Проблемы создания оборудования водяных струйных технологий

ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ВОДЯНЫХ СТРУЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В.П. Бочаров д-р.техн.наук;

В.Н. Бадах канд.техн.наук;

В.В. Бочаров

Водоструйная и водоабразивная техника высокого давления наибольшее развитие и применение получила в последние 15-20 лет, хотя отдельные удачные примеры использования силового воздействия водяной струи имели место в разных странах еще в конце 19 и начале 20 столетий. В самостоятельное направление водоструйная техника выделилась в 60-е годы прошлого столетия, когда определились области ее эффективного применения, а успехи в уплотнительной технике и конструкционных материалах позволили создать водяные насосы с рабочим давлением от 400 до 3000 бар. Указанный диапазон давлений дает возможность решать весь комплекс технологических задач, включая высокопроизводительную мойку без использования моющих средств и химпрепаратов, очистку от любых типов загрязнений, отложений, битума, старой краски, ржавчины, а также удаление поверхностных слоев металла, гранита, бетона, строительного камня и пр.

С помощью вводимого в струю абразива может осуществляться резка металлических конструкций, железобетона и прочих строительных материалов, исключающая при этом температурные деформации, трещины, прижиги и локальные изменения прочностных свойств.

Области практического приложения водоабразивной техники постоянно расширяются, проникая в медицину, лёгкую и пищевую промышленности и другие отрасли, в частности те, которые связаны с повышенной опасностью взрыва или пожара. Признанными лидерами в области водоструйной техники являются известные немецкие фирмы HAMMELMAN и VOMA, а также американские - AQUA-DYNE и INGERSOL RAND, которые предлагают потребителю весь известный на сегодня спектр водоструйного оборудования и рабочего инструмента к нему с услугами по его адаптации применительно к ТЗ заказчика.

На рынках стран СНГ, в том числе Украины, водоструйная техника представлена в основном оборудованием промышленного назначения фирм HAMMELMAN и VOMA, положительно зарекомендовавшим себя ещё во времена СССР, и маломощным оборудованием десятка других мелких фирм типа KARSHER, ECONOMOS, WEINDNER, WAP и других менее известных фирм, продукция которых скорее тяготеет к категории оборудования бытового назначения.

По существу, это два разных класса оборудования с отличающимися более чем на порядок показателями производительности, ресурса и, соответственно, стоимости.

Постановка задачи. Мировой опыт свидетельствует, что при выполнении ремонтных и реставрационных работ на транспорте, в энергетике, коммунальном хозяйстве, нефтегазовом комплексе и других отраслях водоабразивная техника незаменима. Тем не менее и в бывшем СССР, и теперь в странах СНГ её разработкам и производству должного внимания не уделялось и не уделяется. В связи с этим возникла необходимость в разработке оборудования водяных струйных технологий мирового уровня, позволяющего решать указанные задачи.

Результаты работы. Опыт, накопленный в области водоабразивных технологий, научно-исследовательской лабораторией кафедры гидрогазовых систем летательных аппаратов Национального авиационного университета, позволил в 1997 г. приступить к созданию аналогичного отечественного оборудования. В результате на базе НИР и ОКР, выполненных лабораторией совместно с рядом заводов, были созданы 2 модели мобильного водоабразивного оборудования: установки ОРСТ 1/40Е с электроприводом на 15 кВт давлением 400 бар и ОРСТ 5/63Д с дизельным приводом на 103 кВт с давлением 630 бар [1].

Общий вид указанных установок представлен на рисунке 1. Обе установки смонтированы в закрытых капотами автоприцепах со стандартным буксирующим устройством, оборудованы соответствующей световой сигнализацией, тормозными устройствами и могут быть развернуты из транспортного положения в рабочее в течение 10-15 мин. Установки выпускаются малыми сериями по мере поступления заказов. Их отличительными особенностями, наряду с высокими техническими характеристиками, являются в 2,5-3 раза меньшая стоимость, чем стоимость зарубежных аналогов и оснащение комплектующими отечественного производства.

