автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Температурные и динамические процессы системы трубопровод-термоочистная машина

На правах рукописи

ПОЛЯКОВ АРТЕМ АЛЕКСЕЕВИЧ

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СИСТЕМЫ ТРУБОПРОВОД-ТЕРМООЧИСТНАЯ МАШИНА

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтяной и газовой отрасли)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Тюмень2005 г.

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сысоев Юрий Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тарасенко Александр Алексеевич

кандидат технических наук Мясников Владимир Анатольевич

Ведущая организация: ООО «Сургутгазпром»

Тюменское управление магистральных газобопроводов, г. Тюмень

Защита состоится «25» февраля 2005 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.08 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ) по адресу: 625000, г.Тюмень, ул. Мельникайте 72, Библиотека ТюмГНГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ.

Автореферат разослан «¿¿_».

Ученый секретарь диссертационного совета

2005 г.

Пономарева Т.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. Создание новых, высокоэффективных технологий, техники, механизмов и совершенствование существующих может быть обеспечено только на основе теоретических, экспериментальных исследований, натурных испытаний и достаточно обоснованных методов расчета, учитывающих конструктивные, технологические, экспериментальные факторы, влияющие на работоспособность конструкций: эксплуатационную надежность, долговечность и ремонтопригодность.

В настоящее время при капитальном ремонте трубопроводов существует проблема качественной очистки от полимерных изоляционных покрытий.

Отсутствие высокоэффективной техники, для качественного снятия полимерных покрытий трубопроводов в полевых условиях, приводит к значительному удорожанию ремонтных работ. В связи с этим, возникает актуальность поиска новых решений технологического и конструктивного характера, связанных с проблемой очистки трубопроводов.

Анализ конструкций и технологий изоляционно-очистных машин показал, что на их базе можно создать новые, перспективные машины, использующие термомеханический эффект Для этого, необходимо провести исследования температурных и динамических процессов, которые будут способствовать созданию высокопроизводительных машин для предремонтной очистки трубопроводов

Целью работы является изучение свойств материалов полимерных покрытий и стенки трубопровода при различных температурах, статических и динамических нагрузках; определение рациональных конструкций и технологических режимов процесса работы очистной машины.

Основные задачи исследования:

- установить механические характеристики полимерного покрытия и

материала трубопровода в температурном диапазоне от (80-450)К;

- установить основные технологические параметры процесса очистки от

полимерных покрытий на основе температурного и механического воздействий на трубопровод;

- провести модельный анализ динамических нагрузок в звеньях рабочего

привода термоочистной машины;

- определить основные рациональные конструктивные параметры

рабочего привода машины;

- провести стендовый эксперимент по очистке трубопровода при различных температурных воздействиях.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- обоснована технология процесса очистки от полимерных покрытий типа «Nitto» и «Kendall» при температурах (195-213)К и (350-370)К;

- установлены зависимости скорости и усилия отрыва полимерного покрытия от температуры в зоне его удаления;

- определены интервалы распределения удельной энергии разрушения для пленочных покрытий типа «Nitto» и «Kendall»;

- установлены зоны возможных резонансов и обоснованы рациональные режимы работы термоочистной машины.

- установлено влияние угла разворота плоскостей установки ведущих вилок шарнирных передач на уровень динамических нагрузок в приводе с разветвленной шарнирной системой.

Достоверность и обоснованность результатов проведенных исследований обеспечена использованием принятой модели в рамках классических гипотез, допущений, строгих математических методов и методов механики, а также проверкой на экспериментальных установках,

удовлетворительным совпадением расчетных значений с результатами проведенных экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработанные методики испытания полимерного покрытия трубопровода могут быть использованы для исследований различных материалов при положительных и низких температурах;

- на основе моделирования процесса очистки от полимерных покрытий трубопровода установлены оптимальные режимы процесса очистки, обеспечивающие высокую эффективность и качество, температурные режимы минимальной адгезии, не приводящие к снижению прочностных характеристик материала трубопровода;

- полученный метод динамического расчета позволяет произвести оценку динамического воздействия в очистном механизме и рабочем роторе, играющих ключевую роль в процессе очистки. Данный метод позволяет избежать резонансные явления, обеспечив при этом работоспособную высокоэффективную и надежную конструкцию;

- результаты, полученные в работе, касающиеся свойств полимерных покрытий при температурных режимах, динамических особенностей рабочих органов могут быть использованы при проектировании надежных и высокоэффективных очистных машин и устройств.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на региональных научных технических конференциях ассоциации строительных высших учебных заведений «Строительство и образования» (Екатеринбург 2000-2003), на III Всероссийском семинаре им С.Д. Волкова «Механика микрооднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004г.) на научных семинарах кафедры строительной механики УГТУ-УПИ (2000, 2003), на научно-техническом совете Тюменского государственного нефтегазового университета (Тюмень, 2004г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и изложена на 188 страницах машинописного текста, включает 75 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 192 наименований.

