Підвищення ефективності гідроочищення магістральних трубопроводів роторними пристроями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний університет»

Поздняков Павло Борисович

УДК 621.9.144

підвищення ефективності гідроочищення МАГІСТРАЛЬНИХ ТРУБОПРОВОДІВ роторними ПРИСТРОЯМИ

Спеціальність 05.03.07- процеси фізико-технічної обробки

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2008

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана на кафедрі верстатів і верстатних комплексів Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського, м. Кременчук.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Саленко Олександр Федорович

Кременчуцький державний політехнічний університет ім. М.Остроградського,

завідувач кафедри верстатів і верстатних комплексів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Петко Ігор Валентинович

Київський національний університет технологій та дизайну,

кафедра електромеханічних систем;

кандидат технічних наук, професор

Боков Віктор Михайлович

Кіровоградський національний технічний університет,

кафедра обробки металів тиском

Захист відбудеться “08” грудня 2008 р. о “15⁰⁰” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, навч. корп.№19

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий “07”листопада 2008 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Л.Ф. Головко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Очищення поверхонь твердих тіл довільної форми швидкоплинним струменем рідини є одним із перспективних, екологічно чистих методів, який набув поширення у виробничих, побутових та польових умовах. Гідроочищувачі різних типорозмірів все більше залучаються для обслуговування магістральних трубопроводів, заміняючи машини механічного очищення. У зв'язку із тим, що на сьогодні знос захисних покрить діючих трубопровідних магістралей України досяг критичного рівня, гостро постає питання підтримки їх працездатності шляхом проведення капітальних ремонтів, при яких біля 55% - 60% від загального обсягу робіт припадає саме на заміну зношеної ізоляції.

Очищення поверхні трубопроводу при проведенні капітального ремонту відноситься до одного з найбільш відповідальних і трудомістких видів робіт і полягає у видаленні з поверхні трубопроводу старої ізоляції, бруду і продуктів корозії. Ретельне очищення трубопроводу є неодмінною умовою одержання якісного нового ізоляційного покриття, адже ступінь очищення є основним чинником, що визначає адгезію, відтоді, і довговічність захисту поверхні труби.

Пристрої для гідроструминного видалення старої захисної плівки являють собою роторні головки з кількома соплами і належать до так званих пристроїв інтегральної дії (обертового типу).

У той же час, нагальною залишається проблема підвищення ефективності даного процесу за рахунок зниження його енергоємності та забезпечення високого рівня надійності очищення.

Зважаючи на значні обсяги гідроочисних робіт, актуальність мінімізації затрат на ведення капітальних ремонтів, підвищення ефективності та якості струминного очищення, яке вбачається в оптимізації процесу взаємодії струменя з оброблюваною поверхнею, в розробці пристроїв та засобів інтегральної дії, а також відповідних технологій обробки, є важливою народногосподарською задачею, розв'язання якої дозволить значно скоротити витрати на обслуговування та експлуатацію магістральних трубопроводів, знизить вартість газо- та нафтопродуктів, що особливо важливо для економіки України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язано із держбюджетною науковою тематикою кафедри верстатів і верстатних комплексів Кременчуцького державного політехнічного університету, внесеною до плану фундаментальних робіт МОН України «Розвиток теорії руйнування конструкційних матеріалів потужними джерелами енергії» (НДР № 12-ВВК-06 № ДР 0106U002060, 2006 р.) госпдо-говірної роботи з підприємством ТОВ ВФ «Взаємодія» на тему «Розробка струминних пристроїв для очищення трубопроводу в польових умовах». науково-дослідною роботою внутрішньовузівського фінансування „Розробка принципів адаптивного керування комбінованими процесами на основі струминного різання” (№ Д/Р 0104U007025, 2004 р., КДПУ, кафедра верстатів і верстатних комплексів); при виконанні зазначених робіт здобувач працював на посадах старшого наукового співробітника, відповідального виконавця теми.

Мета і задачі досліджень. Підвищення ефективності гідроочищення магістральних трубопроводів шляхом створення нових струминних інструментів інтегральної дії на основі вивчення процесу взаємодії рідинного або рідинно-абразивного струменя з захисним поверхневим шаром.

Задачі досліджень:

1) удосконалити методику теоретико-експериментальних досліджень процесу струминного видалення захисного шару з поверхні твердого тіла;

2) обґрунтувати показники ефективності гідроструминного очищення великогабаритних виробів;

3) дослідити вплив технологічних факторів на показники ефективності, виявити раціональні умови натікання швидкоплинного потоку та раціональні схеми гідроструминного очищення зовнішніх поверхонь магістральних нафто- та газопроводів, розробити математичну модель процесу струминного очищення;

4) запропонувати принцип раціонального струминного впливу на основі розгляду процесу взаємодії струменя з оброблюваним матеріалом;

5) виявити раціональні схеми ведення струминного очищення поверхонь магістральних нафто- та газопроводів, запропонувати нові конструктивні рішення високоефективних струминних головок;

6) розробити інженерну методику розрахунку режимів ведення обробки запропонованими струминними головками, створити відповідні програмні засоби;

7) впровадити результати досліджень у діюче виробництво.

Об'єкт досліджень: процес руйнування гідравлічним та гідроабразивним струменем пружно-пластичного шару на поверхні твердого тіла.

Предмет досліджень: ефективність контактної взаємодії струменя та струминно-абразивного потоку з поверхнею трубопроводів при очищенні їх від захисного ізоляційного покриття.

