УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПАССИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЛИННОМЕРНЫХ ТРУБ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ

Настоящая полезная модель относится к устройствам защиты от коррозии и приданию поверхностям металлических изделий, преимущественно трубкам стальным малых размеров с поперечным сечением от 3,0 × 0,5 мм до 6,0 × 1,5 мм из сталей марок 12Х18Н10Т, AISI 316, способности резкого снижения смачивания водой и водными растворами (гидрофобизации) путем нанесения слоя аморфного кремния и может быть использовано в системах отбора и хранения проб природного газа для подготовки подводящего трубопровода в системах хранения газа и контроля качества продукции в нефтяной и газовой промышленности, в коммерческих узлах учета, в системах измерений количества и показателей качества газа и сжиженных углеводородных газов на магистральных газопроводах.
Известен способ пассивации внутренней поверхности газосборного сосуда для защиты поверхности от коррозии, при котором внутреннюю поверхность сосуда сначала обезвоживают, затем сосуд вакуумируют, вводят газ, содержащий гидрид кремния, сосуд с газом нагревают под давлением, при этом газ разлагается на составные части и слой кремния осаждается на внутренней поверхности сосуда. Продолжительность осаждения кремния контролируют, чтобы предотвратить образование пыли кремния в сосуде. Сосуд затем продувают инертным газом для удаления газа, содержащего гидрид кремния. Операцию совершают в несколько циклов, пока вся поверхность сосуда не покроется кремнием. Сосуд опорожняют и охлаждают до комнатной температуры. (Патент US на изобретение №6,511,760, МПК7 B65D 85/00, опубл. 28.01.2003 г.) [1].
Недостатком этого способа является отсутствие стадии первичной подготовки сосуда, что негативно сказывается на качестве и воспроизводимости полученного покрытия, заполнение сосуда чистым гидридом кремния повышает стоимость операции, а его использование на продувку линий вызывает выброс непрореагировавшего токсичного сырья, что ухудшает экологическую обстановку, способ не предусматривает пассивацию длинномерных труб.
Известен способ пассивации внутренней поверхности реактора, подвергаемого закоксовыванию, и реактор, при котором покрытие поверхности получают посредством термического разложения металлоорганического соединения кремния, не содержащего кислород и воду, в инертной среде, выбранной из группы, состоящей из аргона, гелия, их смесей, азота, водорода. (Патент RU на изобретение №2079569, МПК С23С 8/28, опубл. 20.05.1997 г.), [2].
Недостатком этого способа и реактора является отсутствие стадии первичной обработки внутренней поверхности реактора, что ведет к слабой адгезии и отслаиванию покрытия. Покрытие, полученное данным способом, имеет черный цвет и липкое, что затрудняет очистку реактора.
Известен способ гидрофобизации внутренней поверхности субстрата путем разложения гидрида кремния в паровой фазе из группы инертных газов - аргона, гелия, их смесей, азота или водорода при температурах от 600°С до 1000°С, реакции разложения гидрида кремния предшествуют процессы подготовки поверхностей - очищение органическим растворителем и активация поверхностей раствором минеральной кислоты, циклы подачи гидрида кремния в процессе покрытия повторяют до достижения требуемой толщины покрытия с промежуточной продувкой субстрата инертным газом. (Заявка на изобретение RU №2015128392, МПК С23С 10/44, опубл. 10.01.2016 г.), [3].
Известно устройство для индукционного нагрева жидких сред, содержащее внешний трубчатый элемент, выполненный из материала с магнитострикционными свойствами с расположенным внутри него многовитковым индуктором, внутренний трубчатый элемент, выполненный в виде набора отдельных труб, выходной патрубок, устройство снабжено термодатчиком с капилляром. (Патент RU на полезную модель №25136, МПК Н05В 6/10, опубл. 10.09.2002 г.), [4], (прототип устройства).
Недостатком этого устройства является то, что оно предназначено для погружения в жидкую или загустевшую среду для их разогрева и извлечения, набор отдельных труб жестко связан с нагревателем.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение качества покрытия поверхностей длинномерных труб.
