Зона теплового воздействия: Зона теплового воздействия — Энциклопедия пожарной безопасности — НПФ Техсервис — Техническое оборудование общепромышленного и нефтепромыслового назначения

Содержание

Безопасная температура в зоне теплового воздействия. Развития пожара и его зоны. Раздел «прогноз развития пожара»

Пространство, в котором развивается пожар, можно условно разделить на три зоны:

зону горения;

зону теплового воздействия;

зону задымления.

Зона горения – та часть пространства, в которой протекают процессы термического разложения или испарения горючих веществ и материалов (твердых, жидких, газов, паров) и сгорания образовавшихся продуктов. Данная зона ограничивается размером языка пламени, но в некоторых случаях может ограничиваться ограждениями здания (сооружения) стенками технологических установок, аппаратов.

Горение может быть пламенным (гомогенным) и беспламенным (гетерогенным). При пламенном горении границами зоны горения являются поверхность горящего материала и тонкий светящийся слой пламени (зона реакции окисления). При беспламенном горении (войлок, торф, кокс) зона горения представляет собой горящий объем твердых веществ, ограниченный не горящим веществом.

Рис. 2. Зоны пожара.

1 – зона горения; 2 – зона теплового воздействия; 3 – зона задымления; 4 – горючее вещество.

Зона горения характеризуется геометрическими и физическими параметрами: площадью, объемом, высотой, горючей загрузкой, скоростью выгорания веществ (линейная, массовая, объемная) и др.

Тепло, выделяющееся при горении, является основной причиной развития пожара. Оно вызывает нагрев окружающих зону горения горючих и негорючих веществ и материалов. Горючие материалы подготавливаются к горению и затем воспламеняются, а негорючие материалы разлагаются, плавятся, строительные конструкции деформируются и теряют прочность.

Выделение тепла происходит не во всем объеме зоны горения, а только в светящемся ее слое, где происходит химическая реакция. Выделившееся тепло воспринимается продуктами горения (дымом), в результате чего они нагреваются до температуры горения.

Зона теплового воздействия

– часть, примыкающая к зоне горения.

В этой части происходит процесс теплообмена между поверхностью пламени и окружающими строительными конструкциями, материалами. Передача тепла осуществляется конвекцией, излучением, теплопроводностью. Границы зоны проходят там, где тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов, конструкций и создает невозможные условия для пребывания людей без средств тепловой защиты.

Проекция зоны теплового воздействия на поверхность земли или пола помещения называется площадью теплового воздействия. При пожарах в зданиях эта площадь состоит из двух участков: внутри здания и вне его. На внутреннем участке передача тепла осуществляется преимущественно конвекцией, а на внешнем — излучением от пламени в окнах и других проемах.

Размеры зоны теплового воздействия зависят от удельной теплоты пожара, размеров и температуры зоны горения и др.

Зона задымления — пространство, которое заполняется продуктами сгорания (дымовыми газами) в концентрациях, создающих угрозу для жизни и здоровья людей, затрудняющих действия пожарных подразделений при работе на пожарах.

Внешними границами зоны задымления считаются места, где плотность дыма составляет 0,0001 — 0,0006 кг/м 3 , видимость в пределах 6-12 м, концентрация кислорода в дыме не менее 16% и токсичность газов не представляет опасности для людей, находящихся без средств индивидуальной защиты органов дыхания.

Нужно всегда помнить, что задымление на любом пожаре всегда представляет наибольшую опасность для жизни людей. Так, например объемная доля оксида углерода в дыме в количестве 0,05% опасна для жизни людей.

В некоторых случаях дымовые газы содержат сернистый газ, синильную кислоту, оксиды азота, галогенводороды и др., наличие которых даже в незначительных концентрациях приводят к смертельным исходам.

В 1972 году в Ленинграде в ломбарде на Владимирском проспекте произошел пожар, к моменту прибытия караула в помещении практически не было задымления и личный состав проводил разведку без средств защиты органов дыхания, но через некоторое время личный состав стал терять сознание, в бессознательном состоянии было эвакуировано 6 пожарных, которые были госпитализированы.

В процессе расследования было установлено, что произошло отравление личного состава токсичными продуктами, выделявшимися в процессе горения нафталина.

Анализ пожаров показывает, что подавляющее большинство людей погибает от отравления продуктами неполного сгорания, вдыхания воздуха с пониженной концентрацией кислорода (менее 16 %). При уменьшении объемной доли кислорода до 10 % человек теряет сознание, а при 6% у него появляются судороги, и если ему не оказать немедленную помощь, то через несколько минут наступает смерть.

При пожаре в гостинице «Россия» в Москве из 42 человек только 2 человека погибли в огне, остальные погибли от отравления продуктами сгорания.

В чем заключается коварство задымления помещений на пожаре, даже при незначительных размерах горения? Если человек находится непосредственно в зоне горения или теплового воздействия, то естественно он сразу ощущает приближающуюся опасность и принимает соответствующие меры для обеспечения своей безопасности. При проявлении задымления очень часто люди, находящиеся в помещениях (а это наиболее характерно для зданий повышенной этажности) в верхнерасположенных этажах, не придают этому серьезного значения, а между тем по лестничной клетке образуется, так называемая, дымовая пробка, которая препятствует выходу людей из верхней зоны. Попытки людей пробиться через дым без индивидуальных средств защиты органов дыхания, как правило, заканчиваются трагически.

Так в 1997 году в Санкт-Петербурге, при тушении пожара на 3 этаже жилого дома на лестничной площадке 7 этажа были обнаружены трое погибших жильцов 5 этажа, которые, как показало расследование, пытались спастись от задымления в своей квартире, у знакомых, проживавших на 8 этаже.

Практически установить границы зон при пожаре не представляется возможным, т.к. происходит их непрерывное изменение, и можно говорить лишь об условном их расположении.

В процессе развития пожара различают три стадии: начальную, основную (развитую) и конечную. Эти стадии существуют для всех пожаров не зависимо от их видов.

Начальной стадии соответствует развитие пожара от источника зажигания до момента, когда помещение будет полностью охвачено пламенем. На этой стадии происходит нарастание температуры в помещении и снижение плотности газов в нем. Эта стадия продолжается 5 – 40 мин, а иногда и несколько часов. Она не оказывает, как правило, влияния на огнестойкость строительных конструкций, поскольку температуры пока сравнительно невелики. Количество удаляемых газов через проемы больше, чем количество поступающего воздуха. Вот почему линейная скорость в закрытых помещениях принимается с коэффициентом 0,5.

Основной стадии развития пожара в помещении соответствует повышение среднеобъемной температуры до максимума. На этой стадии сгорает 80-90% объемной массы горючих веществ и материалов. При этом расход удаляемых газов из помещения приблизительно равен притоку поступающего воздуха и продуктов пиролиза.

На конечной стадии пожара завершается процесс горения и постепенно снижается температура. Количество уходящих газов становится меньше, чем количество поступающего воздуха и продуктов горения.

Вывод по 2 вопросу:

При оценке обстановки на пожаре РТП должен учесть опасные факторы, которые угрожают личному составу при нахождении в:

Зоне теплового воздействия;

Зоне задымления.

Преподаватель отвечает на вопросы обучаемых.

Зона теплового воздействия примыкает к границам зоны горения. В этой части пространства протекают процессы теплообмена между поверхностью пламени, окружающими ограждающими конструкциями и горючими материалами. Передача теплоты в окружающую среду осуществляется: конвекцией, излучением, теплопроводностью. Границы зоны проходят там, где тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов, конструкций и создает невозможные условия для пребывания людей без тепловой защиты.

Безопасная температура не более 60-70 0 С или лучистый тепловой поток не более 3500Вт/м 2 .

Зона задымления

Зона задымления — часть пространства, примыкающего к зоне горения, в котором невозможно пребывание людей без защиты органов дыхания и в котором затрудняются действия подразделений противопожарной службы из-за низкой видимости.

При пожарах в зданиях и сооружениях опасные факторы пожара являются основным препятствием для успешного выполнения действий по тушению пожара личным составом, создают опасность для жизни и здоровья людей, оказавшихся в зоне задымления. Особый отпечаток зона задымления накладывает на обстановку пожара в зданиях повышенной этажности и на объектах с массовым пребыванием людей. Кроме того, работа личного состава в задымленных помещениях требует определенных умений и навыков, высокой физической, морально-волевой и психологической подготовки.

Зона задымления может включать в себя всю зону теплового воздействия и значительно превышать ее.

Границами зоны задымления считаются места, где плотность дыма, видимость предметов, концентрация кислорода в дыме и токсичность газов не представляет опасности для людей, находящихся без средств защиты органов дыхания.

Соотношение (3.12) используется как для определения интенсивности облучения J * на различных расстояниях от горящего объекта, так и для нахождения безопасных в противопожарном отношении расстояний между зданиями, сооружениями (противопожарных разрывов) и определения зоны теплового воздействия.

Безопасные расстояния между зданиями, сооружениями r кр , м , определяют, разрешая соотношение (3.12) относительно r и заменяя величину J * на J min

ккал/м· 2 ·ч 4 или 3,96Дж/м 2 ·с· 4 ; T ф – температура факела пламени, K (см. табл. 12), величины y 1 , y 2 , F ф находятся согласно рекомендациям предыдущего параграфа.

Расчёт температуры T п опирается на решение задачи о распространении тепла по нагреваемой конструкции, которое замыкается экспериментальными данными.

Как известно, процесс передачи тепла в твёрдом теле описывается уравнением теплопроводности Фурье. Применительно к одномерной задаче уравнение имеет вид

где T – температура, t –время, x – координата, – коэффициент температуропроводности, l — коэффициент теплопроводности, c p — теплоёмкость материала при постоянном давлении, r — плотность материала.

Уравнение (3.14) – уравнение параболического типа. Решению этого уравнения при начальных и граничных условиях, определяемых притоком тепла к облучаемой поверхности применительно к условиям реальных пожаров, посвящён ряд исследований .

Экспериментальные данные по распределению температуры получены на специальных тепловых установках с помощью датчиков, установленных в различных точках тела конструкции.

В качестве примера на рис.12 показано распределение температуры при облучении тепловым потоком конструкции типа вертикальной стенки.

Рис.12. Распределение температуры в теле конструкции при облучении

тепловым потоком

Видно, что максимальная температура имеет место на лицевой поверхности облучаемой конструкции.

Как отмечалось ранее, при определении величины J min под температурой T п в соотношении (3.13) подразумевают максимально допустимую температуру облучаемой поверхности, при превышении которой возможно возгорание конструкции. Критерием оценки T п и J min для дерева, картона, торфа, хлопка принято считать появление искр на обогреваемой поверхности. Значения T п и J min для легковоспламеняющихся и горючих жидкостей находятся по температуре самовоспламенения.

В приближенных расчетах при облучении сосновой древесины, фанеры, бумаги, плит ДВП, ДСП, хлопка, резины, бензина, керосина, мазута, нефти допускается принимать T п =513K .

Значения J min для твердых материалов в зависимости от продолжительности пожара, т.е. продолжительности облучения, приведены в табл.13, для легковоспламеняющихся и горючих жидкостей – в табл.14.

Развитие пожара зависит от физико-химических свойств горящего материала; пожарной нагрузки, под которой понимается масса всех горючих и трудногорючих материалов, находящихся в горящем помещении; скорости выгорания пожарной нагрузки; газообмена очага пожара с окружающей средой и с внешней атмосферой и т.п.

Общие схемы развития пожара включают несколько основных фаз (экспериментальные данные для помещения размером 5x4x3 м, отношением площади оконного проема и площади пола 25%, пожарной нагрузкой 50 кг/м 2 – древесные бруски):

I фаза — начальная стадия, включающая переход возгорания в пожар (1-3 мин) и рост зоны горения (5-6 мин).

В течение первой фазы происходит преимущественно линейное распространение огня вдоль горючего вещества или материала. Горение сопровождается обильным дымовыделением, что затрудняет определение места очага пожара. Среднеобъемная температура повышается в помещении до 200 °С (темп увеличения средне-объемной температуры в помещении около 15°С в 1 мин). Приток воздуха в помещение увеличивается. Поэтому очень важно в это время обеспечить изоляцию помещения от наружного воздуха (не рекомендуется открывать или вскрывать окна и двери в горящее помещение. В некоторых случаях, при достаточном обеспечении герметичности помещения, наступает самозатухание пожара) и вызвать пожарные подразделения. Если очаг пожара виден, необходимо по возможности принять меры к тушению пожара первичными средствами пожаротушения.

Продолжительность I фазы составляет 2-30% продолжительности пожара.

II фаза – стадия объемного развития пожара.

Температура внутри помещения поднимается до 250-300 °С, начинается объемное развитие пожара, когда пламя заполняет весь объем помещения, и процесс распространения пламени происходит уже не поверхностно, а дистанционно, через воздушные разрывы. Разрушение остекления через 15-20 мин от начала пожара. Из-за разрушения остекления приток свежего воздуха резко увеличивает развитие пожара. Темп увеличения среднеобъемной температуры – до 50 °С в 1 мин. Температура внутри помещения повышается до 800-900 °С.

Стабилизация пожара происходит на 20-25 минуте от начала пожара и продолжается 20-30 мин.

III фаза – затухающая стадия пожара.

Пространство, в котором происходят пожар и сопровождающие его явления, можно разделить на три отдельные, но взаимосвязанные зоны: горения, теплового воздействия и задымления.

