Устройство экзотермической подводной резки
DEVICE FOR EXOTHERMIC UNDERWATER CUTTING

Изобретение относится к устройствам для резки металлов и неметаллов, в частности к подводным устройствам экзотермической резки, которые могут быть использованы как под водой, так и на поверхности в атмосферных условиях.
Резка является одним из самых необходимых действий при выполнении большинства видов подводно-технических работ. В свою очередь, самый распространенный вид резки - это применение трубчатых электродов, в которые с палубы судна подается по шлангу кислород, а для воспламенения электродов обычно служит источник тока большой силы и низкого напряжения. Для размещения такого оборудования требуется, по меньшей мере, рейдовый водолазный катер, что ограничивает область применения экзотермической резки лишь крупными акваториями с открытым доступом.
В то же время часто возникает необходимость выполнять резку в условиях, когда доставка штатного оборудования невозможна или же небезопасна, к примеру в случае недостаточно надежного ледяного покрова на закрытом водоеме зимой, внутреннего водоема с заболоченным берегом, реки без подъездных путей и т.п. Существуют также случаи, когда перечисленные условия сочетаются со значительной глубиной водоема в предполагаемом месте проведения работ по подводной резке.
Данные обстоятельства способствовали созданию устройств, позволяющих обойтись без полноценного судна-носителя, например устройства в виде заплечного кислородного баллона и миниатюрного источника тока для воспламенения электрода.
Принятая водолазная практика требует наличия у водолаза резервного запаса дыхательной смеси на случай потери основного снабжения при разгерметизации водолазного шланга. Такой запас водолаз имеет как раз в баллоне за плечами и, в таком случае, дополнительный баллон для обеспечения экзотермической резки крайне усложняет действия водолаза.
Из существующего уровня техники известно устройство для экзотермической резки, включающее тепловыделяющий элемент с центральным сквозным каналом для прохода кислорода и тонкостенный корпус. Корпус концентрично окружает тепловыделяющий элемент по всей длине. Зазор между корпусом и тепловыделяющим элементом образует периферийный кольцевой канал для прохода кислорода. Отношение площадей поперечного сечения центрального и периферийного каналов выбирают в пределах 0,3-0,5, а тепловыделяющего элемента и тонкостенного корпуса в пределах 2,0-2,5 (см. патент РФ №1792043, МПК В23К 35/02, 1991 г.).
Достижению требуемого результата в данном аналоге препятствует непригодность данного устройства для использования его в автономном режиме резки.
Из существующего уровня техники также известно подводное режущее устройство, имеющее источник кислорода, трубчатое кислородное копье с рукояткой, смонтированную на рабочем конце копья пробку из легковоспламеняющегося вещества, покрытую оболочкой, и запальное средство, выполненное в виде источника питания и соединенное с его полюсами нити накаливания, покрытой воспламеняющимся веществом. В рукоятке установлен выключатель, связанный с запальным средством, а управляющий рычаг установлен с возможностью взаимодействия с выключателем (см. патент СССР №1238725, МПК В23К 7/08, 1983 г.).
Достижению требуемого результата в данном аналоге препятствует то, что данное устройство может использоваться только в совокупности элементов, находящихся на носителе, не погруженном в воду.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является режущее устройство, предназначенное для резки металлов и неметаллов под водой и на воздухе, содержащее источник кислорода, трубчатое кислородное копье с рукояткой, установленное на рабочем конце копья инициирующее пиротехническое средство с электровоспламенителем. Инициирующее пиротехническое средство с электровоспламенителем установлено на рабочем конце трубчатого кислородного копья. В корпусе копья со стороны инициирующего средства выполнены отверстия. Инициирующее средство содержит пиротехнический состав, шлаки которого горят в кислороде. Корпус инициирующего средства выполнен из материала, горящего в кислороде (см. патент РФ №2104131, МПК В23К 7/08, 1996 г.).
Достижению требуемого результата в прототипе препятствует то, что, во-первых, данное устройство, как и предыдущий аналог, может использоваться только в совокупности элементов, находящихся на носителе, не погруженном в воду, и, во-вторых, данное устройство не является мобильным и непригодно для управления им непосредственно водолазом-резчиком.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание мобильного устройства экзотермической подводной резки, обеспечивающего:
- мобильность выполнения подводной экзотермической резки на акваториях, труднодоступных для судов со штатными средствами подводной сварки/резки, а также при отсутствии таковых с использованием любого имеющегося водолазного снаряжения, в том числе и автономного;
- безопасность устройства при проведении подводной экзотермической резки и удобство использования устройства за счет исключения из состава оборудования длинномерных электрических кабелей, а также отсутствие необходимости постоянного применения длинномерных кислородных шлангов;
- мобильность выполнения экзотермической резки на поверхности в условиях труднодоступности со штатными средствами сварки/резки, а также при отсутствии таковых.
