СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ СТЕКЛЯННОГО ПОКРЫТИЯ НА ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ СТАЛЬНОЙ ТРУБЫ Российский патент 1998 года по МПК C03C27/02 F16L58/14 

Изобретение относится к области нанесения защитных покрытий.

Известен способ нанесения покрытия на внутреннюю поверхность цилиндрического сосуда [1]. Сущность способа заключается в том, что сосуд нагревают при одновременном его вращении и распределяют внутри сосуда введенную в него порцию зернистого стеклопорошка. При этом внутри сосуда поддерживают достаточно высокую температуру, требуемую для плавления стеклянного порошка, распределенного по внутренней поверхности сосуда. Сосуд вращают внутри печи, на стенках которой размещены нагреватели, опорные направляющие и привод, вращающий сосуд внутри печи. Процесс застывания вещества покрытия определяется конструкцией печи, а именно охлаждение покрытия достигается путем охлаждения печи, после чего сосуд вынимают и устанавливают следующий. Производительность такой печи низкая из-за прерывистости цикла. В способе не определены приемы для обеспечения высокого качества как сплошности, так и по толщине покрытия, что является определяющим признаком работоспособности и срока службы покрытия.

Известен способ остекловывания внутренней поверхности стальных труб [2], включающий нанесение стеклопорошка на поверхность вращающейся трубы, нагретой до температуры деформации трубы, с последующим обжатием 2-6% на обкатном косовалковом стане, из которого труба выходит и охлаждается на спокойном воздухе до температуры застывания покрытия.

Качество покрытия при данном способе практически невозможно гарантировать из-за отсутствия операций по обеспечению равномерности покрытия и устранения газовых пор в покрытии во время его изготовления.

Основной целью нанесения покрытия является изоляция поверхности изделия от воздействия внешней среды, поэтому основным показателем качества и эффективности покрытия является его сплошность, т.е. отсутствие пор, неровностей и посторонних включений.

Наиболее распространенным дефектом покрытий, особенно стеклянных, является пористость, возникающая в результате выделения газов из расплава покрытия и раскаленного металла, покрываемого стеклом.

Данное изобретение предназначено решить задачу получения антикоррозионного покрытия внутренней поверхности стальной трубы, обеспечивающего предотвращение соприкосновения среды, транспортируемой по трубе, со стенкой. Нужно обеспечить такое покрытие, чтобы в покрытии не было даже мельчайших пор, через которые среда могла бы проникнуть к поверхности трубы. Все известные способы покрытия внутренней поверхности трубы стеклом не обеспечивают покрытия труб любых типоразмеров с требуемой монолитностью покрытия, в результате чего трубы быстро выходят из строя.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, характеризуется созданием монолитного беспористого покрытия, за счет чего удлиняется срок эксплуатации труб многократно по сравнению с известными покрытиями.

Указанный результат достигается за счет того, что в процессе нанесения покрытия обеспечивается интенсификация газовыделения как из материала покрытия, так и из поверхностных пор материала трубы, закрытых окисными пленками, которые в процессе исполнения способа растворяются в стекломассе. Многократное омывание стенок трубы жидкотекучей стекломассой, перемещающейся с переменной скоростью по поверхности трубы, способствует улучшению соединения стекла с поверхностью металла и заполнению стеклом пор, а в процессе застывания - к созданию монолитного покрытия, представляющего единый цельный слой, толщина которого может быть любой, практически необходимой для всех вариантов эксплуатационных условий.

