Перевод 1

Аннотация
Системы наружного покрытия трубопроводов и стояков обеспечивают как конструктивные, так и
теплоизоляционные функции, которые должны выполняться структурные и теплоизоляционные
функции, которые должны быть эффективными в течение всего расчетного срока эксплуатации,
который обычно составляет 25 лет. В этом контексте долгосрочное поведение теплоизоляционных
материалов теплоизоляционных материалов трудно предсказать из-за совместного воздействия
трех факторов: гидростатического давления до 300 бар, тепловой градиент более 120°C между
внутренними стоками и наружной морской водой и водопоглощение материалов. материалов.
Кроме того, лабораторные данные, собранные на небольших образцов изоляционных материалов
небольшого размера, обычно используются для прогнозирования термомеханического поведения
полномасштабных систем, но лабораторные испытания просто не могут должным образом
имитировать условия эксплуатации условия эксплуатации, в частности, сложную нагрузку,
существующую через толщины покрытия. В данной статье рассматривается история создания
разработки как испытательных установок, так и моделей для изучения термомеханического
поведения стальных труб с производственным покрытием в условиях сверхглубокой воды. Эта
оригинальная работа была начата с целью получения экспериментальных и расчетных данных для
лучшего понимания и прогнозирования термомеханического поведения изоляционных
материалов при рассмотрении их в качестве полномасштабной масштабной системы. С одной
стороны, экспериментальные данные, полученные на изолированных труб с приборами,
погруженных в крупномасштабные установки имитирующих сверхглубокие воды, представлены
как в установившемся, так и в переходных режимах. С другой стороны, конечно-элементная
модель, предназначенная для вышеупомянутых изолированных труб, была разработана для
прогнозирования их термомеханического поведения. Корреляция между полномасштабными
экспериментальными данными и соответствующими обсуждаются корреляции между
полномасштабными экспериментальными данными и соответствующими предсказаниями
модели для проверки прогнозирующей модели с учетом связи между гидростатическим
давлением и градиентом температуры. Дополнительное моделирование для включения
водопоглощения, чтобы достичь подходящего прогнозирования всего срока службы.
Введение
Оптимистичные оценки запасов нефти на глубоководных участках и текущие цены на нефть и газ
поддерживают растущий интерес к добыче на морских глубоководных месторождениях.
Сверхглубоководные месторождения (глубина 3000 м) является одной из следующих проблем.
Действительно, 4% мировой шельфовой поверхности с WD>1500 м включает в себя осадочные
области с углеводородным потенциалом (минимальная минимальная толщина осадочных пород
2000 м) [1]. Эти сверхглубоководные месторождений, от 100 до 500 [1], предположительно будут
расположены в Мексиканском заливе, в Атлантике у берегов Бразилии, Нигерии и Анголы, а также
вблизи Эгипта в дельте реки Нил. Стоит отметить, что запасы углеводородов, выявленные и
планируемые к выявлению как на суше, так и в традиционных морских осадочных бассейнах,
составляют 19 % мировой поверхности. В По сравнению с наземными и традиционными
морскими углеводородов, частичная эксплуатация сверхглубоких запасов, около 1% мировой
поверхности, будет соответствовать 30 млрд. до 100 млрд баррелей эквивалента бензина [1]. Как
как следствие, добыча на сверхглубоком шельфе, составляющая 10% от добычи на шельфе в 2005
году, должна вырасти до 25 % в 2025 году [2].
В этом контексте обеспечение потока по-прежнему является важнейшей частью при
проектировании и эксплуатации систем, поскольку температура морского дна ниже - обычно в
диапазоне от 1 до 4 °C на глубине 1500-3000 м, и растущие расходы на изоляцию в глубоководных
районах [3]. Среди прочего, необходимо управление теплом в нормальном (установившемся) и
динамическом (переходных процессах) зависит от выбора надлежащих изоляционных
материалов и конструкций для подводных трубопроводов и стояков, чтобы удовлетворить
растущий спрос на более глубокие воды. В настоящее время изучаются конфигурации «труба в
трубе» с целью оптимизации их но их большой вес может стать ограничением. Также
разрабатываются усовершенствованные изоляционные материалы и покрытия разрабатываются и
проектируются для использования под водой, чтобы обеспечить подходящие тепловые и
механические свойства в условиях сверхглубокой воды [4, 5]. Переход к сверхглубоководным
также подчеркивает необходимость наличия методов испытаний и оборудования, позволяющих
определить, является ли та или иная система покрытия пригодна ли данная система покрытия для
использования в новых изоляционных материалах/системах или либо новые изоляционные
материалы/системы, либо существующие материалы/системы, которые должны быть
подвергнуты условиям для которых нет данных. Полномасштабные тепловые испытания
Протоколы и оборудование были разработаны с конца 1980-х годов для изучения поведения
теплоизоляционных покрытий систем теплоизоляционного покрытия на отрезках труб в
смоделированных условиях эксплуатации [6, 7].
