автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Моделирование процессов теплопереноса и энергосберегающая технология при местном ремонте покрытий гуммированных объектов

На правах рукописи

Загребин Сергей Юрьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРИ МЕСТНОМ РЕМОНТЕ ПОКРЫТИЙ ГУММИРОВАННЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец - 2006

Работа выполнена в Вологодском государственном техническом университете Научный руководитель:

Ведущая организация: ЗАО «Северсталь-метиз»

Защита диссертации состоится «19» мая 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.297.01 в Череповецком государственном университете по адресу: 162600, Вологодская область, г. Череповец, пр. Луначарского, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Череповецкого государственного университета.

Автореферат разослан «17» апреля 2006 г.

доктор технических наук, профессор Осипов Юрий Романович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Аншелес Валерий Рудольфович кандидат технических наук, доцент Бормосов Николай Александрович

Ученый секретарь

диссертационного совета

Е.Л. Никонова

7-9 40 3

7 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В химической промышленности и других производствах, использующих гуммированные объекты, важную роль занимает процесс сохранения рабочих фондов, первоочередной задачей которого является максимальное продление срока службы оборудования. Анализ состояния аварийности оборудования показал, что с начала 90-х годов интенсивность потока отказов не только утратила тенденцию к снижению, но и стала приобретать возрастающий характер. Увеличение отказов при достижении определенных сроков службы характерно для любой механической системы и связано с ухудшением ее состояния под влиянием процессов износа, накопления коррозионных и усталостных повреждений в предшествующий период эксплуатации. Даже небольшие по размерам повреждения в покрытиях могут привести к выходу из строя дорогостоящих изделий. В настоящее время для ремонта покрытий гуммированных объектов, имеющего значительные по размерам дефекты, применяют повторную вулканизацию в котлах всего изделия, что приводит к перевулканизации, ухудшению качества основного защитного покрытия и уменьшению срока его службы. Ввиду больших затрат на проведение ремонтных работ, необходимости вывода оборудования на длительное время из эксплуатации не всегда представляется возможным качественно решить вопрос восстановления.

Местный ремонт (как наиболее дешевый и эффективный вид ремонта) получает в настоящее время приоритетное значение вместо широкомасштабной сплошной замены металлоёмкого оборудования и заключается в том, что ремонту подвергаются только дефектные участки. Учитывая тенденцию ухудшения состояния оборудования химических и других производств по мере увеличения продолжительности эксплуатации под влиянием процессов накопления и развития коррозионных повреждений, необходимости оптимального, экономного расходования финансовых ресурсов на поддержание парка оборудования в работоспособном состоянии, актуальной является разработка нового метода местного ремонта химического оборудования в местах местных повреждений защитных покрытий. Повышение технического уровня ремонта защитных покрытий позволит увеличить сроки эксплуатации и эффективность использования промышленного оборудования, что имеет в условиях рыночной экономики первостепенное значение. Необходимость проведения исследований с целью разработки математических моделей тепломассопереноса в процессе термической обработки ремонтных защитных материалов с учетом изменения коэффициентов внутреннего и внешнего переноса теплоты вещества и создания на их основе инженерных методов расчета и определяют актуальность настоящей работы.

Цель работы. Математическое моделирование, интенсификация и расчет процессов теплообмена при ремонте гуммировочных покрытий на оборудовании и аппаратах промышленных производств, базирующееся на новых решениях краевых задач внутреннего теплопереноса с учетом неопределенностей вероятностного характера; развитие и совершенствование на этой основе инженерных методик расчета процессов теплообмена; расчетно-экспериментальные исследования влияния процесса теплообмена на степень и качество вулканизации, химическую

стойкость и прочность горячего крепления покрыт* йромад'ДД'НОВ. ЛйбрРатоР1,Ь1Х и промышленных условиях. библиотека

СОотерЗетг«

о»

Научная новизна диссертации состоит в предложении и реализации способа термообработки гуммировочных покрытий при местном ремонте, включающем предварительный нагрев материала до температуры вулканизации и последующую вулканизацию в установке индукционного нагрева; установлении и теоретическом обосновании основных особенностей теплообмена при ремонте покрытий гуммированных объектов; разработанном методе расчета температурного поля для термической обработки ремонтируемого участка, отличающемся высокой ^ точностью получаемых результатов и инвариантностью к геометрии ремонтируемого покрытия; разработке методики выбора оптимальных режимов теплообмена при горячем креплении эластомерных покрытий к металлу. <.

Практическая ценность результатов работы заключается в разработке и конечной реализации инженерной методики расчета процессов теплообмена при местном ремонте гуммированных покрытий при сохранении качества эксплуатирующихся эластомерных покрытий, выработке рекомендаций для промышленного освоения результатов исследования, внедрении разработанных методик в практику ремонтных подразделений, увеличении производительности гуммированного оборудования антикоррозионных цехов промышленных предприятий.

Реализация результатов исследований. Практическая реализация результатов работы осуществлена при местном ремонте покрытий гуммированных объектов на ОАО «Аммофос» г. Череповец, ЗАО «Вологодский подшипниковый завод» г. Вологда, ООО «Вологодский станкостроительный завод» г. Вологда, ООО «ССМ -Тяжмаш» г. Череповец, ООО «Интерлес» г. Вологда, ООО «Октава-Плюс» г. Вологда, ООО «Агрохим» г. Сокол, ООО «Агропромэнерго» г. Череповец.

Достоверность полученных результатов и выводов, сделанных на их основе, подтверждается сравнением с данными натурных экспериментов по исследованию процесса теплообмена при местном ремонте покрытий гуммированных объектов и математического моделирования процесса теплообмена, а также с результатами исследований других авторов.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались, экспонировались и получили положительную оценку на: первой и второй общероссийских научно-технических конференциях «Вузовская наука - региону» (27-28 февраля 2003 г., 27-28 февраля 2004 г., г.Вологда); международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений» (29-31 октября 2003 г., г.Вологда); всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (2-4 декабря 2003 г., г. Вологда); всероссийской научно-практической конференции «Экология и здоровье: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий, профилактики заболеваемости и устойчивого развития «Человек-Природа-Бизнес» (25-28 мая 2004 г., г.Москва); второй всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики. Энергоресурсосбережение» (18-20 мая 2004 г., г.Самара); международной конференции «Композит-2004» «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология »(6-8 июля 2004 г., г.Саратов); всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (26-28 мая 2004г., г.Самара); второй между-

народной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (19-21 мая 2004 г., г.Вологда); международной научно-технической конференции «Современная наука и образование в решении проблем экономики Европейского Севера» (2-5 ноября 2004г., г.Архангельск); четвертой международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (25-27 октября 2004г., г. Вологда); международной научно-технической конференции «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (6-8 декабря 2005 г., г. Вологда).

По теме диссертационной работы опубликованы 24 печатные работы, в том числе монография Ю.Р.Осипов, С.Ю.Загребин. Автоматизация технологических процессов гуммировочных производств. - М.: Классик Прим, 2004. - 275 с.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка из 193 наименований. Объем диссертации составляет 150 с. машинописного текста, 52 рисунка и 16 таблиц, а также пяти приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность. По результатам предварительного анализа целей работы разработана структура и содержание работы.

Глава 1. Обзор научно-технических задач при организации ремонта защитных гуммировочных покрытий.

Рассмотрены научно-технические и практические знания в области ремонта покрытий гуммированных объектов. Выполнены исследования воздействий физико-химических и эксплуатационных факторов на покрытия гуммированных объектов. Проведен патентный поиск решений по ремонту защитных покрытий. Приведено описание существующих устройств местного ремонта покрытий, материалов, применяемых в настоящее время при ремонте, контроля качества покрытий и критериев оценки их ремонтопригодности.