Основное содержание диссертации.

В первой главе проведен анализ работ, связанных с очисткой магистральных трубопроводов от изоляционных покрытий.

Анализируются конструктивные особенности устройств, машин и процессов, происходящих в них, при различных способах удаления полимерных изоляционных покрытий с наружной поверхности трубопровода.

Анализ литературных источников показал, что вопросы очистки полимерных покрытий с трубопроводов изучены недостаточно. Практически отсутствуют теоретические, экспериментальные работы по очистке изоляционных полимерных покрытий с применением термомеханического эффекта.

Отмечается, что для очистки полимерных покрытий применяются в основном машины роторного типа на основе механического способа воздействия на покрытие, с помощью подпружиненных ножей, иглофрез, дисков и других устройств. Такие устройства и машины имеют недостаточную эффективность и качество очистки трубопровода от полимерного покрытия, но они могут быть использованы как базовые для создания новых машин.

Из анализа патентов следует, что наиболее перспективными способами очистки изделий от полимерных покрытий являются комбинированные способы, совмещающие низкотемпературное или тепловое воздействие с механическим.

Проводится анализ методов динамического расчета, применимых к рабочему приводу термоочистной машины как механической системы с универсальными шарнирами

Определяющие направления для решения проблем ремонта и эксплуатации магистральных трубопроводов рассматриваются в трудах известных ученых и организаторов Абасова Т Н, Абрамяна С Г, Антипьева В Н, Бабина Л А, Батюшева Э С, Березина В А, Борисова Б И, Важенина Ю И, Васильева Г Г, Векштейн М Г, Глазова Н П, Гумерова А Г, Докторова Л Б , Дудалова Ю А , Земенкова Ю Д, Иванова В А, Иванова И А , Иванцова О М , Иванцовой С Г, Ким Д В , Кованова С Д, Корабкова Г Е , Коримова Н 3 , Коршака А А , Крылова Г В , Кукина Ю С , Кушнира С Я, Макарова В М, Малюшина Н А , Новоселова В В , Решетникова А Д , Селиверстова В Г , Столярова В М, Тарасенко А А , Тоута А И, Холлыева Н X, Шаммазова А М , Шутова В Е , Яковлева Е И , Ясина Э Ми др

Подчеркивается большой вклад в решении задач повышения надежности трубопровода, как и во многих других, связанных со строительством, эксплуатацией трубопроводов и их объектов, который вносят научно-исследовательские организации, учебные заведения и заводские лаборатории ВНИИСТ, ВНИИГАЗ, ИПТЭР, РГУ нефти и газа им ИМ Губкина, ТюменНИИгипрогаз, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Тюменский государственный нефтегазовый университет, Уральский государственный технический университет, АК «Транснефть», объединения ОАО «Газпром», АО«Трубоизоляция», АО«Газстроймашина», ООО «Нефтегазпроект» и др

Теоретическая обзорная часть вопросов колебаний основывается на работах Андронова А А , Бабакова И М , Бидермана В М , Блехмана И И, Булгакова Б В , Бутенина Н В , Витта А А , Диментберга Ф М , Журавлева В Ф , Иванченко Ф К , Ильина М М , Климова Д М ,

Кожевникова С.Н., Красношапка В.А., Левицкого Н.И., Лойцянского Л.Г., Лурье А.И., Маслова Г.С., Пановко Я.Г., Тимошенко СП., Филиппова А.П., Яблонского А.А. и др.

Обзор по расчету динамики шарнирных систем базируется на трудах Веденеева Н.К., Кожевникова С.Н., Лапина А.А., Лысова М.И., Малаховского ЯЗ., Перфильева П.Д., Чудакова Е.А., Эйдинова М.С. и др.

Из рассмотренных работ, посвященных крутильным колебаниям шарнирных передач, следует, что в основном они выполнены в линейной постановке с рядом ограничений, не учитывающих характерных особенностей шарнирных систем.

При проведении анализа работ по исследованию динамики систем с универсальными шарнирами делается вывод, что они, в основном, посвящены плоским системам.

Для исследования динамических процессов берутся за основу методы программирования и вычислительной математики, изложенные в работах, отражающих исследовательский опыт в Ругтгенском и Хьюстонском университетах.

