Методология и принципы поиска решений, обеспечения безопасности работы сварщиков в стеснённых условиях и на труднодоступных объектах

Введение. Проектирование и создание систем и средств защиты оператора-сварщика лежит в области детального математического описания нестационарных процессов тепломассопереноса вредных веществ и избытков теплоты от источников загрязнения. На основе полученных результатов создаётся технология проектирования систем и средств защиты операторов [1].

Основной задачей проекта является поиск решений по обеспечению безопасности работы сварщиков при выполнении сварочных работ на труднодоступных объектах при строительстве и ремонте нефтегазодобывающих платформ на шельфе. Заявленная конечная цель проекта достаточно сложная, поэтому необходимо на первом этапе работ выполнить следующее:

• 1.    Уточнить план научно-исследовательских работ и привести его в соответствие с основной задачей

  ^∗ Работа выполнена по гранту РФФИ №16-38-60055.

• 2.    В проекте необходимо показать, для каких видов сварки проводятся исследования, так как рассматриваемые в работе объекты исследования (наземные и подводные, полуоткрытые и закрытые) специфичны и сильно отличаются, в том числе и по условиям сварки.

∗∗∗

The research is done on RFFI grant no. 16-38-60055.

проекта, показав новизну каждого этапа работ.

Классификация по объектам исследования. На рис.1 показаны рассматриваемые в проекте объекты исследования, для которых будут выстроены соответствующие нестационарные трехмерные математические модели тепломассопереноса вредных веществ, сварочной аэрозоли и избытков теплоты. Нетрудно заметить, что классификация по объектам исследования соответствует годовым этапам проводимых по проекту работ. На каждом этапе под соответствующий объект авторами разрабатывается математическая и затем расчетная модель массо- теплопереноса загрязнений со своими граничными условиями.

Рис. 1. I, II, III – Объекты исследования проекта

Классификация по способам сварки исследования. К объектам исследования типа I (рис.1) можно отнести выполнение сварочных работ в полуоткрытых пространствах с затрудненными условиями естественной циркуляции окружающего воздуха (ямы, траншеи, колодцы) при ремонте и реконструкции участков существующих газопроводов в городском коммунальном хозяйстве. Наиболее распространённым способом сварки, а в некоторых случая и единственно возможным по техническому обеспечению, является газовая сварка элементов газопроводов из углеродистых и низколегированных сталей [1].

К объектам исследования типа II относятся сварочные работы при строительстве магистральных трубопроводов. Сварка кольцевых стыков труб осуществляется внутри специальных устройств (будок, палаток) с целью недопущения воздействия окружающей среды (порывы ветра, осадки, притоки холодного воздуха) в зоне сварки. Наибольшее распространение находит высокопроизводительная механизированная сварка самозащитной порошковой проволокой Innershield [2,3]. Несмотря на высокую производительность и качество сварных швов, сварка самозащитной порошковой проволокой является наиболее неблагоприятным с точки зрения выделения вредных веществ в зоне сварки, прежде всего за счет выделения фторидов [4]. Эти обстоятельства и определили выбор данного способа сварки в качестве объекта исследования.

Выполнение сварочных работ при строительстве и ремонте нефтегазовых объектов, расположенных в водных территориях шельфов морей и океанов на глубинах более 20 метров, осуществляется внутри кессона, устанавливаемого на свариваемые элементы, ограждая их от воздействия воды. Сварка внутри кессона осуществляется в газовой смеси (как правило, в гелево-кислородной) в резко ограниченном пространстве и действии гидростатического давления [5]. Среди способов сварки преобладают механизированная сварка плавящейся проволокой сплошного сечения в среде активных и инертных газов и самозащитной порошковой проволокой (МИГ/МАГ сварка). Повышенное давление оказывает существенное влияние на условия работы водолаза-сварщика, процесс сварки и состав наплавленного металла [6, 7, 8].

Обобщение способов сварки, применяющихся на объектах исследования, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Способы сварки по объектам исследования

Объект исследования	I	II	III
Способ сварки	Газовая (ацетилено-кислородная) сварка	Механизированная сварка самозащитной порошковой проволокой INNERSHIELD	Механизированная сварка проволокой сплошного сечения в защитных газах; механизированная сварка самозащитной порошковой проволокой

Требования к математическим моделям тепломассопереноса загрязнений и их особенности по объектам и видам сварки. Основной фундаментальной частью исследования является адаптация классической модели непрерывной среды на базе системы уравнений Навье-Стокса к решению комплексной задачи теплообмена со сложными движущимися граничными условиями.

Предлагаемый подход не является оригинальным, однако имеются отдельные синтезированные на предварительном этапе исследований принципы адаптации существующих подходов.

