РАБОЧИЙ ЭЛЕКТРОД ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ (ВАРИАНТЫ)
WORKING ELECTRODE OF ELECTROHYDRAULIC PLANT (VERSIONS)

Предложение относится к элементам оборудования, использующего явления, сопровождающие мощный искровой электрический разряд в воде, то есть электрогидравлический (далее - ЭГ) эффект, для осуществления различных технологических процессов, в частности для дробления камня, руд, бетонных отходов, обеззараживания воды, котонизации льна.
В указанном оборудовании (ЭГ установках) разряд происходит между так называемым рабочим электродом, присоединенным к положительному высоковольтному полюсу источника питания (генератора импульсных токов) и обычно заземленным и соединенным с отрицательным полюсом источника питания конструктивным элементом оборудования.
Рабочие электроды (далее - электроды) представляют собой металлические стержни (в уровне техники они иногда называются тоководами или токопроводами), сплошные или полые, цельные или составные, окруженные по всей длине, кроме концов, изолирующей оболочкой. Встречающиеся в уровне техники термины «изолятор», «изоляция», «изолирующая оболочка», «изоляционная оболочка» с функциональной точки зрения обозначают одно и то же, являются синонимами. Но термин «изолятор» в строгом толковании означает самостоятельную деталь, а изолирующая оболочка, о которой пойдет речь в настоящем описании, является не деталью, а частью электрода, являющегося сборочной единицей, согласно ГОСТ 2.101-68 или даже узел. В конструктивном же отношении для краткости далее будет использоваться слово «оболочка» без указания на ее изоляционные свойства.
К одному из концов стержня присоединяется источник питания, другой конец (далее он будет называться рабочим концом), с которого исходит разряд, погружается в воду.
Для возникновения искрового разряда при подаче на электрод высоковольтного импульса принципиально важно, чтобы площадь соприкасающегося с водой неизолированного рабочего конца стержня была минимальна. При невыполнении этого условия накопительный конденсатор источника питания разряжается через воду раньше, чем образуется проводящий канал для искры. Если искра все же образуется, то все равно значительная часть энергии источника бесполезно протекает через воду, снижая тем самым энергоэффективность процесса.
Прилегающий к рабочему концу электрода участок оболочки разрушается совместным воздействием ударной волны, электрической искры и ультрафиолетового излучения, сопровождающих разряд. Гидравлические удары, воздействуя на обожженную искрами торцевую часть оболочки, вызывают появление трещин. Повторяющиеся гидравлические удары, углубляя трещины, распарывают оболочку вдоль стержня, увеличивая тем самым площадь контактирующей с водой поверхности стержня. Со временем поверхность настолько увеличивается, что искровой разряд уже не развивается и работа установки прекращается.
Электрод снимают с установки и ремонтируют, срезая разрушенную изоляцию, восстанавливая форму и целостность торцевой части оболочки и укорачивая стержень, а тем самым и электрод. Замена быстро укорачивающихся электродов является основной статьей расходов на эксплуатацию ЭГ установок. Ресурс электрода заданной исходной длины определяется потерей длины на каждый ремонт и продолжительностью непрерывной работы от ремонта до ремонта. Важнейшим показателем надежности рабочих электродов является наработка между отказами (от ремонта до ремонта). Она должна составлять не менее 20 тысяч импульсов, для того чтобы промышленное использование ЭГ установок было рентабельным. Наработка между отказами известных из уровня техники электродов ниже указанного более чем на порядок.
Здесь и ниже содержание терминов, относящихся к надежности электродов, толкуется в соответствии с ГОСТ 27.002-89:
Ресурс - суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации до перехода в предельное состояние.
Предельное состояние - состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.
Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.
Критерий отказа - признак или совокупность признаков нарушения работоспособного состояния объекта, установленные в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Наработка между отказами - наработка объекта от окончания восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа.
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.