Проведенный обзор способов и устройств ремонта покрытий позволяет констатировать, что в подавляющем большинстве в качестве исполнительных устройств теплообмена технико-экономически эффективно, по сравнению с другими видами термообработки, использовать электронагревательные установки.

Анализ известных технических решений дает основание сделать вывод о том, что проблема экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов (сокращение стоимости ремонтных работ, снижение трудоемкости работ и ускорение темпов ремонтных работ, сокращение объема транспортных расходов; экономия дорогостоящих изоляционных материалов и энергоресурсов, использование свойств старого защитного покрытия; исключение загрязнения почвы продуктами очистки) делает актуальным решение задачи повторного использования покрытий гуммированных объектов в случае их местных повреждений. Наработанные приемы и способы исправления повреждений малоэффективны, так как при их назначении не учитывается многообразие действующих физико-химических факторов в условиях эксплуатации.

Глава 2. Теоретические аспекты процессов теплообмена при местном ремонте гуммировочных покрытий.

Выполнено аналитическое исследование экспериментальных данных и литературных источников (Г.А. Балалаев, Л.Г Богатков, Ю.Р. Осипов, Н.С. Пенкин, А.П. Гузеев, И.В.Бирюков, В.С.Васильцов, В.Г.Гутов и др.) по тематике, связанной с восстановлением работоспособности поврежденных гуммированных покрытий технологического оборудования. Результаты анализа позволили выявить связь физико-химических характеристик, которые в значительной мере определяют срок службы отремонтированного гуммировочного покрытия, т.е. искомого показателя качества, и температурные режимы процесса вулканизации. Показано, что процесс вулканизации является сложным химико-технологическим процессом и протекает в условиях постоянно действующих возмущений, оказывающих существенное влияние на качество отремонтированного покрытия.

Установлено, что при выборе тепловых режимов вулканизации при ремонте гуммировочных покрытий следует руководствоваться следующими основными требованиями: режим термообработки должен обеспечивать высокие антикоррозионные и прочностные показатели ремонтных покрытий; циклы термообработки должны интенсифицироваться, чтобы достичь высокой производительности оборудования.

В результате исследования произведен анализ возмущений в процессе вулканизации при местном ремонте покрытий, которые разделены на внутренние и внешние. Внутренние возмущения - это вариации теплофизических свойств вулканизата, неравномерное распределение внутренних источников теплоты, к внешним возмущениям относятся колебания температуры среды. Внутренние возмущения обусловлены неоднородностью состава гуммировочных резин, внешние - условиями незамкнутого пространства в процессе местного ремонта. Все возмущения являются источниками или факторами неопределенности и существенно влияют на протекание технологического процесса вулканизации. При этом проведенные экспериментальные исследования подтвердили данные литературных источников о стохастической природе возмущений.

Рассмотрены математические модели для описания процесса вулканизации, алгоритмы расчета температурных полей в вулканизируемом изделии (Ю.Р. Осипов, А.И. Лукомская, П.А. Денисов, П.Ф. Баденков, Л.М. Кеперша и др.). Отмечается, что процесс вулканизации при ремонте гуммировочных покрытий в случае местных повреждений недостаточно освещен в современной литературе, существующие математические модели построены без учета указанных возмущающих воздействий, что не позволяет осуществить адекватное моделирование процесса ремонта.

Рассмотрено современное состояние вопроса интенсификации теплообмена при местном ремонте гуммировочных покрытий. На основе анализа результатов проведенного исследования сделан вывод о необходимости решения задачи улучшения температурных режимов процесса вулканизации с учетом действующих возмущений.

Исходя из вышеизложенного в работе ставятся следующие задачи: 1. исследование действующих возмущений, влияющих на процесс вулканизации

при местном ремонте гуммировочных покрытий;

2. разработка математической модели процесса вулканизации с учетом действующих возмущений, позволяющей рассчитывать температурные поля в ремонтируемых промышленностью гуммированных изделиях, учитывающей с достаточной полнотой реальные, не идеализированные особенности процесса;

3. разработка и реализация алгоритма решения уравнений математической формализации, проведение теоретико-экспериментальных исследований;

» 4. проведение идентификации и оценка адекватность полученной модели;

5. экспериментальное исследование влияния условий теплообмена при термообработке на качественные показатели готовых отремонтированных покрытий, интенсификация теплообмена при вулканизации;

6. разработка инженерной методики расчета нагрева ремонтируемых покрытий гуммированных объектов;

7. определение эффективности внедрения предложенного метода ремонта в промышленность.

Глава 3. Математическое моделирование процессов теплообмена при местном ремонте покрытий гуммированных объектов с учетом неопределенностей вероятностного характера.

Разработаны алгоритмы моделирования тепловым технологическим процессом вулканизации при местном ремонте гуммировочных покрытий. Аргументирована целесообразность использования индукционного нагрева при ремонте покрытий. Принципам воздействия данного вида нагрева на температурные поля различных материалов при разнообразных условиях посвящены работы В.П.Вологдина, Л.С.Неймана, А.Е.Слухоцкого, О.В.Тозони, B.C. Немкова, Н.А.Павлова, П.А. Денисова, С.А.Горбаткова, В.Б.Демидовича, А.Стохниола и др. Метод, являясь наиболее перспективным для термообработки ремонтных участков гуммировочных покрытий, позволяет интенсифицировать процесс теплопереноса и существенно повысить экономичность местного ремонта.

Представлена математическая модель теплового процесса вулканизации гуммировочных покрытий с учетом факторов неопределенности при местном ремонте химических аппаратов и оборудования, предложен алгоритм ее решения, представлены результаты имитационных исследований.

При разработке математической модели процесса вулканизации воспользуемся цилиндрической системой координат, адекватной геометрической форме нагревательных плит и ремонтируемого сегмента гуммировочного покрытия.

На основании теоретических аспектов теплообмена, описания процесса вулканизации, влияния факторов неопределенности, вопроса математического моделирования теплопереноса и местном ремонте (представленных в главе 2) примем следующие допущения. Теплофизическими характеристиками, обуславливающими режим нагрева плит и сегмента гуммировочного покрытия, являются теплопроводность, теплоемкость, плотность их материалов. Теплопроводность материала нагревательных плит одинакова во всех направлениях. Внутри нагревательных плит находятся распределенные источники теплоты в виде нагревательных элементов. Тепловой контакт между участком гуммировочного покрытия и нагревательными плитами является идеальным, что обеспечивается конструктивными характеристиками вулканизатора.

Введем в уравнения математической модели, для учета вариаций тегогофизических свойств вулканизируемого участка гуммировочного изделия, случайные составляющие Ас, Лр, АХ с известными статистическими характеристиками; для учета возмущений, обусловленных неравномерностью распределения внутренних источников теплоты и колебаниями температуры среды -Aq и АЕ, соответственно:

(сХт^+Дс1)(р1(Т^+Ар1)^ = Лу((Х1(Т1)+АЯ.1)вп1ё(Т1))н-д1(Т1>т) + АЧ1, (1)

от

где т - текущее время нагрева; г,ф,г - полярные координаты; т0<т<ть г,<г<г2, ф1<ф<ф2, 2.]<7.<7^; с^РиА.,, 1=1..3 - соответственно теплоемкости, плотности, теплопроводности материалов нагревательных плит и нагреваемого гуммировочного покрытия; Т„ ¡=1..3 - температуры нагревательных плит и гуммировочного покрытия, К; (}„ ¡=1,3 - мощности распределенных источников теплоты в плитах, Дж/м3; 1=1.. 3 - соответственно для нагревательных плит и гуммировочного покрытия; j=l,2 - соответственно для наименьшего/наибольшего радиуса (угла ф, высоты г) плиты или нагреваемого гуммировочного покрытия; при 1=1,3 Ас„ Ар„ АЯ_1, Aq1 равны нулю.

