8 800100-19-30
Назад
Назад
Назад

Исследование массо- и теплопереноса газов с целью создания безопасных условий сварки при строительстве нефтегазодобывающих платформ на шельфе

Исследование производится в рамках гранта РФФИ. Проект № 16-38-60055


Грантополучатель – федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет»

Руководитель проекта – к.т.н. младший научный сотрудник, старший преподаватель каф. «БЖ и ЗОС» Корончик Денис Алексеевич.

Настоящий проект посвящен исследованию процессов массо- и теплопереноса газов с целью создания безопасных условий сварки на труднодоступных объектах в условиях ограниченного замкнутого пространства. Методологией работы является построение математических моделей тепломассопереноса загрязнений на основе классических газодинамических моделей с адаптацией их к конкретным граничным условиям, особенностям различных видов сварки на труднодоступных объектах, в том числе глубоководной сварки и с учетом различных видов теплообмена. Поэтому, была построена классификация труднодоступных объектов (Рис.1) и классификация по способам применяемой сварки, что позволило систематизировать и уточнить требования к математическим моделям объектов исследования.


Рисунок 1 – I, II, III – объекты исследования проекта

Основной фундаментальной частью исследования является адаптация классической модели непрерывной среды на базе системы уравнений Навье-Стокса к решению комплексной задачи теплообмена со сложными движущимися граничными условиями. В этих условиях можно использовать k-e модель турбулентности, которая реализуется во всех стандартных пакетах CAE и позволяет построить расчетные поля концентраций вредных веществ, температур, теплонапряжённости в рабочей зоне сварщика и подвижности воздуха (Рис.2). В математической модели произведён учёт теплопередачи в твердых телах и радиационный теплообмен. Определение источниковых членов в уравнениях модели произведено на основании расчётов выделения оксидов азота (по удельным выбросам), выделения продуктов полного сгорания углекислого газа и водяных паров (из химических соотношений реакции горения ацетилена)  и тепловыделения (из уравнения экзотермической реакции ацетилена в кислороде с учетом потерь тепла в окружающую среду). Проведен физический эксперимент в условиях максимально приближённых к производственным и исследованы процессы распространения выделяемых вредных веществ, углекислого газа и теплоты от источника газовой сварки в стеснённых условиях смотровой ямы для уточнения математической модели. Измерения концентраций вредных веществ и углекислого газа, образующихся при ацетилено-кислородной сварке подтвердили положение о превышении санитарно-гигиенического норматива ПДК.


Рисунок 2 - Вихревые течения, образованные тепловой струёй в смотровой яме и гараже (Шкала: 0…2 ПДК NO2)

Полученные результаты и проведённые модельные расчёты позволили выработать требования к необходимым условиям верификации математической модели и прежде всего требования к планированию и проведению экспериментов. Также были получены результаты экспериментальных исследований различных видов теплообмена на модели вентилируемого куба с источником тепловыделения, определены граничные условия и изучено поведение математической модели, описывающей вклад различных составляющих теплообмена, в том числе радиационной, влияющих на формирование полей концентраций, температур, подвижности воздуха и теплонапряжённости в исследуемой среде.
Исследованы гидродинамические процессы подводной дуговой сварки с водяной завесой сопла методом численного моделирования, представлена последовательность и методика конечно-элементного расчета в нестационарной постановке. Проведен сравнительный анализ влияния угла подачи воды к свариваемой детали. С уменьшением угла подачи воды для обеспечения надежности газовой защиты зоны сварки требуется увеличение скорости потоков водяной завесы. Угол подачи воды 45 градусов является оптимальным, т.к. позволяет наиболее эффективно использовать энергию водяной завесы и имеет лучшие показатели защиты зоны сварки (Рис.3).



Рисунок 3 - Поля скоростей и линии тока, общее время процесса t=0.6 с

Предложен вентиляционный мобильный комплекс (Рис. 4) для снижения загазованности и улучшения параметров производственного микроклимата на рабочих местах сварщиков в полузамкнутых и труднодоступных объектах. Конкурентные преимущества разработки перед аналогами заключаются в том, что в предлагаемое устройство позволяет обеспечить санитарно-гигиенические требования при работе сварщиков, при этом установка датчиков в зоне дыхания с регистрацией не только содержания вредных веществ, но и температуры, и наличие воздуховода, выполненного с возможностью его перемещения, позволяют обеспечить безопасность работ.


