Устройства систем управления нанесением покрытий на внутреннюю поверхность труб тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Зарецкая, Маргарита Игоревна

• Зарецкая, Маргарита Игоревна
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зарецкая, Маргарита Игоревна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЬ ТРУБ

1.1 Обзор покрытий, используемых при изоляции труб и методы контроля их качества

1.2 Аналитический обзор методов и устройств управления нанесением покрытий на поверхность труб

1.3 Требования к современным устройствам управления процессом нанесения покрытий на поверхность труб

1.4 Модификация способов и конструкций устройств нанесения покрытий на внутреннюю поверхность труб

1.5 Теоретические проблемы построения устройств нанесения покрытия на

поверхность труб

Выводы по главе 1

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЬ ТРУБ

2.1 Математическое моделирование исполнительного модуля системы управления

2.2 Исследование влияния параметров исполнительного модуля системы управления на скорость движения шликера

2.3 Моделирование системы управления нанесением покрытия в динамическом режиме

2.4 Исследования влияния параметров элементов системы на процесс управления

Выводы по главе 2

3 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И СХЕМОТЕХНИКА УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССОМ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЬ

ТРУБ

3.1 Функциональная схема модуля обработки информации и управления

3.2 Выбор и технические характеристики элементной базы

3.3 Шланговая задвижка, как элемент системы управления

3.4 Алгоритм и программа работы модуля обработки информации и управления84 Выводы по главе 3

4 МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТРОЙСТВ И МЕТОДОВ

НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЬ ТРУБ

4.1 Структура погрешностей. Математическая постановка задачи

метрологических исследований

4.2. Основные погрешности устройства управления нанесением покрытий на внутреннюю поверхность труб

4.3 Дополнительные и динамические погрешности устройства управления нанесением покрытий на поверхность труб

4.4 Методы повышения точности и эффективности устройства управления

нанесением покрытий на внутреннюю поверхность труб

Выводы по главе 4

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ НАНЕСЕНИЕМ

ПОКРЫТИЯ

5.1 Цель и основные задачи экспериментальных исследований

5.2.Экспериментальные исследования отдельных элементов устройства управления нанесением покрытия

5.3 Испытания макетного образца устройства управления нанесением покрытия

5.4 Испытания опытного образца устройства управления

Выводы по главе 5

Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение И

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Устройства систем управления нанесением покрытий на внутреннюю поверхность труб»

ВВЕДЕНИЕ

Для защиты внутренней поверхности трубы от агрессивного коррозийного и абразивного воздействия транспортируемого продукта, используют силикатно-эмалевое покрытие (шликер). Такое покрытие способно увеличить срок службы трубопровода до 50 лет. Применение внутренних силикатно-эмалевых покрытий повышает производительность трубопроводов, на стенках труб не скапливаются отложения, что повышает их пропускную способность. Гидравлическое сопротивление и потери давления по сравнению с трубой без покрытия уменьшаются в 1,5 раза. Это позволяет уменьшать диаметр трубопроводов и снижать их металлоемкость в 1,2 раза. Силикатно-эмалевое покрытие рекомендуется для защиты от коррозии внутренней поверхности труб при перекачке как углеводородных, так и пищевых продуктов, что практически неограниченно расширяет рыночные возможности предлагаемой технологии.

Существует два основных способа нанесения покрытий на внутреннюю поверхность - распыление шликера с помощью форсунки, движущейся внутри трубы, и способ ее предварительного наполнения с последующим управляемым сливом. Эффективность существующих способов и устройств не удовлетворяет современным требованиям по надежности и метрологическим характеристикам в связи с засорением форсунки и неравномерностью пленки, связанной со сложностью управления скоростью слива в условиях изменяющихся давлений. Работа посвящена исследованию и развитию устройств нанесения покрытий способом управляемого слива и их технической реализации.

