4.6 Устройство для нанесения газотермических покрытий

Предлагаемое устройство для на­несения газотермических покрытий, которое может быть использовано для восстановления трубопроводной арматуры газотермическим напылением.

Известна установка для плазменного (газотерми­ческого) напыления шаровых поверхностей, вклю­чающая рабочую камеру, установленные в ней плазмотрон, абразивно-струйный аппарат и механизм перемещения деталей, выполненный в виде установ­ленного на приводном валу основания, связанного посредством штанг и шарниров с держателями дета­лей, взаимодействующими с кольцевыми направ­ляющими, имеющими в зоне действия плазмотрона и абразивно-струйного аппарата винтовую поверх­ность [122].

Недостатком этой установки является его недос­таточная эффективность, связанная с высокой слож­ностью устройства и аппаратуры управления, и большой энергоемкостью.

Известно также устройство для нанесения анти­коррозионных восстановительных (газотермичес­ких) покрытий (газодинамический металлизатор-отбойник), содержащий трехканальный коллектор для транспортирования топлива, дополнительного окислителя и рабочего агента, камеру сгорания, завихритель, кольцевой, радиальный диффузор для подачи топлива в камеру сгорания с обеспечением образования защитной пленки на стенках камеры сгорания за счет закрутки потока воздуха при входе в камеру сгорания, полосу-обойму для напыления через магазин, встроенный на срезе сопла, тугоплав­ких металлов в порошкообразном состоянии через канал коллектора в зону горения камеры сгорания с добавлением окислителя [123].

Недостатком известного устройства также явля­ется его недостаточная эффективность, связанная со сложностью системы подачи металлического по­рошка в зону сгорания топливных компонентов в камере сгорания, в виду низкой теплостойкости по­дающих элементов (патрубков) и необходимости их принудительного охлаждения, а также сложностью подачи расплава через сужающуюся часть сопла, вызывающую налипание его на стенках сопла.

Задачей является создание устрой­ства для нанесения газотермических покрытий, по­зволяющее повысить эффективность процесса. Это достигается тем, что известное устройство для нанесения газотермических покрытий, содер­жащее трехканальный коллектор для транспортиро­вания топлива и окислителя, камеру сгорания, за­канчивающуюся соплом, магазин для металлическо­го порошка, встроенный на срезе сопла, кольцевой диффузор, согласно изобретению, дополнительно снабжено механизмом перемещения обрабатывае­мых деталей, камера сгорания включает газоструй­ную горелку с соплом Лаваля и соединенный с ней цилиндрический насадок, в котором на участке соединения с соплом газоструйной горелки выполнены отверстия для соединения полости насадка с магази­ном, а кольцевой диффузор выполнен в виде перфо­рированной перегородки и расположен внутри ци­линдрического насадка, при этом механизм переме­щения деталей расположен снаружи, на выходе из камеры сгорания [124].

Технический результат обеспечивается конст­рукцией камеры сгорания. Общий вид предлагаемо­го устройства для нанесения газотермических по­крытий схематически представлен на рисунке 4.20.

Предлагаемое устройство содержит камеру сгорания 1, заканчивающуюся соплом (на чертеже не показано), включает газоструйную горелку 2 и соединенный с ней цилиндрический насадок 3, в котором на участке соединения с соплом газоструйной горелки 6 вы­полнены отверстия 8 для соединения полости насад­ка 3 с магазином (на чертеже не показан) для напы­ления через него в насадок 3 металлического по­рошка, трехканальный коллектор 4, кольцевой диф­фузор 10 и механизм перемещения обрабатываемых деталей 5, коллектор 4 для подачи горючего и окислителя введен в газоструйную горелку 2.

Кольцевой диффузор 10 выполнен в виде перфо­рированной перегородки с шероховатой поверхно­стью и расположен внутри цилиндрического насадка 3 с равноудаленными на длину L относительно среза 7 сопла б наклонными под углом к оси насадка 3 отверстиями 9 для подачи дополнительного окисли­теля. Механизм 5 перемещения деталей 11 расположен снаружи, на выходе из камеры сгорания 1.