На основании критического анализа известных научно-технических работ, конструктивных решений, результатов патентного поиска обоснованы и сформулированы задачи диссертационной работы, ее актуальность и методы исследований.

Вторая глава посвящена исследованию влияния положительных и отрицательных температурных воздействий на изоляционные полимерные покрытия и трубопровод.

Приведены разработанные методики, оснастка и созданные экспериментальные установки для определения физико - механических свойств материалов изоляционных покрытий и трубопровода.

Изучены свойства материалов: полимерной пленки, трубы при нагреве и глубоком охлаждении.

Определены зоны минимальной адгезии покрытия с трубопроводом при различных температурных условиях и аппроксимирующие зависимости для определения напряжения отрыва пленки от поверхности трубопровода.

Для положительного температурного воздействия установлено, что наименьшая адгезия, равная (1,6-1,7)Н/см, наблюдается в интервале температур (358-373)К. В обе стороны от этого интервала, величина адгезии растет и достигает величин на порядок выше.

При проектировании машины, использующей эффект нагрева, немаловажным фактором является время приведения её в рабочее состояние, а следовательно скорость нагрева инструмента, скорость его охлаждения, потребляемая мощность.

В данной главе исследованы различные типы нагревателей -инструментов, совмещающих в себе функции нагрева и снятия изоляционного покрытия, а также апробированы технические средства удаления покрытия (барабанного и др. типов).

Исследовано влияние температуры Т нагрева очистного инструмента (ножа) на усилие Р, скорость V снятия полимерного покрытия.

В частности, на рис. 1 показаны графические зависимости усилия снятия покрытия Р=/(Т) (кривая 1), графики изменения скорости снятия покрытия Т)=/(Т)(кривая 2 -без смотки, 3 -со смоткой). При этом, скорость снятия полимерного покрытия зависит от изменения температуры нагрева и при ее возрастании должна увеличиваться, чтобы не допустить перегрева мастики и плавления полимерной пленки.

Показано, что для снятия полимерного покрытия при положительных температурах наиболее эффективными являются контактные нагреватели-инструменты, совмещающие в себе функции нагрева и снятия покрытия в зоне их контакта. Для повышения

производительности рационально использовать барабаны для сматывания удаляемой пленки, причем скорость вращения барабана должна быть синхронно связана со скоростью движения очистного устройства

Рис. 1. Распределение усилия Р и скорости Vснятия покрытия от температуры Т нагрева очистного инструмента

В качестве альтернативного метода очистки изоляции в данной главе выполнены исследования низкотемпературного воздействия на различные полимерные покрытия и стенку трубопровода; описаны и проанализированы опыты, направленные на определение температуры "охрупчивания" полимерной пленки; получены аналитические зависимости напряжения отрыва полимерного покрытия от температуры

Оот=/(Т).

Охлаждение полимерных пленок приводит к изменению их механических свойств При криогенных температурах пленки становятся

и

твердыми и легко ломаются при воздействии на них поперечных нагрузок, т е происходит их охрупчивание

Охрупчивание полимерных пленок "Nitto" и "Kendall" начинается при температуре 213К и 195К соответственно

В работе приведена оснастка и результаты определения адгезионных свойств полимерных покрытий при низкотемпературных воздействиях

Получены зависимости Оот = f(T), при различных скоростях

охлаждения В качестве примера приведен один из таких графиков представленный на рис 2

аот ,МПа 2,5

2

1 5

1

05 О

100 150 200 250 'К

Рис 2 Изменение напряжения отрыва полимерного покрытия при скорости охлаждения 25К/мин от температуры Оот2 =f(T) (2-опытная, 2'- расчетная)

Анализ графиков (рис 2) показывает, что прочность соединения изоляционного покрытия со стальной стенкой с понижением температуры возрастает, а затем падает

При увеличении скорости охлаждения напряжение отрыва во всем температурном диапазоне (123--т293 )К становится меньше, а максимум аот смещается в сторону более высоких температур.

Наибольшее напряжение при отрыве (2,8 ""6,0) МПа, наблюдается в интервале температур (183 -К203)К Полученные данные в диапазоне температур (193-*-293)К аппроксимируются со среднеквадратичным отклонением <7= 5% соответственно полиномами:

<гот1 = 2,38 - 2,762, - 0,58(2,-1,6)+ 1.35Z, (<t,0Zj - 3,о] МПа, (1)

где Оот\, (Гот2 -напряжения отрыва полимерного покрытия при скорости охлаждения 2,5К/мин и 25К/мин, соответственно; Z- и Z2 - коэффициенты определяемые по формулам: Z==(2T— 488)/2-8, Z2=(2T— 466) /220.