Технология нанесения на трубы трехслойного полипропиленового покрытия к настоящему времени отработана и реализована на Московском трубозаготовительном комбинате, на Выксунском, Волжском и Челябинском трубных заводах. Для нанесения на трубы эпоксидных покрытий используются порошковые краски, содержащие в своем составе эпоксидные смолы, отвердитель, активатор, пигмент, инертные наполнители и другие добавки. Процесс нанесения эпоксидного покрытия включает: абразивную очистку,

технологический нагрев труб до 220-230°С, напыление порошковой краски с помощью пистолетов-распылителей и отверждение нанесенного защитного покрытия. Нанесение на трубы заводских эпоксидных покрытий освоено на ОАО «Волжский трубный завод», ОАО «Выксунский металлургический завод», ООО «Трубопласт», г. Екатеринбург. В качестве противокоррозионного покрытия труб с наружным теплоизоляционным пенополиуретановым покрытием заводские эпоксидные покрытия применяются на предприятиях ЗАО «Мосфлоулайн» (МОЭ ТЗК), г. Москва, ЗАО «ТВЭЛ-Теплоросс», г. Санкт-Петербург, ЗАО «Сибпром-комплект», г. Тюмень. Волжский трубный завод осуществляет нанесение на трубы наружных защитных антикоррозийных покрытий с 1977г.

Аналогичные технологии покрытий применяются на ведущих металлургических заводах Германии, Великобритании, США. В том числе имеется установка \VIWA БиоМ1х 230РС (Германия). Принцип ее действия основан на движении распыляющей форсунки относительно тела трубы. Такой метод нанесения ненадежен, так как материал покрытия забивает отверстия форсунки. Так же используемый метод неэкономично расходует дорогостоящий материал покрытия. Применение форсунки дает возможность нанесения покрытия на внутреннюю поверхность труб только большого диаметра. Стоимость известной установки 1 350 ООО рублей без пуско-наладки.

Целью работы является разработка и исследование устройств управления нанесением покрытия на внутреннюю поверхность трубы способом управляемого слива, обеспечивающих требуемую равномерность покрытия.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач.

1. Анализ существующих устройств управления процессом нанесения покрытия на поверхность труб.

2. Разработка и исследование математической модели исполнительного модуля системы управления нанесением покрытия.

3. Исследование пропускной способности шланговой задвижки от управляющего воздействия. Разработка способов и алгоритмов управления нанесения покрытий.

4. Исследование влияния климатических и технологических факторов на характеристики процедуры нанесения покрытия.

5. Разработка структурных, принципиальных схем, алгоритмов и программ модуля обработки информации и управления.

6. Метрологические и экспериментальные исследования макетного и опытного образцов устройства управления, направленные на определение корректности полученных математической и компьютерной модели элементов.

В последнее время появился ряд работ, посвященных нанесению покрытия на поверхность трубы. Однако они не охватывают весь комплекс проблем, связанных с решением поставленных задач. В частности, недостаточно исследованы вопросы, связанные с управлением скоростью потока в условиях изменяющихся давлений, температурным изменением плотности и вязкости, оптимизацией процесса регулирования. В России проблемами нанесения покрытий на поверхность труб занимались фирмы ОАО «Уральский институт металлов» (г. Екатеринбург), ООО «Эмаль-Ставан» (г. Екатеринбург), ОАО «НЕГАСПЕНЗАПРОМ» (г.Пенза), за рубежом «Nippon Steel Corp.» (Япония), «Hoechst AG» (Германия) и др.

Работа основывается на трудах Сератинского A.A., Казака К.В., Скворцова Б.В., Борминского С.А. и включает в себя разработку и исследование элементов системы управления нанесением покрытий на внутреннюю поверхность труб. В работе уделено внимание теоретическому исследованию движения вязких жидкостей в трубе и выявлению их зависимости от технологических параметров. Наряду с этим рассмотрены информационно-метрологические характеристики систем управления нанесением покрытия, варианты их конкретной реализации и практического применения.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались теория анализа и синтеза

информационно-измерительных и управляющих систем, теория погрешностей, методы дифференциального, интегрального и операционного исчислений, дифференциальные уравнения. При моделировании и проведении численных расчетов на ЭВМ использовались конструкторские и математические пакеты МАТНСАБ, а также МАТЬАВ+БШиЫКК.

Научная новизна

1. Создана математическая модель исполнительного модуля системы управления, преобразующего параметры движения, связывающая скорость шликера с его физическими характеристиками и конструкционными параметрами трубы.

