автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Метод комбинированной гидро- и тепловой защиты теплопроводов и диагностика коррозионной стойкости труб

ол

На правах рукописи

¿*Р>-—

РОДШЕВ ШОШЩ ВАСИЛЬЕВИЧ

Метод комбинированной хтидро- я тепловой Защиты теплопроводов и диагностика коррозионной СЯЮЙКОСТИ труб.

Специальности! 05.02.11 - методы контроля и диагностика в машиностроении, - 05.14.04 - промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в Северо-Западном заочном политехническом институте.

Научные руководители: - доктор технических

наук, профессор КАРИМОВ З.Ф., кандидат технических наук, доцент САРВИН А.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ПОЛЯКОВ

B.Е.,

кандидат технических наук, доцент НАСЕДКИН

C.П.

Ведущее предприятие - Государственное предприятие "Топливно-энергетический комплекс Санкт-Петербурга" (Красносельский филиал)

Защита диссертации состоится " М74. 1998 г.

в 4Л. часов на заседании диссертационного совета К 063.06.02 в Северо - Западном заочном политехническом институте по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СЗПИ. Автореферат разослан 1998 г.

Ваш отзыв, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5 Ученому секретарю института.

I Ученый секретарь диссертационного совета-кандидат технических наук, доцент КУРЧАВОВА Т.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Современные тепловые сети имеют высокий уровень автоматизации технологических процессов транспорта и распределения тепловой энергии, гарантирующий эксплуатационную надежность производственных комплексов. Проблемы эксплуатации этих технических систем современных городов и крупных промышленных узлов связаны с необходимостью дальнейшего повышения эффективности их работы путем создания и внедрения прогрессивных методов защиты от коррозии, методов контроля их коррозионного состояния и снижения потерь теплоты, рассеивающейся в окружающую среду.

Ежегодный материальный ущерб, связанный с коррозией оборудования и трубных коммуникаций, а также с ее аварийными последствиями, исчисляется десятками миллионов рублей. Поэтому борьба с коррозией в тепловых сетях представляет актуальную проблему.

Чрезвычайно важной задачей является борьба с непроизводительными потерями, значительную часть которых составляет рассеивание тепловой энергии в окружающую среду через поверхности трубопроводов и оборудования. В соответствии с обследованиями, проведенными органами Госэнергонадзора, ежегодные непроизводительные потери в тепловых сетях по Российской федерации составляют около 80 млн. тонн условного топлива.

Проблема повышения уровня энергосбережения в энергетике неразрывно связана с ростом роли тепловой изоляции и совершенствованием теплсограждающих конструкций теплоэнергетического оборудования, теплопроводоз и арматуры. Следует отметить, что состояние теплоизоляционных покрытий в последние годы пе позволяет реализовать поставленную задачу сбережения энергетического потенциала ТЭС. Поэтому необходимо пересмотреть концепцию применения тепловой защиты объектов теплоснабжения.

Радикальное решение этих проблем позволит увеличить срок службы теплопроводов, снизить себестоимость доставки тепловой энергии потребителям и способствовать экономии топлива.

Цель исследований. Целью настоящей работы явились статистические исследования причин, вызывающих коррозионное старение тепловых сетей, разработка новых подходов к антикоррозионной и тепловой защите теплотехнического оборудования, разработка методов и средств диагностики коррозионного состояния теплопроводов.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анаше причин, вызывающих старение трубных коммуникаций, теплотехнического оборудования теплопроводов.

2.Разработка комбинированного способа тепловой и антикоррозионной защити теплопроводов.

3.Создание методики определения оптимальных конструктивных, тепяофизических параметров и экономических показателей комбинированной системы защиты.

4. Разработка общей концепции сплошного контроля эффективности антикоррозионной защиты теплопроводов в процессе эксплуатации.

5. Выбор ультразвукового метода, оптимизация средств контроля, информативных параметров, методики контроля акустических характеристик трубопровода.

6. Создание математических и физических моделей для оценки процесса теплопередачи от потока теплоносителя через комбинированную гидро- и теплозащиту в окружающую среду.

7. Внедрение результатов разработок в практику эксплуатации тепловых

сетей.

Методы исследований. Работа выполнена на основе комплексных промышленных, лабораторных и аналитических исследований поставленных выше задач. Аналитические исследования проводились на моделях, основанных на современных знаниях в области промышленной теплоэнергетики, физических методов контроля и диагностики в машиностроении с применением законов теплопереноса, теории распространения поверхностных упругих волн и теории электрических цепей. Результаты исследований экспериментально проверялись методом физического масштабного моделирования и экономически обосновывались оценки стоимости капиталовложений.

Научная новизна.. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты.

1.Разработан метод комбинированной антикоррозионной и тепловой защиты трубных коммуникаций и теплотехнического оборудования теплопроводов. В предложенной системе комбинированной защиты

непроницаемый экран на наружной поверхности антикоррозионного слоя против имплантации в этот слой коррозиошю-активных ингредиентов окружающей среды;

воздушная прослойка между антикоррозионным а тепловым слоями и оптические экраны для повышения термического сопротивления комбинированной системы защиты.

2. Предложена математическая модель, позволяющая производить оценку процессов теплообмена между потоком теплоносителя в теплопроводе и окружающей средой с целью оптимизации геометрических, теплофизических параметров и экономических показателей системы комбинированной защиты.

3. Разработана новая концепция ультразвукового контроля теплопроводов, позволяющая проводить оценку эффективности антикоррозионной защити трубных коммуникаций теплопроводов в период эксплуатации.

4. Разработана методика контроля коррозии на поверхности металлической трубы, оснащенной комбинированной защитой, с использованием параметров распространения поверхностных волн Лэмба:

скорости распространения поверхностных воли; интегральных потерь энергии поверхностных волн, прошедших один и от же путь в корродированном и некоррелированном объектах контроля.

