Способ теплоэрозионной резки

 

Использование: подводно-технические и ремонтно-спасательные работы при утилизации крупногабаритных объектов в нефтедобывающей промышленности. Сущность изобретения: при резке на изделие воздействуют струей продуктов сгорания твердого топлива, которое содержит порошки Al, Fe и/или Ni с суммарным содержанием металлических порошков 20-30% и размером частиц 50-250 мкм, при этом продукты сгорания разгоняют до сверхзвуковых скоростей. Способ позволяет увеличить скорость резки и повысить качество реза.

Изобретение относится к отраслям промышленности, связанным с резкой и перфорацией металлических и неметаллических конструкций, при проведении подводно-технических и ремонтно-спасательных работ, при утилизации крупногабаритных объектов, в нефтедобывающей промышленности при перфорации скважинных стволов, в стройиндустрии и др.

Однако использование известных в настоящее время традиционных способов резки материалов связано с рядом трудностей. Так, область применения механических методов на основе, например, шарнирно закрепленных резцов или рычагов-райберов довольно ограничена и они не могут обеспечить высокую производительность.

Методы, основанные на применении кумулятивных и пулевых перфораторов и пробойников, использующих энергию взрыва, вызывают значительное разрушение конструкций.

Электрохимические способы резки и перфорации технологически сложны и требуют наличия мощного источника напряжения.

Достаточно эффективным, в частности для неметаллических материалов, является метод гидроабразивной резк. Однако применение его на практике связано с рядом трудностей таких, например, как введение абразива в тонкую струю жидкости, создание высокого давления истечения (40-100 МПа), которое затруднено из-за отсутствия специального оборудования и низкой надежности систем уплотнения, а также значительное (≈ в 30 раз) увеличение затрат.

Необходимо отметить, что применение всех вышеуказанных методов при резке неметаллических материалов и в условиях, существенно осложненных по сравнению с атмосферными, в частности под водой, значительно ограничивает область их применения.

К химическим способам резки относится кислородная резка, основанная на интенсивном окислении и сгорании металла в струе технически чистого кислорода. Кислородная резка представляет совокупность следующих процессов: нагрев металла до температуры воспламенения, сгорание металла в струе кислорода, удаление расплавленного шлака из полости реза. Однако данный способ технически сложен и невозможен при использовании под давлением и в водной среде. К тому же, цветные металлы и их сплавы, а также неметаллические материалы, обладающие высокими физико-механическими свойствами, не поддаются кислородной резке.

Наиболее близким к заявляемому является способ резки материалов и конструкций, реализованный в устройствах, в котором на материал воздействуют высокотемпературной газовой струей продуктов сгорания твердого топлива, истекающей из сопла с высокой скоростью. Используемое в прототипе твердое топливо содержит смесь частиц магния, алюминия, графита и при сгорании образует высокотемпературные газообразные продукты, истекающие из сопла с высокой скоростью. Включение частиц металлов и графита в состав топлива обуславливает высокие энергетические характеристики продуктов сгорания, в основном, их температуру.

В смесевых ракетных топливах широко применяются тонкодисперсные порошки металлов, например алюминия, диаметр частиц которых не превышает 10 мкм, а концентрация 18% Такой малый размер частиц и концентраций выбирается из условий полного сгорания металла с целью получения наиболее высоких температур продуктов сгорания, которые обеспечивают максимально высокий удельный импульс топлива. Сгоревшие частицы металлов содержатся в продуктах сгорания в виде их окислов в жидком состоянии и имеют размер 4-7 мкм, определяемый числом Вебера. Концентрация этих частиц обычно составляет 35-40% Иногда в топливо вводят частицы окислов металлов, например МgO, размером 5-10 мкм в количестве 1-2% которые служат стабилизации процесса горения.

