Автореферат Байшуакова А.А.


 

 

 

 

УДК 622. 691.4:622.692.4.004.67(043)                          На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

Байшуаков аскар абжаМиевич

 

 

 

 

Разработка термомеханической установки для ремонта нефтегазопроводов

 

 

05.05.06 – Горные машины

 

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы, 2008

 

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете им. К.И.Сатпаева

 

 

 

Научный руководитель                                     доктор технических наук,

                                                                           профессор Поветкин В.В.

 

Официальные оппоненты:                                 доктор технических наук,

                                                                           профессор Куанышбаев Ж.М.

 

                                                                           кандидат технических наук,

                                                                           доцент Соловьев А.И.

 

 

Ведущая организация                                       Институт горного дела

                                                                           им. Д.А.Кунаева

 

 

 

Защита состоится «07» мая  2008 года в 1630 часов на заседании диссертационного совета Д 14.61.23 КазНТУ им. К.И.Сатпаева по адресу: 050013, г.Алматы, ул.Сатпаева, 22, конференц-зал НК. Факс (3272)92-64-37, тел. (3272)92-69-01

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КазНТУ им. К.И.Сатпаева по адресу: 050013, г.Алматы, ул.Сатпаева, 22, ГМК.

 

 

 

Автореферат разослан «__»_03_  2008 года

 

 

 

 

 

               Ученый секретарь                                            И.Столповских

Введение

 

Актуальность темы. По территории Республики Казахстан проложены тысячи километров нефте- и газопроводов, соединяющие крупные города не только нашей страны, но и соседние государства.

По данным Министерство индустрии и торговли в Казахстане более 70% трубопроводных магистралей с пленочным покрытием, построенных в 60-е годы, не удовлетворяют требованиям стандарта и подлежат реконструкции, а это свыше 35 тыс. км. Для восстановления работоспособности трубопроводного транспорта в Казахстане в основном необходима реконструкция самого материалоемкого конструктивного элемента – изоляционного покрытия труб.

Существующие механические и электротермические способы снятия старых покрытий малопроизводительны, трудоемки и дорогостоящие, что значительно сдерживает их использование.

Таким образом, повышение эффективности процессов снятия старых покрытии с магистральных трубопроводов с применением термогазоструйных  и комбинированных инструментов, совершенствование технологии механизированного ремонта труб, являются актуальными задачами, решение которых позволит создать высокоэффективную технологию ремонта нефтегазопроводов, а также расширить область научного познания теории и практики применения породоразрушающих инструментов с высокими энергетическими показателями.

Цель работы. Разработка конструкции термомеханической установки для разрушения изоляционных покрытий нефтегазовых труб при ремонтно-восстановительных работах.

Идея работы. Интенсификация процесса снятия пленочных покрытий нефтегаопроводов за счет использования огневых струй и механических инструментов термогазоструйной установки.

В связи с этим в работе поставлены следующие задачи:

- провести анализ современных способов и устройств, для снятия изоляционных покрытий;

- разработать теоретические основы термодинамического воздействия на обрабатываемую поверхность труб;

- разработка кинематических и конструктивных параметров термомеханической установки для снятия внутритрубных отложений и нагрева наружной поверхности трубы;

- разработка кинематических и силовых параметров разрушения изоляционных покрытий механическими вращающимися щетками;

- разработка методики снятия изоляционных покрытий термическими и термомеханическими способами;

- экспериментальные испытания в производственных условиях термомеханических способов снятия изоляционных покрытый с трубопроводов. 

 

Методы исследования. Основы расчета параметров и создание огнеструйного и механического оборудования осуществлялась с помощью комплексной методики, включающей составные, взаимно дополняющие элементы научного обобщения и анализа, механики горения, теорий упругости и колебания, физического эксперимента, методы математической статистики и экономико-математического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

-       теоретически обоснованы закономерности процесса разрушения  изоляционного покрытия нефтегазовых труб от скорости продольного перемещения огнеструйной горелки, физико-химических свойств разрушаемой среды и величины теплового потока, скорости перемещения механических инструментов (щеток) в зависимости от качества очищаемой поверхности;

-       получены аналитические зависимости, позволяющие устанавливать основные параметры движущегося источника тепла и линейной скорости разрушения  изоляционного покрытия;

-       разработаны математические модели по обоснованию физических параметров машин для разрушения изоляционного покрытия нефтегазовых труб термическим и термомеханическим способами;

-       разработаны принципиально новые конструкции рабочих органов для очистки внутренней и наружной поверхностей труб, созданные на основе теоретических разработок, оригинальность которых подтверждена патентами на изобретения.

Практическая значимость работы заключается в разработке методик инженерного расчета процессов снятия изоляционного слоя термическим и механическим способами, в обосновании параметров средств механизации с созданием опытно-промышленных образцов машин и оборудования, а также технологических режимов ремонта пленочных изоляционных покрытий труб.

Личный вклад автора состоит в постановке проблемы и определении задач исследований; в научном обосновании механизма разрушения пленочных изоляционных покрытий труб под действием высокоскоростных и высокотемпературных газовых струй; разработке методики расчета технологических параметров разрушения изоляционных покрытий; разработке теоретических основ проектирования устройства и его рабочих органов.      

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований приняты для реализации при ремонтах магистральных газопроводов в г.Алматы и г.Уральске (Управление пуско-наладочных работ диагностики АО «Интергаз Центральная Азия») путем использования новых устройств и методик, разработанных с участием соискателя.