Практическая ценность работы. Использование результатов иссертационной работы позволит повысить эффективность работы еплопроводов за счет использования прогрессивных методов защиты от оррозии, диагностики коррозионного состояния труб и арматуры, снижения отерь теплоты, рассеивающейся в окружающую среду. Практическую ценность в иссертационной работе представляют:

1.Новая конструкция комбинированной тепловой и антикоррозионной ащиты теплопроводов.

2.Модерннзированная система контроля коррозионной стойкости епло провода, в которой пьезоэлектрические раздельно-совмещенные [реобразователи приклеены к поверхности металлической трубы как инструктивные элементы, а системы управления и снятия информации выведены а пределы комбинированной тепловой и антикоррозионной защиты в виде лскгрических щитов.

3. Инженерная методика технологического и конструкторского расчета шраметров комбинированной системы защиты теплопроводов и еплотехнического оборудования.

4.8-канальная ультразвуковая установка, содержащая электронную :истему возбуждения пьезоэлектрических излучателей, электронную систему 'силения и анализа электрических сигналов, снимаемых с пьезоэлектрических фиемгапсов, "опрос" которых в необходимой последовательности осуществляется мхостным электронным коммутатором, что позволяет проконтролировать всю говерхносгь теплопровода путем "электронного сканирования".

5. Результаты разработок внедрены на 53 объектах Тепловых Сетей АО 1енэнерго г. Санкт-Петербурга.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы уложены и обсуждены:

на научно - техническом семинаре " Опыт работы тепловых сетей 1еюнерго (Санкт-Петербург, ноябрь 1991);

на Международной юбилейной конференции 70 лет теплофикации 'оссии ( Санкт-Петербург, сентябрь 1994);

на Международном научно - техническом семинаре " The public Utility mns' direction to the Customer" ( Hungary, Budapest october 1994 );

на XV Конгрессе " Internationale Konferenz fur industrielle ïnergiewiitschaft" ( Deutschland, Leipzig September 1996 );

на Международной научно-технической конференции " Оптические, )адиоволновые и тепловые метода и средства контроля природной среды, латериалов и промышленных изделий " (г.Черепозец, сентябрь 1997).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11 ггатьях и в 1 патенте Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 130 наименований. Объем работы составляет 126 страниц текста, 29 таблиц, 45 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В диссертационной работе осуществлен единый подход к разработке комбинированной системы тепловой и антикоррозионной защиты и методов диагностики эффективности комбинированной защиты теплопроводов.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель, научная новизна, приведены'сведения о практическом использовании научных результатов и описана структура диссертации.

В первой главе рассмотрена та часть проблемы, которая связана с защитой тепловых сетей от наружной атмосферной коррозии.

Изложены результаты статистического анализа 13 летних промышленных наблюдений за потоком эксплуатационных отказов в теплопроводах Санкт-Петербурга, причиной которых являлись коррозионные повреждения. Выводы, вытекающие га проведенных исследований, позволяют сделать заключение о том, что интенсивность поражения объектов тепловых сетей наружной коррозиен превышает соответствующую шггенсквность внутренней коррозии в 5 раз.

Приведен обзор существующих методов защиты металлов от атмосферной коррозии. Наиболее распространенным методом защиты от наружной коррозии является изоляция металла от коррозионной среды с помощью лакокрасочных покрытий ( ЛКП ). Однако, все известные ЛЮТ, как показывает практика, в различной степени проницаемы ' для широкого спектра химически активных нктред;1е£ГРС12 окружающей среды и поэтому со БрСтСнСБа начинают подвергаться молекулярной деструкции, что, как правило, сопровождается потерей их защитных свойств и ускорением коррозионных процессов под слоем ЛКП.

Констатируется, что качество конструкций и теплоизоляционные характеристики теплоограждений, применяемых в настоящее время в отечественной практике строительства, в основном, не удовлетворяют современным требованиям эффективности и долговечности. В практике эксплуатации тепловых сетей тепловые потери достигают 12 -15% от общего количества транспортируемой тепловой энергии и превышают предусмотренные нормативы практически в 2-3 раза. В заключение главы на базе проведенного выше анализа современного состояния проблемы сформулированы задачи исследований.

Во второй главе описываются результаты исследований по повышению эффективности антикоррозионной защиты теплотехнического оборудования, арматуры и трубных коммуникаций.

Приведены основные положения разработанного комплексного подхода к решению этой задачи, суть которой заключается в сочетании метода нанесения на металлическую поверхность устойчивого антикоррозионного покрытия и

экранирования его наружной поверхности от имплантации химически активных ингредиентов окружающей среды, которые обусловливают деструктивные процессы непосредственно в слое ЛКП, разрушают его сплошность и увеличивают проницаемость, создают условия для проникновения к металлической поверхности различных коррозиопно-аиивных компонентов окружающей среды.

В результате проведенных экспериментов в качестве материала для антикоррозионного покрытия аыбраги композиция кремшийорганнческих смол

( ОС-12 ОЗП), которая после отвердения образует композиционный материал с полиорганоснлоксановой матрицей.

В качестве экранирующего поверхность покрытия должен быть выбран материал, обладающий непроницаемостью для указанных выше ионоз и молекул из атмосферы, кроме того к материалу предъявляются следующие требования:

коррозионная стойкость; смачиваемость и надежная адгезия по отношению к антикоррозионному материалу; механическая податливость к деформационным явлениям, которые возникают в процессе его наложения на антикоррозионный слой;

материал для экрана должен иметь более отрицательный стандартный электродный потенциал по сравнению со сплавами, го которых изготовлены объекты теплопроводов с целью обеспечения их пассивной катодной защиты;

низкая степень черноты полного излучения тепловых электромагнитных волн с целью снижения теплоотдачи с поверхности теплопровода за счет излучения.

Установлено, что всем этим требованиям отвечает полированная фольга из алюминия ( толщиной 45-60 микрон).Техпкчесхие условия наложения предложенного антикоррозионного покрытия на трубы и арматуру имеет свои особенности, строгое соблюдение которых гарантирует надежность вышеуказанных мероприятий.