Методи дослідження. Роботу виконано на базі фундаментальних положень механіки руйнування твердих тіл, технічної гідромеханіки, теорій міцності та пластичності. Використано сучасні методи експериментального дослідження поверхонь: електронну растрову мікроскопію та енергодисперсійний рентгенівський мікроаналіз. Опрацювання статистичних даних та моделювання здійснене із використанням пакетів прикладних програм: «Statgraphics 5+», «SolidWorks», «Cosmos», «CosmosFlow», «MathCad 2000». Достовірність теоретичних посилок, розробок, конструкцій інструментів та технологій підтверджена експериментальним вивченням стану поверхні в лабораторних умовах, ефективність розробок перевірена у польових умовах.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Доведено, що руйнування шару відбувається фрагментарно у місцях локалізації дефектів внаслідок високоеластичного деформування шару малоцикловим гідродинамічним навантаженням, з наступним розвитком розривів і утворенням шламу. З урахуванням того, що на очищуваній поверхні спостерігається залишок захисного шару, площа якого пропорційна швидкості подачі та зворотно пропорційна частоті обертання роторної головки, запропоновано визначати якість очищення за параметром інтенсивності гідровпливу.

2. Доведено, що використання гідравлічного струменя чистої рідини не дозволяє виконати очищення поверхні до металевого блиску, у той же час використання гідроабразивних струменів є причиною швидкої корозії поверхні внаслідок того, що певні абразивні частинки залишаються на поверхні, створюючи осередки корозії у виді своєрідних «кишень».

3. Вперше обґрунтовано ефективну схему гідроочищення як послідовність операцій «струминне очищення - струминно-абразивне очищення - струминне миття поверхні».

4. Доведено, що ефективність відшарування плівки значно зростає при створенні пульсуючого різноорієнтованого струминного навантаження ділянки шару в межах зони передруйнування з частотою 30-40 Гц шляхом почергового впливу прямим та кутовим струменями.

Практична цінність роботи:

- на основі морфологічного аналізу та експериментальних досліджень запропоновану принципово нову конструкцію струминно-абразивного пристрою інтегральної дії, який являє собою роторну головку із центральним струминно-абразивним соплом. Використання зазначеного пристрою значно підвищує продуктивність та енергетичну ефективність методу струминного очищення;

- запропоновано розрахункові залежності для визначення ефективності струминного очищення поверхонь за певних технологічних режимів ведення обробки. Постульовано рівняння зміни ширини зони очищення залежно від швидкості руху струминної роторної головки;

- запропоновано методику інженерних розрахунків режимів ведення обробки струминно-абразивним пристроєм;

- розроблено математичну модель взаємодії швидкоплинних струменів з захисним шаром та створено відповідні моделі процесів струминного очищення поверхонь твердих тіл інструментами інтегральної дії.

Результати досліджень впроваджені на підприємстві ТОВ ВФ «Взаємодія» та в навчальний процес КДПУ (м. Кременчук).

Особистий внесок здобувача. Формулювання наукових положень і висновків роботи, теоретичні дослідження напруженого стану поверхні та відшарованої плівки; розробка алгоритмів розрахунку ефективності струминного очищення, надійності пропонованої технології та економічної оцінки можливих матеріальних затрат, експериментальні дослідження стану поверхні за методикою визначення параметрів поверхневого шару за допомогою растрового електронного мікроскопу, методики дослідження чистоти очищення поверхні за допомогою енергодисперсійного рентгенівського аналізатору, виконано здобувачем самостійно. Постановка задач досліджень і аналіз отриманих результатів здійснювалися разом з науковим керівником.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на науково-технічних семінарах кафедр технології машинобудування та верстатів і верстатних комплексів Кременчуцького державного політехнічного університету (2005, 2006 та 2007 рр.), науково-технічних конференціях «Гідроаеромахеніка в інженерній практиці» (2006, 2007 рр.), міжнародній науково-технічній конференції «Машиностроение и техносфера ХХІ века» (Севастополь, ДонНТУ, 2007 р.).

Публікації. За результатами роботи опубліковано 5 друкованих праць у фахових виданнях України, у тому числі 1 без співавторів, один патент на винахід, дві публікації у збірниках наукових праць міжнародних конференцій.

Структура і обсяг роботи: дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків та додатків. Повний обсяг дисертації складає 262 с., 72 іл., 19 табл., 203 використаних літературних джерел.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано тему досліджень, показана її актуальність та значимість для народного господарства України, сформульовані задачі досліджень, наведена наукова новизна, практична цінність роботи, висвітлений особистий внесок здобувача.

У першому розділі проаналізовано стан проблеми гідроструминного очищення великогабаритних виробів від захисних покрить при їх відновленні, показано переваги та недоліки існуючих струминних систем та доведено, що струминний метод є одним із найбільш перспективних, екологічно чистих та енергетично ефективних. Струминні технології знайшли поширення як для побутових потреб, так і для виконання відповідної обробки великогабаритних виробів, що обумовило стрімке зростання обсягу впровадження струминних систем зокрема, для очищення поверхонь магістральних трубопроводів.

Установлено, що, незважаючи на досить велику кількість публікацій щодо струминних методів обробки, зокрема, Я.С.Антова, Ф.П.Боудена, М.Брайєна, В.Г.Лабазіна, Ж.Лоуна, А.Л.Майстренка, Є.Н.Пєтухова, І.В.Петка, О.Є.Проволоцького, В.Б.Струтинського, А.А.Семерчана, А.М.Чапка, Р.А.Тихомірова, Ж.Є.Філда, Ф.М.Філлера, З.Н. Фінкельштейна, М. Хашиш, О.Ф. Саленка та ін., наразі в літературі практично відсутні систематизовані відомості щодо режимів ведення очищення, рекомендації по використанню систем гідроджетингу, а пропоновані виробниками умови роботи гідроструминних очищувальних систем теоретично не обґрунтовані. Аналіз літературних джерел дозволив виконати систематизацію використовуваних струминних технологій та визначити місце струминного очищення серед інших методів струминного впливу, які є більш дослідженими та описаними в роботах Мазуркевич А. М. Ноуt .J.W., Тауlог J.J., Неister S.D.,Уооn S., Українського Ю.Д., Лятхера В.М., Сігаева Е.А., Vigay М.М. Hashish M.