Такие полномасштабные испытания становятся частью квалификационных испытаний, поскольку
лабораторные испытания на малоразмерных образцах изоляционных материалов небольшого
размера просто не могут должным образом имитируют условия эксплуатации, в частности,
сложную нагрузки, существующей по толщине покрытия. На сайте разработка и утверждение
протокола испытаний и приборов, которые позволят изучить тепловое поведения изоляционной
трубы с покрытием при воздействии условиях (300 бар), имитирующих сверхглубокую воду
(глубина почти 3000 м), является первым вопросом данной работы.
Параллельно с этим моделирование изоляционных систем на глобальном является необходимой
основой для решения проблемы их долгосрочного поведения в процессе эксплуатации. В
частности, эффекты водопоглощения должны быть учтены учитывать на стадии проектирования
для синтактических пен, которые широко используются в качестве жестких и гибких изоляционных
материалов [8, 9]. Действительно, долгосрочная реакция синтактических пен при при воздействии
морской воды под высоким давлением является крайне нелинейной, особенно при повышенных
температурах, что свидетельствует о возникновении сложных механизмов деградации,
приводящих к заполнению стекла заполнению микросфер [10-14]. Моделирование водо
водопоглощения для синтактических пенопластов было недавно проведено на на образцах
небольшого размера и проверено на большой базе данных (4 синтактических материалов с 4
геометриями, выдержанных в 18 условиях от 4°C, 1 бар до 130°C, 300 бар) [15]. Однако
долгосрочное поведение теплоизолированных конструкций трудно предсказать сложно из-за
совместного влияния трех комбинированных факторов: гидростатического давления до 300 бар,
вызывающего градиент напряжений в материале покрытия, тепловой градиент более 120°C
между внутренними сточными водами и внешней морской водой, водопоглощение
конституционных материалов. Разработка конечно-элементной модели для удовлетворительного
прогнозирования термомеханического поведения производственной изолированной стальной
трубы в условиях сверхглубокой воды (переходное и устойчивое состояние) является второй
проблемой данной работы.Исследование, представленное в данной статье, является
расширением работы, представленной в [16], и являлась частью кандидатской диссертации.
Экспериментальная установка
Конфигурация изолированной трубы
Как экспериментальные, так и расчетные разработки полученные в данной работе, были
посвящены стальным трубам длиной 1,2 м. покрытой снаружи пятислойной изоляционной
системой, в основном на основе синтактического полипропилена (ПП). Отрезки труб для
испытаний были взяты из трубы с внутренним диаметром 180 мм, покрытой в обычных
производственных условиях. Геометрия и геометрия и состав изоляционной системы толщиной 61
мм приведены представлены на рисунке 1. Внешний диаметр составляет 338 мм.
Имитация эксплуатационных испытаний
Сосуд высокого давления
Используемый в данной работе сосуд под давлением (диаметром 1 м и 2 м в высоту) находится в
Ифремере. Температура воды и температура воды и давление (до 1000 бар) контролируются и
регулируются с помощью внешнего блока сбора данных. Давление контролируется с помощью
преобразователя давления, установленного в верхней части напорного бака. Схематическое
изображение испытательной трубы с покрытием в вертикальном положении во время испытаний
в сосуде под давлением приведено на рисунке 2. Фланец сосуда под давлением позволяет
подключать внутренних приборов к внешнему блоку сбора данных где регистрируются показания
всех датчиков.