Изложены результаты аналитических исследований по оптимизации конструктивных и технологических параметров комплексной антикоррозионной изоляции. Получены соответствующие зшшснмсстн для расчст» оппшальнкх значений толщин монослоя ЛКП и слоя защитного экрана Ьэж

(1)

Ья = [ 60(1 V) Соз * / Е]1/3, (2)

где Тед, р , р — статическое напряжение сдвига, плотность и коэффициент поверхностного натяжения антикоррозионной композиции; ф - угол смачивания системы: материал экрана- антикоррозионная композиция - воздух, Е и Ц -модуль Юнга и коэффициент Пуассопа материала экрана, Я - наружный радиус теплопровода.

Приведен анализ результатов промышленных экспериментов по оценке эффективности метода экранирования слоя антикоррозионной изоляции от воздействия охружающей среды. С пезтыо проверки работоспособности предложенного выше метода антикоррозионной защиты объектов тепловых сетей с 1988 по 1996 год были проведены на действующей тепловой камере ( на

специальном стенде) эксперимента, суть которых заключалась в ежегодном осмотре технического состояния антикоррозионного слоя и металлической поверхности под ним на двух участках. На одном из них слой изоляции оснащен защитным экраном из алюминиевой фольга, на другом участке экран отсутствует. Результаты этих промышленных экспериментов показали, что данный метод защиты антикоррозионного слоя имеет высокую эффективность и технологичен.

Третья глава посвящена описанию нового метода многослойной тепловой защиты теплопроводов. Суть предлагаемого метода заключается в следующем. В конструкции теплоизолирующей системы между антикоррозионным покрытием, наложенным на наружную поверхность теплопровода, и собственно теплоизолирующим слоем, предусматривается воздушная прослойка определенной толщины, а на поверхность теплоизолирующего слоя с обеих сторон с помощью специальной термостойкой композиции в качестве оптических экранов наклеивается металлическая фольга с малой степенью черноты полного излучения.

Таким образом, предложенная система антикоррозионной и тепловой защиты состоит из трех слоев: антикоррозионного слоя, наложенного на металлическую поверхность теплопровода, воздушного слоя и слоя тепловой изоляции, а также трех оптических экранов - первый экран на поверхности антикоррозионного слоя выполняет одновременно две функции - предотвращает имплантацию химически активных компонентов окружающей среды в слой антикоррозионной изоляции и экранирует тепловые электромагнитные волны, излучаемые металлической поверхностью теплопровода, два остальных экрана с обеих сторон изолируют слой тепловой защиты.

Предусмотренная прослойка благодаря низкой теплопроводности воздуха обеспечивает высокое термическое сопротивление многослойной системе защиты. Но здесь необходимо учитывать, что через этот воздушный слой перенос

1Сш1иТм ОСуЩССХЗЛЯСТСЯ СдиОирСМу1шО ТрСМд мСХошиМсдш! ~

теплопроводностью, излучением и естественной конвекцией. Следует отметить, что на все эти три механизма теплопереноса по разному влияет изменение толщины воздушной прослойки. При этом логично предположить, что результирующий ( суммарный ) поток теплоты через воздушный слой может быть сведен к минимуму при определенном значении толщины этого слоя. Нахождение этого условия возможно или путем проведения широкого спектра специальных экспериментов или аналитическими методами на базе математической модели процесса теплопереноса через указанный воздушный слой.

Приводится описание экспериментальной установки, предназначенной для физической оценки эффективности наличия воздушной прослойки, метода ее оптического экранирования в системе тепловой защиты, а также результатов проведенных на ней экспериментов. Установка была создана для решения следующих задач:

выяснение возможности конструктивной реализации метода оптического экранирования в системе тепловой защиты;

влияние присутствия оишческнх экрапов на характер распределения температуры вдоль толщины теплоизолирующей системы и определение общего термического сопротивления при различных вариантах оптического экранирования;

качественная проверка характера термических изменений механических и оптических свойств экранов н условий их адгезии к поверхностям, ограничивающим воздушную прослойку яри длительных температурных воздействиях на клеевую композицию.

Установка состоит из двух ссосных медной (внутренней) и наружной

труб ( наружная труба составлена ш диатомиговых сегментов с коэффициентом теплопроводности к = 0.326 Вт/м К). Межтрубное пространство зашло атмосферным воздухом. Рабочий участок установки ( Ь = 2 м.) разделен на три равные секции. Одаа из 5файн«х секций установки имеет воздушную прослойку и оснащена оптическими экранами из полированной алюминиевой фольги: первый экран нахлееи па наружную поверхность медной трубы, второй экран наклеен на внутреннюю поверхность днатомитовой трубы. Средняя секция имеет также воздушную прослойку, но ее кскгрояьиые поверхности пе оснащены оптическими экранами. Последняя ( другая крайняя ) секция установки не имеет воздушной прослойки между наружной поверхностью медной трубы к внутренней поверхностью диатомитовой. Эта секции между собой термоизолированы тефлоновьшк прокладками. Внутри медной трубы вдоль оси симметрии установлен трехсекционный электронагреватель, каясдзя секция которого автономно питается от сеш переменного тока через ваттметры.

Электрическая энергия, подаваемая в каждую секшие, преобразуется в тепловую энергию и распространяется через систему теплопой защиты в окружающую среду. Таким образом, при стациояаршм режиме рабепд установки предполагается, что установленная в электронагревателях секций мощность 0> в экспериментах равна интенсивности тепловых потерь через исследуемую систему тепловой защиты. Это утверждение означает, что в процессе эяшь-рш»ента тггексишшсть тепловых потерь в каждой секции установки является величиной заданной.

Для оценки эффективности системы тепловой защиты указанных были; секций установки в качестве количественного параметра принято значение термического сопротивления Я, которое связано с интенсивностью тепловых потерь О в соответствии с Формулой

(3)

где ( 1т -- температурный шпор, имеющий место между поверхностью медной трубы с температурой !г , и окружающей средой, температура которой равна . С помощью формулы ( 3 } определялось значепее термического сопротивления системы тепловой защиты в каждой секции эхеперикентакыюй установки.

