Устройство для очистки изделий от твердых покрытий и солевых отложений (варианты) Российский патент 2023 года по МПК B08B9/00 E21B37/00 

Техническое решение относится к технологии электрогидравлической обработки материалов электрическими разрядами в жидкости, в частности, к области очистки изделий от твердых покрытий и отложений в трубах, резервуарах и отливках.

При производстве ответственных изделий с твердым покрытием различными компаундами выявляются дефекты адгезионного слоя и воздушные включения в толще покрытия, что приводит к отбраковыванию изделий. Для повторного использования дорогостоящего основного изделия необходимо удалить его дефектное покрытие. Механические и ультразвуковые методы удаления твердых покрытий не позволяют полностью очистить поверхность изделия со сложной формой, включая ребра жесткости, отбортовки и выходные патрубки, а также являются трудоемкими.

При очистке труб от солевых отложений, в частности, нефтяных насосно-компрессорных труб с твердыми кварцитовыми отложениями, содержащими радиоактивные загрязнения, технология «мокрой» очистки становится экологически актуальной.

Известно устройство для очистки трубок теплообменных аппаратов от накипи электрическими импульсными разрядами (RU 85619 U1, МПК F28G 7/00, В08В 7/00, опубл. 10.08.2009), содержащее высоковольтный электрод, соединенный с ним токопровод, помещенные в изолятор, и заземленный электрод, выполненный в виде цилиндрической пружины сжатия, надетой на изолятор высоковольтного электрода. Пружина сжатия снабжена надетым на изолятор металлическим наконечником, выполняющего роль ударного инструмента, причем наконечник снабжен зубьями, расположенными в два ряда. Разрушение накипи происходит ударной волной при электрическом разряде между высоковольтным электродом, наконечником и пружиной сжатия и последующим ударом наконечника по накипи, зубья которого дополнительно разрушают отслоившиеся куски. В прототипе устройства в качестве высоковольтного электрода, его изоляции и токопровода применен коаксиальный кабель, который подключается к накопителю энергии энергоблока.

Недостатком прототипа является низкий ресурс работы, обусловленный тем, что при разряде импульс тока проходит через пружину сжатия, нагревая ее, в результате, при повторных разрядах изменяется структура материала пружины при воздействии мощных импульсов тока, которые приводят к уменьшению упругости пружины или к разрушению. Кроме того, на пружину действуют электродинамические силы при взаимодействии токов противоположного направления, протекающие по центральному токопроводу и виткам пружины, что приводит к деформации витков в радиальном направлении.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для утилизации железобетонных изделий (RU 56220 U1, МПК В03В 13/00, опубл. 10.09.2006), содержащее наполненную водой ванну с изделием, энергоблок, содержащий трансформатор-выпрямитель, входы которого подключены к источнику питания, а параллельно выходам подключен накопительный конденсатор, один вывод которого заземлен и соединен с электродом, помещенным в ванну с водой, другой вывод накопительного конденсатора соединен через разрядник со вторым электродом. Причем, между электродами установлена плавкая вставка и они предназначены для введения в полость железобетонного изделия. Разрушение железобетонных изделий производится электрогидравлическим ударом при разряде накопительного конденсатора на промежуток между электродами, находящимися в воде. При обработке длинномерных и крупногабаритных изделий требуется проводить серию разрядов, перемещая электроды.

Недостатком этого устройства является низкая производительность и трудоемкость при обработке изделия серией импульсов, так как после каждого импульса требуется извлекать электроды из изделия для замены плавкой вставки, которая разрушается после импульса разряда.

Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение ресурса узла разрядных электродов при повышении эффективности передачи энергии при разряде.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для очистки изделий от твердых покрытий и солевых отложений, содержащем наполненную водой ванну для установки изделий, энергоблок, содержащий трансформатор-выпрямитель, входы которого подключены к источнику питания, а параллельно выходам подключен накопительный конденсатор, один вывод которого заземлен, использован коаксиальный кабель с экранной оплеткой, соединенной с заземленным выводом накопительного конденсатора, а центральная жила кабеля соединена через разрядник с другим выводом накопительного конденсатора, причем другой конец кабеля соединен экранной оплеткой с корпусом разрядной головки, а центральная жила с изоляцией является высоковольтным электродом и расположена по центральной оси внутренней полости разрядной головки, при этом разрядная головка имеет верхнюю часть цилиндрической формы с открытой внутренней полостью и нижнюю часть в виде полуцилиндра с выполненной в ней ступенчатой канавкой, диаметры которой соответствуют экранной оплетке и наружной оболочке кабеля, причем коаксиальный кабель соединен с головкой с помощью двух полуколец, верхнее полукольцо служит фиксатором экранной оплетки, которая соприкасается через уплотняющую электропроводную прокладку с корпусом головки, а нижнее полукольцо служит фиксатором наружной оболочки кабеля, при этом центральная жила с изоляцией установлена в открытой внутренней полости верхней части разрядной головки без возможности контакта с ее корпусом.