Начальные и граничные условия

Т,(г,ф,2,т)|т_0=Т0 + Л^ = 1..3

ап

¡ = 1о = 2;1 = Зо = 1,

да

= а,(Т,(г,ф,2,т)-(Т01+Д^г_г> = а1(Т1(г,ф,г,т)-(Т01+дО)

(МТ,(г,Ф,^))+Д

да

= а,(Т1(г,Ф,2>т)-(Т0,+Д^2„

Т2(г,ф,г,т)| =Т,(г,ф,г,т|

1 'у '

(2)

Т,(г,ф,7,г1 =Т0 ' 1 V-»,

да

0 = = 2

где п - вектор нормали к поверхности нагревательных плит.

Для расчета задаем начальное распределение температур в исследуемом объекте, а также размеры нагревательных плит и сегмента покрытия. Далее с помощью генератора случайных чисел р раз вырабатывались наборы случайных чисел, моделирующих действие факторов неопределенности.

Выбор способа решения модели сделан в пользу численных методов, обладающих большей универсальностью по отношению к форме исследуемого изделия и позволяющих получать достаточно простые расчетные формулы даже для сложных задач, возникающих в реальном ремонте гуммированных изделий.

Численным методам, в том числе методам конечных разностей, связанных контуров, граничных элементов, конечных элементов и другим, посвящены работы А.А.Самарского, B.C. Рябенького, В.С.Немкова, JI.P. Неймана, О.В. Тозони, В.Б. Демидовича, Б.С. Полеводова, М.Б. Коломейцевой, П. Бенерджи, К. Бреббия, С.

Рис.1. Кинетические кривые теплового режима прогрева покрытия марки 1751(СКБ) (1,5 мм) + 2566(НК+СКБ) (1,5 мм * 3) при Зст = 4 мм.

При изучении данного вопроса теоретический анализ процесса, сочетался с экспериментом, дополняющим и корректирующим теорию. Такой подход представляется наиболее плодотворным при исследовании сложных процессов теплообмена при ремонте покрытий гуммированных объектов. Учитывая полученные случайные величины с помощью схем, построенных на основе метода конечных разностей, рассчитываются поля температур в нагревательных плитах и вулканизируемом участке покрытия. Затем производится усреднение полученных результатов в каждой точке рассматриваемой области в каждый момент времени. Для проверки разработанной программы проводились имитационные исследования процесса вулканизации с использованием модели (1)-(2) для ремонта различных марок покрытий разной толщины (рис.1). Характер полученных результатов расчета позволяет отметить достаточно хорошую воспроизводимость экспериментальных и имитационных исследований (максимальная погрешность составляет 3-5 %) и позволяют применять разработанную модель расчета на практике.

Глава 4. Расчетно-экспериментальные исследования и процессов теплообмена при местном ремонте гуммировочных покрытий.

Проведена проверка адекватности математической модели процесса теплообмена при местном ремонте гуммировочных покрытий. Поставлена задача идентификации, описана методика идентификации математической модели, приведены результаты ее реализации.

Адекватной математическая модель будет являться, если разность р*(Тк,Ткэ) между расчетными значениями температур Тк и соответствующими величинами экспериментальных исследований Ткэ не будут превышать своих допустимых значений для каждого к из области возможных значений Ткэ:

УкеВ:р(Тк,Ткэ)<А, (3)

где А=(А],..,А3) - вектор допустимых значений расстояний; В - область возможных значений Ткэ, т.е. область возможных режимов моделируемого объекта.

Проверка (3) требует бесконечно большого числа контрольных экспериментов, поэтому реально проверку адекватности проводим с использованием соотношения: Ук=(1,...,тодч):р\Тк,Ткэ)<А, (4)

где ц - допустимая вероятность неадекватности модели; ад - доверительная вероятность; шадч - число контрольных экспериментов, необходимых для подтверждения вероятности (1 - ц) адекватности модели при выбранной доверительной вероятности.

Следовательно, при ограниченном числе опытов и выбранной вероятности модель считается адекватной, если с доверительной вероятностью ад выполняется

условие Ргоь|тахр(тк,Ткэ)< а}>1-с}, где РгоЬ^} - вероятность появления события е.

На практике измерения Тэ проводят с ошибками Ет=(£|т,.-,Еяг), а измерения независимых переменных входов модели у=(уь..,ур) - с ошибками е7=(в1у,..,е8р).

Проверку адекватности математической модели процесса вулканизации с учетом погрешности измерительных приборов Д/Т и А/ проводили по формуле

¿1

ам,

эу,

тах

ЪеВ

ът

Д! д!

+ тах

кеВ

д;

Результаты проверки адекватности математической модели (1)-(2) доказали ее пригодность в целях моделирования рассматриваемого процесса.

Решена задача интенсификации процесса теплообмена при ремонте гуммировочных покрытий, обеспечивающая минимизацию энергозатрат при выполнении технологических условий и ограничений. В связи с тем, что интенсификация процесса вулканизации не инвариантна вариациям возмущающих воздействий, для обеспечения заданного качества вулканизации необходимо учитывать факторы неопределенности.

Проведенные имитационные исследования позволили выявить управляющие воздействия процесса теплопереноса - токи нагревательных элементов верхней и нижней плит. Задача интенсификации процесса вулканизации заключается в следующем: необходимо определить такие законы изменения токов нагревательных элементов верхней и нижней плит, при которых достигается минимум математического ожидания суммы квадратов отклонений рассчитанной по модели

(1)-(2) и экспериментально определенной температуры в контролируемых точках нагревательных плит при ограничениях на мощность и конструктивные параметры нагревательных элементов. Решение задачи с использованием модели (1)-(2) весьма затруднительно, поэтому модели (1)-(2) ставится в соответствие система обыкновенных дифференциальных уравнений, полученная путем дискретизации уравнений математической модели по пространственным координатам с использованием интерполяционной формулы:

x(T) = f(T,x,u,a,b),x0 <т<т,, (5)

dim(x)=n, dim(u)=m, dim(b)=r, и(т) = {Ii(t), I3(t)} - вектор управляющих воздействий;

I,(t) = u,(t), I3(t) = u3(t), u, < u, S m ,u3 ^u, «Su3 • С начальными условиями x(x)(t=0 = x0 критерий оптимальности имеет вид:

I0(v) = M[f0(x(t1),x"(t1 ))]--» mjn, ^(тДх^)) = ¿(х,(т,)- x',(t,))2,v^ {u,a}, (6)

v 1=1

где x, 1=i 5, x', ,15 - соответственно расчетная и измеряемая в контролируемых точках температура, при условиях связи, представленных в виде уравнения теплопроводности при конкретных граничных условиях и ограничениях на конструктивные параметры и управляющие воздействия.

Решение задачи проводится на основе метода возможных направлений, предусматривающего выбор начального условия, выбор подходящих вариаций управляющих воздействий, обеспечение условий сходимости процесса к оптимальному решению, определение длины шага и оценку приближений.

Результаты решения вероятностной задачи, для ремонта различных марок покрытий с различной толщиной позволили сделать обоснованный вывод, что введение в математическую модель формализованных возмущений стохастической природы, позволяет существенно снижать максимальные значения токов (до 5-7 %) и как следствие обеспечивать меньшие затраты энергии.

Экспериментальное исследование процесса местного ремонта произведено на установке, принципиальная схема которого приведена на рис.2.

