Способ обработки поверхности трубы перед нанесением покрытия

 

Использование: для обработки поверхности трубы перед нанесением покрытия. Сущность изобретения: после загрузки трубы 3 на полную длину открывают шибер 6 и включают в работу первую электрогазовую горелку 1. Продукты конверсии метана направляют вихревым потоком навстречу движения трубы 3, а далее поток газа-восстановителя через отверстия толкателя 8 направляется во внутреннюю полость трубы , меняя при этом направление движения продуктов сгорания на обратное, далее поступают во вторую свободную камеру восстановления и направляются на выхлоп. Температуру нагрева трубы определяют по формуле Т (г2 - b г+ а )/ес, где твремя восстановления ржавчины, мин; а, Ь, с - коэффициенты, зависящие от толщины слоя ржавчины, а коэффициент избытка воздуха поддерживают 0,2-0,3. Процесс обработки поверхности трубы повторяют во второй камере, после чего осуществляют нанесение покрытия на ее поверхность. 6 ил., 1 табл. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s В 23 К 7/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ; ;,- Л

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 табл. а а ь Ъ (21) 4823554/08 (22) 10.04.90 (46) 07.11.92. Бюл. 1ч 41 (71) Всесоюзное научно-производственное обьединение по рациональному использованию газа в народном хозяйстве "Союэпром газ" (72) Б,Г.Дьячков и M.À.Ñàëèìîâ (56) Авторское свидетельство СССР

М 987293, кл. F 23 0 53/00, 1981. (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ

ТРУБЫ ПЕРЕД НАНЕСЕНИЕМ ПОКРЫТИЯ (57) Использование: для обработки поверхности трубы перед нанесением покрытия.

Сущность изобретения: после загрузки трубы 3 на полную длину открывают шибер 6 и включают в работу первую электрогаэовую горелку 1. Продукты конверсии метана направляют вихревым потоком навстречу движения трубы 3, а далее поток газа-восстановителя через отверстия толкателя 8 направляется во внутреннюю полость трубы, меняя при этом направление движения продуктов сгорания на обратное, далее поступают во вторую свободную камеру восстановления и направляются на выхлоп.

Температуру нагрева трубы определяют по формуле Т =(т2 — Ь t+à)/е, где твремя восстановления ржавчины, мин; а, b, с — коэффициенты, зависящие от толщины слоя ржавчины, а коэффициент избытка воздуха поддерживают 0,2-0,3. Процесс обработки поверхности трубы повторяют во второй камере, после чего осуществляют нанесение покрытия на ее поверхность, 6 ил., 1773619

Изобретение относится к технологии нанесения на поверхность труб антикоррозионных покрытий, а именно к обработке поверхности трубы перед нанесением покрытия.

Известно, что процессу нанесения антикорроэионного покрытия на поверхность стальных труб предшествует трудоемкий процесс подготовки поверхности трубы к покрытию(удаление ржавчины и пр.). Известно также, что затраты на предварительную обработку труб пескоструйным или иным методом составляют 10 — 60 общих затрат на процесс. Помимо прямых затрат пескоструйный метод создает антисанитарные условия оператором.

Наиболее близким по технической сущности является горелочное устройство для нагрева труб, содержащее дугообразный топливный коллектор с наклонными соплами, установленными в дугообразном ко>кухе, который образует с поверхностью трубы камеру сгорания.

Одним из существенных недостатков этого устройства является нагрев трубы пламенем при сжигании природного газа в воздухе в стехиометрическом соотношении, при этом поверхностный слой трубы не только не освобождается от ржавчины, но наоборот слой ржавчины может увеличиваться за счет окисления железа кислородом воздуха.

