ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ

Область техники.
Предлагаемое устройство относится к оборудованию и методам, используемым при удалении с поверхности металлических изделий окалины, ржавчины, оксидных пленок, органических смазок, различных загрязнений и поверхностных вкраплений с помощью дугового разряда в вакууме. Данный способ может быть использован на предприятиях черной и цветной металлургии, заводах по производству и обработке металлических лент, труб, проката различного сортамента, проволоки, машиностроительных заводах и любых ремонтных предприятиях, в нефтегазовой промышленности для удаления смолопарафиновых отложений в трубах и оборудовании.
Известны способы и устройства электродуговой обработки поверхности металлических изделий (авт. свид. СССР №№122.603, 224.716, 367.980, 1.113.196, 1.189.618; №986673, патенты РФ №№2.012.694, 2.021.391, 2.064.524, 2.068.029, 2.074.903, 2.135.316, 2.144.096, 2.165.474, 2.170.283, 2.195.517, №1590257, патенты США №№4.950.377, 4.971.667, 5.246.741; патенты Великобритании №№2.055.939, 2.164.359; патент Франции №2.403.860; патенты Японии №№9248617, 9248618, 10251882, 11077141, 11080893, патент EP №0.175.538; патенты WO №№92/6.965, 93/13238, 97/00106, 99/28,520; Физика плазмы 1978, 4(4), с. 425-428; патенты РФ №2511947, 10.04.2014 г.; №2503885, 10.01.2014 г.; №2466331, 10.11.2012 г.; №2451879, 27.05.2012 г.; №2465748, 27.10.2012 г.; №2431685, 20.10.2011 г.; №2397848, 27.08.2010 г.; №2359433, 20.06.2009 г.; 2456780, 20.07.2012 г.; №2387107, 20.04.2010 г.; №2340125, 20.12.2008 г..
Общим недостатком вышеперечисленных способов и устройств для электродуговой обработки металлических изделий является то, что обработка сопряжена с большими энергопотерями, низкой производительностью и низким качеством обработки. Все это связано с тем, что очистка металлических изделий осуществляется струей из плазмотронов, размеры которой малы, при большом градиенте температур по оси и по радиусу до 2-3 тысяч градусов на мм, что требует высокой точности при сканировании струи плазмы по поверхности обрабатываемого изделия, что удорожает, а порой делает невозможной обработать поверхность такого изделия, например очистить насоснокомпрессорные трубы (НКТ) от асфальтосмолопарафинов (АСПО).
Из известных полезных моделей наиболее близким к предлагаемому электродуговому плазмотрону для обработки поверхности подходит плазмобур ПБ-40 (Г.К. Клименко, А.А. Ляпин, Конструкции электродуговых плазмотронов, файл формат PDF, с. 45), который и выбран в качестве прототипа нашей полезной модели. Недостатками прототипа являются относительно малые размеры плазменной струи, которую он генерирует, малый ресурс работы анодного узла, т.к. анодное пятно ничем не приводится в движение по анодной поверхности, взрывоопасность плазмообразующих рабочих тел (ПРТ), т.к. в качестве него используют воздух с добавлением жидкого топлива, и низкий КПД, т.к. углеводороды проходят через дуговую камеру, о чем будет указано ниже.
Сущность полезной модели
В задачу полезной модели «Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности» входит:
1. Плазмотрон должен генерировать высокотемпературную струю плазмы и продуктов сгорания со среднемассовой температурой примерно 3000-8000°C и большими размерами по диаметру и длине по сравнению с обычными плазмотронами.
2. Уменьшение градиента температуры в струе плазмы по длине и по диаметру за счет реакции диссоциации и рекомбинации, которые продолжаются в струе после истечения ее из сопла.
3. Ускорение плазмы и продуктов сгорания до больших скоростей (увеличение механической составляющей воздействия струи при очистке на поверхность изделия), чем в обычном плазмотроне.
4. Увеличение теплового КПД плазмотрона.
5. Обеспечение безопасности эксплуатации плазмотрона с наделением его возможностью поддерживать реакцию горения и возможностью пожаротушения.
6. Обеспечение возможности использовать плазмотрон в ручном или роботизированном варианте.
