Способ очистки металлических поверхностей от диэлектрических отложений

 

Способ предназначен преимущественно для очистки внутренних поверхностей металлических труб от диэлектрических отложений. Осуществляют силовое воздействие на материал отложений цилиндрическими ударными волнами, генерируемыми при электрическом пробое, который осуществляют в точках, расположенных по крайней мере в двух рядах. Расстояние между рядами точек и точками в каждом ряду превышает не более чем в 3,2 раза толщину материала отложений. Параметры импульсов высокого напряжения, подаваемых между металлической поверхностью и игольчатыми электродами, удовлетворяют неравенствам W ≥ 10^-3nh(τ_и·P_σ)²; U_max > 2EH; τ_и < 0,575 h/V; τ_ф ≅ КЕН, где W - энергия высоковольтного импульса, Дж; n - число разрядных каналов; P_σ - предел прочности материала отложений при одноосном растяжении, Н/м²; U_max - амплитуда импульса, В; τ_и - эквивалентная длина импульса генератора, соответствующая 50% запасенной в нем энергии, с; H - расстояние между остриями электродов и металлической поверхностью, м; E - напряженность электрического поля, удовлетворяющая неравенству E ≥ 4 · 10⁵ (1 - h/H) + E_отл h/H, В/м; E_отл - пробивная напряженность электрического поля в материале отложений, В/м; h - усредненная толщина слоя отложений, м; V - скорость продольной волны звука в материале отложений, м/с; K - коэффициент, равный 2 · 10^-13, с/В; τ_ф - длительность переднего фронта импульса, с. Упрощается технологический процесс, уменьшаются энергозатраты за счет одновременного создания в слое отложений нескольких зон с повышенной концентрацией механической энергии, разрушающей материал отложений. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к очистке металлических поверхностей преимущественно внутренних поверхностей труб от твердых диэлектрических отложений и может быть использовано в химической, горно-обогатительной и строительной промышленностях для разрушения отложений.

Из предшествующего уровня техники известен способ очистки внутренних поверхностей металлических труб (см. авт. св. СССР N 1463356, кл. D 08 B 7/00, 1989), включающий воздействие на трубу возбуждаемой взрывом ударной волной посредством инициирования плотно прижатых к стенке трубы по ее образующим детонирующих шнуров, причем шнуры располагают равномерно по окружности трубы.

Недостаток известного способа заключается в том, что амплитуда ударной волны должна быть достаточно большой для создания требуемой величины ускорений точек внутренней поверхности трубы, что может привести к возникновению напряжений в материале трубы равных или превышающих предел усталости или предел циклической прочности материала трубы. Кроме того, проведение взрывных работ связано с соблюдением жестких требований техники безопасности, что приводит к существенному усложнению способа.

Известен способ очистки внутренних поверхностей металлических труб от твердых отложений (см. авт.св. СССР N 625782, кл. B 08 B 7/00, 1978), включающий размещение внутри трубы электродной системы с отражателем, заполнение полости трубы водой, подачу импульсного высокого напряжения на электроды. Известный способ обеспечивает за счет электрогидравлического удара не только очистку, но и перемещение электродной системы вдоль трубы.

Недостаток известного способа заключается в том, что при его реализации необходимо заполнение трубы водой. Кроме того, стенки трубы подвергаются большим механическим нагрузкам, что снижает долговечность труб.

Известен также способ очистки металлических поверхностей от диэлектрических отложений (см. авт.св. СССР N 1313537, кл. B 08 B 7/04, 1987), взятый в качестве прототипа и включающий размещение на очищаемой поверхности со стороны отложений электродов, подачу на них импульсов высокого напряжения, амплитуда которых достаточна для пробоя слоя отложений.

Недостаток известного способа заключается в том, что он не может быть использован в случае, когда температура плавления материала отложений достаточно высока. Иными словами известный способ характеризуется ограниченной областью использования.

В основу изобретения поставлена задача разработать способ очистки внутренних поверхностей металлических труб от диэлектрических отложений с использованием таких источников ударных волн, пространственное размещение которых в слое отложений и условия их генерации обеспечили бы при упрощении технологического процесса и улучшении условий труда минимальные энергозатраты и высокую производительность за счет одновременного создания с высокой скоростью в разрушаемом слое отложений нескольких зон с повышенной концентрацией механической энергии, необходимой и достаточной для реализации режима откольного разрушения материала.