На защиту выносятся следующие основные научные положения и результаты:

-       технологические параметры разрушения пленочного изоляционного покрытия магистральных трубопроводов термическим и механическим способами, характеризующиеся предложенной математической моделью- процесс огнеструйного разрушения, учитывающий параметры теплового процесса и скорости перемещения источника тепла;

-       рациональные параметры навесного устройства машин для разрушения изоляционного покрытия магистральных трубопроводов, обеспечивают целенаправленное воздействие на поверхность разрушения огневых струй и механического инструмента и характеризущихся скоростью продольного перемещения и физико-химическими свойствами разрушаемой среды;

-       конструкции рабочих органов, отличающиеся тем, что технический результат достигается одновременным нагревом внутренних и внешних поверхностей труб от одного источника тепла, расположенного внутри трубы, либо очистку проводят последовательно, первоначально упругой парогазовой струей, затем дальнейшую очистку и обработку другой газовой струей, содержащей абразивную смесь.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается экспериментами на натурных опытно-промышленных образцах машин, а также использованием методов математического анализа и математической статистики при обработке данных научных положений. В области технологии дополнительно подтверждается методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теориях тепло- и массопереносах и результатах экспериментальных исследований процессов снятия изоляционных покрытий магистральных труб большого диаметра с подтверждением данных опытно-промышленного внедрения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научной конференции «Инженерное образование и наука в ХХI веке» (Алматы, 2004), Республиканской научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании: Современные тенденции и перспективы» (Караганда, 2005), Международной научной конференции «Актуальные проблемы механики и машиностроения» (КазНТУ, Алматы, 2005), Международной научно-практической конференции, посвященной 15-летию независимости Республики Казахстан «Горное дело и металлургия в Казахстане. Состояние и перспективы» (Алматы, 2006), а также на научных семинарах и объединенных заседаниях кафедр «Технология машиностроения» и «Транспортные и горные машины» Казахского национального технического университета им. К.И.Сатпаева с 2002 по 2006 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 предварительного патента на изобретение Республики Казахстан.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников 123 наименований и 3-х  приложений. Текст диссертации изложен на 159 страницах.

 


Основная часть

 

Во введении в соответствии с обоснованием актуальности темы определяются идея, цель и задачи исследования, обозначаются методологические и теоретические основы исследования, практическая значимость работы, формулируются научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе диссертации выполнен обзор и критический анализ современного состояния проблемы и исследований по созданию новых рабочих органов и машин для снятия старых изоляционных покрытий труб нефтегазопроводов.

Проблемы ремонта магистральных трубопроводов для транспортировки нефтегазовых продуктов исследованы и подробно изложены в работах Аскарова С.М., Березина В.Л., Вторушина М.А., Григоренко А.И., Карпова С.В., Королевой И.А., Кульгильдина С.Г., Лисовского В.П., Салюкова В.В., Шайхутдинова А.З., Шацкого А.С. и др.

Существенный вклад в развитие технологий ремонта магистральных трубопроводов был внесен такими организациями как ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ», ООО «Волгоградтрансгаз», РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Тюменский нефтегазовый университет и другими научно-исследовательскими, научно-производственными предприятиями и вузами стран СНГ.

В настоящее время существует множество способов снятия старого изоляционного покрытия: механический, абразивный, термомеханический, водоструйный, гидроабразивный, газоструйный, термоабразивный.

Анализируя существующие способы и устройства для очистки трубопроводов от пленочных покрытий, можно придти к выводу о дальнейшем совершенствовании этих устройств и применение высокоэффективных нетрадиционных способов очистки, основанных на воздействии на поверхность разрушения высокотемпературных и высокоскоростных газовых струй малогабаритных ракетных горелок, а также способов снижающих адгезионную прочность изоляционных соединений за счет нагрева труб изнутри и передачей тепла через металл.    

Другим направлением совершенствования способов снятия изоляционных покрытий является усовершенствование применения механических и комбинированных термомеханических способов, где рекомендуется способ разрушения изоляционной поверхности трубы различными механическими инструментами – щетками, при размещении подвижного нагревателя внутри трубы.

Учеными КазНТУ совместно с работниками организации АО «Интергаз Центральная Азия» разработаны способ и установка для термомеханической очистки изоляции труб, защищенных предпатентами на изобретения.

В результате анализа выполненных ранее теоретических и экспериментальных работ и, в соответствии с целью диссертации, сформулированы основные задачи исследования и пути их реализации:

провести анализ современных способов и устройств, для снятия изоляционных покрытий; разработать теоретические основы термодинамического воздействия на обрабатываемую поверхность труб; разработка кинематических и конструктивных параметров установки для снятия внутритрубных отложений и нагрева наружной поверхности трубы;  разработка кинематических и силовых параметров  разрушения изоляционных покрытий механическими вращающимися щетками; разработка методики снятия изоляционных покрытий термическими и термомеханическими способами; экспериментальные испытания в производственных условиях термомеханических способов снятия изоляционных покрытий с трубопроводов.     

Во втором разделе рассмотрен процесс снятия наружных изоляционных покрытий и внутритрубных отложений при размещении движущегося нагревателя внутри трубы.

Рассматриваемая в данной работе установка для термомеханической очистки поверхностей труб большого диаметра от отложений и покрытий при их реставрации (см. рисунок 1) представляет собой устройство, в котором на неподвижном основании цилиндрический нагреватель 1 перемещается с линейной скоростью внутри трубы 2 вдоль ее продольной оси ОХ, которая оставаясь на месте, вращается с угловой скоростью ωх так, что радиальный тепловой поток qr=dQ/dr равномерно распределяется по внутренней, нагреваемой поверхности трубы, создавая внутри ее стенки осесимметрическое, двумерное температурное поле, с градиентом

где rтекущий радиус цилиндрической поверхности.

 

1 – нагреватель; 2 – труба; 3 - очиститель

Рисунок 1 – Расчетная схема установки для термомеханической очистки

труб большого диаметра

 

Очевидно, что изотермические поверхности такого поля будут представлять собой поверхности вращения (круговые цилиндры), закручиваемые относительно друг друга по винтовым линиям вследствие вращательного движения трубы 2 и поступательного перемещения нагревателя 1 внутри трубы.