8

1 опытный образец; 2 - нижняя нагревательная плита; 3 - верхняя нагревательная плита; 4 - основание

установки; 5 - манометр для измерения давления прессования; 6 - устройство регулирования температуры; 7 - самопишущий многоточечный потенциометр, 8 - регулятор давления; 9 - термопара для контроля температуры в нижней нагревательной плите; 10 - термопара для контроля температуры в верхней нагревательной плите; 11 - термопары для контроля температуры опытного образца

кШм - Е,%

270 900

240 800

210 700

180 600

150 500

120 400

90 300

60 200

30 100

0 0

МПа

27

24 21 18 15 12 9 6 3

О Пфрш*»» »ушшшшщш

—1

\

V г

2

"Я V у (

Г \ 4 Г

Рис.3. Влияние продолжительности вулканизации Рис.4. Кривые распределения

гуммировочного покрытия марки 1726 (НК) при 418 температуры в четырёхслойном

К на их механические свойства: 1 - сопротивление покрытии марки 1752 (НК+СКБ) при

разрыву; 2 - напряжение при 300% удлинения; 8СТ= 2 мм и Тс = 418 К и различном

3 - относительное удлинение; 4 - сопротивление времени вулканизации

раздиру (э) - эксперим. данные, (м) - данные

расчета математ. модели

Проведено исследование влияния условий теплообмена при термообработке на качественные показатели готовых отремонтированных покрытий. На рис.3 показано влияние условий теплообмена при повторной вулканизации гуммировочных покрытий, так как при вулканизации восстанавливаемого участка существующее гуммировочное покрытие испытывает воздействие повышенных температур, по времени равное или несколько большее продолжительности вулканизации нового защитного покрытия. Из рисунка видно, что при дальнейшем значительном увеличении продолжительности вулканизации покрытий (превышающей обычно изучаемые в технологической практике пределы) реверсия практически прекращается и свойства вулканизатов мало изменяются. Таким образом, нет оснований опасаться значительного ухудшения свойств гуммировочных покрытий при многократном их восстановлении. Проведены многочисленные исследования распределения температур в покрытиях марок 2566, 1976 на основе НК и СКБ. На рис.4, представлены типичные кривые распределения температуры в покрытии 1752 (НК+СКБ). Установившийся тепловой режим наступал через 1530 с.

При термообработке обкладок из эбонитов наблюдали повышение температуры внутри обкладок выше температуры нагревательных плит, причем более значительное, чем при вулканизации резиновых обкладок. Доказательство внутреннего тепловыделения, связанного с повышением температуры, обусловлено содержанием связанной серы в эластомере: чем ее больше, тем температура выше. В эбонитовых смесях выделяется при вулканизации до 920-103Дж/кг каучука. Результаты экспериментов по вулканизации покрытий марок: 1751+ 2566 и 1752 показали, что время установления теплового состояния, при котором температура во всех контролируемых точках равна температуре среды (ТС=418К), растет с увеличением толщины ремонтного покрытия.

Установлены зависимости распределения вулканизующего агента (свободной

серы) по слоям отремонтированных покрытий исследуемых марок (рис.5). Установлено распределение свободной серы, характеризующее степень вулканизации, а, следовательно, и качество отремонтированного изделия. Проведено сравнение с данными, полученными до ремонта, количество свободной серы и его равномерность по слоям отремонтированного покрытия практически соответствует изначальным показателям.

в, %

Л //

> // // у

) // //

А /А // 2

\з

Рис.5. Содержание свободной серы по слоям в исходных (после термообработки в вулканизационном котле при Т=418К, т= 18000 с.)

—О— и отремонтированных покрытиях 1 - 1751 (СКБ) (1,5 мм) + 2566 (НК+СКБ) (1,5 мм * 4); 2 - 1751 (СКБ) (1,5 мм х 4); 3 - 1751 (СКБ) (1,5 мм) + 1976 (СКБ) (1,5 мм х 4)

0 5 10 15 20 т сут

Рис.6. Кинетические кривые набухания в исходном ■О- (после термообработки в вулканизационном котле при Т=418К, т= 18000 с ) и отремонтированном --•■-покрытии марки 1752 (НК+СКБ) 5„ = 2 мм, 5„б = 6 мм в разных кислотах: 1 - в азотной (40%); 2 - соляной (33%); 3 - уксусной (50%)

Качество гуммировочных покрытий кроме степени вулканизации характеризуется и химической стойкостью, которая исследовалась методом набухания образца в агрессивной среде. Проведены многочисленные исследования в различных средах 40%-ной азотной, 50%- ной уксусной, 60%- ной серной, 33%- ной соляной кислотах. На рис. 6. приведены кинетические кривые набухания в исходном и отремонтированном покрытии марки 1752 (НК+СКБ) в разных кислотах. Анализ кинетических кривых показал, что химическая стойкость отремонтированных покрытий из эластомеров на основе каучуков разных типов, полученных вулканизацией посредством индукционного нагрева, практически идентична первоначальной, имеет расхождение не более 5 %.

Испытания на прочность связи многослойных отремонтированных резинометаллических систем проводили в соответствии с ГОСТ 209-75, ГОСТ 41177 и ГОСТ 269-75 на отрыв, расслаивание и др.

Зависимости прочности связи (рис.7) при расслаивании слоев покрытий из эластомеров от времени вулканизации индукционным нагревом доказывают правильность взгляда на образование связи между слоями одного и того же эластомера как на диффузионный процесс тем, что прочность двух приведенных в контакт слоев эластомера всегда увеличивается со временем, причем прочность связи растет сначала быстро, а затем все медленнее.

Так, прочность крепления при расслаивании слоев обкладки в процессе вулканизации методом простой конвекции - 7,0; 10,5; 12,0 и 12,5 (кН/м) при

температуре 428 К через 600, 1200, 1800 и 2440 с с момента начала термообработки. Данные для вулканизации отремонтированных покрытий соответственно составляют: 10,8; 12,8; 13,3 и 13,6 (кН/м). Прочность связи между слоями при расслаивании покрытий марки 2566 после ремонта в среднем в 1,3 раза выше, чем без него.

„МПа т_ «II/и

х ,кН/м

19 18 17 16 15 14 13 12

1

2 нг: — У—о

\Т VI >—< >—< гт

5 н—< |—< 1

7 Р, МПа

Рис.8. Зависимость прочности связи между слоями (1-5) покрытия марки 1751 (СКБ) (1,5мм) + 2566 (НК+СКБ)(1,5 мм х 4) и стальной подложки 5„=4 мм от давления на образец

Рис.7. Кривые изменения прочности при расслаивании и прочности связи при отрыве исходных -О— (после термообработки методом конвекции при Т=423К, т=18000 с ) и отремонтированных •••■•покрытий' 1 - при расслаивании покрытия из резины 2566 (НК+СКБ); 2,3 -прочность связи резины 2566 (НК+СКБ) и 1976(СКБ) с металлом при отрыве

Так как в результате вулканизации происходит структурирование эластомера обкладки, то очевидно, что продолжительность вулканизации влияет на характер пространственной сетки вулканизата, а степень поперечного сшивания - на физико-механические свойства полимерного покрытия и прочность крепления.

