CC BY
90
УДК 621.924
И.А. Скляров, О.В. Захаров
ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ УСТАНОВКИ ДЛЯ АБРАЗИВНО-СТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ
Представлены результаты опытно-промышленных испытаний установки для абразивно-струйной обработки внутренних поверхностей. Проведенные в условиях ОАО «Саратоворгдиагностика» испытания показали, что предварительная абразивно-струйная обработка труб способствует повышению эффективности последующей диагностики дефектов различного характера.
Абразивно-струйная обработка, промышленные испытания, внутренние поверхности, диагностирование, дефектоскопия
I.A. Sklyarov, О^. Zakharov PILOT-SCALE TESTS FOR ABRASIVE BLAST CLEANING UNITS
The paper deals with the results ofpilot-scale testing of units designed for abrasive blast cleaning of interior surfaces. The tests conducted by OAO «Saratovorgdiagnos-tika» shhwed that prr-abbasive blasting of tuubs ennances effectiveness of their subsequent diagnosis for various defects.
Abrasive blast cleaning, pilot-scale testing, internal surfaces, diagnosing, flaw detection
В процессе эксплуатации трубопроводов необходимо проведение периодической диагностики для контроля технического состояния и своевременного устранения дефектов и повреждений, возникающих при эксплуатации или постороннем воздействии. Наиболее эффективным методом контроля технического состояния будет внутритрубная инспекция на основе пропуска внутри трубопровода диагностических снарядов. В качестве диагностического метода в настоящее время используют два метода неразрушающего контроля: ультразвуковой и магнитный [1, 2]. Для труб с внутренним покрытием и защищенными сварными швами применение ультразвукового метода проблематично, так как возникает дополнительное рассеяние и поглощение ультразвукового сигнала на внутреннем покрытии, что снижает точность измерений и затрудняет обработку данных. В зоне сварного соединения при наличии защитной втулки не представляется возможным проконтролировать состояние внутренней поверхности трубы, экранированной защитной втулкой. Поэтому более перспективным следует считать метод магнитной дефектоскопии.
Обязательным условием для запуска снаряда - магнитного дефектоскопа - является очистка и осушка трубы. Для этого применяют предварительный запуск очистного снаряда, в котором реализуется механический способ очистки системой скребков. Однако качество очистки не всегда получается удовлетворительным. В результате эффективность дефектоскопии также снижается. В связи с этим предложено использовать в качестве подготовительной операции абразивно-струйную очистку внутренней поверхности труб.
В настоящее время окончательная обработка преимущественно производится с применением абразивных инструментов или сред. К методам обработки деталей свободным абразивом относят [3]: вибрационную обработку, центробежно-ротационную обработку, струйно-абразивную обработку, турбоабразивную обработку, обработку свободным абразивом, уплотненным инерционными силами, магнитно-абразивное полирование и галтовку. Классифицировать методы обработки свободными абразивами в зависимости технологических параметров можно по ряду признаков: типу абразивной среды, необходимости закрепления заготовок, главному движению, количеству одновременно обрабатываемых заготовок, характеру воздействия инструмента, направлению следов обработки.
Способ объемной центробежно-ротационной обработки [4] заключается в том, что гранулированная обрабатывающая среда и заготовки приводятся во вращение вокруг вертикальной оси таким образом, что приобретает форму тора, в котором частицы движутся по спиральным траекториям. Обрабатываемые заготовки загружаются в рабочую камеру «внавал» и перемещаются вместе с рабочей средой. Съем металла осуществляется за счет относительного перемещения и взаимодействия абразивных гранул и заготовок, смачиваемых жидкостью, непрерывно подаваемой в рабочую камеру.
Одним из перспективных является метод струйно-абразивной обработки, сущность которого заключается в использовании эффекта удара частиц обрабатывающего материала об обрабатываемую поверхность. Физическая картина процесса аналогична изнашиванию материалов, находящихся под действием потока частиц [10-12]. Обладая кинетической энергией и, соударяясь, происходит пластическая деформация элементарных участков и съем некоторых частиц металла. Кроме съема металла с поверхности, наблюдается ее упрочнение и изменение микрогеометрии, а в тонких поверхностных слоях возникают остаточные напряжения сжатия. Другая разновидность метода - турбоабразивная обработка основана на использовании техники псевдоожижения сыпучих материалов и заключается в создании абразивного кипящего (псевдоожиженного) слоя, в который помещают обрабатываемую деталь, задавая в зависимости от ее формы различные виды движения.