Оборудование для испытания труб с покрытием
Разработка прототипа оборудования является важнейшим моментом в экспериментальной
установки для полномасштабных испытаний. Изолированная труба была обработана с обоих
концов для установки двух металлических стальных колпачков (нержавеющая сталь APX4),
оснащенных соединителями, выдерживающими внешнее давление. устойчивыми к внешнему
давлению. Три 10-канальных разъема были необходимы для обеспечения электропитания
внутренней системы отопления и для сбора данных с внутренних датчиков. Стальные колпачки
были покрыты политетрафторэтиленом (PTFE) толщиной 100 мм. изолирующими колпачками,
чтобы максимально ограничить осевой тепловой поток. насколько это возможно. Оборудование
прототипа изоляции показано в процессе работы на рисунке 3, а схематическое изображение
Схематическое изображение полностью проинструктированного участка трубы приведено на
рисунке 4. Подробное описание приборов приведено ниже.
Система отопления
В данном исследовании была разработана оригинальная система отопления вместо классического
циркулирующего масла, чтобы ограничить конвекционные конвекционных эффектов внутри
трубы. Система нагрева состоит из нагревательных элементов (NiCr), встроенных в тонкий
силиконовый слой. помещалась на внутренний диаметр стальной трубы и удерживалась на месте
щетками. Стоит отметить, что такая внутренняя «сухая конфигурация без давления и жидкости
также очень благоприятна для приборов, используемых внутри трубы, и упрощает упрощает
моделирование граничного условия для внутреннего теплового потока условия. Кроме того,
электрическая мощность, подаваемая на систему во время установившегося режима, обеспечит
косвенный мониторинг радиального теплового потока через покрытие.
Датчики температуры
Изолированный участок трубы был оснащен шестью коммерческими датчиками температуры
(Pt100), рассчитанными на температуру до 200°C минимум (точность около 0,3 % при 100 °C),
расположенными как во внутренней, так и во внешней части по всей длине трубы и на крышках.
внутренней и внешней частях по всей длине трубы и на крышках (Рисунок 4):
- Ti (°C): внутренняя температура стальной поверхности в центре трубы (одно измерение);
- Te (°C): внешняя температура поверхности покрытия в центре трубы (одно измерение);
- Tb (°C): внутренняя температура стальной поверхности в центре одной крышки (одно
измерение);
- T100 (°C): внутренняя температура стальной поверхности вдоль трубы на расстоянии 100 мм от
колпачка (одно измерение);
- T50 (°C): внутренняя температура стальной поверхности вдоль трубы на расстоянии 50 мм от
колпачка (одно измерение);
- TPTFE (°C): внешняя температура поверхности PTFE в центре колпачка (одно измерение).
Кроме того, определялась внешняя температура воды в сосуде, Twater (°C), также измерялась с
помощью платинового датчика.
Датчики теплового потока
Изолированный участок трубы также был оснащен четырьмя коммерческими датчиками
теплового потока, расположенными как во внутренней, так и во внешней по всей длине трубы и
на крышках:
- φi (Вт.м-2): плотность внутреннего теплового потока на стальной плотность внутреннего
теплового потока на стальной поверхности в центре трубы (одно измерение мягким круговым
флюксметром с чувствительностью 5 мкВ.м2.W-1 при температуре до 200°C);
- φe (Вт.м-2): плотность наружного теплового потока на поверхности покрытия в центре трубы
(одно измерение мягким круговым флюксметром с чувствительностью 5 мкВ.м2 .Вт-1, указанной
до 200°C); φe (Вт.м-2): плотность наружного теплового потока на поверхности покрытия на
поверхности покрытия в центре трубы (три измерения полужестким флюксметром с
чувствительностью 50 мкВ.м2.W-1с чувствительностью до 100°C и 100 бар, одно измерение
измерение жестким флюксметром с чувствительностью 30 мкВ.м2.W-1чувствительностью до
250°C и 150 бар);
- φcap (Вт.м-2): плотность внутреннего теплового потока на стальной поверхности в центре
стального колпака (одно измерение жестким прямоугольным флюксметром с чувствительностью
36 мкВ.м2.W-1 с чувствительностью до 200°C).
Следует отметить, что датчики теплового потока с мягкой плоской формы были выбраны для
внутренней и внешней поверхностей трубы для уменьшения погрешностей, связанных с
трудностями монтажа жестких плоских датчиков.
Тестовые программы
Были рассмотрены два случая, в каждом из которых рассматривалась длина стальной трубы,
покрытой снаружи многослойным изоляционным материалом, как описано ранее:
1. Внешнее давление в сосуде под давлением не создавалось (внешнее давление составляло 1
бар).
2. Гидростатическое давление, имитирующее условия эксплуатации в сверхглубокой воде, было
приложено к испытуемому участку трубы.