Рисунок 4 - Мобильная вентиляционная установка


«Список публикаций с аннотациями по проекту»

1. Корончик, Д.А. Методология и принципы поиска решений, обеспечения безопасности работы сварщиков в стеснённых условиях и на труднодоступных объектах / Корончик Д.А., Булыгин Ю.И., Рогозин Д.В., Гайденко А.Л., Легконогих А.Н. // Вестник Донского государственного технического университета. - 2016.- Т. 16. № 3 (86). - С. 141-147.
Аннотация: целью исследования является поиск решений по обеспечению безопасности работы сварщиков на труднодоступных объектах в условиях ограниченного замкнутого пространства с быстрым нарастанием содержания вредных веществ и температуры окружающей среды. Предметом исследования являются системы защиты органов дыхания сварщика, работающего в стеснённых условиях с сильной загазованностью и отсутствием или недостаточностью естественной циркуляции окружающего воздуха. Метод исследования — численное моделирование тепломассопереноса вредных веществ, сварочной аэрозоли и избытков теплоты при нестационарном режиме в трехмерной постановке. Методологией работы является построение математических моделей тепломассопереноса загрязнений на основе классических газодинамических моделей с адаптацией их к конкретным граничным условиям, особенностям различных видов сварки на труднодоступных объектах, в том числе глубоководной сварки и с учетом различных видов теплообмена. Построена классификация труднодоступных объектов и способов сварки. Показано, что полученные математические модели позволяют детально определить физические поля воздействия на сварщиков опасных и вредных производственных факторов.

2. Корончик, Д.А. Физико-химические параметры тепловой струи, образованной при сварке порошковой проволокой INNERSHIELD / Корончик Д.А., Булыгин Ю.И., Черевань Ю.С., Алексеенко Л.Н., Азимова Н.Н., Стрекоз М.Н., Синельникова В.В. // Аsпирант. – 2016. - №8. – С. 68-73.
Аннотация: в статье ставится задача экспериментального и теоретического исследования особенностей формирования тепловых струй, образующихся при сварке порошковой проволокой Innershield. Изучение формы тепловых струй и характера изменения её параметров в различных сечениях на удалении от места сварки позволит в дальнейшем моделировать процессы тепломассопереноса загрязнений в стеснённых условиях сварки. Экспериментальные исследования проводились для случая естественного движения тёплого загрязнённого потока без работающей местной вентиляции сварочного поста. Расчёт изменения подвижности газовоздушной смеси и температуры тепловой струи по сечениям производился как по инженерной методике расчёта, так и на основании модельных расчётов тепломассопереноса загрязнений в программной среде SolidWorks Flow Simulations. Приведены сравнительные оценки параметров тепловой струи, оценена погрешность экспериментального и расчётного определения температур и полей скоростей в струе.

3. Рогозин, Д.В. Исследование влияния геометрии горелки с водяной завесой сопла на процесс подводной сварки / Рогозин Д.В., Маслов И.В., Корончик Д.А. // Молодой исследователь Дона. – 2016. - №3. – С.  - .
Аннотация: исследованы гидродинамические процессы подводной дуговой сварки с водяной завесой сопла методом численного моделирования, представлена последовательность и методика конечно-элементного расчета в нестационарной постановке. Проведен сравнительный анализ влияния угла подачи воды к свариваемой детали.

4. Корончик, Д.А. Экспериментальные исследования состояния качества воздуха рабочей зоны сварщика при работе в полуоткрытых пространствах ограниченного объёма / Корончик Д.А., Булыгин Ю.И., Черевань Ю.С., Стрекоз М.Н., Гайденко А.Л. // Безопасность природных и техногенных систем. – 2016. - №1. – С. - .
Аннотация: в статье ставится задача экспериментального исследования процессов распространения выделяемых вредных веществ и теплоты сварочного процесса в полуоткрытых пространствах с целью последующей верификации математической и компьютерной моделей. При производстве таких работ сварщик зачастую находится в так называемых стеснённых условиях, где происходит быстрое нарастание содержания вредных веществ, условия работы также усугубляются повышенным тепловым облучением и неудобным положением тела сварщика. Проведённые измерения концентраций вредных веществ и углекислого газа, образующихся при ацетилено-кислородной сварке подтвердили положение о превышении санитарно-гигиенического норматива ПДК. Аналогичные исследования по температуре воздуха рабочей зоны доказали, что сварщик находится в неблагоприятных условиях производственного микроклимата.

