Износостойкое оборудование для работы со шламом Российский патент 2019 года по МПК C23C4/10 F04D1/00 F04D29/42 

ПРЕДПОСЫЛКИ

[0001] Изобретение, описанное в настоящем документе, относится к износостойкому оборудованию, применяемому для обработки шламов. Согласно конкретному аспекту, описанные в настоящем документе варианты выполнения относятся к износостойкому оборудованию, применяемому для обработки шламов, например, образуемых при горнодобывающих работах.

[0002] Оборудование для работы со шламом, такое как трубопроводы для перегрузки шлама и входящие в их состав насосы и клапаны, является важным компонентом современных горнодобывающих производств. Образуемые в результате работ шламы могут представлять собой по существу минеральное сырье, после обработки которого получают очищенный минерал, либо совокупность отходов, получаемых при горной добыче или операции по переработке руды. Шламы, образуемые во время указанных работ, связанных с горной добычей, могут обладать очень сильными абразивными свойствами и являться сильнокислотными или сильнощелочными. Поэтому оборудование для работ со шламом может повреждаться в результате контакта с указанным шламом, который обрабатывают посредством данного оборудования, и нуждается в ремонте или замене через сравнительно короткие промежутки времени. Тот факт, что многие горнодобывающие работы выполняют в удаленных местоположениях при экстремальных климатических условиях, повышает экономические затраты на восстановление обслуживающего оборудования на месте работ. Таким образом, существует необходимость создания оборудования для работы со шламом и компонентов оборудования, имеющих более продолжительный срок службы, а также необходимость создания указанного оборудования и компонентов экономически эффективным способом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

[0003] Согласно первому аспекту изобретения предложен способ защиты оборудования для работы со шламом. Способ включает этапы идентификации одного или более типов событий износа, которым в процессе эксплуатации может быть подвержена внутренняя поверхность оборудования для работы со шламом, оценки значимости каждого типа события износа поверхности, которому данная поверхность будет подвержена в процессе эксплуатации, и нанесения на поверхность одного или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид или нитрид металла, и эрозионностойкого органического покрытия. Типы и значимость событий износа прогнозируют с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей. Нанесение на поверхность любого или обоих из термически напыляемого покрытия и эрозионностойкого органического покрытия выполняют в зависимости от типов идентифицированных событий износа и их оцененной значимости.

[0004] Согласно второму аспекту изобретения предложен способ защиты оборудования для работы со шламом. Способ включает нанесение одного или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид или нитрид металла, и эрозионностойкого органического покрытия на одну или более внутренних поверхностей оборудования для работы со шламом. Одну или более выбранных для защиты внутренних поверхностей, с помощью одной или более вычислительных гидродинамических моделей, идентифицируют как поверхности, подверженные одному или более событиям износа в процессе эксплуатации. Любое или оба из термически напыляемого покрытия и эрозионностойкого органического покрытия наносят на одну или более внутренних поверхностей, на основании типов идентифицированных событий износа и оцененной значимости данных событий, спрогнозированных по одной или более вычислительным гидрогазодинамическим моделям. Толщину термически напыляемого покрытия и толщину эрозионностойкого органического покрытия, необходимую для создания достаточного уровня защиты поверхности относительно каждого идентифицированного события износа, устанавливают с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей.

[0005] Согласно третьему аспекту изобретения предложен насос для работы со шламом. Насос содержит одну или более внутренних поверхностей, подверженных событиям износа вследствие эрозии, и одну или более внутренних поверхностей, подверженных событиям износа вследствие истирания. Каждую поверхность, подверженную событиям износа вследствие эрозии, и каждую поверхность, подверженную событиям износа вследствие истирания, по существу покрывает одно или более защитных покрытий. Защитные покрытия выбирают из одного или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид или нитрид металла, и эрозионностойкого органического покрытия. Поверхности, выбранные для защиты, с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей идентифицируют как поверхности, которые могут быть подвержены событиям износа вследствие эрозии, и поверхности, подверженные событиям износа вследствие истирания. Защитные покрытия выбирают на основании спрогнозированного типа и значимости события износа, идентифицированного с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей.

[0006] Согласно четвертому аспекту изобретения предложено устройство для работы со шламом. Устройство для работы со шламом включает по меньшей мере одну внутреннюю поверхность, подверженную событиям износа вследствие эрозии, и по меньшей мере одну внутреннюю поверхность, которая может быть подвержена событиям износа вследствие истирания, а также защитные покрытия, по существу покрывающие каждую поверхность, подверженную событиям износа вследствие эрозии, и каждую поверхность, подверженную событиям износа вследствие истирания. Защитные покрытия выбирают из одного или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид или нитрид металла, и эрозионностойкого органического покрытия. Поверхности, выбранные для защиты, с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей идентифицируют как поверхности, подверженные событиям износа вследствие эрозии, и поверхности, подверженные событиям износа вследствие истирания. Защитные покрытия выбирают на основании спрогнозированного типа и значимости события износа, идентифицированного с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей.

[0007] Согласно пятому аспекту изобретения предложен компонент устройства для работы со шламом. Компонент устройства для работы со шламом включает по меньшей мере одну поверхность, представляющую внутреннюю поверхность устройства для работы со шламом, подверженную одному или более событиям износа из группы событий, включающей эрозию и истирание, а также одно или более защитных покрытий, по существу покрывающих каждую поверхность компонента, подверженную указанным событиям износа. Защитные покрытия выбирают из одного или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид или нитрид металла, и эрозионностойкого органического покрытия. Поверхность компонента, выбранная для защиты, с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей идентифицируют как поверхность, подверженную событиям износа. Защитные покрытия выбирают на основании спрогнозированного типа и значимости события износа, идентифицированного по одной или более вычислительным гидрогазодинамическим моделям.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Далее будет выполнена краткая ссылка на прилагаемые чертежи, на которых:

[0009] на Фиг. 1 представлено схематическое изображение варианта выполнения нового насоса для работы со шламом;

[0010] на Фиг. 2 изображены компоненты насоса для работы со шламом;

[0011] на Фиг. 3 изображены компоненты насоса для работы со шламом;

[0012] на Фиг. 4 изображена новая всасывающая втулка нового насоса для работы со шламом;

[0013] на Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 8 и Фиг. 9 изображена новая футеровка корпуса нового насоса для работы со шламом;

[0014] на Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 15, Фиг. 16, Фиг. 17, Фиг. 18 и Фиг. 19 изображено новое рабочее колесо нового насоса для работы со шламом;

[0015] на Фиг. 20 представлена одна или более областей применения оборудования для работы со шламом; и

[0016] на Фиг. 21 изображен способ защиты оборудования для работы со шламом.

