УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ ОТ ПОКРЫТИЯ

Изобретение относится к очистке внутренней поверхности труб, тел вращения, а также других изделий от пленочных изоляционных, тканевых и других покрытий, скрепленных с поверхностью изделий с помощью клеящих мастик или клея, в химической, энергетической и других отраслях промышленности и может быть использовано, в частности, для удаления теплозащитного покрытия корпусов твердотопливных ракетных двигателей при их расснаряжении и ремонте для повторного использования.
6
Известен способ очистки внутренней поверхности труб от твердых отложений, заключающийся в перемещении в полости трубы рабочего органа с одновременной подачей жидкости под давлением, при котором рабочему органу придают вращение вокруг своей оси, а очистку ведут закрепленными на нем под углом к поверхности трубы вращающимися на своей оси очистными элементами, которыми прорезают в отложениях винтовые канавки, углубляют и расширяют последние по мере перемещения рабочего органа, а при соприкосновении с поверхностью трубы скалывают отложения и затем удаляют последние напорной струей жидкости [Патент РФ № 2096097 от 20.11.97г, МПК В 08 В 9/04].
Недостатком данного способа является большая вероятность повреждения внутренней поверхности трубы рабочим органом при удалении указанным способом прочноскрепленного покрытия преимущественно на клеевой основе, что недопустимо.
6
Известна конструкция соплового насадка для гидрокавитационной очистки, преимущественно трубопроводов от нежелательных отложений [Патент РФ № 21132289 от 28.10.97г., МПК В 08 В 9/04, 3/02]. Вода под
давлением 20-40 МПа подается в корпус насадка и, разгоняясь в сопловом канале, ударяется в дисковый дефлектор и острую кромку, закручивается в сторону торцевой поверхности корпуса. При этом возникает сложная система вихрей тороидальной формы, в которых происходит падение давления до давления насыщенных паров воды с возникновением развитого кавитационного течения. Образовавшиеся пузырьки охлопываются на очищаемой поверхности и разрушают отложения.
Недостатком данной конструкции является недостаточная стабильность работы кавитационного насадка, не обеспечивающая возможность полного удаления при помощи кавитации покрытий из материала, обладающего значительной прочностью, и скрепленных с поверхностью изделий с помощью клеящих мастик или клея.
6
Наиболее близким к заявляемому и взятым в качестве прототипа является способ очистки канала от отложений [Патент РФ № 2046687 С 1, МПК В 08 В 9/04, 1995]. Способ заключается в удалении отложений плоскими высоконапорными струями рабочего агента, ориентируемыми параллельно осям отложений и направляемыми в их торец. Динамический напор струй воздействует на торец слоистых отложений, вызывая их расслоение и последующее разрушение.
К недостаткам данного изобретения также следует отнести невозможность эффективного и полного удаления указанным способом прочно-скрепленного покрытия преимущественно на клеевой основе, не поддающегося размывке и расслоению высоконапорной струей.
7
Известна гидромониторная насадка для обработки поверхности изделий струей жидкости, принятая авторами за прототип [Патент RU № 2165020 С 1, МПК Е 21 С 45/00, Б.Н. № 10, 2001г.]. Устройство содержит корпус с двумя сопловыми головками, причем первая сопловая головка размещена на его переднем торце и ось ее выходного отверстия в плоскости переднего торца корпуса имеет угол наклона к оси вращения корпуса
и смещена относительно оси вращения, а вторая сопловая головка размещена на боковой поверхности корпуса так, что ось выходного отверстия второго сопла наклонена к оси вращения корпуса в сторону его переднего торца. Гидрорезание удаляемого материала обусловлено процессом его хрупкого разрушения вследствие возникновения и развития в нем микротрещин.
Недостатком данного изобретения является его низкая производительность, так как конструкция насадки, воздействуя струями рабочей жидкости на значительную площадь обрабатываемой поверхности, не обеспечивает достаточного для отделения прочноскрепленного покрытия удельного давления, и применима, в основном, для удаления хрупких низкопрочных материалов и отложений. Кроме того, применение гидроудара для удаления покрытия, на использовании которого основана работа данной насадки, может привести к деформации корпуса трубы, что недопустимо.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности обработки изделий за счет применения нового способа очистки внутренней поверхности труб от покрытия преимущественно на клеевой основе и обеспечивающего полное и эффективное его удаление.