Зона горения представляет собой часть пространства, в котором происходит подготовка горючих веществ к горению (испарение, разложение) и их горение. Она включает в себя объем паров и газов, ограниченный топким слоем пламени и поверхностью горящих веществ, с которой пары и газы поступают в объем зоны. Иногда зона горения, кроме указанного, ограничивается также конструктивными элементами здания, стенками резервуара, аппарата и т. д. Хотя реакция горения паров и газов протекает в топком светящемся слое пламени, представляющем поверхность горения, будем в дальнейшем для удобства расчетов под поверхностями горения понимать поверхность жидких и твердых горящих веществ, с которых в результате испарения или разложения выделяются в зону горения пары и газы.

На рис. 8.1а показана зона горения, когда часть ее располагается за пределами здания. Здесь объем зоны горения ограничен поверхностью горения дров, расположенных на полу помещения, несгораемыми степами и перекрытием помещения и поверхностью пламени за окном помещения и у окна в нижней его части. Находящиеся внутри помещения пары и газы, выделившиеся при разложении дров, также входят в объем зоны горения. Такое положение зоны горения бывает, когда скорость выделения продуктов разложения большая, а подвод воздуха ограничен и продукты разложения имеют возможность соприкасаться с ним за пределами здания и частично около оконного проема в нижней части помещения. На рис. 8.1б показана зона горения жидкости в резервуаре. Здесь также объем золы горения ограничен поверхностью горения жидкости, стенками резервуара и поверхностью пламени. Так как в резервуарах горение паров жидкости происходит в турбулентном потоке и пламя не имеет постоянной формы, то поверхность его принимается, как и у пламени в ламинарном потоке.

Рис. 8.1. Зона горения при гомогенном (пламенном) горении

а – открытый пожар в здании; б – горение жидкости в резервуаре

При горении фонтанов жидкости или газа объем зоны горения ограничен поверхностью пламени.

Зона горения твердых веществ, горящих без пламени (тлеющих), например хлопка, кокса, войлока и торфа, представляет горящий объем их, ограниченный еще не горящим веществом.

Площадь проекции поверхности горения твердых и жидких веществ и материалов на поверхность земли или пола помещения называется площадью пожара (рис. 8.2)

При горении одиночной конструкции небольшой толщины, расположенной вертикально (перегородка), за площадь пожара можно принимать площадь проекции поверхности горения на вертикальную плоскость. При внутренних пожарах в многоэтажных зданиях общая площадь пожара находится как сумма площадей пожара всех этажей.

Рис. 8.2. Зона горения и площадь пожара

а – при пожаре жидкости в резервуаре; б – при пожаре штабеля пиломатериалов;

Зоной теплового воздействия называется часть пространства, примыкающая к зоне горения, в которой тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов и конструкций и делает невозможным пребывание людей без тепловой защиты (теплозащитные костюмы, щиты, водяные завесы и др.).

Выделяющееся при горении тепло является основной причиной развития пожара и возникновения многих сопровождающих его явлений. Оно вызывает нагрев окружающих зону горения горючих и негорючих материалов. При этом горючие материалы подготавливаются к горению и затем воспламеняются, а негорючие разлагаются, плавятся, строительные конструкции деформируются и теряют прочность.

Выделение тепла на пожарах и нагрев продуктов сгорания вызывают также движение газовых потоков и задымление территорий и помещений, расположенных около зоны горения.

Возникновение и скорость протекания этих тепловых процессов зависит от интенсивности выделения тепла в зоне горения, что характеризуется удельной теплотой пожара.

Выделение тепла происходит не во всем объеме зоны горения, а только в светящемся се слое, где совершается химическая реакция. Выделившееся тепло воспринимается продуктами сгорания (дымом), в результате чего они нагреваются до температуры горения. Нагретые продукты сгорания передают тепло путем излучения, теплопроводности и конвекции, как в зону горения, так и в зову теплового воздействия. Так как большинство горючих материалов образуют газообразные продукты сгорания, то наибольшее количество тепла из зоны горения передается ими.

На пожарах в зданиях нагретые до 1100-1300 °С продукты сгорания (дым), поступая в зону теплового воздействия, смешиваются с воздухом и нагревают его. Процесс смешивания происходит на всем пути движения продуктов сгорания, поэтому температура в зоне теплового воздействия понижается по мере удаления от зоны горения – от температуры горения до температуры, которая является безопасной не только для конструкций и горючих материалов, но и для подразделении, действующих в этой зоне. Температуру 50-60 °С можно принять как предельную для зоны теплового воздействия.

Продукты сгорания оказывают наибольшее воздействие на материалы и конструкции около зоны горения, где температура их превышает 300-400 °С. В этом пространстве возможно воспламенение твердых горючих материалов и деформация незащищенных металлических конструкций.

В начальной стадии развития внутреннего пожара зона теплового воздействия имеет низкую среднюю температуру, так как большое количество тепла идет на нагревание воздуха, строительных конструкций, оборудования и материалов.

На открытых пожарах при отсутствии ветра продукты сгорания (дым.) располагаются над зоной горения и в большинстве случаев (пожары резервуаров, штабелей пиленого и круглого леса, караванов торфа, хлопка и т.д.) их теплосодержание не влияет на находящиеся вблизи горючие материалы и не мешает действиям подразделений пожарной охраны. При наличии ветра продукты сгорания располагаются ближе к земле, что способствует распространению пожара.

Тепло, воспринимаемое строительными конструкциями вызывает их нагрев, что в свою очередь может привести к обрушению конструкций, а также к воспламенению сгораемых материалов в смежных помещениях. Эти явления характерны для внутренних пожаров в помещениях с большой горючей загрузкой, малой площадью проемов или наличием металлических конструкций.

Аккумулированное, строительными конструкциями на внутренних пожарах тепло составляет не более 8% тепла, выделенного за все время развития пожара.

При горении твердых и жидких материалов некоторое количество тепла, выделяющегося в зоне горения, воспринимается горящими материалами. Часть этого тепла затрачивается на испарение и разложение материалов и с парами и газами поступает обратно в зону горения.

Другая часть тепла затрачивается на нагревание горящих материалов и содержится в них. Таким образом, тепло поддерживает непрерывный процесс горения и определяет его скорость. Если это тепло отнять от горящих материалов, то горение прекратится. На этом принципе основано прекращение горения водой.

Из зоны горения передача тепла осуществляется не только конвекцией, но и излучением.

При горении бензина в резервуарах доля тепла, передаваемого из зоны горения конвекцией, составляет 57-62% всего выделившегося в ней тепла, а.при горении штабелей пиломатериалов 60-70%. Остальное тепло (30-40%) передается из зоны горения, излучением. Так как это тепло вызывает распространение пожара на значительных расстояниях от зоны горения и препятствует действиям подразделений по тушению, то все защитные мероприятия на открытых пожарах сводятся в основном к экранированию материалов и ствольщиков.

На внутренних пожарах тепло передающееся излучением, обычно составляет небольшую величину, так как площадь проемов в здании, через которые возможно излучение, и интенсивность излучения пламени через дым невелики. Направление передачи тепла излучением может не совпадать с направлением передачи тепла конвекцией, поэтому зона теплового воздействия на пожарах часто состоит из участков, где воздействует только тепло излучения или только тепло продуктов сгорания, и участков, где оба вида тепла воздействуют совместно.

С учетом величины интенсивности излучения, причиняющей боль в незащищенных частях тела, выведена зависимость для определения минимального безопасного расстояния l от ствольщика до пламени

где H П – усредненная высота факела пламени, м.

Тепло, воспринятое горящими материалами определяет расход огнегасительных веществ на тушение.

С учетом значения каждой входящей в тепловой баланс пожара величины проводятся мероприятия, препятствующие развитию пожара и способствующие его тушению (вскрытие конструкций ближе к зоне горения и выпуск нагретого дыма, охлаждение горючих материалов, металлических конструкций и технологических аппаратов, защита ствольщиков от лучистой теплоты и т. д.).

Зоной задымления называется часть пространства, примыкающая к зоне горения и заполненная дымовыми газами в концентрациях, создающих угрозу жизни и здоровью людей или затрудняющих действия пожарных подразделений.

Зона задымления на некоторых пожарах включает в себя всю или часть зоны теплового воздействия.

Одним из явлений, характеризующих развитие пожара, является выделение продуктов сгорания. При горении подавляющего большинства веществ продукты сгорания содержат твердые частицы полного и неполного сгорания, диаметр которых измеряется от 10 -3 до 10 -6 мм. Продукты сгорания с имеющимися в них твердыми частицами называются дымом. Поскольку в условиях пожара дым в чистом виде, т.е. без примеси воздуха, не бывает, то под понятием дым в широком смысле понимается смесь воздуха с продуктами сгорания и имеющимися в них твердыми частицами.

На пожарах чаще всего горят органические материалы, состоящие из углерода, водорода и кислорода (древесина, бумаги, ткани; бензин, керосин и т.д.). Поэтому основными компонентами дыма являются азот, кислород, углекислый газ, пары воды, окись углерода и свободный углерод в виде мельчайших частичек (сажи). При горении и разложении материалов, которые, кроме углерода, водорода и кислорода, содержат еще азот, серу, хлор к фтор, в составе дыма могут находиться окислы азота, хлористым водород, сернистый газ, сероводород, а также фосген, синильная кислота и другие токсические вещества.

Чаше всего происходит отравление окисью углерода, так как она образуется на всех пожарах. Основные симптомы отравления окисью углерода – боль в области лба и висках, головокружение и шум в ушах. Отравление окислами азота вызывает кашель, раздражение дыхательных путей, иногда головную боль, рвоту. При отравлении синильной кислотой в начальной стадии ощущаются царапанье в горле и жгучий горький вкус во рту, возникают слюнотечение, головокружение, острая головная боль, тошнота.

Токсические продукты образуются главным образом при термическом разложении и горении пластмасс, каучуков, синтетических волокон, смол и т.д.

Концентрация токсических продуктов в дыме на пожаре зависит от интенсивности газообмена и количества этих продуктов, выделяющихся с 1 м 2 площади горения.

Однако не только токсические продукты характеризуют отрицательные свойства дыма. Например, высокая температура дыма является не менее опасным фактором для человека. При температуре среды 60° и большой влажности воздуха создаются тяжелые условия для организма человека, особенно при физической работе.

Большим препятствием при тушении пожаров являются твердые частицы полного или неполного сгорания, которые не редко настолько снижают видимость в зоне задымления, что даже при наличии мощных источников света не возможно различать довольно крупные предметы на расстоянии нескольких десятков сантиметров. Особенно плотное задымление бывает при горении веществ с большим коэффициентом химического недожога, таких как нефтепродукты, резина, каучуки, шерсть, хлопок, большинство пластиков и пластмасс. Большое количество твердых частиц выделяется при горении щелочных, щелочноземельных металлов и их сплавов. Плотность дыма определяется по количеству твердых частиц, содержащихся в единице его объема, и измеряется в г/м 3 . При отсутствии приборов о плотности дыма можно судить по видимости в нем предметов, освещаемых групповым фонарем с лампой в 21 свечу.

Плотность дыма на пожарах в основном зависит от интенсивности газообмена и весового количества твердых частиц в единице объема продуктов сгорания, образующихся при сгорании единицы массы вещества.

О степени задымления можно судить не только по плотности дыма, но и по процентному содержанию продуктов сгорания в объеме помещения, т.е. по концентрации дыма. Большая концентрация продуктов сгорания и малый процент кислорода в помещении является одним из существенных факторов, характеризующих задымление и представляющих серьезную опасность для человека. Известно, что при содержании в воздухе кислорода 14-16% по объему у человека наступает кислородное голодание, которое может привести к потере сознания, а снижение содержания кислорода до 9% опасно для жизни. На пожарах же концентрация кислорода в дыме может быть менее 9%.

Дым, двигаясь от зоны горения, смешивается с воздухом и образует зону задымления. Граница зоны задымления определяется по одному из трех показателей: по наименьшим опасным концентрациям токсических компонентов, по дыму слабой плотности или по концентрации кислорода в дыме, которая не должна быть ниже 16% по объему. При горении веществ опасной зоной следует считать все пространство, где наблюдается видимое присутствие дыма.

Объем и положение зоны задымления на открытых пожарах зависят в основном от скорости роста площади пожара и метеорологических условий. Как показала практика и экспериментальные данные, наибольшие объемы и плотность зоны задымления на открытых пожарах бывают при скорости ветра 2-8 м/сек.

Процесс задымления зданий связан еще с конструктивно-планировочными решениями зданий и сооружений.

Под временем образования зоны задымления понимается период, за который в задымленном объеме концентрация дыма достигнет величины, опасной для пребывания в нем человека без защиты органов дыхания.

Большое значение на задымление помещений как горящих, так и соседних оказывает положение нейтральной зоны в объеме помещения и в целом здании. Так, при низком расположении нейтральной зоны увеличиваются объем зоны задымления и число помещений, находящихся в зоне избыточных давлений (следовательно, подвергающихся опасности задымления), возрастают концентрация и плотность дыма.

Зависимость положения нейтральной зоны от отношения площади приточных и вытяжных отверстий используют для уменьшения влияния дыма и роста зоны задымления, для чего в верхней части помещения проемы вскрывают, а в нижней его части проемы закрывают или устанавливают дымососы.

Помещения, смежные с горящим, находящиеся выше уровня нейтральной зоны, но с наветренной стороны, при достаточной силе ветра и закрытых дверных проемах не задымляются или задымляются незначительно.

При пожарах в зданиях большое значение на задымление смежных помещений оказывает инфильтрация дыма через щели в дверных, оконных и прочих проемах. Экспериментальные данные по задымлению многоэтажных зданий и практика тушения пожаров показывают, что существующая защита проемов (дверные полотна, остекление окон и др.) не обеспечивает защиту помещений от задымления даже на минимальный промежуток времени.