Анализ проведенных экспериментальных измерений показали, что для широкого диапазона г>изчепий интенсивности тепловых потерь О самое даеокее гшачгпке теплового сопротиудгшги принадлежит системе тепловой защити, оснащенной двумя оптическими экранами и воздушной прослойкой.

Резюмируя полученные на этой установке экспериментальные результаты можно сделать следующие выводы:

- конструкция тепловой изоляции, имеющей воздушную прослойку, обе ограничивающие поверхности которой экранированы полированной алюминиевой фольгой, в условиях проведенных экспериментов позволила увеличить в среднем термическое сопротивление системы тепловой защиты более чем в 2 раза, по сравнению с тепловой изоляцией, выполненной стандартным способом ( без воздушной прослойки и без оптических экранов ) и уменьшить в 2 раза необходимую толщину слоя тепловой изоляции;

для установки оптических экранов на поверхности теплоизолирующего слоя в качестве клеевой композиции необходимо выбрать известную композицию кремнийорганических смол (ОС-12 ОЗЩ т.к. высокотемпературное воздействие

( до 200° С ) на клеевой слой в течение многих десятков часов не ухудшило качество адгезионной связи между оптическим экраном и слоем тепловой изоляции;

- материал, принятый в качестве оптического экрана (полированная алюминиевая фольга толщиной 40 микрон ), при температурах до 200° С не испытывает каких-либо изменений своих механических и оптических свойств;

- реализация метода оптического экранирования на практике, кроме экономических выгод, обусловленных отмеченными выше термическим и конструктивным эффектами, еще позволяет создать такую конструкцию системы тепловой защиты, в которой будет исключена возможность водонасыщения материала теплоизолирующего слоя. Для этого достаточно наружную поверхность этой системы обеспечить 3-м оптическим экраном. При таком исполнении конструкция может быть разборной, допускающей периодический осмотр технического состояния как антикоррозионной изоляции, так и тепловой изоляции на действующих тепловых сетях.

Далее в этой главе описываются результаты аналитических исследований процесса теплопередачи от потока теплоносителя в теплопроводе через комбинированную систему тепловой защиты в окружающую среду. Исследования проводились на базе математической модели, представляющей собой следующую систему уравнений:

Ч-яааМЪ-ТО/Ь, (4)

Ч = лё3аГ,а0 (ТДТз4) + Р3 (Т7-Т3) + Р3(ек-1) <Т2-Т3), ( 5) Я2(Т3-Т4)/( 1пЙ5/й,), (6)

Ч = <15(Т<-Т0) + ла0сЬаГг(Т«4-Т04), (7)

где ч - линейная плотность потока тепловых потерь( Вт/м); йг, (13 и сЦ -соответственно диаметры наружной поверхности антикоррозионного слоя, внутренней и наружной поверхностей слоя тепловой изоляции (м.); Ть Тг, Тз, Т4 и То - соответственно температуры наружной поверхности теплопровода, наружной поверхности слоя антикоррозионной изоляции, внутренней, наружной поверхностей слоя тепловой изоляции и окружающей среды (К); А.ь и ^з -соответственно коэффициент теплопроводности слоя шггакоррозиошгой изоляции,

;лоя тепловой изоляции и воздуха в воздушной прослойке (Вт/м К ); Р = 1с1}Л}/Зз; 5г и 5з - толщины слоя антикоррозионной изоляции (м) и воздушной прослойки ( м ); о0 = 5,67 Ю-8 Вт/ м4 К - постоянная Стефана- Больпмана; аГ[ = 1/(1/А2+1/А3 - 1) и аГ2 = 1/[1/А5 + 0.2(1/А« - 1)], А2> А3, А, и А« - соответственно ггепень черноты наружной поверхности антикоррозионного слоя, внутренней, гаружиой поверхностей слоя тепловой изоляции и окружающей теплопровод феды; а- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности теплопровода в жружаюшую среду; ек = 0.18 ( (Зг* Ргх)0:25 - параметр, учитывающий !03никновение и влияние естественной конвекции на теплопередачу через юздушную прослойку(ек>=1), Огж=[р5^(Т2-Тз)]/У2-число Грасгофа, Рг = // а - число Прандгля , р - коэффициент температурного расширения воздуха (1 К), § = 9.81 м / с2 - ускорение свободного падения , V и а - кинематическая шкость и температуропроводность воздуха (м2 / с). Индекс «ж» - означает, что мачения этих параметров соответствуют температуре воздуха.

Уравнение (4) выражает плотность потока теплоты через слой ^ штикоррозионной изоляции, уравнение (5) - гот же поток через воздушную фослойку, уравнение (б) - тот же поток через слой тепловой изоляции, уравнение >' 7) - тот же поток теплоты, но рассеивающейся от наружной поверхности системы ' гепловой защиты в окружающую сред}'. '

К сисгеме уравнений ( 4 - 7 ) необходимо добавить еще ряд л ¡ависимостей, учитывающих экономические факторы создания и эксплуатации :истемы тепловой защиты (СТЗ).

Задачу снижения интенсивности тепловых потерь можно решить и 1а счет использования дорогостоящих материалов путем увеличения толщины слоя гепловой изоляции. Однако при этом будет возрастать стоимость сапиталовложений на создание этой системы. Поэтому возникает необходимость штимшадии конструкции проектируемой системы тепловой защиты, что может )ыть сведена к минимизации затрат на создание СТЗ п расходов, связанных с готерей тепловой энергии вследствие ее рассеяния в окружающую среду, за срок жупаемости этой системы х (год).