Ввиду сложности поставленной задачи и сделанном акценте на численное моделирование при решении комплексной задачи тепло- и массообмена, следует заключить, что методика исследования выбрана верно.

В работе [9] показано, что в этих условиях можно использовать стандартную к - е модель турбулентности, которая реализуется во всех стандартных пакетах CAE. В данной работе был использован пакет SolidWorks Flow Simulations, поскольку позволяет построить расчетные поля концентраций вредных веществ, температур в рабочей зоне сварщика и подвижности воздуха.

Учёт теплопередачи в твердых телах и радиационный теплообмен.

Моделирование процессов диффузии тепла в текучей среде основано на решении уравнений (1) и (2):

d ( р H )   d ( р u_tH )    d          _R       dp R du i

-- --+---~----= ~ (uj (Tj + Tj ) + qi } + Д-ТЧ    + Pe + Siui + QH ;                     (1) dt        dxi      dxi                      dt      dxj f p  цЛ dh qi=\     + L I-     , i = 1,2,3.                                                        (2)

( Pr  ст C ) dxi где u — скорость потока, р — плотность, p — давление, H — удельная энергия, Gt = -р - g — гравитационная компонента; h — энтальпия, е — скорость диссипации кинетической энергии турбулентности; Si — источник выделения вещества; QH — объёмная интенсивность источника теплоты, Tj — тензор вязких напряжений, tzR — тензор напряжений Рейнольдса; qi — изменение теплоты; ц — коэффициент динамической вязкости, цt — коэффициент турбулентной динамической вязкости, константа стc = 0,9, Pr — число Прандтля, xi — пространственная координата

Теплопередача в твердых телах моделируется на основе решения уравнения (3):

^{d (}р e )_ d f dT )

=    \ x I + Qh , dt     dXi (  dxt)

где e = c - T , c — удельная теплоемкость, T — температура, X — теплопроводность, Q _H — удельное (в единице объема) тепловыделение источника тепла.

При численном расчете теплопередачи в твердом теле учитывается, что тело состоит из нескольких слоев с контактными тепловыми сопротивлениями между ними. Конвективный теплообмен между поверхностью твердых тел и текучей средой численно моделируется в пограничном слое потока среды.

Одновременно численно моделируется радиационный теплообмен. Излучающие тепло поверхности задаются абсолютно черными, белыми или идеально серыми телами, что в соответствии с законом Ламберта, позволяет излучение считать диффузным.

Таким образом, излучаемое с единицы поверхности тепло определяется в соответствии с законом Стефана— Больцмана:

Qr-e-сто -TW4, (4) где е — степень черноты поверхности, ст0 — постоянная Стефана — Больцмана, Tw — температура поверхности. Соответственно моделируется поглощение и/или отражение радиационного тепла участвующими в радиационном теплообмене поверхностями. Аналогично излучению от твердых поверхностей моделируется излучение тепла в расчетную область от расположенных в текучей среде границ расчетной области.

Тип задачи, расчетная область. Начальные и граничные условия, сходимость. На I-ом объекте исследования (полуоткрытое пространство) изучаются условия работы сварщиков в ямах при сварке на открытой местности с учетом погодных условий (температуры воздуха, направления и силы ветра), а именно процессы распространения тепломассопереноса вредных веществ, сварочного аэрозоля и избытков теплоты в зоне дыхания сварщиков (рис.2).

Рис. 2. Модель объекта исследования I (полуоткрытое пространство) с показанными величинами источниковых членов

Характеристики и свойства модели.

Расчетная область — параллелепипед с основанием 8 х 8 м и высотой 6,1 м. Тип задачи — внешняя. На данный момент построена модель, учитывающая только гравитацию. Теплопроводность в твердых телах, радиационный теплообмен и нестационарность (зависимость изучаемых процессов от времени) планируются учитывать в построении обновленной модели. Текучая среда — воздух. Вредное вещество — оксиды азота. Тип течения — ламинарное и турбулентное, влажность воздуха в модели не учитывалась. Граничные условия на твердой стенке по умолчанию — адиабатическая стенка, шероховатость стенки не учитывалась.

Начальные условия.

Термодинамические параметры: давление — 101325 Па; температура окружающей среды — 0 °С.

Параметры скорости: скорость в направлении X — 0 м/с; скорость в направлении Y — 0 м/с; скорость в направлении Z — 5 м/с.

Параметры турбулентности: энергия турбулентности — 1 Дж/кг; диссипация энергии турбулентности — 1 Вт/кг.

Начальная массовая концентрация: оксиды азота — 0%, воздух — 100%.

Граничные условия: мощность теплового потока на поверхности свариваемой детали — 5 кВт; массовый расход оксидов азота — 1,0756 *10-5 кг/с.

Условие окончания решения — сходимость поставленных целей: массовый расход текучей среды; средняя скорость; массовая концентрация оксидов азота; температура текучей среды.

