 0С при температуре окружающего воздуха при проведении ремонтных работ -40 0С, т.е. для случая наибольшего температурного напора.

Методика определения максимально допустимого межоперационного интервала и его корректировки при выполнении сварочного подогрева при ремонте газопроводов без остановки перекачки газа

При отсутствии давления в газопроводе и ширине УДП, близкой к минимально регламентрованному значению 100 мм, теплоотвод за счёт теплопроводности оказывает приемущественное влияние на снижение температуры металла зоны ремонта после подогрева. Для оценки применимости методики определения скорости охлаждения металла в регламентируемых интервалах температур подогрева и максимального межоперационного интервала в реальных условиях выполнения ремонтных работ была выполнена запись термических циклов предварительного подогрева в рамках аттестации технологий ремонта методами сварки-наплавки и вваркой заплаты на технологическом полигоне.

Запись термических циклов осуществлялась на опытном фрагменте трубы диаметром 1420 мм, толщиной стенки 27,7 мм из стали 10Г2ФБ с выборками, имитирующими ремонт поверхностных дефектов кольцевого шва и ремонт сквозных дефектов тела трубы.

Для записи температуры металла ремонтируемого участка трубы использовались хромель-алюмеливые термопары, выведенные с помощью шлейфовых компенсационных проводов на цифровой шестиканальный регистратор РМТ 6L. Установка термопар осуществлялась путем засверловки отверстий диаметром 5 мм на различную глубину и их приварки электроконтактным способом. Сбор данных производился путем одновременной обработки сигналов по всем измерительным каналам с циклом опроса всех каналов 0,3 с. Обработка результатов измерений включала в себя: - определение фактической максимальной температуры нагрева; - построение кривой охлаждения после предварительного подогрева; - определение скорости охлаждения металла в регламентируемом интервале температур.

Как было показано в разделе 2.1, основными параметрами, определяющими скорость охлаждения металла в зоне ремонта при отсутствии избыточного давления в газопроводе, являются форма выборки, её линейные размеры, температуры окружающего воздуха при проведении ремонтных работ, а так же остаточная толщина стенки трубы после выборки. При этом максимальная скорость охлаждения формируется в случае прямоугольной выборки минимальной ширины. Такая форма выборки получается при удалении дефектов сварных соединений и характеризуется минимальным габаритным размером по одной и значительной протяжённостью по другой оси в плане. Однако, необходимо учитывать, что при ширине выборки, сопоставимой с толщиной стенки трубы так же необходимо учитывать переток тепла из участка нагрева вне выборки с полным сечением трубы в её утонёный после выборки дефектов участок, быстрее остывающий из-за конвективной теплоотдачи.

Ширина кольцевой выборки, имитирующей выборку сварного шва при проведении полигонный испытаний в профиле изменялась с 5 мм до 33 мм при длине ремонтируемого участка 650 мм и остаточой толщине стенки трубы 5 мм. На Рис. 3.5 представлена фотография наружной поверхности трубы с кольцевой выборкой, а на Рис. 3.6 её основные геометрические параметры.

Термопары устанавливались с внутренней поверхности трубы с шагом 15 мм вдоль выборки в соответствии со схемой на Рис. 3.6.

Так же оценивалась температура зоны ремонта после предварительного подогрева кромок выборки для вварки заплаты с габаритными размерами по осям 300 мм и 350 мм и углами разделки в соответствии с Рис. 3.7. Размещение термопар в этом случае так же осуществлялась путем засверловки в стенку трубы с внутренней поверхности согласно Рис. 3.7.

Температура предварительного подогрева, согласно технологической карте ремонта, в обоих случаях должна была составлять 150+30 0С. Подогрев осуществлялся газопламенными горелками с наружной стороны трубы: кольцевой при ремонте сварного шва и однофакельной при вварке заплаты (Рис. 3.8). Ширина УДП определялась диаметром сопла горелки и расстоянием до нагреваемой поверхности трубы и составляла согласно технологической карте 100 мм. Температура окружающего воздуха при проведении работ составляла 20 0С.

Анализ полученных данных замера температур показал, что максимальная температура при нагреве кольцевой горелкой значительно превышала регламентированное значение 180 0С и находилась в диапозоне 283 0С – 316 0С, а её среднее значение по всем термопарам составило 287 0С. Предварительный подогрев зоны вварки заплаты, выполняемый однофакельной горелкой, характеризовался незначительным превышением по максимальной температуре нагрева и меньшим разбросом значений по этому параметру, по сравнению с нагревом выборки многофакельной горелкой. Максимальная температура находилась в диапозоне 188 0С – 194 0С, а её среднее значение по всем термопарам составило 191 0С.

Для оценки скорости охлаждения металла ремонтируемого участка трубы после подогрева использовались участки ветвей охлаждения термических циклов в нормируемом диапазоне температур 180-120 0С (Рис. 3.9).

Как видно из полученных данных средняя скорость охлаждения в регламентированном интервале температур перед заваркой кольцевой выборкой составила 0,11 0С/с, а перед вваркой заплаты 0,23 0С/с., что определило максимальную продолжительность межоперационного интервала 545 и 261 секунд, соответственно.

При расчётном моделировании проведённых полигонных испытаний учитывались средняя по термопарам максимальная температура нагрева стенки трубы, а так же форма и фактические размеры зоны нагрева. Проведённое расчётное моделирование условий свободного охлаждения металла контролируемого участка зоны нагрева показало, что значение скорости охлаждения в интервале температур 180 – 120 0С после подогрева кольцевой выборки составит 0,083 0С/с., а при вварке заплаты – 0,180 0С/с. То есть отклонение полученных расчётных значений скорости охлаждения, и, соответственно, величины максимального межоперационного интервала, от экспериментальных данных в проведённых исследованиях не превышает 25 %. Таким образом, выполненные эксперименты подтвердили возможность применения расчётных выражений в методиках для определения максимальной продолжительности межоперационного интервала.

Необходимо отметить, что при определении скорости охлаждения в приграничной к выборке области (в соответствии с СТО Газпром 2-2.3-137-2007 замер температур проводится на расстоянии 10-15 мм от кромки) в расчётных методиках, представленных в главе 2, в качестве параметра толщины рассматривается её минимальное остаточное значение в зоне выборки. Таким образом рассчитывается наихудший случай с максимально возможным значением скорости охлаждения по площади выборки. Однако, при ширине выборке меньше, или равной толщине стенки трубы, как в случае ремонта дефектов сварных швов, расчёт можно проводить как для полной толщины стенки.