АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫБОРКИ УЧАСТКА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ

Заявляемое устройство применяется для удаления поверхностного участка металла, в частности, при ремонте сварных швов в полевых или цеховых условиях.
Устранение дефектов, например, сварного шва в этих случаях диктует свои требования: устройство должно быть малогабаритным, легко монтируемым, не требующим большого потребления энергии и высокой квалификации обслуживающего персонала.
Как известно, при сварке трубопроводов в швах могут образовываться микротрещины, поры, воздушные вкрапления, раковины и пр. Для их удаления необходимо послойно снять сварной шов до устранения его дефектов. После этого шов выполняют повторно.
Для устранения дефектов традиционно используются угловые шлифовальные машинки, с помощью которых вручную снимают слой за слоем поврежденного шва (http://www.sverlim.ru/index.php?Chap=964). Недостатком является низкая производительность метода, и то, что микротрещины, поры и т.п. забиваются отходами шлифования и визуально становятся неразличимы. К тому же по всей поверхности толщина снимаемого слоя будет различаться, т.к. вручную невозможно обеспечить одинаковое усилие на шлифовальную машинку, что затруднит в дальнейшем процесс сварки.
Для ускорения процесса устранения дефектов металлов и повышения качества этого процесса используется также механическая обработка:
вырубка, фрезерование, токарная обработка. Данные технологии ремонта регламентированы СТО Газпром 2-2.2-649-2012. Самым высокопроизводительным оборудованием в этой области являются навесные токарные трубообрабатывающие станки орбитального (охватывающего) типа (см. http://pdf.directindustry.com/pdf/gbc-industrial-tools/gbc-pipe-cold-beveling-machines/27909-82465.html). К недостаткам этих устройств можно отнести высокую стоимость оборудования, невозможность проведения выборки отдельных локальных участков сварного шва (т.е. снятие поверхностного слоя происходит по всему периметру трубы, что неэкономично), для каждого диаметра трубы необходима своя модификация станка.
Для снятия металлического слоя может быть использована также ручная воздушно-дуговая резка угольным электродом. Посредством электродержателя с угольным электродом при одновременной подаче воздуха в зону электрической дуги производят снятие слоев металла вручную, например, с металлической трубы (http://www.youtube.com/watch?v=Se74UwxJufg). Недостатком является то, что в процессе резки угольный электрод изнашивается, поэтому трудно поддерживать стабильное расстояние между поверхностью металла и самим электродом, поскольку операция осуществляется вручную. Это может привести к нестабильности дуги, вплоть до прекращения горения. Скорость перемещения угольного электрода является неравномерной, в результате чего поверхность обработки становится неровной (волнистой). Кроме того, при выборке угольным электродом происходит науглероживание обрабатываемого металла, что отрицательным образом сказывается на его химико-механических свойствах. Т.е. поверхность обрабатываемого металла становится более хрупкой.
Взамен угольных электродов в настоящее время используется плазматрон см., например, фирма ESAB (Швеция) - http://www.nordweld.ru/ru/catalogue/esab/plasma/manual-plaz/rezaki/220/. Суть процесса воздушно-плазменной выборки заключается в удалении металла с поверхности потоком плазмы которая, частично проникая в толщину металла, не производит сквозного прожога. Специализированный резак виде плазмотрона повернут углом вперед по ходу его движения на 25-60° и перемещается оператором вручную или автоматически. По сравнению с механической обработкой технология выборки металла с применением воздушно-плазменной дуги выигрывает как в скорости выборки металла, так и в удельной мощности. Преимуществом также является снижение шума, уменьшение загрязнения воздуха, снижение энергозатрат. Может быть выполнена выборка всех электропроводных материалов (даже высоколегированных сплавов, в т.ч. и алюминиевых). Недостатком упомянутого устройства является узкая зона выборки металла - максимум 5-7 мм. Для выборки участка металла более 5-7 мм необходимо проводить ее в несколько проходов. При этом поверхность металла получается неравномерной из-за U-образного характера выборки при каждом проходе рабочего инструмента.
Наиболее близким техническим решением является патент РФ №2257986, B23K 31/10, опубл. 10.08.2005. Автомат для воздушно-дуговой выборки металла содержит приводную тележку, резак с возможностью поворота, держателем электрода, закрепленный на оси корпуса тележки, воздухопровод и инжектор. На корпусе посредством рычага крепится груз-балансир. По мере сгорания угольного электрода груз-балансир давит на него, чем обеспечивает постоянное усилие прижатия, т.е. зазор между электродом и обрабатываемой металлической поверхностью остается постоянным. Изменяя давление воздушного потока, можно изменить расстояние от угольного электрода до зоны резки. Недостатком конструкции автомата является то, что электрод является угольным, т.е. имеет место науглероживание поверхности резки, что приводит к охрупчиванию металла, и задымленности рабочей зоны. Это отрицательным образом сказывается на экологических характеристиках технологии воздушно- дуговой резки в целом и устройства по патенту, в частности. Кроме того этот автомат позволяет обрабатывать поверхность только в горизонтальной плоскости, т.к. сила тяжести действует только в вертикальном направлении.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание автоматического устройства высокой производительности и экологичности для удаления дефектных участков металлических изделий во всех пространственных положениях с регулируемой шириной выборки.