Техническая задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что устройство для пассивации аморфным кремнием поверхностей длинномерных труб содержит индукционный нагреватель с внешним многовитковым спиральным трубчатым элементом, внутренний трубчатый элемент для размещения в нем пакета длинномерных труб, объединенных впускной решеткой, решеткой отвода и, как минимум, одной промежуточной решеткой, и систему трубопроводов подачи и отвода в паровой фазе из инертного газа технологического раствора для пассивации в виде гидрида кремния, причем упомянутый индукционный нагреватель установлен на каретку с возможностью перемещения по продольным направляющим вдоль внутреннего трубчатого элемента, при этом на торцах упомянутого внутреннего трубчатого элемента закреплены посредством цанговых зажимов впускной оголовок и оголовок отвода технологического раствора, упомянутые впускная решетка и решетка отвода выполнены с патрубками, на которые установлены чашка впускного оголовка, образующая совместно с впускной решеткой полость впускного коллектора, и чашка оголовка отвода, образующая совместно с решеткой отвода полость коллектора отвода, к упомянутым патрубкам впускной решетки и решетки отвода чашек впускного оголовка и оголовка отвода присоединена упомянутая система трубопроводов подачи и отвода гидрида кремния.
Кроме того, техническая задача решается тем, что упомянутые длинномерные трубы размещены в упомянутых впускной решетке, решетке отвода и в промежуточной решетке преимущественно по концентрическим окружностям и закреплены фиксаторами, выполненными в виде цанговых зажимов.
Кроме того, техническая задача решается тем, что упомянутая система трубопроводов выполнена с разделителем потока гидрида кремния в упомянутой паровой фазе, обеспечивающем подачу гидрида кремния  в линию подачи для поступления во впускной коллектор с обеспечением подачи гидрида кремния в полости упомянутых длинномерных труб, и  в линию подачи для поступления гидрида кремния в упомянутую полость внутреннего трубчатого элемента, и линию отвода гидрида кремния из коллектора отвода и линию отвода гидрида кремния из упомянутой полости внутреннего трубчатого элемента, при этом упомянутые впускной оголовок и оголовок отвода выполнены с возможностью подсоединения указанных линий подачи и линий отвода гидрида кремния посредством штуцеров, при этом упомянутые линии подачи и линии отвода выполнены с регулирующими клапанами.
Сущность полезной модели заключается в том, что в отличие от прототипа, индукционный нагреватель с внешним многовитковым спиральным трубчатым элементом, образующим индукционную обмотку, выполнен подвижным относительно внутреннего трубчатого элемента с размещенным в нем пакетом длинномерных труб и установлен на каретку с возможностью перемещения по продольным направляющим вдоль внутреннего трубчатого элемента, что позволяет последовательно нагревать длинномерные трубы при ограниченных размерах нагревателя. Исполнение внутреннего трубчатого элемента из токонепроницаемого материала и расположение длинномерных труб во впускной решетке, в решетке отвода и в промежуточных решетках по концентрическим окружностям обеспечивает эффективный нагрев длинномерных труб вихревыми токами, возникающими при прохождении электрического тока по индукционной обмотке. Крепление впускного оголовка и оголовка отвода к внутреннему трубчатому элементу цанговыми зажимами исключает механическое воздействие (сверление, фрезерование, сварку) на внутренний трубчатый элемент и обеспечивает размещение и крепление пакета длинномерных труб во внутреннем трубчатом элементе. Впускной коллектор и коллектор отвода, образованные, соответственно, чашкой впускного оголовка и впускной решеткой и чашкой оголовка отвода и решеткой отвода, обеспечивают подачу технологического раствора в полости длинномерных труб. Разделитель потока делит систему трубопроводов на линию подачи технологического раствора для обработки внутренних поверхностей длинномерных труб и на линию подачи технологического раствора в полость внутреннего трубчатого элемента для обработки наружных поверхностей длинномерных труб, а установленные на указанных линиях подачи технологического раствора регулирующие клапаны позволяют регулировать расход и скорость подачи технологического раствора, что совместно с воздействием индукционного нагрева на длинномерные трубы обеспечивает повышение качества обработки и покрытия поверхностей длинномерных труб. Установленные на линиях подачи и отвода технологического раствора регулирующие клапаны, кроме того, позволяют выполнять обработку только внутренних поверхностей или только наружных поверхностей длинномерных труб, что расширяет функциональные возможности устройства.