Известны технические решения, направленные на повышение ресурса электродов, заключающиеся в применении составных стержней, состоящих из металлической трубки, жестко закрепленной в изолирующей оболочке, и пропущенной через нее подвижной центральной части, выполненной из проволоки [Л.А.Юткин. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: "Машиностроение", 1986, с.97] или стального каната [патент РФ №2013135 С1]. Торцевая часть трубки устанавливается заподлицо с торцевой частью оболочки. Выпуская центральную часть за торцевую часть оболочки, стремились отдалить тем самым место развития разряда от оболочки.
Однако это решение не увеличивает срок службы электродов. Вследствие недостаточно изученных причин, в таких конструкциях разряды очень часто развиваются от трубки, находящейся в электрическом контакте с центральной частью. Такие разряды быстро разрушают оболочку, непосредственно примыкающую к трубке.
Известны также технические решения, направленные на повышение ресурса электродов, заключающиеся в применении специальных металлических наконечников, закрывающих торцевую часть оболочки. Известны, например, сходные по конструкции рабочие электроды для дробления и измельчения различных материалов при напряжениях порядка 300…400 кВ, содержащие металлический стержень, размещенный в изоляторе из полиэтилена высокого давления [патент RU №1781892, патент RU №1790069]. Рабочие концы составных стержней известных электродов снабжены навинчивающимися наконечниками, имеющими углубление, в котором располагается коническая концевая часть изолятора. В схожем по конструкции электроде [патент РФ №2013135 С1] с составным стержнем, наоборот, наконечник, укрепленный на конце гибкого токовода, пропущенного через стальную трубку, жестко закрепленную в изоляторе, частично погружен в углубление на его торце. Во всех трех электродах диаметр наконечника превышает диаметр торцевой части изолятора. Тем самым торец оболочки, по замыслу авторов указанных изобретений, защищается от разрушения разрядами и ударной волной.
Но при характерных для технологических ЭГ установок напряжениях порядка 50 кВ такие электроды очень неэкономичны, поскольку из-за большой площади соприкасающейся с водой поверхности наконечника значительная часть энергии высоковольтного импульса расходуется на бесполезный нагрев воды.
Кроме того, указанные решения повышают ресурс электродов очень незначительно. Вода достаточно плотная среда и передает ударную волну по всем направлениям. Поэтому изолятор подвергается воздействию ударной волны и с боков, а не только с торца, где он защищен наконечником.
Известен также рабочий электрод электроразрядной установки для разрушения отходов железобетона, состоящий из стального стержня, окруженного по всей длине, за исключением концов, изолирующей оболочкой из полиэтилена. Торцевая часть оболочки со стороны рабочего конца выполнена в виде конической воронки и для предотвращения образования трещин оснащена охватывающим ее бандажом в виде металлического трубчатого экрана. Электрод использовался в установке с напряжением 350 кВ [патент SU №1741900 А1]. Такой электрод непригоден для ЭГ установок, работающих при напряжениях, близких к 50 кВ. Наличие экрана увеличивает фактическую поверхность контакта стержня с водой, поскольку электрическое сопротивление узкой прослойки воды между ним и стержнем невелико. Источник питания успевает разрядиться через воду раньше, чем разовьется искровой разряд. Техническая сложность электрода затрудняет его восстановление после износа.
Изолирующая оболочка из полиэтилена имеет невысокую стойкость к истиранию и к действию ультрафиолетового излучения искрового разряда.
Известен также электрод, состоящий из металлического стержня с гладкой поверхностью, окруженного изолирующей оболочкой [патент РФ №2099142 С1]. Электрод такой конструкции лучше работает при напряжениях порядка 50 кВ, но его долговечность мала из-за недостаточной стойкости изоляции торцевой части оболочки, подвергающейся воздействию со стороны разрушаемого сырья, ударной волны, искровых разрядов. Кроме того, стержень без наконечника, как бы туго он ни был запрессован в оболочку, под воздействием повторяющихся гидравлических ударов сдвигается в оболочке. После того, как он сдвинулся, его связь с оболочкой резко ослабевает, и он быстро загоняется внутрь оболочки. Выступание стержня за оболочку уменьшается, разряды приближаются к торцевой части оболочки, ускоряя ее разрушение. Когда конец стержня оказывается внутри оболочки, искровые пробои становятся нерегулярными или прекращаются совсем. Даже новый, еще не укороченный переточками электрод, в котором сдвинулся стержень, становится непригодным к работе и не подлежит восстановлению.