7. Плазмотрон должен работать в любых полевых и климатических условиях, а также его модификации под водой, в скважинах и внутри труб, заполненных асфальтосмолопарафиновыми и минеральными отложениями.
Разработка генераторов низкотемпературной плазмы в 60-х годах прошлого столетия была связана в основном с исследованиями низкотемпературной плазмы, созданием МГД-генераторов, электроракетных двигателей, напылением жаростойких покрытий, плазменной резкой металлов и другими применениями. В начале этого века большой импульс в развитии генераторов низкотемпературной плазмы придала разработка плазменной технологии абляционной очистки поверхности стальных, бетонных, каменных и других объектов от любых загрязнений.
11
2
Физическая сущность абляционной обработки, в том числе очистки поверхности, заключается в кратковременном воздействии низкотемпературной плазмой 6000-20000°С с плотностью энергии 10 Вт/м, генерируемой источниками плазмы, на очищаемую поверхность.
При такой температуре и плотности энергии все известные химические соединения и элементы, находящиеся на поверхности в виде загрязнений, мгновенно испаряются или сублимируют с очищаемой поверхности, оставляя поверхность чистой.
2
2
2
2
Такой процесс очистки осуществляется с высокой производительностью и не зависит от погодных условий, является экологически чистым, т.к. все молекулы органических соединений под воздействием высокоскоростного потока плазмы в указанном диапазоне температуры частично или полностью диссоциируют, т.е. разлагаются на составляющие их атомы C, O, HO и другие. Эти возбужденные атомы, в свою очередь, в результате рекомбинации (последующего сгорания) из сложных канцерогенных молекул образуют простейшие безопасные продукты сгорания CO и HO.
Такому превращению канцерогенных молекул в простейшие безопасные химические соединения способствует использование в качестве плазмообразующих рабочих тел (ПРТ) углеводородов. За счет кратковременного взаимодействия плазменных струй (1-2 с) с очищаемой поверхностью, нагрев поверхности не превышает 60-350°C, что не оказывает негативного воздействия на материал очищаемой поверхности. Напротив, практически во всех случаях нагрев поверхности в результате ее очистки необходим для дальнейших технологических операций (диагностика, нанесение защитных покрытий и др.).
Существующие струйные генераторы низкотемпературной плазмы (плазмотроны) в силу своих недостатков не годятся для абляционного способа очистки поверхности. Основными недостатками существующих плазмотронов является малый диаметр и протяженность истекающей из сопла струи низкотемпературной плазмы. Это объясняется высокой скоростью охлаждения плазменной струи и по длине, и по диаметру, что выражается в большом градиенте температур по длине и диаметру струи низкотемпературной плазмы.
Поскольку струя плазмы является рабочей частью плазменного инструмента, то ее малые размеры - по длине 30-60 мм (здесь размер имеет принципиальное значение) - сдерживают саму возможность применения такого плазменного инструмента, снижают его производительность и требуют высокой точности сканирования плазменной струи по поверхности в процессе очистки. Градиент температуры, например, по радиусу 6-4 мм, составляет 1000-2000°C / мм, даже малая неточность, ±0,5 мм, сканирования струи плазмы может привести к оплавлению или прожегу очищаемой поверхности.
Авторами в ЗАО «Петроплазма» созданы двухкамерные струйные плазмотроны и разработаны смесевые ПРТ на базе углеводородных жидкостей и газов, что позволило получить струи плазмы со скоростью частиц в них до 800 м/с, температурой 3000-20000°C, длиной до 500 мм при диаметре до 40 мм. Таким образом, получены плазменные струи с низким градиентом температуры по длине и диаметру струи, большими размерами (что удобно для абляционной очистки с высокой производительностью) по длине и диаметру. Состав плазмы экологически чист, что проверено многочисленными тестами. Сама плазма струи с ее размытыми границами, благодаря термохимическим процессам, которые удалось там реализовать благодаря двухкамерной конструкции, стала более «теплой» (за счет малого градиента температуры по диаметру и длине струи), что позволило избежать оплавления и прожегов очищаемой поверхности, а это существенно упростило и снизило стоимость оборудования, которым сканируют плазменной струей по поверхности обрабатываемых деталей.