На фиг. 1 представлено устройство для пассивации поверхностей длинномерных труб при индукционном нагреве; на фиг. 2 - пакет длинномерных труб; на фиг. 3 - впускной оголовок; на фиг. 4 - оголовок выпуска; на фиг. 5 - промежуточная решетка пакета длинномерных труб.
Устройство для пассивации поверхностей длинномерных труб при индукционном нагреве содержит индукционный нагреватель 1 с внешним многовитковым спиральным трубчатым элементом 2, установленный на каретку 3, внутренний трубчатый элемент 4 с впускным оголовком 5, оголовком отвода 6 и установленным в полости 7 внутреннего трубчатого элемента 4 пакетом 8 длинномерных труб 9 и систему трубопроводов 10 подачи технологического раствора в устройство для пассивации.
Внешний многовитковый спиральный трубчатый элемент 2 выполнен с возможностью перемещения в его полости 11 внутреннего трубчатого элемента 4. Каретка 3 перемещается по продольным направляющим 12 вдоль внутреннего трубчатого элемента 4 посредством роликового привода (не показан). Внутренний трубчатый элемент 4 выполнен из токонепроницаемого термостойкого материала, например, трубки кварцевой и представляет собой корпус устройства для пассивации. На внутреннем трубчатом элементе 4 посредством цанговых зажимов 13 и 14 закреплены, соответственно, впускной оголовок 5 и оголовок отвода 6. Через впускной оголовок 5 в полость 7 внутреннего трубчатого элемента 4 введен пакет 8 длинномерных труб 9, состоящий из впускной решетки 15, решетки отвода 16 и, как минимум, одной промежуточной решетки 17, при этом впускная решетка 15 выполнена с фланцем 18 для крепления пакета 8 длинномерных труб 9 во впускном оголовке 5 и патрубком 19 с каналом 20, а решетка отвода 16 - с патрубком 21 с каналом 22. Все длинномерные трубы 9 закреплены во впускной решетке 15 и в решетке отвода 16 цанговыми зажимами, состоящими из втулок 23 и гаек 24. Количество промежуточных решеток 17 устанавливается необходимостью обеспечения минимального прогиба длинномерных труб 9 в пакете 8. Промежуточные решетки 17 крепятся к длинномерным трубам 9 также цанговыми зажимами. Пакет 8 длинномерных труб 9 крепится во впускном оголовке 5 гайкой 25 через чашку 26 впускного оголовка 5, выполненную с полостью 27, с центральным отверстием 28 для вывода патрубка 19 впускной решетки 15 и с отверстием 29 для установки штуцера 30 подачи в полость 27 чашки 26 технологического раствора. Чашка 26 впускного оголовка 5 с полостью 27 совместно с впускной решеткой 15 образуют впускной коллектор 31 для обеспечения подачи технологического раствора в полость 32 каждой длинномерной трубы 9. Оголовок отвода 6 выполнен с возможностью ввода решетки отвода 16 пакета 8 длинномерных труб 9 и включает чашку 33, закрепленную гайкой 34. Чашка 33 выполнена с полостью 35, с центральным отверстием 36 для вывода патрубка 21 решетки отвода 16 и с отверстием 37 для установки штуцера 38. Чашка 33 оголовка отвода 6 с полостью 35 совместно с решеткой отвода 16 образуют коллектор отвода 39 для обеспечения отвода технологического раствора из длинномерных труб 9. Патрубок 19 с каналом 20 впускной решетки 15 и патрубок 21 с каналом 22 решетки отвода 16 обеспечивают подачу и отвод технологического раствора из полости 7 внутреннего трубчатого элемента 4. Система трубопроводов 10 включает разделитель потока 40, делящий направляемый в устройство для пассивации технологический раствор на линию 41 подачи технологического раствора во впускной коллектор 31 и в полости 32 длинномерных труб 9 и линию 42 подачи технологического раствора в полость 7 внутреннего трубчатого элемента 4. На линиях 