В описанных выше известных электродах в качестве материала для оболочки обычно используется полиэтилен высокого давления [патенты SU №1741900 А1, 1781892 А1 и 1790069 А1]. Согласно патенту РФ №60627 U1 стержень либо запрессовывают в нагретый изолятор, либо изолятор прессуют из расплавленных гранул непосредственно на стержне в пресс-форме, из которой откачивают воздух.
Ресурс электродов с такой оболочкой, улучшенных согласно патенту SU №1741900 А1, не превышает 1250 импульсов [См.: А.Н.Баранов, Н.Т.Зиновьев, Ж.Г.Танбаев // Исследование трекингостойкости изоляции высоковольтных электродов электроимпульсных установок разрушения некондиционного железобетона // В сб.: «Физика импульсных разрядов в конденсированных средах (тезисы докладов V-й Всесоюзной школы), сентябрь 1991 г., Институт импульсных процессов и технологий АН УССР, г.Николаев]. Для промышленных ЭГ установок такой ресурс недостаточен.
Известно также техническое решение, направленное на повышение ресурса электродов, отличающееся от вышеописанных тем, что радикально изменяются механические свойства материала оболочки. В электроде для электроимпульсного разрушения твердых материалов, содержащем установленный в изоляционной оболочке составной стержень в виде полого токопровода, свободно вставленного в металлическую втулку, оболочка выполнена из упругого, губчатого материала, пропитанного диэлектрической жидкостью [патент РФ №60627 U1]. Из-за технической сложности и низкой механической прочности такой электрод непригоден для использования в установках для дробления горных пород, где электрод погружается в слой разрушаемых камней. Ресурс такого электрода по данным, указанным в описании патента, составляет около 300 импульсов. Для промышленных ЭГ установок такой ресурс абсолютно недостаточен.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является рабочий электрод электрогидравлической дробилки, состоящий из металлического стержня, окруженного изолирующей оболочкой, свободные концы которого выступает за оболочку на небольшую длину [свидетельство на ПМ РФ №18360]. Один конец стержня служит для присоединения к высоковольтному источнику питания, а другой, погружаемый при работе в воду, является рабочим. В описании полезной модели отмечено, что материал оболочки должен обладать высокой стойкостью к действию воды, ударной волны, ультрафиолетового излучения и абразивному действию разрушаемого сырья.
Недостатком известного электрода является низкая надежность. Известный электрод имеет малую наработку между отказами и невысокий ресурс из-за необходимости частых и неэкономных переточек, обусловленных деградацией оболочки. Кроме того, для электродов известной конструкции частым явлением являются внезапные отказы, вызванные смещением стержня относительно оболочки под воздействием гидравлических ударов.
Техническая задача, решаемая настоящим предложением, состоит в повышении надежности рабочих электродов технологических ЭГ установок.
Она решается тем, что в известном рабочем электроде электрогидравлической установки, содержащем металлический стержень, окруженный изолирующей оболочкой, на стержень нанесен грунтовочный слой, а оболочка выполнена литой из полиуретанового эластомера.
Кроме того, в известном рабочем электроде электрогидравлической установки, содержащем металлический стержень, окруженный изолирующей оболочкой, на стержень нанесен грунтовочный слой, а оболочка выполнена литой из полиуретанового эластомера, обладающего следующими свойствами:
- условная прочность при растяжении не менее 30 МПа;
- относительное удлинение при разрыве не менее 300%;
- твердость по Шору А 70…90 условных единиц.