2. Получена аналитическая зависимость, связывающая пропускную способность шланговой задвижки с управляющим сигналом электропривода.

3. Разработана и исследована компьютерная модель, отображающая влияние конструкционных и динамических параметров разработанных элементов на погрешность поддержания скорости движения шликера и равномерность покрытия.

4. Разработана методика анализа неравномерности нанесения покрытий, учитывающая метрологические характеристики элементов системы и параметры технологического режима.

Практическую ценность работы составляют:

1. Опытный образец устройства управления нанесением покрытий на внутреннюю поверхность труб, обеспечивающий заданную толщину покрытия от 100 до 500 мкм с неравномерностью ±5%.

2. Структурные и функциональные схемы, комплект конструкторской документации модуля обработки информации и управления, созданный с использованием материалов диссертации.

3. Рекомендации по улучшению равномерности наносимого покрытия.

4. Алгоритмы и программы обработки сигналов датчиков и формирования управляющих воздействий модуля обработки информации и управления.

Реализация результатов работы

По результатам работы изготовлено и внедрено устройство для

автоматического управления процессом нанесения покрытий на внутреннюю поверхность трубы в ОАО «НЕГАСПЕНЗАПРОМ» (г. Пенза). Материалы диссертации используются также в учебном процессе СГАУ в курсовом и дипломном проектировании систем управления.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель исполнительного модуля системы управления, преобразующего параметры движения, связывающая скорость шликера с его физическими характеристиками и конструкционными параметрами трубы.

2. Аналитическая зависимость, связывающая пропускную способность шланговой задвижки с управляющим сигналом электропривода.

3. Компьютерная модель, отображающая влияние конструкционных и динамических параметров разработанных элементов на погрешность поддержания скорости движения шликера и равномерность покрытия.

4. Методика анализа неравномерности нанесения покрытий, учитывающая метрологические характеристики элементов системы и параметры технологического режима.

5. Результаты экспериментальных исследований и практической реализации устройства управления нанесением покрытий на внутреннюю поверхность труб.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов работы определяется экспериментальными исследованиями, подтверждающими основные теоретические положения работы; дипломами и медалями, полученными на различных международных и всероссийских выставках; внедрением разработанной системы на ОАО «НЕГАСПЕНЗАПРОМ» г. Пенза.

Апробация работы

Результаты работы доложены на конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (г. Самара 2009, 2011), Международная научно-техническая конференция «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» «Шляндинские чтения-2010» (г.Пенза 2011),

XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара 2011), XIV Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики» посвященной 75-летию МГУПИ (г. Сочи 2011), Международная конференция «Современные научные достижения» « MODERNI VYMOZENOSNI VEDY», (г. Прага 2013).

Результаты, вошедшие в диссертацию, были отмечены: стипендией Президента Российской Федерации в 2013г., грантом в конкурсе «Молодой ученый СГАУ» (2012), серебряной медалью и дипломом на Seoul International Invention Fair (2011), звездой и дипломом на конкурсе «Инновации в энергетике» в номинации «Успешный инновационный проект» (2010).

Публикации

По результатам исследований и разработок опубликовано 15 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах (изданиях рекомендованных ВАК РФ), получено 2 патента РФ и 2 положительных решения на выдачу патента на изобретение.

Связь с государственными программами

Работа была выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013гг.», г/к 14.132.21.1759 от 01.10.2012г. (мероприятие 1.3.2). Проект является победителем программы «СТАРТ-2011».

Личный вклад автора

Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем личном участии.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 150 страницах текста, включает 74 рисунка и 10 таблиц. Список литературы состоит из 72 наименований и приложений на 13 страницах.

и

Диссертация является результатом исследований, проведенных автором в научно-исследовательской лаборатории «Аналитические приборы и системы» Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева. Выражаю благодарность за участие в выполнении исследований своим коллегам и соавторам: Скворцову Б.В., Борминскому С.А., Солнцевой А.В., Малышевой-Стройковой А.Н. Выражаю также благодарность руководству ОАО «НЕГАСПЕНЗАПРОМ» любезно предоставившему технологическую установку для проведения испытаний и внедрения результатов работы.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЬ ТРУБ

1.1 Обзор покрытий, используемых при изоляции труб и методы контроля их

качества

Наиболее распространенным органическим соединением для создания верхнего слоя покрытия за рубежом является термостабилизированный полиэтилен.