Установлено, що очищення поверхні тіла труби для подальшого нанесення захисного покриття можливе у кілька способів: шляхом очищення поверхні до рівня, при якому зберігаються початкові показники мікрогеометрії (наприклад, Rz, мкм), глибина дефектного шару (Т_в, мм), а напружений стан поверхні (_0max, T) не змінюється; шляхом відновлення поверхневого шару із заданими параметрами Rz, Т_в та _0max, T, при втраті шару матеріалу з поверхні на глибину h_t.

Струминне очищення (у тому числі і гідроабразивне) є одним із найбільш «ощадливих», тобто виконується із незначною зміною поверхневого шару. Тобто підвищення енергетичної ефективності струминного очищення може бути забезпечене у разі, коли з основи буде видалятися захисне покриття, в тому числі, із клейовою основою, без суттєвої зміни топографії поверхні з мінімальними енергетичними витратами при заданій продуктивності процесу. Відтоді якість запропоновано оцінювати за рядом показників, головними з яких є S - середній рівень залишку, що характеризує ступінь очищення поверхні і визначається як відношення площі залишку плівки f_nl на оброблюваній поверхні до площі струминного впливу f_o, а ефективність - як питомі витрати енергії, що припадають на одиницю якісно підготовленої поверхні.

Проаналізовано також відомі математичні моделі процесу взаємодії швидкоплинного струменя з оброблюваним матеріалом, використовувані лабораторні та інструментальні засоби. На основі проведеного аналізу сформульовано мету і задачі дисертаційних досліджень.

Другий розділ присвячено обґрунтуванню методики виконання досліджень.

При аналізі механізму взаємодії швидкоплинного струменя із захисною поверхневою плівкою прийнято припущення, що руйнування захисної плівки відбувається за механізмом, відмінним від узагальненої уяви щодо гідроерозії твердого тіла під впливом швидкоплинного струменя рідини. Експериментальна перевірка припущення про інтенсивне деформування та руйнування еластичної плівки під дією багатоциклічного навантаження показала, що підвищення руйнівної здатності струменя полягає не тільки у збільшенні інтенсивності циклічного навантаження, а і у більшому використанні ефектів гідродинамічного розтікання, хвильових процесів, а також різнонаправленого гідроструминного навантаження елементів плівки. Останнє особливо важливо у випадку, коли межа міцності плівки і міцності її адгезійного зчеплення з основою відрізняється.

Відтоді, було сформульовано початкові гіпотези: Н₁ - ефективність очищення поверхні підвищується у разі, якщо використовуваний струминний інструмент створюватиме таке пульсуюче різнонаправлене навантаження, при якому фрагмент захисного покриття максимально деформуватиметься; Н₂ - максимізація подібного навантаження за допомогою прямого та косокутового струменів, що витікають з однієї роторної головки обумовлюється параметрами схеми технологічного налагодження і режимами ведення обробки.

На основі сформульованих гіпотез та особливостей виконання струминного очищення поверхні трубопроводу визначено послідовність проведення комплексу теоретико-експериментальних досліджень.

Для дослідження стану і топографії оброблюваної поверхні обрано растровий електронний мікроскоп РЕМ-106И. Для даного приладу отримали розрахункове рівняння

,

яке дає змогу за рівнем сигналу dF, установленого з отримуваного растру поверхні визначати рівень шорсткості досліджуваної поверхні. Помилка виміру при цьому становила

при кореляції 0,96 та довірчому інтервалі 90%, де xR - кратність зображення.

Третій розділ подає результати експериментальних досліджень ефективності видалення захисної плівки з поверхні основи за допомогою інструментів інтегральної дії - роторних головок. Визначено вплив відстані до оброблюваної поверхні L, частоти обертання ротору n та швидкості робочої подачі v на показник S. Для виконання експериментів обрано пластобітне покриття товщиною 3,5-5 мм, з якого вирізали зразки розмірами 50х100 мм. Видалення плівки здійснювали за допомогою двосоплосої струминної головки, з установленним соплом діаметром 2,8 мм. Інший канал було заглушено. Виміри залишку бруду здійснювали візуально, на основі оцінки 10 зразків за 5 перетинами, площу залишку в разі його присутності визначали за допомогою 8х лупи. Експерименти повторювали для різної швидкості поздовжньої подачі v (від 30 мм/с до 170 мм/с).

По результатам експериментів визначено, що відстань до оброблюваної поверхні L, як і частота обертання роботу струминної головки n має суттєвий вплив на рівень очищення оброблюваної поверхні.

Криві залежності зміни ефективності очищення від параметру L у функції n є тотожними, нелінійними (виду

,

з екстремумом у точці оптимальної відстані. В екстремумі контрольований показник має мінімальне для серії досліджень значення S. Для використаного сопла оптимальна відстань становила 230 мм, що практично відповідає розрахунковому значенню оптимальної відстані. Встановлено, що зменшення частоти обертання ротору веде до зниження ефекту бічної дії розтічного струменя, внаслідок чого інтенсивність виникнення зсувних напружень у самій плівці та на межі «плівка-основа» зменшується, і видалення забруднення здійснюється за рахунок повного (до основи) занурення струменя у плівку.

Розсіювання вимірюваної величини S практично не залежить від серії дослідів. Порівняння показників S_i, отриманих при відповідних режимах очищення для зразків з новим покриттям та з покриттям, яке вже експлуатувалося, доводить, що істотну різницю розрахункових значень отримано для випадку значно зношеної захисної плівки, при наявних зонах корозії тіла основи та відшаруваннях. Це вимагає врахування певних стохастичних впливів при побудові узагальненої моделі.

Оцінюючи зміну ефективності очищення поверхні S у функції швидкості поздовжньої подачі v для різних рівнів n установили, що дана залежність також нелінійна, і задовільно (з рівнем значимості 0,96) описується кривою другого порядку. Криві тотожні, являють собою частину параболи без екстремуму.