В оба полинома входит абсолютная температура Г в Кельвинах.

При проектировании ударных механизмов очистной машины необходимо иметь данные о величине минимальной удельной энергии разрушения пленки.

Для определения удельной энергии разрушения пленки испытанию подвергались изоляционные полимерные пленки типа «Nitto» и «Kendall» на удар при температуре 213К. Результатом явилось распределение удельной энергии на определенные зоны: без трещин, неустойчивого и устойчивого образования трещин (рис.3). Также в этом разделе содержится подробный анализ этих зон.

Последний раздел главы посвящен испытаниям материала трубы и исследованию влияния хладагента на свойства материала трубы.

Показано, что с понижением температур до 123К, предел прочности материала трубы повышается. Причем, материал разрушается при больших остаточных деформациях, что свидетельствует о сохранении им пластических свойств при низких температурах.

О 5 10 15 20 25 ПО5 Н 1м2)

О 5 10 15 20 . 25 ПО5 Н/м2)

Рис.3. Зоны распределения удельной энергии а - для полимерной пленки «Nitto», б - для полимерной пленки «Kendall»

В целом, в данной главе, на основе выполненных экспериментов, обосновывается концепция эффективной очистки изоляционных покрытий с трубопроводов при использовании термомеханического эффекта.

В третьей главе исследована динамика механической системы привода рабочего органа термоочистной машины. Механическая система рабочего органа представляет собой разветвленную многосвязанную систему с универсальными шарнирами.

Разработана динамическая модель привода рабочего очистного органа термоочистной машины (рис.4), представленная на рис.5. Модель учитывает влияние на динамический процесс всех основных факторов: кинематической особенности шарниров, статических и динамических параметров системы.

Рис. 4. Термоочистная машина

Рис. 5. Динамическая модель рабочего органа Ма -момент на двигателе, -момент инерции ¡-го элемента системы, 8- жесткось у - го вала, Мс- момент вязкого трения в элементах г - ой массы, Мш момент трения в г- ом пространственном шарнире, Ытл -технологический момент, приложенный к г - ой массе

Для динамической модели, представленной на рис 5, уравнения движения полученные при использовании квазистатического способа, основанного на непосредственном применении принципа Даламбера, преобразованные к виду удобному для реализации на ЭВМ с помощью численного метода интегрирования Рунге - Кутта, имеют вид

мд -

Мс,-

В уравнениях (3) точкой обозначено дифференцирование по времени t При этом параметры, входящие в эти уравнения обозначают у' углы поворота г - ой массы, имеющие явную кинематическую связь с углами поворота (1-1) массы [рад],

коэффициенты пропорциональности между величиной потерь внутреннего трения в упругой связи, выраженной в размерности момента, и величиной относительной скорости перемещения масс [Нм с],

момент на двигателе [Нм],

момент вязкого трения в элементах г - ой массы [Нм ], момент трения в г - ом пространственном шарнире [Н м ], технологический момент, приложенный к г - ой массе [Н м ], момент инерции г го элемента системы [Н м с ], жесткось {,] - го вала [Н м/рад], кинематические функции Кинематические функции (Ж,), входящие в уравнения (3), зависят от типа механической шарнирной передачи и ее параметров

Так, для одной из линий привода рабочего органа (выделенной на рис 5 пунктирным прямоугольником) механическая шарнирная передача

М,

Тр,

Мт J

включает три звена (5,13; 14,15; 16,6), связанных между собой двумя универсальными шарнирами. Подробно фрагмент этой передачи приведен на рис.6.

Рис. 6 Пространственная двухшарнирная передача (фрагмент из рис 5) а - вид фронтальной проекции, 1- ведущий вал, 2 - промежуточный вал, 3 - ведомый вал; б - вид передачи в плане, 1,11 - универсальные шарниры, У/, /2< $2 - углы между геометрическими осями (углы перекоса), соответственно 1-го и 2-го, 2-го и 3-го валов

Применительно к выделенному фрагменту (рис. 6) кинематические функции и Б2 соответствуют случаю, когда оси всех валов расположены в разных плоскостях (у/ ¿0, У2 ¿0, А/ ¿0, $2? 0), имеют аналогичный вид, в частности для

Произведено решение системы дифференциальных уравнений по специально разработанному алгоритму на ЭВМ.

Исследовано влияние на динамические нагрузки углов перекоса шарниров, приведенных моментов инерции, угловых скоростей, жесткостей звеньев, технологических моментов. Для примера приведен график рис.7.