[0017] Одинаковые или соответствующие компоненты и узлы, представленные на нескольких чертежах, выполненных не в масштабе, обозначены, когда это применимо, подобными номерами позиций, если не указано иное. Варианты выполнения, описанные в настоящем документе, могут включать элементы, представленные на одном или более чертежах или группе из нескольких чертежей. Более того, способы приведены исключительно в качестве примера и могут быть модифицированы, например, посредством изменения очередности, добавления, удаления и/или изменения отдельных этапов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0018] В настоящем изобретении предложен новый способ защиты оборудования для работы со шламом, а также оборудование для работы со шламом и компоненты указанного оборудования, созданные с использованием нового способа. В новом способе используют одну или более вычислительных гидрогазодинамических (Computational Fluid Dynamics, CFD) моделей находящегося в эксплуатации оборудования для прогнозирования типов, местоположения и значимости событий износа, которым будет подвержено оборудование при обработке шлама, и получают рекомендации по нанесению или фактически наносят одно или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид металла или нитрид металла, и эрозионностойкого органического покрытия на избранные внутренние поверхности оборудования, которые согласно CFD модели будут подвержены недопустимо высоким интенсивностям износа. Оборудование для работы со шламом целесообразно применять, в том числе, при выполнении современных операций по обработке шлама при добыче полезных ископаемых и углеводородов.

[0019] Как отмечено выше, тип и значимость событий износа прогнозируют с использованием одного или более вычислительных гидрогазодинамических инструментов (CFD), которые моделируют работу оборудования при конкретном классе эксплуатации (то есть, интенсивности работы). Такие прогнозы, сделанные в рамках конкретной конфигурации оборудования для работы со шламом, могут включать такие факторы, как тип обрабатываемого оборудованием шлама (твердые частицы в газе или твердые частицы в жидкости), скорость прохождения шлама через оборудование, распределение частиц шлама по размерам, твердость частиц шлама и концентрация твердых частиц в шламе и др. Так, CFD-модели, применяемые согласно одному или более вариантов выполнения, учитывают геометрию траектории прохождения шлама через оборудование, наличие ограниченных проходов, наличие движущихся и неподвижных внутренних поверхностей, а также характеристики самого шлама для прогнозирования, например, какие внутренние поверхности в оборудовании для работы со шламом с наибольшей вероятностью подвержены износу вследствие значительной степени эрозии и истирания в процессе эксплуатации. Специалисты в данной области техники понимают, что случаи износа вследствие эрозии будут возникать, когда частицы шлама ударяются о поверхность оборудования, а случаи износа вследствие истирания могут быть особенно значимы, если одна движущаяся поверхность перемещается в непосредственной близости от другой движущейся поверхности при наличии частиц шлама.

[0020] Несмотря на логическое предположение, что типы износа поверхности иногда могут зависеть от местоположения поверхности внутри оборудования для работы со шламом, перед запуском оборудования, с использованием одной или более CFD-моделей можно предсказать значимость события износа и оценить его в плане ограничения срока службы. Целесообразность способа заключается в том, что меры защиты, принимаемые на основании прогнозируемых событий износа, получаемых с использованием CFD-моделей, соответствуют типу и значимости событий износа, которые будут испытывать конкретные поверхности в процессе эксплуатации. Конечная эффективность обеспечена отсутствием необходимости выполнения защитных мероприятий и связанных с ними затрат.

[0021] Зная о местоположениях внутри оборудования, которые с наибольшей вероятностью подвержены событиям износа, приводящим к возможному повреждению оборудования для работы со шламом конкретного типа, специалист может принять соответствующие меры по защите поверхностей, которые считаются уязвимыми, без необходимости защиты поверхностей, для которых согласно CFD-модели спрогнозированы допустимые уровни износа в процессе работы со шламом. Соответствующие защитные меры включают нанесение одного или более из термически напыляемого покрытия и эрозионностойкого органического покрытия на поверхности, которые, как спрогнозировано, подвержены случаям значительного износа.

[0022] В одном или более вариантах выполнения термически напыляемое покрытие содержит один или более металлических карбидов, которые известны специалистам в данной области техники. В одном или более вариантах выполнения термически напыляемое покрытие содержит дисперсную фазу карбида металла и однородную фазу металлического сплава. Соответствующие карбиды металла включают карбид титана, карбид циркония, карбид гафния, карбид ванадия, карбид ниобия, карбид тантала, карбид хрома, карбид молибдена, карбид вольфрама, карбид кремния, карбид бора и комбинации двух или более вышеуказанных карбидов. Металлические сплавы, подходящие для использования в качестве однородной фазы термически напыляемого покрытия, содержащего карбид металла, включают сплавы, содержащие один или более следующих элементов: кобальт, хром, молибден, медь, никель, ванадий и углерод.

[0023] В одном или более вариантах выполнения термически напыляемое покрытие содержит один или более металлических нитридов, которые известны специалистам в данной области техники, например, нитрид титана и нитрид хрома.