Целью изобретения является повышение эффективности обработки поверхности трубы перед нанесением покрытия путем преобразования ржавчины в губчатое железо.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе обработки поверхности трубы путем сжигания газовоздушной смеси и направления продуктов сгорания кольцевым потоком на наружную поверхность трубы, на горящий факел накладывают электрический разряд рассеянного типа и полученные продукты сгорания направляют сначала вихревым потоком вдоль наружной поверхности движущейся навстречу трубы, а затем — внутрь нее в направлении движения трубы, при этом температуру нагрева трубы определяют по формуле т - — -ж — 0)

Р— br+a где т — время восстановления ржавчины, мин; Т вЂ” в С; а, Ь, и с — коэффициенты, зависящие от толщины слоя ржавчины (д), приведенные в табл. 1, Коэффициент избытка воздуха поддерживают а- 0,2-0,3, далее процесс обработки поверхности трубы повторяют

35 аналогичным образом, после чего осуществляют нанесение покрытия на ее поверхность, Полученные в вихревом пламени продукты сгорания, перегретые электрическим разрядом, обладают высоким восстановительным потенциалом (высоким содержанием СО и Нг, соответственно равным 20 и

40;(), полученным за счет сжигания природного газа в воздухе при коэффициенте избытка воздуха, равном 0,2 — 0,3; температура восстановительного газа составляет

850 — 1150 С за счет соответствующей диссипации электрической энергии в разряде. Поскольку верхний концентрационный предел воспламенения и горения природного газа (метана) в воздухе соответствует коэффициенту избытка воздуха, равному 0,6, то без

"усиления" пламени электрическим разрядом в электрогазовой горелке осуществить горение или конверсию метана при а =0,2 — 0,3 невозможно.

При обтекании поверхности трубы закрученным потоком газа указанных параметров поверхность трубы нагревается до

700-1000 С; при этой температуре СО и Нг восстанавливают оксиды железа (ржавчину) на внешней поверхности трубы, а затем и на внутренней поверхности трубы до губчатого железа, имеющего макропористую структуру, идеальную для последующего нанесения антикоррозионного покрытия с точки зрения адгезии.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные признаки".

На фиг.1 представлено устройство для восстановления ржавчины на поверхности трубы и последующего нанесения защитного покрытия; на фиг.2 — узел присоединения толкателя к трубе; на фиг.3 — узел (муфта) соединения труб; на фиг.4 — графики зависимости толщины слоя оксидов железа от температуры при различных временах полного восстановления железа из его оксида; на фиг.5 — графики зависимости температуры материала трубы от времени полного восстановления железа из его оксида; на фиг,6 — график зависимости содержания окислительных газов от коэффициента из бытка воздуха.

Устройство (фиг.1) содержит две после довательно расположенные камеры eoccra

1 773619

25 новления ржавчины, каждая из которых оснащена электрогазовой горелкой 1 вихревого типа, имеющей охлаждаемый трубчатые электроды 2 и центральное отверстие для прохода обрабатываемой трубы 3. В направлении движения восстановительных газов из горелки 1 последняя стыкуется с футерованным цилиндрическим газоходом

4, образующим кольцевой зазор с поверхностью трубы 3, в нижней части которого расположены жаропрочные ролики 5. Камеры восстановления ржавчины могут быть разделены охлаждаемым шибером 6, а длина каждой камеры превышает линейный размер трубы 3. В начале устройства (фиг.2) через сальниковое уплотнение 7 установлен трубчатый толкатель 8, имеющий в торцовой части сцепления с трубой 3, цилиндрический хвостовик 9 и систему перепускных отверстий 10. Соединение труб 3 между собой осуществляется муфтой 11 (фиг.3), содержащей отверстия 12. На выходе из устройства восстановления ржавчины установлен узел 13 охлаждения трубы с последующим устройством 14 вихревого типа для нанесения антикоррозионного покрытия.