Так, например, выпускаемый фирмой BASF полиэтилен низкой плотности «Lupolen 2452Е», применяется фирмой «Mannesmann» (Германия). Данное вещество обладает хорошими физико-механическими свойствами и высокой стойкостью к старению под воздействием ультрафиолетового облучения и тепловых нагрузок [1]. Другое соединение фирмы BASF разработано специально для изоляции труб методом экструзии и представляет собой композицию термостабилизированного полиэтилена средней плотности «Lupolen 3652 DX», отличающуюся повышенной стойкостью полиэтилена к растрескиванию под напряжением и длительным сохранением свойств покрытия [2].

Для изоляции труб большого диаметра фирма «NipponSteelCorp.» (Япония) применяет полиэтилен марки К-395 фирмы «UBI Industries». Фирма «Arkema» (Франция) использует полиэтилен марки Lakten 1002 (CJ черный) [3]. Фирмы «Hoechst AG» (Германия) и «К & Kramer» (Нидерланды) для изоляции труб используют порошкообразный полиэтилен. Наиболее распространенно использование композиций полиэтилена высокого давления, наносимого на нагретую трубу методом напыления и последующего оплавления.

Также, для защиты наружной и внутренней поверхностей труб используется покрытие из эпоксидного порошкового материала, напыляемого электростатическим способом на разогретую поверхность. Толщина формируемой защитной плёнки составляет 0,25 мм. Помимо этого, используются толкостенные пленки из фторопласта, протаскиваемые через трубу при помощи промежуточных фланцев. Также, используется противокоррозионная изоляция на

основе каменноугольной смолы, сохраняющая высокие защитные свойства при

о

температурах до 120 С [4].

Эпоксидные покрытия имеют широкое применение для труб различных диаметров и назначения. Покрытия данного вида в соответствии со стандартом DIN 30671 должны иметь: минимальную толщину слоя 300 мкм; диэлектрическую сплошность при напряжении 3,0 кВ; адгезию при испытании методом решетчатого надреза не ниже балла Gt 1 А; на удар не менее 10 Дж; глубину вдавливания цилиндрического пуансона с нагрузкой 10 Н/мм при повышенных температурах не более 0,1 мм за 24 ч. [5]. Распространенный способ нанесения эпоксидного покрытия на поверхность металла - напыление в электростатическом поле. Для увеличения стойкости к катодному отслаиванию и ударной прочности существуют методы усовершенствования процесса нанесения.

Фирмой «PyriteChemicalServices» (Великобритания) разработан реактив «AccometPC», позволяющий повысить адгезию эпоксидного покрытия к металлической поверхности трубопровода. Повышение ударной прочности эпоксидной изоляции достигается путем применения комбинированных защитных покрытий. Так, например, поверх эпоксидного слоя наносятся два слоя полиэтиленового покрытия с различной плотностью [6].

Для надежной защиты от механических повреждений и ударных воздействий используется покрытие из поливинилхлорида, обладающее большой толщиной и выдерживающее воздействие многих кислот.

Особенно устойчивую изоляцию образуют битумные покрытия в сочетании со стекловолокном. Оптимально размещение битума между слоями стекломатериалов.

Трубы, идущие от компрессорных станций, изолируются покрытиями на основе каменноугольных материалов, отличающихся высокой температурой плавления. В покрытие «Flakeglass» фирмы «Owens-ComingFiberglasEuropeS.A» (Бельгия) применяются чешуйки стекла толщиной 3 мкм при длине и ширине 3,2; 0,8 и 0,4 мм. В качестве связующего выступают эпоксидные смолы, полиэфиры или другие вещества. Нанесение «Flakeglass» на поверхность металла

осуществляется разбрызгиванием.

В тех случаях, когда агрессивность среды сочетается с тяжелыми температурными и нагрузочными условиями, применяются ленточные покрытия. Для их изготовления используются полиэтилен и поливинилхлорид.