Рисунок 4.20 - Устройство для нанесения газотермических покрытий

Устройство при подаче топливных компонентов (углеводородное горючее: бензин, керосин, соляро­вое масло, пропан) через трехканальный коллектор 4 в горелку 2 камеры сгорания 1 происходит их под­жог от факела или электрической свечи. Образовав­шиеся при этом газообразные продукты сгорания, имеющие высокую температуру (2500 °С) через со­пло 6 истекают в цилиндрический насадок 3 с высо­кой скоростью (порядка 2000 м/сек).

Одновременно в истекающую из горелки 2 высо­котемпературную газовую струю через отверстия 8, соединенные с магазином (на чертеже не показан) подается металлический порошок, который при движении в струе разогревается до пластического состояния, и дополнительный окислитель (окружаю­щий воздух из атмосферы), который поступает во встречном направлении в цилиндрический насадок 3 через отверстия 9 и диффузор 10.

При этом транспортировка порошкового мате­риала производится также во встречном направле­нии движения дополнительного окислителя, через диффузор 10, во фронте ударной волны, созданном в потоке газа за счет ударного импульса с образовани­ем мощного скачка уплотнения при встрече с шероховатой поверхностью диффузора 10, который, дви­гаясь навстречу газовому потоку, уравновешивается скоростью набегания потока и устанавливается на длине L₁ относительно диффузора 10.

Газовый поток, несущий металлический порошок и несгоревшее горючее, из горелки 2 поступает в стационарную ударную волну и с высокой скоро­стью поддерживает сгорание в ней горючего. Бы­строе догорание - топливных компонентов и расплавление металлического порошка происходит за счет дополнительного окислителя в скачке уплотне­ния (L₁). Вновь образовавшаяся таким образом за фрон­том ударной волны (на длине) газовая струя, не­сущая металлический порошок, разгоняется в ци­линдрической насадке 3 и с большой скоростью (2000…2500 м/сек) направляется на поверхность об­рабатываемых деталей 11 (трубопроводная армату­ра: шаровая поверхность клапанов, затворов). Вра­щение и поворот деталей 11 осуществляется меха­низмом 5, который обеспечивает равное расстояние от сопла, расположенного на выходе камеры сгора­ния 1 (на чертеже не показано) до обрабатываемой поверхности деталей 11 в процессе их ориентации.

Эффективность процесса нанесения покрытия обеспечивается высокой адгезией наносимого по­рошкового материала к обрабатываемой поверхно­сти за счет повышения температуры расплава и ско­рости его транспортировки на поверхность обработ­ки, обеспечиваемых выполнением конструкции ка­меры сгорания.

Таким образом, предлагаемое устройство для на­несения газотермических покрытий позволяет повы­сить эффективность процесса обработки

Анализ результатов диагностирования защитных покрытий шаровых кранов

При анализе результатов диагностирования защитных покрытий шаровых кранов отдельно рассматриваются следующие зоны по сечениям:

корпус шарового крана (зона 1);

присоединяемые патрубки (зона 2)

особые конструктивные зоны (опоры корпуса, транспортировочные проушины) (рисунок 3.32)

Измерения проводились не во всех точках контрольных сечений из-за особенностей хранения и геометрии изделий (см. рисунки 3.21, 3.22, 3.33).

Рисунок 3.32 Особые конструктивные зоны шаровых кранов

а, б, в дефекты покрытия, фиксируемые визуально

Рисунок 3.33 Характерные недоступные для контроля зоны шаровых кранов

а, б, в локальные участи покрытия, в которых не были проведены измерения

По результатам измерений установлено, что на корпусе кранов наблюдаются наплывы покрытия в следующих зонах: верхняя и нижняя части корпуса; участки присоединения опор и иных выступающих частей (см. рисунок 3.32, а).

При этом толщина покрытия в некоторых зонах доходит до 12 мм. Так как коэффициент вариации составляет V≈33 %, то значительная доля площади поверхности покрытия имеет толщину, не соответствующую оптимальному диапазону значений (рисунок 3.34)

Рисунок 3.34 Распределение слоя покрытия по поверхности корпуса кран

Установлено, что на присоединяемых патрубках кранов наплывы наблю- даются главным образом в зоне стыка патрубка и корпуса, так как в этом месте присутствует вогнутый участок, в который и стекает покрытие при нанесении (см. рисунок 3.32, в). Так как коэффициент вариации составляет V≈33 %, то значительная доля площади поверхности покрытия имеет толщину, не соответствующую оптимальному диапазону значений. Недостаточная толщина покрытия наблюдалась только на присоединяемых патрубках крана № 1 и составила 2,9 % от измеренных значений (рисунок 3.35).