Так как векторы  и  ортогональны, то их геометрическая сумма по модулю определяется выражением

,

где x, r, φ – текущие координаты точек круговой поверхности в цилиндрической системе координат;

        – длина дуги винтовой линии.                             

Для обоснования параметров установки рассмотрены и решены две взаимосвязанные задачи:

1) процесс теплопередачи от нагревателя, перемещающегося внутри вращающейся трубы и сопровождающийся распространением тепла в стенке трубы по двум направлениям: в радиальном и по длине трубы;

2) определение скоростей движения нагревателя и трубы в процессе термомеханической очистки ее внутренней и наружной поверхностей.

Для упрощения решения задачи передачи тепла от нагревателя к трубе рассмотрен процесс нагрева слоя отложений в виде парафина на внутренней поверхности стальной трубы до температуры его вспышки.

В этом случае передачу тепла через зазор d12=(d1+d2) от нагревателя к трубе можно рассматривать как к двухслойной цилиндрической оболочке (стальная стенка трубы толщиной d3 + слой полимерного покрытия толщиной d4).

При решении дифференциальных уравнений теплопроводности, начальные условия распределения температуры задаются в начальный момент времени – t0=0, а граничные условия, могут быть заданы тремя способами в зависимости от содержания решаемой задачи:

а) когда задается распределение температуры на поверхности тела для любого момента времени, например, как функции 2-х переменных T=T(r, х);

б) задается плотность теплового потока q=dQ/ в каждой точке поверхности тела для любого момента времени;

в) задаются температура среды окружающей тело Тс и закон теплопередачи между поверхностью тела и средой.

Представляем трубу как многослойную цилиндрическую оболочку, состоящую из 3-х плотно прилегающих друг к другу слоев: на внутренней поверхности трубы слой отложений углеводородов в виде парафина, стальная стенка трубы и слой полимерного покрытия на внешней поверхности трубы (см. рисунок 2).

Температура внутри поверхности кольцевого участка – Т1, снаружи – Т2. Через поверхность F проходит один и тот же радиальный тепловой поток Qr. Выделим внутри стенки трубы с отложениями и покрытием элементарный кольцевой слой радиусом R и толщиной dR.

 

 

Рисунок 2 – Схема к расчету теплопередачи через стенку трубы

 

Тогда можно принять поверхности, через которые проходит тепловой поток Qr одинаковыми и рассматривать этот элементарный слой, как плоскую стенку (в развертке) длиной R и шириной l. Разность температур между такими поверхностями также будет малой и равной – dT.

В этом случае согласно закону теплопроводности Фурье для кольцевого слоя можно записать для внутренней и внешней поверхностей 3-х слойной стенки трубы, разность температур

.                      ( 1 )

Откуда общий тепловой поток будет равен

.                                 ( 2 )

В результате решения совместных дифференциальных уравнений получено уравнение для Qr,  и .

В этом случае расчетные формулы для удельных тепловых потоков будут иметь вид

                                                             ( 3 )

,                                          ( 4 )

где D=2R.

Для аналитического описания процесса распространения тепла в стенке трубы по ее длине используем физическую модель нагрева стального стержня с учетом того, что при вращении трубы с постоянной угловой скоростью ωxonst относительно нагревателя, движущегося внутри трубы с постоянной скоростью Vxonst, в стенке трубы создается винтовое равномерное температурное поле распространяющиеся также в осевом направлении.

Тогда для определения распространения температуры по длине трубы при движении нагревателя внутри трубы получим

                                             ( 5 )

где Т2(х)=(Т2с); Т1(х)=(Т1с) – температуры в начале и конце трубы;

 – принятое обозначение.

В соответствии с формулой (5) построены графики изменения температуры стенки трубы по ее длине как функции расстояния и скорости движения с расчетной скоростью 5,4 м/ч для трубы с диаметром 1,42 м (см. рисунок 3).

Рисунок 3 – График изменения температуры стенки трубы Т по ее длине L

 

Под воздействием высокой температуры создаваемой нагревателем внутри трубы, слой парафина плавится, испаряется и сгорает, выделяя при этом дополнительно тепло, идущее на нагрев стенки трубы.

При решении численного примера при толщине слоя парафина d= 0,003 м и ширины прогрева l=0,1 м определено общее количество тепла, идущее на нагрев слоя парафина до температуры сгорания и нагрева наружной изоляции трубы до температуры 120 0С. С учетом потери тепла в атмосферу получен КПД процесса, равный 22%.

В работе теоретически определены скорость продольного перемещения источника тепла внутри трубы Vx, скорость ее углового перемещения Vj, число оборотов трубы n, а также расход природного газа нагревателя, определяемый по формуле

f , кг/с                                 ( 6 )

где f – площадь поперечного сечения отверстия, через которое истекает газ, м2;

k=1,4 – показатель адиабатного расширения газа;

р1, v1 – давление и удельный объем газа в нагревателе;

р2 – давление газа за отверстием.

В работе представлен численный пример расчета общего расхода тепла и потребного количества природного газа на нагрев стандартных труб разных диаметров и толщин стенок с отложениями и покрытиями.

Значения удельного теплового потока qt рассчитываются по формуле

 .               ( 7 )

График зависимости показывает, что на величину qt изменение толщин стенок труб в диапазоне - d3=0,01...0,02 м не оказывают существенного влияния, ввиду малой разности их значений. Более существенное влияние оказывает наружный диаметр труб DH с отложениями и покрытиями, по которому определяется площадь поверхности F, в направлении которой распространяется тепловой поток qt (см. рисунок 4).

 

Рисунок 4 – График зависимости теплового потока от диаметра труб

 

 

В третьем разделе произведен анализ и расчет ударных способов разрушения изоляционных покрытий механическими проволочными щетками.

Нагрев наружной поверхности трубы за счет теплопроводности от внутреннего источника тепла, и как следствие снижение адгезионной прочности сцепления изоляционного покрытия с наружной поверхностью трубы позволил применить в качестве рабочего органа по его удалению механических щеток, т.е. рассмотреть ударный способ разрушения.

