Файл: Удк 6219 сравнительный анализ методов эхз в трубопроводном транспорте л. С. Булатова, Л. А. Шацкая.pdf

652
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И
ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ импульсным повышением напряжения за счет применения насыщающегося участка магнитопровода S
3
. [2,3]
На рисунке 1 представлена принципиальная схема такого трансформатора.
Он состоит из первичной обмотки W
1
и двух секций входной обмотки W
2
’ и W
2
’’и является нелинейным источником питания (НИП) сварочной дуги.
Рис. 1. Принципиальная схема предлагаемого сварочного
трансформатора с насыщающимся участком магнитопровода
На рисунке 1 представлен трёх стержневой феромагнитный сердечник, причём средний стержень имеет воздушный зазор. На первом стержне размещается первичная обмотка и секция вторичной обмотки. На тонком
(насыщающемся) стержне размещена вторая секция вторичной обмотки. Эти секции включены последовательно.
Рассмотрим некоторые соотношения, характеризующие эффективность использования данного трансформатора. Упрощенная схема замещения магнитной цепи представлена на рисунке 2. [1,2]
На основании законов Кирхгофа можно составить следующие уравнения:
????
1
− ????
2
− ????
3
= 0 0
3 2
1






????
1
????
1
− ????
2
????
2
′
− ????
1
????
????1
− ????
2
????
????2
= 0
????
1
????
1
− ????
2
(????
2
′
+ ????
2
′′
) − ????
1
????
????1
− ????
3
????
????3
= 0
(1)
????
2
????
2
′′
+ ????
3
????
????3
− ????
2
????
????2
= 0
Решая первое уравнение системы (1) относительно потока Ф
3
, а четвертое уравнение относительно Ф
2
, с учетом первого, получим
????
2
=
????
2
????
2
′′
+????
1
????
????3
????
2
+????
????3
(2)

653
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И
ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ
Подставляя выражение (2) во второе уравнение системы (1), после некоторых математических преобразований для тока холостого хода получим:
????
xx
=
????
1
????
1
[
????
????2
????
????3
′
????
????2
+ ????
????3
′
+ ????
????1
]
Этот ток холостого хода трансформатора изменяется в пределах от I''
1хх до
I'
1хх
, где
????
1xx
′′
=
????
1
????
1
[
????
????2
????
????3
′′
????
????2
+ ????
????3
′′
+ ????
????1
]
Таким образом, намагничивающий ток трансформатора с увеличением нагрузки увеличивается, причем это увеличение зависит от соотношения магнитных сопротивлений R
M1
, R
M2
, R
M3
.[1,3,5,8]
Для реального трансформатора легко выполнить следующее условие:
????
????3
′
≫ ????
????2
≫ ????
????3
′′
Тогда намагничивающий ток будет изменяться с изменением нагрузки в пределах
????
нам
= ????
1xx
′′
÷ ????
1xx
′
≈
????
1
????
1
(????
????3
′
+ ????
????1
) ÷
????
1
????
1
(????
????2
+ ????
????1
)
Рассмотрим режим работы под нагрузкой.
Предположим, рабочий ток больше тока намагничивания, что действительно соответствует сварочным источникам питания, т.е. ????
1раб
≫ ????
1нам
Тогда уравнение для тока с достаточной для упрощенных расчетов точностью можно записать:
???? = ????
1
+ ????
2
=
−????
????2
????
2
′
+ ????
????2
????
2
′′
+ ????
????3
????
2
′
????
1
(????
????2
+ ????
????3
)
Коэффициент трансформации можно записать в следующим виде:
????
????
=
????
1
????
2
=
(????
????2
+ ????
????3
)????
2
′
+ ????
????2
????
2
′′
????
1
(????
????2
+ ????
????3
)
т.е. в зависимости от мгновенного значения сварочного тока (от режима работы сердечника S
3
) коэффициент трансформации K
т меняется в пределах от K
т
''
до K
т
'
, где
????
????
′′
=
????
1
′′
????
2
′′
=
????
????3
′′
????
2
′
+ ????
????2
(????
2
′
+ ????
2
′′
)
????
1
(????
????2
+ ????
????3
)
≈
????
2
′
+ ????
2
′′
????
1
и
????
????
′
=
????
1
′
????
2
=
????
????2
′
+ ????
????2
(????
2
′
+ ????
2
′′
)
????
1
(????
????2
+ ????
????3
)
≈
????
2
????
1
где индексом «штрих» обозначены величины K
т и I, соответствующие режиму работы НИП, когда сердечник S
н
насыщен, а индекс «два штриха» применяется, когда сердечник не насыщен, т.е. в момент перехода сварочного тока через нуль.