Первый случай был выполнен в качестве основы для сравнения численного моделирования с
экспериментальными результатами. Второй второй случай был проведен потому, что основной
целью было оценить тепловые характеристики системы изоляционного покрытия в стационарных
и переходных режимах при погружении в морской воде и при воздействии градиента
температуры по всей толщине по всей толщине и гидростатическому давлению, идентичным тем.
которые она будет испытывать в процессе эксплуатации на сверхглубоких водах.
Обе программы испытаний показаны на рисунке 5 и рисунке 6. Далее описывается каждый этап
программы испытаний для примера 2, имитирующего погружение в сверхглубокую воду.
Предварительное предварительное испытание изолированного участка трубы с приборами,
упомянутое как этап 1, было проведено в пресной воде при температуре окружающей среды
перед имитационным эксплуатационным испытанием в пресной воде при температуре и
давлении окружающей среды. Этот первый этап был необходим для проверки того, что прототип
оборудование и соответствующие приборы были правильно установлены надлежащим образом.
На этапе 2 (продолжительность около 30 минут) внешнее давление было увеличено до 300 бар
для имитации эксплуатации на морском дне на глубине 3000 м. Значения мощности нагрева 120
Вт и 240 Вт были применены на этапах 3 и 4 для достижения репрезентативных тепловых
градиентов по толщине покрытия, соответственно около 50°C и 110°C, учитывая температуру
наружной воды термостатируемой около 15°C, OHTC рассматриваемого изоляционного покрытия
и его площади поверхности. рассматриваемого изоляционного покрытия и площади его
поверхности. Продолжительность каждого этапа 2, 3 и 4 обычно составляла около 3 дней. По по
завершении испытаний нагревательные контуры отключались. позволяя внутренней температуре
трубы с покрытием снизиться до температуры морской воды, окружающей трубу в сосуде под
давлением (этап 5). трубы в сосуде под давлением (этап 5). Когда реакция испытательной трубы
на устранение температурного градиента стабилизировалась, гидростатическое давление в сосуде
под давлением было быстро снижалось до атмосферного (этап 6).
В обоих случаях следует подчеркнуть, что тест продолжительностью около 10 дней, не может быть
использовано для прогнозирования долгосрочной эволюции систем изоляционных покрытий, для
которых водопоглощения воды и ползучести нельзя пренебрегать.
Численная модель имитационного сервисного испытания
Численная модель
Двумерная осесимметричная численная модель изолированного участка трубы была разработана
с использованием конечных элементов мультифизического коммерческого программного
обеспечения, где механические и тепловые аспекты связаны между собой при следующих
допущениях:
- Материалы покрытия и трубы моделируются как твердые тела с линейным упругим поведением
(без ползучести).
- Теплопроводность материалов покрытия и трубы моделируется с использованием закона Фурье.
- Естественная конвекция между поверхностью покрытия и внешней водой моделируется с
помощью уравнений, полученных на основе закона Ньютона. Коэффициенты конвекции были
рассчитаны из экспериментальных температур Te и Twater в соответствии с [17].
Свойства материалов и граничные условия
Тепловые и механические свойства каждого составляющего тепловые и механические свойства
каждого из составляющих материалов тестового участка приведены, соответственно, в табл. 1 и 2.
Значения получены из экспериментальных измерений, проведенных при давлении 1 бар на
небольших образцах [15] или из литературы, использовались в качестве исходных данных при
моделировании.
Использовались граничные условия: теплопроводность вдоль внутренней внутренней
поверхности стальной трубы, изоляция на обеих внутренних крышках и конвекция вдоль внешних
поверхностей, контактирующих с водой. При испытаниях под гидростатическим давлением к
внешним поверхностям конструкции на внешних поверхностях конструкции. На сайте смещения,
перпендикулярные условиям симметрии, также блокируются также блокируются. Начальные
условия (температура или давление) зависят от различных последовательностей испытаний,
проводимых на структуры.
Геометрия расчетной области, численная сетка и граничные условия показаны на рисунке 7. Сетка
сетка была локально уточнена вблизи интерфейсов и датчиков для повышения разрешения.