Рис. 7. Изменение динамических моментов в звеньях шарнирной передачи в зависимости от угла поворота срц ведущего звена при ш=50 с' : Л^; /з - ведущего; Ми ь - промежуточного; Ы168 - ведомого

В третьей главе проведен анализ динамических нагрузок и возможных резонансов рассматриваемой системы очистной машины.

Определены динамические коэффициенты и установлены зоны резонансов (рис. 8).

Решена задача поиска рационального угла относительного расположения двухшарнирных передач, входящих в разветвленную систему рабочего привода.

Рис. 8. Изменение динамических коэффициентов в звеньях

шарнирной передачи от угловой скорости СО'. К^у ц ^¿¡4 ¡¡, [(¿¡¿^ -ведущего; промежуточного; ведомого звеньев, соответственно

Для оценки неравномерности нагрузок использованы два критерия неравномерности момента передаваемого на вал двигателя:

1. Критерий К\ - среднее значение за период модуля разности моментов на ведущих звеньях передач.

1 V т

я.-тЕК-^К

I о 1=1

(5)

где i = l,2,...m зависит от количества шарнирных передач, входящих в систему привода, Ы81 - суммарный момент, передаваемый на звенья двигателя от всех шарнирных передач.

2 Критерий К2 - максимальное значение разности моментов на ведущих звеньях*

т

К2=<р71 \ми-мТ\ (6)

1=1

На рис 9 представлены некоторые результаты расчета, в частности, графики распределения К\ и К2 от угла а относительного расположения шарнирных передач.

21 --------- I- --

I

о I — — -I---X— -]- .

о 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1.2 1,4 а,рад

Рис 9 Графическая зависимость критериев К^Да) и К2=Да) при со=70 с 1 от угла а относительного расположения шарнирных передач

Минимуму первого критерия соответствует угол а, при котором среднее значение модуля разности моментов за время t - минимально

Минимуму второго критерия соответствует угол а, при котором максимальное значение модуля разности моментов - минимально

Приводится анализ результатов динамических нагрузок и влияния различных факторов на поведение динамической системы

Даны рекомендации по выбору параметров системы, при которых динамические нагрузки имеют минимальные значения и исключаются резонансы в системе

В четвертой главе рассматриваются экспериментальные исследования, выполненные на специально разработанной установке, реализующей все основные функции термоочистной машины и позволяющей моделировать температурные и механические процессы, которые возникают при очистке изоляционных покрытий на основе термомеханического эффекта.

Приводятся результаты определения зон распространения температурного поля и напряжений в продольном направлении.

Показана качественная очистка полимерного покрытия с опытных образцов, изготовленных из бывшего в эксплуатации трубопровода.

Показана достаточно удовлетворительная сходимость результатов стендового эксперимента (рис.10) с теоретическими расчетами (рис.11) для различных параметров установки.

Рис. 10. Экспериментальные графики изменения крутящего момента на карданном Ы1 и ведомом Ы2 валах двухшарнирной передачи при углах перекоса у/ = у2 =0,1392рад в функции угла поворота ведущего вала (р;

М, Им

25

М,

20

15

10 -

5

0

-5

-10

М2_

J

О

3,14

6,28

s,42 (рпрад

Рис. 11. Расчетные графики изменения крутящего момента на карданном Мг и ведомом М2 валах двухшарнирной передачи при углах перекоса у/= у2=0,1392рад в функции угла поворота ведущего вала (pj

В работе подтверждены предположения, заложенные в основу рассматриваемых задач и направленные на создание нового класса термоочистных машин. Основные выводы:

1 Установлены рабочие режимы процесса качественной очистки изоляционных покрытий трубопровода при температурно-механических воздействиях путем их моделирования на разработанной установке

2 Определены механические и теплофизические свойства полимерных и изоляционных покрытий в интервале температур (123-3 53 )К Полимерные покрытия типа «Nitto» и «Kendall» при положительных температурах ведут как нелинейные материалы, а при глубоком охлаждении как хрупкие.

3 Показано, что адгезия покрытий «Nitto» и «Kendall» уменьшается с повышением положительных температур и имеет минимальные значения

при (355—373)К При отрицательных температурах начальный порог охрупчивания для покрытий типа «Nitto» составляет 213К, а для покрытия «Kendall» - 197K Восстановление первоначальных свойств полимерных пленок после охлаждения начинается через (10-15) сек

4 Выявлено, что эффективный процесс очистки полимерных покрытий обеспечивается при локальном температурном воздействии

5 Установлена связь между скоростью, усилием отрыва полимерного покрытия и температурой при тепловом воздействии При повышении температуры скорость необходимо синхронно увеличивать во избежание перегрева мастики и плавления полимерной пленки