654
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И
ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ
Следовательно, трансформатор имеет глубину регулирования коэффициента трансформации:
???? =
????
????
′′
− ????
????
′
????
????
′′
=
????
2
′′
????
2
Таким образом, глубина регулирования коэффициента трансформации зависит от соотношения чисел витков обмоток W
2
'
и W
2
''
, причем такой трансформатор обладает малой инерционностью изменения коэффициента трансформации, определяемой лишь временем, необходимым для изменения величины магнитного потока. [1.3]
В рабочем режиме НИП создаются магнитодвижущие силы I
2
W
2
'
и I
2
W
2
''
Соответствующим подбором сечений S
2
и S
3
и чисел витков W
2
и W
2
можно добиться такого положения, когда величина магнитного потока Ф
2
с увеличением нагрузки будет падать и при нагрузке, равной критической, станет равной нулю.
[1,4,5,8] При дальнейшем увеличении нагрузки магнитный поток изменит направление, и обмотка W
4
будет обладать индуктивным сопротивлением, величина которого с ростом нагрузки будет падать.
Коэффициент трансформации НИП запишется в виде:
????
????
=
????
2
′
+ ????
2
????
1
????
????2
????
????2
+ ????
????3
+
????
2
′
????
1
????
????2
????
????2
+ ????
????3
Из этого следует, что в зависимости от величины мгновенного значения сварочного тока коэффициент трансформации НИП меняется в пределах:
????
????
=
????
2
????
1
÷
????
2
′
????
1
′
т.е. в момент перехода тока через нулевое значение он достигает наибольшего значения (????
????
=
????
2
????
1
=
????
2
′
+????
2
′′
????
1
′
) и обеспечивает повышенное напряжение на электродах. Это обстоятельство благоприятно сказывается на процессе зажигания.
Для устойчивого горения и стабильного зажигания сварочной дуги решающее значение (при прочих равных условиях) имеет величина промышленной составляющей восстанавливающегося напряжения. [1,2,7,9]. Эта величина для НИП равна максимальному значению напряжения холостого хода, т.е.
????
возвр.сост.
= ????
2хх
Следовательно, линейный источник питания, идентичный предлагаемому, должен иметь эффективное значение вторичного напряжения:
????
2
=
????
2xxт
√2
а коэффициент трансформации

655
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И
ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ
????
2
=
????
2xxт
√2????
1
Если учесть ток намагничивания, то мы получим следующее выражение зависимости ????
1
= ????(????
2
) для линейной конструкции идентичной по условиям поддержания горения дуги:
????
1
= ????
1нам
+
????
2xxm
√2????
1
????
2
Эта зависимость для НИП и линейного трансформатора показана на рис. 2.
Из анализа представленной зависимости следует, что, несмотря на несколько больший ток холостого хода, НИП при ????
2
′
≪ ????
2
′′
будет более экономичным за счет меньшего потребления тока в рабочем режиме. Особенно это будет заметно при создании мощных НИП.[1,4,5]
Таким образом, для сварочного трансформатора глубина регулирования коэффициента трансформации может быть найдена по известному напряжению холостого хода (U
2хх
) и эквивалентному эффективному напряжению на дуге (U
д
):
???? =
????
2хх
????
д
Это обстоятельство может быть учтено при подборе чисел витков секций вторичной обмотки НИП (W
2
'
и W
2
''
).
Для оценки экономической эффективности использования НИП проведем некоторые сравнения его с линейным источником питания.
Рис. 2. Качественная зависимость первичного тока
от вторичного тока НИП.
Пунктиром показана зависимость идентичного линейного трансформатора.