Техническим результатом, получаемым от реализации заявленного изобретения по сравнению с прототипом, является повышение безопасности устройства при проведении подводной экзотермической резки и повышение удобства использования устройства.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в устройстве экзотермической подводной резки, содержащем держатель электрода с установленным в нем электродом, устройство розжига и кислородную систему, имеющую автономный источник кислорода, систему шлангов и трубопроводов, образующих магистраль кислородной системы, соединяющую автономный источник кислорода с держателем электрода, и кислородный редуктор, установленный в магистрали кислородной системы между автономным источником кислорода и держателем электрода, согласно изобретению кислородный редуктор выполнен регулируемым, устройство розжига выполнено в виде автономного гидроизолированного энергоблока, соединенного проводкой с электродом, кислородная система снабжена краном расхода, установленным в магистрали кислородной системы за автономным источником кислорода по ходу подачи кислорода, краном режима работы, установленными в магистрали кислородной системы перед кислородным редуктором по ходу подачи кислорода, краном продувки, подключенным к магистрали кислородной системы на участке между краном расхода и краном режима работы, узлом быстроразъемного соединения для подачи кислорода с поверхности, подключенным к магистрали кислородной системы на участке между краном расхода и краном режима работы, и обратными клапанами, установленными в магистрали кислородной системы за краном продувки по ходу подачи кислорода, образуя магистраль продувки, и за кислородным редуктором, при этом кислородная система дополнительно снабжена регулируемым обратным клапаном, подключенным к магистрали кислородной системы за кислородным редуктором по ходу подачи кислорода, образуя магистраль травления, а устройство снабжено панелью контроля с нанесенной на ее поверхность мнемосхемой кислородной системы, причем на панель контроля выведены управляющие элементы кранов расхода, режима работы и продувки, кислородного редуктора и соединительные элементы узла быстроразъемного соединения для подачи кислорода с поверхности и подключения держателя электрода к магистрали кислородной системы, а также открытые в окружающую среду патрубки выходных отверстий обратного клапана магистрали продувки и регулируемого обратного клапана магистрали травления, при этом все элементы устройства смонтированы воедино на несущем основании с образованием мобильной конструкции, имеющей отрицательную плавучесть.
В устройстве экзотермической подводной резки автономный источник кислорода кислородной системы может быть выполнен в виде кислородного баллона, а автономный гидроизолированный энергоблок устройства может быть выполнен в виде электрической аккумуляторной батареи постоянного тока и дополнительно снабжен пластиной контактного воспламенителя дуги.
В устройстве экзотермической подводной резки краны расхода, продувки и режима работы могут быть выполнены игольчатыми, а электрод, установленный в держателе электрода, может быть выполнен трубчатым.
В устройстве экзотермической подводной резки мнемосхема кислородной системы на поверхности панели контроля может быть выполнена выгравированной.
В устройстве экзотермической подводной резки несущее основание, на котором смонтированы воедино все элементы устройства, может быть выполнено в виде рамы.
Изобретение поясняется чертежами, где
на Фиг. 1 изображен общий вид устройства экзотермической подводной резки в компоновке на несущем основании;
на Фиг. 2 - то же, вид сбоку;
на Фиг. 3 - то же, вид сверху, без держателя электрода и подводки;
на Фиг. 4 - принципиальная схема устройства;
на Фиг. 5 - вид на панель контроля.
Устройство экзотермической подводной резки имеет кислородную систему, включающую автономный источник кислорода 1, например в виде кислородного баллона, систему шлангов и трубопроводов, образующих магистраль 2 кислородной системы, соединяющую автономный источник кислорода 1 с держателем электрода 3.
В держателе электрода 3 установлен электрод 4, который может быть выполнен, например, трубчатым.
Устройство розжига 5 выполнено в виде автономного гидроизолированного энергоблока, например в виде электрической аккумуляторной батареи постоянного тока, соединенного проводкой 6 с электродом 4 и снабженного пластиной 7 контактного воспламенителя дуги.
Кислородная система имеет кислородный редуктор 8, установленный в магистрали 2 кислородной системы между автономным источником кислорода 1 и держателем электрода 3. Кислородный редуктор 8 выполнен регулируемым.