Большое значение на процесс задымления зданий и сооружений оказывает работа вентиляционных установок. Различный вид вентиляции по-разному оказывает влияние на процесс задымления объемов. Так подача воздуха приточной вентиляцией в помещение, где происходит горение, значительно ускоряет его задымление, увеличивает скорость распространения горения и опасность задымления соседних помещений. Работа приточной вентиляции по подаче воздуха в смежные с горящим помещения препятствует их задымлению, а в некоторых случаях и совершенно исключает проникновение дыма в эти помещения.

Забор воздуха вытяжной вентиляцией из горящего помещения снижает скорость задымления, увеличивает время образования зоны задымления, снижает плотность дыма в помещении, но способствует развитию пожара. Забор воздуха вытяжной вентиляцией из соседнего с горящим помещения способствует задымлению соседних помещений.

Зона горения, а также зоны теплового воздействия и задымления на каждом пожаре различны как по своим размерам, форме, так и по характеру протекания одних и тех же явлений. Параметров, характеризующих величину различных зон и интенсивность протекающих в них явлений очень много. В пожарной тактике наибольшее значение имеют те параметры пожара, которые определяют количество сил и средств, необходимых для тушения, и действия подразделений по тушению пожара.

Параметры пожара не постоянны и изменяются. во времени. Изменение их от начала возникновения пожара до ликвидации его называется развитием пожара.

К основным параметрам, характеризующим развитие пожара, относятся: площадь пожара, периметр пожара, высота пламени (пожары, газовых и нефтяных фонтанов), линейная скорость распространения пожара, скорость выгорания, температура пожара, интенсивность газообмена, интенсивность излучения, плотность задымления. Зная основные параметры пожара, можно найти другие величины, необходимые для расчета сил и средств на тушение, например скорость роста площади и периметра пожара, удельную теплоту пожара и т. д.

Если пожар не тушить, то его развитие происходит чаще всего следующим образом.

Пожар, возникший в какой-либо точке участка сгораемых материалов, начинает распространяться по территории участка. В начальный период распространение происходит сравнительно медленно, но по мере увеличения площади пожара возрастает тепловое излучение, усиливаются потоки газов, распространение пожара ускоряется. Когда весь участок сгораемых материалов, ограниченный более или менее значительными разрывами, оказывается охваченным огнем, распространение пожара приостанавливается. В дальнейшем, если огонь не в состоянии преодолеть разрывы, происходит выгорание материалов при неизменной площади пожара.

Подобный ход развития пожара наблюдается не всегда. Так, при пожаре жидкостей в резервуарах пожар почти мгновенно принимает определенные размеры и дальнейшее развитие его выражается не в росте площади, а в ряде других явлений, например в изменении скорости выгорания и интенсивности теплового излучения, в возникновении явлений вскипания и выброса. При пожарах газовых фонтанов зона горения мгновенно принимает максимальные размеры. Развитие пожара в этом случае выражается в нагревании и деформации прилегающих к фонтану конструкций, в разрушении устья скважины и связанным с этим изменением формы и размеров факела пламени, а также в других явлениях.

«Тепловое загрязнение» — Сброс тепловых отходов в окружающую среду, в результате чего происходит техногенное изменение температурного режима компонентов геосфер: Тепловое загрязнение водоемов Тепловое загрязнение атмосферы Тепловое загрязнение верхних слоев литосферы. Последствия вибрации: Изменение рельефа поверхности Снижение механической прочности пород Уплотнение пород Оползни и обвалы Проседание поверхности, образование полостей Разрушение фундаментов зданий и инженерных сооружений, коммуникаций Физиологическое действие: нарушение сердечной деятельности, расстройство нервной системы, спазмы сосудов, уменьшение подвижности суставов; при явлении резонанса – механическое повреждение органов вплоть до разрыва Беспокоящее и отпугивающее воздействие на животных.

«Тепловая машина» — Развитие энергетики является одной из важнейших предпосылок научно-технического прогресса. Шотландский инженер, механик и изобретатель, интересовался паром и конденсацией воды. Первый паровоз был сконструирован в 1803 г. английским изобретателем Ричардом Тревитиком. Машина Уатта. Реактивный двигатель.

«Тепловые двигатели КПД тепловых двигателей» — Модель теплового двигателя. Открой листок самоконтроля на рабочем столе. Потребляет часть полученного количества теплоты Q2. Реактивный двигатель. T1 – температура нагревания Т2 – температура холодильника. Тепловые двигатели. Воспитать чувство коллективизма при работе в группах. Воздушный транспорт.

«Тепловые пояса Земли» — А условное изображение поверхности Земли на плоскости называют … . 3. Половина земного шара. Леса. Северная Америка. Раз – подняться, потянуться. Отгадайте кроссворд. Два – согнуться, разогнуться. Почему Солнце неодинаково «любит» Землю? 6. Условная линия, идущая по поверхности Земли от одного полюса к другому.

«Тепловые явления» — Цели и задачи обучения физике. Ожидаемые результаты. Формы организации учебной деятельности. Репродуктивный Наглядно-иллюстративный Объяснительно-иллюстративный Частично-поисковый. Учебно- методический комплекс. Методическая разработка раздела «Тепловые явления» 8 класс. Образовательные технологии. Методы познания.

«Тепловые машины» — Домашнее задание. «Младший брат» — паровоз. Первый паровой автомобиль. Первые тепловые двигатели. Решающая роль. Какой вариант покупки экономически будет более выгодным? Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q, то.

Тематические материалы:

Обновлено: 30.04.2020

103583

Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter

Анализ методов теплового воздействия на призабойную зону скважин на месторождениях Жыланкабак и Жолдыбай Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

12 БУРЕНИЕ

6/Н (78) ноябрь 2008 г. ЭКСПОЗИЦИЯ

Нефть месторождений Жыланкабак и Жолдыбай является высоковязкой и при 20°С вязкость нефти составляет соответственно 381.62 мПа*с и 203.0 мПа*с. Плотность нефти в поверхностных условиях для месторождений Жыланкабак и Жолдыбай составляет соответственно 0. 913 т/м3 и 0.8933 т/м3.

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРИЗАБОЙНУЮ

ЗОНУ СКВАЖИН

НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ЖЫЛАНКАБАК И ЖОЛДЫБАЙ

М.А. ШАГЕЕВ А.Ф. ШАГЕЕВ Б.Я. МАРГУЛИС О.В. ЛУКЬЯНОВ А.И. ПАГУБА С.И. НАЗЫМОВ

ОАО «НИИнефтепромхим»

г. Казань

ТОО «Независимая экспертно-консалтинговая фирма Optimum» г. Актау, РК ТОО «Тандай Петролеум» г. Атырау, РК

Проблема разработки месторождений с высоковязкими тяжёлыми нефтями заключается в том, что естественные изотермические условия практически не обеспечивают необходимой подвижности этой нефти во время фильтрации по пласту и притока в скважины. Применение различных вытеснителей (холодная вода, воздух, газ и др.) в таком случае не даёт желаемого эффекта, т.к. вследствие высоких вязкостных соотношений происходит прорыв вытесняющих агентов и резко снижается эффективность разработки месторождений. Иногда при сверхвязких нефтях (100 мПа*с и более) затруднительно нагнетать рабочие агенты в пласт [1].

Месторождения Жыланкабак и Жол-дыбай были введены в разработку на режиме истощения с очень низким коэффициентом нефтеотдачи. Данные залежи можно рассматривать как потенциальные объекты для применения на них тепловых методов разработки. Так как на графиках зависимости видно, что при увеличении температуры нефти до 400С ее вязкость уменьшается до состоянии подвижности в пласте. Рассмотрим несколько способов тепловых методов обработки пласта.

ЭЛЕКТРОТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПЛАСТА

Наиболее простым и доступным способом создания повышенной температуры в призабойной зоне пласта является электропрогрев, который может осуществляться как циклически, так и стационарно.

Электропрогрев ПЗС не сопровождается внесением в пласт теплоносителя — воды или пара, конденсата, которые могут взаимодействовать с глинистыми компонентами пласта. Однако электропрогревом, вследствие малой теплопроводности горных пород, не удается прогреть более или менее значительную зону, и радиус изотермы с избыточной температурой 400С,

как показывают расчеты и исследования, едва достигает 1 м.

ПАРОТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА СКВАЖИН (ПТОС)

Одним из наиболее эффективных методов теплового воздействия на приза-бойную зону пласта является прогрев ее паром. Технология ПТОС — это периодическая закачка пара в ПЗС. Циклическая обработка состоит из чередования периодов подготовительных работ, закачки агента, пропитки и добычи нефти, ставшей более подвижной за счёт снижения вязкости.

• остаточная нефтенасыщенность пласта не менее 50%;

• плотность нефти в пластовых условиях не менее 900-930 кг/м ;

• не рекомендуется проведение ПТОС на заводненных участках залежи, если обводнённость добываемой продукции превышает 40-50%.

Известны портативные передвижные парогенераторные установки: ППГУ-4/120М, «Такума», KSK, работающие на дизельном топливе или баллонном газе. Номинальная производительность данных установок составляет соответственно

Данная технология нашла широкое распространение на месторождениях высоковязкой нефти США, используется она на месторождении Каражанбас на скважинах с обводнённостью до 30%.

Период обработки паром продолжается от нескольких дней до 10 недель. Для процесса требуется от 16,6 до 41,3 ккал на 1 м мощности пласта [4]. Количество циклов определяется типом коллектора, обычно на скважине проводится до 10-ти циклов, причём каждый последующий цикл требует большего количества пара для поддержания добычи на начальном уровне.

Условия получения благоприятных результатов при ПТОС [2]:

• глубина продуктивного пласта не более 1200 м;

• толщина пласта, сложенного песчаниками и глинами, не менее 15 м;

• вязкость нефти в пластовых условиях выше 50 мПа*с;

4 т/час, 8 т/час и 10 т/час при сухости пара 80-85%; давление на выходе из установки составляет 12 МПа, 10 МПа и 12 МПа [3].

Кроме того, существует стационарный парогенератор модели УПГ-50/60, работающий на попутном газе, имеющий номинальную паропроизводительность 50т/час при сухости пара 80%. Номинальные значения температуры и давления при выходе из котла составляют соответственно 2740С и 6 МПа.

Для осуществления ПТОС разработана устьевая арматура АП60-150, термостойкие пакеры, предназначенные для разобщения затрубного пространства, — ШТГМ-148-120-325 и ШТГМ-168-120-325, скважинные компенсаторы для компенсации температурного удлинения колонны НКТ — УТО-2000 и УТО-3500.

Паротепловое воздействие на пласт или призабойную зону скважин наиболее эффективно осуществлять в случае ►

ЭКСПОЗИЦИЯ 6/Н (78) ноябрь 2008 г.

БУРЕНИЕ 13

обводнённости пласта, не превышающей 40-50%. При этом высокая эффективность достигается, когда температура составляет 125-1500С. При более высокой обводнённости пласта призабойную зону скважины необходимо прогревать до более высокой температуры, чтобы резко уменьшить вязкость нефти в пласте и повысить её фазовую подвижность [1].

Согласно анализу текущих результатов разработки обводнённость добывающих скважин месторождений Жыланкабак и Жол-дыбай по состояниюна 01.01.08 г. составила соответственно 72,8% и 81,7%. В связи с чем метод ПТОС для месторождений Жыланка-бак и Жолдыбай не рекомендуется.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНУТРИСКВАЖИННОГО ТВЕРДОТОПЛИВНОГО НАГРЕВАТЕЛЯ

Одним из наиболее перспективных методов извлечения высоковязких битуминозных нефтей является глубокий прогрев призабойной зоны скважины с возможной последующей организацией внутрипласто-вого горения. Известно, что при высокотемпературном прогреве участков пласта протекают процессы крекинга, пиролиза и газификации тяжёлых нефтей.

Возможность интенсивного разогрева пласта с выделением большого количества тепла с одновременным образованием из продуктов горения газообразного СО2, а также деформирования битуминозных пород может быть обеспечено при использовании твердотопливного теплогазогенера-тора в качестве мощнейшего нагревателя.

В настоящее время «НИИнефтепром-хим» проводит работы по созданию устройства для теплового воздействия на пласт непосредственно внутри скважины. Это достигается использованием специального устройства, так называемого «твердотопливного нагревателя», который позволяет без особых энергозатрат и дополнительного оборудования воздействовать на пласт локально. В результате происходит снижение вязкости добываемой продукции и улучшение гидродинамических характеристик разработки залежей высоковязких нефтей.

Принцип действия «твердотопливного нагревателя» (ТТН) основан на сгорании специальных горючих смесей в контейнере, спущенном на забой скважины. В отличие от аккумуляторов давления для скважины (АДС), применяемых при осуществлении термогазохимического воздействия на пласт, скорость горения топлива в ТТН является регулируемой и протекает в течение длительного времени, что позволяет осуществлять равномерный прогрев ПЗС с заданной температурой. ■

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Н.К. Байбаков, А. Р. Гарушев «Тепловые методы разработки нефтяных месторождений». М: «Недра», 1988 г.

2. «Технология и техника методов повышения нефтнотдачи», Томский политехнический университет, Томск: 2003

3. «Эксплуатация нефтяных и газовых скважин»,-Учебник Томского политехнического Университета, Томск: 2002

4. Г.Л. Говорова «Разработка нефтяных месторождений США», М: «Недра», 1970 г

Температура, °С

Рис. 1 График зависимости вязкости нефти от температуры для месторождения Жолдыбай

Температура, 0С

Рис. 2 График зависимости вязкости нефти от температуры для месторождения Жыланкабак

Что такое зона теплового воздействия.