В прототипе для прожигания стальной пластины использовался состав из: 9,8 г порошка магния, 9,8 г порошка алюминия, 30,5 г BaNO₃, 1,8 г нитроцеллюлозы, 1,0 г графита, в котором содержание частиц металла составляет примерно 37% Такое топливо создает продукты сгорания высокой температуры с содержанием мелких жидких частиц окислов металлов при их концентрации до 60% Механизм разрушения струей подобных продуктов сгорания, истекающих из дозвукового сопла основан на высокотемпературном воздействии, приводящем к плавлению разрушаемой поверхности. Воздействие усиливается возможным при дозвуковых скоростях натекания налипанием жидких частиц на поверхность. В результате форма кромки разрезаемой конструкции получается рваной, требующей чистовой обработки.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что в качестве режущей струи используется высокотемпературный сверхзвуковой поток продуктов сгорания твердого топлива, содержащего 20-30% твердых частиц металлов или их окислов диаметром 50-250 мкм.

Топлива, содержащие такие частицы, используются для пиротехнических целей. Физическое состояние материала частиц в струе продуктов сгорания определяется тепловыми условиями в камере сгорания, теплофизическими свойствами материала частиц и временем нахождения частиц в камере сгорания. При сверхзвуковом разгоне в сопле статическая температура газа столь быстро падает, что в сверхзвуковой части сопла частицы не только не нагреваются, но даже остывают. Оценки показывают, что время, в течение которого частица нагревается, измеряется десятками микросекунд. В течение такого времени крупные частицы не успевают не только расплавиться, но даже окислиться. Размеры и концентрация частиц в потоке остаются такими же, как и в топливе. Нижний предел размера частиц, который позволяет частицам оставаться в твердом состоянии 50 мкм.

Воздействие сверхзвуковой струи продуктов сгорания, содержащих твердые частицы, на поверхность приводит к ее нагреву, который усиливается наличием частиц. Усиление теплообмена возможно до 10 раз даже при содержании твердых частиц в потоке 1-2% Но этот процесс не основной в разрушении преграды. Основным процессом является механическое разрушение при высокоскоростном ударе частиц о поверхность. При этом кромка реза получается достаточно ровной, чтобы использовать ее для сварочных работ. Интенсивность такого разрушения зависит от кинетической энергии падающих частиц, т.е. от квадрата скорости их соударения. Именно поэтому необходимо разгонять частицы до сверхзвуковых скоростей. Но чем крупнее частица, тем сложнее разогнать ее газодинамическим методом в сверхзвуковом сопле. Верхним пределом размера частиц, который позволят разгонять их до сверхзвуковых скоростей, является 250 мкм.

Концентрация частиц с одной стороны желательна наибольшая, так как в кинетическую энергию потока частиц помимо квадрата их скорости входит поток массы этих частиц, но, с другой стороны, при превышении концентрацией определенного предела проявляется эффект экранирования поверхности отскочившими и выбитыми из поверхности частицами. Именно этими соображениями ограничен диапазон концентраций частиц в потоке продуктов сгорания.

Отработка предлагаемого способа проводилась на высокотемпературных высокоскоростных газодинамических стендах на основе электродуговых нагревателей газа и газогенераторов на твердом топливе. Стенды моделируют как условия работы на воздухе, так и под водой при давлениях до 25 МПа. При этом давление в газогенераторе изменялось от 10 до 50 МПа. Использовались топлива, в которых концентрация частиц металла (алюминий, железо, никель) изменялась от 2,2 до 32% Размеры частиц варьировались от 20 до 400 мкм.

Испытания показали следующее. При малых размерах частиц металла в составе топлива происходит их окисление и плавление. В результате на поверхность преграды воздействует струя газа, содержащая пары металла или продукты его сгорания и интенсивность разрушения преграды падает. При значительных размерах частиц (больше 250 мкм) не достигается достаточная скорость разгона частиц и интенсивность разрушения также падает. Концентрации частиц металла в топливе более 30% и их размерах до 250 мкм характеризуются неустойчивым горением. Наиболее оптимальные режущие свойства струи проявляются при размерах частиц металла 50-250 мкм и их концентрациях 20-30%

Формула изобретения

Способ теплоэрозионной резки, при котором на разрезаемое изделие воздействуют струей продуктов сгорания твердого топлива, содержащего порошок Al, отличающийся тем, что используют твердое топливо, которое дополнительно содержит порошки Fe и/или NiO с суммарным содержанием металлических порошков 20 30% и размером частиц 50 250 мкм, при этом продукты сгорания разгоняют до сверхзвуковых скоростей.