Кислородная система устройства снабжена краном расхода 9, установленным в магистрали 2 кислородной системы за автономным источником кислорода 1 по ходу подачи кислорода, краном режима работы 10, установленными в магистрали 2 кислородной системы перед кислородным редуктором 8 по ходу подачи кислорода и краном продувки 11, подключенным к магистрали 2 кислородной системы на участке между краном расхода 9 и краном режима работы 10.
Краны расхода 9, режима работы 10 и продувки 11 могут быть выполнены игольчатыми или другими, пригодными для выполнения заданных функций.
Кислородная система устройства также снабжена узлом 12 быстроразъемного соединения для подачи кислорода с поверхности, подключенным к магистрали 2 кислородной системы на участке между краном расхода 9 и краном режима работы 10.
Кислородная система устройства также снабжена обратными клапанами 13 и 14, установленными в магистрали 2 кислородной системы за краном продувки 11 по ходу подачи кислорода, образуя магистраль продувки, и за кислородным редуктором 8.
Кислородная система устройства дополнительно снабжена регулируемым обратным клапаном 15, подключенным к магистрали кислородной системы за кислородным редуктором 8 по ходу подачи кислорода, образуя магистраль травления.
Устройство снабжено панелью контроля 16 с нанесенной на ее поверхность мнемосхемой кислородной системы, которая, например, может быть выгравирована на поверхности панели контроля 16.
На панель контроля 16 выведены управляющий элемент 17 крана расхода 9, управляющий элемент 18 крана режима работы 10 и управляющий элемент 19 крана продувки 11.
На панель контроля 16 также выведен управляющий элемент 20 кислородного редуктора 8 и соединительный элемент 21 узла 12 быстроразъемного соединения для подачи кислорода с поверхности и соединительный элемент 22 подключения держателя электрода 3 к магистрали 2 кислородной системы.
На панель контроля 16 выведены открытые в окружающую среду патрубок 23 выходного отверстия обратного клапана 13 магистрали продувки и патрубок 24 выходного отверстия регулируемого обратного клапана 15 магистрали травления.
Все элементы устройства смонтированы воедино на несущем основании, например в виде рамы 25, с образованием мобильной конструкции, имеющей отрицательную плавучесть.
Устройство экзотермической подводной резки работает следующим образом.
Резка является одним из наиболее часто выполняемых видов работ под водой. Наибольшее распространение на текущий момент получает экзотермический способ резки материалов. Этот метод основан на горении металла в среде кислорода.
Высокая температура горения электрода позволяет резать практически любые материалы: черные и цветные металлы, бетон, камень, дерево, пластмассы, а также композитные материалы. Кроме того, экзотермическая резка является более производительной по сравнению с традиционной электродуговой.
Сущность процесса резки заключается в том, что железо, будучи нагрето до температуры 1100-1300°С, приобретает способность сгорать в струе кислорода.
Процесс окисления железа экзотермичен, то есть протекает с выделением тепла, в результате чего соседние участки железа подогреваются до температуры возгорания. Таким образом, создаются условия для продолжения процесса горения, и он становится непрерывным.
Для экзотермической резки применяются специальные трубчатые электроды, состоящие, например, из внутреннего тепловыделяющего элемента, выполненного в виде стержней, которые установлены в медной трубке, покрытой изолирующим материалом, обеспечивающей обгорание изоляции одновременно с трубчатым электродом.
Электрод зажигается в кислородной струе благодаря воздействию на него электрической дуги, возникающей между ним и разрезаемым объектом или специальной пластиной контактного воспламенителя дуги при резке композитных материалов и других неметаллов.
После образования электрической дуги электрод начинает гореть самостоятельно, при этом температура горения на кончике электрода достигает 5500°С. Горение электрода продолжается до тех пор, пока подается кислород.
Эффективность экзотермической подводной резки в значительной степени зависит от интенсивности подачи и величины расхода кислорода. Для обеспечения необходимой подачи используют специальные высокопроизводительные кислородные редукторы.
Оборудование для экзотермической резки состоит из ряда компонентов, полный комплект которых обеспечивает подачу в держатель электрода 3 кислорода (до 2100 л/мин) и электрической энергии (постоянный ток 150-200 А).
При открытии вентиля 26 автономного источника кислорода 1, например в виде кислородного баллона, кислород, содержащийся под высоким давлением в автономном источнике кислорода 1, поступает в магистраль 2 кислородной системы.