Рисунок 1 - Многофункциональные водоструйные установки: а) - ОРСТ 1/40Е; б) - ОРСТ 5/63Д

Гидравлические схемы обеих установок в принципе аналогичны и отличаются только характеристиками агрегатов и узлов, из которых они комплектуются. На рис. 2 показана принципиальная гидравлическая схема установки ОРСТ 5/63Д, которая особых пояснений для специалистов не требует. Особенностью её является наличие двух контуров циркуляции воды. Первый - это низконапорный контур системы водоподготовки с насосом подкачки и фильтрами грубой и тонкой очистки, а также с отбором воды на охлаждение уплотнительных узлов штоков насоса высокого давления. Второй контур относится к высоконапорному участку гидросистемы и включает регулятор давления с гидропистолетом и рукавом высокого давления. Комплект рабочего инструмента собственной разработки, представленный на рис. 3, включает гидропистолет 1, удлинительную штангу 2 и набор сменных устройств в виде роторной головки 3, водоабразивного эжектора 4, шланга 5 из ПВХ для подачи абразива в эжектор, всасывающего устройства 6, переходника-держателя 7 для моносопел - круглого 8 и плоского 9.

Рисунок 2 - Гидравлическая схема установки ОРСТ 5/63Д: 1 - всасывающий рукав; 2 - быстроразъемное соединение; 3 - фильтр грубой очистки; 4 - насос подкачки; 5 - фильтр тонкой очистки; 6,9,14 - манометры; 7 - насос высокого давления; 8 - регулятор давления; 10 - рукав высокого давления; 11 - гидропистолет; 12 - рабочий инструмент; 13 - редуктор; 15 - термометр; 16 - радиатор системы охлаждения; 17 - гидрораспределитель; 18 - сливной рукав

Роторная головка предназначена для высокопроизводительной мойки и очистки протяженных поверхностей произвольной конфигурации. Она приводится во вращение реактивным моментом от истекающих струй.

Рисунок 3 - Рабочий инструмент

Предусмотрена бесступенчатая регулировка частоты вращения роторной головки. Эффект от применения достигается за счет многократного циклического воздействия струи на обрабатываемую поверхность, при этом легко удаляются грязь, краска, битум, изоляция, смолы, консервирующие смазки и т.п.

Круглое моносопло обеспечивает наибольшее силовое воздействие на обрабатываемую поверхность и предназначено для удаления таких технологических загрязнений и отложений, которые не поддаются воздействию роторной головки, а также для очистки труднодоступных углублений и пазух, резки кирпича, асфальта, бетона и т.п.

Плоское моносопло дает широкий плоский факел истекающей жидкости и применяется для удаления легкосмываемых загрязнений и быстрой очистки больших площадей от мусора и посторонних предметов.

Водоабразивный эжектор предназначен для повышения эффективности процесса очистки и, как следствие, производительности посредством ввода в струю абразива в виде песка, корунда, крошки или любого другого сыпучего материала, что дает возможность быстро и полностью удалять с поверхности ржавчину, нагар, лакокрасочные покрытия и отложения любой физической природы и химического состава, а также поверхностные слои металла, бетона, гранита, облицовочной плитки и т.п., при этом предусмотрена плавная регулировка расхода абразива в зависимости от вида работ.

Рисунок 4 - Очистка трубопровода от старого изоляционного покрытия

Созданное водоабразивное оборудование апробировано на очистке от битума, изоляции, краски и ржавчины крупногабаритных контейнеров и металлоконструкций, сварных швов, емкостей для хранения нефти на 20 и 50 тыс. тонн и трубопроводов для ее перекачки - рис. 4, санации железобетонных конструкций, транспортных сооружений и дорожных развязок, а также на очистке до чистого металла строительно-дорожной техники, тяжелых гусеничных машин.

Установка ОРСТ 5/63 стала базовой при проверке основных технических решений и отработке технологических приемов работы на ней.