Порівняння отриманих кривих доводить, що, починаючи з n= 200 об/хв, зміна S у функції швидкості поздовжньої подачі v практично ідентична, отже, робота більшою частотою обертання ротору нераціональна. З іншого боку, зменшення частоти обертання роботу веде до зростання невидаленого залишку при певній швидкості поздовжньої подачі, а, відтоді, потребує істотного зменшення швидкості v. Задовільне видалення плівки спостерігається при n200 об/хв, та v100 мм/с.

При зміні отвору сопла та тиску технологічної рідини установлено, що вплив d_c майже лінійний, а вплив тиску рідини р_b - зворотно-пропорційний. За результатами дослідів у всьому діапазоні частот обертання роторної головки n та швидкості поздовжньої подачі v отримано ідентичні криві, відтоді, для забезпечення заданого рівня S ці два параметри слід визначати у функції міцності плівки, величини адгезійного зчеплення з основою та її товщини.

В результаті опрацювання експериментальних даних запропоновано визначати контрольований показник S за інтенсивністю струминного впливу, обумовленого кількістю штрихів струменя на одиниці площі. При цьому установлено, що із задовільною точністю

S ~.

Це дало змогу запропонувати регресійне рівняння

,

яке дозволяє оцінити вплив інтенсивності струминного впливу на ефективність очищення (очікуваний рівень залишку бруду).

Прийнявши припущення про те, що зміна кута натікання струменя може суттєво збільшити гідродинамічний тиск у розтічному потоці, тим самим створивши знакозмінне навантаження відшарованого, але не видаленого шматка захисної плівки, провели ряд дослідів, направлених на виявлення ступеня впливу умов натікання гідро струменя на поверхню. Оцінка впливу кута на ефективність процесу показало, що кут нахилу струменя нелінійно впливає на ефективність струминного очищення, і для тонкої плівки (h=2.2 мм) має чітко виражений екстремум - _опт=20⁰. У той же час при збільшенні товщини плівки цей екстремум зміщується у бік менших кутів - до рівня 15⁰. Порівняння кривих доводить, що товщина плівки може враховува- тися майже лінійно, отже, оптимальними кутами нахилу струменя є [/12… /6]. При цьому відстань між точками натікання кутового та прямого струменів повинна становити не більше 5 мм, в противному випадку ефект дії кутового струменя різко падає.

Виконані дослідження довели, що водяний стру-мінь не спроможний викону-вати видалення плівки до металевої основи: на поверх-ні залишається тонкий шар оксидів, гідроксидів та фрагменти плівки. Відтоді виникає необхідність додат-кового очищення гідро-абразивним потоком.

Проведено ряд дослідів, направлених на виявлення можливостей використання струминно-абразивного потоку малого перетину для покращення якості очищення роторними головками. З цією метою використовувалися існуючі струминно-абразивні при-строї, за допомогою яких здійснювали очищення зразків виробів, вирізаних у вигляді смуг довжиною до 1200 мм та шириною до 100 мм, які установлювали під факел струменя. У струминно-абразивній головці використовували оригінальну калібрувальну трубку для отримання факелу струминно-абразивного потоку певної ширини.

Аналіз експериментальних даних дозволив установити, що практично для всіх отриманих значень рівня очищення поверхні існує функціональна залежність цього параметру від товщини плівки і від масової витрати абразиву. Так, установлено, що залишкова забрудненість поверхні зворотно пропорційно зменшується при збільшенні масової витрати абразиву.

Далі, виконавши регресійний аналіз для кожної серії спостережень (брали до уваги різну товщину плівки на поверхні), визначали величину S у функції витрати абразиву. Було постульовано криву виду

Статистичні оцінки отриманих рівнянь є практично однаковими, отже, можна вважати, що товщина плівки практично лінійно впливає на рівень залишку забруднення на поверхні.

Порівняння результатів експериментальних досліджень ступеня видалення забруднення для різної товщини плівки дозволяє зробити ряд висновків. Істотно змінюється ефективність очищення при зміні витрати абразиву від 0,5 кг/хв. до 5 кг/хв. Подальше зростання витрати суттєво на продуктивності не відбивається. За даної швидкості руху існує певна максимальна ступінь видалення забруднення.

Зазначене явище можна пояснити тим, що частинки абразиву, долітаючи до поверхні, занурюються у в'язкий шар, втрачаючи при цьому власну кінетичну енергію, і не тільки не виконують корисної роботи руйнування, а і створюють певну перепону для роботи наступних частинок Отже, можна зробити висновок, що струминно-абразивне видалення в'язкої еластичної захисної плівки ефективне тільки у випадку, коли її товщина не перевищує 0,5 - 1,0 мм. Таким чином, доцільним є видалення плівки у два етапи: на першому - відшарування та когезійне очищення струминним потоком, на другому - чистове гідроабразивне очищення.

Для визначення радіусу плями очищення R як функції часу за інших сталих умов проведено серію досліджень впливу окремих технологічних факторів на швидкість зростання радіусу очищеної від поверхневої плівки поверхні. Головну увагу акцентували на впливі таких факторів: масової витрати абразиву Ма; діаметра калібрувального сопла Da. Дослідження виконували для мінімальної товщини плівки h=0,5 мм за умови, що при збільшенні товщини плівки не видаленими залишаються окремі її фрагменти.

Для опису впливу постульовано степеневу модель виду

.

При дослідженнях використовували соплові насадки із отворами Da = 1,2 мм; 1,8 мм; 2,5 мм. Тиск технологічної рідини установлювали на рівні 80 МПа, витрата абразиву - Ма=2,0 кг. Абразив - річний пісок фракцією 0,3-1,1 мм.