Основные параметры, которыми характеризуется абразивно-струйная обработка, следующие: длина струи (расстояние от поверхности до среза); физико-механические свойства и зернистость абразива; сила и скорость соударения (определяемая давлением воздуха); угол, образующийся с обрабатываемой поверхностью; конфигурация сопел.
Методы обработки свободными абразивами имеют общие особенности, основные из которых следующие:
1) отсутствие жесткой кинематической связи инструмента и заготовки;
2) низкотемпературный характер обработки;
3) возможность обработки заготовок сложной формы;
4) «безразмерный» характер обработки;
5) повышение микротвердости поверхностного слоя после обработки.
Основной недостаток абразивно-струйной обработки связан со сложностью технологического процесса. Для того чтобы достичь заданных параметров качества и равномерности, используются специализированные громоздкие аппараты. Также в процессе обработки необходимо участие оператора. Несмотря на указанный недостаток, данный метод позволяет добиться микрорельефа с минимальной шероховатостью и максимальной микротвердостью. Это особенно важно при производстве и обработке изделий, которые работают в условиях высокого давления и ограниченной смазки [5-9]. Под действием большого сжимающего напряжения (от 40 до 500 МПа) поверхность приобретает более высокую усталостную долговечность. На ней не остается грубых неровностей, которые зачастую становятся концентраторами напряжения. Обработанная поверхность обладает шероховатостью Яа от 0,16 до 0,02 мкм. Также абразивно-струйная обработка относится к безразмерным методам, так как не способна изменить линейные размеры и конфигурацию детали.
Обработка внутренних цилиндрических поверхностей имеет ряд сложностей, связанных с ограниченным доступом в зону обработки, а также с обеспечением высокой производительности и экономичности. Предложен способ абразивно-струйной обработки, в котором реализуется постоянная циркуляция абразивной смеси внутри закрытой рабочей зоны. При этом сопла располагают симметрично по центру рабочей зоны (рис. 1). Сжатый воздух в рабочую зону подают через одну из заслонок под давлением через стержень, штуцер и шланг от источника воздуха, например, компрессора. Величину давления сжатого воздуха выбирают в зависимости от диаметра обрабатываемой поверхности и требуемой производительности обработки из диапазона 5-10 ат. Циркуляция абразивно-воздушной смеси внутри герметичной рабочей зоны, возможность изменения давления и применение нескольких сопел для подачи сжатого воздуха под давлением способствуют повышению производительности обработки.
Особенность предложенного способа также заключается в том, что что образование абразивно-воздушной смеси осуществляют непосредственно в рабочей зоне обработки путем смешивания абразивного материала и сжатого воздуха, тем самым предохраняя от изнашивания элементы пескоструйной установки и обеспечивая экономичность обработки.
Рис. 1. Установка для абразивно-струйной обработки
Обработку протяженных цилиндрических поверхностей по всей длине, например, магистральных трубопроводов выполняют перемещением герметичной рабочей зоны вдоль обрабатываемой поверхности. Герметичная рабочая зона образуется конструктивно двумя заслонками круглой формы, жестко насаженными на полый стержень. Сжатый воздух подают под давлением от источника энергии через одну из заслонок. Для обеспечения герметичности рабочей зоны заслонки круглой формы выполняются из эластичного материала или могут быть снабжены уплотнениями по периферии.
Технический результат предложенной схемы абразивной обработки заключается в повышении производительности и экономичности обработки внутренних поверхностей крупногабаритных заготовок за счет создания герметичной рабочей зоны, в которой постоянно циркулирует абразивно-воздушная смесь. Основной проблемой при реализации рассмотренной схемы обработки будет обеспечение заданного объема снимаемого материала в единицу времени. Варьируемыми параметрами, помимо времени обработки, являются давление воздуха и характеристики абразивного материала.