Кран расхода 9 и кран режима работы 10 открыты, в результате чего кислород поступает в кислородный редуктор 8, где его давление понижается. При этом кран продувки 11 закрыт.
Далее, из редуктора 8 кислород поступает к обратному клапану 14, установленному за кислородным редуктором 8, который, срабатывая на рабочее давление кислорода, обеспечивает доступ кислорода к держателю электрода 3.
Кислород по магистрали 2 кислородной системы поступает к кислородному клапану (не показан) держателя электрода 3. При нажатии на рычаг (не показан), расположенный на держателе электрода 3, кислородный клапан открывается, и поток кислорода поступает во внутреннюю трубчатую полость электрода 4.
Электрод 4 зажигается в кислородной струе благодаря воздействию на него слаботочной электрической дуги, возникающей между ним и разрезаемым объектом или же специальной пластиной 7 контактного воспламенителя дуги.
В отличие от традиционной электрокислородной резки, для поджигания электрода 4 достаточно слаботочного (150-200 А) источника электропитания, который используется только для поджигания электрода 4 в течение 5-15 сек, а затем электропитание может быть отключено.
Слаботочная электрическая дуга, возникающая между электродом 4 и разрезаемым объектом или же специальной пластиной 7 контактного воспламенителя дуги, обеспечивается устройством розжига 5, которое выполнено в виде автономного гидроизолированного энергоблока, например в виде электрической аккумуляторной батареи постоянного тока, соединенного проводкой 6 с электродом 4 и уже в комплекте снабженного пластиной 7 контактного воспламенителя дуги.
При подводных работах при работе на мелководье электрод 4 можно поджечь над поверхностью воды, а затем погрузить под воду и выполнять работу. Электрод 4 может быть зажжен с помощью газовой горелки или иного источника пламени, например горящей древесиной. Подача кислорода - минимальна.
Воспламенение электрода 4 произойдет через 3-7 секунд. После воспламенения электрода 4 подачу кислорода плавно увеличивают.
Таким образом, обеспечивается непрерывное горение электрода 4 в струе кислорода, что дает возможность эффективно осуществлять подводную экзотермическую резку металлических и неметаллических объектов.
Обеспечив таким образом устойчивое горение электрода 4, оператор-резчик с помощью заявленного устройства осуществляет процесс экзотермической подводной резки.
При израсходовании кислорода в автономном источнике кислорода 1 - в кислородном баллоне устройства, заявленное устройство позволяет обеспечить подачу кислорода с поверхности.
Для этих целей служит узел 12 быстроразъемного соединения для подачи кислорода с поверхности.
Через соединительный элемент 21 узла 12 быстроразъемного соединения для подачи кислорода с поверхности к кислородной магистрали подключается шланг подачи кислорода с поверхности.
При этом, при подключении внешнего источника кислорода, закрывают кран расхода 9 при помощи его управляющего элемента 17 на панели управления 16 и закрывают кран режима работы 10 с помощью его управляющего элемента 18 на панели управления 16.
Затем открывают кран продувки 11 при помощи его управляющего элемента 19 на панели управления 16 и продувают магистраль 2 кислородной системы через патрубок 23 выходного отверстия обратного клапана 13 магистрали продувки в окружающую среду, чтобы гарантировать отсутствие в магистрали 2 кислородной системы воздуха.
Далее, закрыв кран продувки 11 управляющим элементом 19 на панели управления 16 и открыв кран режима работы 10 управляющим элементом 18 на панели управления 16, можно продолжить работу.
При использовании традиционных практик подводной экзотермической резки, где и кислород, и электропитание для воспламенения электрода подаются только с поверхности по кабель-шланговой связке, давление кислорода регулируется обслуживающим персоналом в зависимости от глубины, на которой работает оператор-резчик.
Для устойчивого горения электрода это давление должно превышать давление окружающей среды (воды) на некую величину, которая несколько варьируется в зависимости от ряда факторов.
На практике оператор-резчик всегда требует немного увеличить или уменьшить давление, которое обслуживающий персонал перед спуском устанавливает в соответствии с таблицей глубин. Это ведет к потере времени и лишнему расходу кислорода на «подгонку» давления под удобное водолазу значение путем нескольких попыток воспламенить электрод.
В заявленном устройстве оператор-резчик сам контролирует давление кислорода с помощью редуктора 8 на панели управления 16 - чем больше глубина, тем больше оборотов управляющего элемента 20 кислородного редуктора 8 панели управления 16 нужно сделать, увеличивая давление, и наоборот.