Таким образом, совмещение электродугового нагрева ПРТ в плазмотроне, состоящего из углеводородов и их диссоциаций с последующим выделением тепловой энергии в истекающей струе за счет химических реакций горения атомов и молекул углеводородов при их рекомбинации приводит к существенным увеличениям размеров струи по диаметру и длине. Однако использование углеводородов в качестве ПРТ существенно ухудшает энергетические характеристики (КПД) углеводородных плазмотронов и не обеспечивает потребного ресурса их работы из-за значительной скорости эрозии их электродов. В основном это происходит из-за более высокой теплопроводности и теплоемкости низкотемпературной углеводородной плазмы (А.М. Залесский, Электрическая дуга отключения, М-Л.: Гос. энергоиздат, 1963 г., с. 25) по сравнению с кислородной и кислородосодержащей низкотемпературной плазмой. Ресурс работы плазмотронов, работающих на кислородосодержащих ПРТ в последние годы значительно увеличен за счет создания химических термокатодов (Низкотемпературная плазма, том 20, Новосибирск, «Наука», 2004, с. 121).
Таким образом, из приведенного видно, что для реализации плазменных струй большой протяженности и больших диаметров, удобных для обработки поверхности изделий, при равной мощности плазмотронов, необходимо использовать углеводородные ПРТ. Но они по энергетическим и ресурсным показателям хуже, чем плазмотроны, которые используют кислородосодержащие ПРТ.
В предлагаемой полезной модели «Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности» задача обеспечения больших размеров плазменных струй по диаметру и длине из плазмотронов, обеспечение высоких тепловых (КПД) и ресурсных показателей этих плазмотронов решается: во-первых, установкой в этих плазмотронах двух последовательных камер: электродуговой камеры и камеры сгорания;
во-вторых, раздельного введения компонентов топлива (Г.Б. Синарев, М.В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели, М.: Гособоронпром, 1955 г., с. 129), например, окислителя, т.е. кислородосодержащее ПРТ, в электродуговую камеру, а углеводородное горючее, второй компонент топлива, в камеру сгорания в струю низкотемпературной окислительной плазмы;
в-третьих, ввод второго компонента топлива организован тангенциально в плоскости стабилизирующего уступа анода, (Г.К. Клименко, А.А. Ляпин, Конструкции электродуговых плазмотронов, файл формат PDF, с. 23): для образования в этой области привязки анодного пятна дуги мощного завихрения, под воздействием которого анодное пятно интенсивно движется по поверхности охлаждаемого анода и за счет этого достигается большой ресурс работы анодного узла, а следовательно, и в целом плазмотрона (С.А. Крапивина, Плазмохимические технологические процессы, Ленинград, Химия, 1981 г., с. 83).
Снижение среднемассовой температуры плазменной струи при этом достигается в смешении струи низкотемпературной плазмы в камере сгорания с продуктами сгорания, которые в результате химической энергии горения теоретически не могут быть выше 3500°C из-за неизбежности возникновения термической реакции диссоциации, которая и останавливает рост температуры продуктов горения выше 3500°C (Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели, М.: Гособорониздат, 1955 г., с. 62).
Большие размеры и размытость границ (низкий градиент температуры) объясняется тем, что истекающая струя из такого плазмотрона представляет собой течение высокотемпературного, химически активного газа, в котором с высокой скоростью протекают плазмохимические реакции в камере сгорания, реактивном сопле и в истекающей из плазмотрона струе. Таким образом, в истекающей струе, во всем ее объеме, интенсивно протекают реакции рекомбинации и горения с выделением большого количества тепловой энергии в объеме, которая и поддерживает высокую температуру в струе во всем ее объеме. В обычном плазмотроне истекающая струя сразу за срезом сопла начинает интенсивно рассеивать тепловую энергию из объема и быстро остывать. Именно по этой причине на границе плазменной струи формируется большой перепад температур (градиент температуры) и относительно малые размеры по диаметру и длине плазменной струи.
Наличие камеры сгорания и использование второго компонента топлива - углеводородного горючего, приводит к уменьшению молекулярного веса смеси кислородосодержащей плазмы и продуктов сгорания, т.е. к большему газообразованию и, как следствие, к более эффективному преобразованию тепловой энергии в механическую энергию в реактивном сопле. А механическая энергия E струи, определяется ее массовым расходом и скоростью:
где m - массовый расход газа через сопло, v - скорость газовой струи. (Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели, М.: Гособоронпром, 1955 г., с. 130).