[0024] Новый способ, описанный в настоящем документе, может быть использован при разнообразных операциях, когда внутренние поверхности оборудования могут входить в контакт с одним или более видами шлама. Оборудование для работы со шламом, которое может быть защищено согласно одному или более вариантам выполнения, включает насосы, компрессоры, вентиляторы, детандеры, турбины, клапаны и др. для работы со шламом. В одном или более вариантах выполнения оборудование для работы со шламом относится к группе, состоящей из насосов, компрессоров, вентиляторов, детандеров, турбин и клапанов. В одном или более вариантах выполнения подлежащее защите оборудование для работы со шламом представляет собой насос для работы со шламом, содержащий внутренние поверхности, подверженные по меньшей мере одному событию износа из группы событий, включающей эрозию, истирание и коррозию. В одном или более вариантах выполнения подлежащее защите оборудование для работы со шламом представляет насос для работы со шламом, содержащий по меньшей мере одну внутреннюю поверхность, которая может быть подвержена эрозии, и по меньшей мере одну внутреннюю поверхность, подверженную истиранию.

[0025] Соответствующие эрозионностойкие органические покрытия имеются на рынке продаж и могут включать один или более материалов, выбираемых из силиконовых резин, полиуретанов, полиэпоксидов, фенольных смол и комбинаций двух или более вышеуказанных типов материала. В одном или более вариантах выполнения эрозионностойкое органическое покрытие содержит один или более органических силиконовых полимеров, например, описанных в патенте США 7033673, который полностью включен в настоящий документ посредством ссылки. В одном или более альтернативных вариантах выполнения эрозионностойкое органическое покрытие содержит один или более таких органических силиконовых полимеров, которые описаны в патенте США 8183307, который полностью включен в настоящий документ посредством ссылки.

[0026] В конкретных вариантах выполнения эрозионностойкое органическое покрытие содержит текучий силанол, такой как Полимер 3-0134 (Polymer 3-0134), поставляемый фирмой «Dow Corning», неорганический наполнитель, такой как поверхностно обработанный пирогенный диоксид кремния, и сшивающий агент.В конкретном варианте выполнения эрозионностойкое органическое покрытие содержит примерно от 75 до 95 процентов по весу текучего силанола, примерно от 3 до 20 процентов по весу пирогенного диоксида кремния, примерно от 2 до 15 процентов по весу сшивающего агента, такой как этилтриацетоксисилан, и сшивающий катализатор, такой как дилаурат дибутил олова. В одном или более вариантах выполнения эрозионностойкое органическое покрытие содержит растворитель, который способствует нанесению покрытия, но удаляется после отверждения покрытия на поверхности.

[0027] Эрозионностойкое органическое покрытие может быть нанесено в виде жидкого, порошкообразного или пленочного покрытия и любым соответствующим способом, таким как распыление, нанесение щеткой и погружение окунанием. В одном варианте выполнения эрозионностойкое органическое покрытие наносят путем отжига органической эрозионностойкой пленки, по существу покрывающей защищаемую поверхность.

[0028] Покрытия, применяемые для поверхностей оборудования для работы со шламом, накладывают с толщиной, достаточной для обеспечения существенного уровня защиты данных поверхностей относительно событий износа, прогнозируемых в CDF-модели применительно к ограничению срока службы оборудования. Под существенным уровнем защиты подразумевают, что при одинаковом режиме эксплуатации оборудование для работы со шламом, защищенное как описано в настоящем документе, прослужит дольше, чем аналогичное незащищенное оборудование для работы со шламом на период времени, который оператор данного оборудования будет считать значимым. В одном или более вариантах выполнения предполагается, что оборудование для работы со шламом, защищенное как описано в настоящем документе, прослужит примерно в 2-10 раз дольше по сравнению с незащищенным аналогом при одинаковых или подобных режимах эксплуатации.

[0029] В первом ряде вариантов выполнения термически напыляемое покрытие наносят на поверхность, которая может быть подвержена одному или более событиям износа из случаев износа вследствие эрозии, истирания и коррозии, с толщиной покрытия, составляющей примерно от 200 мкм до 3000 мкм. В еще одном ряде вариантов выполнения термически напыляемое покрытие наносят на поверхность, подверженную одному или более событиям износа из случаев износа вследствие эрозии, истирания и коррозии, с толщиной покрытия, составляющей примерно от 350 мкм до 2500 мкм. В следующей группе вариантов выполнения, термически напыляемое покрытие наносят на поверхность, подверженную одному или более событиям износа из случаев износа вследствие эрозии, истирания и коррозии, с толщиной покрытия, составляющей примерно от 600 мкм до 2000 мкм.

[0030] Подобным образом, в первом ряде вариантов выполнения эрозионностойкое органическое покрытие наносят на поверхность, подверженную одному или более событиям износа из случаев износа вследствие эрозии, истирания и коррозии, с толщиной покрытия, составляющей примерно от 400 мкм до 2000 мкм. В еще одном ряде вариантов выполнения эрозионностойкое органическое покрытие наносят на поверхность, которая может быть подвержена одному или более событиям износа из случаев износа вследствие эрозии, истирания и коррозии, с толщиной покрытия, составляющей примерно от 500 мкм до 1500 мкм. В следующей группе вариантов выполнения, эрозионностойкое органическое покрытие наносят на поверхность, подверженную одному или более событиям износа из случаев износа вследствие эрозии, истирания и коррозии, с толщиной покрытия, составляющей примерно от 750 мкм до 1000 мкм.

[0031] Далее обратимся к чертежам, на Фиг. 1 представлен новый насос 10 для работы со шламом, выполненный согласно одному или более вариантам выполнения и изображенный в разобранном виде, при этом насос содержит одну или более внутренних поверхностей, защищаемых в соответствии со способом, описанным в настоящем документе. Насос содержит корпус 12, впуск 14 и выпуск 16; и ограничивает между впуском 14 и выпуском 16 проход 18 для шлама. Футеровка 20 корпуса предотвращает контакт между внутренними поверхностями корпуса насоса и шламом, обрабатываемым насосом. В представленном варианте выполнения корпус насоса выполнен из такого металла, как сталь, и содержит одну или более поверхностей, подверженных событиям износа, например, вследствие эрозии и истирания. Футеровка корпуса выбрана с обеспечением меньшей подверженности износу по сравнению с корпусом насоса, но все же данная футеровка может быть подвержена случаям износа, ограничивающим срок службы. В одном варианте выполнения футеровка корпуса выполнена из сравнительно твердого термореактивного полимера, такого как резина. В альтернативном варианте выполнения футеровка корпуса выполнена из такого металла, как сталь.