Кроме того, в известном рабочем электроде электрогидравлической установки, содержащем металлический стержень, окруженный изолирующей оболочкой, стержень имеет переменную площадь сечения по своей длине и на него нанесен грунтовочный слой, а оболочка выполнена литой из полиуретанового эластомера.
Кроме того, поверхность стержня выполнена волнистой с периодом волны, равным длине выступающей из оболочки части стержня на рабочем конце электрода.
Кроме того, поверхность стержня выполнена с кольцевыми канавками, расположенными с шагом, равным длине выступающей из оболочки части стержня на рабочем конце электрода.
Кроме того, в известном рабочем электроде электрогидравлической установки, содержащем металлический стержень, окруженный изолирующей оболочкой, стержень имеет, по меньшей мере, одну винтовую канавку или гребень с углом подъема не более 15°, на него нанесен грунтовочный слой, а оболочка выполнена литой из полиуретанового эластомера.
Кроме того, в известном рабочем электроде электрогидравлической установки, содержащем металлический стержень, окруженный изолирующей оболочкой, стержень имеет микронеровности, на стержень нанесен грунтовочный слой, а оболочка выполнена литой из полиуретанового эластомера.
Наличие грунтовочного слоя на поверхности стержня многократно увеличивает наработку электрода между отказами и повышает безотказность электрода за счет хорошего сцепления стержня с изолирующей оболочкой, исключающего отслаивание изоляции от стержня и смещение стержня в оболочке под действием ударной волны.
Благодаря выполнению оболочки литой, повышается безотказность электрода за счет увеличения ее электрической прочности и улучшения сцепления стержня с оболочкой, удешевляется процесс изготовления электрода.
Благодаря использованию литого полиуретанового эластомера в качестве материала для изолирующей оболочки, охватывающей стержень через промежуточный грунтовочный слой, многократно увеличивается наработка электрода между отказами и его ресурс.
Благодаря указанным механическим свойствам эластомера обеспечивается длительная наработка электрода между отказами за счет высокой стойкости торцевой части изолирующей оболочки к импульсно-периодическому действию ударной волны.
Благодаря использованию в качестве материала для изолирующей оболочки литого полиуретанового эластомера с установленным нижним пределом твердости в 70 условных единиц по Шору А многократно увеличивается наработка электрода между отказами и его ресурс.
Благодаря использованию в качестве материала для изолирующей оболочки литого полиуретанового эластомера с установленным верхним пределом твердости в 90 условных единиц по Шору А обеспечивается высокий ресурс электрода за счет повышения долговременной стойкости оболочки к импульсно-периодическому действию ударной волны.
Наличие грунтовочного слоя и микронеровностей на поверхности стержня, а также выполнение стержня с переменным поперечным размером или со спиральной канавкой/гребнем по длине повышает безотказность электрода за счет хорошего укрепления стержня в изолирующей оболочке, исключающего отслаивание изоляции от стержня и смещение стержня в литой оболочке из полиуретанового эластомера под действием ударной волны.
Выполнение стержня электрода с волнистой поверхностью или кольцевыми проточками, период которых равен длине выступающей из оболочки части стержня на рабочем конце электрода, упрощает ремонт электрода.
Выполнение стержня со спиральной канавкой или гребнем упрощает его изготовление в больших количествах и повышает надежность работы электрода, благодаря постоянству поперечного сечения стержня по всей его длине.
Существо предложения иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 изображен предложенный электрод в разрезе.
На фиг.2 изображен в более крупном масштабе разрез центральной части электрода.
На фиг.3 изображен разрез электрода со спиральной канавкой на поверхности стержня.
На фиг.4 изображен разрез электрода со спиральным гребнем на поверхности стержня.