В связи с необходимостью разработки интенсифицированных режимов вулканизации, обеспечивающих высокое качество отремонтированных покрытий, исследован вопрос о влиянии на него давления прессования (рис.8.). Повышение давления приводит, однако, к утяжелению оборудования, усложнению условий его эксплуатации, необходимости использования более надежной арматуры, изменению сечений и повышению надежности уплотнений подводящих трубопроводов и т.п. Поэтому повышение давления разумно до тех пределов, в которых вызываемое им повышение качества покрытия окупает затраты на усложнение технологического процесса. Установлено, что повышение давления на образец от 0,2 до 2,0 МПа приводит к увеличению прочности связи в слоях до 24%, дальнейший рост практически не влияет на прочность связи (усилия расслоения), но изменяет характер разрушения в слоях резинометаллических систем. Анализ полученных результатов показывает, что при разработке интенсифицированных режимов вулканизации ремонта гуммировочных покрытий давление прессования должно быть не менее 2,0 МПа.

При интенсифицированных режимах вулканизации отремонтированное покрытие освобождается от нагревательных плит горячим, вследствие чего из-за медленного охлаждения на воздухе оно существенно довулканизовывается, причем неравномерность степени вулканизации покрытия выравнивается в период ее довулканизации. Очевидно, что на степень довулканизации и равномерность вулканизации отремонтированного участка, а следовательно, и на его качество в значительной мере будут влиять условия теплообмена охлаждаемого покрытия с воздушной средой.

На рис. 9 и 10 показано влияние температуры покрытия, извлеченного из установки индукционного нагрева, и величины коэффициента теплоотдачи а на степень довулканизации наименее прогреваемого и наиболее медленно охлаждаемого участка покрытия. Степень довулканизации покрытия характеризуется приростом АБ эквивалентного времени вулканизации и скоростью изменения коэффициента теплоотдачи а в процессе охлаждения.

Л5мпря 416К,мин

60

50

40

30

20

10

1 л

2

3 /

4 3 2

** и- -- — м

/ -Т_"433К — — Т_=423К

0 2 6 10 14 18 22 т, мин

10 15 20 т, мин

Рис.10. Изменение коэффициента теплоотдачи а в процессе охлаждения отремонтированного покрытия марки 1751 (СКБ) + 2566 (НК+СКБ) при различных Тгач

Рис.9. Кинетика довулканизации гуммировочного покрытия марки 1751(СКБ) (1,5 мм) + 2566(НК+СКБ) (1,5 мм х 3) при послевулканизационном охлаждении - при различных начальных температурах и коэффициентах

теплоотдачи: 1 - а = 11 Вт/м2 К; 2 - а„ = 10 Вт/м2 К;

3 - а = 9 Вт/м^К; 4 - а = 8 Вт/м^К

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования местного ремонта гуммировочных покрытий показали практическую целесообразность и эффективность восстановления покрытий методом местного ремонта.

Глава 5. Инженерная методика расчета процесса индукционного нагрева и экономическая эффективность внедрения разработки в химическую промышленность.

Задачей инженерной методики расчета индукционного нагрева ремонтируемых покрытий гуммированных объектов является обеспечение работы всех элементов установки в оптимальных тепловых режимах, для чего требуется увязать оптимальные размеры всех элементов индукционной системы с оптимальным режимом работы нагревательных плит. Методика заключается в тепловом и электромагнитном расчете системы индуктор - нагревательная плита (НП). Целью теплового расчета является определение мощности индукционных нагревателей. Исходными данными в этом случае выступают размеры, температура покрытия и

плит, и их теплофизические параметры: теплоемкости, плотности, теплопроводности, теплоотдачи, теплообмена. Суммарный расход теплоты на обогрев НП рассчитывался исходя из теплового баланса согласно суммарному расходу теплоты на обогрев НП; теплового потока, получаемого от НП собственно для вулканизации ремонтного участка; тепловых потерь на нагрев оборудования и окружающей среды и прочих потерь, не поддающихся расчету и составляющих 35% от всех потерь теплоты. В диссертационной работе электромагнитный расчет проведен методом баланса мощностей, при нем исходными данными являются активная мощность НП; напряжение и частота тока сети; температура рабочей поверхности НП; ширина и высота паза индуктора. Выходными параметрами устройства являются количество витков, диаметр и тип провода индуктора, фактическая активная мощность индуктора; окончательно уточненная высота паза; ток в индукторе; коэффициент мощности и электрический кпд, максимально удовлетворяющие оптимальной эффективности теплообмена при ремонте покрытий. При этом нагревательные плиты с индукционным обогревом обеспечивают заданную технологическим режимом температуру поверхности; имеют возможность регулирования температуры по зонам обогрева; обладают непродолжительным периодом разогрева от холодного состояния до рабочей температуры; надежны в работе и несложны в техническом обслуживании и ремонте; срок службы индукторов соответствует сроку службы нагревательных плит; обладают оптимальной металлоемкостью.

Проведено технико-экономическое и экологическое обоснование эффективности разработки и создания новых средств и методов восстановления покрытий гуммированных объектов основных фондов химической и других отраслей промышленности от коррозионного разрушения, исходя из анализа их состояния. Установлена и обоснована взаимозависимость основных направлений развития НТП в области противокоррозионной защиты и охраны окружающей среды, на основании чего использовался комплексный подход к оценке результатов и затрат. Разработаны методические подходы к оценке полного экономического эффекта осуществления мероприятий по интенсификации процесса теплообмена при ремонте покрытий гуммированных объектов с учетом как их технико-экономических, так и экологических параметров.

При использовании предложенного методического подхода полный экономический эффект в результате внедрения местного ремонта выражается для каждого покрытия индивидуально, в зависимости от срока службы и других показателей. Для покрытия со средним сроком службы он составляет 23625 руб.

ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ известных решений в области теплопереноса при ремонте гуммировочных покрытий; определены случайные возмущения - факторы неопределенности, действующие на тепловой процесс вулканизации при местном ремонте гуммировочных покрытий и способы их формализации;

2. Разработана структура математической модели теплового процесса индукционного нагрева гуммировочных покрытий с учетом факторов неопределенности, учитывающая с достаточной полнотой реальные, неидеализированные, особенности процесса термообработки; проведен анализ действующих возмущений в процессе вулканизации, представляющих собой вариации

значений теплофизических характеристик вулканизата, неравномерное распределение внутренних источников теплоты, колебания наружной температуры окружающей среды, и выявлен их вероятностный характер;

3. Разработан и реализован алгоритм решения уравнений математической формализации. В результате теоретико-экспериментальных исследований установлено: математическая модель процесса теплообмена характеризуется высокой точностью получаемых результатов и инвариантностью к геометрии ремонтируемого покрытия. Проведена идентификация и доказана адекватность полученной математической модели процесса теплообмена при местном ремонте гуммировочных покрытий;

4 Решены задачи интенсификации теплообмена при вулканизации при местном ремонте гуммировочных покрытий в условиях неопределенности. Приведенные результаты реализации предложенной методики, полученные посредством введения в модель формализированных возмущений стохастической природы позволяют существенно снижать затраты энергии;

5. Экспериментально доказано влияние условий теплообмена при термообработке на качественные показатели готовых отремонтированных гуммировочных покрытий: использование при ремонте покрытий индукционного обогрева нагревательных плит в сочетании с оптимизацией вулканизации позволяет получить более равномерную степень вулканизации гуммировочных покрытий, сохранить на первоначальном уровне и повысить их некоторые физико-механические показатели;

6. Разработана инженерная методика расчета индукционного нагрева ремонтируемых покрытий гуммированных объектов; определена эффективность внедрения предложенного метода ремонта в промышленность;

7. Разработаны и доведены до конечной реализации методы расчета процессов термообработки гуммировочных покрытий, внедренные в расчетную практику ряда промышленных предприятий Вологодской области.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Осипов, Ю.Р. Решение задачи теплопроводности применительно к процессу сушки адгезива на листовой металлической подложке [Текст] / Ю.Р. Осипов, С.Ю. Загребин, С.Ю. Осипов //Вузовская наука - региону: Материалы Первой общероссийской научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2003. -С. 60-63.