Поставленная задача достигается тем, что в гидродинамическом способе очистки внутренней поверхности труб от покрытий, включающем ввод в очищаемую полость очистного элемента, подачу жидкости в корпус очистного элемента под давлением, перемещение очистного элемента относительно очищаемой полости с разрушением и отделением элементов покрытия и их удаление из зоны очистки, в покрытии происходит нарезание винтового паза, равного по глубине толщине покрытия, струей жидкости, формируемой первой сопловой головкой, ось которой нормальна к обрабатываемой поверхности, и последующее воздействие на зону контакта
покрытия с трубой в области винтового паза другой струей жидкости, формируемой второй сопловой головкой, ось симметрии которой образует с горизонталью угол β=15-60°, очищаемую полость приводят во вращение вдоль своей продольной оси симметрии, причем осевая подача очистного элемента связана с окружной скоростью вращения полости следующей зависимостью:
3
где V - скорость подачи,
2
V - окружная скорость вращения трубы в месте реза,
b - ширина удаляемой полосы покрытия,
k - ширина канавки, прорезаемой струей жидкости высокого давления,
формируемой первой сопловой головкой,
R - внутренний радиус трубы.
=
≥
k
Поставленная задача достигается также тем, что для реализации предложенного способа очистки внутренней поверхности труб от покрытий разработано устройство, содержащее корпус с сопловыми головками, имеющими каналы для подачи жидкости, причем ось симметрии первой сопловой головки перпендикулярна продольной оси корпуса очистного элемента и пересекает ее, а ось симметрии второй сопловой головки в горизонтальном сечении трубы образует с ее продольной осью симметрии угол φ0-45°, при этом расстояние вдоль продольной оси симметрии трубы между точками пересечения последней с осями симметрии сопловых головок со стороны сопел удовлетворяет условию lb, где  - длина заполняемого жидкостью клина,
ρ - плотность рабочей жидкости;
стр
V - скорость струи рабочей жидкости;
Е - модуль Юнга;
h - толщина покрытия;
a
F - величина отрывного усилия;
χ - коэффициент Пуассона;
0
l - длина отрываемой полосы покрытия,
при этом смещение точек контакта осей симметрии сопловых головок с покрытием в осевом направлении детали составляет ,
где b - ширина удаляемой полосы покрытия,
k - ширина канавки, прорезаемой струей жидкости высокого давления,
формируемой первой сопловой головкой, а также тем, что на корпусе, наряду с первой, размещены две вторые сопловые головки, расположенные симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось симметрии трубы.
а также тем, что на корпусе размещено 2 и более пар или троек первых и вторых сопловых головок.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 - фиг.4 изображено устройство для очистки внутренней поверхности труб, а на фиг.5 - фиг.7 - механизм воздействия на материал истекающих из сопловых головок струй рабочей жидкости.
Очистное устройство содержит корпус 1 с внутренним каналом 2 и две сопловые головки 3, 4, соединенные с внутренним каналом корпуса при помощи соединительных трубок 5, 6, составляющие очистной элемент. Для удобства эксплуатации очистного элемента и увеличения срока его использования сопловые головки выполнены сменными и содержат переходные втулки 7(8), сопла 9(10) и крепежные гайки 11(12) соответственно. Соединительные трубки прикреплены к корпусу при помощи резьбы. Рабочая жидкость от насоса попадает в корпус очистного элемента через подводящую магистраль 13, представляющую собой полую штангу, обеспечивающую позиционирование и жесткость устройства. При очистке полостей
большой протяженности для придания очистному элементу дополнительной жесткости на его корпусе размещен подвижный упор 14, представляющий собой, например, расположенные под углом 120° три ролика на опорах, один из которых подпружинен. Цифрами 15 и 16 на расчетной схеме обозначены сформированные струи рабочей жидкости, истекающие из первой и второй сопловой головки соответственно, и взаимодействующие с покрытием 17с образованием винтового паза 18 и полосы покрытия 19 шириной b.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявленного способа, заключается в повышении эффективности и качества очистки при сокращении времени и трудозатрат на ее проведение, причем предлагаемый гидродинамический способ обеспечивает очистку труб практически любого диаметра экологически чистым способом с возможностью повторного использования металлических элементов конструкций.