Поставленная задача решена тем, что в способе очистки металлических поверхностей от диэлектрических отложений, включающем одновременный электрический пробой в нескольких точках материала отложений импульсами высокого напряжения, согласно изобретению дополнительно осуществляют силовое воздействие на материал отложений цилиндрическими ударными волнами, генерируемыми при электрическом пробое, который осуществляют в точках, расположенных по крайней мере в двух рядах, при этом расстояние между рядами точек и точками в каждом ряду превышает не более чем в 3,2 раза толщину материала отложений, а параметры импульсов высокого напряжения, подаваемых между металлической поверхностью и игольчатыми электродами, удовлетворяют следующим неравенствам: W ≥ 10^-3nh(τ_и·P_σ)²; U_max>2EH; где W - энергия высоковольтного импульса, Дж;
n - число разрядных каналов;
P_σ - предел прочности материала отложений при одноосном растяжении, Н/м²;
U_max - амплитуда импульса, В;
τ_и - эквивалентная длина импульса генератора, соответствующая 50% запасенной в нем энергии, с;
H - расстояние между остриями электродов и металлической поверхностью, м;
τ_ф - длительность переднего фронта импульса, с;
E - напряженность электрического поля, удовлетворяющая неравенству E≥4·10⁵(1-h/H)+E_отлh/H, В/м;
E_отл - пробивная напряженность электрического поля в материале отложений, В/м;
h - усредненная толщина слоя отложений, м;
V - скорость продольной волны звука в материале отложений, м/с;
K - коэффициент, равный 2·10^-13, с/В.

Целесообразно, чтобы подача импульсов высокого напряжения была осуществлена при положительной полярности игольчатых электродов относительно металлической поверхности.

Предпочтительно, чтобы игольчатые электроды были установлены с воздушным зазором относительно поверхности материала отложений.

Преимущество предложенного способа перед известным заключается в том, что благодаря указанным выше параметрам импульсов высокого напряжения обеспечивается при пробое генерация в материале отложений цилиндрических ударных волн. Пространственное же расположение точек пробоя обеспечивает кумулятивное взаимодействие цилиндрических ударных волн, приводящее к возникновению в слое отложений одновременно нескольких зон с повышенной концентрацией механической энергии.

В дальнейшем изобретение поясняется на примере лучшего варианта его осуществления, предназначенного для очистки внутренних поверхностей металлических труб от диэлектрических отложений.

На фиг. 1 изображена схема осуществления предложенного способа (поперечный разрез); на фиг. 2 - схема осуществления предложенного способа (продольный разрез); на фиг. 3 схематически изображена картина возникновения зон цилиндрической кумуляции при расположении каналов пробоя в узлах квадратной сетки; на фиг. 4 - картина возникновения зон цилиндрической кумуляции при расположении каналов пробоя в узлах сетки равносторонних треугольников.

На чертежах приведены следующие обозначения. На внутренней поверхности трубы 1 расположен слой 2 отложений. Внутри трубы 1 расположена передвижная электродная система 3 с заостренными электродами 4, при этом труба 1 и электродная система 3 подключены к генератору 5 высоковольтных импульсов. Кроме того, на чертежах показаны каналы 6 электрического пробоя материала слоя 2 отложений, цилиндрические ударные волны 7 и зоны 8 цилиндрической кумуляции.

Способ очистки внутренних поверхностей металлических труб осуществляется следующим образом.