[0032] Снова обратимся к Фиг. 1, насос для работы со шламом также содержит всасывающую втулку 22, которая на одном конце взаимодействует с впуском 14 насоса, а на другом конце с рабочим колесом 24. Рабочее колесо 24 приводится в действие приводным валом 26, который изображен вращающимся в направлении 28 вращения. Весь узел скреплен болтами 30, которые закреплены в отверстиях 32.

[0033] Обратимся к Фиг. 2, на которой представлен вид в разрезе насоса 10 для работы со шламом, в котором рабочее колесо 24 заключено в футеровке 20 корпуса насоса. На чертеже также видна часть всасывающей втулки 22. В представленном на чертеже варианте выполнения наблюдатель смотрит через рабочее колесо на впуск насоса.

[0034] Обратимся к Фиг. З, на которой представлен вид в разрезе насоса 10 для работы со шламом, в котором между неподвижной всасывающей втулкой 22 и вращающимся рабочим колесом 24 существует тесная пространственная взаимосвязь. Кроме того, передняя часть прохода 18 для шлама показана на чертеже как футеровка 20 корпуса.

[0035] Обратимся к Фиг. 4, представляющей всасывающую втулку 22 насоса для работы со шламом, имеющую три отдельные поверхности; поверхность 22А, поверхность 22В и поверхность 22С, каждая из которых может быть подвержена одному или более событиям износа, вызванным контактом со шламом, обрабатываемом указанным насосом, содержащим данную всасывающую втулку. Поверхность 22А подвержена, главным образом, случаям износа вследствие эрозии, поскольку является неподвижной поверхностью, которая непосредственно не противолежит поверхности движущегося компонента. Каждая из неподвижных поверхностей 22В и 22С подвержена как эрозии, так и истиранию, поскольку указанные поверхности непосредственно противолежат и отделены узким зазором от вращающихся поверхностей рабочего колеса 24. Данный зазор может иметь больший или меньший размер, в зависимости от распределения размера частиц обрабатываемого шлама. Как правило, зазор между указанными вращающимися и неподвижными поверхностями составляет примерно от 0,1 мм до нескольких миллиметров. Фиг. 4 также описано в Экспериментальной Части данного описания.

[0036] Обратимся к Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 8 и Фиг. 9, на которых представлена половина футеровки 20 корпуса насоса для работы со шламом, которая имеет пять поверхностей 20А, 20В, 20С, 20D и 20Е, подверженных одному или более событиям износа. Из пяти указанных поверхностей только для одной поверхности 20Е (Фиг. 9) CDF-модель прогнозирует значительную степень истирания. Следует отметить, что поверхность 20Е представляет только одну поверхность из пяти поверхностей, прямо противолежащих и расположенных в непосредственной близости от движущейся поверхности рабочего колеса. Как правило, зазор или допуск между неподвижной поверхностью 20Е и ближайшими вращающимися поверхностями рабочего колеса 24 составляет примерно от доли миллиметра до нескольких миллиметров, при этом данный зазор может иметь больший или меньший размер в зависимости от распределения размера частиц обрабатываемого шлама. Рассчитанные по CDF-модели степени эрозии для поверхностей 20А-20D, получились такими, что преимущественно можно использовать два разных типа покрытий для защиты от эрозии; как правило, более дорогостоящее термически напыляемое покрытие и, как правило, менее дорогостоящее эрозионностойкое органическое покрытие. В одном варианте выполнения каждая из поверхностей 20А-20D может быть обработана эрозионностойким, термически напыляемым покрытием из карбида вольфрама (внутренний слой), толщина которого составляет примерно от 350 мкм до 2500 мкм, и наружным эрозионностойким органическим покрытием из силикона, имеющим толщину примерно в диапазоне от 500 мкм до 1500 мкм. Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 8 и Фиг. 9 также описаны в Экспериментальной Части настоящего описания.

[0037] Обратимся к Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 15, Фиг. 16, Фиг. 17, Фиг. 18 и Фиг. 19, на которых представлено рабочее колесо 24 насоса для работы со шламом и разные поверхности (24А-24J) данного насоса, рассчитанные по CFD-модели применительно к возможности событий износа, ограничивающих срок службы. Среди поверхностей 24А-24Е только для поверхности 24D была была спрогнозирована возможность событий износа как вследствие эрозии, так и истирания, ограничивающих срок службы. Для поверхностей 24А, 24В, 24С и 24Е была спрогнозирована по CDF-модели возможность воздействия на данные поверхности различных степеней износа, так что поверхности 24А и 24 В могут быть соответствующим образом защищены только одним слоем эрозионностойкого органического покрытия, в зависимости от характеристик обрабатываемого шлама. Спрогнозированные степени износа на поверхностях 24С и 24Е получились такими, что преимущественно может быть использовано двухслойное покрытие, содержащее внутреннее, термически напыляемое покрытие и наружное, эрозионностойкое органическое покрытие.

[0038] Для поверхностей 24F-24J (см. Фиг. 15, Фиг. 16, Фиг. 17, Фиг. 18 и Фиг. 19) рабочего колеса была спрогнозирована по CDF-модели возможность воздействия ограничивающих срок службы событий износа только вследствие эрозии (поверхности 24G и 24J), и ограничивающих срок службы событий износа вследствие как эрозии, так и истирания (поверхности 24F, 24Н и 24J). В каждом случае реализуемый протокол защиты рассчитан на основании степени износа, прогнозируемого по CFD-модели. Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 15, Фиг. 16, Фиг. 17, Фиг. 18 и Фиг. 19 также описаны в Экспериментальной Части настоящего описания.