Применение численной модели
Моделирование на этапе проектирования
На этапе разработки концепции трубного оборудования проводится термомеханическое
моделирование изолированного участка трубы в установившемся и переходном режимах на
основе материала геометрии и физических свойств может обеспечить:
- усадку/разбухание толщины изоляционного покрытия при увеличении давления / температуры
по длине изолированной трубы, погруженной в воду под давлением;
- температуры внешней поверхности и теплового потока распределения наружной поверхности и
теплового потока вдоль изолированного участка трубы.
Численные результаты помогают, например, при проектировании торцевых крышек но такое
моделирование остается лишь ориентировочным, поскольку физические свойства, используемые
в качестве исходных данных, получены путем физические свойства, используемые в качестве
исходных данных, получены в результате испытаний материалов в лабораторных условиях,
которые не отражают полномасштабные условия в полном масштабе.
Исследование свойств изоляции
На этапе испытаний одной секции изоляционной трубы под давлением 1 бар (случай 1), было
проведено моделирование под переходных и установившихся условиях. Сравнение между
экспериментальных и имитационных результатов способствовало валидации модели и оценке
прототипа приборов.
На этапе испытаний одной секции изоляционной трубы под давлением 300 бар (случай 2), не
было проведено прямых измерений радиальных тепловых потоков, поскольку коммерческие
датчики ограничены нижним диапазоном давления. Поэтому термомеханическая модель была
использована для определения коэффициента теплопередачи и свойств материала на основе
экспериментальных данных.
Условия стационарного состояния.
Радиальный тепловой поток был определен путем моделирования, чтобы чтобы соответствовать
экспериментальному распределению температуры. Затем были определены коэффициент
теплопередачи коэффициент теплопередачи и кажущаяся теплопроводность изоляционного
материала (кажущаяся означает, что теплопроводность теплопроводность была усреднена по
поперечному сечению изоляции под тепловым градиентом) были рассчитаны с помощью
классических аналитических выражений.
Аналитическое выражение для радиального теплового потока в условиях стационарного
состояния для одномерной задачи теплопроводности аналитическое выражение для радиального
теплового потока в условиях стационарного состояния для одномерной задачи теплопроводности
в композитном цилиндре, оцененное по внутренней поверхности принятой за эталон, дается в
виде:
В случае многослойной структуры и при допущении, что термическим контактным
сопротивлением между каждым слоем можно пренебречь, коэффициент теплопередачи U
структуры может быть может быть выражен в терминах теплопроводности материала
теплопроводности материалов с помощью следующего соотношения:
В соответствии с этими гипотезами и согласно характеристикам указанными производителями,
общий коэффициент теплопроводности также определяемый как «значение U», составляет 4,2
Вт.м-2.K-1 при 20°C. Этот коэффициент является репрезентативной тепловой характеристикой всей
системы: стальной трубы и изоляционного покрытия.
Условия переходного состояния.
Теплопроводность и теплоемкость могут быть определяются непосредственно с помощью
оптимизационной программы, разработанной с помощью коммерческого программного
обеспечения. Эта программа позволила изменять внутреннюю температуру стальной трубы Ti в
течение времени испытания, смоделированного с помощью аналитической связи с
экспериментальными данными путем оптимизации (метод квадратного корня метода
квадратного корня) тепловых параметров исследуемого материала, в данном случае
синтактической пены.
В случае одномерного радиального переноса в однослойной структуре, ограниченной радиусами
r=rint и r=rext и длиной l, уравнения теплового баланса (температура и тепловой поток) имеют
вид:
с T=T0 для t=0, и
Применяя преобразование Лапласа к переменной t, эти уравнения приводят к:
И
Нотация квадруполей [18] хорошо подходит для того, чтобы связать преобразования Лапласа
температур и потоков на внутренней и внешних границах, полученных при решении приведенных
выше уравнений:
θint и θext соответствуют преобразованиям внутренней и внешней температуры поверхности
цилиндрической структуры соответственно, а A, B, C и D - аналитические соотношения,
включающие функции Бесселя функции Бесселя и геометрические характеристики структуры.
Данная разработка применена к многослойной конструкции (6 слоев, включая стальную трубу),
подверженной внешним конвективных потерь. Уравнение (7) приобретает вид:
с θwater и φconvective - преобразования Лапласа для температуры воды и конвективного
теплового потока соответственно.
Эволюции температур и тепловых потоков получены во временном пространстве путем
численной инверсии каждого преобразования Лапласа. Гипотезы переходной модели,
следующие:
- Одномерная осесимметричная.