Профилактическую очистку трубопроводов выполняют периодически, не допуская чрезмерного роста отложений и сокращения диаметра условного прохода, при этом максимальная толщина слоя отложений не должна превышать одной четверти внутреннего радиуса трубы. Внутри очищаемой от диэлектрических отложений 2 трубы 1 размещают передвижную электродную систему 3, выполненную в виде по крайней мере двух групп заостренных стержней 4, расположенных в параллельных плоскостях, перпендикулярных оси трубы, при этом стержни 4 каждой группы размещены на одинаковом угловом расстояния - α друг от друга. В предпочтительном варианте угол α не должен превышать величины где h - усредненная толщина слоя отложений; R - радиус внутренней поверхности трубы. Заостренные стержни, соответствующие различным группам, расположены либо напротив друг друга, либо смещены друг относительно друга на угол α/2 . В случае когда заостренные стержни различных групп расположены напротив друг друга, расстояние между плоскостями, в которых расположены соответственно заостренные стержни первой и второй групп, равно 3,2·h. Во втором указанном выше случае расстояние между плоскостями, в которых расположены стержни соответственно первой и второй групп, равно . Затем к выходным клеммам генератора 5 высоковольтных импульсов подключают электродную систему 3 и трубу 1, причем полярность электродной системы 3 относительно трубы 1 должна быть положительной. Такое подключение генератора 5 высоковольтных импульсов обусловлено тем, что предложенный способ предназначен для "сухой" очистки внутренних поверхностей металлических труб от диэлектрических отложений. Иными словами разрядный промежуток H между каждым острием электродной системы 3 и внутренней поверхностью трубы 1 представляет собой два диэлектрических участка: один воздушный (газовый, если при очистке полость трубы заполняется рабочим газом) толщиной - h_0i, а другой диэлектрический твердотельный толщиной - h_i, причем H=h_0i+h_i, где i - номер заостренного стержня. В этом случае напряжение на слое отложений равно
U = U_ген[1+ε·h_oi/ε_o·h_i]^-1,
где
ε_o и ε - диэлектрическая проницаемость соответственно воздуха и материала отложений;
U_ген - напряжение на выходных клеммах генератора.

Принимая во внимание, что, как правило, h_0i>h_i, а ε > ε_o , то практически все напряжение с выхода генератора оказывается приложенным к воздушному промежутку толщиной h_0i. Следовательно, при приложении высокого напряжения к системе воздушный промежуток - слой отложений сначала происходит пробой воздушного промежутка, а затем уже слоя отложений. Для труб достаточно большого диаметра и при H<<R условия пробоя воздушного промежутка мало чем отличаются от стандартных, соответствующих электродной системе "игла - плоскость", а именно: напряжение пробоя электродной системы "игла - плоскость" при положительной полярности иглы в три раза ниже, чем при отрицательной (см. М.Байер и др. Техника высоких напряжений. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 179). Иными словами при положительной полярности передвижной электродной системы относительно трубы напряжение пробоя воздушного промежутка будет существенно ниже, чем при отрицательной, что позволяет не только упростить техническую реализацию способа, но и снизить энергозатраты.

После подключения выходных клемм генератора 5 к передвижной электродной системе 3 и трубе 1 возбуждают в материале отложений цилиндрические ударные волны. Для этого от генератора 5 на электродную систему 3 и трубу 1 подают высоковольтный импульс, параметры которого удовлетворяют следующим неравенствам:
W ≥ 10^-3nh(τ_и·P_σ)²;
U_max>2EH;

где
W - энергия высоковольтного импульса, Дж;
n - число разрядных каналов;
P_σ - предел прочности материала отложений при одноосном растяжении, Н/м²;
U_max - амплитуда импульса, В;
τ_и - эквивалентная длина импульса генератора, соответствующая 50% запасенной в нем энергии, с;
H - расстояние между остриями электродов и металлической поверхностью, м;
E - напряженность электрического поля, удовлетворяющая неравенству E≥4·10⁵·(1-h/H)+E_отлh/H, В/м;
E_отл - пробивная напряженность электрического поля в материале отложений, В/м;
h - усредненная толщина слоя отложений, м;
V - скорость продольной волны звука в материале отложений, м/с;
K - коэффициент, равный 2·10^-13, с/В;
τ_ф - длительность переднего фронта импульса, с.

В результате имеет место многоканальный и одновременный разряд со всех остриев передвижной электродной системы 3 на трубу 1 и возбуждение в материале 2 отложений цилиндрических ударных волн. Физическая сущность предложенного способа сводится к следующему.