Предложенный электрод состоит из металлического стержня 7, с нанесенным на него грунтовочным слоем 2, окруженным литой изолирующей оболочкой 3 (далее - оболочкой) из полиуретанового эластомера. Стержень может быть выполнен многослойным или составным, круглого или иного поперечного сечения. Назначение грунтовочного слоя 2 - усилить сцепление между стержнем 7 и оболочкой 3, чтобы предотвратить продольное смещение стержня и образование щели между торцевой частью оболочки и стержнем под воздействием повторяющихся гидравлических ударов.
При больших токовых нагрузках, когда стержень 7 заметно нагревается, сцепление между загрунтованным стержнем и оболочкой становится ненадежным. Для повышения надежности вдоль своей длины стержень круглого сечения может быть выполнен с переменной площадью поперечного сечения. Например, его поверхность может быть ступенчатой или, как это показано на фиг.1, волнистой. При небольшой потребности в электродах проще использовать ступенчатую поверхность, которая создается неглубокими кольцевыми канавками (проточками). Шаг проточек или длина волны могут быть равными длине выступающей из оболочки части стержня на рабочем конце электрода до начала эксплуатации. При оптимальном сочетании ресурсов оболочки и стержня эта длина совпадает с длиной оболочки, удаляемой при переточке электрода. Если стержень не круглого, а например, овального или прямоугольного сечения, то переменным может быть один или несколько его поперечных размеров.
Смещение стержня также может быть предотвращено нанесением на поверхность стержня, по меньшей мере, одной винтовой канавки (бороздки) 4 или, по меньшей мере, одного винтового (спирального) гребня 5. Возможно нанесение и большего числа канавок/гребней, образующих на поверхности стержня многозаходную резьбу.
Если потребность в электродах велика, то стержни с канавкой или гребнем оказываются дешевле в производстве, чем стержни с переменным поперечным сечением. Кроме того, постоянное поперечное сечение по длине стержня с пазом/гребнем исключает его локальные перегревы при работе. Глубина паза/высота гребня должны быть не менее 0,07 диаметра стержня.
Для того чтобы даже при потере сцепления между стержнем 1 и грунтовкой 2 стержень не выскальзывал (не вывинчивался) из оболочки 3 под действием ударных волн, угол β подъема канавки/гребня, измеряемый углом между винтовой линией канавки/гребня и плоскостью, перпендикулярной оси стержня (фиг.1 и 2), должен быть не более 15°. Это ограничение на угол β проверено экспериментально для эластомеров и грунтовок различного состава, медных и стальных стержней. При углах β, больших 15°, возможно постепенное вывинчивание стержня под воздействием повторяющихся ударов, особенно когда стержень подогрет протекающим током. При β=0 винтовые канавки превращаются в кольцевые.
Со стороны рабочего конца 6 стержень 1 заострен и выступает из оболочки 3 на небольшую длину. С другого конца на стержне может быть резьба 7 для присоединения провода от источника питания.
Для улучшения сцепления стержня 1 с грунтовочным слоем 2 его поверхность может быть покрыта микронеровностями 8, например, от пескоструйной обработки или наждачной шкурки. Характерный размер микронеровностей 1…100 мкм. Форма микронеровностей не нормируется. Микронеровности 8 увеличивают сцепление грунтовочного слоя 2 со стержнем. Это предотвращает отслаивание оболочки от стержня на торцевой части электрода, увеличивая тем самым наработку электрода между отказами и его ресурс.
В качестве грунтовочного слоя 2 может быть использован полиуретановый клей-грунтовка, например типа АДВ-А-23 ТУ 2252-093-22736960-04. В ходе длительных испытаний электродов с грунтовками указанного и других типов смещение загрунтованного стержня относительно оболочки не отмечалось ни разу независимо от типа грунтовки. Тогда как стержни, прошедшие пескоструйную обработку, но не загрунтованные, выбивались ударной волной из литой оболочки в первые же два часа работы.
В качестве материала изоляционной оболочки 3 используется полиуретановый эластомер. Оболочка из этого материала обладает высокой стойкостью к абразивному действию среды, в которую погружен электрод, воздействию электрической искры и ультрафиолетового излучения. Хорошие прочностные характеристики оболочки сохраняются в широком диапазоне температур, в том числе и отрицательных.