- Постоянные коэффициент конвективного теплообмена и температура воды.
- Постоянный тепловой поток, равный значению установившегося теплового потока в
установившемся состоянии, измеренного в конструкции (экспериментальные значения при
давлении 1 бар и смоделированные значения для испытаний под давлением 300 бар).
- Начальная температура всей конструкции должна стабилизирована на уровне температуры
воды;
- Площадь внешней поверхности постоянна (нет теплового Площадь внешней поверхности
постоянна (нет теплового расширения и нет эффекта давления).
Результаты
Основные экспериментальные и вычислительные результаты обобщены в этом разделе
относительно обоих рассматриваемых случаев.
Случай 1- 1 бар
Устойчивое состояние
Экспериментальные тепловые потоки, измеренные в установившемся режиме при давлении 1 бар
и мощности 120 Вт, затем 1 бар и мощности 240 Вт, представлены в Таблица 3. Можно заметить,
что внутренние тепловые потоки меньше, чем значения мощности нагревательного мата, что
связано с тепловыми потерями на обоих концах и, возможно, внутри мата. концах и, возможно, во
внутренней части трубы. Но особенно низкое значение, измеренное при мощности 240 Вт (даже
меньше, чем внешнего теплового потока) показывает, что мягкий датчик теплового потока,
используемый на на границе между нагревательным матом и стальной трубой не выдерживает
высокотемпературной среды, которой он подвергается.
Для определения коэффициента теплопередачи предложено три метода коэффициент U.
Метод A.
Коэффициент теплопередачи U определяется с помощью уравнения (1) непосредственно из
экспериментальных внешних тепловых потока и измеренных температур. Точность значения U
составляет 3,1% на основе погрешностей измерения датчиков, указанных производителями.
Значения кажущейся теплопроводности синтактического ПП были получены из уравнения (2).
Результаты, приведенные в таблице 3, показывают, что значения U и кажущейся
теплопроводности теплопроводности не оказывают существенного влияния на (различия
находятся в пределах погрешности). Измеренные значения U меньше, чем значения, указанные
производителем изолированных труб, а кажущаяся теплопроводность теплопроводность
синтактического ПП также немного ниже, чем значения, измеренные на небольших образцах
(Таблица 1).
Метод Б.
В отсутствие какого-либо внешнего датчика теплового потока внешний тепловой поток может
быть приближен к первому приближению путем вычитания тепловых потерь, измеренных на
обеих крышках, из мощности нагревательного мата. Значения 115 Вт и 226 Вт были получены для
мощности нагрева 120 Вт и 240 Вт соответственно. Плотность внутреннего теплового потока была
рассчитана на основе вышеупомянутых тепловых потоков путем деления значений потоков на
0,57 м2 (площадь поверхности внутреннего нагревательного мата). Моделирование
термомеханического поведения изолированного участка трубы было выполнено с учетом
рассчитанных плотностей внутренних потоков. На сайте Сравнение экспериментальных и
смоделированных значений температуры представлено на рисунке 8. Внутренняя и внешняя
температура измерения согласуются достаточно хорошо, но можно отметить, что другие
смоделированная температура завышена, что говорит о том, что плотность внутреннего теплового
потока также была завышена из-за недооцененных тепловых потерь на обоих концах. Данный
метод будет улучшен за счет более точной оценки потерь на концах.
Метод В.
Внутренний тепловой поток оптимизируется для соответствия температуры испытания с
результатами численного моделирования. Результаты, полученные при моделирования и
экспериментальных температур, представлены Рисунок 9. Распределение температуры,
смоделированное внутри изолированной секции трубы показано на рисунке 10. Рассчитанные
значения U и кажущаяся теплопроводность синтактического ПП приведены в таблице 3.
приведены в Таблице 3. Тепловые свойства, рассчитанные методом C сопоставимы с тепловыми
свойствами, полученными методом A, что что подтверждает использование термомеханического
численного моделирования для определения OHTC и кажущейся теплопроводности
теплопроводности изоляционных материалов.