Начальные и граничные условия II-го и III- го объектов исследования находятся в стадии разработки.

Связь источниковых членов уравнения модели с видом сварки. Точность определения параметров состояния воздуха рабочей зоны сварщика определяется корректностью определения источниковых членов в уравнениях модели.

Качество состояния воздуха рабочей зоны сварщика при ацетилено-кислородной сварке (I-ый объект исследования) зависит от количества выделяемых оксидов азота (доминирующее загрязняющее вещество) и от тепловыделений.

Расчёт выделения оксидов азота произведён по удельным выбросам вредных веществ из источника [10].

Тепловыделение рассчитывается из уравнения экзотермической реакции ацетилена в кислороде [11].

Рассеивание тепловой энергии пламени увеличивается за счет потерь с отходящими газами [12].

Естественно, что при рассмотрении других видов сварки, например, по объектам исследования II и III, необходимо провести дополнительные, в том числе экспериментальные исследования количества и состава выделяющихся вредных веществ и избытков явной теплоты. Эти работы планируются по проекту.

Уточнённые этапы проведения работ по проекту.

Этап 1 . Анализ состояния воздушной среды рабочих зон сварщиков, работающих на открытой местности в колодцах, ямах и траншеях (полуоткрытые пространства). Корреляция экспериментальных данных с результатами аттестации непостоянных рабочих мест на вредные условия труда. Аналитический обзор выполненных ранее исследований по изучению источников исследуемых опасных и вредных производственных факторов (ОВПФ) для различных видов сварки в стеснённых условиях и на труднодоступных объектах.

Обзор и анализ технологий сварки, применяемых при работе под водой. Экспериментальные исследования с целью определения исходных данных для математического и компьютерного моделирования.

Этап 2. Разработка моделей процессов выделения вредных веществ и избытков теплоты от источников загрязнения при различных видах сварки в воздух рабочей зоны полуоткрытых (ограниченных) пространств. Обоснование выбора математических моделей тепломассопереноса и их реализация в стесненных условиях. Разработка обобщенных математических моделей процессов распространения вредных веществ и избытков явной теплоты в полуоткрытых (ограниченных) пространствах сложной конфигурации. Этапы 1 и 2 реализуются в 2016 году.

Этап 3. Исследование источников выделения вредных веществ и теплового излучения при выполнении сварочных работ в закрытых пространствах и замкнутых ограниченных объемах (герметичные кабины магистральных трубопроводов, трюмы судов, цистерны и резервуары); в условиях, где невозможно применение традиционных видов вентиляции.

Экспериментальное определение уровней воздействия загазованности, запылённости, повышенной температуры и подвижности воздуха на сварщиков, работающих закрытых пространствах и замкнутых ограниченных объемах.

Этап 4. Разработка программного обеспечения для численного моделирования распространения вредных веществ и избытков теплоты в герметичных кабинах, расположенных на магистральных трубопроводах, в трюмах судов, цистернах и резервуарах c учётом завихрений газовоздушных потоков и различных видов теплообмена. Этапы 3 и 4 запланированы к реализации в 2017 году.

Этап 5. Корректировка математических моделей, уточнение граничных условий. Проверка адекватности моделей по экспериментальным данным для глубоководной сварки. Корректировка и разработка программного обеспечения и проведение модельных численных экспериментов. Уточнение и корректировка разработанных математических моделей на основе результатов экспериментальных исследований. Технология проектирования средств защиты сварщиков, работающих под водой. Методики расчёта систем защиты от пыле- газовыделений, тепловых излучений, по критериям обеспечения санитарно-гигиенических нормативов ПДК, ПДУ.

Этап 6. Разработка рекомендаций по обеспечению ПДК и ПДУ в рабочих зонах сварщиков при ремонте и строительстве нефтегазодобывающих платформ на шельфе. Требования к системам вентиляции в замкнутых ограниченных объёмах. Технология проектирования систем и средств пыле- и тепло-газозащиты сварщиков при работе под водой. Мобильные вентиляционные комплексы, фильтро-вентиляционные установки, индивидуальные средства защиты. Инженерные технические решения обеспечения ПДК и ПДУ в рабочих зонах при работе сварщиков под водой. Этапы 5 и 6 запланированы к реализации в 2018 году.

Выводы.

• 1.    Построенная классификация труднодоступных объектов и классификация по способам применяемой сварки позволили систематизировать и уточнить требования к математическим моделям объектов исследования.

• 2.    Представленные математические модели позволяют детально определить физические поля воздействия опасных и вредных производственных факторов на сварщиков для исследуемых объектов.

• 3.    В дальнейшем на основе численных расчётов будут разработаны конкретные инженерные решения, позволяющие сконструировать систему или средство защиты сварщика.