Устройство для дезактивации твердых поверхностей

 

Использование: для дезактивации твердых поверхностей, выполненных преимущественно из бетона, цемента и кирпича, а также поверхностей из различных горных пород, металлов, сплавов и полимерных материалов практически любой геометрии. Технический результат: расширение эксплуатационных возможностей устройства для дезактивации твердых поверхностей, повышение производительности и снижение стоимости работ. Сущность изобретения: устройство для дезактивации содержит узел создания разрушающих механических напряжений, выполненный в виде герметичного тонкостенного резервуара из эластичного материала. Резервуар снабжен вентилем подачи горючего газа, вентилем газа-окислителя и элементом инициирования. Приспособление для фиксации узла, с помощью которого резервуар с тыльной стороны крепится к обрабатываемой поверхности, выполнено в виде прижимного экрана с расположенными по его периферии элементами крепления. 2 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области ядерных технологий и предназначено для дезактивации твердых поверхностей, выполненных преимущественно из бетона, цемента и кирпича, например потолочных перекрытий, стен, полов, других строительных конструкций. Изобретение может быть использовано также для дезактивации поверхностей из различных горных пород, металлов, сплавов и полимерных материалов практически любой геометрии.

При дезактивации загрязненных радиоактивными веществами производственных помещений значительные трудности вызывает очистка поверхностей строительных конструкций: потолков, стен и полов с глубинным прочнофиксированным загрязнением, обусловленным диффузией радиоактивных веществ в материал конструкций, прониканием их в микропоры и микротрещины поверхностей, механическим внедрением макрочастиц в материал на значительные глубины.

В настоящее время известны различные способы дезактивации твердых поверхностей с глубинным прочнофиксированным радиоактивным загрязнением.

Так, известны способы дезактивации твердых поверхностей путем удаления загрязненного радиоактивными веществами слоя посредством воздействия на слой раствором реагентов и удаления веществ, образующихся в результате реакции [1]. Способы применяются для дезактивации металлов с использованием широкого спектра реагентов. Однако для дезактивации конструкций из бетона, цемента, кирпича, горных пород и т.п. данные способы практически не пригодны ввиду химической инертности этих материалов.

Для эффективной дезактивации твердых поверхностей из материала типа бетона необходимо механическое разрушение и удаление внешнего, загрязненного слоя поверхности.

Такой способ дезактивации осуществляется, в частности, с использованием устройства, основанного на применении скалывающего инструмента. Но применение такого устройства предполагает использование ручного труда, процесс дезактивации является малопроизводительным и характеризуется высоким уровнем дозозатрат для производящего работы персонала.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство, используемое для реализации способа по патенту России [2], предусматривающее автоматизацию процесса. Устройство содержит узел создания в поверхностном слое дезактивируемой поверхности разрушающих механических напряжений, выполненный в виде системы газокислородных сопел, и приспособление для фиксации узла (системы сопел) на определенном расстоянии от поверхности и последующего его перемещения вдоль последней с заданной скоростью. При использовании устройства происходит воздействие на поверхность газокислородными факелами в зоне их максимальной температуры. За фронтом пламени обрабатываемая поверхность покрывается сетью трещин и происходит отделение осколков чешуйчатой формы.

Однако данное устройство имеет серьезные недостатки, выражающиеся в ограниченности эксплуатационных возможностей. Устройство является довольно громоздким, содержит большое количество сопел, требует постоянного проведения наладочных, профилактических и ремонтных работ, потребляет большое количество горючего газа и газа-окислителя. Устройство применимо для дезактивации практически лишь в стационарных условиях плоских поверхностей, выполненных, к тому же, из сравнительно малопрочного материала, характеризуется относительно низкой производительностью и высокой стоимостью работ. Глубина дезактивации поверхности при этом не превышает первых единиц миллиметров.