Установлено, що найбільш динамічне зростання плями очищення відбувається протягом першої секунди, далі зростання йде уже значно повільнішим темпом. При цьому збільшення масової витрати абразиву веде до пропорційного зростання плями очищення. Дане явище пояснюється зміною кінетичної енергії струменя, що розтікається поверхнею, при віддаленні від точки натікання. Побудована у тривимірній системі координат поверхня відгуку показує, що час в 1,0-1,5 с є достатнім для того, щоб забезпечити досить високу якість очищення на достатній площі поверхні.

Статистична обробка результатів експерименту для кількох фіксованих проміжків часу дозволила запропонувати наступну степеневу залежність для визначення зміни радіусу очищеної поверхні із плином часу:

.

Ця залежність має значну практичну цінність: вона дозволяє визначити ширину зони очищення, якщо відома швидкість переміщення струминної головки.

Візуальне дослідження зразкових пластинок після гідроабразивного впливу доводить, що плівка руйнується переважно у зоні, де відбувається периферійне натікання струменя на поверхню. При цьому різко змінюється і топографія поверхні.

При прямому натіканні гідроабразивного потоку спостерігається суттєва розвиненість поверхневого шару, значні вириви, канавки, поверхня має чисельні мікроскопічні сколи, злами; частинки абразиву занурюються у поверхневий шар та утримуються там, створюючи мікрозони корозії. Більш заощадливий вплив, при якому кількість абразивних зерен значно зменшена, дає кращий результат: меншу шорсткість, меншу кількість часток абразиву, практично повну відсутність суттєвих поверхневих дефектів.

Наявність у поверхневому шарі часток абразиву та мікрозон корозії оцінювали за допомогою рентгеноспектрального мікроаналізу на РЕМ-106 за допомогою приладу ЕДАР. Його виконували для усіх досліджуваних зразків, установлюючи однакову зону охоплення зондом поверхні зразка.

Так, установлено, що при обробці виробу гідроабразивним потоком із значною витратою абразиву спостерігається не тільки зміна рівня шорсткості поверхневого шару, а і значне зростання кількості абразивних частинок, занурених у поверхню.

Статистична обробка даних дозволила постулювати рівняння для оцінки відсотку залишку абразиву на поверхні:

Далі виконували оцінку впливу масової витрати абразиву Ма на рівень k_Rz.

Проведений дисперсійний аналіз довів істотність такого впливу, відтоді, за отриманою діаграмою розподілу контрольованого параметру отримано регресійне рівняння:

.

Отже, з точки зору ефективності та енергетичної заощадливості, а також зважаючи на вимоги до якості оброблюваних поверхонь очищення повинне виконуватися так «гідроструминне очищення - гідро абразивне доочищення - струминне миття», причому для останнього оптимальним є масова витрата абразиву в межах 1,0-1,5 кг/хв; оптимальний отвір сопла 1,5-1,8 мм.

Четвертий розділ присвячено створенню узагальненої математичної моделі процесу струминного очищення. Розрахункова схема наведена на рис. 8. Припущення, покладені в основу моделі, наступні: руйнування плівки відбувається: 1) як повністю зруйнована частинка плівки, на яку безпосередньо впливає струмінь; 2) як зруйнована частина плівки із одночасним руйнуванням адгезіонного зв'язку із поверхнею, внаслідок чого виникає стрічкоподібний шлам; 3)як відшарована, однак не видалена частина плівки; струмінь рідини має конусність, інтенсивність струминного впливу в межах перетину постійна; захисна плівка має однакову за усією площею товщину; фізико-механічні властивості плівки у кожній точці аналізованої поверхні залишаються постійними; натікаючий струмінь рідини діє як безкінечний пружний стрижень, який занурюється в оброблювану плівку; властивості основи як пружного тіла не мають істотних впливів на процеси струминного видалення плівки; гідро- абразивний струмінь однорідний за своїм складом.

Наявність кривизни поверхні та розширення струменя після виходу із сопла призводить до того, що площа струминного впливу більша за теоретичну площу прохідного перерізу сопла:

,

середня швидкість потоку:

,

Де

,

.

,

де 2R - менша вісь еліпсу, 2Rcos - більша вісь еліпсу.

Якщо припустити, що рух струменя відносно поверхні здійснюється із постійною кутовою швидкістю, а видалення плівки обумовлюється порушенням адгезійного зв'язку плівки з поверхнею, за параметром

можна судити як про те, відбувається відшарування плівки з поверхні чи ні, так і про вид руйнування, а також про надлишки енергетичних затрат, коли, виконавши роботу руйнування, струмінь володітиме ще достатньою енергією для виконання додаткової роботи, однак ця енергія витрачається на пружне деформування основи, генерацію в ній коливань тощо.

Роботу, що витрачається на руйнування одиниці маси плівки або покриття (за умови, що міцність плівки вища за міцність зчеплення з основою), визначено як:

,

а функція зміни радіусу очищення із плином часу:

.

Тиск р визначено з інтеграла Бернуллі як:

,

де маса стовпа рідини

.

За умови, що міцність клейової основи вища за міцність плівки, повне очищення поверхні спостерігатиметься у випадку, коли виниклі напруження

будуть перевищувати межу міцності цього шару. Параметри _a, _m носять імовірнісний характер.

Зміна епюри гідродинамічного навантаження обумовлювалася кутом відхилення струменя фронтом борозенки:

,

де постійні величини

; .

Поведінку відшарованої плівки описували рівняннями рівноваги оболонки:

;

;

;

.

При використанні роторного пристрою ширину зони очищення визначали

за умови, що

,

n - частота обертання ротору,

h=f(t).

Моделювання виконували у середовищі SolidWorks.

Перевірка адекватності моделі довела, що для плівок з []<50 МПа товщиною до 6 мм відмінність експериментальних даних та результатів розрахунків не перевищує 10%. Розроблена математична модель дала змогу виконати модельний багатофакторний експеримент і постулювати регресійне рівняння для інженерного розрахунку очікуваної величини S при проектуванні технологічного процесу.

