СПОСОБ ФИНИШНОЙ ОЧИСТКИ КРИОГЕННЫХ СИСТЕМ
METHOD OF FINISH CLEANING OF CRYOGENIC SYSTEMS

Изобретение относится к машиностроению, в частности к очистке поверхностей и полостей изделий с помощью криогенных жидкостей, и может найти применение в технологии изготовления деталей и сборочных единиц с высокими требованиями к чистоте от масел, жиров, других загрязнений органической природы, а также от механических загрязнений при изготовлении различных криогенных систем в ракетно-космической технике, авиастроении, атомно-энергетической технике и других наукоемких отраслях производства.
Для очистки и обезжиривания наружных и внутренних поверхностей изделий, а также подготовки их к высокочувствительным испытаниям на герметичность с использованием растворителей применяют различные методы: погружения в растворитель, струйная очистка, заполнением (заливом) всего объема полостей изделий растворителем с последующей выдержкой или частичным заполнением (до 50% объема) с последующим кантованием (вращением) изделий, заполнением полости подогретым паром растворителя, который, конденсируясь на внутренних поверхностях, совершает растворяюще-очищающее действие (см. РД 92-0254-89 «Очистка деталей и сборочных единиц изделий моющими средствами», Б.И.Иванов. «Очистка металлических поверхностей пожаробезопасными составами». М., Маш., 1989 г., Ю.С.Козлов и др. «Очистка изделий в машиностроении». М., Маш., 1982 г.). Недостатком технологий очистки растворителем является тот факт, что они не позволяют воссоздать условия охлаждения объектов до криогенных температур, что особо важно для изделий криогенной техники. Такие технологии малоэффективны для удаления загрязнений механической природы, которые прочно связаны с поверхностями и могут удаляться только после понижения температуры объекта до криогенно-низких температур.
Поэтому для финишной очистки криогенных систем: аппаратов криовакуумной техники, систем захолаживания имитационных камер для испытания космических аппаратов, криогенных топливных баков жидкостных ракет-носителей (баки жидкого кислорода, жидкого водорода) используют криогенные сжиженные газы, например жидкий азот; при этом применяют способ очистки заполнением полостей криогенной средой и последующей циркуляцией, прокачкой ее в полостях и объемах. Понижение температуры криогенной системы при воздействии криогенной среды обеспечивают ее испытание в условиях, близких к эксплуатационным, температурные деформации ее конструктивных элементов способствуют отделению с поверхностей механических частиц: сварочного грата, окисных плен, механических загрязнений - остатков предыдущих технологических операций (пыли, волокон, микростружки и.т.п.). Прокачка криогенной среды удаляет эти механические частицы с поверхностей и из объемов конструкций.
Наиболее близкими к предлагаемому способу и устройству можно отнести решения, описанные в энциклопедии «Новые наукоемкие технологии в технике», под редакцией К.С.Касаева, т.11, стр.99, ЗАО «ЭНЦИТЕХ», Москва, 1998 г.
В известном способе, совмещающем испытание топливных баков комических ракет-носителей на воздействие низких температур, проверку прочности, герметичности и очистку внутренних поверхностей баков от механических загрязнений. Изделие после захолаживания заполняется жидким азотом. После заполнения давление над поверхностью жидкости повышается наддувом инертного газа (гелия), производится выдержка для испытания прочности давлением криогенной среды, а после сброса давления инертного газа, производится выдержка и затем слив жидкого азота из объемов и магистралей системы. Промывка изделия криогенной средой помимо испытания в условиях, имитирующих эксплуатационные, обеспечивает удаление из внутренних объемов загрязнений. Эффективность очистки обусловлена:
- «вскипанием» азота в зонах контакта с «теплыми» стенками изделия;
- вихреобразованием и турбулизацией жидкости при сбросе давления, способствующими отрыву загрязнений с поверхностей;
- флотационным процессом, позволяющим отрывать загрязнения, прилипшие к пузырькам газа, от внутренних поверхностей и удерживать их в объеме жидкости.
При сливе жидкого азота оторванные частицы загрязнений выносятся из объема изделия и задерживаются фильтром, установленным на линии слива, для последующего контроля достигнутой чистоты.
Для эффективной очистки изделий требуются специальные меры и средства гидродинамического воздействия, например достаточная скорость движения криогенной жидкости относительно очищаемых поверхностей, необходимая степень его турбулентности. Недостаток описанного способа очистки заключается в том, что он позволяет удалять в основном механические загрязнения. Возможно удаление лишь значительных количеств жиров и масел, сосредоточенных на открытых поверхностях и слабо связанных с ними. Эти загрязнения при криогенных температурах представляют собой поверхностные твердые «корочки», способные подобно механическим загрязнениям при гидродинамическом воздействии криогенной жидкости отделяться от поверхностей и выносится в массу криогенной жидкости. Малые количества жиров и масел, крепко связанные с поверхностями, а также сосредоточенные в зазорах, щелях, микронеровностях поверхностей, таким образом удалить не представляется возможным. Поэтому изделия предварительно должны быть подвергнуты тщательной очистке с применением растворителей или моющих сред, позволяющих удалить с поверхностей остатки минеральных масел, жиров и других загрязнений органической природы.
Для систем, в дальнейшем эксплуатирующихся в контакте с жидким кислородом (например, жидкостные ракетные двигатели) также необходима обязательная предварительная тщательная очистка растворителями для удаления жировых загрязнений (минеральных масел, жиров, других веществ органической природы, оставшихся на поверхностях после выполнения различных предварительных технологических операций изготовления).