Способ характеризуется тем, что трубу с размещенным в ней стеклогранулятом вводят постепенно в высокотемпературную зону печи с температурой выше точки плавления стекла, в которой стеклогранулят плавится и при вращении трубы непрерывно многократно омывает раскаленные стенки трубы, в результате чего происходит растворение окислов железа в стекле, вскрытие пор, закрытых пленками окислов, заполнение пор стекломассой. Число оборотов поддерживают таким, которое обеспечивает непрерывное течение стекломассы с переменной скоростью по периметру трубы на участке высокой температуры и многократное омывание стенок трубы стекломассой, причем для каждого состава стекла и диаметра трубы сохраняют число оборотов и скорость перемещения постоянными от входа в печь до выхода. Переменная скорость стекломассы приводит к изменению градиента скорости по толщине слоя стекломассы и к интенсификации газовыделения. Весь этот процесс протекает в течение движения вращающейся трубы, наполненной расплавившимся в высокотемпературной зоне печи стеклом. Вращение и перемещение трубы может быть осуществлено приводными роликами, режим работы которых, а следовательно, обороты трубы и скорость ее движения регулируются приводом. Регулирование температуры участков пути производится электронагревателями, размещенными по всей длине печи. Уровень температуры зон печи на входном и выходном участках устанавливается в зависимости от состава стекла, который подбирают исходя из технических требований, предъявляемых к покрываемому стеклом изделию. В состав стекла могут быть введены различные добавки, обеспечивающие тугоплавкость, кислостойкость, высокопрочность, эластичность и т.п. - качества, отличающие от стекла, применяемого в настоящие время для покрытия поверхности труб.

В таблице представлен состав стекла.

Для стекла указанного состава температуру на входном участке, где производят плавление стеклогранулята и газовыделение из металла и стекла, а также заполнение в металле пор стеклом, устанавливают в пределах 850-870^oC, а на выходном участке, где происходит загустение массы и формирование толщины покрытия, 450-500^oC, при которой стекломасса становится малоподвижной, окончательно затвердевая по пути на стеллаж
Обороты вращения трубы изменяют приводом роликов в диапазоне 0,2- 1,5 об/мин в зависимости от состава стекла и диаметра трубы, скорость перемещения - 1-2 м/мин, время пребывания трубы в печи - 10-20 мин.

Выполнение всех перечисленных признаков способа подтверждается тем, что каждый признак в отдельности применяется на различных производствах без каких-либо новых неизвестных приемов, механизмов, устройств. Так, например, гранулы из указанного выше стекла изготавливают на выпускаемом серийно оборудовании.

Покрытие расплавленным стеклом внутренней поверхности труб и сосудов также широко применяется, что известно из технической литературы и патентной документации.

Отличительной особенностью способа является обеспечение монолитности и сплошности покрытия, что достигается удалением газов из пор металла и из расплава стекла на всех стадиях процесса, начиная от высокотемпературного участка на входе в печь и до участка, где начинается снижение текучести расплава. Расплав многократно омывает стенки трубы, растворяет окисные пленки, закрывающие поры, и затем заполняет вскрывшиеся поры. Непрерывное вращение трубы и ее перемещение в печи достигается через ролики от привода.

Для конкретного состава стекла устанавливают температурный и скоростной режимы, подбираемые экспериментально.

Выбор требуемой температуры нагрева при выводе печи на рабочий режим производится путем визуального наблюдения за состоянием размещенного в трубе стекла. Путем изменения скорости прохождения трубы через печь увеличивают или снижают температуру ее нагрева, при этом скорость вращения трубы поддерживают постоянной. После подбора параметров технологического режима печь переводят на автоматический режим работы и контроль за температурным полем печи, скоростью вращения и перемещения трубы через печь ведется без участия оператора.

По результатам контроля качества покрытия на монолитность и сплошность может возникнуть необходимость изменения температуры нагрева и очень редко скорости вращения трубы. Изменение скорости вращения производят, как правило, при переходе на другой состав стекла. Ограничение скорости охлаждения трубы на стадии формирования покрытия диктуется обеспечением равнотолщинного покрытия на всей поверхности трубы.

Толщина наносимого покрытия определяется только количеством помещаемого в трубу стекла. Скорость вращения трубы (0,2-1,5 об/мин) выбирается из условия обеспечения требуемого перемешивания расплава стекломассы за счет стекания со стенок трубы. Процесс перемешивания регулируется соотношением вязкости массы и числа оборотов трубы. Чем меньше вязкость, тем более высокое число оборотов можно допустить и тем интенсивнее будет перемешивание расплава, а следовательно, и производительность установки. Предельная скорость охлаждения будет определяться допустимыми термическими напряжениями в покрытии, которые зависят от температурного перепада, толщины покрытия и коэффициентов расширения металла и стекла.