У п'ятому розділі наведені рекомендації щодо створення струминних інструментів інтегральної дії для високоефективного виконання операцій очищення великогабаритних виробів, виконана оптимізація її конструкції, запропонована методика інженерного розрахунку режимів ведення обробки. З використанням теорії графів, комбінаторики та методів синтезу нових технічних систем розроблено принципово нову роторну головку інтегральної дії, польові випробування якої довели високу ефективність використання. Конструкція головки захищена патентом на винахід. Так, запропонована головка поєднує елементи струминного та струминно-абразивного пристроїв, забезпечує знакозмінне навантаження фрагментів плівки для їх більш ефективного та надійного вилучення з основи. Використання такого інструменту дозволяє не тільки за один прохід отримувати поверхню із металевим блиском певної шорсткості, а і майже повністю вилучати залиши абразиву (оксиду кремнію), який зазвичай спостерігається при гідроабразивній або піскоструминній обробці.

Проведення багатофакторного експерименту дозолило отримати регресійну модель, що установлює функціональний зв'язок між якістю очищення S та технологічними факторами і фізико-механічними властивостями плівки:

S = (0,47 - 0,00279p_b - 0,0576d_c + 0,11h + 0,013sw) .

Запропоновано інженерну методику визначення режимів ведення обробки.

· Обирають оптимальну відстань h між зрізом сопла та поверхнею. За типових умов для використання малих роторів така відстань становить 200 мм.

· За потужністю станції високого тиску N_c та номінальною витратою Q_n, а також виходячи з кількості m використаних сопел діам. d_c обирають номінальний тиск налагодження гідросистеми р_b. Витрата крізь отвір сопла для дозвукових струменів становить

,

Де

,

Причому

.

Обраний рівень тиску перевіряють на виконання умови ефективного струминного руйнування, тобто

.

У разі необхідності діаметри сопел зменшують.

· Виходячи із потрібної продуктивності обробки W, обумовленою швидкістю робочої подачі v

W=F=Dv,

де - час, хв), приймають v (мм/с).

· На основі допустимої величини S визначають параметр

з рівняння

,

Тобто

за умови, що S <1.

· Встановлення параметру par дозволяє визначити мінімальну частоту обертання ротору n:

.

· Коригують значення n, та v та попередньо обчислюють величину

.

· Оцінюють влив інших технологічних факторів, скориставшись регре-сійною залежністю

S = (0,47 - 0,00279p_b - 0,0576d_c + 0,11h + 0,013sw)

за умови, що p_b [80, 120] МПа; d_c[1,8, 2,5] мм.

· Порівнюють допустимий рівень залишку забруднення на поверхні після струминного очищення, і виконують коригування окремих технологічних факторів. При цьому виходять із конструктивних параметрів використовуваного обладнання (наприклад, сопел певного діаметру, що є в наявності), економічно доцільний режим роботи та потужність помпової станції тощо.

· У разі необхідності залучають допоміжні конструктивні пристрої (наприклад модуль струминно-абразивного сопла, пристрої косокутового очищення, запатентовані автором та ін.). При використанні тих чи інших пристроїв виконують коригування швидкості робочої подачі та частоти обертання ротору.

· У разі використання струминно-абразивної насадки оцінюють параметр шорсткості, який становитиме

,

та масовий відсоток залишку абразиву у поверхневому шарі сталевої труби

.

· Визначають ширину смуги струминно-абразивного впливу для наступного миття поверхні. Вона становитиме

· Виконують економічні розрахунки.

Загальні висновки

1. Удосконалено комплексну методику теоретико-експериментальних досліджень процесу струминного видалення плівки з поверхні твердого тіла, яка передбачає вивчення топографії поверхневого шару за допомогою растрової електронної мікроскопії та енергодисперсійного рентгенівського мікроаналізу. Установлено, що для РЕМ-106 рівень шорсткості металевого зразка визначається рівнянням

,

де dF - сигнал яскравості. Виконано калібрування енергодисперсійного блоку ЕДАР із використанням хімічно чистих елементів.

2. Доведено, що якість гідроочищення характеризує параметр S - середній рівень залишку як відношення площі залишку плівки f_nl на оброблюваній поверхні до площі струминного впливу f_o. При цьому ефективність доцільно визначати питомими енерговитратами на обробку одиниці поверхні за лімітуючий час Т₀. Сформульовано гіпотезу про те, що процеси струминної ерозії з високою швидкістю поздовжньої подачі відрізняються від процесів струминного або струминно-абразивного різання: руйнування шару відбувається фрагментарно у місцях локалізації дефектів внаслідок високоеластичного деформування шару малоцикловим гідродинамічним навантаженням, з наступним розвитком розривів і утворенням шламу.

3. Виявлено вплив окремих технологічних факторів та параметрів технологічної системи на показник якості очищення. Проведений комплекс експериментальних досліджень довів, що при використанні станцій з р=80-120 МПа та очисних пристроїв з d_c=1,5-3,2 мм на поверхні існує певний залишок захисної плівки у вигляді плям довільної форми невеликого розміру, при цьому граничний рівень S становить 0,05 (тобто 5% поверхні має залишок). Оцінювані параметри відмінні для нової та бувшої у використанні плівки.

Відстань до оброблюваної поверхні h, як і частота обертання роботу струминної головки n має суттєвий вплив на рівень очищення оброблюваної поверхні. Криві залежності зміни ефективності очищення від параметру h у функції n є тотожними, нелінійними (такими, що задовільно описуються кривою другого порядку), з чітко визначеним екстремумом у точці оптимальної відстані. Для використаного сопла 2,8 мм оптимальна відстань становила 230 мм, що практично відповідає розрахунковому значенню оптимальної відстані (50-100 d_c). Зменшення частоти обертання ротору веде до зниження ефекту бічної дії розтічного струменя, відтоді, інтенсивність виникнення зсувних напружень у самій плівці та на межі «плівка-основа» зменшується, і видалення забруднення здійснюється за рахунок максимального циклічного деформування струмененем очищуваного шару.

