СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ БАЛЛОНОВ Российский патент 2008 года по МПК B26F3/02 B23D27/00 F42B33/06 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при утилизации использованных баллонов, содержащих остатки взрывоопасных и токсичных веществ наполнителей.

Известны способы разделения отслуживших ресурсные сроки баллонов из-под нейтральных газов путем разделения их механическим методом, ударным инструментом (Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т.2 / Под ред. А.М.Дальского, А.Г.Суслова и др. М.: Машиностроение-1, с.92-95, 2001 - 944 с.).

К недостаткам метода механического разделения лезвийным и абразивным инструментом относится местный нагрев обрабатываемого материала, искрообразование, выделение токсичных остатков веществ наполнителей.

Известен [Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов в 2 т. Т.1 / Под ред. В.П.Смоленцева. М.: Высшая школа, с.6, 1983 - 247 с.] способ электроэрозионного разделения токопроводящих материалов, осуществляемый с образованием электрических разрядов, которые могут стать причиной взрыва и образования или выделения токсичных веществ.

Известен [а.с. №1016129, МПК В23Р 1/10. Бюллетень №17, 1983] способ электроабразивной обработки в среде электролита с подачей напряжения и импульса напряжения в момент сближения инструмента с заготовкой, устраняющих ударное воздействие инструмента на заготовку. К недостаткам способа относятся образование искрения в месте контакта инструмента с заготовкой, образование импульса, вызывающего возгорание или взрыв.

Известны [Д.Кэй, Т.Леби. Таблицы физических и химических постоянных. М.: ГИФМЛ, 1962 - 248 с.] свойства металлов и воды изменять объем при охлаждении, что создает силы, достаточные для разрушения материалов при низких температурах. К недостаткам применения охлаждения для разрушения баллонов относится необходимость использования температур, которые в природе являются достаточно редкими, или создание искусственных камер с высоким расходом энергии на охлаждение, что удорожает процесс утилизации и делает его нерентабельным, а баллоны с остатками взрывоопасных и токсичных веществ опасными для окружающей среды и людей.

Изобретение направлено на снижение затрат на утилизацию баллонов с содержанием остатков взрывоопасных и токсичных веществ, устранение возможности распространения таких веществ.

Это достигается тем, что подлежащие утилизации баллоны полностью заполняют водой, устанавливают в горловину резьбовую пробку и закручивают ее до достижения предельных осевых нагрузок на резьбовые соединения, замораживают воду и охлаждают баллон со льдом до разрушения стенок баллона, после чего раскрывают место разрушения стенок и удаляют лед с остатками взрывоопасных и токсичных веществ.

Способ осуществляют следующим образом.

Подлежащие утилизации баллоны полностью заполняют водой, в имеющееся в горловине отверстие ввертывают резьбовую пробку и закручивают ее до предела прочности резьбы по [Чернин И.М. Расчеты деталей машины / И.М.Чернин, А.В.Кузьмин, Г.М.Ицкович // Минск: «Вышэйш.школа», с.74, 1974 - 592 с.], контролируя силу затяжки по показаниям тарированного ключа [Чернин И.М. Расчеты деталей машины / И.М.Чернин, А.В.Кузьмин, Г.М.Ицкович // Минск: «Вышэйш. школа», с.54, 1974 - 592 с.]. Остатки токсичных и взрывоопасных веществ под давлением переходят в воду. Затем баллоны с водой помещают в пространство с низкой температурой, например в низкотемпературные камеры, замораживают воду. При этом силы воздействия давления воды на внутренние стенки баллона сохраняются и возрастают за счет сжатия стенок баллона и расширения льда, но возрастание давления от льда на внутреннюю поверхность пробки незначительно, так как оно гасится реакцией твердых стенок баллона около пробки на твердую поверхность льда, что позволяет повышать внутреннее давление в баллоне без разрушения резьбового соединения пробки с горловиной баллона. Снижают температуру баллона и воды до появления сплошных разрывов вдоль оси баллона. В таком состоянии баллон помещают под пресс и, например, клиновидным пуансоном полностью раскрывают баллон по месту разрыва, удаляют лед с продуктами токсичных и взрывоопасных веществ, утилизируют их и разрушенные баллоны по принятым технологиям.