41 и 42 подачи технологического раствора, соответственно, установлены регулирующие клапаны 43 и 44, измерители расхода 45 и 46 технологического раствора и штуцеры 47 и 30. На линии отвода 48 технологического раствора из коллектора отвода 39 установлен регулирующий клапан 49 и штуцер 38, на линии отвода 50 технологического раствора из полости 7 внутреннего трубчатого элемента 4 установлен регулирующий клапан 51 и штуцер 52. Герметичность полости 7 внутреннего трубчатого элемента 4 обеспечивается уплотнительными кольцами 53, 54, 55 и 56, герметичность полости 27 впускного коллектора 31 - уплотнительными кольцами 57 и 58, герметичность полости 35 коллектора отвода 39 -уплотнительными кольцами 59 и 60.
Устройство для пассивации поверхностей длинномерных труб при индукционном нагреве работает следующим образом.
Процессу пассивации поверхностей длинномерных труб 9 предшествует их подготовка, заключающаяся в очистке поверхностей органическим растворителем и в активации поверхностей раствором минеральной кислоты. Процессы очистки и активации чередуются продувкой и сушкой поверхностей длинномерных труб 9. В процессе очистки поверхностей органическими растворителями поверхности очищаются от возможных наслоений, в процессе активации образуется шероховатость поверхностей, повышающая адгезию наносимых веществ. При пассивации поверхностей длинномерных труб 9 индукционный нагреватель 1 с внешним многовитковым спиральным элементом 2, установленным на каретку 3, выводят в исходное положение - к впускному оголовку 5. В систему трубопроводов 10 подают технологический раствор - годрид кремния в паровой фазе из группы инертных газов, например, аргона, гелия, их смесей и других газов, регулирующими клапанами 43 и 44 регулируют подачу технологического раствора, соответственно, в линию 41 подачи технологического раствора для пассивации полостей 32 каждой длинномерной трубы 9 и в полость 7 внутреннего трубчатого элемента 4, при этом расход технологического раствора регулируют, соответственно, регулирующими клапанами 49 и 50, и контролируют расход измерителями расхода 45 и 46. После достижения установившегося режима потока технологического раствора включают индукционный нагреватель 1. Возникающие вихревые токи прогревают соответствующий участок длинномерных труб 9. Индукционным нагревателем 1 устанавливают температуру нагрева длинномерных труб 9 в пределах от 600°С до 700°С, температуру контролируют термоэлектрическим преобразователем 61, прикрепленным к длинномерной трубе 62, которая уплотнена в чашках 26 и 33 уплотнительными кольцами, соответственно, 63 и 64, в зоне впускного оголовка 5, выдерживают в течение от 3 до 20 минут, при этом происходит термическое разложение гидрида кремния и выпадение кремния на активированные поверхности длинномерных труб 9. Включают роликовый привод (не показан) каретки 3 и устанавливают скорость ее перемещения. При достижении каретки 3 оголовка отвода 6 роликовый привод (не показан) отключают, отключают индукционный нагреватель 1. Процесс пассивации завершен. Охлаждают пакет 8 длинномерных труб 9 до комнатной температуры и извлекают из внутреннего трубчатого элемента 4.
Предлагаемое устройство обеспечивает повышение качества покрытия поверхностей длинномерных труб, обеспечивает способность резкого снижения смачивания водой и водными растворами поверхностей трубопровода, может быть использовано в системах отбора и хранения проб природного газа, в системах хранения газа, в системах измерений количества и показателей качества газа и сжиженных углеводородных газов на магистральных газопроводах.