Поскольку слой технологических отложений расположен на отрицательном электроде, то разряды начинаются от положительных электродов и, развиваясь свободно в воздухе в виде стримеров, достигают слоя отложений и здесь встречаются со стримерами, развивающимися с отрицательного электрода. Затем следует вторая лавино-стримерная стадия завершения разрядов внутри слоя отложений, после чего образуются каналы 6 разряда в слое отложений. По мере нарастания тока разряда каналы 6 расширяются с эффектом, присущим взрыву, а именно к моменту достижения током в разрядных каналах максимального значения ускоренное движение их стенок прекращается, и ударные волны уходят из ближней зоны разрядов, воздействуя на окружающий каналы материал. Таким образом, в материале отложений 2 возникают радиальные по отношению к каналам 6 цилиндрические ударные волны 7. Цилиндрические ударные волны 7, расширяясь радиально, образуют в момент столкновения зоны 8 цилиндрической кумуляции. Кумуляция радиально расширяющихся волн возможна при соблюдении следующих условий: во-первых, источники ударных волн должны быть равномерно распределены по окружности с центром, совпадающим с центром ожидаемой зоны кумуляции, во-вторых, расстояние от оси каждого канала до центра зоны кумуляции ударных волн не должно превышать размера ближней зоны разряда, т.е. зоны, в пределах которой сохраняется цилиндрическая симметрия электрического разряда.

Вследствие того, что заостренные стержни передвижной электродной системы расположены по крайней мере в двух рядах, а расстояние между остриями стержней в каждой группе равно расстоянию между остриями ближайших между собой стержней, расположенных в различных группах, то в результате электрического пробоя в слое отложений формируются каналы, расположенные либо в узлах квадратной сетки (в случае, когда электроды различных групп расположены напротив друг друга в осевом направлении трубы) или в узлах сетки, образованной ячейками в виде равносторонних треугольников (в случае, когда электроды одной группы смещены относительно электродов второй группы на угол α/2 в окружном направлении). Иными словами пространственное расположение заостренных стержней обеспечивает формирование в слое отложений системы каналов, удовлетворяющих первому условию, а ограничения, накладываемые на величину угла α , обеспечивают выполнение второго условия, необходимого для возникновения зон цилиндрической кумуляции.

В каждой зоне 8 цилиндрической кумуляции образуются вторичные ударные волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, перпендикулярных поверхности разрушаемого слоя отложений. Так как длительность импульса нагружения, равна эквивалентной длине высоковольтного импульса τ_и < 0,575h/V , то в результате взаимодействия падающей и отраженной относительно свободной поверхности слоя отложений ударных волн происходит откол фрагмента материала слоя отложений в областях кумуляции первичных (цилиндрических) ударных волн из-за воздействия на материал отложений растягивающих напряжений.

Другой особенностью процесса разрушения слоя отложения является отражение цилиндрических ударных волн от внутренней поверхности трубы. Отраженные волны являются также ударными волнами, а не волнами разрежения, поскольку акустический импеданс стенки трубы больше акустического импеданса разрушаемых отложений. Однако отраженные от внутренней поверхности трубы волны, пройдя слой отложений и разрушая его за счет сжатия, вновь претерпевают отражение от границы с воздушной средой и трансформируются в волны разрежения. В результате взаимодействия падающих (сжимающих) на свободную поверхность слоя отложений и отраженных (растягивающих) от свободной поверхности слоя отложений волн происходит откол фрагментов слоя отложений в местах, расположенных вне зон цилиндрической кумуляции. Здесь следует отметить, что за счет кривизны внутренней поверхности трубы будет иметь место частичная фокусировка отраженных от трубы ударных волн, при этом зоны концентрации энергии отраженных волн будут расположены на расстоянии от места генерации первичной цилиндрической ударной волны, равном
Генеральная картина разрушения слоя отложений была бы не полной, если бы не были приняты во внимание трещины, возникающие в зонах (прилегающих к каналам пробоя) вследствие высокого давления, развиваемого в каналах при электрическом пробое. Дело в том, что распространяющиеся в материале слоя отложений волны, интерферируя, воздействуют на трещины и способствуют их развитию вплоть до свободной поверхности слоя. Таким образом, трещины, расположенные в околоканальных зонах, являются местами концентрации значительных остаточных напряжений. Эти напряжения, взаимодействуя с напряжениями, вызванными ударными волнами последующих электроразрядов, способствуют разрушению слоя отложений, а в ряде случаев заканчивают процесс разрушения, начатый ударными волнами первых электроразрядов. Развитие трещин до свободных поверхностей разрушаемых отложений приводит к расколу слоя отложений по контурам элементарных ячеек сетки (квадратным или треугольным) с выбросом фрагментов слоя отложений перпендикулярно поверхности трубы.