Капиталовложения и расходы, связанные с потерей тепловой «ерши вследствие рассеивания, приходящиеся на 1 погонный метр длины •еплопровода, определяются из следующих зависимостей:

$1 =. я 4» 54 С1, (8)

б,- N(1.2 л ¿,)5Ф рфс5, (9)

83=ЧС2Т, (10)

(3) + 32+5З)/т, (11)

где С] , с2 , С5 - соответственно стоимость 1 м3 теплоизоляционного материала ( руб/ м3), 1 джоуля тепловой энергии (руб/ дас ), 1 кг материала ятгичесхого экрана (руб / кг), N - число оптических экранов,

5ф и рф - соответственно толщина слоя экрана (м) и плотность материала ¡крана (кг / м3), 54- толщина слоя тепловой изоляции (м),

Бь вг, Яз и Б4 - соответственно цена, приходящаяся на 1 погонный метр длины теплопровода: материала теплоизоляции (руб / м), материала оптического экрана (руб/м), расхода тепловой энергии (руб/м) и приведенные расходы (руб/м).

Оптимизация параметров СТЗ теплопровода осуществляется путем совместного решения системы уравнений ( 4 - 11). Эта система уравнений является неявной и нелинейной и се решение становится возможным лишь при использовании машинных методов численного эксперимента. Суть численных экспериментов заключается в последовательном анализе ряда вариантов сочетания различных материалов теплоизоляции и оптического экрана при одновременном варьировании геометрических характеристик СТЗ с целью определения минимальных значений; интенсивности тепловых потерь ц и приведенных расходов з4.

При исследовании системы уравнений ( 4-11) в качестве варьируемых переменных принимали • такие параметры, как толщину воздушной прослойки Зз и толщину слоя тепловой изоляции 54. Эти два . параметра между собой связаны зависимостью

5з + 64=5о, (12)

где 8о - предельная нормированная толщина СТЗ на поверхности теплопровода. Из последней зависимости следует, что при отсутствии воздушной прослойки (83 = 0 ), толщина слоя тепловой изоляции равна предельному значению 5о , а при увеличении 83 происходит уменьшение слоя тепловой изоляции 54, что связано с прямой экономией материала тепловой изоляции.

Результаты численного эксперимента с системой уравнений (4-11) представлены графически на рисунках 1, 2, 3. Расчеты велись применительно к теплопроводу с диаметром <1у = 0.5 м.,- при средней температуре теплоносителя в потоке — ¿Ш~ С., а в качестве теплоизоляционного покрытия приняты вулкашгтовые сегменты.

На рис.1 представлена зависимость интенсивности тепловых потерь q от толщины воздушной прослойки 83 и числа экранов N. Из этого рисунка следует, что при 53 =0, N = 0 интенсивность тепловых потерь равна Яо, что соответствует плотности потока тепловых потерь через традиционную тепловую защиту. С ростом 83 е начале ( до 63 = 0.002 м.) ц несколько снижается, затем начинает резко расти. Это объясняется влиянием на теплопередачу возникших в воздушной прослойке излучения и естественной конвекции.

При N=1 с ростом 83 величина я существенно снижается и при 83 =0.01 м. достигает своего минимума, затем опять начинает расти, что является результатом, прежде всего, воздействия оптического экрана, а по мере роста

&з > 0.01м. начинает оказывать серьезное влияние естественная конвекция. Аналогичная картина, как следует го этого рисунка , наблюдается при N = 2 и N = 3. Во всех трех рассмотренных случаях q достигает минимума при 83= 0.01м., поэтому эту величину можно назвать оптимальной толщиной

40

30

20

10

36.2 %

8sx10 м

10 15 20 SjXIO'M

Рис. 1 4,5

4,0

г

13,5

Рис. 2

10 15

Sj X 10 м

Рве. 3

воздушной прослойки, обеспечивающей при наличии оптических экранов минимум тепловых потерь и обозначить ее 53опг.

Для количественной характеристики эффективности предложенной СГЗ введем параметр Дq = (qo - q) / Яо х 100 % , значение которого в процентах от величины qo показывает насколько снижается интенсивность тепловых потерь в зависимости от толщины воздушной прослойки 5з и от числа установленных опгических экранов N. На рис.2 приведена эта зависимость, откуда следует, что при 8з = 8з0!гг величина указанного параметра составляет:

при N = 1 Дq = 25.9 %; при N ^ 2 Дч = 26.9 % ; при N = 3 Дq = 36.2 % . Полученный технологический эффект Дq с экономической точки зрения, находит прямое отражение в значении приведенных затрат б4, зависимость которой от величин 63 и N показана на рис.3.

Как явствует из этого рисунка, значение приведенных затрат з4 имеет минимум также при 83 = 5/" и N = 3.

В результате дальнейшего анализа данных численного эксперимента установлено, что в диапазоне температур теплоносителя от 50° С до 250° С технологический эффект от применения СТЗ с воздушной прослойкой и тремя оптическими экранами колеблется в пределах 35 - 38 % , также выявлено, что в этом диапазоне температур значение оптимальной толщины воздушной прослойки бз0"1 остается неизменным.

В заключительной части главы приведены результаты промышленных экспериментов, проведенных на действующем теплопроводе по определению интенсивности тепловых потерь при использовании предложенной в данной работе СТЗ. Эксперименты показали, что указанная СТЗ позволяет снизить интенсивность тепловых потерь более чем на 35 % по сравнению с тепловой защитой традиционной конструкции. Сопоставление расчетных данных с результатами этих экспериментов ( расхождение между ними составляет не более 5-6: % ) показало пригодность предложенной методики численных экспериме:ш)з для проведения практических расчетов.

В четвертой главе изложены основы технологии создания комбинированной системы тепловой и антикоррозионной защиты теплопроводов и методика технологического расчета Сформулированы требования к теплофизическим и технологическим характеристикам материалов, используемых в комбинированной тепловой и антикоррозионной защите теплопроводов, а также нормативные требования к конструктивным параметрам этой системы.

Приведены сведения по организации и производству этих покрытий. Разработана методика технологического расчета проектирования системы тепловой и антикоррозионной системы защиты теплопроводов. Посредством анализа конкретного задай на проектирование системы комбинированной

темы . защиты проиллюстрирована указанная выше методика ^логического расчета.