Зоны пожара. Параметры возможной зоны теплового воздействия

Достигает значений, вызывающих разрушающее воздействие на окружающие предметы и опасна для человека.

По определению, в зону теплового воздействия входит то расстояние, на котором температура воздуха и продуктов горения достигает отметки более 60-80 °С. Воздухообмен во время пожара активнее, нежели в спокойное время. Холодный и горячий воздух смешивается с продуктами горения. Этот процесс и заставляет его двигаться. Как уже было упомянуто выше, продукты горения, вместе с горячим воздухом поднимаются вверх, давая дорогу, более плотному, холодному воздуху. Который, в свою очередь, попадая в очаг возгорания, раздувает его ещё сильнее. Когда пожар происходит внутри здания, важным фактором его интенсивности является пространство, на котором распространяется пожар. Здесь важными вещами является расположение проёмов в стенах, межкомнатных перекрытий (в том числе и материалы, из которых они изготовлены). Высота помещения тоже играет важную роль, так же как состав и количество потенциально горящих предметов в этом помещении.

Понять в какую сторону будет распространяться пожар не так сложно, главное определить направление воздушних путей, вызванных пожаром. Горячий воздух может разносить искры , которые, в свою очередь образуют новый очаг возгорания, например, в зоне задымления . Так как остаются продукты неполного сгорания, они являются причинами газовых взрывов (во время взаимодействия с кислородом).

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Зона теплового воздействия» в других словарях:

зона теплового воздействия — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN thermally affected zoneTAZ …

Наивысшая из разрешённых энергетических зон электронов твердого тела, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты (см. Зонная теория). При Т>0 К образующиеся в валентной зоне дырки участвуют в электропроводности. Понятие… … Энциклопедический словарь

Агардакская офиолитовая зона, расположенная в южной Туве, в структурном отношении представляет собой шовную зону восток северо восточного простирания, разделяющую Таннуольскую островодужную систему ордовикского возраста (на северо западе) и… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Пространство (значения). Пространство, в котором развивается неконтролируемый процесс горения (пожар), вследствие которого причиняется материальный ущерб, вред жизни и здоровью людей, интересам… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Пожар (значения). Борьба с пожаром … Википедия

Heat-affected zone — Зона термического [теплового] воздействия … Краткий толковый словарь по полиграфии

термического влияния (в электроэрозионной обработке) — зона термического влияния Поверхностный слой металла электрода заготовки или электрода инструмента с измененными в результате теплового воздействия при электроэрозионной обработке структурой и свойствами [ГОСТ 25331 82] Тематики обработка… … Справочник технического переводчика

— (a. interbedding combustion; н. in situ Verbrennung, Flozbrand; ф. combustion in situ; и. combustion in situ, combustion en el interior de la capa) способ разработки нефт. м ний, основанный на экзотермич. окислит. реакциях углеводородов,… … Геологическая энциклопедия

Ов; мн. (ед. полупроводник, а; м.). Физ. Вещества, которые по электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Свойства полупроводников. Производство полупроводников. // Электрические приборы и устройства,… … Энциклопедический словарь

ГОСТ Р ЕН 12957-2007: Безопасность металлообрабатывающих станков. Станки электроэрозионные — Терминология ГОСТ Р ЕН 12957 2007: Безопасность металлообрабатывающих станков. Станки электроэрозионные: 3.3. автоматический режим (automatic mode): Использование системы числового программного управления (ЧПУ) для автоматического управления… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

В этом соотношении J min – минимальная интенсивность облучения, превышение которой приводит к возгоранию рассматриваемого объекта, Дж/м 2 ·c ; c 0 – коэффициент, численное значение которого в условиях обычных пожаров допускается принимать равным 3,4 ккал/м· 2 ·ч 4 или 3,96Дж/м 2 ·с· 4 ; T ф – температура факела пламени, K (см. табл. 12), величины y 1 , y 2 , F ф находятся согласно рекомендациям предыдущего параграфа.

Рис.12. Распределение температуры в теле конструкции при облучении

тепловым потоком

Видно, что максимальная температура имеет место на лицевой поверхности облучаемой конструкции.

Определение возможных мест возникновения пожара, которые определяются исходя из реальной обстановки на объекте и (или) требуется привлечение наибольшего количества сил и средств для его ликвидации

Возникновение пожара возможно:

На кухне, в обеденном зале.

В актовом зале, в спортивном зале и складе.

В кабинетах и комнатах.

Вследствие перегрузок, коротких замыканий электропроводки, неосторожное обращение с огнем и других причин.

Пути возможного распространения огня

Преобладающим направлением распространения пожара можно считать горизонтальное направление. По коридорам и внутри конструкций с воздушными прослойками, а также через различные отверстия в стенах и перекрытиях, по вентиляционным каналам.

Степень угрозы жизни и здоровью людям

В реальных условиях пожара основными факторами, вызывающими потерю сознания или смерть людей, являются: прямой контакт с пламенем, высокая температура, недостаток кислорода, наличие в дыму окиси углерода и других токсичных веществ, механические воздействия. Наиболее опасны недостаток кислорода и наличие токсичных веществ, т.к. около 50 — 60% смертей при пожарах происходит от отравления и удушья.

Опыт показывает, что в закрытых помещениях снижение концентрации кислорода в отдельных случаях возможно по истечении 1 — 2 мин. с начала возникновения пожара.

Особую опасность для жизни людей на пожарах представляет воздействие на их организм дымовых газов, содержащих токсичные продукты горения и разложения различных веществ и материалов. Так, концентрация окиси углерода в дыме в количестве 0,05% является опасной для жизни людей.

В некоторых случаях дымовые газы содержат сернистый газ, окислы азота, синильную кислоту и другие токсичные вещества, кратковременное воздействие которых на организм человека даже в небольших концентрациях (сернистый газ 0,05; окислы азота 0,025%; синильная кислота 0,2%) приводит к смертельному исходу.

Чрезвычайно высока потенциальная опасность для жизни человека продуктов горения синтетических полимерных материалов.

Опасные концентрации могут образоваться даже при термическом окислении и разрушении небольших количеств синтетических полимерных материалов.

С учетом того, что синтетические полимерные материалы составляют в современных помещениях более 50% всех материалов, нетрудно заметить, какую опасность они представляют для людей в условиях пожара.

Опасно для жизни людей также воздействие на них высокой температуры продуктов горения не только в горящем, но и в смежных с горящим помещениях. Превышение температуры нагретых газов над температурой человеческого тела в таких условиях приводит к тепловому удару. Уже при повышении температуры кожи человека до 42 — 46 °С появляются болевые ощущения (жжение). Температура же окружающей среды 60 — 70 °С является опасной для жизни человека, особенно при значительной влажности и вдыхании горячих газов, а при температуре выше 100°С происходит потеря сознания и через несколько минут наступает смерть.

Не менее опасной, чем высокая температура, является воздействие теплового излучения на открытые поверхности тела человека.

Так тепловое облучение интенсивностью 1,1 — 1,4 кВт/м 2 вызывает у человека те же ощущения, что и температура 42 — 46 °С.

Критической же интенсивностью облучения считают интенсивность, равную 4,2 кВт/м 2 .

Еще большей опасности подвергаются люди при непосредственном воздействии пламени, например, когда огнем отрезаны пути спасения. В некоторых случаях скорость распространения пожара может оказаться настолько высокой, что застигнутого пожаром человека спасти очень трудно или невозможно без специальной защиты (орошение водой, защитная одежда). К серьезным последствия приводит и загорание одежды на человеке. Если своевременно не сбить пламя с одежды, то человек может получить ожоги, которые обычно вызывают смерть.

Наконец, большой опасностью при пожаре является паника, представляющая собой внезапный, безотчетный, неудержимый страх, овладевающий массой людей. Она возникает от неожиданно появившейся опасности. Люди сразу ставятся перед лицом грозной стихии, сознание и воля подавляются впечатлением от пожара, невозможностью сразу же найти выход из создавшегося положения.

Места возможных обрушений строительных

конструкций и оборудования

Обрушения строительных конструкций возможно в случаи длительного воздействия на них прямого источника огня, учитывая минимальный предел огнестойкости строительных конструкций, расположенных в зданиях степени огнестойкости. Для перекрытий составляет 35 минут, а время подачи стволов, для осуществления охлаждающих и защитных действий составит более 10 минут, в случаи возникновения возгорания на данном объекте тем самым можно избежать обрушения перекрытий устроенных в данном здании.

Возможные зоны задымления и прогнозируемая

концентрация продуктов горения

Из-за возникновения мощных конвективных потоков в зону задымления попадут помещения, смежные с тем, в котором произошел пожар. Вероятна плотная концентрация продуктов горения.

Параметры возможной зоны теплового воздействия

Зона теплового воздействия будет примыкать к зоне горения, а также проходить на путях движения разогретых газовых потоков продуктов горения.

Возможные параметры пожара

При возникновении пожара в одном из помещений, к моменту прибытия первых пожарных подразделений они частично или полностью будут охвачены огнем с угрозой распространения на смежные помещения.

Соотношение (3.12) используется как для определения интенсивности облучения J * на различных расстояниях от горящего объекта͵ так и для нахождения безопасных в противопожарном отношении расстояний между зданиями, сооружениями (противопожарных разрывов) и определения зоны теплового воздействия.

В этом соотношении J min – минимальная интенсивность облучения, превышение которой приводит к возгоранию рассматриваемого объекта͵ Дж/м 2 ·c ; c 0 – коэффициент, численное значение которого в условиях обычных пожаров допускается принимать равным 3,4 ккал/м· 2 ·ч 4 или 3,96Дж/м 2 ·с· 4 ; T ф – температура факела пламени, K (см. табл. 12), величины y 1 , y 2 , F ф находятся согласно рекомендациям предыдущего параграфа.

Расчёт температуры T п опирается на решение задачи о распространении тепла по нагреваемой конструкции, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ замыкается экспериментальными данными.

где T – температура, t –время, x – координата͵ – коэффициент температуропроводности, l — коэффициент теплопроводности, c p — теплоёмкость материала при постоянном давлении, r — плотность материала.

Рис.12. Распределение температуры в теле конструкции при облучении

тепловым потоком

Видно, что максимальная температура имеет место на лицевой поверхности облучаемой конструкции.

В приближенных расчетах при облучении сосновой древесины, фанеры, бумаги, плит ДВП, ДСП, хлопка, резины, бензина, керосина, мазута͵ нефти допускается принимать T п =513K .

Значения J min для твердых материалов в зависимости от продолжительности пожара, ᴛ.ᴇ. продолжительности облучения, приведены в табл.13, для легковоспламеняющихся и горючих жидкостей – в табл.14.

Математическое моделирование силового и теплового воздействия на призабойную зону нефтеносного пласта твердотопливными газогенераторами.

Please use this identifier to cite or link to this item: http://earchive. tpu.ru/handle/11683/28184

Title:	Математическое моделирование силового и теплового воздействия на призабойную зону нефтеносного пласта твердотопливными газогенераторами.
Authors:	Матузов, Данил Евгеньевич
metadata.dc.contributor.advisor:	Голдаев, Сергей Васильевич
Keywords:	скважина; силовое и тепловое воздействие; призабойная зона; математическое моделирование; газогенераторы; math modeling; gas producer; well; power and thermal influence; bottomhole zone
Issue Date:	2016
Citation:	Матузов Д. Е. Математическое моделирование силового и теплового воздействия на призабойную зону нефтеносного пласта твердотопливными газогенераторами. : дипломный проект / Д. Е. Матузов ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), Энергетический институт (ЭНИН), Кафедра теоретической и промышленной теплотехники (ТПТ) ; науч. рук. С. В. Голдаев. — Томск, 2016.
Abstract:	Объектом исследования является призабойная зона нефтеносного пласта скважины. Цель работы – выявление преимуществ газогенераторов различного конструктивного исполнения и определение безопасной глубины проведения обработки скважины путем моделирования процессов силового и теплового воздействия на призабойную зону нефтеносного пласта. Проведено математическое моделирование процессов горения топлива в скважине, заполненной водой при различных глубинах погружения и конструктивных особенностях генераторов. В результате исследования были получены зависимости давления и температуры, создаваемых в скважине от глубины погружения и конструктивных свойств газогенераторов. Степень внедрения: результаты внедрены в учебный процесс. Область применения: различные месторождения и объекты добычи нефти The object of the research is bottom-hole zone of oil-bearing reservoir wells. Purpose — to identify the advantages of gas generators of various design and definition of a safe depth of the well treatment by simulation of the power and thermal effect on the bottom zone of oil-bearing formation. Mathematical modeling of processes of burning fuel in a well filled with water at different depths of immersion and structural features of the generators. The study was prepared according to the pressure and temperature generated in the well of the depth of immersion and the structural properties of the gas generators. Degree of implementation: the results implemented in the educational process. Scope: Various fields and oil production facilities
URI:	http://earchive.tpu.ru/handle/11683/28184
Appears in Collections:	Выпускные квалификационные работы (ВКР)

Что такое зона теплового воздействия. Развития пожара и его зоны. Возможные зоны задымления и прогнозируемая

Достигает значений, вызывающих разрушающее воздействие на окружающие предметы и опасна для человека.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Зона теплового воздействия» в других словарях:

У этого термина существуют и другие значения, см. Пожар (значения). Борьба с пожаром … Википедия

Heat-affected zone — Зона термического [теплового] воздействия … Краткий толковый словарь по полиграфии

Пространство, в котором развивается пожар, можно условно разделить на три зоны:

зону горения;

зону теплового воздействия;

зону задымления.

Рис. 2. Зоны пожара.

1 – зона горения; 2 – зона теплового воздействия; 3 – зона задымления; 4 – горючее вещество.