При работе устройства восстановления ржавчины со стороны сальникового уплотнения 7 в первую камеру вводится и устанавливается на ролик 5 труба 3, требующая восстановления ржавчины. Шибер 6, разделяющий камеры восстановления, открывается и включается в работу первая электрогазовая горелка 1, выдающая газовую среду заданного состава продуктов сгорания природного газа в воздухе (а=0,2 — 0,3, где а — коэффициент избытка воздуха) с температурой 850—

1150 С, необходимой для осуществления йроцесса восстановления ржавчины, Вихревой поток газа-восстановителя направляется навстречу направления движения трубы 3 в кольцевой зазор, образованный этой трубой и цилиндрическим футерованным газоходом 4, омывая поверхность трубы 3 по всей ее длине, а далее поток газа через отверстия 10 толкателя 8 направляется во внутреннюю полость трубы 3, меняя направление движения на обратное, поступает во вторую, свободную в это время камеру восстановления, и направляется далее на выход. Перемещающаяся с заданной скоростью с помощью толкателя 8 труба 3 покидает первую камеру и постепенно занимает положение во второй камере восстановления. Как только труба 3 полностье входит во вторую камеру восстановлейия, отключается из работы первая электрогазовая горелка 1, закрывается шибер 6 и вклю30

55 чается в работу вторая электрогазовая горелка 1: режим работы этой горелки и аэродинамика газа-восстановителя полностью повторяет описанный механизм.

После включения в работу второй электрогазовой горелки 1 в первую камеру восстановления на полную длину вводится следующая труба, имеющая на свободном торце соединительную муфту 11, после чего открывается шибер 6, включаются в работу первая электрогазовая горелка 1 и толкатель 8, что заставляет состыковываться предыдущую и данную трубу и продолжать совместное равномерное перемещение с заданной скоростью. После стыковки труб 1 газы-восстановители в первой камере восстановления перетекают во внутреннюю полость трубы 3 через отверстия 12 соединительной муфты 11, прибавляясь к массовому расходу восстановительного газа, идущего из первой камеры восстановления. После того как труба 3 покинет предел ы первой камеры, вновь закрывается шибер 6, отключается электрогазовая горелка 1 этой камеры, удаляется толкатель 8 и камера загружается новой трубой. Далее процесс повторяется.

Разогретая во второй камере труба 3 поступает в узел 13.охлаждения до температуры, необходимой для газопламенного нанесения антикоррозионного покрытия (350 С), которое осуществляется в устройстве 14 вихревого типа за счет тангенциально расположенных факелов, несущих в себе частицы антикоррозионного покрытия, Скорость перемещения трубы 3, а следовательно, и время пребывания трубы в обеих камерах восстановления должно отвечать полному превращению ржавчины в губчатое железо, Это время зависит от восстановительного потенциала газовой фары, ее температуры и толщины слоя ржавчины.

В качестве генератора восстановительной среды использованы электрогазовые горелки, в которых на горящий факел вихревого типа с помощью электродной системы накладывается переменное электрическое поле промышленной частоты с образованием в факеле рассеянного (равномерно распределенного) электрического разряда, характеризующегося по сравнению с плазмотроном относительно малыми разрядными токами (десятки ампер) и высокой разностью потенциалов между электродами (около 1 кВ). Преимущества такого типа разряда сводятся к тому, что малые разрядные токи обусловливают низкие плотности тока

1773619

50 на электродах, т.е. увеличенный ресурс работы электродов; позволяют частично использовать энергию органического топлива в количествах, соизмеримых с электроэнергией; обеспечивают надежное горение топлива при коэффициентах избытка воздуха столь низких (a =0,2 — 0,3), при которых в обычных условиях горение природного газа неосуществимо; обеспечивается равномерный перегрев всего объема факела с образованием газовой среды с высоким восстановительным потенциалом и заданной достаточно высокой температурой, В соответствии с предложенным способом восстановление ржавчины осуществля-. ется в двухкамерной системе по тем причинам, что при наличии одной камеры невозможно обеспечить непрерывность процесса при заданном времени полного восстановления ржавчины; кроме того, при однокамерной схеме неизбежен локальный перегрев труби в районе выхода восстановительных газов из электрогазовой горелки

1.

Пример, Предлагаемый способ был осуществлен на экспериментальной установке, где производилась обработка трубы диаметром dH = 200 мм (ds/Он - 0,95) и длиной 11 м, скорость перемещения трубы составляла 1,1 м/мин, а время полного восстановления — t = 10 мин.