[0039] На Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 9, Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 15, Фиг. 16, Фиг. 17, Фиг. 18 и Фиг. 19 проиллюстрированы новые компоненты нового устройства для работы со шламом, которое выполнено согласно изобретению. Компоненты указанного устройства включают по меньшей мере одну поверхность компонента, представляющую внутреннюю поверхность устройства для работы со шламом, а это означает, что когда компонент устройства установлен внутри готового к работе устройства, например, насоса, то по меньшей мере одна из поверхностей компонента будет представлять внутреннюю поверхность данного устройства, предрасположенную к одному или более событиям износа из группы событий, включающих эрозию и истирание, и одно или более защитных покрытий будет по существу закрывать каждую поверхность компонента, подверженную указанным событиям износа. В одном или более вариантах выполнения защитное покрытие выбирают из одного или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид или нитрид металла, и эрозионностойкого органического покрытия. Поверхность компонента, выбранную для защиты, идентифицируют как поверхность, подверженную указанным событиям износа, используя вычислительные гидрогазодинамические модели всего устройства. Защитные покрытия выбирают на основании типа событий износа, идентифицированных по одной или более вычислительным гидрогазодинамическим моделям, и значимости данных событий износа, которые спрогнозированы по одной или более из указанных моделей.

[0040] В одном или более вариантах выполнения компонент устройства для работы со шламом может представлять корпус устройства, футеровку, рабочую лопатку, направляющую лопатку, канал, впуск, выпуск, рабочее колесо, приводной вал или клапан.

[0041] В одном или более вариантах выполнения компонент устройства для работы со шламом содержит эрозионностойкое органическое покрытие, которое известно специалистам в данной области техники. В одном или более вариантах выполнения эрозионностойкое органическое покрытие содержит эрозионностойкий силиконовый эластомер.

[0042] В одном или более вариантах выполнения компонент устройства для работы со шламом содержит термически напыляемое покрытие, содержащее карбид или нитрид металла. Такие термически напыляемые покрытия известны специалистам в данной области техники и описаны в настоящем документе.

[0043] В одном или более вариантах выполнения компонент устройства для работы со шламом содержит как эрозионностойкое органическое покрытие, так и термически напыляемое покрытие. В одном или более таких вариантах выполнения эрозионностойкое органическое покрытие содержит силиконовый эластомер, а термически напыляемое покрытие содержит дисперсную фазу карбида вольфрама и однородную фазу кобальт-хрома (Co-Cr).

[0044] Обратимся к Фиг. 20, на которой представлена система и ее применение при горнодобывающих работах. Система содержит множество насосов для работы со шламом; первый насос 100 предназначен для работы в качестве источника механической или электрической мощности, а второй насос 100а служит для обработки шлама. Источник 200 шлама, расположенный на возвышении относительно первого насоса 100 для обработки шлама, сообщается по текучей среде посредством канала 202 с указанным первым насосом и бассейном 206 для сбора шлама. Первичный шлам 205а, например, рудный шлам, полученный при добыче меди, под действием силы тяжести перемещается в направлении 204 от расположенного на возвышении источника шлама по каналу для прохода шлама и встречается с первым насосом 100 для работы со шламом, выполненным с возможностью использования кинетической энергии проходящего через насос первичного шлама для генерации механической энергии, которая может быть использована для приведения в действие электрогенератора или другого механического устройства. Первичный шлам заставляет рабочее колесо 24 вращаться, и это в свою очередь приводит в движение приводной вал 26. Механическая энергия движущегося приводного вала может быть использована для приведения в действие другого оборудования, такого как насосы и генераторы. В некоторых вариантах выполнения насос для работы со шламом оборудован двигателем на постоянных магнитах. В таких случаях указанный насос может быть применен для выработки электричества при работе в режиме реверса. В представленном варианте выполнения электроэнергия образуется посредством механической выходной мощности насоса, приводимого в действие первичным шламом 205а, протекающим под действием силы тяжести. Данная электроэнергия передается посредством электрического силового звена 210 и используется для приведения в действие второго насоса 100а для работы со шламом, который перекачивает третичный шлам 205 с по каналу 203 к приемнику 212 концентрированного шлама, например, рельсовой вагонетке, или на операцию непрерывной фильтрации. Третичный шлам 205 с образуется из первичного шлама, когда тот вводится в первый бассейн 206 для сбора шлама и передается в качестве вторичного шлама 205b во второй бассейн 208 для сбора шлама. Третичный шлам может иметь такие же химические и физические характеристики, что и шлам 205а и шлам 205b, или же другие указанные характеристики. Различие в характеристиках шлама может быть вызвано разными концентрациями частиц, добавлением химических активаторов в бассейны 206 и/или 208 и т.п.

[0045] Обратимся к Фиг. 21, на которой представлен способ 300 защиты оборудования для работы со шламом. Первый этап 301 способа включает прогнозирование одного или более типов событий износа, которым в процессе эксплуатации подвержена внутренняя поверхность оборудования для работы со шламом, при этом прогнозирование выполняют с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей. Второй этап 302 способа включает оценку значимости каждого типа события износа, которому в процессе эксплуатации будет подвергаться поверхность, с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей. Третий этап 303 способа включает нанесение одного или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид или нитрид металла, и эрозионностойкого органического покрытия на поверхность, для которой получен прогноз по типам событий износа и оцененной значимости данных событий.

[0046] На практике, в результате выполнения этапов 301-303 способа обеспечено оборудование для работы со шламом, в котором были идентифицированы и выборочно защищены поверхности, подверженные износу вследствие контакта со шламом, а именно эрозии, истирания и коррозии.

Экспериментальная часть

[0047] Модель эрозии оборудования для работы со шламом, в данном примере это насос для работы со шламом, выполненный согласно Фиг. 1 - Фиг.19, была создана с использованием инструмента программного моделирования вычислительной гидрогазодинамики (CFD) ANSYS, предоставляемого ANSYS, Inc. Canonsburg, Pennsylvania (США). Параметры, применяемые при идентификации типов и значимости событий износа внутри насоса для работы со шламом, включают материалы поверхностей конструкции, подверженных контакту со шламом (материалы стенок), угол столкновения частиц, скорость частиц, размер частиц и плотность частиц.