В процессе создания и доводки установки был решен ряд научно-технических проблем. Одной из первых на повестке дня оказалась проблема очистки больших количеств технической воды, поступающей в насос высокого давления. Требуемая для обеспечения технического ресурса насоса степень очистки воды должна быть на уровне 15-20 мкм. Имеющиеся на рынке фильтры тонкой очистки обеспечивают и более высокий уровень очистки, но, к сожалению, их фильтроэлементов хватает в лучшем случае на 2-3 дня работы, а в худшем на - несколько часов.

Учитывая достаточно высокую стоимость фильтроэлементов и в этой связи существенное возрастание эксплуатационных расходов сотрудниками лаборатории был разработан многократно восстанавливаемый полимербетонный фильтроэлемент, стоимость которого при той же степени очистки на порядок меньше имеющихся в продаже. Разработаны также оснастка и технология изготовления фильтроэлементов. Очень серьёзной проблемой оказалась кавитационная эрозия проточной части агрегатов, работающих с большими перепадами давления. Полностью исключить указанное явление невозможно, можно лишь ослабить его последствия посредством соответствующих конструктивных решений, подбора материалов и оптимизации параметров всех компонентов участка высокого давления установки.

В ряду этих же проблем находится форсированный абразивный износ фокусирующего сопла водоабразивного эжектора, через которое со скоростью, близкой к скорости звука или больший, выбрасывается трехкомпонентная смесь воздуха, воды и абразива. Любые специальные стали и сплавы выдерживают от 0,5 до 1-2 часов работы. Решение было найдено с помощью сопла из карбида бора, изготовленного по технологии Института сверхтвердых материалов НАН Украины.

Важным фактором, определяющим производительность установки, оказалась стабильность подачи абразива в эжектор. Дело в том, что абразив, входящий под углом в эжектор, при соединении с водой имеет скорость, на порядок меньшую скорости воды, и в этой связи подтормаживает ее, отклоняя на некоторый угол струю, истекающую из разгонного сопла. В результате обратные потоки воды затапливают свободное пространство эжектора, что нарушает его стабильную работу. Исследования взаимодействия струи с абразивом, проведенные сотрудниками лаборатории, позволили найти техническое решение, исключающее упомянутое нарушение нормальной работы эжектора.

Также было установлено, что абразив может быть введен в струю в виде взвеси, содержащейся в жидкости, которая подается из отдельной емкости. Такая необходимость возникает, например, при решении такой задачи, как удаление нагара с лопаток турбины авиадвигателя.

Следующим важным моментом, который потребовал серьезных усилий, стало проектирование регулятора давления установки. В соответствии с техническим паспортом на насос завод-изготовитель не гарантирует заявленный ресурс насоса высокого давления в случае систематических резких колебаний давления нагрузки. В этой связи допустимое перерегулирование регулятора давления было задано на уровне 3 % во всем диапазоне расходов, что сразу поставило на повестку дня проблему динамической устойчивости системы. При неизбежных в процессе работы резких «открытиях - закрытиях» гидропистолета возможны значительные забросы давления, которые провоцируют режим автоколебаний.

Эта проблема решалась двумя путями: с помощью двухкаскадного регулятора с демпфером для установки ОРСТ 5/63 Д и посредством однокаскадного дифференциального регулятора с повышенной зоной нечувствительности для установки ОРСТ 1/40 Е (последнее непринципиально для данного применения).

Весьма существенным лимитирующим фактором оказался высокий уровень пульсаций давления трехплунжерного насоса, который обострил проблему усталостной прочности всех компонентов участка высокого давления. В итоге пришлось пересмотреть их конструкцию и отказаться от всех сварных деталей, поскольку все они разрушались в течение нескольких часов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В заключение можно констатировать, что опыт создания и эксплуатации подтвердил правильность основных технических решений установок типа ОРСТ. Дальнейшие усилия разработчиков в настоящее время направлены на повышение производительности установок и расширение области их применения посредством создания новых видов специнструмента.

The problems of creation of the water-jet technologies equipment and its its industrial applications are outlined in the paper.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бочаров В.П., Бадах В.Н., Бочаров В.В. Мобильные установки для гидроабразивной очистки // Техника городского хозяйства: Издательский центр «Техинформ МАИ». - Москва. - №2, 2001.