Как было показано выше, кислородная система устройства имеет регулируемый обратный клапан 15, подключенный к магистрали 2 кислородной системы за кислородным редуктором 8 по ходу подачи кислорода, образуя магистраль травления.
Обратный клапан 15 является регулируемым на давление срабатывания, например, в диапазоне от 3,5 бар до 10,3 бар.
Перед монтажом в устройство регулируемый обратный клапан 15 регулируют, например, на давление срабатывания в 9 бар и устанавливают магистрали 2 кислородной системы между выходом редуктора 8, т.е. со стороны пониженного давления, и соединительным элементом 22 подключения держателя электрода 3 к магистрали 2 кислородной системы так, что его выходное отверстие открыто в окружающую среду.
Патрубок 24 выходного отверстия регулируемого обратного клапана 15 выведен на панель управления 16 с тем, чтобы водолаз мог видеть или, в отсутствие видимости в мутной воде, почувствовать пальцами, а также слышать утечку кислорода при срабатывании клапана 15 на открытие.
Следует иметь в виду, что давление окружающей среды постоянно действует на регулируемый обратный клапан 15 снаружи через всегда открытый патрубок 24 его выходного отверстия.
Тем самым достигается состояние, при котором давление кислорода, идущего на держатель электрода 3, не может превышать 9 бар на любой рабочей глубине.
Эта величина является верхним пределом, за которым при имеющейся производительности кислородного редуктора 8, его объемного расхода, электрод 4 начинает хуже воспламеняться из-за «сдувания» пламени.
Таким образом, на какой бы глубине не находился водолаз, он может быстро отрегулировать выход небольшого количества кислорода из патрубка 24 выходного отверстия регулируемого обратного клапана 15, а затем, убавив давление кислородным редуктором 8 посредством управляющего элемента 20 кислородного редуктора 8 на панели управления 16, приступить к работе.
Важно иметь в виду, что все элементы устройства смонтированы воедино на несущем основании, например, в виде рамы 25.
В результате чего образована мобильная конструкция, которой разработчиком придана отрицательная плавучесть.
Это сделано для того, чтобы все устройство экзотермической подводной резки могло быть погружено под воду для его использования. При придании мобильному устройству небольшой отрицательной плавучести, манипуляции с ним под водой существенно облегчаются.
Следует обратить внимание на то, что для обеспечения подводного использования устройства, все его элементы выполнены с возможностью погружения под воду и безопасного функционирования в таком режиме.
Естественно, должны выполняться требования герметичности элементов устройства и соединений в нем, герметичность кислородной системы, герметичность устройства розжига, которое выполнено в виде автономного гидроизолированного энергоблока - аккумуляторной батареи постоянного тока, герметичность (гидроизоляции) проводки от аккумуляторной батареи к электроду и т.п.
В качестве технического результата, реализуемого заявленным изобретением, по сравнению с прототипом является повышение безопасности устройства при проведении подводной экзотермической резки и повышение удобства использования устройства.
Все существенные признаки независимого пункта формулы заявленного изобретения в своей совокупности направлены на достижение именно этого результат.
Как известно, технический результат представляет собой, в частности, характеристику свойства, объективно проявляющегося при использовании продукта, в данном случае заявленного устройства.
Именно создание мобильного погружного устройство экзотермической подводной резки, включающего все его элементы и объединенного на единой раме 25 с образованием конструкции, имеющей отрицательную плавучесть, позволяет добиться повышения удобства его использования за счет, в частности, исключения длинномерных кабель-шланговых соединений, придания небольшой отрицательной плавучести устройству, скомпонованному на раме, позволяющей без труда манипулировать устройством под водой, введение в устройство дополнительной пластины 7 контактного воспламенителя дуги, позволяющей поджечь электрод в любом месте и для резки любого материала, наличие панели контроля 16 «под рукой» у водолаза-оператора и т.д.
Повышается и безопасность устройства при проведении подводной экзотермической резки. Это обеспечивается тем, что все его элементы выполнены «погружными» с обеспечением герметичности и гидроизоляции, тем, что панель контроля 16 находится «под рукой» у водолаза-оператора, что позволяет оперативно реагировать на изменяющиеся процессы, наличием системы перепускных кранов и обратных клапанов в устройстве, позволяющей его оперативно настроить на требуемый режим работы в зависимости от условия использования и т.п.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков, приведенных в независимом пункте формулы заявленного изобретения, направлена на достижение требуемого технического результата.
Устройство экзотермической подводной резки выполнено из традиционных конструкционных материалов и может быть изготовлено в условиях серийного или экспериментального производства.