Зона теплового воздействия – часть, примыкающая к зоне горения. В этой части происходит процесс теплообмена между поверхностью пламени и окружающими строительными конструкциями, материалами. Передача тепла осуществляется конвекцией, излучением, теплопроводностью. Границы зоны проходят там, где тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов, конструкций и создает невозможные условия для пребывания людей без средств тепловой защиты.

Вывод по 2 вопросу:

Зоне теплового воздействия;

Зоне задымления.

Преподаватель отвечает на вопросы обучаемых.

Безопасная температура не более 60-70 0 С или лучистый тепловой поток не более 3500Вт/м 2 .

Зона задымления

Зона задымления может включать в себя всю зону теплового воздействия и значительно превышать ее.

Определение возможных мест возникновения пожара, которые определяются исходя из реальной обстановки на объекте и (или) требуется привлечение наибольшего количества сил и средств для его ликвидации

Возникновение пожара возможно:

На кухне, в обеденном зале.

В актовом зале, в спортивном зале и складе.

В кабинетах и комнатах.

Вследствие перегрузок, коротких замыканий электропроводки, неосторожное обращение с огнем и других причин.

Пути возможного распространения огня

Степень угрозы жизни и здоровью людям

Критической же интенсивностью облучения считают интенсивность, равную 4,2 кВт/м 2 .

Места возможных обрушений строительных

конструкций и оборудования

Возможные зоны задымления и прогнозируемая

концентрация продуктов горения

Параметры возможной зоны теплового воздействия

Возможные параметры пожара

404 Not Found

Университет
- Советы ТГУ
  - Ученый совет ТГУ
    - Комиссии ученого совета
    - Открытый междисциплинарный научный семинар
    - Решения ученого совета
    - Вопросы, рассматриваемые ученым советом
      - О создании, ликвидации, объединении и преобразовании структурных подразделений
      - О переименовании структурных подразделений НИ ТГУ
      - О выдвижении НИ ТГУ работы на соискание премии Правительства РФ
      - Об утверждении положений
      - О выдвижении НИ ТГУ кандидатов в член-корреспонденты/академики РАН
      - О принятии локальных нормативных актов по основным вопросам организации и осуществления образовательной деятельности
      - Об ежегодном определении на начало учебного года норм времени по видам учебной деятельности, включаемым в учебную нагрузку профессорско-преподавательского состава ТГУ
      - О присуждении ученой степени PhD TSU
      - О принятии образовательных стандартов, устанавливаемых ТГУ самостоятельно
      - О выдаче лицам, успешно прошедшим государственную итоговую аттестацию, документов об образовании и о квалификации, образцы которых самостоятельно устанавливаются ТГУ
      - О разработке и утверждении образовательных программ, реализуемых в ТГУ, если иное не установлено законодательством РФ об образовании
      - Об утверждении председателей государственных экзаменационных комиссий (ГЭК)
      - Об утверждении стоимости обучения на договорной основе
      - О поддержке представления/ходатайства к присвоению Почетного звания «Заслуженный деятель науки Российской Федерации»/ «Заслуженный деятель науки Республики Карелия» и т. п.
      - О представлении работников ТГУ к награждению государственными наградами Российской Федерации и присвоении им почетных званий
      - Присуждение почетных званий Университета на основании положений, утверждаемых ученым советом Университета
      - О выдвижении студентов и аспирантов на стипендии Президента РФ и стипендии Правительства РФ, а также именные стипендии и стипендия «Oxford Russia Fund»
      - Об утверждении тем докторских диссертаций
    - Ученые советы факультетов (институтов)
    - Почетные звания Томского университета
    - Ректорат университета о деятельности ТГУ
    - Конкурс на соискание премии ТГУ
    - Конкурс «Человек года»
    - Выборы ученого совета 2020 г.
    - Награждения на ученом совете
    - Состав ученого совета
    - Состав президиума ученого совета
    - О представлении к присвоению ученого звания
    - План работы ученого совета
    - Lecture G.I. Petrova
    - Порядок избрания по конкурсу на должности ППС в ТГУ
    - Памятка
  - Наблюдательный совет
  - Международный академический совет
  - Совет промышленных партнеров
- Структура университета
- Культура, искусство, творчество
- Спорт и здоровье
- Карта ресурсов ТГУ
- Социальная поддержка
- Возможности кампуса
- Наш Университет
- Экскурсионно-музейный комплекс
- Отчетные материалы
- Противодействие коррупции
- Прием обращений граждан
- Миссия ТГУ
- Ректорат
- Приветствие ректора
- Кадровый состав
- Вакансии
- Студенческая биржа труда Uniprofi
- Международное сотрудничество
- Календарь событий
- Сведения о доходах
- Ректор ТГУ
- Достижения, победы
- Университет в рейтингах
- Сотрудникам
- Партнерам
- Поступающим в ТГУ
- Противодействие идеологии терроризма
- Политика в отношении обработки персональных данных в НИ ТГУ
Образование
Наука
Сведения об образовательной организации
Медиа
Новости
Справочная информация
Главная страница

О численном моделировании теплового воздействия на призабойную зону пласта | Гамзаев

1. Сучков Б. М. Температурные режимы работающих скважин и тепловые методы добычи нефти. М. : ИКИ, 2007. 406 с.

2. Басниев К. С., Власов А. М., Кочина И. Н., Максимов В. М. Подземная гидравлика. М. : Недра, 1986. 303 с.

3. Бурже Ж., Сурко П., Комбаржу М. Термические методы повышения нефтеотдачи пластов. М. : Недра, 1988. 424 с.

4. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М. : Едиториал УРСС, 2003. 758 с.

5. Гамзаев Х. М. Численное решение задачи ненасыщенной фильтрации с подвижной границей // Электрон. моделирование. 2015. Т. 37. № 1. С. 15–24.

6. Иванчов Н. И., Побыривска Н. В. Об определении двух зависящих от времени коэффициентов в параболическом уравнении // Сиб. матем. журн. 2002. № 43:2. С. 406–413.

7. Камынин В. Л. Обратная задача определения младшего коэффициента в параболическом уравнении при условии интегрального наблюдения // Матем. заметки. 2013. Т. 94. Вып. 2. С. 207–2175.

8. Костин А. Б. Восстановление коэффициента перед u t в уравнении теплопроводности по условию нелокального наблюдения по времени // Журн. вычислит. математики и матем. физики. 2015. Т. 55. № 1. С. 89–104.

9. Кожанов А. И. Параболические уравнения с неизвестными коэффициентами, зависящими от времени // Журн. вычислит. математики и матем. физики. 2017. № 6. С. 961–972.

10. Yang L., Yu J.-N., Deng Z.-Ch. An inverse problem of identifying the coefficient of parabolic equation // Applied Mathematical Modelling. 2008. V. 32. Is. 10. P. 1984–1995.

11. Kerimov N. B., Ismailov M. I. An inverse coefficient problem for the heat equation in the case of nonlocal boundary conditions // Journal of Mathematical Analysis and Applications. 2012. V. 396. Is. 2. P. 546–554.

12. Гамзаев Х. М. Численный метод решения коэффициентной обратной задачи для уравнения диффузии – конвекции – реакции // Вестн. Томск. гос. ун-та. Математика и механика. 2017. № 50. С. 67–78.

Зона термического влияния — обзор

5 НК материалов

Вариации термической обработки, например, в зоне термического влияния сварного шва или закаленной пластине из алюминиевого сплава, могут привести к значительным изменениям механических свойств и, следовательно, материала спектакль. Знание микроструктурных вариаций в компоненте очень важно для обеспечения желаемого качества и эксплуатационных характеристик. Традиционно микроструктуры исследуются методами микроскопии, имеющими деструктивный характер.Благодаря последним разработкам ультразвуковых и магнитных методов неразрушающего контроля стало возможным исследование микроструктурной адекватности или деградации. Эти методы рассматриваются для оценки повреждений, оценки срока службы и продления срока службы стареющих установок и компонентов, в частности, для непрерывной эксплуатации компонентов, находящихся в неприемлемых условиях эксплуатации во время сбоя системы или в аварийных условиях.

Вариации процесса, которые приводят к таким изменениям, как химический состав, размер зерна, текстура, фазы или другие неоднородности, часто могут быть обнаружены методами неразрушающего контроля, такими как ультразвуковые, вихретоковые, магнитные методы (только для ферромагнитных материалов) и рентгеновская флуоресценция , в зависимости от материала и ситуации. Различные микроструктурные особенности, такие как границы зерен, выделения, напряжения и т. Д., Влияют на зарождение и движение магнитных доменных стенок в MBN. Таким образом, метод MBN находит применение в нескольких областях, включая микроструктуру, определение характеристик термической обработки сварных соединений после сварки и измерение остаточных напряжений. Помимо ультразвуковых методов, магнитные методы являются потенциальными методами оценки микроструктурной деградации.

Аналогичным образом, знание остаточных напряжений в компоненте важно для надежной оценки структурной целостности (см. NDT для измерения напряжений в компонентах ).Остаточные напряжения — это система напряжений, которые существуют в материале или компоненте, когда они не подвержены внешним нагрузкам. Производственные процессы являются наиболее частой причиной остаточного напряжения. В некоторых случаях остаточное напряжение может также возникать на более позднем этапе срока службы конструкции во время установки, сборки или эксплуатации. В то время как растягивающие остаточные напряжения, как правило, вредны, увеличивая восприимчивость компонента к отказам из-за таких причин, как усталость и коррозия под напряжением, сжимающие остаточные напряжения обычно полезны, поскольку имеют тенденцию к снижению вышеуказанной восприимчивости.Сегодня доступны хорошо зарекомендовавшие себя методы / процедуры неразрушающего контроля для обнаружения и оценки остаточных напряжений в компонентах.

При неразрушающем контроле композитов возникают проблемы из-за анизотропии. Были разработаны методы, основанные на макро- и микро-ультразвуковом сканировании, томографии с низким энергопотреблением, цифровой рентгеновской визуализации и микроволновом диапазоне миллиметрового диапазона. Их успех заключается в обходе шума путем адаптации и разработки новых подходов к анализу сигналов и визуализации.

НК конструкционной керамики требует очень строгого определения характеристик поверхностных, подповерхностных и объемных дефектов.Размер дефектов, которые необходимо устранить и оценить, находится в диапазоне 15–30 мкм. Микротомография, акустическая микроскопия (см. «Методы неразрушающего контроля: акустическая микроскопия и голография» ) и лазерное рассеяние — вот некоторые из методов, которые продемонстрировали возможность согласования для высокотехнологичных применений этих материалов.

НК сварных швов и отливок из аустенитной нержавеющей стали затруднен из-за анизотропной зернистой структуры (дендритов), которая вызывает перекос, искажение и расхождение ультразвукового луча.Использование продольных волн, электромагнитно-акустического преобразователя (ЭМАП), генерирующего поперечные горизонтальные волны, и процедуры, в которых используются методы обработки сигналов, открыли новые возможности (см. NDT Techniques: Ultrasonic ).

Важность зоны теплового воздействия (HAZ)

При сварке в сварочной дуге выделяется достаточно тепла, чтобы расплавить присадочный металл и основной материал. Или просто основной материал свариваем автогенно (как в GTAW без присадки). Края основного материала плавятся и соединяются с присадочным металлом, образуя так называемую композитную зону.Он называется композитным, потому что он представляет собой композицию из основного (-ых) материала (-ов) и присадочного металла, как показано на изображении ниже.

Зона термического влияния (HAZ) — это область, прилегающая к сварному шву, которая была нагрета достаточно сильно, чтобы повлиять на ее микроструктуру, но недостаточно, чтобы расплавить ее. Из-за микроструктурных изменений ЗТВ имеет другие механические и физические свойства, чем сварной шов и прилегающий основной металл. Эти изменения могут быть значительными и даже вызвать отказ в виде разрушения, коррозии или других проблем.

Основной материал и термический цикл (нагрев и охлаждение в результате сварки), а также любая термообработка после сварки (PWHT) являются определяющими факторами в изменении HAZ. Существуют различные потенциальные проблемы с ЗТВ в зависимости от того, выполняете ли вы сварку мягкой стали, углеродистой стали со средним и высоким содержанием углерода, алюминия, нержавеющей стали или других основных материалов.

Чтобы объяснить важность ЗТВ, мы сосредоточимся на углеродистой стали. На изображении ниже четко показана составная зона с окружающей ее ЗТВ.ЗТВ — это более темный оттенок вокруг сварного шва, а неизмененный основной материал — более светлый цвет, прилегающий к ЗТВ.

Проблема со сталью заключается в том, что при достаточно высокой скорости охлаждения образуется мартенсит. Мартенсит — твердый и очень хрупкий твердый раствор углерода в железе. В некоторых случаях это желательно, потому что оно чрезвычайно твердое, но в то же время может иметь низкую пластичность. Так что он хорош для инструментов, но не так хорош для конструкционной стали.

Чем выше скорость охлаждения, тем больше образуется мартенсита.Поэтому, чтобы избежать или хотя бы уменьшить мартенсит, нам нужно снизить скорость охлаждения. Вот почему мы используем предварительный нагрев при сварке толстых стальных профилей (независимо от содержания углерода) или средне- и высокоуглеродистых сталей (например, 4140 или 4340).

Опасность возникновения хрупкой ЗТВ в стали заключается в склонности к водородному растрескиванию (HIC). Эта хрупкая микроструктура разрушается под давлением водорода, который диффундирует из сварного шва и HAZ. Это опасно, потому что в отличие от горячего растрескивания, которое происходит сразу после сварки, большинство холодных трещин (как в случае растрескивания под воздействием водорода) возникают только через несколько часов после охлаждения детали.Вот почему надлежащие процедуры сварки требуют проверки сварных швов, подверженных HIC, через 48 часов после завершения сварки.