Таким образом, дожигание кислородосодержащей низкотемпературной плазмы в реактивном сопле всегда приводит к увеличению скорости истекающей струи, что увеличивает производительность абляционной очистки поверхности плазмотроном.
Использование дополнительно химической энергии горения повышает тепловой КПД плазмотрона, т.к. компенсирует часть потерь.
При очистке поверхности деталей струей плазмотрона от старых покрытий иногда в рабочую область очистки имеет смысл добавлять горючие газы и поток воздуха для поддержания высокотемпературного и стехиометрического выжигания отходов очистки, т.к. высокотемпературное выжигание с избытком кислорода воздуха более экологически чисто (не образует канцерогенных молекул), чем тлеющее, например, сжигание мусора. Для этого в электродуговом плазмотроне для обработки поверхности предусмотрены каналы подачи воздуха и горючих веществ параллельно или с пересечением с истекающей из сопла струей. Вместе с ними есть каналы подачи параллельно истекающей струе смеси плазмы и продуктов сгорания противопожарных реагентов (вода, пар и т.п.), на случай, если в зоне очистки поверхности изделий возникла пожарная опасность. При этом подача всех других компонентов в плазмотрон прекращается.
Электродуговой плазмотрон имеет ручки более одной и органы управления на них для использования его в ручном режиме, а также узлы крепления для размещения его на манипуляторах роботов.
Плазмотрон герметичен, имеет диэлектрические наружные покрытия, выполнен из материалов, позволяющих использовать его в широком температурном и влажностном диапазоне. Возможно использовать его и под водой, физические процессы, заложенные в основу его рабочего процесса, позволяют это сделать.
Перед использованием плазмотрона под водой его включают на поверхности, потом погружают в воду для работы.
ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР
На фиг. 1 и 2 представлены схемы электродугового плазмотрона, где:
1. Изолятор.
2. Анодный охлаждаемый узел.
3. Электродуговая камера.
4. Камера сгорания.
5. Раздвижная сопловая насадка.
6. Эмиттирующая вставка.
7. Завихритель ПРТ.
8. Катодный охлаждаемый узел.
9. Реактивное сопло.
A. Зона горения дугового разряда.
Б. Зона перемешивания компонента топлива К 1 со струей низкотемпературной плазмы.
B. Камера конвективного горения топлива.
Г. Область ускорения смеси низкотемпературной плазмы с продуктами сгорания топлива в реактивном (дозвуковом или сверхзвуковом) сопле.
Д. Анодная область дугового разряда.
Е. Струя низкотемпературной плазмы и продуктов сгорания, ускоренная в реактивном сопле.
Ж. Тангенциальные отверстия ввода компонента К1 в анодную область разряда.
З. Стабилизирующий уступ в анодном узле.
На фиг. 2 плазмотрон показан со стороны сопла. Выходные отверстия истечения компонент К1 и К3 размещены концентрично истекающей струи плазмы и продуктами сгорания.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Назначение электродугового плазмотрона для обработки поверхности изделий заключается в генерировании высокотемпературной и высокоскоростной струи с температурой 3000-8000°C. Эта струя E (фиг. 1) должна иметь размеры по диаметру и по длине большие, нежели в традиционных электродуговых плазмотронах, например, в прототипе «ПЛАЗМОБУР ПБ-40». Для достижения этого результата в полезной модели последовательно совмещены две камеры нагрева газа, электродуговая камера 3 и камера сгорания 4. Соответственно этому полезная модель электродугового плазмотрона состоит из водоохлаждаемого катодного узла 8, водоохлаждаемого анодного узла 2, разделенных изолятором 1, электродуговой камеры 3, камеры сгорания 4 и реактивного сопла 9. Реактивное сопло 9 имеет раздвижную сопловую насадку 5. Катодный узел 8 имеет эмитирующую вставку из циркония или гафния 6. На входе в электродуговую камеру 3 размещен завихритель ПРТ 7.