Затраты энергии на процесс очистки поверхности труб от полимерных покрытий могут быть определены через силовое взаимодействие щетки с очищаемой поверхностью с учетом скоростных режимов движения щетки и трубы, а также на основе опытных данных. Рассмотрение силового взаимодейс-твия проволочного ворса щетки с обрабатываемой поверхностью трубы позво-лит оценить результирующие силы, действующие на поверхности контакта щетки с трубой, и в конечном итоге затраты энергии на процесс очистки.

На основании результатов опытов по определению влияния вылета проволоки можно утверждать, что во всех случаях эффективная мощность с увеличением вылета проволоки, т.е. с уменьшением жесткости щетки, несколько снижается. Детальное описание картины и определение сил взаимодействия щетки с трубой на площадке их контакта S0 произведено в двух системах координат: неподвижной О2ZYX и подвижной О2Z'Y'X' связанных с вращающейся трубой (см. рисунок 5).

 

 

Рисунок 5 - Схема действия сил на площадке контакта щетки с трубой

 

Небольшие фрагменты полимерного покрытия трубы в момент соударения с концами проволок быстровращающейся щетки, подвергаются воздействию мгновенной силы удара Pi действующей в течение весьма короткого времени Δt и достигающей значительной величины.

С учетом массы mi ударяющей проволоки установлено, что сила удара, действующая на конце проволоки, перпендикулярна к ее оси и может быть вычислена по формуле

                                       ( 8 )

где ω3 – угловая скорость вращения щетки;

l – длина ворса, l =R3 -r3 – радиусы щетки и фланца;

Enp – модуль упругости материала проволоки;

Jnp≈0,1dnp4 – момент инерции поперечного сечения проволоки, диаметром dnp.

Зная силы взаимодействия щетки с обрабатываемой поверхностью трубы, а также скорости их относительных движений, можно оценить затраты энергии на процесс очистки трубы, в данном случае снятия покрытия с трубы, вращающимися металлическими щетками с проволочным ворсом.

По результатам теоретических исследований разработан инженерный метод расчета процесса снятия слоя покрытия с поверхности трубы большого диаметра вращающимися металлическими щетками, позволяющим определить производительность процесса очистки и мощность приводов и вращения щеток, а также общие удельные затраты энергии на очистку 1 м2 поверхности трубы.

 

Также определены кинематические параметры процесса – скорость осевого перемещения нагревателя внутри трубы Vх1 и окружная скорость вращения трубы V02. Установлено, что скорость осевой подачи щетки Vх3 прямо пропорциональна скорости перемещения нагревателя Vх1 внутри трубы.

В четвертом разделе для интенсификации процесса снятия (разрушения) изоляционных покрытий автором рассмотрены процессы разрушения с применением термоинструментов ракетного типа, выполнены расчеты процесса разрушения и параметры рабочих органов.

Вопросу теории газоструйной обработки (разрушения) различных материалов и горных пород, разработки технологии и породоразрушающих инструментов, внедренных в различные отрасли, посвящены работы таких ученых СНГ, как А.В.Бричкин, М.И.Великий, И.П.Голдаев, А.П.Дмитриев, И.Д.Килль, А.Н.Москалев, А.В.Моторненко, Е.П.Полевичек, И.П.Попов, Ю.И.Протасов, а также ученые Казахстана: А.В.Болотов, Б.Р.Ракишев, Ю.Н.Бабин, А.Н.Генбач, В.В.Поветкин и др.

Для определения основных параметров тепловых потоков при взаимодействии газовой струи с окружающей средой и покрытием труб рассмотрена термодинамическая система. Она является неизолированной, открытой трехкомпонентной, состоящей из окружающей воздушной среды, газовой струи пламени и обрабатываемых изделий.

При положении горелки под углом (900 - g) картину взаимодействия газовой струи с обрабатываемой поверхностью представим в качестве объемной фигуры, соответствующей форме газовой струи, выходящей из сопла горелки (см. рисунок 6).

Экспериментальными исследованиями установлено, что при взаимодействии сверхзвуковой газовой струи с криволинейной поверхностью тепловая эффективность ее повышается в 1,2…1,6 раза по сравнению с ортогональным натеканием на плоскую преграду.

Для расположения факела пламени горелки относительно обрабатываемой поверхности, по данным автора, расчетный диаметр газовой струи находится в пределах dc » 0,02...0,03 м и ширина обработки l0 » 0,1...0,15м при длине факела L » 0,2...0,3 м.

 

Рисунок 6 - Взаимодействие наклонной газовой струи с трубой

 

В обоих рассмотренных положениях горелки и факела пламени относительно обрабатываемой поверхности разрушение под пятном растекания газовой струи будет происходить в зоне теплообмена, ограниченной внешней изотермой с температурой T, равной температуре разрушения Tp

T=Tp =2K(1-m)/bE,                                                                      ( 9 )

где K=0,86sсж - условный предел прочности, при котором происходит потеря устойчивости структурных связей;

m - коэффициент Пуассона;

b - коэффициент теплового линейного расширения;

Е - модуль упругости.

 Причем эффективность разрушения в зоне ограниченной изотермой Тр будет пропорциональна количеству теплоты

Q// = a F// t DT,                                                                           ( 10 )

поступающей через поверхность пятна растекания газовой струи F// в единицу времени t, при коэффициенте теплопередачи a и перепаде температур

DT = Tи – Tп,

где Tи, Tп – температуры источника (газовой струи) и поверхности.