6 Проведен анализ динамических нагрузок в звеньях привода рабочего органа термоочистной машины на основе разработанной динамической модели, представленной системой нелинейных дифференциальных уравнений Установлены рациональные параметры системы, при которых неравномерность нагрузок достигает минимума

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1 Поляков Ал Лф Разработка и исследования эффективных технологий удаления полимерных покрытий / Ал Аф Поляков, Б П Жилкин, В В Житков, Ар Ал Поляков // Строительство и образование Сб науч трудов Екатеринбург УГТУ, 2002, Вып 5 - С 207-208

2 Поляков Ал Аф Влияние положительного температурного воздействия на полимерное покрытие трубопроводов / Ал Аф Поляков Ар Ал Поляков // Строительство и образование Сб науч трудов Екатеринбург УГТУ, 2003, Т2 Вып 6-С 108-109

3 Поляков Ар Ал Динамические нагрузки в механической системе исполнительного механизма очистной машины / Ар Ал Поляков, Ал Аф Поляков // Изв ВУЗов Нефть и газ - Тюмень ТюмГНГУ, 2003, №6 -С 61-66

05,0-1 — 05.0&

4. Поляков Ар.Ал. Динамика разветвленной механической системы с универсальными шарнирами / Ар.Ал. Поляков, Ал.Аф. Поляков // Изв. ВУЗзов. Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2004, №1. - С. 69-74.

5. Поляков Ар.Ал. Физико-механические свойства полимерных изоляционных покрытий трубопроводов при температурных воздействиях / Ар.Ал. Поляков, В.В. Житков, Ал.Аф. Поляков // «Механика микронеоднородных материалов и разрушение». III Всероссийский научный семинар им. С.Д. Волкова. Тезисы докладов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004. - С. 72.

6. Поляков Ар.Ал. Экспериментальные исследования термомеханических свойств материалов трубопровода с антикоррозийной изоляцией / Ар.Ал. Поляков, Ю.Г. Сысоев, Ал.Аф. Поляков, В.В. Житков // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2004, №3. - С. 75-80.

7. Поляков А.А. Оптимизация параметров привода рабочего органа очистной машины. / Поляков А.А. // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2004, №2. -С. 64-67.

Подписано к печати^// Q^Qt, Заказ №¿,6 Формат 60x84 '/16 Отпечатано на RISO GR 3750

Бум. писч.№1 Уч.-изд. л. 1,00 Усл. печ. л. 1,00 Тираж 100 экз.

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый универсй^ет» Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый.З'йиверситет»

625039, Тюмень, ул. Киевская^ 52

1 б ФЕВ 2005

Основные обозначения и сокращения.

Введение.

1. Современное состояние вопроса по очистке полимерных изоляционных покрытий.

1.1. Магистральные трубопроводы, их защита от коррозии и очистка.

1.1.1. Краткие сведения о трубопроводах.

1.1.2. Изоляционные полимерные покрытия и их характеристики

1.1.3. Способы наружной очистки трубопроводов.

1.1.4. Устройства, машины для очистки изоляционных покрытий трубопроводов.

1.2. Динамические вопросы механических систем очистных машин.

1.2.1. Динамические особенности очистных машин.

1.2.2. Колебания систем с сосредоточенными и распределенными параметрами.

1.2.3. Обзор по расчету и исследованиям динамики шарнирных систем.

1.3 Методы, используемые при решении задач исследования.

1.3.1. Методы испытания материалов при температурных воздействиях.

1.3.2. Численные методы.

1.4. Выводы и задачи исследования.

2. Исследование влияния температурного воздействия на трубопровод.

2.1. Постановка задач исследований.

2.2. Свойства полимерных изоляционных материалов при положительном воздействии.

2.2.1. Методика, оснастка экспериментальных исследований при положительных температурах.

2.2.2. Результаты влияния температуры нагрева и распределение температурного поля.

2.2.3. Скорость нагрева и остывания нагревателей и распределение температурных полей.

2.2.4. Определение усилия и скорости снятия полимерной пленки.

2.3. Свойства полимерных изоляционных материалов при низких температурах.

2.3.1. Методика и оснастка для определения адгезионных свойств полимерных покрытий.

2.3.2. Усилие отрыва полимерной пленки.

2.3.3. Обработка данных эксперимента на ЭВМ. Результаты испытаний.

2.3.4. Определение температуры "охрупчивания" полимерной пленки.

2.3.5. Удельная энергия разрушения полимерной пленки.

2.4. Испытания материала (стали) трубы.

2.4.1. Методика испытания при низких температурах.