Таким образом, заявляемое изобретение направлено на решение задачи по расширению эксплуатационных возможностей устройства для дезактивации твердых поверхностей, повышению производительности и снижению стоимости работ. Технический результат при этом выражается в том, что разрушающие механические напряжения создают одновременно во всей дезактивируемой поверхности на требуемой глубине и требуемой интенсивности, в результате чего повышаются скорость и эффективность удаления наружного загрязненного слоя.

Это достигается за счет того, что в устройстве для дезактивации твердых поверхностей, содержащем узел создания внутри поверхности разрушающих механических напряжений и приспособление для фиксации узла у поверхности, согласно изобретению, узел выполнен в виде герметичного тонкостенного резервуара из эластичного материала, снабжен газопроводной арматурой подачи внутрь компонентов горючей газовой смеси и элементом инициирования детонации, а приспособление для фиксации выполнено в виде прилегающего к узлу с тыльной стороны прижимного экрана с расположенными по периферии элементами крепления. При этом прижимной экран может быть выполнен в виде сетки из металлической проволоки или синтетических нитей, а поверхность резервуара, обращенная к дезактивируемой поверхности, может быть покрыта слоем клейкого вещества.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения и прототипа позволил выявить новую совокупность существенных признаков, обусловленных изменением конструкции устройства. Таким образом, заявляемый объект отвечает критерию "НОВИЗНА" Сущность решения иллюстрируют приведенные рисунки.

На фиг. 1 дан общий вид устройства.

На фиг. 2 - установка устройства у дезактивируемой поверхности.

На фиг. 3 - заполнение резервуара устройства компонентами горючей газовой смеси.

На фиг. 4 - инициирование детонации горючей газовой смеси; воздействие на дезактивируемую поверхность ударной волны, образующейся при взрыве смеси.

На фиг. 5 - дробление наружного слоя дезактивируемой поверхности растягивающими механическими напряжениями в волне разрежения.

На фиг. 6 приведен график зависимости давления в ударной волне от начального давления для стехиометрической водородо- кислородной смеси (гремучего газа).

Устройство (фиг. 1) содержит узел создания разрушающих механических напряжений, выполненный в виде герметичного тонкостенного резервуара 1 из эластичного материала. Резервуар 1 снабжен газопроводной арматурой, включающей вентиль 2 подачи горючего газа и вентиль 3 подачи газа-окислителя, и элементом инициирования детонации горючей газовой смеси 4. Приспособление для фиксации узла выполнено в виде прижимного экрана 5, прилегающего к резервуару 1 с тыльной стороны. По периферии экрана 5 расположены элементы крепления 6.

Резервуар 1 изготавливается из резины или газонепроницаемой синтетической пленки (полиэтилена, нейлона, лавсана и т. п.) и может иметь любую требуемую конфигурацию. Эластичность используемого материала позволяет придавать резервуару практически любые изгибы и обеспечить тем самым его плотное прилегание к поверхности практически любого криволинейного профиля.

Передняя поверхность резервуара, обращенная к дезактивируемой поверхности, может быть покрыта слоем 7 клейкого вещества с высокими адгезионными свойствами. Назначение слоя: во-первых, обеспечение более качественного контакта поверхности резервуара с дезактивируемой поверхностью и улучшение тем самым условий последующего создания в последней разрушающих механических напряжений (особенно в случае ее значительной шероховатости), во-вторых, захват и локализация частиц раздробленного материала и предотвращение его разброса и распыления.

В качестве вентилей 2 и 3 могут быть использованы стандартные газовые вентили, например ВК-86, в качестве элемента 4 инициирования детонации - высоковольтный электрический разрядник, например автомобильная свеча зажигания А17ДВ, Ф20Д1 и др.