В иятоа главе представлены аналитические и экспериментальные снования ультразвукового зеркально-теневого метода контроля качества коррозионной защиты теплопроводов. Показано, что для контроля розионного поражения поверхности труб могут быть использованы эффекты, ?анные с распространением поверхностных волн Лэмба в неоднородном слое.

Концепция ультразвукового контроля принята на основе многолетнего гга применения этого метода при производстве и эксплуатации труб. Однако данном случае известный опыт не дает полного решения поставленной эти из-за специфических условий получения измерительной информации, а построения схемы контроля требуются дополнительные знания по стическим характеристикам объекта и поиск изобретательских решений по мной и конструктивной реализации метода.

В диссертации предлагается оценивать коррозионное состояние яопроводов по изменениям во времени акустических характеристик ;сированных участков трубы. Предложена схема получения измерительной юрмации, показанная на рис. 4. Раздельно-совмещенные преобразователи вдавливаются (приклеиваются ) на металлическую поверхность ( позиция Ь ) бы дискретно на линейной базе или по окружности трубы в пендшсулярных сечениях. Затем наносится антикоррозионное покрытие ззиция с ) и оптические экраны ( позиция а ). Электрическое соединение чиков с аппаратурой через разъемы, вынесенные наружу, поверх покрытий, ая схема позволяет "просмотр" всей поверхности трубы способом ектронного сканирования". Электронный коммутатор 6, управляемый ЭВМ 3, ледовательно "опрашивает" пьезоприешшки 2, с выхода которых сигнал тупает на вход усилителя 7 и далее на ЭВМ 3. С ЭВМ сопряжены Ектср о и дисплеи у. программное ооеспечение 3 П ¡VI ориентировано к а (ерение трех параметров: скорости распространения поверхностных волн лба, интегральных потерь поверхностной волны в тракте прохождения, пшны стенки трубы. Значение этих параметров замеряются к фиксируются зу после нанесения комбинированного покрытия, в последующих измерениях [ученные новые значения параметров сопоставляются с первичными.

Исследованиями показано, что изменения параметров во времени ержат информацию о развитии коррозионного поражения наружной «рхности изолированных теплопроводов.

При разработке схемы контроля предложены новые решения ее. :овных функциональных; элементов: преобразователя и генератора импульсов, дельно - совмещенный преобразователь выполнен в виде набора аюугольных пьезокерамических пластин, расположенных дискретно па товых базах. Такое решение позволяет формировать характеристики равленносги в "дальней зоне".

При расчете характеристики направленности было использовано внаше ввда

л

О 9

гтггг:"

1

-и

О 6

1„ 2

' ^ Г"]

ЖЕЕ

1,

Л,-

Рис.4. Функциональная схема ультразвуковой установки для контроля эффективности покрытия с использованием поверхностью волн, где 1-линейка пьеюалактричаских излучателей; 2-линейка пьеюзлеюрических приемникаа; 3- ЭВМ; 4- генератор синхронизирующего импульса; 5- генератор электрических импульсов с вменяющимся спектром; 6-злыстроиный коммутатор; 7-усилитель электрического напряжения; 8- принтер; А-дисплей.

Погициямя а, Ь, с, й, 4 условно о5о1нач»ны: а-оптические зкраны, Ь- стенка трубопровода, с- антикоррозионный спой, с! зоадушиый слой, е- слой тепловой шоляции.

Ь

а 1

е

а а

т

"Г

>

■"33®

- ? ~ У

ИГ?»

* Л

I .^г^гг^Ч ' ' »к

.с ^

г.—, ГГФСХЖ-'

».г Г Ш

Е »1

Л Я

}

тт.:

д 1?

и

Ч * *

Уъ >

I

"5 г 4

Ч^ЭДЛГ J3gj.fr, ^

л 1 я с Л

- > >? ЛЬ

¡Ь«^«- ь "¿Л М £ ^ -у А ^ а- л '.«■"гг-Г.'■■ ...............

-й ч^м- ,-» у ^е*. I * и

Г »

^ >

А

Рис..5

Б1(8) = 1о (к (1 Бш 9 ); (12)

где: 1о - фу1шшя Бесселя нулевого порядка ; к = 2% / X; ?» - длина лны; 9 - угол, который изменяется от нуля в плоскости, перпендикулярной :мбране, до 90" в плоскости мембраны; й - диаметр круговой базы.

Диаметры окружностей, на которых располагались пластины лучателей ( расстояние между пластинами < Я, число пластин >3 ) и

[астины приемников, рассчитывались из условия кратности резонансных стот мод колебаний прямоугольных пьезокерамических пластин из уравнений

йъгП&ХгПп и ¿чгРоА^гл; и =1,2,3..... (13)

где: рп и рк - корни функции 10; Х1 и Х2 ~ длины волн пьезопяастин »исмника и излучателя соответственно. Для излучателей и приемников были гбраны пластины с частотой первой моды колебаний Г| =100 кГц, второй Т2 = Ю кГц.

Разработан генератор электрических импульсов ( П - формы ) с меняющимся спектром ( регулируемой длительностью импульса ) и [ределены условия, при которых длительность излученного упругого импульса ставляла 10 мкс, т.е. соответствовала одному периоду частоты первой моды, адельно - совмещенный преобразователь использовался для . возбуждения 1верхностных волн в металлической трубе.

Для отработки методики по измерению толщин стенки была ¡зработана физическая модель, в которой наличие корродированных участков >верхности моделировалось разной толщиной стенки трубы. На длине 1 м. ящина • Ь3 составляла 5 10"" м, на длине 0.5 м - толщина стенки составляла = ( 5 10° - к,«*, / 8 ), на длине 0.5 м - толщина стенки Ь3 = (5 10'3 - ?чю» / 4 ) 1и общей длине трубы 1=2м., где Яго,-длина поверхностной волны Яп - моды, фоились. дисперсионные кривые для тонкостенной трубы с использованием «овой скорости Срь, которая определялась на основе измерения длины волны I различных частотах. В экспериментальной установке ( рис.4 ) в качестве обужданяцего генератора использовался генератор электрических непрерывных нусоидальных сигналов, который подключался к излучателю 1*. В приемной (ста дополнительно использовался фазовращатель, сдвигающий фазу на 90°. риемные преобразователи последовательно переключались коммутатором »иемников, а длина волны определялась из уравнения

^Л/АХ«., (14)

где Д1 - приращение.расстояния между излучателем и приемником, &л110В »¡ращение длины волны (смещение фазы), а - угол наклона прямых, с >мощью которых рассчитывалась длина волны различных частот.

