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 надежностьдолговечность.
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 «трубопроводустановка».
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, 2004 г.) на научных семинарах кафедры строительной механики УГТУ-УПИ (2000, 2003), на научно-техническом Совете Тюменского нефтегазового государственного университета (Тюмень, 2005 г.).
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.