5. Корончик, Д.А. Исследование процессов тепломассопереноса загрязнений при ацетилено-кислородной сварке в полуоткрытых пространствах ограниченного объёма / Корончик Д.А., Черевань Ю.С., Азимова Н.Н., Синельникова В.В., Шулаева Л.Д. // Повышение международной конкурентоспособности российской инновационной продукции и технологий предприятий Ростовской области: Сборник научных трудов I Международной научно-практической конференции. – Ростов-на-Дону: Изд-во ДГТУ, 2016. – С. 19-23.
Аннотация: в статье поставлена цель провести физический эксперимент в условиях максимально приближенных к производственным и исследовать процессы распространения выделяемых вредных веществ, углекислого газа и теплоты от источника сварки в стесненных условиях смотровой ямы для последующего уточнения математической модели.

6. Черевань Ю.С. Теоретическое и экспериментальное исследование параметров тепловой струи, образованной при сварке порошковой проволокой INNERSHIELD / Черевань Ю.С., Булыгин Ю.И., Корончик Д.А. // Экология и безопасность в техносфере: сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции / Юргинский технологический институт. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2016. – С.352-356.
Аннотация: в статье ставится задача экспериментального и теоретического исследования особенностей формирования тепловых струй, образующихся при сварке порошковой проволокой Innershield. Изучение формы тепловых струй и характера изменения её параметров в различных сечениях на удалении от места сварки позволит в дальнейшем моделировать процессы тепломассопереноса загрязнений в стеснённых условиях сварки. Экспериментальные исследования проводились для случая естественного движения тёплого загрязнённого потока без работающей местной вентиляции сварочного поста. Расчёт изменения подвижности газовоздушной смеси и температуры тепловой струи по сечениям производился как по инженерной методике расчёта, так и на основании модельных расчётов тепломассопереноса загрязнений в программной среде SolidWorks Flow Simulations. Приведены сравнительные оценки параметров тепловой струи, оценена погрешность экспериментального и расчётного определения температур и полей скоростей в струе.

7. Корончик, Д.А. Влияние фактора стеснённых условий газосварочных работ на условия труда сварщиков / Корончик Д.А., Булыгин Ю.И., Черевань Ю.С., Легконогих А.Н., Гайденко А.Л. // Новые стандарты модернизации педагогического образования в формировании здорового образа жизни и безопасности жизнедеятельности: материалы V-ой региональной научно-практической конференции Южного федерального округа. - Краснодар: ИПЦ КубГУ, 2016. - C. -  .
Аннотация: выявлено влияние фактора стеснённых условий на условий труда сварщиков. Предложен вентиляционный мобильный комплекс для снижения загазованности и улучшения параметров производственного микроклимата на рабочих местах сварщиков в полузамкнутых и труднодоступных объектах.

8. Вентиляционный комплекс: патент 2600717 МПК: F24F7/00 Месхи Б.Ч., Булыгин Ю.И., Гайденко А.Л., Корончик Д.А., Денисов О.В., Рогозин Д.В., Ситников А.Н. - № 2015130241/12; заявл. 22.07.2015; 27.10.2016 Бюл. № 30

Публикации:

ВЛИЯНИЕ ФАКТОРА СТЕСНЁННЫХ УСЛОВИЙ ГАЗОСВАРОЧНЫХ РАБОТ НА УСЛОВИЯ ТРУДА СВАРЩИКОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИИ ГОРЕЛКИ С ВОДЯНОЙ ЗАВЕСОЙ СОПЛА НА ПРОЦЕСС ПОДВОДНОЙ СВАРКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПРИ АЦЕТИЛЕНО-КИСЛОРОДНОЙ СВАРКЕ В ПОЛУОТКРЫТЫ ПРОСТРАНСТВАХ ОГРАНИЧЕННОГО ОБЪЕМА

МЕТОДОЛОГИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОИСКА РЕШЕНИЙ, ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТЫ СВАРЩИКОВ В СТЕСНЁННЫХ УСЛОВИЯХ И НА ТРУДНОДОСТУПНЫХ ОБЪЕКТАХ

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОЙ СТРУИ, ОБРАЗОВАННОЙ ПРИ СВАРКЕ ПРОВОЛОКОЙ INNERSHIELD

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕПЛОВОЙ СТРУИ, ОБРАЗОВАННОЙ ПРИ СВАРКЕ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ INNERSHIELD

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ КАЧЕСТВА ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ СВАРЩИКА ПРИ РАБОТЕ В ПОЛУОТКРЫТЫХ ПРОСТРАНСТВАХ ОГРАНИЧЕННОГО ОБЪЁМА

Патент:

Патент РФ 2600717