Известно, что любая жидкость в т.н. сверхкритическом состоянии приобретает свойства, близкие к свойствам газа, в результате уменьшается ее вязкость, поверхностное натяжение, значительно возрастает скорость растворяющего воздействия на различные загрязняющие вещества. Эти изменения способствуют радикальному увеличению ее растворяюще-очищающих качеств.
2
Аномальные качества жидкости в сверхкритическом состоянии используются в настоящее время в процессах очистки, обезжиривания изделий (М. Левицкий «Сверхкритические жидкости в химии». Энциклопедия «КРУГОСВЕТ», 2006. http://www.krugosvet.ru; Г.Шаров «Мягкая химия СО», «Наука и жизнь», 2001, №6; Д.А.Леменовский, В.Н.Багратишвили. «Сверхкритические среды. Растворители для экологически чистой химии». Журнал Рос. Хим. общества им. Д.И.Менделеева. 1999, т.43, №2; «Альтернативы для CFC и метилхлороформа в очистке металлов». Технический комитет Международного кооператива по охране озонового слоя. Агентство по охране окружающей среды США, 1991 г.).
Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества очистки различных криосистем от жиров, масел, различных загрязнений органической природы, с использованием жидкого азота.
a
c
c
c
3
3
2
Поставленная задача решается тем, что в способе финишной очистки криогенной системы, включающем заполнение объемов и трактов системы жидким азотом и последующую его циркуляцию в объемах и трактах системы, согласно изобретению после захолаживания системы ее внутреннюю полость заполняют жидким азотом из танка хранения в объеме V≈(0,38…0,4)V м, или по массе m≈(304…320)V кг, где V - внутренний объем криогенной системы, м, а после заполнения изолируют общий объем системы и сосуда закрытием клапанов подачи и дренажа азота, и затем повышают температуру системы и сосуда до значения Т≥125,25 К, контролируя при этом повышение давления до Р≥34 кгс/см, таким образом приводя жидкость в состояние сверхкритического флюида, производят выдержку в таком состоянии для растворяюще-очищающего действия и последующий сброс азота через дренажный клапан в нижней части системы.
Отличительным признаком предложенного способа от аналогичных является то, что после заполнения объема системы жидким азотом в достаточном количестве и последующего повышения температуры криогенная среда приводится в сверхкритическое состояние, которое поддерживается на этапах выдержки для растворяюще-очищающего действия.
Положительный эффект от использования изобретения заключается в повышении эффективности очистки, поскольку одновременно с хорошо удаляемыми при криогенных температурах механическими загрязнениями обеспечивается тщательная очистка поверхностей от растворимых загрязнений органической природы: минеральных масел, жиров, потовых загрязнений и т.п. веществ, остающихся на поверхностях изделия от предыдущих технологических операций.
a
c
c
c
3
3
2
В предлагаемом способе криогенной очистки изделие помещают в специальную камеру нагрева, присоединяют к магистрали подачи жидкого азота из танка хранения и производят захолаживание продувкой охлажденным азотом, после чего заполняют объем изделия и сосуда жидким азотом в количестве: по объему V≈(0,38…0,4)V м, или по массе m≈(304…320)V кг, где V - внутренний объем криогенной системы, м, после чего изолируют перекрытием клапанов подачи жидкого азота и дренажа его газовой фазы, нагревом камеры производят повышение температуры жидкого азота в объеме изделие - сосуд до значения Т≥125,25 К, контролируя при этом повышение его давления до Р≥34 кгс/см, производят выдержку в таком состоянии для растворяюще-очищающего действия и последующий сброс азота через дренажный клапан в нижней части системы.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлены основные элементы принципиальной схемы, позволяющей практически реализовать предлагаемый способ очистки.
На схеме показаны: изделие криогенной техники 1, помещенное в камеру нагрева 2, с нагревательными устройствами 3, подключенное в нижней точке магистралью с клапанами В1 и В2 к танку с жидким азотом В4. Насос 5 служит для подачи жидкого азота из танка в объем криогенной системы. Клапан В3 служит для дренажа газовой фазы азота при заполнении, клапан В4 предназначен для слива азота по окончании процесса очистки. Датчики давления 6 и температуры 7 служат для контроля состояния жидкого азота в процессе очистки.
Работа по очистке изделий производится в следующей последовательности.
a
c
c
3
2
Изделие криогенной техники 1 помещается в камеру нагрева 2 и подключается к магистралям подачи жидкого азота и дренажа газовой фазы. Включением насоса 5 производится подача жидкого азота для предварительного понижения температуры изделия до значения, близкого к температуре жидкого азота - «захолаживание». После «захолаживания» производится заполнение внутренней полости изделия жидким азотом, в необходимом количестве V≈0,4 V м, или m≈330 V. Закрываются клапаны В3 и В4, и включаются нагреватели 3. При достижении температуры жидкого азота Т≥125,25 К, контроль датчиком 7, и давления Р ≈ от 34 до 40…50 кгс/см, контроль датчиком 7, нагрев прекращают и производят выдержку при достигнутых условиях для обезжиривающего действия. Длительность выдержки определяется технологически в зависимости от степени загрязненности и конструктивной сложности изделия. По окончании выдержки производится сброс азота из объема изделия со скоростью, обеспечивающей необходимую эффективность процесса очистки, которая устанавливается также по результатам предварительной технологической отработки. Достигнутая чистота контролируется по содержанию загрязнений в слитом азоте.
Практическое использование предлагаемого способа обеспечит высокую эффективность процесса финишной очистки криогенных систем и высокий уровень достигаемого качества чистоты от механических и жировых загрязнений.