Процесс очистки внутренней поверхности трубы от покрытия происходит следующим образом. Очистной элемент вводят в очищаемую полость трубы, приводят трубу во вращение в направлении, обеспечивающем последовательное воздействие на покрытие струй рабочей жидкости, формируемых первой и второй сопловыми головками, одновременно обеспечивая перемещение относительно нее очистного элемента, при этом в корпус очистного элемента подается рабочая жидкость под давлением. В результате воздействия струй рабочей жидкости на обрабатываемую деталь происходит разрушение и отделение элементов покрытия и их удаление из зоны очистки, причем в покрытии происходит нарезание винтового паза, равного по глубине толщине покрытия, струей жидкости, формируемой первой сопловой головкой, ось которой нормальна к обрабатываемой поверхности, и последующее воздействие на зону контакта покрытия с трубой в области винтового паза другой струей жидкости, формируемой второй
сопловой головкой, ось симметрии которой образует с горизонталью угол β=15-60°, очищаемую полость приводят во вращение вдоль своей продольной оси симметрии, причем осевая подача очистного элемента связана с окружной скоростью вращения полости следующей зависимостью:
3
где V - скорость подачи,
2
V - окружная скорость вращения трубы в месте реза,
b - ширина удаляемой полосы покрытия,
k - ширина канавки, прорезаемой струей жидкости высокого давления,
формируемой первой сопловой головкой,
R - внутренний радиус трубы.
Достижение взаимного перемещения очистного элемента и трубы технически возможно также следующими способами: один из предметов полностью неподвижен, а второй, соответственно, перемещается относительно первого таким образом, что сопловые головки описывают относительно очищаемой полости винтовые линии.
k
Реализация данного способа очистки осуществляется специально созданным устройством. Основой устройства является очистной элемент, содержащий корпус с сопловыми головками, имеющими каналы для подачи жидкости. Ось симметрии первой сопловой головки перпендикулярна продольной оси корпуса очистного элемента и пересекает ее, а ось симметрии второй сопловой головки в горизонтальном сечении трубы образует с ее продольной осью симметрии угол φ=0-45°, при этом расстояние вдоль продольной оси симметрии трубы между точками пересечения последней с осями симметрии сопловых головок со стороны сопел удовлетворяет условию l≥b,
где  - длина заполняемого жидкостью клина,
ρ - плотность рабочей жидкости;
стр
V - скорость струи рабочей жидкости;
Е - модуль Юнга;
h - толщина покрытия;
a
F, - величина отрывного усилия;
χ - коэффициент Пуассона;
0
l - длина отрываемой полосы покрытия,
при этом смещение точек контакта осей симметрии сопловых головок с покрытием в осевом направлении детали составляет , где b - ширина удаляемой полосы покрытия, k - ширина канавки, прорезаемой струей жидкости высокого давления, формируемой первой сопловой головкой.
При реализации конструктивной схемы очистки с неподвижной трубой необходимо, чтобы хвостовая часть корпуса очистного элемента (или штанги, на конце которой закреплен корпус) была соединена с приводом подачи и вращения очистного элемента.
В различных конструктивных исполнениях на корпусе очистного элемента может быть размещено 2 и более пар или троек первых и вторых сопловых головок, последовательно реализующих описанный выше механизм удаления покрытия.
Гидромеханическое устройство работает следующим образом.