Кроме того, между полукольцом, корпусом разрядной головки и экранной оплеткой кабеля расположена уплотняющая электропроводная прокладка из медной фольги.

Технический результат достигается и за счет того, что в устройстве для очистки изделий от твердых покрытий и солевых отложений, содержащем наполненную водой ванну для установки изделий, энергоблок, содержащий трансформатор-выпрямитель, входы которого подключены к источнику питания, а параллельно выходам подключен накопительный конденсатор, один вывод которого заземлен, использован коаксиальный кабель с экранной оплеткой, соединенной с заземленным выводом накопительного конденсатора, а центральная жила кабеля соединена через разрядник с другим выводом накопительного конденсатора, причем другой конец кабеля соединен экранной оплеткой с корпусом разрядной головки, а центральная жила с изоляцией является высоковольтным электродом и расположена по центральной оси внутренней полости разрядной головки, при этом разрядная головка имеет верхнюю часть цилиндрической формы с открытой внутренней полостью и нижнюю часть в виде полуцилиндра с выполненной в ней ступенчатой канавкой, диаметры которой соответствуют экранной оплетке и наружной оболочке кабеля, причем коаксиальный кабель соединен с головкой с помощью двух полуколец, верхнее полукольцо служит фиксатором экранной оплетки, которая соприкасается через уплотняющую электропроводную прокладку с корпусом головки, а нижнее полукольцо служит фиксатором наружной оболочки кабеля, при этом центральная жила с изоляцией установлена в открытой внутренней полости верхней части разрядной головки без возможности контакта с ее корпусом, а в боковых стенках верхней части корпуса разрядной головки выполнены сквозные вырезы.

Коаксиальный кабель вместе с разрядной головкой образуют коаксиальную систему с минимальной собственной индуктивностью, что способствует повышению к.п.д. при передаче накопленной энергии в канал разряда и при этом снижаются уровни напряжения заряда, необходимые для выполнения технологической операции очистки. Кроме того, конструкция коаксиальной разрядной головки сводит к минимуму возникновение боковых стримеров при разряде, которые могут привести к дефектам на поверхности очищаемого изделия и уменьшают риски появления высоковольтного потенциала на корпусе ванны с водой. Таким образом увеличивается ресурс узла разрядных электродов при повышении эффективности передачи энергии при разряде.

Осуществление работы устройства поясняется следующими чертежами:

- на фиг. 1 представлена структурная схема устройства для очистки изделий от твердых покрытий и солевых отложений;

- на фиг. 2 показана конструкция разрядной головки для очистки поверхности изделий от твердых покрытий (сечения А-А, Б-Б, В-В, Г-Г);

- на фиг. 3 показан вариант разрядной головки для очистки труб и изделий, имеющих внутренние полости (сечение Д-Д).

Устройство содержит наполненную водой ванну 1 с изделием 2, энергоблок 3 с трансформатором-выпрямителем 4, параллельно выходу которого подключен накопительный конденсатор 5, высоковольтный вывод которого через разрядник 6 соединен с центральной жилой коаксиального кабеля 7, экранная оплетка кабеля соединена с заземленным выводом конденсатора. Другой конец коаксиального кабеля 8 экранной оплеткой соединен с корпусом разрядной головки 9, а центральная жила с изоляцией другого конца кабеля является высоковольтным электродом 10, который расположен по оси внутренней полости разрядной головки. Разрядная головка 9 вводится в полость обрабатываемого изделия или расположена над изделием 2 с очищаемым покрытием.

Работа устройства:

При включении питания на трансформатор-выпрямитель 4 происходит накопление электрической энергии в конденсаторе 5 до заданного уровня энергии, далее включается разрядник 6, который коммутирует запасенную энергию в конденсаторе на разрядную головку 9 через коаксиальный кабель 7, 8. В зазоре между центральным электродом 10 и корпусом разрядной головки 9 возникает электрический разряд, который порождает ударную волну и гидропотоки, направленные на обрабатываемое изделие. В результате воздействия ударной волны и гидропотоков осуществляется разрушение отложений или покрытия на поверхности изделия.