Сварные стыки труб в трассовых условиях за рубежом осуществляют различными методами и материалами: термоусаживающие манжеты, муфты и ленты; полимерные липкие ленты; битумные и каменноугольные покрытия; порошковые эпоксидные краски.

Для защиты сварных соединений труб с внутренней изоляцией от коррозии с внутренней стороны предлагаются втулки и протекторы. Описано развитие технологий использования расплавляемых порошковых синтетических смол для защитных покрытий трубопроводов с начала 50-х гг., когда впервые смола ЕРОИ была применена в таком назначении, и до использования современных синтетических смол [7].

В работе [8] определены основные требования к изоляционным материалам трассового нанесения. Приведены основные свойства исходных материалов и покрытий «Протегол».

Для защиты трещинообразных и коррозионных дефектов стенок трубопровода, государственным предприятием ПО «Авангард» предложена упругогибкая ленточная спираль, каждый слой которой выполнен из двух систем переплетённых нитей. Объёмное соотношение нитей ткани и полимерного связующего от 1:0,37 до 1:0,57[9].

На «Волжском трубном заводе» открыт трубоизоляционный мини-завод мощностью 250-300 тыс. тонн труб в год. На данном производстве используются следующие материалы: эпоксидный праймер марки МАКвАТЛШ 7-2500; адгезив марки HERBER.TSO-BR.IEN; адгезив марки ЕШВОКО ЕМВ 1580; полиэтилен БСЬАШЕ ВР 35 фирмы ШУАСНЕМЮАЬ [10].

Мастичные покрытия остаются наиболее конкурентоспособными по стоимости и технологиям нанесения. Материалы на основе полимеров, эпоксидных смол и наносимые экструдированием, в настоящее время,

используются только в заводских условиях.

Сотрудничество ОАО «Верхневолжскнефтепровод» с фирмой «Промтех-Нижний Новгород» является примером успешного сотрудничества в области решения задач по совершенствованию техники и технологии капитального ремонта магистральных нефтепроводов. «Промтех-НН» предлагает использовать котел с электронагревом и системой автоматического управления и контроля качества до нанесения битумных и асмольных покрытий, для приготовления битумных мастик высокого качества с заданными физическими параметрами. Разработка нескольких изоляционных машин с экструдорами велась совместно с НИЦ «Поиск».

Спектр мастик для антикоррозионной защиты нефтепроводов, разработан на основе нефтеполимера «Асмол». Высокая токсичность материалов ограничивает более широкое внедрение таких покрытий.

Сравнительные исследования отечественных и зарубежных изоляционных материалов, проведенные НИЦ «Поиск», показали предпочтительность применения полиуретанов в качестве антикоррозионных покрытий для труб, используемых для подводных переходов, выполняемых методом наклонно-направленного бурения. Для производства таких труб модернизируется существующая трубная база в Новокуйбышевском РСУ[11].

Покрытия «Пластобит» и «Пластобит-40» (ТУ 39-1076-94) обеспечивают эффективную защиту трубопровода, соответствуя требованиям к изоляции усиленного типа. Конструкция покрытия состоит из грунтовки, мастики битумно-полимерной, ленты изоляционной и защитной обёртки [12]. УкрНДИгаз совместно с кафедрой технологии пластмасс Харьковского государственного политехнического университета разработал покрытие на основе эпоксидно-битумной композиции [13].

В практике эксплуатации рекомендуемое ГОСТами и СНиПом покрытие 1+1 (1 слой изоляционной ленты +1 слой липкой защитной обертки на основе полиэтилена) не оправдало себя. Через 3-4 года эксплуатации в покрытии наблюдается подпленочная коррозия [14].

Способ нанесения изоляционного фосфато-керамического покрытия на трубы с использованием нетканого переплетения фибры запатентован компанией «ArmstrongWorldlnd» (США). Толщина покрытия составляет 5-20 мм [15].

Описана технология нанесения тонкодиспергированной порошкообразной битумно-резиновой композиции на изолируемую поверхность с помощью пистолета-распылителя с тепловым насадком, осуществляющим тепловое инфракрасное воздействие 100-200 кДж на 1 кг изоляционной массы. Распыление ведется с расстояния 100-200 мм [16].