По полой штанге 13, выполняющей роль подводящей магистрали, в корпус очистного элемента 1 от насоса под давлением подается рабочая жидкость. Проходя по каналу 2, она разделяется на два потока, попадая в соединительные трубки 5 и 6, и по ним - в первую 3 и вторую 4 сопловые головки. Сформированная струя рабочей жидкости 15, истекающая из первой сопловой головки 3, осуществляет гидрорезание удаляемого покрытия 17, прорезая его на всю глубину. Следует отметить, что на параметры резания будут оказывать существенное влияние как механические свойства
покрытия, так и геометрия и кинематика сформированной струи, а также скорости подачи и окружного вращения трубы. Сопловые головки описывают относительно очищаемой полости винтовые линии, в результате чего в покрытии вследствии воздействия на него струи жидкости из первой сопловой головки 3 происходит нарезание винтового паза 18, равного по глубине толщине покрытия. Данная кинематическая схема должна обеспечивать гарантированное разрушение покрытия на всю толщину за один проход инструмента, не повреждая при этом внутренней поверхности трубы. Струя рабочей жидкости 16, истекающая из второй сопловой головки, осуществляет разрушение и отделение элементов покрытия и их удаление из зоны очистки, взаимодействуя уже с полосой покрытия 19 шириной b. Воздействие осуществляется на зону контакта покрытия с трубой в области винтового паза. Угол наклона оси симметрии второй сопловой головки β=15-60° в вертикальной плоскости к горизонтали обеспечивает необходимое усилие для преодоления струей прочностных и адгезионных свойств материала покрытия при его отделении, а взаимное смещение сопел - реализацию механизма «стружкообразования». Длина удаляемой полосы покрытия до излома может существенно колебаться и зависит от механических свойств его материала. В случае, когда длина очищаемой полости существенно превышает ее диаметр, для обеспечения жесткости системы при очистке целесообразно использовать размещенный на корпусе очистного элемента подвижный упор 14. В противном случае, когда внутренний диаметр отверстия обрабатываемой детали значительно больше его длины и существенно превышает диаметр корпуса очистного элемента, для сохранения энергетики струи рабочей жидкости в зоне контакта с разрушаемым покрытием целесообразно размещать очистной элемент в непосредственной близости от обрабатываемой поверхности параллельно оси симметрии детали. В любом случае, минимальное расстояние между сопловой головкой и поверхностью покрытия выбирается из условия невозможности
контакта последних при любых углах наклона сопел, радиусов трубы и жесткости пружины упора, а максимальное - исходя из геометрии и кинематики струи рабочей жидкости, определяемой конфигурацией сопла и давлением в подводящей магистрали. Это расстояние обычно определяется длиной эффективного участка струи и составляет 20-30 диаметров сопла. Таким образом, суммарное воздействие струй на поверхность материала покрытия позволяет повысить производительность обработки изделия в несколько раз.
Пример реализации.
3
3
2
6
2
0
стр
a
3
2
3
Потоками рабочей жидкости плотностью ρ=1·10 кг 1м, проходящими через две сопловые головки с выходным диаметром 0,2 мм, воздействовали на поверхность материала, имеющего прочность на разрыв σ=360кгс/см. В процессе обработки использовалось магистральное давление Р=60 МПа, обеспечивающее скорость струи рабочей жидкости V=200 м/с и величину отрывного усилия F=11·10 Н/м. Скорость вращения трубы радиуса R=150мм составила n=12,5 об/мин, скорость подачи соплового блока при широне удаляемой полосы покрытия b=13мм составила V=2,71мм /с, Угол наклона резьбовой линии к образующей обрабатываемой полости α=arctg(V/V)=89,6°, угол наклона оси симметрии второй сопловой головки в вертикальной плоскости к горизонтали β=30°, в горизонтальной плоскости к продольной оси симметрии трубы φ=15° при расстоянии от переднего торца сопла до покрытия Н=8 мм.
-3
1
В результате, суммарное воздействие струй жидкости, истекающих из сопловых головок, позволяет производить гарантированное удаление покрытия шириной b=15 мм за один оборот (с учетом канавки, формируемой первой сопловой головкой) при толщине покрытия h=l·l0 м, не повреждая при этом очищаемую поверхность. Скорость резания V определялась
по известным зависимостям [М. Хашиш, М.П. Дюплесси. Теоретическое и экспериментальное исследование проникания непрерывной струи в твердую среду. /М.: Конструирование, 1978 г., т.100, №1, с.280-286.].
Преимущество предлагаемого способа очистки и устройства для его осуществления заключается в использовании совместного воздействия струй жидкости, истекающих из сопловых головок очистного элемента и реализующих заданный механизм отделения покрытия. Данный способ не требует значительных энергозатрат и большого расхода используемой жидкости, использование сменных сопловых головок и соединительных трубок в очистном устройстве позволяет регулировать геометрию и кинематику формируемых струй жидкости в зависимости от свойств материала покрытия.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает возможность очистки труб практически любого диаметра экологически чистым способом с возможностью повторного использования металлических элементов конструкций. Известные, используемые в настоящее время аналогичные средства для решения подобных задач не обеспечивают эффективности и качества очистки на уровне приведенных выше результатов.