После загрузки трубы на полную длину в первую камеру восстановления открывают шибер 6 и включают в работу первую электрогазовую горелку 1, реализующую воздушную конверсию метана при расхоце газа около 1 м /ч, расходе воздуха 1,73 M /ч з и вкладываемой в разряд электрической мощности 1,375 кВт и выдающую в кольцевой зазор, образованный трубой 3 и футерованным газоходом 4, продукты конверсии метана при 921 С (а=0,2), которые двигаются навстречу движения трубы 3 до конца трубы. Далее поток газа-восстановителя через отверстия 10 толкателя 8 направляют во внутреннюю полость трубы 3, меняя при . этом направление движения на обратное, далее продукты сгорания поступают во вторую. свободную в это время камеру восстановления и направляются на выхлоп

Движение трубы 3 по направляющим роликам 5 обеспечивается толкателем 8, перемещающим трубу 3 со скоростью 1,1 м/мин

Как только труба 3 полностью займет положение во второй камере восстановления, отключают от работы электрогазовую горелку 1 первой камеры восстановления, закрывают шибер 6 и включают в работу вторую электрогазовую горелку 1, режим работы этой горелки 1 соответствует расходам газа и воздуха, а также подводимой в разряд электрической мощности, указанным выше.

После закрытия шибера 6 в первую камеру восстановления на полную длину вводят следующую трубу 3, имеющую на свободном торце соединительную муфту 11, после чего открывают шибер 6 и включают в работу первую злектрогазовую горелку 1.

Толкатель 8 заставляет состыковаться предыдущую и данную трубу 3 для совместного перемещения с заданной скоростью 1,1 м/мин. После стыковки труб 3 газы-восстановители в первой камере восстановления перетекают во внутреннюю полость трубы 3 через отверстия 12 соединительной муфты

11, прибавляясь к потоку восстановительного газа, идущего из первой камеры восстановления, После того как труба 3 покинет пределы первой камеры, вновь закрывают шибер 6, отключают электрогазовую горелку 1 этой камеры, удаляют толкатель 8 и камеру загружают новой трубой 3. Далее процесс повторяется. Таким образом, в первой камере восстановления электрогазовая горелка 1 работает в прерывистом режиме с паузами для загрузки очередной трубы; во второй камере электрогазовая горелка 1 работает в непрерывном режиме.

Разогретая во второй камере труба 3 до

921 С с преобразованной на поверхности ржавчиной в губчатое железо поступает в узел 13 охлаждения до температуры, необходимой для газопламенного нанесения антикоррозионного покрытия (около 350 С для полимерных покрытий), которое осуществляется в устройстве 14 вихревого типа за счет тангенциального расположения факелов, несущих в себе частицы антикоррозионного покрытия, В приведенном примере реализации предлагаемого способа приняты конкретные параметры (расходы реагентов в электрогазовых горелках, температура поверхности трубы и т,д.), которые требуют пояснений.

В соответствии с теорией прямого восстановления железа толщина восстановленного слоя ржавчины (д), температура процесса и время восстановления (г) связаны между собой зависимостями, приведенными на фиг 4, При этом газом-восстановителем являлась среда с содержанием водорода 86%. Преобразование зависимостей фиг.4 позволяет выразить температуру трубы в функции времени процесса восстановления ржавчины при раз1773619

55 личных значениях д (фиг.5), Обобщение зависимостей (фиг.5) приводит к выражению (1). ФорМулы для температуры трубы при восстановлении ржавчины справедливы для некоторого диапазона температуры поверхности трубы, так же как и некоторого диапазона по коэффициенту избытка воздуха а.

Верхний температурный уровень трубы определяется нежелательным изменением механических и структурных характеристик материала трубы. По опыту нагрева стальных заготовок при горячей обработке давлением верхнюю температуру следует ограничить величиной 1000 С. Нижний температурный уровень процесса восстановления ржавчины определяется производственным опытом при нанесении защитных покрытий на непрерывной поточной линии, поскольку предполагается непрерывность линии восстановления ржавчины и последующее нанесение защитного покрытия. Практика показывает. что на трубу длиной 11 м затрачивается 8 — 10 мин. Приняв среднее значение т-9 мин; получаем предельно низкую температуру поверхности трубы, равную 700 С, при д=0,1 мм.