2. Осипов, Ю.Р. Об исследовании тепломассопереноса в многослойных эластомер-ных системах [Текст] / Ю.Р. Осипов, С.Ю. Загребин // Современные проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений: Материалы международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2003. - С. 207-210.

3. Загребин, С.Ю. Принципы анализа теплообменных процессов и систем при гуммировании с целью повышения их эффективности [Текст] / С.Ю. Загребин, Ю.Р. Осипов, С.Ю. Осипов // Современные проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений»: Материалы международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2003. - С. 194-197.

4. Осипов, С.Ю. Решение нестационарной сопряженной задачи для послевулканизационного охлаждения гуммировочных покрытий [Текст] / С.Ю. Осипов, Ю.Р. Осипов, С.Ю. Загребин // Современные проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений: Материалы международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2003. - С. 205-207.

5. Осипов, С.Ю. Влияние теплового режима предварительной вулканизации на антикоррозионную стойкость слоев гуммировочных покрытий [Текст] / С.Ю. Осипов, Ю.Р. Осипов, С.Ю. Загребин // Современные проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений: Материалы международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2003. - С. 202-205.

6. Осипов, С.Ю. Исследование процесса теплоотдачи при охлаждении гуммировочных покрытий машин и оборудования лесного комплекса после горячего крепления эластомера к металлу [Текст] / С.Ю. Осипов, Ю.Р. Осипов, С.Ю. Загребин // Актуальные проблемы лесного комплекса: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2004. - С. 66-69.

7. Осипов, С.Ю. Основные закономерности и методы оценки степени вулканизации резин в гуммированных объектах. Кинетика неизотермической вулканизации [Текст] / С.Ю. Осипов, Ю.Р. Осипов, С.Ю. Загребин // Актуальные проблемы лесного комплекса: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2004. С. 130-133.

8. Осипов, Ю.Р. Улучшение качественных показателей гуммировочных покрытий с помощью адаптивной системы оптимального управления процессом [Текст] / Ю.Р. Осипов, С.Ю. Загребин, С.Ю. Осипов // Конструкции из композиционных материалов. Выпуск 3. - М: ВИМИ, 2004. - С. 20-30.

9. Загребин, С.Ю. Математическая модель процесса вулканизации гуммировочных покрытий с учетом факторов неопределенности при местном ремонте химических аппаратов [Текст] / С.Ю. Загребин, Ю.Р. Осипов // Экология и здоровье: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий, профилактики заболеваемости и устойчивого развития «Человек-Природа-Бизнес»: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - М: ВИМИ, 2004. - С. 193-195.

10. Осипов, Ю.Р. Повышение долговечности химических аппаратов с помощью автоматической корректировки тепловых режимов процесса вулканизации гуммировочных покрытий [Текст] / Ю.Р. Осипов, С.Ю. Загребин // Экология и здоровье: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий, профилактики заболеваемости и устойчивого развития «Человек-Природа-Бизнес»: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - М: ВИМИ, 2004. - С. 190-193.

11. Осипов, С.Ю. Совершенствование технологии нанесения и теплового процесса вулканизации гуммировочных покрытий на автоматизированной поточной линии [Текст] / С.Ю. Осипов, С.Ю. Загребин, Ю.Р. Осипов // Экология и здоровье: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий, профилактики заболеваемости и устойчивого развития «Человек-Природа-Бизнес»: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - М: ВИМИ, 2004. - С. 184-187.

12. Осипов, Ю.Р. Энергоресурсосберегающая технология при производстве гуммировочных покрытий на основе адаптивной системы оптимального управления процессом вулканизации [Текст] / Ю.Р. Осипов, С.Ю. Загребин, С.Ю. Осипов // Труды П-й Всероссийской научно-практической конференции -"Актуальные проблемы энергетики. Энергоресурсосбережение" - Самара: СГТУ, 2004. - С. 78-79.

13. Осипов, С.Ю. Управление качеством эластомерных покрытий путем применения их предварительной термообработки перед процессом горячего крепления [Текст] / С.Ю. Осипов, С.Ю. Загребин, Ю.Р. Осипов // Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология. Труды международной конференции «Композит-2004». - Саратов, 2004. - С. 214-217.

14. Осипов, С.Ю. Применение гуммировочных материалов для решения экологических проблем. Влияние теплового режима вулканизации на химическую стойкость слоев эластомерных обкладок [Текст] / С.Ю. Осипов, С.Ю. Загребин, Ю.Р.Осипов // Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология. Труды международной конференции «Композит-2004» - Саратов, 2004. - С. 211-214.

15. Осипов, Ю.Р. Тепловой и прочностной расчеты цилиндрических элементов установок для непрерывной вулканизации гуммировочных покрытий на переходном режиме [Текст] / Ю.Р. Осипов, С.Ю. Загребин // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды всероссийской научной конференции -Самара: СГТУ, 2004. - С. 195-197.

16. Осипов, Ю.Р. Задача термоупругости для роликов аппаратов непрерывной вулканизации гуммировочных покрытий на переходном режиме после остановки [Текст] / Ю.Р.Осипов, С.Ю.Загребин // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды всероссийской научной конференции - Самара: СГТУ, 2004.-С. 198-200.

17. Загребин, С.Ю. Моделирование процесса термообработки при ремонте обкладок гуммированных аппаратов с учетом неопределенностей вероятностного характера [Текст] / С.Ю. Загребин, Ю.Р. Осипов, С.Ю. Осипов // Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем: Материалы Международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2004. - С. 109-114.

18. Загребин, С.Ю. О задаче управления процессом термообработки при ремонте обкладок гуммированных аппаратов с учетом стохастической природы возмущений [Текст] / С.Ю. Загребин, Ю.Р. Осипов // Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем: Материалы Международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2004. - С. 266-270.

19. Загребин, С.Ю. Структура адаптивной системы управления теплообменными процессами при термообработке гуммировочных покрытий [Текст] / С.Ю. Загребин, Ю.Р. Осипов, С.Ю. Осипов // Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем: Материалы Международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2004. - С. 255-259.

Г79*0

2-3 ЧО

20. Осипов, Ю.Р. Математическая модель термообработки гуммировочных покрытий с учетом факторов неопределенности [Текст] / Ю.Р. Осипов, С.Ю. Загребин // Современная наука и образование в решении проблем экономики Европейского Севера: Материалы международной научно-технической конференции - Архангельск: АГТУ, 2004. - С.358-360.

21. Загребин, С.Ю. Экономические аспекты интенсификации теплообменных процессов при ремонте покрытий гуммированных объектов [Текст] / С.Ю. Загребин, Ю.Р. Осипов // Повышение эффективности теплообменных процессов и систем: Материалы Международной научно-технической конференции. -Вологда: ВоГТУ, 2004. - С. 262-268.

22. Загребин, С.Ю. Алгоритмы моделирования и управления технологическими процессами вулканизации при местном ремонте гуммировочных покрытий [Текст] / С.Ю. Загребин, Ю.Р. Осипов // Повышение эффективности теплообменных процессов и систем: Материалы Международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2004. - С. 269-275.

23. Осипов, Ю.Р. Автоматизация технологических процессов гуммировочных производств [Текст] / Ю.Р.Осипов, С.Ю.Загребин. - М.: Классик Прим, 2004. -

24. Загребин, С.Ю. Тепловой режим процесса термообработки при ремонте гуммировочных покрытий [Текст] / С.Ю.Загребин, Ю.Р.Осипов // Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: Материалы Международной научно-технической конференции Т.2. - Вологда: ВоГТУ, 2005.-С. 74-77.