По результатам измерений установлено, что на всех обследованных кра- нах в местах присоединения опор корпуса наблюдались наплывы покрытия (рисунок 3.36 а г).

Так как коэффициент вариации составляет V≈17 %, то должна присутствовать равномерность толщины покрытия и наблюдаться незначительное количество наплывов. Однако значительная доля площади поверхности покрытия имеет толщину не соответствующую оптимальному диапазону значений. В хо- де анализа (см. главу 1) было установлено, что на опоры корпуса (которые являются ребрами жесткости и, как следствие, имеют недостаточную толщину покрытия) наносятся дополнительные слои покрытия с целью увеличения его общей толщины до оптимальных значений. Поэтому, в местах, расположенных в окрестности опор (зона 3), образовались наплывы.

Наплывы расположены около проушин и ориентированы поперек (рису- нок 3.37, а, рисунок 3.38). За проушиной образуется теневая зона с недостаточной толщиной покрытия (меньше оптимального диапазона значений) (см. рису- нок 3.32, в). Однако из-за сквозного отверстия (конструктивная особенность) при нанесении покрытия в теневой зоне наблюдается участок поверхности покрытия с оптимальным значением толщины (рисунок 3.37, б).

Коэффициент вариации составляет V≈25 %, то некоторая доля площади поверхности покрытия имеет толщину, не соответствующую оптимальному диапазону значений. Количество зон в области проушин, характеризуемых недостаточной толщиной покрытия для каждого изделия, составило: кран № 2 0,8 %; кран № 3 0,25 %; кран № 4 0,25 %.

Рисунок 3.37 Особенности распространения наплывов вокруг проушин

а) расположение наплывов около проушины; б) теневая зона

Для всех шаровых кранов неоднородность толщины покрытия примерно одинакова и составляет 31 %. Поэтому, в целом наблюдается недостаточная равно- мерность нанесения покрытия, процесс нанесения требует дополнительных техно- логических улучшений. Качество равномерности нанесения покрытия можно характеризовать как удовлетворительное.

На всех контролируемых изделиях толщина покрытия почти соответствует техническим требованиям (не менее 2 мм). Участков с недостаточной толщиной покрытия было зафиксировано малое количество от измеренных значений и соответственно изделия составило: кран № 1 0,3 %; кран № 2 0,4 %; кран № 3 0,1 %; кран № 4 0,1 %.

На рисунке 3.39 и в таблице 3.8 представлены итоговые гистограммы распределения толщины покрытия и ее статистические характеристики для каждой зоны кранов.

Таким образом, во всех исследуемых зонах поверхности покрытия шаровых кранов наблюдается значительное отклонение толщины покрытия от оптимального значения (наибольшее наблюдается в зоне опор корпуса и составляет 99 %). Во всех зонах покрытие было нанесено неравномерно, о чем свидетельствует высокое значение коэффициента вариации. Неравномерность является следствием большого количества экранирующих элементов, расположенных по телу корпуса крана.

Рисунок 3.39 Статистические характеристики толщины покрытия кранов: а) зона №1; б) зона № 2; в) зона № 3; г) зона № 4

Таблица 3.8 Основные статистические характеристики толщины покрытия шаровых кранов

Статистический параметр	Корпус крана	Присоединяемые патрубки	Транспортировочные проушины	Опоры корпуса
Среднее, мм	5,01	4,74	6,75	4,15
Медиана, мм	4,78	4,41	6,70	4,05
Мода, мм	4,08	4,13	8,00	4,01
Стандартное отклонение, мм	1,61	1,58	1,21	1,06
Дисперсия выборки, мм2	2,58	2,49	1,46	1,13
Эксцесс	1,03	0,79	-0,35	0,39
Асимметричность	0,84	0,77	0,14	0,61
Минимум, мм	2,06	1,21	3,54	1,86
Максимум, мм	12,08	12,10	10,47	8,55
Коэффициент вариации, %	32,04	33,29	17,89	25,63