На активной части длины струи L, в которой происходит эффективное разрушение, объемная производительность будет

                     Пv = 4RL,  м3/с.                                                            ( 11 )

Под действием струи газов высокой температуры и скорости возникает тепловой поток q, распределение которого с достаточной точностью подчиняется закону Гаусса

     q = qmax exp(-kr2),  Вт/м2,                                                                   ( 12 )

где qmax – максимальный тепловой поток источника тепла, Вт/м2;

 r – текущий радиус, м;

 k – коэффициент сосредоточенности теплового потока,  1/м2.

Материалы интенсивно разрушаются в области эффективного нагрева, за пределами которого производительность разрушения резко снижается до полного прекращения. Обозначая радиус этой зоны R, заменим распределение теплового потока в пятне эффективного нагрева равномерным в пределах области  и равным qmax. Приравнивая количество тепла при действительном и принятом распределении теплового потока, получим

   L4R qmax = qmax exp(-kr2)dr L,                                                         ( 13 )

из которого находим радиус пятна эффективного нагрева

    2R=.                                                                                             ( 14 )

Исходя из положения, что при движении пятна эффективного нагрева полосового источника шириной 2R каждая точка должна находиться в этой области время tсл, определим потребную скорость продольного перемещения

          vпр =    или    vпр = qmax с z-1,   м/с.                                     ( 15 )

В результате экспериментов установлены зависимости тепловой мощнос-ти и дальнебойности факела горелки от удельного расхода горючего (при a=0,6…0,7). Наиболее рациональным диаметром критического сечения сопла является , обеспечивающий дальнобойность факела до 300 мм.

На втором этапе экспериментов определялся тип базовой горелки, обеспечивающей заданное значение коэффициента сосредоточенности теплового потока.

Расчеты энергетических параметров чисто газовой и паро-газовой струй при внутрикамерном давлении продуктов сгора­ния к =4,6105 Па) и давлении парогазовой смеси в каме­ре смешения к.с=2,25105 Па) показали, что скорость чисто газовой струи за скачком уплотнения значительно сни­жается и составляет 525 м/с, а темп падения скорости парогазо­вой смеси ниже, чем у чисто газовой струи. Скорость парога­зовой смеси у разрушаемой поверхности составляет 620 м/с. Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что парогазо­вые смеси могут обеспечивать более высокие значения коэффициентов теплоотдачи.

Для оценки эффективности применения термореактивного инструмента при снятии старых изоляционных покрытии с газовых труб большого диаметра, на полигоне ТОО «Кристалл» в цехе по термической обработке гранитного камня, были проведены опытные испытания термогазоструйного метода снятия изоляционного покрытия с газовой трубы   с пленочной изоляцией до 3 мм.

В качестве термоинструмента использовалась реактивная горелка типа ТРВ-12м со следующими характеристиками: расход дизтоплива – 10 л/час, расход воздуха – 5 м3/мин; при давлении топливных компонентов – 0,7 МПа.

В результате обработки по снятию изоляционного покрытия была установлена производительность – 10 м2/час. При этом температура внутренней поверхностей стенки трубы достигала 60…70 0С. Процесс разрушения пленки праймера происходил за счет их сгорания в высокотемпературной (2000…2500 0С) газовой струи.

После термоструйной обработки трубы ее поверхность была чистой без следов изоляции покрытия. В этом случае газовый поток проникал под изоляционное покрытие, образовывая вздутие и отрыв больших кусков материала покрытия.

Также по результатам экспериментальных исследований установлены зависимости производительности разрушения от расстояния среза сопла горелки до поверхности. Анализируя графики экспериментальной обработки по разрушению пленочных покрытий можно сделать вывод, что рациональным расстоянием от среза сопла является L=80…120 мм, а угол наклона струи лежит в пределах φ=50…100.

Для определения скорости перемещения термореактивной бензовоздушной горелки относительно трубы с покрытием, и производительности процесса, рассмотрены условия, определяющие распространение пламени в газовой смеси, образующейся при сгорании полиэтиленового покрытия трубы. Зона горения перемещается по поверхности покрытия, обеспечивая распространение пламени. При этом ширина фронта пламени  газовых смесей составляет всего несколько десятых долей миллиметра, в то время как для пламень распада ширина фронта существенно шире.

Принимая приближенно ширину фронта пламени за ширину зоны горения слоя полиэтилена ВГ на трубе, находим скорость распространения пламени по поверхности покрытия

,

где   коэффициент температуропроводности газовой смеси, м2/с.

Исходя из того, что скорость перемещения горелки VГ  относительно трубы (или   трубы   относительно   горелки)   не   должна   превышать   скорости распространения пламени  по поверхности ее покрытия, производительность процесса снятия полиэтиленового покрытия с труб может быть рассчитана с учетом длины факела пламени горелок L, располагающихся по касательной к поверхности труб

              пог.м/ч,                                       ( 16 )

где   угол наклона факела пламени горелки к продольной оси трубы.

На основе разработанной методики расчета производительности процесса удаления полимерных покрытий с труб даны некоторые рекомендации, которых необходимо придерживаться при проектировании механизированных установок.

После термической обработки поверхности труб перед нанесением нового покрытия необходимо очистить ее от налета продуктов сгорания, пятен ржавчины и окалины. Для этого в струю горячего газа вводятся твердые частицы термостойких абразивных материалов: кварцевого песка, чугунной дроби и т.п.

Из рассмотрения взаимодействия сверхзвукового двухфазного потока с разрушаемой поверхностью в работе показано, что наличие твердой фазы в газовом потоке ведет к повышению эффективности разрушения за счет увеличения интенсивности теплоотдачи между газовой фазой и поверхностью, а также за счет динамического воздействия твердой фазы на разрушаемую поверхность. Кроме того, установлено, что существенную роль в увеличении теплового потока играет температура торможения двухфазной струи, которая определяется скоростью твердой фазы и ее концентрацией.

В качестве твердых частиц были применены кварцевый песок (размером от (0,05…1,4)×10-3 м), металлические частицы неправильной формы (размером до 2×10-3 м) и металлическая дробь (диаметром (1,5…2)×10-3 м). Расход твердых частиц регулировали путем изменения соотношения между коли­чеством воздуха, подаваемого в верхнюю и нижнюю части предварительно протарированного цилиндра дозатора.