При этом создаваемая электрическим разрядом энергия, преобразованная в ударную волну, используется с минимальными потерями в системе: коаксиальный кабель - разрядная головка, как имеющей малую собственную индуктивность.

По первому варианту корпус разрядной головки 9 выполнен цилиндрической формы с внутренней полостью 11, открытой на выходном конце головки (сечение А-А, фиг. 2). Корпус 9 имеет верхнюю часть 12, нижнюю часть 13 в виде полуцилиндра и два съемных полукольца 14, 15. Полукольца 14, 15 имеют между собой и верхней частью корпуса 12 зазор шириной 1…2 мм. Также на нижней части 13 головки 9 выполнена ступенчатая канавка, диаметры которой соответствуют экранной оплетке 16 и наружной оболочке кабеля 17 коаксиального кабеля 8. В зоне экранной оплетки 16 кабель монтируется в канавку с кольцевой прокладкой 18, выполненной из медной фольги толщиной 0,3…0,8 мм, между корпусом головки 9, и прижимным полукольцом 14, и стянута винтами 19 для надежного электрического контакта (сечение В-В, фиг. 2). Наружная оболочка кабеля 17 стянута полукольцом 15 (сечение Г-Г, фиг. 2), обеспечивающего прочное механическое соединение кабеля с головкой.

Работа разрядной головки по первому варианту.

При включении разрядника 6 накопленная энергия конденсатора 5 разряжается через коаксиальный кабель 8 на промежуток между стенкой полости 11 разрядной головки 9 и центральной жилой кабеля 10 (сечение В-В, фиг. 2). В результате разряда образуется ударная волна, которая с высокой скоростью распространяется из полости 11 головки 9 и воздействует на поверхность очищаемого изделия. Разрядные токи в корпусе головки 9 и центральной жиле 10 кабеля направлены навстречу друг другу, образуя коаксиальную систему, которая обладает минимальной собственной индуктивностью и способствует повышению эффективности разряда при обработке длинномерных и крупногабаритных изделий длинным кабелем.

Длина изоляции центральной жилы кабеля 20 должна быть выбрана из расчета максимального напряжения заряда не менее 2…3 мм/кВ, исключающего поверхностные разряды по изоляции кабеля. Длина оголенного проводника центральной жилы 10 кабеля не должна превышать 4…6 мм для уменьшения электрических потерь на предпробойной стадии разряда.

По второму варианту корпус разрядной головки 9 выполнен цилиндрической формы с внутренней полостью 11, открытой на выходном конце головки. Дополнительно в верхней части 12 корпуса разрядной головки 9 выполнены от 2^ух до 4^ех сквозных вырезов 21, которые расположены противоположно жиле центрального электрода 10 коаксиального кабеля (сечение Д-Д, фиг. 3).

Работа разрядной головки по второму варианту.

В момент разряда накопительного конденсатора 5 на промежуток между корпусом разрядной головки 9 и центральным электродом кабеля 10 возникает ударная волна, которая распространяется в радиальном направлении через боковые вырезы 21 и, одновременно направлена в осевом направлении открытой полости 11.

Боковые составляющие ударной волны воздействуют на стенки очищаемой трубы, приводят к отслаиванию и разрушению отложений, а осевая составляющая ударной волны сбивает от стенки отслоившиеся куски отложений и выносят их наружу потоком воды.

Проведенные стендовые испытания заявляемого устройства на образцах изделия с ребрами жесткости и штуцерами на наружной поверхности, покрытой твердым защитным компаундом, подтвердили эффективность очистки отбракованных покрытий для последующего повторного использования изделия.

Проведены испытания варианта разрядной головки для очистки нефтяных насосно-компрессорных труб диаметров от 60 до 80 мм от кварцитовых отложений. Испытания проводились на стенде с подачей воды в очищаемые трубы длиной от 6 до 10 метров. Подтверждена эффективность очистки труб и экологическая утилизация отходов с радиоактивными загрязнениями.

При испытании устройства между энергоблоком с запасаемой энергией 15 кДж и разрядной головкой использовался коаксиальный кабель РК50-17-17 длиной 3 и 12 метров.