Переходное состояние
Поскольку анализ экспериментальных данных с помощью переходного модельного подхода
требует, чтобы начальные температуры были полностью стабилизирована, эволюция со временем
внутренней температуры моделировалось только для теплового градиента 120 Вт. На сайте
экспериментальные значения и смоделированная кривая сравниваются на Рисунок 11. Исходные
данные и результаты оптимизации представлены в Таблица 4. Очень близкие значения
кажущейся теплопроводности, полученные в сравнении с подходами, используемыми в
стационарном состоянии (методы A и В), подтверждают результаты анализа переходного
состояния. На сайте кажущаяся теплоемкость синтактического ПП ниже, чем значение
определенного экспериментально, но это более позднее значение следует рассматривать с
осторожностью, поскольку значения теплоемкости чрезвычайно трудно измерить.
Случай 2- 300 бар
Устойчивое состояние
Экспериментальные тепловые потоки, измеренные в установившемся режиме при давлении 300
бар и мощности 120 Вт, затем 300 бар и мощности 240 Вт, представлены в таблице 3. Внешние
тепловые потоки не измерялись в смоделированных условиях сверхглубокой воды, поэтому
значение U, и кажущаяся теплопроводность синтактического ПП не может быть поэтому для
оценки коэффициента теплопроводности синтактического ПП был использован метод В для
оценки коэффициента теплопроводности конструкции.
Внутренний тепловой поток, используемый в термомеханическом был оптимизирован для более
точного соответствия температурам. Результаты, полученные с помощью численного
моделирования, хорошо согласуются с экспериментальными температурами (рис. 12). Значения
U, и кажущаяся теплопроводность синтактического ПП, рассчитанные с использованием
аналитических выражений (1) и (2), представлены в Таблица 3. Можно заметить, что значения,
полученные при давлении 300 бар 120 Вт аналогичны значениям, полученным при давлении 1
бар. Но это уже не так, но для экспериментов с 240 Вт это уже не так. Значительное увеличение
значения U (+10%) и связанное с ним увеличение кажущейся теплопроводности может быть
объяснено повреждением, происходящим в микроструктуре пены, в частности, вблизи трубы, где
материал подвергается совместному воздействию высокой температуры и сложного
распределения напряжений. температуры и сложного распределения напряжений.
Переходное состояние
Эволюция со временем внутренней температуры также была также было смоделировано
изменение со временем внутренней температуры во время установления температурного при
мощности нагрева 120 Вт. Экспериментальные значения и смоделированная кривая сравниваются
на рисунке 13. Оптимизация исходных данных и результатов, представленных в таблице 4,
привела к очень близким значениям кажущейся теплопроводности по сравнению со
стационарным подходом и еще раз подтверждают анализ переходного состояния. Из кажущейся
теплопроводности теплопроводности и теплоемкости, полученных при 120 Вт 1бар и 120Вт
300бар, нет существенной разницы, как было указано ранее. как было указано ранее, по
сравнению с анализом установившегося состояния. Таким образом, можно заключить, что эффект
взаимодействия давления и теплового градиента давления и тепла не вызывает краткосрочных
последствий для синтактического ПП при условии, что температура внутренних стоков составляет
около 60°C. Но в случае температуры 80°C и выше в сочетании со сверхглубоким рабочим
давлением, краткосрочные явления могут в синтактическом ПП, что приводит к снижению
характеристик изоляции.
Заключение
Очень сложные условия эксплуатации на сверхглубоких водах требуют особых условий испытаний
и экспериментального оборудования для проведения полномасштабных испытаний. Испытания
были проведены на изолированных конструкций в условиях эксплуатации (P=300 бар, Tint=95°C).
На сайте была разработана оригинальная система нагрева вместо классической циркулирующего
масла, чтобы ограничить конвективные эффекты внутри трубы и упростить граничные условия для
моделирования теплового потока. Была разработана новая аппаратура для мониторинга
различных параметров испытаний (внутренних и внешних температур, тепловых потоков, ...). Эти
испытания позволяют получить соответствующие результаты.
При отсутствии внешнего датчика теплового потока эффективный способ определения OHTC и
тепловых свойств изоляции тепловых свойств материала является проведение численного
моделирования и подгонки распределений температуры как в установившемся и переходных
режимах. Удовлетворительное согласие между результатами двумерного численного
моделирования, включающего тепловую и механическую связь, и результатами испытаний,
полученными с помощью при давлении 1 бар.
С другой стороны, численное моделирование может быть использовано для проектирования
систем испытания изолированных трубопроводов.
В ближайшем будущем будет учитываться диффузия воды в изоляционный материал будет
учитываться диффузия воды в изоляционный материал для прогнозирования долгосрочного
прогнозирования долгосрочного поведения изоляции.