Основное влияние на результаты удара частиц оказывают: угол встречи, прочность и структура твердой фазы относительно разрушаемой поверхности в момент удара.

Угол встречи оказывает влияние на разрушение за счет изменения удельной нагрузки на единицу площади, подвергающейся разрушению, и соотношения сил, прижимающих режущий элемент (частицу) к поверхности Рz и перемещающих его вдоль поверхности разрушения Рх. Опыт­ные данные показывают, что увеличение сил Рz и Рх прак­тически прямо пропорционально толщине снимаемого слоя.

Удельная нагрузка на разрушаемую поверхность равна

    кг/(м2×с);                                       ( 17 )

где  - скорость твердой фазы на выходе из сопла, м/с;

- весовая концентрация твердой фазы в потоке, кг/м3.

Из формулы (17) следует, что при изменении угла на­клона разрушаемой поверхности, а следовательно, и угла встречи , удельная нагрузка изменяется прямо пропорцио­нально синусу угла встречи. Опыты показали, что мак­симальное разрушение получается при угле встречи =30°, когда sin=0,5, т.е. при вдвое меньшей удельной нагрузке, чем при =90°. Это определяется зависимостью эффективности разрушения от степени использования кине­тической энергии твердой фазы.

В процессе теоретических исследований было разработано несколько способов и устройств для очистки и обработки труб большого диаметра от пленочных изоляционных покрытий при ремонте и прокладке трубопроводов для газа и нефти, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения (предпатентами).

Внедрение очистной машины, работа которой основана на тепловых способах очистки внутренней поверхности трубопровода и одновременно очистки наружной поверхности механическими способами при их реставрации (капитальном ремонте) позволит получить годовой экономический эффект на одну установку в сумме 15,5 млн. тенге.

 

Заключение

 

На основе теоретических и комплексных экспериментальных исследований процессов термомеханического разрушения искусственных минеральных пород выявлены закономерности влияния их свойств и параметров тепловых потоков на характер и производительность разрушения, изложены научно-обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в повышение эффективности ремонта нефтегазовых труб большого диаметра, имеющий важное значение для экономики страны.

Основные научные и практические выводы, полученные в результате завершенных исследований, заключаются в следующем:

1.       Процесс передачи тепла от подвижного источника – цилиндрического газового нагревателя к трубе, через воздушный зазор, может быть описан с помощью модели как многослойная цилиндрическая поверхность, вращающаяся вокруг собственной оси. Это позволило составить и решить уравнения теплопроводности, описывающие процессы распространения тепловых потоков в стенке трубы с покрытиями в радиальном и продольном направлениях;

2.       В результате аналитических расчетов получены абсолютные и удельные расходы тепла на нагрев труб с наружным покрытием с отложениями на внутренних поверхностях; абсолютные и удельные расходы природного газа, идущие на процессы оплавления отложений на внутренней поверхности труб и нагрев внешней изоляции (покрытия), а также  кинематические параметры – скорости перемещения нагревателя внутри трубы и ее вращения вокруг собственной оси, и конструктивные параметры нагревателя.

3. Разработан инженерный метод расчета очистки от изоляции труб большого диаметра цилиндрическими проволочными щетками; получены аналитические зависимости, связывающие геометрические и кинематические параметры щеток, что позволило обосновать силовые параметры процесса и затраты мощности на процесс механической очистки.

4. Предложены физические и математические модели процессов взаимодействия сверхзвуковых газовых струй без абразивных и с абразивными компонентами при обработке поверхностей труб с покрытиями, для реализации процесса очистки от изоляции труб, рассмотрены реактивные горелки генерирующие сверхзвуковые газовые струи – однофазные и двухфазные.

5. Для удаления слоя парафиновых отложений на внутренних поверхностях труб большого диаметра, при их реставрации на полигонах, предложена новая установка, защищенная патентом Республики Казахстан.

6. На основе разработанной методики расчета производительности процесса удаления полимерных покрытий с труб огнеструйными горелками, разработаны рекомендации, которых необходимо придерживаться при проектировании механизированных установок;

7. Экономическая эффективность от использования предложенных установок составляет 15,5 млн. тенге в год на одну установку.

 

Cписок опубликованных работ по теме диссертации:

 

1 Байшуаков А.А., Климов П.В., Поветкин В.В., Способ газопламенного напыления металлических порошков. Предварительный патент №15177-2004. (Заявка №2003/0581.1 от 28.04.2003 г.).

2 Байшуаков А.А., Поветкин В.В., Поветкин А.В., Устройство для нанесения газотермических покрытий. Предварительный патент №15419-2004 (Заявка №2003/730.1 от 30.05.2003 г.).

3 Байшуаков А.А. Изнашивание и долговечность цилиндрических проволочных щеток при очистке наружных поверхностей труб большого диаметра от полимерных покрытий. // Труды Международной научной конференции «Инженерное образование и наука в ХХ1 веке». Т.3. – Алматы, 2004. – С.208 – 214.

4 Поветкин В.В., Байшуаков А.А. Термомеханический  способ  очистки  пленочных и  изоляционных  покрытий  с нефтегазопроводов. Научный журнал «Поиск», №1 (2/2004). – Алматы, 2004. – С.31 – 36.

5 Поветкин В.В., Байшуаков А.А. Аналитическое решение задачи теплопередачи через трехслойною стенку при снятии изоляционных материалов с нефтегазопроводов. Научный журнал «Поиск», №1 (2/2004). – Алматы, 2004. – С.36 – 40.

6 Байшуаков А.А., Назаров Б.К., Поветкин В.В., Алиев Б.Ж. Способ очистки поверхности труб и устройство для его осуществления. Предварительный патент №14544-2004 (Заявка № 2003/0029.1 от 08.01.2003 г.).