Таким образом, учитывая, что ЗТВ подвержена всем этим проблемам, логично, что ее минимизация только поможет. Вот почему для некоторых стальных сварных деталей необходима послесварочная термообработка (PWHT). А адекватная PWHT будет повторно нагревать деталь, которая была сварена до определенной температуры, чтобы избавиться от мартенсита, а затем охлаждать с очень медленной и контролируемой скоростью, чтобы избежать ее реформинга, таким образом, в конечном итоге охлаждая деталь до комнатной температуры без образования мартенсита. обнаружен в сварном шве или в ЗТВ.

Другими альтернативами являются процедуры сварки, сводящие к минимуму ЗТВ. Вы также можете использовать другие процессы, которые минимизируют его, например, лазерную сварку. Сварка с помощью лазера дает чрезвычайно малую зону термического влияния, уменьшая таким образом проблемы, связанные с зоной термического влияния.

У других типов недрагоценных металлов, таких как алюминий, есть свои проблемы. В сварных швах алюминия зона термического влияния всегда является самым слабым местом сварного шва. На изображении ниже показана прочность на разрыв основного алюминия вдали от сварного шва.Как вы можете видеть, сила падает, когда мы попадаем в ЗТВ, а затем снова повышается, когда мы снова оказываемся в чистом, неповрежденном базовом материале.

Это противоположно стали, где ЗТВ может стать чрезвычайно твердой и иметь очень высокий предел прочности на разрыв. Противоположные условия, но ни одно из них не обязательно. Четкое понимание основного материала, который вы свариваете, и того, как тепловложение, скорость охлаждения и другие важные факторы влияют на HAZ, имеет решающее значение для предотвращения отказа.

Артикул:

Металлы и способы их сварки — Теодор Джефферсон, Gorham Woods

Сварка, металлургия и свариваемость, Джон К. Липпольд

AWS D1.1 / D1.1M: 2015 Кодекс структурной сварки — сталь

Как сварка влияет на ЗТВ сварного шва?

Q — Работаю со сварными алюминиевыми конструкциями из разных марок и конструкций из сплавов. Я также работаю как с термически обрабатываемыми, так и с нетермообрабатываемыми сплавами.Хотелось бы узнать, как дуговая сварка этих сплавов влияет на прочность зоны термического влияния сварного шва.

A — Чтобы оценить влияние дуговой сварки на зоны термического влияния различных алюминиевых сплавов, необходима оценка того, как эти сплавы приобретают свою прочность, и возможность изменения прочности после сварки.

Есть семь серий алюминиевых сплавов. Каждый из них обозначается первичным легирующим элементом, используемым для производства этого конкретного типа материала. Кроме того, мы можем разделить семь серий алюминиевых сплавов на категории с термической обработкой и без термической обработки:

Элемент первичного легирования серии

1xxx Алюминий — 99,00% или более (без термической обработки)

2xxx Медь (термообрабатываемая)

3xxx Марганец (без термической обработки)

4xxx Кремний (без термической обработки)

5xxx Магний (без термической обработки)

6xxx Магний и кремний (термообработанные)

7xxx Цинк (термообрабатываемый)

Добавление легирующих элементов в алюминий является основным методом, используемым для производства множества различных материалов, которые можно использовать в самых разных областях применения.Основная причина добавления первичных легирующих элементов состоит в том, чтобы способствовать улучшению физических и / или механических характеристик сплавов. Обычно добавление первичных легирующих элементов к алюминию обеспечивает улучшение характеристик деформационного упрочнения и / или дисперсионного твердения.

Как алюминиевые сплавы получают прочность:

Деформационная закалка

Деформационное упрочнение — важный процесс, используемый для повышения прочности материалов, которые не могут быть упрочнены термической обработкой.Его можно применять как к термически обрабатываемым, так и к нетермообрабатываемым серийным материалам, но он широко используется для получения деформационно-упрочненных припоев в нетермообработанных алюминиевых сплавах. Этот процесс включает изменение формы, вызванное подводом механической энергии. По мере деформации материал становится прочнее, но тверже и менее пластичен. Состояние после деформационного упрочнения полностью твердого материала –h28, например, обычно достигается холодной обработкой, равной примерно 75% уменьшению площади.Температуры -h26, -h24 и -h22 достигаются при меньшем количестве холодной обработки, и они представляют собой три четверти жесткости, полутвердости и четверти жесткости соответственно. Важно понимать, что полное влияние деформационного упрочнения на нетермообрабатываемый сплав может быть устранено путем нагревания основного материала до температуры отжига в течение очень короткого периода времени.

Закалка с осадками

Второй метод упрочнения алюминия — это дисперсионная термообработка, которой предшествует термообработка на твердый раствор.Термообработка в растворе достигается путем нагревания материала до подходящей температуры, выдерживания при этой температуре в течение достаточно длительного времени, чтобы компоненты могли перейти в твердый раствор, а затем быстрого охлаждения для удержания компонентов в растворе. За этим процессом обычно следует дисперсионное твердение или то, что также называется искусственным старением, которое достигается повторным нагревом сплава до более низкой температуры и выдержкой его при этой температуре в течение определенного времени. Результатом этих термических обработок является создание внутри материала металлургической структуры, которая обеспечивает превосходную прочность на разрыв. Если во время процедуры искусственного старения материал выдерживается при температуре слишком долго или используемая температура слишком высока, материал может стареть, что приведет к снижению прочности на разрыв. Важно понимать, что процесс дисперсионного твердения зависит как от времени, так и от температуры. Этот метод упрочнения применяется только к термообрабатываемым алюминиевым сплавам.

Влияние дуговой сварки на зону термического влияния

Для выполнения сварного соединения алюминиевой конструкции с использованием процесса дуговой сварки основной материал должен быть расплавлен.В процессе плавления тепло передается за счет теплопроводности основному материалу, прилегающему к сварному шву. Обычно завершенный сварной шов можно разделить на три отдельные области: металл шва, зона термического влияния, прилегающая к сварному шву, и основной материал за пределами ЗТВ, на который не повлияла операция сварки. При дуговой сварке материалов, которые были упрочнены деформационным или дисперсионным упрочнением, поскольку в ЗТВ во время операции сварки будут происходить циклы нагрева и охлаждения, ее свойства изменятся и могут сильно отличаться от свойств исходного основного сплава и не подвергшегося воздействию площадь основного материала (см. рис.1)

Нетермообрабатываемые сплавы

Что важно с точки зрения ЗТВ, так это то, что нетермообработанные алюминиевые сплавы, упрочненные деформационным упрочнением, могут быть восстановлены до полностью мягкого, пластичного состояния путем отжига.Отжиг устраняет деформационное упрочнение, а также микроструктуру, возникающую в результате холодной обработки. Нагрева ЗТВ, который происходит во время операции дуговой сварки, достаточно для отжига основного материала в зоне ЗТВ. По этой причине минимальные требования к пределу прочности при растяжении для свариваемых нетермообрабатываемых сплавов, независимо от исходного состояния наклепа, основаны на прочности основного сплава после отжига. Типичные значения прочности на растяжение нетермообрабатываемых сплавов в отпущенном состоянии и после сварки показаны в таблице 1.

Термообрабатываемые сплавы

В случае термически обрабатываемых сплавов ЗТВ обычно не отжигается полностью. ЗТВ будет испытывать самые разные температуры, как показано на рис. 1. Время при этих температурах и скорость охлаждения до комнатной температуры будут определять количество отжига, которое действительно имеет место в ЗТВ. Это не означает, что не произойдет снижения прочности в ЗТВ. Влияние на ЗТВ термообрабатываемого сплава, свариваемого в условиях термообработки на твердый раствор и искусственного старения (Т-6), обычно бывает частично отожженным и чрезмерно состаренным.На это состояние может существенно повлиять тепловложение во время операции сварки. Общее правило: чем выше погонная энергия, тем ниже прочность сварного шва. Типичные значения прочности на растяжение некоторых термически обрабатываемых сплавов в их состоянии и после сварки показаны в таблице 2.

Сводка

В зависимости от конкретного типа алюминиевого сплава и его состояния может быть значительная разница между пределом прочности на разрыв в ЗТВ и пределом прочности на разрыв неповрежденной области сварного компонента. Снижение предела прочности ЗТВ при растяжении в контролируемых условиях, особенно с нетермообрабатываемыми сплавами, можно отчасти предсказать. Снижение предела прочности при растяжении в HAZ в термообрабатываемых сплавах больше зависит от условий сварки и может быть уменьшено ниже требуемого минимального требования, если во время операции сварки происходит чрезмерный нагрев.

Таблица 1

Типичные характеристики прочности на разрыв швов с разделкой кромок

Нетермообрабатываемые сплавы

Базовый сплав и закалка	Базовый сплав Прочность на растяжение — тыс. Фунтов на квадратный дюйм	После сварки Предел прочности на разрыв — тыс. Фунтов на квадратный дюйм
1050-h28	19	10
5052-h42	33	27
5052-h49	42	27
5086-h44	47	38
5086-h48	53	38
5083-h216	46	43
3003-h44	35	16
3004-h48	41	24

Таблица 2

Типичные характеристики прочности на разрыв швов с разделкой кромок

Термообрабатываемые сплавы

Базовый сплав и закалка	Предел прочности при растяжении базового сплава — тыс. Фунтов на квадратный дюйм	Предел прочности на растяжение после сварки — тыс. Фунтов на квадратный дюйм
6063-T6	31	19
6061-T6	45	27
6061-T4	35	27
2219-T81	66	35
2014-T6	70	34
7005-T53	57	43

Устранение зоны теплового воздействия

Тепло — это передача энергии из одного места в другое.Сколько и как быстро передается энергия, определяется свойствами материала: теплопроводностью, температуропроводностью и т. Д. Как правило, металлы обладают более высоким тепловыделением, чем такие диэлектрики, как стекло. При разработке инструмента для лазерной микрообработки инженеры должны учитывать, как минимизировать это тепловое распространение, поскольку оно приводит к побочным повреждениям и снижает точность обработки. В отраслях лазерной обработки это распространение тепла характеризуется зоной термического влияния (HAZ).

Что такое зона теплового воздействия?

Зона термического влияния создает микроструктурные изменения в обширной среде выделения энергии.Зоны термического влияния можно найти и без лазера.

Давайте возьмем газовую горелку на кислородном топливе, используемую для резки стали, которая режет сталь, непрерывно нагревая заготовку до плавления. Нарезанные части будут иметь повторно отлитый материал неправильной формы в зонах термического влияния. В основном это происходит из-за недостаточного контроля энергии, выделяемой горелкой. В идеале вся энергия расходуется исключительно на плавление срезов. Однако без тщательного проектирования трата энергии на создание зоны термического влияния неизбежна.Может быть даже невозможно устранить зону термического влияния при применении кислородного пламени.

Есть ли способ устранить эту зону термического влияния и добиться необходимого качества и точности реза?

Зона термического влияния при лазерной обработке

Известно, что лазерная обработка материалов обеспечивает гораздо лучший контроль зоны термического влияния, чем традиционные нелазерные технологии. Лазер стал не только рабочей лошадкой, но и вспомогательным средством, особенно в отраслях микрообработки.Непрерывный (CW) или импульсный лазер в милли- и наносекундах уже давно нашел широкое применение в промышленности, но, в частности, импульсные лазеры расширили сферу своей деятельности. Это связано с тем, что инженеры имеют гораздо лучший контроль над выделением энергии, что позволяет уменьшить образование зон термического влияния.

Более того, исходя из механизмов лазерной абляции, становится ясно, что существенная управляемость зоны термического влияния заключается во времени лазерного взаимодействия.Идея состоит в том, чтобы быстро выделить достаточно энергии для процессов (плавления, сварки или абляции) до того, как диффузия тепла станет преобладающей.

Подробные сведения о лазерной абляции за чрезвычайно короткий промежуток времени см. В нашем предыдущем блоге: что на самом деле означает холодная абляция?

Фемтосекундная лазерная микрообработка использует чрезвычайно короткие (10 ^-15 секунд) лазерные импульсы для быстрой передачи большого количества энергии в лазерное пятно. Это самый короткий коммерчески доступный лазерный импульс — важное свойство для успешного снижения этого теплового накопления.Высокая ограниченность лазерной энергии может быть эффективно использована для абляции без накопления тепла в материале, что исключает зону термического влияния. Фемтосекундные результаты наглядно продемонстрировали лучшую точность и качество среди лазерных станков. Таким образом, когда дело доходит до контроля зоны термического влияния, фемтосекундный лазер является наиболее точным инструментом, доступным в настоящее время.

Подробнее: Руководство по фемтосекундным лазерам

Фемтосекундная микрообработка с IMRA

IMRA специализируется на технологии усиления чирпированных импульсов (FCPA) для формирования рисунка и резки широкого спектра материалов.Если вам нужна дополнительная информация о том, как мы можем надежно подавить влияние температуропроводности в приложениях для микрообработки, просто свяжитесь с одним из членов команды IMRA сегодня.

Как зона теплового воздействия влияет на ваш дизайн

Если вы собираетесь разбираться в сварке, вам необходимо понимать, что именно происходит с металлом в процессе нагрева и соединения.

При всех методах сварки будет существовать зона термического влияния или ЗТВ.Уменьшение размера этой зоны и понимание того, почему она возникает, имеет решающее значение для создания прочной связи между двумя соединенными металлами. Чтобы вызвать реакцию плавления во время сварки, все различные процессы нагревают основной металл в той или иной форме. Очевидно, что это необходимо для расплавления и соединения двух металлических частей вместе, но это также означает, что будет некоторая область, где тепло будет рассеиваться по всему металлу и изменять структуру материала. Это называется зоной термического влияния.