[0048] Трехмерное цифровое моделирование двухфазного потока на основании метода Эйлера-Лагранжа было выполнено с использованием системы анализа ANSYS CFX для числового решения ряда дискретных уравнений Навье-Стокса для массы, момента и энергии, при этом учитывая силу вязкого сопротивления. При моделировании потока шлама и для оценки степени износа был использован репрезентативный размер твердых частиц. Измеренные опытным путем характеристики типа шлама, которым будет подвержен насос, преимущественно могут быть использованы для более качественного прогноза типов, значимости и местоположений событий износа внутри насоса. Вычислительная гидрогазодинамическая модель представлена как выходные данные степеней износа, выраженные в виде потери объема в единицу времени и в местоположениях по всему насосу для работы со шламом. Относительная значимость событий износа была установлена путем сравнения вычисленных степеней износа в разных местоположениях внутри насоса. Прогнозируемые значимости событий износа были в свою очередь использованы для оценки типа и толщины защитных покрытий, которые необходимо наносить в тех местоположениях внутри насоса для работы со шламом, которые согласно модели подвержены событиям износа, ограничивающим срок службы.

[0049] Для оценки были выбраны следующие компоненты насоса для работы со шламом: всасывающая втулка (обозначенная номером 22 позиции на Фиг. 1), футеровка корпуса (обозначенная номером 20 позиции на Фиг. 1) и рабочее колесо (обозначенное номером 24 позиции на Фиг. 1). Тип и значимость событий износа были спрогнозированы для 18 разных внутренних поверхностей указанных компонентов насоса, и на основании типа и значимости событий износа, предсказанных для данной поверхности с помощью модели, были идентифицированы и вычислены протоколы защиты поверхностей. Каждая из идентифицированных поверхностей может быть покрыта одним или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид или нитрид металла, которое обладает устойчивостью как к эрозии, так и к истиранию, и эрозионностойкого органического покрытия. Конкретные покрытия и комбинации покрытий, которые могут быть использованы, приведены в Таблицах 1-4. Например, термически напыляемое покрытие, такое как карбид вольфрама (WC) в кобальт-хромовой (СоСг) матрице, может быть нанесено по стандартной технологии высокоскоростного газовоздушного термического напыления (High Velocity Air Fuel Thermal, HVAF). В одном или более вариантах выполнения эрозионностойкое органическое покрытие может представлять собой эрозионностойкое покрытие из эластомерного силикона, которое хорошо известно в данной области техники и может быть нанесено по известной технологии с помощью краскопульта. Эрозионностойкое органическое покрытие может быть нанесено на тонкий слой грунтовки толщиной примерно в 1 мил (25,4 микрометра). Грунтовочные покрытия, подходящие для совместного применения с эластомерными силиконовыми покрытиями, известны в данной области техники и поставляются на рынок продаж компанией Momentive, Inc., Waterford, Нью-Йорк. Эрозионностойкое органическое покрытие может быть нанесено послойно для предотвращения стекания капель или оседания покрытия по поверхностям, имеющим сложную форму. В таких случаях, перед добавлением следующего слоя, каждый слой может быть подвергнут частичному отверждению. Как грунт, так и эластомер могут быть нанесены и отверждены при комнатной температуре. Покрытие из карбида вольфрама может быть нанесено на поверхности, указанные в Таблицах 1-4, с толщиной покрытия в диапазоне от 350 мкм до 2500 мкм, а эрозионностойкое силиконовое покрытие может быть нанесено с толщиной покрытия в диапазоне от 500 мкм до 1500 мкм. На некоторые поверхности, идентифицированные как поверхности, требующие защиты от эрозии, может быть нанесено одно или оба из термически напыляемого покрытия и эрозионностойкого органического покрытия. На другие поверхности, для которых в результате моделирования спрогнозированы значительные степени как истирания, так и эрозии, следует наносить только термически напыляемое покрытие, если только эрозионностойкое органическое покрытия не является достаточно устойчивым к истиранию. Если нужно наносить как термически напыляемое, так и эрозионностойкое органическое покрытие, покрытия могут быть нанесены последовательно с обеспечением нанесения эрозионностойкого органического покрытия на наружную поверхность термически напыляемого покрытия.

[0050] Лабораторные результаты образцов, обработанных покрытиями из силикона и карбида вольфрама, показали, что при степенях износа, предсказанных с использованием CFD-модели, всасывающая втулка, содержащая обработанные поверхности 22А, 22В и 22С, будет оставаться в рабочем состоянии по меньшей мере в семь раз дольше, чем необработанная всасывающая втулка, применяемая в рамках того же класса эксплуатации и выполненная из обычных материалов, известных специалистам-практикам в данной области техники.

[0051] Лабораторные результаты образцов, обработанных покрытиями из силикона и карбида вольфрама, показали, что при степенях износа, предсказанных с использованием CFD-модели, футеровка корпуса, содержащая обработанные поверхности 20А (острый край), 20В (верх половины улитки), 20С (низ половины улитки), 20D (сопло) и 20Е (задняя поверхность), будет оставаться в рабочем состоянии по меньшей мере в два раза дольше, чем необработанная футеровка корпуса насоса для работы со шламом, применяемая в рамках того же класса эксплуатации и выполненная из обычных материалов, известных специалистам-практикам в данной области техники.

[0052] Лабораторные результаты тестовых образцов, обработанных покрытиями из силикона и карбида вольфрама, показали, что при степенях износа, предсказанных с использованием CFD-модели, рабочее колесо насоса для работы со шламом, содержащее обработанные поверхности 24А (внутренняя лопатка), 24В (внутренний диск), 24С (наружный диск), 24D (наружная лопатка) и 24Е (профиль наружной лопатки), будет оставаться в рабочем состоянии по меньшей мере в шесть раз дольше, чем необработанное рабочее колесо, применяемое в рамках того же класса эксплуатации и выполненное из обычных материалов, известных специалистам-практикам в данной области техники.

[0053] Лабораторные результаты тестовых образцов, обработанных покрытиями из силикона и карбида вольфрама, показали, что при степенях износа, предсказанных с использованием CFD-модели, рабочее колесо насоса для работы со шламом, содержащее обработанные поверхности 24F (входное отверстие, расположенное рядом с всасывающей втулкой), 24G (внутренняя сторона втулки), 24Н (раструб, расположенный рядом с футеровкой корпуса), 241 (раструб, расположенный рядом с пакетным уплотнением) и 24J (наружный диаметр), будет оставаться в рабочем состоянии по меньшей мере в шесть раз дольше, чем необработанное рабочее колесо, применяемое в рамках того же класса эксплуатации и выполненное из обычных материалов, известных специалистам-практикам в данной области техники.

