Нанесение покрытий на внутреннюю поверхность трубы методом управляемого слива

Полный текст

Статья посвящена разработке нового метода нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы, который позволяет автоматизировать процесс, улучшить равномерность толщины наносимого материала по всей длине трубы и снизить количество брака, возникающего при применении известных методов. Известны методы и устройства нанесения покрытий, осуществляющиеся пульверизацией из движущейся относительно трубы форсунки с последующей сушкой и отжигом эмали в печах [1]. Недостатками этого метода являются проблемы, связанные с неравномерностью распыления материала покрытия с помощью форсунок, а также их быстрое засорение в случае использования вязких жидкостей. Также известен метод, в котором нанесение материала осуществляется погружением трубы в жидкий материал с последующим стеканием его излишков, сушкой и отжигом [2]. При таком методе нанесения возникает неравномерность толщины покрытия, связанная с нестабильной скоростью стекания материала с поверхности трубы в процессе вынимания ее из емкости. Предлагаемый метод основан на регулируемом сливе материала покрытия из полости трубы и решает задачу повышения равномерности толщины покрытия по всей ее длине. Основной идеей метода является управляемый слив жидкого материала покрытия из полости трубы. Сущность метода поясняется рис. 1, где изображена структурная схема системы [3]. Толщина и равномерность покрытия зависят от скорости и стабильности движения материала и его температуры в полости трубы. В ОАО «Уральский институт металлов» разработаны таблицы зависимостей толщины покрытия от скорости движения материала для разных видов труб и покрытий [4]. Эта зависимость в общем виде может быть представлена функцией , где D - толщина покрытия, V - скорость движения материала в полости трубы, T - температура наносимого материала. Таким образом, основной задачей является стабилизация скорости движения материала. Работа системы заключается в том, что перед началом процесса нанесения покрытия через вентиль 5 в трубу закачивается материал наносимого покрытия, после этого вентиль 5 закрывается и начинается управляемый слив через шланговую задвижку 6. С помощью датчиков уровня 1 и 3 осуществляется измерение текущего значения уровня материала в трубе. По команде с микропроцессорного устройства обработки информации и управления 4 электромеханический привод 7 изменяет пропускную способность шланговой задвижки 6 таким образом, чтобы скорость движения материала оставалась постоянной. Целью регулирования является поддержание постоянной скорости движения материала покрытия в полости трубы, что, в свою очередь, обеспечивает равномерность пленки покрытия по всей ее длине. Рис. 1. Структурная схема системы нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы: 1 - акустический датчик уровня материала в трубе; 2 - обрабатываемая труба; 3 - гидростатический датчик уровня материала в трубе; 4 - микропроцессорное устройство обработки информации и управления; 5 - впускной вентиль; 6 - шланговая задвижка; 7 - электромеханический привод Математическое описание процесса слива жидкости из вертикальной трубы определяется уравнением механического движения тела переменной массы под действием внешних сил, которое в итоге выражается формулой [5] , (1) где g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного падения; ηк - кинематическая вязкость [м2/с]; KЭ - эквивалентная абсолютная шероховатость (определяется из таблиц); - пропускная способность шланговой задвижки, выраженная в процентах открытия пропускного отверстия; - коэффициент поправки на конструкционные особенности сливной задвижки; r0 - радиус открытого сливного отверстия; R - радиус покрываемой трубы; k - коэффициент, учитывающий сопротивление движению шликера после сливной задвижки и определяемый экспериментально [1/м]. Уравнение (1) решено методом конечных разностей в программе Mathcad при следующих параметрах трубы и материала покрытия: KЭ = 10-8 [м], R = 0,1 [м], r0 = 0,02 [м], ηк = 10-5 [м2/с]. Зависимости скорости от высоты при разных пропускных способностях шланговой задвижки по уравнению (1) представлены на рис. 2. Рис. 2. Графики зависимости скорости от высоты при разных пропускных способностях шланговой задвижки Реальные технологические режимы нанесения покрытий ограничиваются скоростями от 0,05 до 0,5 [м/с]. Полученные решения хорошо согласуются с известными теоретическими данными о свободном сливе жидкости из резервуаров, в частности при отсутствии сопротивления стенок; скорость определяется по известной формуле Торричелли [6]. Полученная математическая модель позволяет численно определить закон изменения пропускной способности шланговой задвижки в зависимости от высоты столба жидкости, обеспечивающий стабильную скорость движения материала (рис. 3). Рис. 3. Закон управления пропускной способностью шланговой задвижки в зависимости от высоты столба жидкости, обеспечивающий стабильную заданную скорость слива V Полученная математическая модель позволяет определить алгоритм управления пропускной способностью шланговой задвижки. Использование разработанной системы позволяет достичь неравномерности покрытия на внутренней поверхности трубы ±5 % по толщине. Помимо улучшения равномерности покрытия внедрение разработанного метода дает повышение производительности и культуры труда, уменьшение числа обслуживающего персонала, значительный экономический эффект. Разработанный метод лег в основу создания системы управления нанесением покрытия на внутреннюю поверхность труб [7].

Об авторах

Борис Владимирович Скворцов

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

(д.т.н., проф.), научный руководитель НИЛ «Аналитические приборы и системы» Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

Маргарита Игоревна Зарецкая

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

младший научный сотрудник НИЛ «Аналитические приборы и системы» Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

Список литературы

Дополнительные файлы