275 с.

ЛР №020717 от 02.02.1998 Подписано в печать 10.04.06 г. Печать офсетная. Бумага офисная. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100. Заказ 125.

Отпечатано: РИО ВоГТУ. г. Вологда, ул. Ленина, 15

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ РЕМОНТА ЗАЩИТНЫХ ГУММИРОВОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ.

1.1. Общая характеристика гуммированных объектов.

1.2. Способы крепления обкладок к металлам.

1.3. Виды и причины повреждений покрытий гуммированных объектов

1.4. Контроль качества покрытий гуммированных объектов.

1.4.1. Электроискровой метод определения сплошности.

1.4.2. Электролитический метод определения сплошности.

1.4.3. Электрический метод определения сплошности.

1.4.4. Индикаторный метод определения сплошности.

1.5. Материалы, применяемые для ремонта гуммированной химической аппаратуры.

1.5.1. Резины с ускорителями вулканизации.

1.5.2. Замазки холодного отверждения.

1.6. Практика проведения ремонта, существующие способы и методы исправления дефектов покрытий гуммировочных объектов.

1.6.1. Подготовка поверхностей перед проведением ремонтных работ.

1.6.2. Ремонт защитных покрытий.

1.6.3. Разгуммирование химического оборудования.

1.7. Выводы по главе.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ МЕСТНОМ РЕМОНТЕ ГУММИРОВОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ.

2.1. Описание процесса вулканизации при местном ремонте гуммировочных покрытий, влияние факторов неопределенности и способы их формализации.

2.2. Состояние вопроса математического моделирования теплопереноса при местном ремонте гуммировочных покрытий.

2.3. Выводы по главе.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛООБМЕНА ПРИ МЕСТНОМ РЕМОНТЕ ПОКРЫТИЙ ГУММИРОВАННЫХ ОБЪЕКТОВ С УЧЕТОМ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ

ВЕРОЯТНОСТНОГО ХАРАКТЕРА.

3.1. Алгоритмы моделирования тепловыми технологическими процессами вулканизации при местном ремонте гуммировочных покрытий.

3.2. Математическая модель теплового процесса вулканизации гуммировочных покрытий с учетом факторов неопределенности при местном ремонте химических аппаратов и оборудования.

3.3. Результаты имитационных исследований процесса теплообмена при местном ремонте гуммировочных покрытий.

3.4. Расчет полей температур и степени вулканизации в покрытиях методом модельной прямоугольной области.

3.5. Выводы по главе.

4. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ МЕСТНОМ РЕМОНТЕ ГУММИРОВОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ.

4.1. Идентификация и оценка адекватности математической модели процесса теплообмена при местном ремонте гуммировочных покрытий.

4.2. Решение задач интенсификации теплообмена при вулканизации при местном ремонте гуммировочных покрытий в условиях неопределенности.

4.3. Экспериментальное исследование ремонта покрытий гуммированных объектов.

4.4. Влияние условий теплообмена при термообработке на качественные показатели готовых отремонтированных гуммировочных покрытий.

4.4.1. Основные закономерности и методы оценки степени вулканизации резин в отремонтированных гуммированных объектах. Кинетика неизотермической вулканизации.

4.4.2. Исследование влияния условий теплообмена при повторной вулканизации гуммировочных покрытий.

4.4.3. Исследование влияния условий теплопередачи на температуру и степень довулканизации отремонтированных гуммировочных покрытий в период их послевулканизационного охлаждения.

4.4.4. Экспериментальное исследование температурного поля теплообмена при ремонте гуммировочных покрытий.

4.4.5. Основные факторы теплопереноса, влияющие на скорость и степень вулканизации при местном ремонте покрытий.

4.4.6. Исследование химической стойкости отремонтированного покрытия.

4.4.7. Прочность связи многослойных отремонтированных резинометаллических систем.

4.4.8. Влияние давления прессования на прочность связи в отремонтированных гуммировочных покрытиях.

4.5. Выводы по главе.

5. ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЦЕССА

ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РАЗРАБОТКИ В ХИМИЧЕСКУЮ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.

5.1. Инженерная методика расчета индукционного нагрева ремонтируемых покрытий гуммированных объектов.

5.1.1. Тепловой расчет нагревательных плит для ремонта покрытий гуммированных объектов.

5.1.2. Методы электромагнитного расчета индукционных нагревателей для ремонта гуммировочных покрытий.

5.2. Экономическая характеристика состояния вопроса и направления исследования.

5.3. Оценка экономического ущерба от износа и основные направления научно-технического прогресса в области ремонта покрытий гуммированных объектов.

5.4. Комплексная оценка экономического эффекта от осуществления мероприятий, направленных на восстановление покрытий гуммированных объектов.

5.5. Выводы по главе.

ВЫВОДЫ.

Актуальность проблемы. В химической промышленности и других производствах, использующих гуммированные объекты, важную роль занимает процесс сохранения рабочих фондов, первоочередной задачей которого является максимальное продление срока службы оборудования. Анализ состояния аварийности оборудования показал, что с начала 90-х годов интенсивность потока отказов не только утратила тенденцию к снижению, но и стала приобретать возрастающий характер. Увеличение отказов при достижении определенных сроков службы характерно для любой механической системы и связано с ухудшением ее состояния под влиянием процессов износа, накопления коррозионных и усталостных повреждений в предшествующий период эксплуатации. Даже небольшие по размерам повреждения в покрытиях могут привести к выходу из строя дорогостоящих изделий. В настоящее время для ремонта покрытий гуммированных объектов, имеющего значительные по размерам дефекты, применяют повторную вулканизацию в котлах всего изделия, что приводит к перевулканизации, ухудшению качества основного защитного покрытия и уменьшению срока его службы. Ввиду больших затрат на проведение ремонтных работ, необходимости вывода оборудования на длительное время из эксплуатации не всегда представляется возможным качественно решить вопрос восстановления.

Местный ремонт (как наиболее дешевый и эффективный вид ремонта) получает в настоящее время приоритетное значение вместо широкомасштабной сплошной замены металлоёмкого оборудования и заключается в том, что ремонту подвергаются только дефектные участки. Учитывая тенденцию ухудшения состояния оборудования химических и других производств по мере увеличения продолжительности эксплуатации под влиянием процессов накопления и развития коррозионных повреждений, необходимости оптимального, экономного расходования финансовых ресурсов на поддержание парка оборудования в работоспособном состоянии, актуальной является разработка нового метода местного ремонта химического оборудования в местах местных повреждений защитных покрытий. Повышение технического уровня ремонта защитных покрытий позволит увеличить сроки эксплуатации и эффективность использования промышленного оборудования, что имеет в условиях рыночной экономики первостепенное значение. Необходимость проведения исследований с целью разработки математических моделей тепломассопереноса в процессе термической обработки ремонтных защитных материалов с учетом изменения коэффициентов внутреннего и внешнего переноса теплоты вещества и создания на их основе инженерных методов расчета и определяют актуальность настоящей работы.

Цель работы. Математическое моделирование, интенсификация и расчет процессов теплообмена при ремонте гуммировочных покрытий на оборудовании и аппаратах промышленных производств, базирующееся на новых решениях краевых задач внутреннего теплопереноса с учетом неопределенностей вероятностного характера; развитие и совершенствование на этой основе инженерных методик расчета процессов теплообмена; расчетно-экспериментальные исследования влияния процесса теплообмена на степень и качество вулканизации, химическую стойкость и прочность горячего крепления покрытий к металлу в лабораторных и промышленных условиях.