Технический результат достигается тем, что автоматическое устройство для выборки участка поверхности металлического изделия, содержащее автоматическую головку с резаком, размещенную на приводной тележке, установленной на направляющей, выполненной с возможностью ее установки на обрабатываемое изделие, снабжено механизмом колебания, установленным с возможностью изменения угла его наклона относительно приводной тележки, при этом резак выполнен в виде плазмотрона и установлен на механизме колебания с возможностью изменения угла наклона плазмотрона по отношению к поверхности обрабатываемого изделия. Направляющая выполнена с возможностью установки на изделие, расположенное под углом от 0 до 180° к линии горизонта.
Фиг.1 - вид сбоку на устройство, установленное на трубе.
Фиг.2 - вид спереди на устройство, установленное на трубе.
Фиг.3 - вид сбоку на устройство, установленное на плоской детали, расположенной под углом к горизонту.
На обрабатываемом металлическом изделии 1 (Фиг.1) расположена направляющая 2, на которой закреплена автоматическая головка 3. Автоматическая головка 3 размещена на приводной тележке 4, установленной на направляющей 2. Предлагаемое устройство снабжено механизмом 5 колебания, установленным на платформе 6 с возможностью изменения угла его наклона относительно приводной тележки 4 посредством механизма 7 (например, винтового) (Фиг.2). На механизме 5 колебания установлен резак 8 в виде плазмотрона, содержащего сопло 9 с электродом (не показан) и узел 10 изменения угла его наклона по отношению к поверхности обрабатываемого металлического изделия 1 (на Фиг.1 - к трубе, на Фиг.3 - к металлическому листу). Электрод выполнен из меди (медного сплава) с циркониевой или гафниевой вставкой. По сравнению с электродом из углерода они обладают высокой стойкостью, что обеспечивает долговечность их службы и не науглероживают поверхность обрабатываемого металлического изделия 1. На верхней части механизма 5 колебания расположена ручка 11 регулирования зазора между резаком 8 и поверхностью обрабатываемого металлического изделия 1. На нижней части механизма 5 колебания расположен механизм 12 (например, винтовой) смещения центра колебания резака 8. Запуск и управление параметрами процесса выборки металла осуществляется с пульта управления (не показан).
Устройство работает следующим образом.
На обрабатываемое металлическое изделие 1, расположенное под углом α от 0 до 180° (Фиг.1) в месте выявленных дефектов локальных участков сварного шва закрепляют направляющую 2 посредством замка, магнита и др. (не показаны), на которой устанавливают автоматическую головку 3. Посредством узла 10 изменения угла наклона резака 8 выставляют угол выборки в диапазоне 25-60° углом вперед по ходу его движения, после чего механизмом 12 выставляют центр колебания резака 8 на место предполагаемого дефекта обрабатываемого металлического изделия 1. Ручкой 11 выставляют зазор между резаком 8 и обрабатываемым металлическим изделием 1 в диапазоне 3-6 мм. На пульте управления выставляют размах колебаний от 0 до 50 мм, определяющий ширину выборки. С пульта управления включают процесс автоматической выборки. Благодаря наличию механизма 5 колебания резак 8 совершает колебательные движения поперек движения перемещения автоматической головки 3. В результате можно охватить большую площадь обрабатываемой поверхности за один проход резака 8 и снять более тонкий слой металла при выборке дефектов. Кроме того, ввиду того, что процесс автоматизирован, автоматическая головка 3 обеспечивает равномерность перемещения резака 8, в результате чего срез металла получается ровным и чистым. Это позволяет облегчить процесс подготовки этого участка к последующей сварке.
Предлагаемое устройство можно использовать для устранения дефектов труб диаметром от 219 до 1420 мм, поскольку устройство снабжено набором направляющих под разные типоразмеры труб.
В случае обработки листового материала используют отдельную направляющую на магнитных опорах для удерживания автоматической головки 3 на обрабатываемом металлическом изделии 1 (Фиг.3). Зазор между обрабатываемым металлическим изделием 1 и резаком 8, а также угол наклона резака 8 устанавливают описанным выше способом. Обрабатываемое металлическое изделие может располагаться под любым углом α (Фиг.3) по отношению к линии горизонта. Т.е. в случае обработки трубы и листовой поверхности имеется возможность установки автоматической головки в любое пространственное положение по отношению к поверхности обрабатываемого металлического изделия 1. Таким образом, можно устранить дефекты, расположенные по любым углом к линии горизонта. При этом ни размер, ни форма дефектов значения не имеют.
Испытания, проведенные на Кунгурском ЛПУМГ (КЦ-5), Можгинском ЛПУМГ (КЦ-8), Гремячинском ЛПУМГ (КЦ-2) и др. участках ОАО «Газпром» доказали, что предлагаемое устройство является мобильным и универсальным оборудованием в полевых условиях для ремонта сварных швов и дефектов. Оно отличается удобством и простотой монтажа, скоростью выборки металла, низким расходом и низкой стоимостью электродов и сопел, высокой экологичностью технологического процесса. При этом применение предлагаемого устройства не предъявляет высоких требований к квалификации обслуживающего персонала.
Специалистами отмечено также снижение энергозатрат, уменьшенные шумо- и дымообразование при работе, отсутствие науглероживания обрабатываемого металлического материала, минимизация последующей зачистки участка под сварку.
Таким образом, достигнут заявленный технический результат: создано автоматическое устройство высокой производительности и экологичности для удаления дефектных участков металлических изделий во всех пространственных положениях с регулируемой шириной выборки.