На катодный 8 и анодный узел 2 от источника электропитания (не показан на фиг. 1) подают потенциал. ПРТ кислородосодержащее (окислитель) подают через завихритель 7 в дуговую камеру 3. Между катодом 8, а точнее, между эмиттирующей вставкой 6 из циркония или гафния поджигают электрический разряд, который под воздействием вихря ПРТ после завихрителя 7 в дуговой камере 3 формируется в зоне горения разряда А в шнур, который анодной областью разряда Д замыкается на анодный узел 2 на поверхности стабилизирующего уступа З. Стабилизирующий уступ З делают для избежания в плазмотронах отрицательного явления под названием «шунтирование дуги», приводящего к нежелательным колебаниям тока дуги и дугового разряда.
1
1
В плоскости стабилизирующего уступа З находятся тангенциальные выходные отверстия Ж ввода в камеру сгорания 4 второго компонента топлива - горючего К. В результате тангенциального ввода компонента К в плоскости стабилизирующего уступа З в зоне Б образуется мощный газовый вихрь, под воздействием которого анодная область дугового разряда Д интенсивно движется по поверхности стабилизирующего уступа З, уменьшая тем самым его эрозию и увеличивая ресурс его работы.
ПРТ, проходя через столб разряда А, сильно нагревается и ионизируется, превращаясь в низкотемпературную плазму. Далее низкотемпературная плазма поступает в зону Б.
1
В камере сгорания 4 в области Б и В происходит интенсивное перемешивание кислородосодержащей плазмы с молекулами и атомами компонента К, углеводородного горючего.
-3
-4
При высокой температуре окислителя в камере сгорания 4 с высокой скоростью идут химические реакции горения (соединения атомов углерода и водорода с ионизированными атомами кислорода, характерное время химических реакций составляет 10 и 10 с).
После этого смесь низкотемпературной плазмы и продуктов сгорания из камеры сгорания 4 (область В) поступают в реактивное сопло 9, где в области Г происходит преобразование тепловой энергии газа в кинетическую энергию струи, т.е. струя Е, в зависимости от профиля сопла ускоряется до звуковой или сверхзвуковой скорости. Для обработки поверхности изделий, например, с целью их очистки, очень важно иметь значительные размеры плазменной струи, высокую температуру 3000-8000°C и скорость (порядка сотен метров в секунду).
На фиг. 1 камера сгорания 4 для наглядности изображена соизмеримой по протяженности с электродуговой камерой 3. На практике протяженность камеры сгорания 4 в 2-3 раза короче электродуговой камеры 3, т.к. процессы горения при температуре выше 3000°C протекают иначе, чем при обычном горении, т.е. во много раз быстрее и интенсивнее (Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели, Оборонгиз, М. 1955 г., с. 62). Процессы рекомбинации продолжаются в истекающей струе Е, благодаря чему ее размеры по длине и диаметру в 5-10 раз превышают размеры плазменной струи такой же мощности плазмотрона.
1
2
3
Кроме ПРТ и второго компонента топлива К (окислителя и горючего) плазмотрон имеет каналы подачи в истекающую струю Е или параллельно (соосно) ей других компонентов К, К и т.п.
2
Один из этих компонентов предназначен для поддержания реакции горения, например, при очистке НКТ от АСПО в зоне обработки поверхности. В этом случае в качестве К применяется сжатый воздух или кислород. Это используется при наружной очистке НКТ и особенно эффективно при внутренней очистке.
Другим компонентом, который подается или может подаваться через эти каналы, является газ или жидкость, которая подавляет горение или нейтрализует вредные свойства продуктов сгорания, например, за счет ввода воздуха или кислорода подавляет образование СО. Подача, например, инертных газов подавляет нежелательное горение очищаемых загрязнений или устраняет возникновение очагов пожара. Использование раздвижной сопловой насадки 5 повышает эффективность этих мер.
Корпус плазмотрона, кабель с магистралями, обеспечивающими его работу и место стыковки, герметичны и позволяют использовать его для обработки поверхности под водой. Перед погружением в воду плазмотрон включают.
Модели описанного электродугового плазмотрона для обработки поверхности изготовлены и испытаны авторами. Испытания и сравнения с обычными плазмотронами подтвердили все заявленные достоинства и преимущества полезной модели.
1
В качестве ПРТ (окислителя) использовался воздух и чистый кислород. В качестве компонента К использовали пропан, спирт, жидкий парафин, солярку, керосин.