Научная новизна диссертации состоит в предложении и реализации способа термообработки гуммировочных покрытий при местном ремонте, включающем предварительный нагрев материала до температуры вулканизации и последующую вулканизацию в установке индукционного нагрева; установлении и теоретическом обосновании основных особенностей теплообмена при ремонте покрытий гуммированных объектов; разработанном методе расчета температурного поля для термической обработки ремонтируемого участка, отличающемся высокой точностью получаемых результатов и инвариантностью к геометрии ремонтируемого покрытия; разработке методики выбора оптимальных режимов теплообмена при горячем креплении эластомерных покрытий к металлу.

Практическая ценность результатов работы заключается в разработке и конечной реализации инженерной методики расчета процессов теплообмена при местном ремонте гуммированных покрытий при сохранении качества эксплуатирующихся эластомерных покрытий, выработке рекомендаций для промышленного освоения результатов исследования, внедрении разработанных методик в практику ремонтных подразделений, увеличении производительности гуммированного оборудования антикоррозионных цехов промышленных предприятий.

Реализация результатов исследований. Практическая реализация результатов работы осуществлена при местном ремонте покрытий гуммированных объектов на ОАО «Аммофос» г. Череповец, ЗАО «Вологодский подшипниковый завод» г. Вологда, ООО «Вологодский станкостроительный завод» г. Вологда, ООО «ССМ - Тяжмаш» г. Череповец, ООО «Интерлес» г. Вологда, ООО «Октава-Плюс» г. Вологда, ООО «Агрохим» г. Сокол, ООО «Агропромэнерго» г. Череповец.

Достоверность полученных результатов и выводов, сделанных на их основе, подтверждается сравнением с данными натурных экспериментов по исследованию процесса теплообмена при местном ремонте покрытий гуммированных объектов и математического моделирования . процесса теплообмена, а также с результатами исследований других авторов.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались, экспонировались и получили положительную оценку на: первой и второй общероссийских научно-технических конференциях «Вузовская наука - региону» (27-28 февраля 2003 г., 27-28 февраля 2004 г., г.Вологда); международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений» (29-31 октября 2003 г., г.Вологда); всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (2-4 декабря 2003 г., г. Вологда); всероссийской научно-практической конференции «Экология и здоровье: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий, профилактики заболеваемости и устойчивого развития «Человек-Природа-Бизнес» (25-28 мая 2004 г., г.Москва); второй всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики.

Энергоресурсосбережение» (18-20 мая 2004 г., г.Самара); международной конференции «Композит-2004» «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология.» (6-8 июля 2004 г., г.Саратов); всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (26-28 мая 2004г., г.Самара); второй международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (19-21 мая 2004 г., г.Вологда); международной научно-технической конференции «Современная наука и образование в решении проблем экономики Европейского Севера» (2-5 ноября 2004г., г.Архангельск); четвертой международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (25-27 октября 2004г., г. Вологда); международной научно-технической конференции «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (6-8 декабря 2005 г., г. Вологда).

По теме диссертационной работы опубликованы 24 печатные работы, в том числе монография Ю.Р.Осипов, С.Ю.Загребин. Автоматизация технологических процессов гуммировочных производств. - М.: Классик Прим, 2004. - 275 с.

ВЫВОДЫ

Данное диссертационное исследование посвящено моделированию процессов теплопереноса и энергосберегающей технологии теплообмена при местном ремонте покрытий гуммированных объектов. Основные результаты и выводы диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Выполнен анализ известных решений в области теплопереноса при ремонте гуммировочных покрытий; определены случайные возмущения -факторы неопределенности, действующие на тепловой процесс вулканизации при местном ремонте гуммировочных покрытий и способы их формализации;

2. Разработана структура математической модели теплового процесса индукционного нагрева гуммировочных покрытий с учетом факторов неопределенности, учитывающая с достаточной полнотой реальные, неидеализированные, особенности процесса термообработки; проведен анализ действующих возмущений в процессе вулканизации, представляющих собой вариации значений теплофизических характеристик вулканизата, неравномерное распределение внутренних источников теплоты, колебания наружной температуры окружающей среды, и выявлен их вероятностный характер;

3. Разработан и реализован алгоритм решения уравнений математической формализации. В результате теоретико-экспериментальных исследований установлено: математическая модель процесса теплообмена характеризуется высокой точностью получаемых результатов и инвариантностью к геометрии ремонтируемого покрытия. Проведена идентификация и доказана адекватность полученной математической модели процесса теплообмена при местном ремонте гуммировочных покрытий;

4. Решены задачи интенсификации теплообмена при вулканизации при местном ремонте гуммировочных покрытий в условиях неопределенности. Приведенные результаты реализации предложенной методики, полученные посредством введения в модель формализированных возмущений стохастической природы позволяют существенно снижать затраты энергии;

5. Экспериментально доказано влияние условий теплообмена при термообработке на качественные показатели готовых отремонтированных гуммировочных покрытий: использование при ремонте покрытий индукционного обогрева нагревательных плит в сочетании с оптимизацией вулканизации позволяет получить более равномерную степень вулканизации гуммировочных покрытий, сохранить на первоначальном уровне и повысить их некоторые физико-механические показатели;

6. Разработана инженерная методика расчета индукционного нагрева ремонтируемых покрытий гуммированных объектов; определена эффективность внедрения предложенного метода ремонта в промышленность;

7. Разработаны и доведены до конечной реализации методы расчета процессов термообработки гуммировочных покрытий, внедренные в расчетную практику ряда промышленных предприятий Вологодской области.

1. А.с. № 1647538 СССР. Устройство для управления тепловым процессом вулканизации изделий // Г.Г. Воробьев, В.И. Муратов, А.А. Павловский, И.Е. Яковлев, Н.Г. Сидоров, В.Г. Пороцкий, В.В. Савельев, В.И. Сапрыкин. Заявлено 05.01.89.

2. А.с. №839730 СССР. Устройство для регулирования режима вулканизации изделий // А.И. Лукомская, В.Г. Пороцкий, Б.Т. Сытник, Б.С. Левочко, Г.И. Загарий. Заявлено 18.10.79.

3. Абдуллин, И.Г. Коррозия нефтезаводского и нефтехимического оборудования / И.Г. Абдуллин, В.В. Кравцов, С.Н. Давыдов Уфа, УНИ, 1986.-94 с.

4. Андрашников, Б.И. Интенсификация процессов приготовления и переработки резиновых смесей./Б.И.Андрашников.-М.:Химия, 1986. 224 с.

5. Андрашников, Б.М. Новая техника на заводах по производству шин и РТИ. / Б.И. Андрашников. М.: Химия, 1979. - 116 с.

6. Андрашников, Б.И. Справочник по автоматизации и механизации производства шин и РТИ. /Б.И. Андрашников. М.: Химия, 1981. - 294с.

7. Аоки, М. Оптимизация стохастических систем. / М. Аоки. М.: Наука, 1971.-424 с.

8. Ахияров, Р.Ж. Выборочный ремонт подземных металлических трубопроводов при локальном нарушении изоляционных покрытий Автореф.канд.техн.наук: 25.00.19 / Р.Ж.Ахияров / Уфимский государственный нефтяной технический университет. Уфа, 2001. - 24 с.

9. Бабушка, И. Численные процессы решения дифференциальных уравнений. /И.Бабушка, Э.Витасек, М.Прагер. М.: Мир, 1969. - 368 с.

10. Баденков, П.Ф. Состояние и перспективы развития процессов вулканизации шин. / П.Ф. Баденков. М.: Химия, 1973. - 68 с.

11. Балакирев, B.C. Оптимальное управление процессами химической технологии. / B.C. Балакирев, В.М. Володин, A.M. Цирлин. М.: Химия, 1978. - 384 с.13