Испытания на стенде ЮКЕД 4.136.013 Ду273 опытного образца устройства для очистки внутренних поверхностей трубы согласно требованиям РД 03-606-03; СНиП 2.05.06-85 проводились в следующей последовательности:
1) определение марки стали и анализ химического состава трубы 0 273 мм для определения твердости металла;
2) измерение твердости металла трубы в зоне прохождения (измерительное оборудование -твердомер динамический малогабаритный ТДМ-3);
3) выявление скрытых дефектов на внутренней поверхности трубы методом визуально-инструментального контроля (ВИК);
4) протяжка дефектоскопа продольного намагничивания МД-273 с целью выявления скрытых дефектов на внутренней поверхности трубы до испытаний;
5) осушка внутренней поверхности трубы сжатым воздухом;
6) прохождение установки для абразивно-струйной обработки;
7) подтверждение скрытых дефектов методом ВИК;
8) измерение твердости металла трубы после прохождения установки для абразивно-струйной обработки;
9) протяжка дефектоскопа продольного намагничивания МД-273 с целью выявления скрытых дефектов на внутренней поверхности трубы после испытаний;
10) анализ данных и выдача заключения о прохождении дефектоскопа продольного намагничивания МД-273 до и после испытаний установки для абразивно-струйной обработки.
Обследовались две сваренные между собой трубы 0 273 мм из стали 20. Труба 1 имела длину 5,09 м с толщиной стенки 9 мм, труба 2 - длину 0,57 м с толщиной стенки 11,6 мм. Диагностическое обследование проводилось снарядом-дефектом с системой продольного намагничивания высокого разрешения для обнаружения и определения размеров дефектов потери металла, трещин любой ориентации в сварных соединениях и металле труб, дефектов сварных швов.
При абразивно-струйной обработке использовался абразивный порошок марки 2 (0,5-3 мм) ТУ 3989-003-82101794-2008 завода игаЮЫТ. Давление, создаваемое компрессором, составляло 5-6 атм. Время
обработки составило 50 с. Проводилось измерение микротвердости в 4 сечениях трубы. Установлено, что после абразивно-струйной обработки микротвердость повысилась в среднем с 138 до 144 НВ.
В результате пропуска снаряда-дефектоскопа и обработки полученной информации на первой трубе были обнаружены следующие дефекты (табл. 1, рис. 2а). На второй трубе дефектов не обнаружено.
Таблица 1
Протокол дефектоскопии трубы до прохождения установки абразивно-струйной обработки
№ в ТМА № трубы Дистанция, мм Наименование дефекта Длина, мм Ширина, мм Тип дефекта Примечание
2 1 5368 мех. повреждение 14 36 наружная
3 1 5696 мех. повреждение 22 63 наружная
4 1 6140 мех. повреждение 24 54 наружная раковина 7 мм
5 1 6720 мех. повреждение 28 54 наружная раковина 3 мм
6 1 7216 мех. повреждение 24 71 наружная раковина 4 мм
Таблица 2
Протокол дефектоскопии трубы после прохождения установки абразивно-струйной обработки
№ в ТМА № трубы Дистанция, мм Наименование дефекта Длина, мм Ширина, мм Тип дефекта Примечание
2 1 5368 мех. повреждение 14 36 наружная
3 1 5696 мех. повреждение 22 63 наружная
4 1 6140 мех. повреждение 24 54 наружная раковина 7 мм
5 1 6720 мех. повреждение 28 54 наружная раковина 3 мм
6 1 7216 мех. повреждение 24 71 наружная раковина 4 мм
7 2 8524 мех. повреждение 30 2 внутренний
б
Рис. 2. Результаты дефектоскопии трубы: а - до прохождения установки абразивно-струйной обработки, б - после прохождения установки абразивно-струйной обработки
После пропуска снаряда дефектоскопа, просмотра и проведения анализа записи была проведена очистка полости трубы установкой абразивно-струйной обработки. Очистные элементы установки выполнены из износостойкого материала и сохраняют работоспособность изделий при проведении очистки внутренней полости трубы в режиме «сухого» трения. После пропуска очистного оборудования был повторно пропущен снаряд-дефектоскоп для подтверждения обнаруженных дефектов,
а также для возможного обнаружения новых дефектов. Результаты пропуска представлены в табл. 2 и на рис. 2б. Из приведенных данных видно, что предварительная очистка позволила повысить качество диагностирования, в результате чего был дополнительно обнаружен внутренний дефект на второй трубе.