При известной длине волны определялась фазовая скорость

! уравнения

Срь = Г Хпс«. (15)

где Г частота упругой поверхностной волны. Полученная дисперсионная кривая использовалась для определения толщины стенки трубы из уравнения Уя/Срь-А + ВА1Ю,/Ь, (16)

где :. - скорость волны Рэлея, - длина поверхностной волны Бо -моды, Ь - толщина стенки металлической трубы, А и В - постоянные величины.

Расчет был произведен с учетом динамического коэффициента Пуассона для стали ¡^=0.33 и условия что:

0.5< Уя /Срь < 0.8. (17)

Усредненное значение рассчитанных толщин при ь, равных 0.8 ;0.7; 0.6; 0.5 приводит к ошибке 6 %.

Дисперсионные кривые были использованы также для определения типа волны при толщине стенки трубы Ь = 5 мм и "несущей" частоте излученного упругого импульса, равной Г!1СС = 100 кГц.

Для контроля эффективности адгезионного покрытия измерялись следующие акустические параметры: скорость поверхностной волны Бо-моды и интегральный коэффициент потерь энергии поверхностной волны. Для проведения экспериментальных исследований использовалась установка, приведенная на рис.4. В качестве физических моделей использовались некоррелированная и корродированная трубы. Измерения проводились путем включения излучателя 1* и'последовательного переключения приемников, затем последовательно переюпочешш раздельно- совмещенных преобразователей, что позволило определить время распространения поверхностной волны по образующей и по окружностям трубы в местах расположения раздельно -совмещенных преобразователей. При известных координатах расположения преобразователей рассчитывалась скорость распространения поверхностной волны в двух направлениях : по образующей и по окружностям. Полученные данные представляют базовую паспортную характеристику теплопровода, а информативным параметром о коррозиошюм состоянии поверхности и кинетике процесса коррозии во времени являлось относительное изменение скорости ,

(у,-У2)/У1-ДУ/У,, (18)

где VI - скорость в некоррелированном теплопроводе, у2 - скорость в теплопроводе, измеренная через время I, причем VI > у2, а изменение скорости Ду^-С 0.38-0.50)

Для определения интегральных потерь в некоррелированной и ■корродированной трубах использовалось уравнение

-П = 2018С,/С2 [ДБ] (19)

где :. - амплитуда сигнала, прошедшего, например, расстояние по окружности трубы, равное 2от, Са - амплитуда того же сигнала, прошедшего расстояние 4кг. На рис. 5 приведена осциллограмма упругих импульсов, прошедших по окружности трубы расстояние 1 = 8 п г, где г - радиус трубы, которая несет информацию о скорости распространения поверхностной волны и • интегральных потерях энергии поверхностной волны. Как и в случае измерения

короста распространения поверхностной волны, при измерении интегральных ( окальиых) потерь энергии волны, информативным параметром являлось тносшельше изменение величины

(П2-П1)/П2 = АП/П2, (20)

где П] - потери энергии волны в нехорродированном теплопроводе, ГЬ -отери, измеренные на том же участке через время 1, причем Пг > Пь

Как показали эксперименты, в корродированной трубе значительно озрастают интегральные потери (20-30 дБ), увеличивается время аспростраяения поверхностной волны ( уменьшается скорость ), что позволяет пределить наличие корродированных участков и их координаты с точностью пределяемои расстоянием между преобразователями и длиной волны Бе" моды.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ. В диссертационной работе обобщены результаты комплексных сследований проблемы создания системы комбинированной тепловой и антикоррозионной защиты, диагностики эффективности антикоррозионной нцигы теплопроводов, теплотехнического оборудования и арматуры.

1. Промышленными экспериментами установлено, что самые современные атихоррозиопные покрытия, наложенные на поверхность действующих гплопроводов, благодаря непрерывному взаимодействию с агрессивной ромыншенной окружающей средой и термокислпгельным процессам со ремепем теряют свои защитные свойства ( стареют, испытывают молекулярную еструхцшо ), в результате чего нарушается микросплошность покрытий. По той причине с течением времени под слоем антикоррозионной защиты, на еталлической поверхности, начитаются коррозионные процессы, темы которых »времени возрастает.

2. Предложена и экспериментально подтверждена принципиальная азможноегь резкого снижения интенсивности наружной коррозии теплопроводов утем экранирования наружной поверхности антикоррозионного покрытия от «плантации ионов и молекул химически активных компонентов окружающей реды, которые вызывают молекулярную деструкцию в антикоррозионном слое, а нем обусловливают коррозию поверхности теплопровода В качестве экрана, золирующего антикоррозионный слой от окружающей среды, предложено спользовать отожженную алюминиевую фольгу толщиной 40 -65 микрон

3. Разработана методика расчета и технология нанесения слоя ягикоррозионного покрытия, оснащенного защитным экраном.

4. Для увеличения термического сопротивления тепловой защиты гплопроводов предложен новый метод, предусматривающий между изолируемой оверхностью теплопровода и собственно слоем тепловой изоляции воздушную рослойху определенной толщины. При этом обе ограничивающие указанную эздушную прослойку поверхности должны быть оснащены оптическими фанами, в качестве которых нужно использовать полированную фольгу из атерналов с малой степенью черноты полного излучения (медь, алюминий н Р-)

5. Разработана система комбинированной тепловой и антикоррозионной защиты теплопроводов, объединяющая способы, описанные в п. п. 2 и 4.