На основі гіпотези щодо відмінності механізму гідро ерозії при очищенні доведено, що рівень залишку S однозначно визначається параметром , який пов'язує складові швидкості відносного руху струменя по оброблюваній поверхні.

Використання прямого та кутового струменя суттєво покращує якість очищення, що доводить сформульовані початкові гіпотези. Вивчення впливу кута на ефективність процесу показало, що кут нахилу кутового струменя нелінійно впливає на ефективність струминного очищення, і для тонкої плівки (h=2.2 мм) має чітко виражений екстремум - _опт=20⁰. У той же час при збільшенні товщини цей екстремум зміщується у бік менших кутів - до рівня 15⁰, що в цілому відповідає висновкам теоретичного розділу. Порівняння кривих, отриманих для плівок різної товщини, доводить, що товщина плівки може враховуватися майже лінійно, отже, оптимальними кутами нахилу струменя є [/12… /6].

На базі сформульованої гіпотези щодо механізму гідроструминної ерозії при обробці інструментами інтегральної дії розроблено узагальнену математичну модель очищення поверхневих плівок в умовах автоматизованого технологічного процесу, яка враховує нелінійний характер зміни продуктивності процесу залежно від технологічних факторів, конструктивних параметрів струминної головки. Запропоновано новий підхід до визначення ширини ділянки зони очищення на основі аналізу збільшення плями очищення за рахунок стічного потоку рідини при поступовій подачі головки. Перевірка адекватності моделі довела, що для плівок з []<50 МПа товщиною до 6 мм відмінність експериментальних даних та результатів розрахунків не перевищує 10%, що узгоджує прийняту нами гіпотезу про механізм гідроерозії із значними швидкостями відносного руху.

4. Для досягнення максимальної ефективності процесу струминного очищення слід поєднувати гідроструминне та гідроабразивне очищення, реалізуючи послідовність „струминний вплив - гідроабразивний - струминне миття”. Для забезпечення оптимальної топографії основи оптимальною є масова витрата абразиву в межах 1,0-1,5 кг/хв; оптимальний отвір сопла повинен бути в межах 1,5-1,8 мм.

За допомогою розробленої математичної моделі проведено багатофакторний експеримент та визначено регресійне рівняння ефектів головних технологічних факторів, покладене в основу інженерної методики розрахунку режимів ведення обробки.

5. Запропоновано принцип оптимального струминного впливу, який полягає у одночасній дії струменя чистої рідини та гідроабразивного струменя, причому струмені чистої рідини виконують обертовий рух довкола гідро- абразивного струменя. На основі морфологічного аналізу виявлено раціональні схеми ведення струминного очищення поверхонь магістральних нафто- та газопроводів, синтезовано універсальну струминно-абразивну головку, захищену патентом України на винахід, польові експериментальні випробування якої довели високу ефективність ведення обробки.

Застосування струменя чистої рідини та струминно-абразивного потоку дозволило суттєво покращити надійність видалення не тільки пластобітних, а і високоміцних шарів, підвищити продуктивність процесу, а також забезпечити більш високу надійність роботи ремонтної колони на магістральному нафтогоні. Так, для пропонованої головки питома витрата енергії становить 0,98 кВтч/м², у той час як для типової очищувальної системи 1,55 кВтч/м².

6. Запропоновано інженерну методику розрахунку, що дозволяє оцінити показники ефективності та якості гідроструминного або гідроабразивного очищення, обрати схему та поетапно визначити режими ведення обробки.

7. Результати досліджень впроваджені на підприємстві ТОВ ВФ «Взаємодія» та в навчальний процес КДПУ (м. Кременчук).

ПЕРЕЛІК НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕТРАЦІЇ

1. Саленко А.Ф. Гидрорезное оборудование: вчера, сегодня, завтра / А.Ф. Саленко, П.Б. Поздняков, А.В. Антоненко // Оборудование и инструмент, №6, 2006. - С.6-14. (Здобувач обґрунтовує напрямок удосконалення робочих інструментів інтегральної дії для високоефективного очищення зовнішніх поверхонь).

2. Струтинский В.Б. Гидроструйные технологии при ремонте магистральных трубопроводов / А.Ф. Саленко, В.Б. Струтинский, П.Б. Поздняков // Оборудование и инструмент, №12, 2004. - С.34-38. (Дисертант подає результати власних досліджень щодо використання струминних та струминно-абразивних засобів при проведенні капітальних ремонтів магістральних трубопроводів).

3. Саленко О.Ф. Ефективність струминних роторних пристроїв, використовуваних для очищення поверхні твердих тіл / П.Б. Поздняков, О.Ф.Саленко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: зб.наук.праць. - Кременчук, 2004. - Вип. 6. - С. 88-92. (Дисертант подає результати досліджень ступеня впливу технологічних чинників на ефективність обробки).

4. Саленко О.Ф. Імітаційна модель гідро струминного відшарування еластичного захисного покриття з поверхні твердого тіла / О.Ф. Саленко. П.Б. Поздняков // Промислова гідравліка і пневматика: Прикладна гідромеханіка, гідромашини і гідропневмоагрегати. - Вінниця: ВДАУ, Асоціація спеціалістів промислової гідравліки і пневматики, 2006. - №2(12). -С. 49-54. (Автор представляє удосконалену математичну модель процесу струминного відшарування захисної плівки та подає результати оптимізації технологій на основі даної моделі).

5. Поздняков П.Б. Підвищення якості гідроструминного очищення при використанні комбінованого інструменту // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету, ім. М.Остроградського: зб.наук.праць. - Кременчук, 2007. - Вип. 5. - С. 108-117.