Как инженеры, мы должны понимать, как управлять зонами термического влияния и бороться с ними, даже если сваркой мы не зарабатываем на жизнь. Влияние ЗТВ на конечную прочность материала и прочность сварных швов может иметь решающее значение для успеха или отказа конструкции или детали. Контролируемый отпуск металла изменяет его фазу и делает его прочнее. Однако в ЗТВ нагрев и охлаждение металла происходит довольно неравномерно, поэтому в структуре металла могут происходить фазовые изменения, которые по своей сути ослабляют сварной шов. Как правило, большая ЗТВ образуется только в тех сварочных процессах, которые используют много рассеянного тепла для соединения металла, например, кислородно-топливная сварка и дуговая сварка.

В металлах при приложении тепла структура молекулы расширяется, подобно тому, как расширяются газы при нагревании. Что касается сварки, это может привести к неравномерному нагреву и охлаждению металла, что может вызвать деформации при охлаждении конечного продукта. В HAZ изменения фазы металла также могут привести к снижению устойчивости к коррозии и также могут легко растрескиваться. Так конструкция, созданная из нержавеющей стали, может ржаветь на стыках, в конечном итоге ослабляя ее.

Невозможно обойтись без зоны термического влияния, но мы можем уменьшить ее влияние и укрепить сварной шов.

Размер ЗТВ напрямую зависит от продолжительности нагрева металла. Устойчивые, но быстрые сварные швы обычно создают более плотный шов и меньшую ЗТВ. Возможно, вы начинаете понимать, почему наличие хорошего сварщика для вашего проекта имеет большое значение.

После завершения сварки будет существовать ЗТВ, и, как правило, ее нужно будет обработать каким-либо образом, чтобы вернуть металлической конструкции прочность. Это может быть выполнено путем термообработки до или после сварки.Это равномерно изменяет фазу металла, позволяя процессу сварки оказывать меньшее влияние на окружающий материал. Специально для сталей инженеры будут использовать процесс отжига на твердом растворе, чтобы нагреть и удерживать металл при заданной температуре, чтобы укрепить элементарные связи.

С точки зрения дизайна критически важно понимать ЗТВ. При проектировании детали или металлической конструкции, в которой используются сварные швы, мы должны предположить, что в ЗТВ произойдет некоторое снижение прочности.Самые слабые части конструкции будут находиться рядом или в сварном шве, поэтому снижение напряжений в этих областях имеет первостепенное значение.

Как дизайнеры, инженеры, строители и создатели, мы должны понимать процессы, используемые для создания нашего конечного продукта. Только благодаря такому пониманию неизвестные в процессе проектирования начинают исчезать.

Источники: Inspectioneering, Thefabricator, Researchgate

Изображений: [1], [2]

Корреляция между межкритической зоной термического влияния и зоной ползучести IV типа в стали

K. Истерлинг: в Введение в физическую металлургию сварки , Butterworth-Heimemann Ltd, Оксфорд, 1992.

Google ученый

org/Book»> 2.

F. Abe, T.U. Керн и Р. Вишванатан: в Creep-Resistant Steel , Woodhead Publishing, Cambridge, 2008.

Google ученый

J. Francis, W. Mazur, and H. Bhadeshia: Mater. Sci. Tech., 2006, т. 22. С. 1387–95.

Артикул Google ученый

S.A. David, J.A. Siefert и Z. Feng: Sci. Technol. Сварка J. , 2013, т. 18. С. 631–51.

Артикул Google ученый

П. Майр: докторская диссертация, Технологический университет Граца, 2007.

org/ScholarlyArticle»> 6.

Т. Ватанабе, М. Табучи, М. Ямазаки, Х. Хонго и Т.Танабэ: Инт. J. Pres. Вес. Трубопровод , 2006, т. 83. С. 63–71.

Артикул Google ученый

J. Hald: Int. J. Pres. Вес. Трубопровод , 2008, т. 85. С. 30–37.

Артикул Google ученый

D. Abson and J. Rothwell: Int. Матер. Ред. , 2013 г., т. 58. С. 437–73.

Артикул Google ученый

F. Abe: Металл. Матер. Пер. А , 2015, т. 46А, стр. 5610–25.

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 10.

С. Альберт, М. Мацуи, Т. Ватанабе, Х. Хонго, К. Кубо и М. Табучи: Int. J. Pres. Вес. Трубопровод , 2003 г., т. 80. С. 405–13.

Артикул Google ученый

11.

Дж. Паркер и С. Бретт: Int. J. Pres. Вес. Трубопровод, 2013, т.111-112, с. 82-88.

Артикул Google ученый

12.

К. Лаха, К. Чандравати, П. Парамесваран, К. Рао и С. Маннан : Металл. Матер. Пер. А , 2007, т. 38А, стр. 58–68.

Артикул Google ученый

13.

J. Parker: Mater. Sci. Англ. А , 2013, т. 578. С. 430–37.

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 14.

Дж. Паркер и Г. Стратфорд: Int. J. Pres. Вес. Трубопровод , 1996, т. 68. С. 135–43.

Артикул Google ученый

15.

К. Маруяма, К. Савада и Дж. Койке: ISIJ Int. , 2001, т. 41. С. 641–53.

Артикул Google ученый

16.

F. Abe: Sci. Tech. Adv. Матер. , 2008, т. 09, pp. 013002.

Статья Google ученый

17.

Ю. Лю, С. Цукамото, К. Савада и Ф. Абэ: Metall. Матер. Пер. А , 2014, т. 45А, стр. 1306–14.

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 18.

C. Coussement, A. Dhooge, M. de Witte, R. Dobbelaere и E. van der Donckt: Int. J. Pres. Вес. Трубопровод , 1991, т. 45. С. 163–78.

Артикул Google ученый

19.

М. Сиреша, Шаджу К.Альберт и С. Сундаресан: Металл. Матер. Пер. А , 2005 г., т. 36А, стр. 1495–06.

Артикул Google ученый

20.

К.К. Коулман и У. Ф. Ньюэлл: Welding J. , 2007, vol. 86, стр. 29–33.

Google ученый

21.

L. Li, B. Silwal и A. Deceuster: Int. J. Pres. Вес. Трубопровод , 2016, т. 146. С. 95–103.

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 22.

Ю. Ван, Р. Каннан и Л. Ли: Metall. Матер. Пер. А , 2016, т. 47A, стр. 5680–84.

Артикул Google ученый

23.

С. Морито, Х. Танака, Р. Кониси, Т. Фурухара и Т. Маки: Acta Mater. , 2003, т. 51. С. 1789–99.

Артикул Google ученый

24.

С. Морито, Х. Хуанг, Т. Фурухара, Т. Маки и Н. Хансен: Acta Mater., 2006, т. 54. С. 5323–31.

Артикул Google ученый

25.

С. Морито, Х. Сайто, Т. Огава, Т. Фурухара и Т. Маки: ISIJ Int. , 2005, т. 45. С. 91–94.

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 26.

Y. Wang, R. Kannan, and L. Li: Mater. Charact. , 2016, т. 118. С. 225–34.

Артикул Google ученый

27.

Ю. Ван и Л. Ли: Welding J. , 2016, vol. 95. С. 27–36.

Google ученый

28.

Я. Чжан, П. Х. Шипвей и Ф. Буэ-Бин: Sci. Technol. Сварка J. , 2009, т. 14. С. 542–48.

Артикул Google ученый

29.

К. Савада, Т. Хара, М. Табучи, К. Кимура и К. Кубуширо: Mater. Charact. , 2015, т. 101, стр.106–13.

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 30.

Г. Киршнер, Т. Нисидзава и Б. Угрениус: Металл. Пер. , 1973, т. 4. С. 167–74.

31.

Дж. Б. Остин и Р. Х. Х. Пирс-младший: AIME Trans. , 1935, т. 116. С. 289–308.

Google ученый

Мощная лазерная резка стальных листов: анализ зон термического влияния

Исследовано тепловое воздействие мощной лазерной резки CO ₂ на поверхность среза стальных листов.Проанализировано влияние входных параметров лазерной резки на глубину зоны плавления (MZ), глубину зоны термического влияния (HAZ) и микротвердость под поверхностью реза. Разработана математическая модель для связи выходных параметров процесса с входными параметрами лазерной резки. Исследуются три входных параметра процесса, такие как диаметр лазерного луча, скорость резки и мощность лазера. Математические модели для зоны плавления и глубины зоны термического влияния разработаны с использованием подхода к эксперименту (DOE). Результаты показывают, что входные параметры лазерной резки имеют большое влияние на зону плавления, зону термического влияния и микротвердость под поверхностью реза. Глубина MZ, HAZ и микротвердость под поверхностью реза увеличиваются с увеличением мощности лазера, но уменьшаются с увеличением скорости резания. Диаметр лазерного луча незначительно влияет на глубину ЗТВ, но заметно влияет на глубину ЗТВ и микротвердость ЗТВ. Глубину зоны плавления и глубину зоны термического влияния можно уменьшить за счет увеличения скорости лазерной резки и уменьшения мощности лазера и диаметра лазерного луча.

1. Введение

Процесс лазерной резки широко используется в промышленности для получения сложных форм с жесткими допусками. По сравнению с обычной резкой, лазерная резка имеет больше преимуществ, таких как малая зона термического влияния, точная резка, бесконтактная обработка и короткое время обработки [1]. Производители заинтересованы в использовании лазерной резки для оптимизации как качества, так и производительности изделий, изготавливаемых с помощью этого процесса. Производительность и качество существенно зависят от выбора подходящих параметров лазерной резки, таких как мощность лазера, диаметр лазерного луча и скорость резки [2–4].В процессе лазерной резки происходит тепловое и механическое взаимодействие между веществом и параметрами лазерной резки. Зона термического влияния (HAZ) — это зона основного материала, который не расплавился, но на микроструктуру и механические свойства которого повлияло тепло, выделяемое во время лазерной резки. Тепло, выделяемое в процессе лазерной резки и после охлаждения, вызывает это изменение в области вблизи поверхности реза. Зона термического влияния может привести к нежелательным эффектам, таким как сопротивление усталости, растрескивание поверхности и деформация.Поэтому интересно подобрать подходящие параметры лазерной резки, чтобы минимизировать зону термического влияния.

Было проведено несколько исследований для изучения влияния входных параметров лазерной резки на качество поверхности реза и зоны термического влияния.

Eltawahni et al. [5] исследовали влияние параметров лазерной резки на ширину пропила и шероховатость поверхности реза композитного материала МДФ. Они показали, что ширина верхнего и нижнего пропила уменьшается с увеличением скорости резания и увеличивается с увеличением мощности лазера.Экспериментальное исследование лазерной резки полимерных материалов было проведено Чоудхури и Ширли [6]. Они пришли к выводу, что глубина зоны термического влияния пропорциональна мощности лазера и обратно пропорциональна давлению сжатого воздуха и скорости резания. Радованович и Дашич [7] исследовали влияние параметров лазерной резки на шероховатость поверхности реза низкоуглеродистой стали. Они пришли к выводу, что шероховатость поверхности среза увеличивается с увеличением толщины листа и уменьшается с увеличением мощности лазера.Miraoui et al. В [8, 9] проанализированы шероховатость, микротвердость и микроструктура поверхности листа нержавеющей стали, полученного методом лазерной резки большой мощности. Они указали, что резка листов из нержавеющей стали, сделанная мощным лазером, оказала большое влияние на микроструктуру и шероховатость поверхности реза. Они показали, что лазерная резка приводит к образованию трещин и периодических штрихов на поверхности реза. Rajaram et al. [10] исследовали качество лазерной резки CO ₂ стали 4130 и показали, что на ширину пропила и HAZ существенно влияет мощность лазера, в то время как скорость резки играет второстепенную роль.Кумар Дубей и Ядава [11] оптимизировали процесс резки лазерным лучом, используя гибридный метод Тагучи и метод поверхности отклика с многофункциональными характеристиками для тонких листов высококремнистой легированной стали. Экспериментальное исследование параметров лазерной резки керамического композита было проведено Quintero et al. [12]. Они указали на влияние скорости резания, частоты и давления вспомогательного газа на зону термического влияния. Prasad et al. [13] обсуждали лазерную резку листовой стали с металлическим покрытием толщиной 1 мм. Miraoui et al. [14] проанализировали влияние диаметра лазерного луча на зону плавления и микротвердость под поверхностью реза. Они пришли к выводу, что ширина зоны плавления зависит от диаметра лазерного луча. Ли и др. [15] использовали экспериментальный метод Тагучи для получения оптимальных параметров лазерной резки. Они пришли к выводу, что качество лазерной резки пакетов QFN в основном зависит от частоты лазера, скорости резки и тока возбуждения лазера. Huehnlein et al. [16] использовали подход планирования эксперимента (DOE) для оптимизации лазерной резки тонких керамических слоев.Miraoui et al. [17] исследовали влияние диаметра лазерного луча и мощности лазера на шероховатость поверхности реза стальных пластин. Они указали, что влияние диаметра лазерного луча на шероховатость поверхности реза незначительно, а увеличение мощности лазера улучшает шероховатость поверхности. Грум и Зульян [18] проанализировали тепло для лазерной резки стали. Они показали, что на качество резки повлияла высокотемпературная зона, образовавшаяся в передней части резания.

В данном исследовании были исследованы зоны термического влияния пластин из низкоуглеродистой стали, полученных с помощью лазерной резки CO ₂.Мощность лазера, скорость резания и диаметр лазерного луча варьировались, чтобы проанализировать влияние этих входных параметров лазерной резки на глубину зоны термического влияния и на микротвердость под поверхностью реза. Для прогнозирования взаимосвязи между параметрами процесса и глубиной зоны термического влияния был использован метод планирования эксперимента.