Таким образом, качество очистки с помощью установки абразивно-струйной обработки обеспечивает надежность получения диагностической информации, увеличивает качество записи, способствует более точной идентификации дефектов различной природы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Применение электромагнитного акустического метода в практике контроля состояния труб магистральных газопроводов / В.В. Лопатин, С.Э. Попов, В.А. Канайкин, А.Ф. Матвиенко // Дефектоскопия. 2008. № 7. С. 3-11.
2. Гольдштейн А.Е. Метод вихретоковой дефектоскопии прутков и труб на основе использования комбинированного преобразователя с возбуждением разночастотных пространственных компонент магнитного поля / А.Е. Гольдштейн, В.Ф. Булгаков, Х.-М. Кренинг // Дефектоскопия. 2011. № 11. С. 39-47.
3. Повышение эффективности центробежно-ротационной обработки в среде абразива / М.А. Тамаркин, Э.Э. Тищенко, Ю.В. Корольков, О.А. Рожненко // СТИН. 2009. № 2. С. 26-30.
4. Зверовщиков В.З. Повышение эффективности объемной центробежной отделочно-упрочняющей обработки деталей в контейнерах с планетарным вращением / В.З. Зверовщиков, А.Е. Зверовщиков, Е.А. Зверовщиков // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 12. С. 3-7.
5. Иванова Т.Н. Исследование физико-механических свойств стали 8ХФ после высокоскоростного термического процесса / Т.Н. Иванова, В.Б. Дементьев // Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 15. № 4. С. 589-597.
6. Севостьянов А.С. Современное состояние исследований в области нанесения микрорельефа в отечественной науке / А.С. Севостьянов, А.А. Лукьянов, И.Н. Бобровский // Theoretical & Applied Science. 2014. № 10 (18). С. 82-84.
7. Шрубченко И.В. Оптимизация режимов резания для обработки поверхностей качения опор технологических барабанов / И.В. Шрубченко, В.Ю. Рыбалко // Технология машиностроения. 2013. № 8. С. 12-16.
8. Тюрин А.Н. Энергия взаимодействия инструмента и заготовки при суперфинишировании / А Н. Тюрин, А.В. Королев, А.А. Королев // Вестник СГТУ. 2007. Т. 1. № 4. С. 71-80.
9. Новичков С.В. Влияние изменения условий функционирования на эксергетическую эффективность ПГУ - ТЭЦ / С. В. Новичков, Т. И. Попова // Промышленная энергетика. 2011. № 5. С. 35-37.
10. Ghobeity A. An analytical model of the effect of particle size distribution on the surface profile evolution in abrasive jet micromachining / A. Ghobeity, D. Ciampini, M. Papini // Journal of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209. No. 20. P. 6067-6077.
11. D. Waterjet and abrasive wateijet surface treatment of titanium: a comparison of surface texture and residual stress / Arola, ML. McCain, S. Kunaporn, M. Ramulu // Wear. 2002. Vol. 249. P. 943-950.
12. Borkowski P. Abrasive grains distribution in high-pressure abrasive-water jet used for surface treatment / P. Borkowski // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2009. Vol. 9. Issue 3. P. 5-16.
Скляров Игорь Анатольевич - Igor A. Sklyarov -
аспирант кафедры «Проектирование технических Postgraduate
и технологических комплексов» Саратовского Department of Technical
государственного технического университета and Technological Complexes Design
имени Гагарина Ю.А. Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Захаров Олег Владимирович - О^ V. Zakharov -
доктор технических наук, профессор кафедры Dr. Sc., Professor
«Проектирование технических Department of Technical
и технологических комплексов» Саратовского and Technological Complexes Design
государственного технического университета Yuri Gagarin State Technical University of Saratov имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 10.03.15, принята к опубликованию 11.05.15