Процессы перемешивания стекломассы с окислами железа, выделения газов и заполнения пор в стенках трубы регулируются градиентами скорости по толщине слоя стекломассы, а также относительно поверхности стенки (пристеночный градиент). Чем выше, уровень этих градиентов, тем интенсивнее протекают указанные процессы. Интенсификацию процессов можно обеспечить не только за счет скорости течения стекломассы вдоль стенки трубы, но и путем турбулизации течения, например с помощью вибрации стенки трубы или жидкой стекломассы. Оптимизация процессов перемешивания и дегазации стекломассы, а также режима вибрации должна производиться расчетным путем и корректироваться экспериментально, что наиболее реально при существующем уровне совершенства технологии покрытий и оборудования.

В настоящие время подбор режима покрытия по параметрам стекломассы осуществляется визуально путем определения повышения скорости стекания стекломассы со стенки трубы под действием силы тяжести стекломассы и числа оборотов трубы. Критерием является скопление жидкой стекломассы в нижней части диаметра трубы
После прохождения трубой участка высокой температуры труба попадает на участок печи пониженной температуры, где происходит снижение температуры с нормированной скоростью, что обеспечивает равномерное распределение стекломассы по периметру трубы, причем наплывы на стенках не образуются, если правильно подобрано соотношение между скоростью снижения температуры и числом оборотов трубы.

Предлагаемый способ может быть осуществлен в печи, оснащенной тепловыми устройствами, например электронагревателями, с помощью которых может быть установлена температура, требуемая для ведения технологического процесса.

В рассматриваемом примере стекло указанного состава начинает плавиться при 600-700^oC, а при 850-870^oC оно становится жидкотекучим и активно вступает в реакцию с окислами металла, в результате чего интенсивно выделяются газы из стекла и из пор в поверхности металла. Температуру 850-870^oC устанавливают во входной части печи на длине, равной или больше длины трубы, а на остальной части печи, соизмеримой с длиной трубы, устанавливают температуру, равную 450-500^oC, при которой стекломасса начинает застывать, образуя на стенках трубы слой, толщина которого определяется только количеством загруженного в трубу стеклогранулята.

Предлагаемый способ позволяет осуществлять покрытие труб практически всех применяемых в трубопроводном транспорте диаметров и длин. На начальной стадии освоения способа целесообразно начинать с труб наиболее распространенных диаметров - 70-300 мм и длин до 12 м. Трубы указанных диаметров применяются наиболее широко в городских и заводских магистралях и экономический эффект от удлинения срока службы, снижения потерей металла, сокращения затрат на эксплуатацию и ремонт трубопроводов обеспечивает решение практически всех проблем повышения работоспособности трубопроводного транспорта. Экономическая эффективность способа определяется не только через совершенствование затратного механизма, но и через экологические аспекты, проявляющиеся в том, что по трубопроводам с антикоррозионными покрытиями можно транспортировать различные окислители, применяемые для очищения и обеззараживания воды (хлорированная, озонированная вода и т. п.), а также экологически чистую воду, которая не должна соприкасаться с окислами различных металлов. Кроме того, эти трубы могут применяться на различных производствах по выработке и переработке продуктов питания и других производствах, требующих применения кислостойких материалов.

Стекло является наиболее универсальным химически нейтральным веществом, но обладает хрупкостью, которая накладывает ряд ограничений на его применение в качестве конструктивного материала, поэтому требуется ограничение деформаций изделий, покрытых стеклом, скоростей их перемещения, длины отдельных труб.