2. Экспериментальные методы

Операции по резке выполнялись на лазерном станке CO ₂ типа AMADA AS 4000 E. Габаритные размеры этого станка 3000 × 1500 мм с точностью резки.1 мм. Для экспериментов использовали лист из низкоуглеродистой стали толщиной 8 мм. Размеры заготовки составляли 15 мм в ширину и 30 мм в длину (см. Рисунок 1). Химический состав этой стальной конструкции приведен в Таблице 1, в которой указаны максимальные процентные содержания элементов. Механические свойства этой стали (S235) представлены в таблице 2.

Образцы были исследованы экспериментально при номинальной выходной мощности лазера () от 3 до 5 кВт, диаметре лазерного луча () от 1 до 2 мм и скорости резания () от 600 до 2200 мм / мин.На рисунке 2 показана экспериментальная установка, использованная в этом исследовании.

Измеритель микротвердости по Виккерсу под нагрузкой 50 г в течение 10 с использовался для измерения микротвердости под поверхностью среза образцов. Глубину зоны термического влияния измеряли с помощью оптической микроскопии. Чтобы изучить изменения микроструктуры в результате лазерной резки, мы использовали сканирующую электронную микроскопию, СЭМ.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Анализ микроструктуры
Тепло, выделяемое в процессе лазерной резки и после охлаждения, повлияло на микроструктуру области вблизи поверхности реза (HAZ).В зоне основного материала (BM) материал не претерпел никаких структурных преобразований (рис. 3). Результат микроскопического анализа выявил наличие слоистой структуры на структуре заготовки. На рисунке 4 показано наличие белого слоя, называемого зоной расплава (MZ): зона взаимодействия пучка с металлом.

Полный вид и увеличенное изображение микроструктуры поверхности реза показаны на рисунке 5. Видно, что лазерная резка приводит к образованию трещин на поверхности реза.Лазерная резка существенно повлияла на качество поверхности реза.

3.
2. Глубинный анализ ЗТВ
3.2.1. Экспериментальное исследование
Глубина HAZ (зона под поверхностью реза) является одним из основных показателей лазерной обработки. Размер зоны термического влияния (HAZ) анализировали с помощью оптического микроскопа. ЗТВ — это область рабочего материала, которая не расплавилась во время резки, но на ее микроструктуру повлияло сильное нагревание во время лазерной резки. Находясь в зоне основного материала, материал не претерпел никаких структурных преобразований (см. Рисунки 3 и 6).Граница раздела между HAZ и основным материалом (BM) — это предел между затронутой и незатронутой микроструктурой. Чтобы изучить влияние входных параметров лазерной резки (мощность лазера, диаметр лазерного луча и скорость резки) на глубину ЗТВ, семь значений ЗТВ для каждого образца были измерены с помощью оптического микроскопа, и было рассчитано среднее значение для каждого образца (см. Рисунок 6 ).

На рисунке 7 показано влияние мощности лазера и скорости резания на глубину ЗТВ. Эти результаты показывают, что мощность лазера и скорость резки оказали большое влияние на зону термического влияния.Глубина HAZ увеличивается с увеличением мощности лазера и уменьшается с увеличением скорости резания. Вариации глубины ЗТВ в зависимости от диаметра лазерного луча и мощности лазера представлены на кривых на Рисунке 8. Было показано, что диаметр лазерного луча оказывает незначительное влияние на глубину ЗТВ.

3.2.2. Моделирование
Статистическая обработка результатов экспериментов позволила разработать уравнения модели для определения глубины ЗТВ в соответствии с параметрами резки (мощность лазера, диаметр лазерного луча и скорость резания).Подход DOE (метод Тагучи) был использован для разработки уравнения модели. Входные параметры процесса и их уровни, использованные в запланированном эксперименте, приведены в таблице 3. Измеренные значения HAZ, соответствующие каждому экспериментальному условию, перечислены в таблице 4.


C	P	S	N	Mn	Si
0.17%	Плотность	Предел эластичности при растяжении

205000 МПа	0,3	7800 кг / м ³	235 МПа

Скорость резания


Символ	Входные данные параметры	Единица	Уровень 1	Уровень 2

	Мощность лазера	W	3000	5000
	2200
	Диаметр лазерного луча	мм	1	2

9015 9016 9016

номер 9016

(ширина)	(мм / мин)	(мм)	ЗТВ (м)

1	3000	600	1	2	5000	600	1	360
3	3000	2200	1	257
4	5000	4	5000				5	3000	600	2	325
6	5000	600	2	361
7
7		3000 2
8	5000	2200	2	317

Дисперсионный анализ ( ANOVA) был проведен для определения значимых членов модели. В этом методе есть пробел, который дает значение оценки с погрешностью 5%. Дисперсионный анализ показывает, что на уровне значимости 5% мощность лазера, скорость резания и диаметр лазерного луча являются наиболее значимыми параметрами модели, но их взаимодействие не оказывает значительного влияния на ЗТВ. Было замечено, что мощность лазера и скорость резки являются наиболее важными, а диаметр лазерного луча является наименее значимыми параметрами резки, влияющими на ЗТВ.

На основе экспериментальных данных глубины ЗТВ мы разработали следующее уравнение модели: Это уравнение показывает, что глубина ЗТВ уменьшается с увеличением скорости резания и увеличивается с увеличением мощности лазера.Влияние мощности лазера более важно, чем влияние скорости резания на глубину ЗТВ. Понятно, что диаметр лазерного луча незначительно влияет на глубину ЗТВ. Мощность лазера — самый важный параметр, влияющий на ЗТВ. Увеличение мощности лазера вызывает повышение температуры поверхности реза, что вызывает увеличение зоны термического влияния. Во время периода охлаждения он будет иметь изменение фазы в твердом состоянии, что отражается в увеличении глубины зоны термического влияния.Когда скорость резания высокая, распространение тепла в образце происходит за более короткий период времени, что позволяет минимизировать повреждение поверхности среза и, следовательно, имеет более мелкую зону термического воздействия. Все эти результаты хорошо согласуются с экспериментальным исследованием, как показано на Рисунке 9. Комбинированное влияние скорости лазерной резки и мощности лазера на глубину ЗТВ показано на Рисунке 10, где диаметр лазерного луча () сохраняется на уровне 1 мм. На рисунке 11 показано влияние мощности лазера и диаметра лазерного луча на глубину ЗТВ при сохранении постоянной скорости лазерной резки () на уровне 600 мм / мин.

Для подтверждения адекватности разработанных моделей было проведено три подтверждающих эксперимента с использованием новых условий испытаний. Значения HAZ подтверждающих экспериментов, которые были определены с использованием разработанной модели, хорошо согласуются с экспериментальными значениями (см. Таблицу 5).
(Ш) (мм / мин) (мм) Экспериментальная ЗТВ Смоделированная ЗТВ 9014 600 1 342.73 338,37 1,27
3000 1200 2 286,76 291,83 −1,76 291,83 −1,76
5000 1200 1200
3.3. Анализ глубины MZ
Для изучения влияния входных параметров лазерной резки (мощности лазера, диаметра лазерного луча и скорости резания) на глубину MZ (зона взаимодействия луча с металлом) мы измерили среднюю глубину MZ от несколько измерений, выполненных на поверхности, перпендикулярной поверхности среза (см. Рисунок 12).Математическая модель глубины зоны плавления разработана с использованием подхода планирования эксперимента (DOE). Метод Тагучи использовался для определения математической зависимости между откликом (глубина MZ) и входной обработкой лазерной резки (мощность лазера, диаметр лазерного луча и скорость резания). Входные параметры процесса и их уровни, использованные в запланированном эксперименте, приведены в таблице 3. Измеренные значения MZ, соответствующие каждому экспериментальному условию, перечислены в таблице 6. Дисперсионный анализ (ANOVA) показывает, что при уровне значимости 5% мощность лазера, скорость резания и диаметр лазерного луча являются наиболее важными параметрами модели, но их взаимодействие не оказывает значительного влияния на MZ.Было замечено, что мощность лазера и диаметр лазерного луча являются наиболее важными, а скорость резки — наименее значимыми параметрами резки, влияющими на MZ.
1,2 5000 .75 9016
Exp. номер (Ш) (мм / мин) (мм) MZ ( µ м)
1 3000 600 1
2 5000 600 1 2
3 3000 2200 1 1
5 3000 600 2 2
6 5000 600 2 3.20
1,50
8 5000 2200 2 2,50

9000Z На основе экспериментальных данных мы разработали следующее уравнение M. Очевидно, что глубина MZ уменьшается с увеличением скорости резания и увеличивается с увеличением мощности лазера. Можно видеть, что глубина MZ увеличивается с увеличением диаметра лазерного луча, в отличие от глубины HAZ, на которой диаметр оказывает незначительное влияние. Мощность лазера — важнейший параметр, влияющий на МЗ. Увеличение мощности лазера вызывает повышение температуры поверхности реза, что вызывает увеличение зоны плавления. Если скорость резания высокая, распространение тепла в образце происходит за более короткий период времени, что позволяет свести к минимуму повреждение поверхности среза и, следовательно, имеет термически более мелкую MZ.Комбинированное влияние скорости лазерной резки и мощности лазера на глубину MZ показано на рисунке 13, где диаметр лазерного луча () составляет 1 мм. На рисунке 14 показано влияние скорости лазерной резки и диаметра лазерного луча на глубину MZ при поддержании постоянной мощности лазера () на уровне 3000 Вт.

Для подтверждения адекватности разработанных моделей были проведены три подтверждающих эксперимента. с использованием новых условий испытаний. Входные параметры лазерной резки, экспериментальные значения, смоделированные значения и проценты погрешности приведены в таблице 7.Эти результаты показывают, что все значения процента ошибки приемлемы.
(Ш) (мм / мин) (мм) Экспериментальный MZ Смоделированный MZ

600 1,5 2,75 2,76 −0,36
4000 2200 1 1.40 1,36 2,9
3000 2200 2 1,50 1,57 −4,67

. Анализ микротвердости ЗТВ
В этом разделе обсуждается влияние входных параметров лазерной резки (мощность лазера, диаметр лазерного луча и скорость резания) на микротвердость ЗТВ. Профиль микротвердости по глубине обработанной поверхности, полученной при различной мощности лазера (скорость резания и диаметр лазерного луча постоянны), показан на рисунке 13.Было показано, что максимальная микротвердость наблюдается вблизи поверхности реза и постепенно уменьшается, пока не достигнет микротвердости основного материала (120 HV: обычная микротвердость низкоуглеродистой стали S235, используемой в данной работе). Лазерная резка оказывает тепловое воздействие на исходную структуру из-за высокой температуры, достигаемой на кромке реза, с последующим быстрым охлаждением. Это приводит к образованию зоны упрочнения на кромке среза (ЗТВ). Как показано на Рисунке 15, микротвердость в ЗТВ увеличивается с увеличением мощности лазера.

На рисунке 16 показано влияние скорости резания на микротвердость ЗТВ. Понятно, что микротвердость в ЗТВ уменьшается с увеличением скорости резания. Влияние диаметра лазерного луча на микротвердость ЗТВ показано на рисунке 17. Эти результаты показывают, что диаметр лазерного луча влияет на микротвердость ЗТВ. Он уменьшается с увеличением диаметра лазерного луча.

4. Выводы
Высокомощный CO ₂ Лазерная резка листов из низкоуглеродистой стали исследуется и влияние входных параметров процесса, таких как мощность лазера, диаметр лазерного луча и скорость резки, на термическое воздействие зона и зона плавления.Сканирующая электронная микроскопия и оптический микроскоп используются для анализа микроструктуры и глубины ЗТВ. Микротвердость под поверхностью среза измеряли с использованием микротвердости по Виккерсу. Метод планирования эксперимента был использован для прогнозирования взаимосвязи между входными параметрами процесса и откликом (зона термического влияния и зона плавления). Из представленной работы можно сделать следующие выводы. Глубина MZ, глубина HAZ и микротвердость HAZ зависят от входных параметров процесса.Мощность лазера и скорость резки являются наиболее важными, а диаметр лазерного луча — наименее значимыми параметрами резки, влияющими на ЗТВ. Однако мощность лазера и диаметр лазерного луча являются наиболее важными, а скорость резки — наименее значимыми параметрами резки, влияющими на MZ. Размер HAZ увеличивается с увеличением мощности лазера и уменьшается с увеличением скорости резания. Глубина MZ уменьшается со скоростью резания и увеличивается с мощностью лазера. Результаты показывают, что глубина MZ увеличивается с увеличением диаметра лазерного луча, в отличие от глубины HAZ, на которой диаметр оказывает незначительное влияние.Мощность лазера — важнейший параметр, влияющий на МЗ. Микротвердость в ЗТВ увеличивается с увеличением мощности лазера и уменьшается с увеличением скорости резания и диаметра лазерного луча. Нежелательный тепловой эффект лазерной резки листов из низкоуглеродистой стали можно уменьшить, увеличив скорость лазерной резки и уменьшив мощность лазера и диаметр лазерного луча.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.
Благодарность
Авторы выражают признательность за финансовую поддержку со стороны Университета Альджуфа, штат Калифорния, в рамках гранта No.
Share This Post :

Навигация по записям
Previous post:
Next post:
Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Комментарий *
Имя *
Email *
Сайт

Рубрики
Особенности
Разное
Сварка
Советы
Способы
Чугун
Шов
Guava WordPress Theme, Copyright 2017 2025 © Все права защищены.