[0054] Приведенные выше примеры являются исключительно иллюстративными и служат для иллюстрации лишь некоторых признаков изобретения. Объем правовой охраны изобретения изложен в приведенной далее формуле изобретения в максимально широком смысле, и примеры, представленные в настоящем документе, являются иллюстративными образцами вариантов выполнения, избранных из всего многообразия возможных вариантов выполнения. Соответственно, заявитель обращает внимание на то, что прилагаемая формула изобретения не ограничена выбором примеров, используемых для иллюстрации признаков настоящего изобретения. Применяемое в формуле изобретения слово «содержит» и его производные также логически подразумевают и включают фразы разного объема или отличающиеся по объему, например, такие как «состоящий по существу из» и «состоящий из», но, не ограничиваясь указанным. Там где это необходимо, были представлены диапазоны значений, которые включают все входящие в них поддиапазоны. Предполагается, что вариации указанных диапазонов будут служить подсказкой практику, имеющему опыт в данной области техники, и если даже не являются общеизвестными, указанные вариации по возможности следует рассматривать как не выходящие за пределы объема прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, следует ожидать, что по мере развития науки и технологии смогут быть выполнены эквивалентные решения и замены, которые в данный момент не рассматриваются по причине неопределенности формулировок, и указанные изменения тоже следует считать при возможности не выходящими за пределы объема прилагаемой формулы изобретения.

[0055] В приведенном выше описании и последующей формуле изобретения может быть сделана ссылка на ряд выражений, которые имеют следующие значения.

[0056] Применяемые в настоящем документе выражения «оборудование» и «устройство» могут быть использованы взаимозаменяемым образом и имеют одинаковое значение.

[0057] Формы в единственном числе включают и множественные объекты ссылки, если только в контексте явно не указано иное.

[0058] Выражение «возможный» или «возможно» означает, что описанное далее событие или ситуация может иметь место или может не случиться, и что описание включает случаи, когда событие возникает, и случаи, когда событие не имеет места.

[0059] Формулировки, указывающие на приблизительное соответствие, применяемые в настоящем документе на протяжении описания и формулы изобретения, могут предполагать варьирование любого количественного обозначения, которое может изменяться, не приводя к изменению базовой функции, от которой оно зависит. Следовательно, величина, определяемая таким выражением или выражениями, как «примерно» и «по существу», не ограничена точно указанным значением. По меньшей мере в некоторых случаях, формулировки, указывающие на приблизительное соответствие, могут отвечать точности инструмента, применяемого для измерения величины. В данном случае и на протяжении описания и формулы изобретения границы диапазона могут быть объединены и/или взаимозаменяемы, при этом указанные диапазоны устанавливают и включают все входящие в них поддиапазоны, если только в контексте или тексте не указано иное.

Изобретение относится к способам защиты оборудования для работы со шламом. Способ защиты оборудования для работы со шламом включает идентификацию одного или более типов событий износа, которым в процессе эксплуатации подвержена внутренняя поверхность оборудования для работы со шламом, оценку значимости каждого типа события износа поверхности, причем типы и значимость событий износа прогнозируют путем сравнения степеней износа в разных местоположениях внутри оборудования, вычисленных с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей потока шлама в оборудовании, выдающих на выходе степени износа в различных местоположениях внутри оборудования, и нанесение на поверхность одного или более из термически напыляемого защитного покрытия, содержащего карбид металла или нитрид металла, и эрозионностойкого органического защитного покрытия в тех местоположениях внутри оборудования, которые согласно модели подвержены событиям износа. Кроме того, предложено оборудование для работы со шламом и его компоненты, защищенные в соответствии с предложенным способом. Изобретение направлено на увеличение срока службы оборудования. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 21 ил., 4 табл.,

1. Способ защиты оборудования для работы со шламом, включающий:

а) идентификацию одного или более типов событий износа, которым в процессе эксплуатации подвержена внутренняя поверхность оборудования для работы со шламом,

б) оценку значимости каждого типа события износа поверхности, которому данная поверхность будет подвержена в процессе эксплуатации,

причем типы и значимость событий износа прогнозируют путем сравнения степеней износа в разных местоположениях внутри оборудования, вычисленных с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей потока шлама в оборудовании, выдающих на выходе степени износа в различных местоположениях внутри оборудования, и

в) нанесение на поверхность одного или более из термически напыляемого защитного покрытия, содержащего карбид металла или нитрид металла, и эрозионностойкого органического защитного покрытия в тех местоположениях внутри оборудования, которые согласно модели подвержены событиям износа, ограничивающим срок службы оборудования,

при этом тип и толщину наносимого защитного покрытия определяют в соответствии с указанными прогнозируемыми типом и значимостью событий износа.

2. Способ по п.1, в котором оборудование для работы со шламом представляет собой оборудование, выбранное из группы, включающей насосы, компрессоры, вентиляторы, детандеры, турбины и клапаны.

3. Способ по п.1, в котором оборудование для работы со шламом представляет собой насос для работы со шламом.

4. Способ по п.3, в котором насос для работы со шламом имеет внутренние поверхности, подверженные по меньшей мере одному событию износа из группы событий, включающей эрозию, истирание и коррозию.

5. Способ по п.4, в котором насос для работы со шламом содержит по

меньшей мере одну внутреннюю поверхность, подверженную эрозии, и по меньшей мере одну поверхность, подверженную истиранию.

6. Способ по п.5, в котором один или более входных параметров для вычислительной гидрогазодинамической модели включает в качестве характеристик шлама, обрабатываемого оборудованием для работы со шламом, одно или более из нижеперечисленного: распределение размера частиц шлама, плотность частиц шлама и твердость частиц шлама.