2.4.2. Влияние хладагента на свойства материала трубы.

2.4.3. Механические испытания стали трубы.

2.5. Выводы.

3. Динамика механической системы привода рабочего органа термоочистной машины.

3.1 Постановка задачи исследования.

3.2. Динамическая модель привода рабочего органа.

3.3. Уравнения движения.

3.4. Кинематические параметры шарнирной передачи привода.

3.5. Численное решение задачи крутильных колебаний механической системы привода.

3.6. Исследование динамических нагрузок в звеньях системы и их анализ.

3.7. Оптимизация параметров привода рабочего органа.

3.8. Выводы.

4. Экспериментальное исследование системы «установкатрубопровод»

4.1. Задачи исследования.

4.2. Опытная моделирующая установка, оборудование и оснастка.

4.2.1 Конструктивные особенности установки.

4.2.2. Система подачи и регулирования хладагента.

4.2.3. Измерительная схема, приборы и аппаратура контроля температуры и деформаций.

4.3. Температура и напряжения в трубе. Сравнение экспериментальных и теоретических их значений.

4.4. Исследование динамических нагрузок исполнительного очистного механизма.

Создание высокоэффективных, новых технологий, техники, механизмов и совершенствования существующих, может быть обеспечено только на основе теоретических, экспериментальных исследований, натурных испытаний и достаточно обоснованных методов расчета, учитывающих все основные конструктивные, технологические, и другие факторы, влияющие на работоспособность конструкций, их эксплуатационную надежность и долговечность.

В настоящее время в нефтегазовом комплексе возникла проблема с ремонтом трубопроводов, в частности, с качественной их очисткой от полимерных изоляционных покрытий с целью повторного нанесения покрытия на трубопроводы.

На сегодня, 127 тыс. км. трубопроводов требуют срочной переизоляции что свидетельствует о выходе данной проблемы за рамки нефтегазовой отрасли [44].

Отсутствие высокоэффективной техники, позволяющей полное и качественное снятие полимерных покрытий с трубопроводов в полевых условиях приводят к значительным убыткам. В связи с этим, возникает острая необходимость в поисках новых решений, технологического и конструктивного характера, связанных с проблемой очистки трубопроводов от полимерных покрытий.

Актуальность темы диссертационной работы. Создание новых, высокоэффективных технологий, техники, механизмов и совершенствования существующих, может быть обеспечено только на основе теоретических, экспериментальных исследований, натурных испытаний и достаточно обоснованных методов расчета, учитывающих конструктивные, технологические, экспериментальные факторы влияющие на работоспособность конструкций: эксплуатационную надежность; долговечность.

В настоящее время при капитальном ремонте трубопроводов имеется проблема качественной очистки от полимерных изоляционных покрытий.

Анализ конструкций и технологий изоляционно-очистных машин показал, что на их базе можно создать новые, перспективные машины, использующие термомеханический эффект. Для этого, необходимо провести исследования температурных и динамических процессов, которые будут способствовать созданию этих высокопроизводительных машин для предремонтной очистки трубопроводов.

Целью работы является изучение свойств материалов полимерных покрытий трубопровода при положительных и отрицательных температурах, статических и динамических нагрузках, определение рациональных конструктивных и технологических режимов процесса работы исполнительных органов очистной машины.

Основные задачи исследования:

- установить механические характеристики полимерного покрытия и материала трубопровода в температурном диапазоне от 80К до 450К на основе экспериментальных исследований;

- установить основные технологические параметры процесса очистки от полимерных покрытий трубопроводов на основе температурного и механического воздействий на покрытие;

- провести анализ динамических нагрузок в звеньях рабочего привода термоочистной машины, путем моделирования данного динамического процесса;

- определить основные рациональные, конструктивные параметры рабочего привода;

- провести моделирование процессов очистки покрытия при температурных воздействиях на базе созданной опытной системы «трубопровод -установка».

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- на основе экспериментальных исследований обосновываются технологические процессы очистки полимерных изоляционных покрытий типа «Nitto» и «Kendall» при температурах в интервалах (195-К213)К и (35(Н370)К;

- получены зависимости скорости и усилия отрыва полимерного покрытия от температуры в зоне его удаления;

- определены интервалы распределения удельной энергий разрушения для пленочных покрытий типа «Nitto» и «Kendall»;

- установлены зоны возможных резонансов и рациональных режимов работы привода, на основе разработанной, динамической модели механической шарнирной системы привода рабочего ротора очистной машины;

- установлено влияние угла разворота плоскостей установки ведущих вилок шарнирных передач на уровень динамических нагрузок в приводе с разветвленной шарнирной системой.