Пример. Производилось остеклование внутренней поверхности стандартных труб по ГОСТ 8732-80 диаметром 219 мм, толщиной стенки 10 мм. Подготовка внутренней поверхности трубы включала дробеструйную обработку с последующей продувкой сжатым воздухом под давлением 3,5-4,0 кгс/см². Во внутреннюю поверхность трубы по всей ее длине вводили материал покрытия в виде стеклянных гранул (шариков) диаметром до 5 мм. Труба с размещенным в ней материалом покрытия перемещалась через электропечь и нагревалась до 860+8^oC с одновременным вращением 0,8 об/мин. Размещенное в трубе стекло при нагревании до температуры, при которой скорость стекания расплава со стенок трубы больше тангенциальной скорости внутренней поверхности трубы, образует в нижней части трубы ручеек из расплава стекла. В процессе многократного прохождения каждой точки внутренней поверхности трубы через ручеек расплава стекла происходит растворение в стекле окислов железа и т.п., о чем свидетельствует интенсивное выделение газа из стекла в начальной стадии процесса. После прекращения процесса растворения и прекращения выделения из стекла газа происходит заплавление в металле и покрытие пор и достижение полной монолитности покрытия. Скорость охлаждения трубы выбиралась из условия обеспечения равнотолщинности покрытия и составляла не более 15^oC/мин. В соответствии с количеством размещенного в трубе стекла толщина покрытия в каждом отдельном случае составляла: 0,8; 1,5; 2,5; 3,5 мм. Испытания сплошности покрытия электроискровым методом при напряжении 35 кВ показали, что во всем диапазоне исследованных толщин достигается стопроцентная монолитность стеклянного покрытия.

Сущность изобретения: в способе нанесения стеклянного покрытия на внутреннюю поверхность стальной трубы, включающем размещение в трубе стеклогранулята, нагрев трубы в печи при одновременном вращении и перемещении, и последующее охлаждение трубы, температура на входном участке печи выше температуры плавления стекла, а на выходном - ниже температуры его твердения, причем число оборотов и скорость перемещения трубы в печи поддерживают постоянными в зависимости от состава стекла и диаметра трубы. В качестве стеклогранулята можно использовать стеклогранулят, содержащий, мас.%: оксид кремния 53 БФ SiO₂, оксид алюминия БФ Al₂0₃, фторид кальция 5 БФ CaF₂, оксид калия 8 БФ K₂0, оксид натрия 12 БФ Na₂O, оксид титана 2 БФ TiO₂, оксид кобальта 0,5 БФ CaO, оксид никеля 0,5 БФ NiO, оксид стронция 5 БФ SrO, оксид бария 10 БФ BaO, оксид хрома 0,5 БФ CR₂0₃, примеси 0,5, при этом температура на входном участке печи равна 850 - 870^oС, а на выходном - 450 - 500^oС. Число оборотов трубы устанавливают в диапазоне 0,2 - 1,5 об/мин, а скорость ее перемещения 1,0 - 2,0 м/мин, причем время нахождения трубы в печи не превышает 15 мин. Кроме того, трубу или стекломассу вибрируют. Способ обеспечивает получение равномерного беспористого монолитного покрытия. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ нанесения стеклянного покрытия на внутреннюю поверхность стальной трубы, включающий размещение в трубе стеклогранулята, нагрев трубы в печи при одновременном вращении и перемещении и последующее охлаждение трубы, отличающийся тем, что температура на входном участке печи выше температуры плавления стекла, а на выходном - ниже температуры его твердения, причем число оборотов и скорость перемещения трубы в печи поддерживают постоянными в зависимости от состава стекла и диаметра трубы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют стеклогранулят, содержащий, мас.%:
SiO₂ - 53
Al₂O₃ - 3
CaF₂ - 5
K₂O - 8
Na₂O - 12
TiO₂ - 2
CoO - 0,5
NiO - 0,5
SrO - 5
BaO - 10
Cr₂O₃ - 0,5
Примеси - 0,5
причем температура на входном участке печи равна 850 - 870^oС, а на выходном - 450 - 500^oС. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что число оборотов трубы устанавливают в диапазоне 0,2 - 1,5 об/мин, а скорость ее перемещения 1,0 - 2,0 м/мин, причем время нахождения трубы в печи не превышает 15 мин. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубу или стекломассу вибрируют.