Диапазон изменения коэффициента избытка воздуха при сжигании природного газа в воздухе должен обеспечить глубоковосстановительную газовую среду с минимальным содержанием окислительных газов (HzO и СОг) не более 4 и малым содержанием твердых частиц сажистого углерода.

Термодинамический расчет состава продуктов воздушной конверсии метана в температурном интервале 1200 — 1500 К показывает, что при а=0,3 сумма окислителей составляет 3,85 ; при а =0,35 — 7,14%. По опыту работы нагревательных печей температура газа-восстановителя должна превышать температуру нагрева изделия приблизительно на 150 С. Следовательно, температурный интервал восстановительного газа, соответствующий температурному интервалу поверхности нагреваемой трубы, должен составлять 850 — 1150 С. На фиг.6 при в едена за висим ость содержания окислительных газов от коэффициента избытка воздуха при температуре газа 850 С, откуда следует, что 4 -му содержанию окислительных газов соответствует а=0,303. Это значение а следует принять за ее верхний предел. Нижний предел устанавливается по началу появления сажи в газовой фазе при снижении а. В табл.2 приведены данные по выходу сажи в газовую фазу при а =0,2 (х10 1).

При дальнейшем снижении а выход сажи в газовую фазу резко возрастает. Кроме того, эксперименты показывают, что при а ниже 0,2 равномерно распределенный разряд в факеле не может существовать изза резкого снижения турбулентных пульсаций (малый расход воздуха) и малого тепловыделения эа счет сжигания газа.

Таким образом, диапазон изменения коэффициента избытка воздуха в процессе преобразования ржавчины в губчатое железо должен составлять 0,2-0,3.

Исходя из указанных требований, режим работы электрогазовых горелок 1 должен обеспечить на выходе газового потока из горелок в камеры восстановления ржавчины газовую среду, соответствующую сжиганию природного газа в воздухе при 0,2-0,3, а температурный уровень восстановительного газа должен находиться в пределах 850 — 1150 С, т.е. на 150ОС выше температуры нагрева металла за счет рассеяния в факеле электрической энергии соответствующего уровня.

По формуле (1) определяют температуру поверхности трубы: TT = 921 С, Следовательно, температура газа-восстановителя составляет Тг1070 С. Для достижения этой температуры при а =0,2 затраты электроэнергии составят

Gn,ñ. A Н Gn.ñ. 1 83

3 6 10з 3 6 где Л Н определено по данным известной работы при а=0,2 и T=1343 К;

G., =Ч„(p, +9,5 а р,) =2,9675 V,.

Отсюда

1Ц 2,9675 1,83 . ׄ— 1,5085 Ч кВт.

Ф

Мощность, выделяемая при частичном сжигании природного газа при а=0.2, определяется

\/Чх = Чг . а . 8500 = 1,9767 Чг кВт

Полная мощность, реализуемая в обеих камерах восстановления ржавчины, составит

Wz = Wx + Мlз = 1,9767 Ч + 1,508 5Чг

=3,4852 Чг кВт. Мощность Wz расходуется нэ нагрев материала трубы, восстановление ржавчины и теплосодержание отходящих газов.

Рассмотрим расходы энергии по указанным составляющим. Нагрев металла (О «)

QM = — Cp 1 (б g — d g) p Л Тм кВт, 2 2 где L = 66 м/ч — скорость перемещения трубы.

Подстановка численных значений дает

Ом = 2,51 кВт, Восстановление ржавчины (Ог ®) 1773619

12 если д - 0,15 мм — толщина слоя окалины, состоящей из 51,62 магнетита и

46,67 вюстита по данным Череповецкого металлургического комбината, то часовой расход окалины составит

G> =р I +(d) — df+d) — d)) = — р-t. 23 10 ж — 4

5450 66 2,3 10 " = 0,984 кг/ч.