Главным фактором, определяющим ресурс электродов, является износ торцевой части оболочки, который проявляется в виде трещин, начинающихся от торца рабочего конца 6 электрода и распространяющихся вдоль электрода. Критерием отказа торцевой части оболочки по длине трещин является состояние, когда длина трещин достигает 15 мм. Начиная с этой длины, скорость роста трещин начинает существенно превышать скорость износа стержня. Потери длины электрода при его ремонте возрастают, полный ресурс электрода сокращается, эксплуатационные расходы растут.
Полиуретановые эластомеры обычно получаются смешением с последующим отверждением, по меньшей мере, двух компонентов. Опытным путем установлено, что для изолирующей оболочки важным является не химический состав и соотношение компонентов, не температурный режим отверждения - они могут варьировать, а механические свойства получаемого эластомера. Предельные значения механических свойств определялись экспериментально в ходе опытно-промышленных испытаний десятиэлектродной ЭГ дробилки для камня. Материал считался годным для изготовления оболочки 3, если в режиме с частотой повторения разрядов 2 Гц при энергии разряда 4 кДж наработка между отказами, вызванными деградацией торцевой части оболочки, превышала 3 часа. Это время примерно соответствовало времени износа стержня и было приемлемым для промышленного применения ЭГ установок.
Экспериментальным путем установлено, что материал изолирующей оболочки отвечает этому критерию, если его условная прочность при растяжении, определяемая согласно ГОСТ 270-75, превышает, по меньшей мере, 30 МПа. Ограничение по верхнему пределу установлено не было, по крайней мере, до 50 МПа: ресурс торцевой части плавно, но незначительно увеличивался с ростом этого показателя.
Экспериментальным путем также установлено, что материал оболочки отвечает вышеуказанному критерию пригодности, если его относительное удлинение при разрыве, определяемое согласно ГОСТ 270-75, превышает, по меньшей мере, 300%. Ограничения по верхнему пределу выявлено не было, по крайней мере, до 550%: ресурс торцевой части монотонно увеличивался с ростом этого показателя.
Экспериментальным путем также установлено, что твердость по Шору А материала оболочки, определенная согласно ГОСТ 263-75, должна находиться в пределах 70…90 условных единиц. При твердости, меньшей чем 70 и большей чем 90 условных единиц, трещины в торцевой части оболочки растут быстрее, чем изнашивается стержень. При меньшей твердости помимо трещин становится значимым абразивный износ оболочки, тех ее участков, которые находятся в удалении от конца электрода и подвергаются воздействию абразивного действия разрушаемого материала длительное время. Кроме того, электроды, обычно подвергаемые изгибающему воздействию со стороны обрабатываемого сырья, при твердости менее 70 условных единиц плохо сопротивляются изгибу. При большей твердости трещины появляются позднее, но, возникнув, растут быстрее, из оболочки выкрашиваются отдельные куски. Скорость роста трещин в чрезмерно твердой изоляции растет с увеличением частоты следования разрядных импульсов, что свидетельствует об усталостном характере износа. Оболочка также подвергается абразивному износу, но если полиуретановый эластомер обладает хорошей стойкостью к образованию трещин, то сравнительно небольшим оказывается и абразивный износ.
Толщина оболочки из полиуретанового эластомера определяется из условия получения достаточно жесткого в механическом отношении электрода. Она всегда автоматически оказывается достаточной для обеспечения электрической прочности оболочки при напряжениях до 100 кВ.
Предложенные электроды изготавливаются путем заливки полиуретановой, обычно двухкомпонентной, литьевой системой помещенного в форму загрунтованного стержня. Небольшое количество газовых пузырьков, остающихся в оболочке, не вызывает заметного снижения ее электрической прочности и потому заливка производится без вакуумирования при атмосферном давлении.