7. Способ по п.6, в котором термически напыляемое покрытие содержит дисперсную фазу карбида металла и однородную фазу металлического сплава.

8. Способ по п.7, в котором карбид металла выбирают из группы, включающей карбид титана, карбид циркония, карбид гафния, карбид ванадия, карбид ниобия, карбид тантала, карбид хрома, карбид молибдена, карбид вольфрама, карбид кремния, карбид бора и комбинации из двух или более вышеуказанных карбидов.

9. Способ по п.7, в котором однородная фаза содержит один или более из следующих элементов: кобальт, хром, молибден, медь, никель, ванадий и углерод.

10. Способ по п.6, в котором эрозионностойкое органическое покрытие содержит один или более материалов, выбранных из группы, включающей силиконовые резины, полиуретаны, полиэпоксиды, фенольные смолы и комбинации из двух или более вышеуказанных типов материала.

11. Способ по п.10, в котором эрозионностойкое покрытие содержит силиконовую резину и неорганический наполнитель.

12. Способ защиты оборудования для работы со шламом, включающий:

прогнозирование типов и значимости событий износа, которым в процессе эксплуатации подвержена одна или более внутренних поверхностей оборудования для работы со шламом, путем сравнения степеней износа в разных местоположениях внутри оборудования, вычисленных с использованием одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей потока шлама в оборудовании, выдающих на выходе степени износа

в различных местоположениях внутри оборудования, и

нанесение одного или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид металла или нитрид металла, и эрозионностойкого органического покрытия на одну или более внутренних поверхностей оборудования для работы со шламом в тех местоположениях, которые согласно модели подвержены событиям износа, ограничивающим срок службы оборудования,

причем указанные одну или более внутренних поверхностей выбирают для защиты на основании указанных одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей как поверхности, подверженные одному или более событиям износа в процессе эксплуатации,

при этом толщину термически напыляемого покрытия и толщину эрозионностойкого органического покрытия, необходимую для обеспечения достаточного уровня защиты указанных одной или более внутренних поверхностей относительно каждого идентифицированного события износа, определяют в соответствии с указанными прогнозируемыми типами и значимостью событий износа.

13. Оборудование для работы со шламом, содержащее:

а) одну или более внутренних поверхностей, подверженных событиям износа вследствие эрозии, и одну или более внутренних поверхностей, подверженных событиям износа вследствие истирания, и

б) одно или более защитных покрытий, по существу покрывающих каждую поверхность, подверженную событиям износа вследствие эрозии, и каждую поверхность, подверженную событиям износа вследствие истирания, причем защитные покрытия выбраны из одного или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид металла или нитрид металла, и эрозионностойкого органического покрытия,

при этом указанные одна или более внутренних поверхностей выбраны для защиты на основании одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей потока шлама в оборудовании, выдающих на выходе степени износа в различных местоположениях внутри

оборудования, как поверхности, подверженные износу вследствие эрозии, и поверхности, подверженные износу вследствие истирания,

при этом тип и толщина указанных одного или более защитных покрытий определены в соответствии с типом и значимостью событий износа, спрогнозированными путем сравнения степеней износа в разных местоположениях внутри оборудования, вычисленных с использованием указанных одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей.

14. Оборудование по п.13, выбранное из группы, включающей насосы для работы со шламом, компрессоры для работы со шламом, вентиляторы для работы со шламом, детандеры для работы со шламом, турбины для работы со шламом и клапаны для работы со шламом.

15. Оборудование по п.13, являющееся насосом для работы со шламом.

16. Оборудование по п.15, в котором термически напыляемое покрытие содержит дисперсную фазу карбида металла и однородную фазу металлического сплава.

17. Оборудование по п.16, в котором карбид металла выбран из группы, включающей карбид титана, карбид циркония, карбид гафния, карбид ванадия, карбид ниобия, карбид тантала, карбид хрома, карбид молибдена, карбид вольфрама, карбид кремния, карбид бора и комбинации из двух или более вышеуказанных карбидов.

18. Оборудование по п.17, в котором однородная фаза содержит один или более из следующих элементов: кобальт, хром, молибден, медь, никель, ванадий и углерод.

19. Оборудование по п.18, в котором эрозионностойкое органическое покрытие содержит один или более материалов, выбранных из группы, включающей силиконовые резины, полиуретаны, полиэпоксиды, фенольные смолы и комбинации из двух или более вышеуказанных типов материала.

20. Компонент оборудования для работы со шламом, содержащий:

а) по меньшей мере одну поверхность, образующую внутреннюю поверхность оборудования для работы со шламом, которая подвержена

одному или более событиям износа из группы событий, включающей эрозию и истирание, и

б) одно или более защитных покрытий, по существу покрывающих каждую поверхность компонента, подверженную указанным событиям износа, и выбранных из одного или более из термически напыляемого покрытия, содержащего карбид металла или нитрид металла, и эрозионностойкого органического покрытия,

причем указанная по меньшей мере одна поверхность компонента выбрана для защиты на основании одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей потока шлама в оборудовании, выдающих на выходе степени износа в различных местоположениях внутри оборудования, как поверхность, подверженная указанным событиям износа,

при этом тип и толщина указанных одного или более защитных покрытий определены в соответствии с типом и значимостью событий износа, спрогнозированными путем сравнения степеней износа в разных местоположениях внутри оборудования, вычисленных с использованием указанных одной или более вычислительных гидрогазодинамических моделей.

21. Компонент п.20, выбранный из группы, включающей корпусы, футеровки, рабочие лопатки, направляющие лопатки, каналы, впускные элементы, выпускные элементы, рабочие колеса, приводные валы и клапаны.

22. Компонент по п.20, в котором указанные одно или более защитных покрытий содержат эрозионностойкий силиконовый эластомер.

23. Компонент по п.20, в котором указанные одно или более защитных покрытий содержат термически напыляемое покрытие, содержащее карбид металла или нитрид металла.

24. Компонент по п.20, в котором указанные одно или более защитных покрытий содержат эрозионностойкое органическое покрытие и термически напыляемое покрытие, содержащее карбид металла или нитрид металла.