Достоверность и обоснованность результатов проведенных исследований обеспечена использованием принятой модели в рамках известных гипотез, допущений, строгих математических методов и методов механики, а также проверкой на экспериментальных установках, удовлетворительным совпадением расчетных значений с результатами проведенных экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- на основе моделирования процесса очистки от полимерных покрытий трубопровода, установлены оптимальные режимы процесса очистки, обеспечивающие высокую эффективность и качество, температурные режимы минимальной адгезии, не приводящие к снижению прочностных характеристик материала трубопровода;

- разработанные методики испытания полимерного покрытия трубопровода могут быть использованы для исследований различных материалов при положительных и низких температурах;

- метод динамического расчета позволяет произвести оценку динамического воздействия в очистном механизме и рабочем роторе, играющих ключевую роль в процессе очистки. Данный метод позволяет избежать резонансные явления, обеспечив при этом работоспособную высокоэффективную и надежную конструкцию;

- результаты, полученные в работе, касающиеся свойств полимерных покрытий при температурных режимах, динамических особенностей рабочих органов необходимы при проектировании надежных и высокоэффективных очистных машин и устройств.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на региональных научных технических конференциях ассоциации строительных высших учебных заведений «Строительство и образования» (Екатеринбург 2000-2003), на III Всероссийском семинаре им С.Д. Волкова «Механика микрооднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004г.) на научных семинарах кафедры строительной механики УГТУ-УПИ (2000, 2003), на научно-техническом Совете Тюменского нефтегазового государственного университета (Тюмень, 2005г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и изложена на 188 страницах машинописного текста, включает 75 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 192 наименований.

Основные выводы

1. Установлены рабочие режимы процесса качественной очистки изоляционных покрытий трубопровода при температурно-механических воздействиях путем их моделирования на разработанной установке.

2. Определены механические и теплофизические свойства полимерных и изоляционных покрытий в интервале температур (123+353)К. Полимерные покрытия типа «Nitto» и «Kendall» при положительных температурах ведут как нелинейные материалы, а при глубоком охлаждении как хрупкие.

3. Показано, что адгезия покрытий «Nitto» и «Kendall» уменьшается с повышением положительных температур и имеет минимальные значения при (355+373)К. При отрицательных температурах начальный порог охрупчивания для покрытий типа «Nitto» составляет 213К, а для покрытия «Kendall» - 197К. Восстановление первоначальных свойств полимерных пленок после охлаждения начинается через (10+15) сек.

4. Выявлено, что эффективный процесс очистки полимерных покрытий обеспечивается при локальном температурном воздействии.

5. Установлена связь между скоростью, усилием отрыва полимерного покрытия и температурой при тепловом воздействии. При повышении температуры скорость необходимо синхронно увеличивать во избежание перегрева мастики и плавления полимерной пленки.

6. Проведен анализ динамических нагрузок в звеньях привода рабочего органа термоочистной машины на основе разработанной динамической модели, представленной системой нелинейных дифференциальных уравнений. Установлены рациональные параметры системы, при которых неравномерность нагрузок достигает минимума.

1. Андронов А. А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М. :1969,380с.

2. Анкудинов Д.Т., Мамаев К.Н. Малобазные датчики сопротивления. М.: 1986. 186 с.

3. Антипьев В.Н., Бахмат Г.В., Земенков Ю.Д., Важенин Ю.И. и др. Эксплуатация магистральных газопроводов. Учебное пособие/Под общей редакцией Ю.Д.Земенкова. Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2002.-528 с

4. Абрамян С.Г. Экологические основы реконструкции и капитального ремонта магистральных трубопроводов. Волгоград. 2002. 212 с.

5. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968. 560 с.

6. Башарин А.В. Динамика нелинейных электромеханических систем с упругими связями. JL: Ленинградский электротехнический институт, 1983. 81 с.

7. Бабин Л.А. Сооружения магистральных трубопроводов. Охрана окружающей среды М.: 1993. 82с.

8. Белова О.Ю., Сысоев Ю.Г. Колебания составных стержней с упругими шарнирами // Научно технические проблемы Западно - Сибирского нефтегазового комплекса / Межвузовский сб. научн. работ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 1997. - Т.2. - С. 39-45.

9. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. М.: ГИМФМЛ, т.1 -1962. - 464с.; т.2 - 1960, - 620с.

10. Бидерман В.М. Прикладная теория механических колебаний. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1972. 416 с.

11. Бобровский С.А., Щербаков С.Г., Яковлев Е.И. и др. Трубопроводный транспорт газа. М.: Наука, 1980.12