Эффективность очистки внутренней поверхности трубы от слоя отложений будет более высокой, если при неизменном положении подвижной электродной системы осуществить не один, а несколько разрядов. В зависимости от механической прочности материала слоя отложений число импульсов напряжения может быть равно 5 - 10.

Очистка всей внутренней поверхности трубы осуществляется путем дискретного перемещения электродной системы вдоль оси трубы. Величина шага при этом выбирается, исходя их механической прочности материала отложений и числа групп заостренных стержней в электродной системе.

В предпочтительном варианте шаг перемещения электродной системы равен расстоянию между параллельными плоскостями, в которых размещены группы заостренных стержней. Действительно, в этом случае (за исключением начального участка, равного длине электродной системы в осевом направлении) число электрических разрядов в каждом канале будет равно числу групп заостренных стержней в электродной системе, а механизм перемещения ее будет иметь более простую конструкцию.

При очистке труб от очень прочных слоев отложений предложенный способ может быть использован совместно с другими средствами (способами) механической очистки внутренних поверхностей труб, в частности скребками. В этом случае после использования предложенного способа за счет наличия сквозных каналов, расположенных в узлах соответствующей сетки, трещин, сколов и т.п. механическая прочность слоя отложений будет существенно ниже исходной, что позволит произвести полную очистку внутренней поверхности труб с помощью, например, скребков, которые могут быть закреплены в хвостовой части подвижной электродной системы.

Предложенный способ может быть использован также и при стационарном размещении электродной системы относительно очищаемой металлической поверхности, например, в местах наиболее вероятного роста отложений (изгибы труб, ступенчатое изменение диаметра проходного сечения и т.п.). В этом случае процесс очистки осуществляется периодически по мере необходимости удаления возникших в процессе эксплуатации отложений на заданных участках металлической поверхности.

Формула изобретения

1. Способ очистки металлических поверхностей от диэлектрических отложений, включающий одновременный электрический пробой в нескольких точках материала отложений импульсами высокого напряжения, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют силовое воздействие на материал отложений цилиндрическими ударными волнами, генерируемыми при электрическом пробое, который осуществляют в точках, расположенных по крайней мере в двух рядах, при этом расстояние между рядами точек и точками в каждом ряду превышает не более чем в 3,2 раза толщину материала отложений, а параметры импульсов высокого напряжения, подаваемых между металлической поверхностью и игольчатыми электродами, удовлетворяют следующим неравенствам:
W ≥ 10^-3nh(τ_и·P_σ)²;
U_max > 2EH;

где W - энергия высоковольтного импульса, Дж;
n - число разрядных каналов;
P_σ - предел прочности материала отложений при одноосном растяжении, Н/м²;
U_max - амплитуда импульса, В;
τ_и - эквивалентная длина импульса генератора, соответствующая 50% запасенной в нем энергии, с;
τ_ф - длительность переднего фронта импульса, с;
H - расстояние между остриями электродов и металлической поверхностью, м;
E - напряженность электрического поля, удовлетворяющая неравенству E ≥ 4 · 10⁵ (1 - h/H) + E_отлh/H, В/м;
E_0тл - пробивная напряженность электрического поля в материале отложений, В/м;
h - усредненная толщина слоя отложений, м;
v - скорость продольной волны звука в материале отложений, м/с;
К - коэффициент, равный 2 · 10^-13, с/В.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсы высокого напряжения подают при положительной полярности игольчатых электродов относительно металлической поверхности.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что игольчатые электроды устанавливают с воздушным зазором относительно поверхности материала отложений.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что число импульсов напряжения равно 5 - 10.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4