При восстановлении железа из магнетита образуется 0,3735 Gpж кг железа в час; при восстановлении железа из вюстита образуется 0,4628 Gpж кг железа в час. Суммарный часовой выход железа составит

Fe< = 0,7363 Орж кг/ч. Известно, что теоретические затраты энергии на восстановление 1 кг железа составляют 2,2 МДж, Отсюда Qpw = 0,443 кВт.

Тепло с уходящими газами (Q )

Оух = Ср Ол.с. Тг =

=1,8906 Ч,(o, +9,5 ар,) 1194=

= 1,861 . V квт .

Следовательно, ЧЧ -2,51+0,443+1,861 Vr =

=3,485 Ч кВт.

Отсюда Vr=1,82 м /ч; Ve - 3,46 м /ч;

Wg = 2,75 кВт.

Разделяя энергоносители по каждой и двух камер восстановления поровну, имеем по каждой электрогазовой горелке следующее:

Vr = 0,91 м /ч; Чв = 1,73 м /ч; М4 1,375 кВт.

Именно эти значения величин и были рассмотрены в примере.

Время пребывания каждой трубы 3 в двух камерам восстановления ржавчины составляет 10 мин, а скорость перемещения труб — 1,1 м/мин. Годовая производительность установки по восстановлению ржавчины и нанесению защитного покрытия составляет 42 тыс, труб при работе устанозки в год 7000 ч.

Отработанные восстановительные газы с малым содержанием HzO и СО могут быть в дальнейшем использованы как газообразное топливо в нагревательных печах или для других целей, например для предварительного подогрева воздуха, идущего на горение

5 в камерах восстановления ржавчины и в устройстве нанесения защитного покрытия, Операция подготовки поверхности трубы традиционными методами принимает на себя около 10 полных затрат при эмалиро10 вании (20,75 руб./ч); элсктрогазовый способ подготовки поверхности трубы к нанесению покрытия оставляет 5,137 коп./ч, т.е. около

0.2, что свидетельствует а высокой эффективности заявляемого метода.

15 Формула изобретения

Способ обработки поверхности трубы перед нанесением покрытия, при котором производят сжигание газовоздушнай смеси и направление продуктов сгорания кольце20 вым потоком на наружную поверхность трубы, о тл и ч а ю щи йс ятем, что, с целью повышения качества нанесения покрытия путем преобразования ржавчины в губчатое железо, на горящий факел газовоздушной ., 25 смеси воздействуют электрическим разрядом, а продукты сгорания вихревым потоком после подачи вдоль наружной поверхности трубы направляют внутрь трубы в направлении движения трубы, при этом

30 процесс обработки ведут в двух камерах, а температуру нагрева трубы определяют по формуле г — br+a

35 Т- ес где г — время восстановления ржавчины, мин, а, Ь, с — коэффициенты, зависящие от

40 толщины слоя ржавчины, а=0,102 д -0,0072, b=107 д +12, с=48-13,3 д при 0 д 0,5; а коэффициент избытка воздуха в смеси поддерживают 0,2-0.3.

Та блица 1

14

1300

1200

900

800

700

Т, К

0,33

0,33

0,35

0,45

0,68

0,75

0,6

Фиг Э

Д сажи вес.

1773619

1000 1100

Таблица 2

1400 1500

0,33 0,324

1773 б19

0,4

Фиг. 4

II 00

I 000 оО 900

5 8ОО о

<Р

Ж Еоо

400 500 600 790 800 900 ХООО

Температура процесса восстановления, оС

ХО 20

Время полного восстановления ржавчины, мин, Я

Фиг. 5

1773619

0,2 0,3

Коэффициент избытка воздуха оЕ

0,4

Фиг.б

Редактор В.Бер

Заказ 3892 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

5 î

О3

В ф

5 3 с

k о

2

Составитель Б.Дьячков

Техред М.Моргентал Корректор П.Гереши