7 Байшуаков А.А., Поветкин В.В., Климов П.В., Способ очистки поверхности труб и устройство для его осуществления. Предварительный патент №14999-2004 (Заявка №2003/0627.1 от 12.05.2003 г.).

8 Байшуаков А.А. Определение скоростей движения нагревателя и трубы при термомеханической очистке пленочных покрытий при их реставрации. // Сб. Республиканской научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании: Современные тенденции и перспективы». – Караганда, 2005. – С.76 – 81.

9 Поветкин В.В., Байшуаков А.А. «Расчеты тепловых процессов очистки нефтегазовых труб большого диаметра при их реставрации. // Сб. Республиканской научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании: Современные тенденции и перспективы». – Караганда, 2005. – С.132 – 138.

10 Байшуаков А.А. Инженерный метод расчета процесса снятия полимерных покрытий с поверхностей труб большого диаметра цилиндрическими проволочными щетками. // Сб. Международной научной конференции «Актуальные проблемы механики и машиностроения», КазНТУ. – Алматы, 2005. – С.63 – 67.

11 Поветкин В.В., Байшуаков А.А. Основы расчета процессов механической очистки наружной поверхности труб большого диаметра от полимерных покрытий при их реставрации.  // Сб. Международной научной конференции «Актуальные проблемы механики и машиностроения», КазНТУ. – Алматы, 2005. – С.171 – 175.

12 Поветкин В.В., Байшуаков А.А. Термомеханический способ разрушения изоляционных покрытий нефтегазопроводов при их ремонте. // Труды второй Международной научно-практической конференции, посвященной 15-летию независимости Республики Казахстан «Горное дело и металлургия в Казахстане. Состояние и перспективы». Том 1 «Горное дело». – Алматы, 2006. - С.286-289.

13 Климов П.В., Байшуаков А.А., Поветкин В.В. Новые технические решения при ремонте магистральных трубопроводов. / Научно-технический журнал «Нефть и газ», №4. – Алматы, 2006. - С.89-95.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Elaboration of thermal gas jet installation for repairs of oil and gas pipelines

 

 

Abstract of Askar A. Baishuakov, thesis of the nominee for Candidate of Science (Engineering) academic degree, specialty ID 05.05.06 – “Mining machines”.

 

Abstract

 

Subject of research. Elaboration of technology and facilities for repair of oil and gas pipeline transport.

 

Goal of research. Elaboration of installation design for erasing insulation cover of oil and gas pipes during repair-and-renewal operations.

 

Methodology of research. Calculation of parameters and construction of the flame jet and mechanical equipment was conducted via complex methodology, including complementary complex elements of scientific synthesis and analysis, combustion mechanics, elasticity and vibration theories, physical experiments, methods of mathematical statistics, and economical and mathematical simulation.

 

Results of research. The results of research are as follows:

 

-                     Theoretical ground was proved for regularities of destruction of oil and gas pipes insulating cover depending on the velocity of longitudinal travel of the flame jet torch, physical and chemical properties of substance subject to destruction and value of the heat flow, travel velocity of tools (brushes) depending on peeled surface quality;

-                    Analytical relations were obtained for basic parameters of the moving heat source and linear speed of insulating cover destruction;

-                    Mathematical simulation was developed proving physical parameters of machinery designed for destruction of oil and gas pipes insulating cover by thermal and thermal & mechanical methods;

-                    Brand new design was developed for operating elements used for peeling outside and inside the pipes, based on patents protected theoretical invents;

 

Basic design, technological, and technical and operational parameters. Parameters of thermo mechanical installations for erasing pipeline insulating cover and cleaning of the inside surface. The parameters of the thermo mechanical installation:

 

-       Pipe rotational speed – 53.8 rev/hour (or 0.897 rev/min)

-       Travel speed of the orifice – 0.02 m/sec

-       Orifice diameter - 1.36 m

-       Orifice length – 0.1 m

-       Gap between heater surface and pipe wall – 0.01 m

-       Total section of all heater perforation holes – 0.785*10-4 m2

-       Perforation hole diameter – 1*10-3m

-       Brush diameter – 0.25 m

-       Length of the brush hair – 0.05 m

-       Brush width – 0.15 m

-       Wire diameter – 1.10-3 m

-       Steel grade – low-carbon spring steel

-       Circumferential brush velocity – 10 m/sec

For flame jet torches:

Fuel – air, gasoline (kerosene, solar oil)

Consumption: fuel 7-9 l/hour

Air 3.5-5 m3/min

Fuel components pressure 0.5-0.7 MPa

Critical diameter of the torch nozzle – 0.00016 m

abrasive material grade 0.0005 – 0.00014 m

 

 

Implementation progress. The results of the research were forwarded for application to research and design organizations and industry.

 

Implementation recommendations or summary of research implementation. The results of theoretical and experimental researches were accepted for implementation in repair practice at the trunk pipelines in Almaty and Uralsk (Department of commissioning and diagnostics, Intergas Central Asia JSC) via new devices and methodology, developed with the assistance of the nominee.

 

 

Field of application. Pipeline transport, oil and gas industry.

 

 

Economic efficiency or research significance. Design and kinematical parameters of the thermal mechanical installations and experiment results could be used for installation design and manufacturing application, which will result in considerable saving rate up to 15 mln tenge per installation.

 

Forecast of research subject development. Broad manufacturing application is required for local repairs and restoration during major repairs, specially in the climatic zones with stable cold conditions.

 

 

 

Мұнай газөткізгіштерін жөндеу үшін термгазсорғалағыш

қондырғыны дайындау.

 

Асқар Әбжәмиұлы Байшуақтың 05.05.06 - «Тау машиналары» мамандығы бойынша техника ғылымдарының докторы кандидаты дәрежесін алу үшін жазған диссертациясының авторефераты.

