СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ
COATING METHOD

Изобретение относится к способам нанесения покрытий и может использоваться в области газоперерабатывающей промышленности, в частности в установках очистки природного газа от кислых примесей, например сероводорода и диоксида углерода.
Известен корпус аппарата установок очистки природного газа от кислых компонентов, выполненный из стали с нанесенным на его внутреннюю поверхность, в местах длительного контакта с жидкой фазой насыщенного раствора абсорбента покрытием (RU 91570, опубликовано 20.02.2010, МПК С10K 1/00).
Данное техническое решение обладает высоким уровнем прочности и коррозионных свойств. Однако при нанесении многослойного покрытия высокоскоростным способом при прямом падении газовой струи образуется мощная ударная волна, при переходе от сверхзвукового к дозвуковому течению. Вследствие чего температура на поверхности подложки достигает температуры плавления материала подложки. В результате количество поступающего тепла оказывается достаточным для полного проплавления этого слоя, и, как следствие - разрушение наносимого высокоскоростным газопламенным способом покрытия.
Техническим результатом является получение прочного защитного слоя покрытия, обладающего повышенными прочностными характеристиками, а также исключение проплавления подложки при нанесения покрытия высокоскоростным газопламенным способом.
Технический результат достигается тем, что на внутреннюю поверхность корпуса аппарата установок очистки природного газа от кислых компонентов, выполненного из стали, в местах длительного контакта с жидкой фазой насыщенного раствора абсорбента, согласно предлагаемому техническому решению, наносят покрытие высокоскоростным газопламенным методом при угле наклона горелки к внутренней поверхности корпуса, равном 45-75 градусов.
Для определения динамики тепловых потоков в материале подложки, нагреваемой газовой струей, построим простую физическую модель, схематически изображенную на фиг.1, которая позволяет адекватно определить тепловые потоки, нагревающие подложку. Данная струя, которая нагревает и ускоряет инжектируемые в нее микрочастицы порошковых материалов, является результатом реакции горения керосина в атмосфере кислорода. В соответствии с параметрами струи и расходом порошкового материала общее энергосодержание потока микрочастиц (кинетическая энергия и энергия нагрева) составляет величину порядка 1% от тепловой энергии струи, поэтому влиянием этого потока на тепловые процессы, в струе и подложке можно пренебречь.
Выделим в потоке три области.
0
0
0
0
Первая область характеризуется сверхзвуковым течением, которое еще не достигло поверхности подложки и представляет собой поток газа цилиндрической формы радиуса R. На границе этой области струя обладает скоростью газа ν, температурой и плотностью T и p - соответственно.
Вторая область удара струи о поверхность подложки характеризуется сжатием газа и изменением направления вектора скорости.
Третья область характеризуется растеканием газа вдоль поверхности подложки. Полагаем, что в этой области давление в струе выравнивается с давлением окружающей среды, плотность и температура газа за счет динамики меняются достаточно слабо, скорость потока падает как 1/r -, а толщина слоя струи Н остается постоянной.
2
2
0
На границе второй и третьей области в случае прямого падения струи, начиная с координаты r=R, где R=(1-2)R сверхзвуковое течение достигает скорости звука и переходит в дозвуковое течение.
0
Оценим параметры газа в струе во второй области в случае прямого и косого падения. На Фиг.2 (а,б) изображены зависимости температуры газовой струи во второй области для прямого падения струи и падения под углом в зависимости от температуры газа в падающей струе Т и ее скорости. Как следует из графиков на Фиг.2 (а), для скорости струи 2,4 км/с и ее температуры 2000 K в (случае прямого удара) температура газа у подложки вдвое превышает соответствующее значение в падающей струе. Причиной этого является мощная ударная волна, образующаяся при переходе от сверхзвукового к дозвуковому течению.
В то же время, как это следует из Фиг.2 (б), в случае падения струи под углом 45-74 градусов данный эффект проявляется гораздо слабее: температура газа у подложки в 1,5 раза ниже температуры газа в случае прямого удара.
5
1
2
1
2
1
2
0
о
Измерения показывают, что в рассматриваемом случае для падения струи на подложку под углом 45°-75° за счет плавного обтекания поверхности реализуется главным образом ламинарный характер течения в пограничном слое, а при прямом ударе - турбулентный. Во всяком случае, числа Рейнольдса для всех этих течений лежат в так называемой переходной области: (4-6)10. В этой связи в дальнейшем будем учитывать только q для прямого падения струи и q - для падения ее под углом 45°-75°. На Фиг.3 (а,б) представлены зависимости тепловых потоков q и q от температуры и скорости для прямого и наклонного (45 градусов) падения струи. Как следует из Фиг.3, значение q превосходит q для рассматриваемых значений V и Т от 4 до 5 раз, что свидетельствует о гораздо более интенсивной тепловой нагрузке подложки в случае прямого удара струи.
Предлагаемый способ нанесения покрытия на корпус аппарата установок очистки природного газа от кислых компонентов заключается в следующем на внутреннюю поверхность корпуса, выполненного из стали, в местах длительного контакта с жидкой фазой насыщенного раствора абсорбента нанесено покрытие. Заявляемый способ отличается от известных тем, что покрытие наносят высокоскоростным газопламенным методом при угле наклона горелки к внутренней поверхности корпуса, равном 45-75 градусов.
В предпочтительном варианте заявленного технического решения осуществляют нанесение покрытия на внутреннюю поверхность корпуса аппарата установок очистки при следующих условиях:
HVOF установка с мощностью горелки 200 кВт, скорость газа составляет 2,4 км/с, температура газа в камере сгорания 2700 С, на подлете к подложке 1600 С, диаметр струи составляет 25 мм, скорость ее перемещения вдоль поверхности подложки - 60 м/мин.
Фиг.4 (а,б) характеризует результаты измерений динамики нагрева подложки в случае прямого попадания струи и в случае падения струи под углом 45-75 градусов.
Из Фиг.4 следует качественное отличие теплового состояния подложки в случае прямого падения струи и падения под углом. В самом деле, для прямого падения температура на поверхности подложки в конце прохождения струи расстояния, равного ее диаметру, достигает температуры плавления подложки, тогда как в случае падения струи под углом температура поверхности подложки составляет около 600 K.
Также довольно значительно различается в обоих случаях разница температур на поверхности и на глубине 1 мм.
Таким образом, изобретение позволяет сформировать прочный защитный слой покрытия, обладающий повышенными прочностными характеристиками, а также исключить проплавление подложки при нанесении покрытия высокоскоростным газопламенным способом.