Источник: https://poisknews.ru/
Научный прорыв позволит ремонтировать газопроводы в Арктике без теплых укрытий
12.11.2025
Строительство и ремонт газопроводов в условиях экстремально низких температур Арктики сопряжено с огромными трудностями. Одной из ключевых проблем является сварка полиэтиленовых труб, которую по существующим нормативам можно проводить только при температуре до –10 °C. При более сильных морозах требуются специальные утепленные укрытия, а сами трубы перед работой необходимо "кондиционировать" – выдерживать в тепле до 10 часов. Для экстренного ремонта магистральных газопроводов в якутскую зиму такие задержки недопустимы.
Ученые из Института проблем нефти и газа СО РАН (Якутск) предложили революционное решение, позволяющее выполнять надежную сварку полиэтиленовых труб прямо на открытом воздухе при температуре до –40 °C, без использования теплых палаток и длительной подготовки. Новая технология, разработанная при поддержке Российского научного фонда, основана на умном управлении температурным режимом и процессом кристаллизации материала.
Секрет надежности сварного шва при морозе кроется в его внутренней структуре. При быстром охлаждении в полиэтилене образуются мелкие, несовершенные кристаллы, делающие соединение хрупким. При нормальных же температурах формируются крупные и прочные сферолиты. Задача ученых заключалась в том, чтобы "обмануть" природу и заставить полиэтилен кристаллизоваться так, как будто вокруг не арктический холод, а обычная комнатная температура.
Решение оказалось элегантным и высокотехнологичным. Процесс делится на несколько этапов. Сначала трубы и муфта с закладным нагревателем предварительно прогреваются на морозе. Затем нагреватель отключается, и температура в зоне будущего шва выравнивается, поднимаясь до значений, приемлемых для начала сварки (около +30 °C). После этого следует основной нагрев, который плавит полиэтилен, как при стандартной процедуре.
Суть инновации связана со стадией охлаждения. Чтобы компенсировать интенсивный отвод тепла в холодный воздух и создать условия для правильной кристаллизации, инженеры не дают шву просто остыть. Вместо этого специальный сварочный аппарат по рассчитанной компьютером программе плавно снижает мощность нагревателя, поддерживая нужный температурный градиент. Эта программа была получена в результате решения сложной обратной задачи теплопроводности с помощью методов математического моделирования и градиентной минимизации.
Используя мощный программный комплекс Dolfin/FEniCS, ученые провели виртуальные испытания технологии. Расчеты методом конечных элементов подтвердили, что даже при –40 °C в зоне сварки создается такой же объем расплава и такие же температурные поля, как и при +20 °C. Важно, что и возникающие в соединении напряжения остаются в безопасных пределах, что гарантирует его долговечность и надежность.
Но главным доказательством эффективности технологии стали лабораторные исследования. Снимки, полученные с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7800F, показали, что внутренняя структура шва, сваренного по новой методике на морозе, практически неотличима от структуры шва, сделанного в нормальных условиях. В материале формируются те же крупные и прочные сферолиты, что и является залогом высокой прочности соединения.
Эта разработка открывает новые горизонты для развития газотранспортной инфраструктуры в Арктике и Субарктике. Она позволяет проводить аварийно-восстановительные работы в самые сжатые сроки и в любую погоду, что значительно повышает надежность газоснабжения северных регионов и снижает затраты на строительство и обслуживание трубопроводов.
Исследование опубликовано в журнале "Природные ресурсы Арктики и Субарктики".
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
Источник: Poisknews.ru
Ученые из Института проблем нефти и газа СО РАН (Якутск) предложили революционное решение, позволяющее выполнять надежную сварку полиэтиленовых труб прямо на открытом воздухе при температуре до –40 °C, без использования теплых палаток и длительной подготовки. Новая технология, разработанная при поддержке Российского научного фонда, основана на умном управлении температурным режимом и процессом кристаллизации материала.
Секрет надежности сварного шва при морозе кроется в его внутренней структуре. При быстром охлаждении в полиэтилене образуются мелкие, несовершенные кристаллы, делающие соединение хрупким. При нормальных же температурах формируются крупные и прочные сферолиты. Задача ученых заключалась в том, чтобы "обмануть" природу и заставить полиэтилен кристаллизоваться так, как будто вокруг не арктический холод, а обычная комнатная температура.
Решение оказалось элегантным и высокотехнологичным. Процесс делится на несколько этапов. Сначала трубы и муфта с закладным нагревателем предварительно прогреваются на морозе. Затем нагреватель отключается, и температура в зоне будущего шва выравнивается, поднимаясь до значений, приемлемых для начала сварки (около +30 °C). После этого следует основной нагрев, который плавит полиэтилен, как при стандартной процедуре.
Суть инновации связана со стадией охлаждения. Чтобы компенсировать интенсивный отвод тепла в холодный воздух и создать условия для правильной кристаллизации, инженеры не дают шву просто остыть. Вместо этого специальный сварочный аппарат по рассчитанной компьютером программе плавно снижает мощность нагревателя, поддерживая нужный температурный градиент. Эта программа была получена в результате решения сложной обратной задачи теплопроводности с помощью методов математического моделирования и градиентной минимизации.
Используя мощный программный комплекс Dolfin/FEniCS, ученые провели виртуальные испытания технологии. Расчеты методом конечных элементов подтвердили, что даже при –40 °C в зоне сварки создается такой же объем расплава и такие же температурные поля, как и при +20 °C. Важно, что и возникающие в соединении напряжения остаются в безопасных пределах, что гарантирует его долговечность и надежность.
Но главным доказательством эффективности технологии стали лабораторные исследования. Снимки, полученные с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7800F, показали, что внутренняя структура шва, сваренного по новой методике на морозе, практически неотличима от структуры шва, сделанного в нормальных условиях. В материале формируются те же крупные и прочные сферолиты, что и является залогом высокой прочности соединения.
Эта разработка открывает новые горизонты для развития газотранспортной инфраструктуры в Арктике и Субарктике. Она позволяет проводить аварийно-восстановительные работы в самые сжатые сроки и в любую погоду, что значительно повышает надежность газоснабжения северных регионов и снижает затраты на строительство и обслуживание трубопроводов.
Исследование опубликовано в журнале "Природные ресурсы Арктики и Субарктики".
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
Источник: Poisknews.ru