 

Резюме

 

Зерттеу обьектісі. Мұнай мен газды құбырөткізгішті транспорттау үшін технологиялар мен қондырғыларды дайындау.

 

Жұмыс мақсаты. Жөндеу-қалпына келтіру жұмыстары кезінде мұнайгаз құбырлары оқшаулау жабындарының бұзылуына термомеханиканың қондырғысы конструкциясын даярлау.

 

Жұмыс жүргізу әдістері. Отсорғалаушы мен механика жабдығын жасау мен параметрлерін есептеу негіздері, құрамдас, өзара толықтырушы ғылыми жалпылау мен анализдеу, жану механикасы, серпімділік пен тербелу теориясын, физика эксперименті, математика статистикасы мен экономика-математика моделирлеуі элементтерін қосатын кешенді әдістеме көмегімен жүзеге асырылды.

 

Жұмыс нәтижелері. Жұмыста келесі нәтижелерге қол жеткізілді:

-   мұнайгаз құбырлары оқшаулау жабындарының отсорғалаушы жанғыштың бойлық орын ауыстыруы жылдамдығынан, бұзылушы орта мен жылу ағымы шамасының физик-химиялы қасиеттерінен, тазаланушы үсті сапасына қарай механика аспабтарының (қылсаптар) орын ауыстыру жылдамдығынан, бұзылу процесінің заңдылықтары теоретикалық тұрғыда  негізделген;

-   жылудың қозғалушы бұлағы мен оқшаулау жабының бұзылу линиялы жылдамдығы негізгі параметрлерін анықтатқызатын, аналитика тәуелдіктері алынған;мұнайгаз құбырлары оқшаулау жабындарын термикалы мен термомеханикалық тәсілдермен бұзу бойынша машиналардың физика параметрлерін негіздеу математика модельдері даярланған;

-   шынайылылығы өнертабысқа патенттермен расталған, теоретика даярламалары негізінде жаратылған, құбырлардың ішкі мен сыртқы беттерін тазалауға жұмыс органдарының принципиальді жаңа конструкциялары даярланған.

 

Негізгі конструктивті, технология және тасымалдау-техникаларының сипаттамалары. Құбырөткізгіштердің оқшаулау жабындарын шешу мен

 

олардың ішкі бетін тазалауға термеханика қондырғыларының параметрлері даярланған. Термеханика қондырғысының параметрлері:

-   құбырдың айналымдары саны – 53,8 ай/сағ (немесе 0,897 ай/мин);

-   саптаманың бойлық орын ауыстыруы жылдамдығы, - 0,02 м/с;

-   саптама диаметрі – 1,36 м;

-   саптама ұзындығы – 0,1 м;

-   жылытқыш үсті мен құбыр дуалшасы арасындағы саңылау – 0,01 м;

-   жылытқыш перфорациясы барлық тесіктері қималарының жалпы көлемі;

-   перфорациялардың тесігінің диаметрі – 1× 01-3 м;

-   қылсап диаметрі – 0,25 м;

-   түктің ұзындығы – 0,05 м;

-   қылсап ені – 0,15 м;

-   сым диаметрі – 1× 01-3 м;

-   болат маркасы – болат азкөміртекті серіппелі; 

-   қылсаптың айналу төңіректі жылдамдығы – 10 м.сек;

-   Отсорғалаушы жанғыштар бойынша:

Отын – ауа, бензин (керосин, солярлі май);

- шығын: жанатын, 7-9 л/сағ;

- ауа, 3,5 – 5 м3/мин;

- отынның компоненттерінің қысымы, 0,5 – 0,7 МПа;

- жанғыштың тұмсығының критикалы диаметрі – 0, 00016 м;

- aбразивтің бөлшектерінің диаметрі, 0,0005 – 0, 00014 м.

Енгізілу дәрежесі. Ғылыми-зерттеу жұмыстары нәтижелері ғылыми-зерттеу мен жобалау ұйымдары мен өндірісте пайдалануға берілген.

Енгізу бойынша ұсыныстар немесе ғылыми-зерттеу жұмысын енгізу тұжырымдары алынған. Теоретика мен экпериментальды зерттеулерінің нәтижелері Алматы қ. мен Орал қ. («Интергаз Орталық Азия» АҚ диагностикасы жіберу-реттеу жұмыстарының Басқармасы) ізденушінің қатысуымен даярланған, жаңа құрылғылар мен әдістемелерді пайдалану жолымен магистраль газөткізгіштерін жөндеулер кезінде реализациялауға қабылданған.

 

Қолдану облысы. Құбырөткізгіш көлік, өндірістің мұнайгаз саласы.

 

Экономикалық тиімділігі мен жұмыстың мәнділігі. Термомеханикалы құрылғылардың алынған конструктивті мен кинематикалық параметрлері, және де эксперименттер нәтижелері қондырғылар жобаларын даярлау мен оларды өндіріске енгізу кезінде пайдаланыла алады, бұл оларды енгізуден айтарлықтай белгілі бір қондырғыға 15 млн. теңгеге дейін құрайтын, экономика эффектін алуға мүмкіндік береді.     

 

Зерттеу обьектісін дамыту туралы болжаулар. Құбырларды локальді жөндеу және де капиталды жөндеу, оларды реставрациялау кезінде өндіріске әсіресе ұдайы суықты климатикалы зоналарда, кең енгізуді керек етеді.


Байшуаков аскар абжаМиевич

 

 

 

 

Разработка термомеханической установки для ремонта нефтегазопроводов

 

 

05.05.06 – Горные машины

 

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                               Подписано в печать 20.03.2008г.

 

 

                       Печать типографическая. Формат 60х84  1/16.

                               Бумага офсетная №1. Объем 1 п.л.

                                      Тираж 100 экз. заказ №

 

        Копировально-множительное бюро Алматинского института

                                        энергетики и связи

                      050013, Алматы, ул. Байтурсынова, 126