6. Построена система уравнений, описывающих процесс теплопередачи от потока, теплоносителя в теплопроводе через указанную в п.5 систему защиты в окружающую среду. Эта система уравнений позволяет методами численного эксперимента определить оптимальные значения геометрических ( толщин отдельных элементов этой системы), теплофизических, оптических параметров и экономических показателей системы комбинированной тепловой и шпикоррозионной защиты теплопроводов. В методике этих расчетов оптимизирующими параметрами являются значение интенсивности тепловых потерь и приведенных затрат, необходимых на создание и эксплуатацию этой системы защиты.

7. Разработаны основы ' технологии создания и методика технологического расчета системы комбинированной тепловой и антикоррозионной защиты теплопроводов.

8. Предложен ультразвуковой зеркально - теневой метод контроля эффективности антикоррозионного покрытия с использованием волн Лэмба, обеспечивающий контроль всей поверхности трубопровода. Указанный эффект достигнут за счет того, что пьезоэлектрические раздельно - совмещенные преобразователи устанавливаются .на металлической трубе теплопровода как конструктивные элементы • на • линейных или круговых базах. Контроль параметров распространения поверхностной волны осуществляется за счет последовательного "опроса" пьезопреобразоваггелей с помощью электронного коммутатора.

9. Показано, что эффективными параметрами, несущими информацию о коррозионном состоянии теплопровода, являются: относительные изменения скорости распространения поверхностной волны и интегральных потерь энергии

РЛйвпу!^/^!^»? из тгппя^тат!.^ зквлгг тг прт'.лптчл «: т.- .о я < и I.-.»1

трубы.

10. Разработана ультразвуковая экспериментальная многоканальная установка, содержащая электрический генератор с управляемым спектром импульса, раздельно - совмещенные пьезопреобразователи, обеспечивающие излучение упругих импульсов малой длительности, электронный коммутатор, систему анализа и обработки данных на базе ЭВМ с дисплеем и принтером.

11. Разработана методика комплексного контроля коррозионной стойкости изолированных труб с использованием поверхностных волн. В основу методики положена ультразвуковая паспортизация трубопровода. Измерите толщины осуществляется способом построения дисперсионных кривых для металлической трубы, с использованием фазовой скорости, вычисленной на основе измерения длины волны Бо - моды на различных частотах в зависимости от динамического коэффициента Пуассона. Измерение скорости распространения поверхностной волны, интегральных потерь энергии осуществляется способом измерения времени распространения волны и отношением амшштуд, прошедших одинаковый путь импульсов на

орродированяом и некоррелированных участках. Результаты экспериментов юдтверждают правильность принятой концепции.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

1.РОДИЧЕВ Л.В. Статистический анализ коррозионного старения еплопроводов. - Строительство трубопроводов, 1994, № 5.

2.РОДИЧЕВ Л.В., КАРИМОВ З.Ф. Исследование физико-химической Остановки, вызывающей коррозию труб и арматуры в тепловых камерах, и >азработка эффективного метода их зашиты. - Строительство трубопроводов, 993, № 1.

3. РОДИЧЕВ Л.В., КАРИМОВ З.Ф. Физическое моделирование процессов юррозии металла под слоем антикоррозионной защиты. - Строительство рубопроводов, 1993, № 6.

4. РОДИЧЕВ Л.В., КАРИМОВ З.Ф. Новый способ снижения тепловых ютерь в теплопроводах. - Промышленная энергетика, 1995, № 5

5. КАРИМОВ З.Ф., РОДИЧЕВ Л.В. Оптимизация конструктивных и ехнологических параметров антикоррозионной изоляции для теплопроводов. -Строительство трубопроводов, 1995, .Nh 1.

6. ОСКИН Ю.Ф., РОДИЧЕВ JI.B. КАРИМОВ З.Ф. Комбинированная епловая и антикоррозионная защита трубопроводов. - Строительство рубопроводов, 1995, № 9.

7. РОДИЧЕВ Л.В., КАРИМОВ З.Ф. Экспериментальная оценка эффекта шгаческого экранирования системы тепловой защиты теплопроводов. -Теплоэнергетика ( в печати ).

8. РОДИЧЕВ Л.В., КАРИМОВ З.Ф. Система тепловой зашиты для ¡ысокотемпературных поверхностей. - ТеплоэнергетикаД997, № 9.

9. RODITCHEV L.V., KARIMOV S. F. Wanneschutsystem fur lochtemperaturflachen. - XV Kongress der Internationalen Konferenz. Leipzig, 1996.

10. ОСКИН Ю.Ф., РОДИЧЕВ Л.В., КАРИМОВ З.Ф. Комбинированное атикоррозиоштое покрытие для защиты трубных коммуникаций н арматуры в гамерах теплопроводов и способ его нанесения. Патент Российской Федерации, {« 2067718 от 10 октября 1996 г

11. НИКОЛАЕВ C.B., РОДИЧЕВ Л.В. Акустический контроль состояния юверхности теплоизоляционных труб. - Материалы VII Международной научно-«хнической конференции " Оптические, радиоволновые, тепловые методы и редства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий" .г. 1ереповец, септ. 1997 г.

12. НИКОЛАЕВ С. В., РОДИЧЕВ Л.В., САРВИН АА. Ультразвуковой <етод неразрушающего контроля коррозионного поражения поверхности еплопроводных труб. - Межвузовский сборник СЗПИ № 8, стр. 74-85. 1998.

РОДИЧЕВ ЛЕОНИД ВАСИЛЬЕВИЧ

МЕТОД КОМБИНИРОВАННОЙ ЩДРО- И ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ТЕПЛОПРОВОДОВ И ДИАГНОСТИКА КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ТРУБ

АВТОРЕФЕРАТ ЛР №020308 от 28.01.98

Подписано в печать 27.01.98. Формат 60 x 84 1/4 Бумага офсетная. П.л 1. Б.л. 0.8 РТП РИО СЗПИ _Тираж 70. Заказ 815.___

Редакиионно - годательсхий отдел Северо-Западный заочный политехнический институт 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5