656
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И
ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ
Рис. 3. Упрощенная схема замещения
сварочного трансформатора с числами витков
обмоток W1 и W2/
Предположим, что в цепь источника питания последовательно с дуговым промежутком включено сопротивление R, аналогичное балластному реостату (рис.
3).
Найдем необходимую величину сопротивления R для случая использования
НИП и линейного трансформатора, предполагая, что в обоих случаях дуга горит с одинаковым выделением энергии, т.е. при одинаковых токах и напряжениях.
[4,7,8]
Введем некоторые обозначения:
U
д
– напряжение на дуге;
I
д
– ток дуги;
U
л
– эффективное значение напряжения на вторичной обмотке линейного трансформатора;
U
н
– эффективное значение напряжения на вторичной обмотке НИП.
Если предположить, что сопротивление трансформатора мало по сравнению с сопротивлением R, то можно считать, что величина U
л не зависит от нагрузки, т.е .????
н
=
= const.
Величина U
н может быть выражена через U
л следующим образом:
????
н
= (1 −
????
100
) ????
л где ξ – глубина регулирования коэффициента трансформации.
Величина R для случая линейного трансформатора может быть найдена из соотношения:
????
л
=
????
л
− ????
д
????
д а для случая НИП
????
2
=
????
н
− ????
д
????
д
=
(1 −
????
100) ????
л
− ????
д
????
д
Потери мощности в сопротивлении R будут:

657
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И
ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ
????
1
= ????
д
2
????
1
= ????
д
(????
л
− ????
д
)
????
2
= ????
д
2
????
2
= ????
д
[(1 −
????
100
) ????
л
− ????
д
]
Разница потерь составит:
△ ???? = ????
1
− ????
2
=
????
100
????
д
????
л или
△ ????% = ????%
Приведенный выше расчет относится к трансформатору, позволяющему обеспечить устойчивость горения дуги, аналогичной питаемой от синусоидального источника. При этом эффективное значения напряжения трансформатора будет несколько снижено и это приведет к улучшению экономических показателей и качеств сварочного шва.
Для косвенной оценки эффективности использования нелинейного источника питания сравнивались динамические вольтамперные характеристики сварочной дуги(Рис. 3) и проекции фазовой траетории(Рис.4).
Рис.3. Динамические вольт-амперные характеристики сварочной дуги,
питаемой от источника синусоидальной (а) и несинусоидальной (б) ЭДС
Рис .4.Проекция фазовой траектории сварочной дуги, питаемой от
источника синусоидальной ЭДС (а) и НИП (б)

658
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И
ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ
Следовательно, применение НИП тем выгоднее, чем больше глубина регулирования коэффициента трансформации. Это может быть наиболее целесообразно при конструировании источников переменного тока для питания плазменных установок.
Повышение устойчивости горения сварочной дуги в случае питания от трансформатора с насыщающимся участком магнитопровода оценивалось квалифицированным сварщиком, а также по характеру динамической вольт- амперной характеристики и фазовым траекториям. Во всех случаях подтвердилось, что дуга горит устойчивее без существенных пиков зажигания и с малым разбрызгиванием металла.

659
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И
ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ
УДК 622.69
РАЗРАБОТКА ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ С
ВОЗМОЖНОСТЬЮ КОМПЕНСАЦИИ ПРОДОЛЬНОГО
ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА
М.М.Кириллов
СамГТУ,
Самара, Россия,
kirillov1994@mail.ru
В настоящее время, для обеспечения герметичности межтрубного пространства трубопроводов, выполненных в кожухе, нашли широкое применение, герметизирующие манжеты. В силу конструктивных особенностей представленных манжет, герметичность межтрубного пространства обеспечивается лишь на трубопроводах, перемещения которых отсутствуют, либо не превышают способности манжеты компенсировать перемещение внутренней трубы за счет эластичности материала.
Для предотвращения попадания транспортируемого продукта в окружающую среду, необходимо герметизировать межтрубное пространство таким образом, чтобы в случае аварии герметизирующее устройство было способно удержать давление равное давлению перекачиваемого продукта. А сама конструкция должна быть оснащена датчиком давления в межтрубном пространстве, срабатывающим при повышении давления до заданной величины.
Сигнал от датчика, поступающий на пульт диспетчеру, будет указывать на то, что необходимо перекрыть участок.
Таким образом, разрабатываемая конструкция герметизирующего узла должна соответствовать следующим требованиям:
-обеспечение свободного перемещения трубопровода относительно кожуха с сохранением герметичности межтрубного пространства;
-удержание продукта, находящегося под давлением в межтрубном пространстве, в случае аварии;
-сохранять работоспособность при отрицательных и положительных температурах;
-сохранять работоспособность на весь срок службы трубопровода;
-простота конструкции;
-обладать технико-экономической эффективностью.
Для осуществления поставленных задач необходима разработка герметизирующих узлов, выполненных в виде мягких непроницаемых оболочек