В качестве материала прижимного экрана 5 предпочтительно использовать сетку из металлической проволоки или синтетических нитей, например капроновых. Может использоваться стальная сетка промышленного изготовления, например арматурная или сетка-рабица. Выполнение экрана из сетки придает ему высокую гибкость и позволяет за счет этого осуществлять надежный прижим резервуара как к плоской поверхности, так и к поверхности сложного профиля. Материалом экрана могут также служить листовой металл, листовая пластмасса, прочная синтетическая, хлопчатобумажная или льняная ткань, например брезент.

Элементами крепления 6 в зависимости от конкретных условий применения устройства могут быть анкеры, анкерные болты, дюбели, вакуумные присосы и другие всевозможные крепежные элементы как индивидуального, так и массового промышленного изготовления.

Работает устройство следующим образом.

Резервуар 1, снабженный газовыми вентилями 2 и 3 и элементом 4 инициирования детонации, со слоем клейкого вещества 7 на передней стенке помещается у дезактивируемой поверхности 8 и фиксируется с помощью прижимного экрана 5 и элементов крепления 6 (фиг. 2).

Через газовый вентиль 2, соединенный посредством дюритового шланга с газовой магистралью или баллоном со сжатым газом, резервуар 1 заполняется под требуемым давлением горючим газом (фиг. 3). Через газовый вентиль 3, соединенный также посредством дюритового шланга с газовой магистралью, баллоном со сжатым газом или воздушным компрессором, резервуар 1 заполняется под требуемым давлением газом-окислителем. Давление газов задается с помощью внешних газовых редукторов и контролируют с помощью газового манометра (не показаны). Суммарное давление газов составляет определенную заданную величину. Последовательность заполнения резервуара 1 газами может быть любой: сперва горючим газом, а затем - газом-окислителем, либо сперва газом-окислителем, а затем - горючим газом.

Прижимной экран 5 прочно удерживает наполненный газами резервуар 1 около дезактивируемой поверхности 8. При этом он выполняет двойную функцию: прижимает резервуар к поверхности и предотвращает его разрыв силой внутреннего давления газов, являясь своего рода дополнительной внешней силовой оболочкой.

После заполнения резервуара 1 газовыми компонентами и получения горючей газовой смеси требуемого состава под требуемым начальным давлением производится инициирование детонации смеси (фиг.4). Для этого на элемент инициирования 4 подается импульс высокого напряжения. Внутри резервуара 1 происходит высоковольтный электрический разряд, возбуждающий детонацию. Горючая газовая смесь претерпевает взрывчатое превращение. Ударная волна через стенку резервуара и слой клейкого вещества 7 воздействует на поверхность 8 и производит сжатие ее материала.

Под действием ударной волны и расширяющихся продуктов взрыва резервуар 1 разрушается. Происходит быстрый спад давления продуктов взрыва. Внутрь поверхности 8 распространяется волна разрежения (фиг.5). В сжатом материале поверхности возникают растягивающие напряжения, примерно равные по абсолютной величине напряжениям сжатия в ударной волне, но имеющим противоположный знак. Происходит дробление материала поверхности и его осыпание.

Часть раздробленного материала захватывается слоем 7 клейкого вещества и тем самым локализуется без разброса и распыления. Весь материал раздробленного и осыпавшегося слоя собирается и удаляется.

В качестве горючего газа в устройстве могут использоваться относительно недорогостоящие водород (H₂), метан (CH₄), ацетилен (C₂H₂), этилен (C₂H₄), пропилен (C₃H₆), пропан (C₃H₈), бутан (C₄H₁₀) и др. В качестве газа-окислителя - кислород или атмосферный воздух. Основанием для выбора тех или иных газов могут служить требуемая калорийность смеси, нетоксичность, доступность приобретения в необходимом количестве и т.п. Для выбранных газов по справочной литературе, например [3], определяется процентное содержание горючего газа в смеси, обеспечивающее ее надежное взрывчатое превращение. Концентрационные пределы взрываемости смеси горючих газов с кислородом или воздухом в настоящее время достаточно хорошо известны. В таблице приведены данные по концентрационным пределам взрываемости для наиболее распространенных горючих газов.