Предложенная группа изобретений относится к технологии электрогидравлической обработки материалов электрическими разрядами в жидкости, в частности к области очистки изделий от твердых покрытий и отложений в трубах, резервуарах и отливках. Устройство для очистки изделий от твердых покрытий и солевых отложений содержит наполненную водой ванну для установки изделий, энергоблок, содержащий трансформатор-выпрямитель, входы которого подключены к источнику питания, а параллельно выходам подключен накопительный конденсатор, один вывод которого заземлен. Устройство содержит коаксиальный кабель с экранной оплеткой, соединенной с заземленным выводом накопительного конденсатора, а центральная жила кабеля соединена через разрядник с другим выводом накопительного конденсатора. Другой конец кабеля соединен экранной оплеткой с корпусом разрядной головки. Центральная жила с изоляцией является высоковольтным электродом и расположена по центральной оси внутренней полости разрядной головки. Разрядная головка имеет верхнюю часть цилиндрической формы с открытой внутренней полостью и нижнюю часть в виде полуцилиндра с выполненной в ней ступенчатой канавкой, диаметры которой соответствуют экранной оплетке и наружной оболочке кабеля. Коаксиальный кабель соединен с головкой с помощью двух полуколец. Верхнее полукольцо служит фиксатором экранной оплетки, которая соприкасается через уплотняющую электропроводную прокладку с корпусом головки, а нижнее полукольцо служит фиксатором наружной оболочки кабеля. Центральная жила с изоляцией установлена в открытой внутренней полости верхней части разрядной головки без возможности контакта с ее корпусом. По второму варианту выполнения устройства в боковых стенках верхней части корпуса разрядной головки выполнены сквозные вырезы. Технический результат – повышение эффективности очистки отбракованных покрытий для последующего повторного использования изделий, а также увеличение ресурса узла разрядных электродов при повышении эффективности передачи энергии при разряде. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для очистки изделий от твердых покрытий и солевых отложений, содержащее наполненную водой ванну для установки изделий, энергоблок, содержащий трансформатор-выпрямитель, входы которого подключены к источнику питания, а параллельно выходам подключен накопительный конденсатор, один вывод которого заземлен, отличающееся тем, что оно содержит коаксиальный кабель с экранной оплеткой, соединенной с заземленным выводом накопительного конденсатора, а центральная жила кабеля соединена через разрядник с другим выводом накопительного конденсатора, причем другой конец кабеля соединен экранной оплеткой с корпусом разрядной головки, а центральная жила с изоляцией является высоковольтным электродом и расположена по центральной оси внутренней полости разрядной головки, при этом разрядная головка имеет верхнюю часть цилиндрической формы с открытой внутренней полостью и нижнюю часть в виде полуцилиндра с выполненной в ней ступенчатой канавкой, диаметры которой соответствуют экранной оплетке и наружной оболочке кабеля, причем коаксиальный кабель соединен с головкой с помощью двух полуколец, верхнее полукольцо служит фиксатором экранной оплетки, которая соприкасается через уплотняющую электропроводную прокладку с корпусом головки, а нижнее полукольцо служит фиксатором наружной оболочки кабеля, при этом центральная жила с изоляцией установлена в открытой внутренней полости верхней части разрядной головки без возможности контакта с ее корпусом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между полукольцом, корпусом разрядной головки и экранной оплеткой кабеля расположена уплотняющая электропроводная прокладка из медной фольги.

3. Устройство для очистки изделий от твердых покрытий и солевых отложений, содержащее наполненную водой ванну для установки изделий, энергоблок, содержащий трансформатор-выпрямитель, входы которого подключены к источнику питания, а параллельно выходам подключен накопительный конденсатор, один вывод которого заземлен, отличающееся тем, что оно содержит коаксиальный кабель с экранной оплеткой, соединенной с заземленным выводом накопительного конденсатора, а центральная жила кабеля соединена через разрядник с другим выводом накопительного конденсатора, причем другой конец кабеля соединен экранной оплеткой с корпусом разрядной головки, а центральная жила с изоляцией является высоковольтным электродом и расположена по центральной оси внутренней полости разрядной головки, при этом разрядная головка имеет верхнюю часть цилиндрической формы с открытой внутренней полостью и нижнюю часть в виде полуцилиндра с выполненной в ней ступенчатой канавкой, диаметры которой соответствуют экранной оплетке и наружной оболочке кабеля, причем коаксиальный кабель соединен с головкой с помощью двух полуколец, верхнее полукольцо служит фиксатором экранной оплетки, которая соприкасается через уплотняющую электропроводную прокладку с корпусом головки, а нижнее полукольцо служит фиксатором наружной оболочки кабеля, при этом центральная жила с изоляцией установлена в открытой внутренней полости верхней части разрядной головки без возможности контакта с ее корпусом, а в боковых стенках верхней части корпуса разрядной головки выполнены сквозные вырезы.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что между полукольцом, корпусом разрядной головки и экранной оплеткой кабеля расположена уплотняющая электропроводная прокладка из медной фольги.