6. Саленко О.Ф. Інструмент інтегральної дії для виконання струминно-абразивного очищення / О.Ф. Саленко, П.Б. Поздняков // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: зб.наук.праць. - Краматорськ, 2007. - Вип. 22. - С. 93-98. (Дисертанту належить опис одного з інструментів інтегральної дії та порівняльна характеристика з аналогами).

7. Роторний пристрій для струминної обробки поверхонь: патент на винахід за № д/р а200702311 від 3.03.2007 р. авт. Саленко О.Ф., Поздняков П.Б., Мана О.М.

8. Поздняков П.Б. Використання струминних технологій для очищення магістральних трубопроводів // Збірник праць Конференції молодих вчених та фахівців КДПУ. - Кременчук, 2006. - С. 57-59.

АНОТАЦІЯ

Поздняков Павло Борисович. Підвищення ефективності гідроочищення магістральних трубопроводів роторними пристроями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ. 2007.

Дисертація присвячена розв'язанню важливої науково-технічної задачі підвищення ефективності та надійності гідроструминного очищення великогабаритних виробів, зокрема, зовнішніх поверхонь магістральних нафто- та газо гонів при проведенні відновлювальних робіт.

Установлено, що покращення якості очищення досягається використанням роторного очищувача з кількома струминними соплами, які формують прямі та окутові струмені (з кутом нахилу ). Дослідження показали, що кут нахилу струменя нелінійно впливає на ефективність струминного очищення, залежить від швидкісного прараметру і для тонкої плівки (h=2.2 мм) має чітко виражений екстремум - _опт=20⁰.

Доведено, що найбільш доцільним є поєднане гідроструминне та гідроабразивне очищення, при якому гідроабразивний потік натікає на поверхню всередині струминного впливу обертовими соплами, причому оптимальна масова витрата абразиву (піску річкового) становить 1,0...1,5 кг/хв; оптимальний отвір сопла - 1,5...1,8 мм. Гідроабразивний струмінь найбільш доцільно використовувати при чищенні тонких плівок, які не виявляють пластичних властивостей, переважно для видалення тонких поверхневих залишків клейових сполук, продуктів корозії та ін.

На основі морфологічного аналізу виявлено раціональні схеми ведення струминного очищення поверхонь магістральних нафто- та газопроводів, синтезовано універсальну струминно-абразивну головку, захищену патентом України на винахід.

Ключові слова: ефективність гідроочищення, кут нахилу струменя, обертові сопла, масова витрата абразиву, струминно-абразивна головка, поверхнева пливка.

АННОТАЦИЯ

Поздняков Павел Борисович. Повышение эффективности гидроочистки магистральных трубопроводов роторными устройствами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - процессы физико-технической обработки. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев. 2007.

Диссертация посвящена решению важной научно-технической задачи повышения эффективности очистки крупногабаритных изделий, в частности, внешних поверхностей магистральных нефте- и газопроводов при восстановительных работах, поскольку нерешенной остается проблема снижения энергоемкости процессу очистки и обеспечения высокого уровня надежности.

Установлено, что качество гидроочистки характеризует параметр S - средний уровень остатка изоляционного покрытия, определяемый как отношение площади остатка пленки f_nl на обрабатываемой поверхности к площади гидроструйного воздействия f₀. Сформулировано гипотезу про то, что процессы струйной эрозии с высокой интенсивности цикличной нагрузки отличаются от процессов гидро - или гидроабразивного резания: разрушение слоя изоляционного покрытия происходит фрагментарно в местах локализации дефектов вследствие высокоэластичного деформирования слоя цикличной гидродинамичной нагрузкой.

Виявлено влияние отдельных параметров работы гидроочистной системы факторов на показатели качества очистки. Установлено, что повышение качества очистки достигается использованием роторного очистителя с несколькими струйными соплами, формирующими прямые и угловые струи (с углом наклона ). Исследования показали, что угол наклона струи нелинейно влияет на эффективность струйной очистки, зависит от скоростного параметра головки и для тонкой пленки (h=2.2 мм) имеет явный экстремум - _опт=20⁰, при этом скорость рабочей подачи инструмента не должна превышать 100 мм/с, а частота вращения ротора очистной головки быть около 3 с^-1.

Показано, что наиболее рациональным является объединенная струйная и струйно-абразивная очистка, при которой абразивный поток натекает на поверхность внутри зоны струйного воздействия вращающимися соплами. Оптимальный массовый расход абразива (песка речного) составляет 1,0-1,5 кг/мин; оптимальный диаметр сопла - 1,5-1,8 мм. Гидроабразивная струя не имеет альтернатив при удалении тонких пленок, которые не проявляют пластичных свойств, остатков клеящего состава, очагов коррозии и т.д. Для достижения максимальной эффективности процесса струйной очистки следует реализовать последовательность технологических операций «гидроструйное воздействий - гидроабразивная очистка - гидроструйная мойка поверхности».

На основе научных исследований разработана математическая модель процесса гидроочистки поверхности , проведен многофакторный эксперимент и определено регрессионное уравнение влияния эффектов главных технологических факторов на эффективность процесса гидроочистки.

На основе морфологического анализа разработаны рациональные схемы ведения струйной очистки внешних поверхностей магистральных нефте- и газопроводов, синтезирована универсальная струйно-абразивная головка, защищенная патентом Украины на изобретение, экспериментальные полевые испытания которой доказали высокую эффективность ведения очистки предложенным инструментом.

Применение струи чистой жидкости и гидроабразивного потока позволило существенно улучшить надежность удаления не только эластичных пластобитных покрытий, а и высокопрочных слоев изоляции, повысить производительность процесса, а также обеспечить более высокую надежность работы ремонтной колонны на магистральном трубопроводе. Для предложенной роторной гидроочистной головки удельное потребление энергии составляет 0,98кВт•ч/м², в то время как типовые очистные системы потребляют свыше 1,55 кВт•ч/м²

...