Глубина и интенсивность сжатия материала поверхности зависят от давления в воздействующей ударной волне. Чем больше величина давления, тем более сильное происходит сжатие материала и тем на большую глубину это сжатие распространяется. Соответственно возрастают и интенсивность последующей волны разрежения и глубина ее воздействия на материал. При этом увеличиваются амплитуда растягивающих (разрывающих) механических напряжений внутри материала и толщина слоя материала, подвергнутого этим растягивающим (разрывающим) напряжениям.

Давление же в ударной волне находится в прямой пропорциональной зависимости от начального давления горючей газовой смеси и выражается соотношением [3] где P - давление в ударной волне, P₀ - начальное давление газовой смеси, c₀- скорость звука в газовой смеси в начальном состоянии, D - скорость детонации смеси, ρ_o - начальная плотность газовой смеси, k - отношение теплоемкости газовой смеси при постоянном давлении к теплоемкости газовой смеси при постоянном объеме.

В качестве наглядного примера такого соотношения на фиг. 6 приведен график зависимости давления в ударной волне от начального давления для стехиометрической водородо-кислородной смеси (2H₂ + O₂ - гремучего газа).

Это обстоятельство дает возможность путем простого повышения или понижения начального давления компонентов горючей газовой смеси в резервуаре 1 проводить более эффективную обработку поверхностей в более широком диапазоне прочностных характеристик составляющих ее материалов. При этом существенно расширяется номенклатура обрабатываемых материалов, а глубина обработки в зависимости от материала может достигать единиц сантиметров.

Приготовление горючей газовой смеси, при взрыве которой создаются разрушающие поверхность механические напряжения, производится непосредственно на месте ее применения. Само приготовление смеси, а также доставка и хранение ее компонентов являются сравнительно безопасными процедурами. К тому же сжатые горючие газы, сжатые кислород или воздух имеют относительно невысокую стоимость их производства и содержания. Использование устройства при этом получается достаточно экономичным и безопасным.

Заявляемое техническое решение имеет довольно простую конструкцию, не требует для своей реализации использования дефицитных и/или дорогостоящих материалов, позволяет одновременно с повышением эффективности существенно упростить процесс дезактивации твердых поверхностей, обеспечивает автономность работ. С использованием устройства открывается возможность эффективной дезактивации поверхностей практически любой конфигурации и поверхностей, имеющих значительную площадь и/или протяженность. Расширяется область применения устройства.

По сравнению с известными техническими решениями аналогичного назначения заявляемый объект характеризуется высокими эффективностью и производительностью, не требует проведения опасных подготовительных работ, экологически безвреден, не сопряжен с необходимостью применения громоздкого и дорогостоящего оборудования и может быть использован как в стационарных, так и в полигонных условиях, что делает его более отвечающим условиям высоких технологий.

Литература 1. А.Д.Зимон. Дезактивация. М.: Атомиздат, 1975 г.

2. Патент Российской Федерации N 2025802, кл. G 21 F 9/34, 1991 г. (опубл. 30.12.94, Бюл. N 24) - прототип.

3. К.П.Станюкович. Физика взрыва, изд. 2-е, М.: Наука, 1975 г.

Формула изобретения

1. Устройство для дезактивации твердых поверхностей, содержащее узел создания внутри поверхности разрушающих механических напряжений и приспособление для фиксации узла у поверхности, отличающееся тем, что узел выполнен в виде герметичного тонкостенного резервуара из эластичного материала, снабжен газопроводной арматурой подачи внутрь компонентов горючей газовой смеси и элементом инициирования детонации, а приспособление для фиксации выполнено в виде прилегающего к узлу с тыльной стороны прижимного экрана с расположенными по периферии элементами крепления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прижимной экран выполнен в виде сетки из металлической проволоки или синтетических нитей.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что поверхность резервуара, обращенная к дезактивируемой поверхности, покрыта слоем клейкого вещества.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7