Пример конкретной реализации способа: стальной баллон из стали 45 диаметром 250 мм, длиной 1000 мм с толщиной стенки 12 мм содержит остатки ацетилена, которые даже после двойной промывки остаются в баллоне. Горловина имеет резьбу М24, для которой по [Чернин И.М. Расчеты деталей машины / И.М.Чернин, А.В.Кузьмин, Г.М.Ицкович // Минск: «Вышэйш. школа», с.74, табл.3.10, 1974 - 592 с.] для стали 45 допускаемая от действия пробки нагрузка составляет 40 кН. Такая нагрузка по [Чернин И.М. Расчеты деталей машины / И.М.Чернин, А.В.Кузьмин, Г.М.Ицкович // Минск: «Вышэйш. школа», стр.54, формула 3.8, 1974 - 592 с.] соответствует стандартной силе на ключе 300 Н, что контролируется тарированным ключом.

Осевая нагрузка под пробкой передается жидкой средой на стенки баллона и составляет

Предел прочности стали 45 по [Справочник металлиста в 5 т, Т.2 / Под ред.Рахштадта, М: Машиностроение, с.90, табл. 12, 1976 - 720 с.]

σ_B=360 МПа.

Внутреннее давление, необходимое для разрушения материала баллона за счет охлаждения, составляет

360-53=307 МПа.

Удлинение стали 45 до разрыва по [Справочник металлиста в 5 т, Т.2 / Под ред. Рахштадта, М.: Машиностроение, 1976 - 720 с.] составляет ˜1%. При такой зоне упругой деформации требуется удлинение (ΔL) по образующей сечения баллона на границе «стенка-лед».

ΔL=(3,14×250 мм)×0,01=7,85 мм.

Удлинение ΔL складывается из сжатия баллона Δh₁ и расширения льда Δh₂ внутри баллона от действия низких температур.

ΔL=Δh₁+Δh₂

По [Д.Кэй, Т.Леби. Таблицы физических и химических постоянных. М.: ГИФМЛ, с.63, 1962 - 248 с.] коэффициент линейного расширения (сжатия при охлаждении) стали α=12×10^-6 мм/град, объемного расширения для воды по [Д.Кэй, Т.Леби. Таблицы физических и химических постоянных. М.: ГИФМЛ. с.63, 1962 - 248 с.].

β=21×10^-5 мм³/град.

Для баллона диаметром 250 мм длина (L) образующей сечение

L=3,14×250=785 мм.

Изменение длины образующей Δh₁ при перепаде температур t относительно начальной (около 0°С)

Δh₁=-α×L×t=-9,42×10^-3 мм

При длине баллона L₁=1000 мм его объем

Изменение объема (ΔV) составит

ΔV=V×β×t=(49×10^-6×21×10^-5)t=10290 мм³.

Принимая изменение размеров баллона при расширении льда одинаковым во всех направлениях, получим изменение сечения баллона (ΔF)

где d₁ - диаметр баллона после охлаждения

Откуда,

- изменение длины образующей сечения баллона за счет охлаждения воды Δh₂

Суммируя, Δh₁ и Δh₂ (Δh₁+Δh₂=ΔL=7,85 мм) находим уравнение для расчета перепада температур, после решения которого получаем

t=-27,4°С (не менее).

Если не делать предварительного давления от действия пробки, то потребуется снижение температуры до -43°С (не менее).

При температуре -32°С разрушение баллона наступило через 40 минут охлаждения в форме расположенных с двух сторон щелей с раскрытием около 22 мм. После чего клиновидным пуансоном при давлении на прессе усилием 1×10⁶ H баллон был раскрыт на ширину, достаточную для удаления льда. Затем металл и лед с остатками взрывоопасного вещества были утилизированы по принятой технологии.

Изобретение относится к области утилизации использованных баллонов, содержащих остатки взрывоопасных и токсичных веществ наполнителей. Подлежащие утилизации баллоны полностью заполняют водой, устанавливают в горловину резьбовую пробку и закручивают ее до достижения предельных осевых нагрузок на резьбовые соединения, замораживают воду и охлаждают баллон со льдом до разрушения стенок баллона, после чего раскрывают место разрушения стенок и удаляют лед с остатками взрывоопасных и токсичных веществ. Эффективностью данного технического решения является снижение затрат на утилизацию баллонов с содержанием остатков взрывоопасных и токсичных веществ, устранение возможности распространения таких веществ.

Способ утилизации баллонов с остатками взрывоопасных и токсичных веществ, включающий замораживание воды внутри баллона, отличающийся тем, что подлежащие утилизации баллоны заполняют водой полностью, устанавливают в горловину резьбовую пробку и закручивают ее до предельных осевых нагрузок на резьбовые соединения, замораживают воду и охлаждают баллон со льдом до разрушения стенок баллона, после чего раскрывают баллон по месту разрушения стенок и удаляют лед с остатками взрывоопасных и токсичных веществ.