Запатентован метод изготовления изоляционной высокопрочной композитной обмоточной ленты, изготовленной из стекловолокна покрытого резиной, с целью защиты трубопроводов от коррозии [17].

Несмотря на появление новых полимерных материалов, нефтяные битумы остаются в ряду основных изоляционных материалов. При сочетании с битумами, эффективность и долговечность полимеров может быть значительно повышена, что подтверждается длительным опытом эксплуатации покрытий типа «Пластобит» на магистральных нефтепроводах АК «Транснефть» [18]. Фирмой «PipelineRehabil» (Италия) предложена композиция на основе ленты из термопластичной арамид-нейлоновой основы со специальной адгезионной добавкой на основе бутила. [19]. Компанией «Shawlnd. Ltd» запатентована конструкция наружной противокоррозионной изоляции из эпоксидного праймера и наружной оболочки из полиолефина для трубопроводов [20]. В газовой промышленности существует три основных метода изоляции стальных труб полиэтиленом: агломерация, рукавная и обмоточная экструзии. Также предлагается комбинированное эпоксидно-полиэтиленовое покрытие -трехслойная изоляция [21]. Полимерная композиция, предложенная УкрНИИгаз, с добавленным специальным модификатором коррозии, может быть нанесена на необработанную и даже покрытую слоем ржавчины поверхность[22].

На подземных трубопроводах фирма «Т. I. В. Chemie» (Германия) использует двухкомпонентную полиуретановую изоляцию марки Protegol 32-55. Изоляция наносится на поверхность, предварительно подверженную

пескоструйной или дробеструйной очистке, не содержит растворителей и имеет короткое время полимеризации [23].

Способ изготовления противокоррозионной изоляции, из двух слоев: праймера и изоляционной ленты (изготовленных из резины), где лента спирально накладывается поверх слоя праймера, на трубопровод запатентован компанией «TheKendallCo.» (США). Реагент в составе праймера препятствует образованию гидроксидных ионов, образующихся из электронов, генерируемых системами катодной защиты. [24].

Защитное покрытие компании «Grace Construction Products Ltd» (Великобритания) разработано для использования в полевых условиях. Покрытие состоит из толстого слоя адгезионного компаунда и прочной эластичной пленки [25].

Изоляция, не содержащая изоцианатов и канцерогенных смол, разработана фирмой DensoNorthAmerica» (США). Покрытие наносится с помощью щетки или ролика и может быть нанесено в полевых условиях [24].

Фирма «Vivian Regina» (VR) (Springs, ЮАР) с 1963г. производит оберточный материал для труб, представляющий собой нетканые войлоки или ткани из стекловолокна. Данные оберточные материалы обладают исключительной стойкостью к кислотам и щелочам, не гниют при воздействии влаги и микроорганизмов [26].

На основании проведенного обзора конструкций и способов нанесения изоляционных покрытий трубопроводов и проведенного анализа основных причин возникновения дефектов изоляционных покрытий можно сделать вывод, что применяемые изоляционные покрытия должны обладать следующими свойствами:

- водонепроницаемостью, исключающей возможность насыщения пор покрытия почвенной влагой;

- хорошей адгезией покрытия к металлу, что предотвращает отслаивание изоляции при небольшом местном разрушении;

- сплошностью, обеспечивающей надежность покрытия;

- химической стойкостью, обеспечивающей длительную работу покрытия в условиях агрессивных сред;

- электрохимической нейтральностью: отдельные составляющие покрытия не должны участвовать в катодном;

- механической прочностью, достаточной для проведения изоляционно-укладочных работ при сооружении металлического объекта и выдерживающей эксплуатационные нагрузки;

- термостойкостью, определяемой необходимой температурой размягчения, что важно при изоляции «горячих» объектов, и температурой наступления хрупкости;

- диэлектрическими свойствами, определяющими сопротивление прохождению тока, предотвращающими возникновение коррозионных элементов между металлом и электролитом;

- отсутствием коррозионного и химического воздействия на защищаемый объект;

- возможностью механизации процесса нанесения изоляционного покрытия как в базовых, так и в полевых условиях;

- недефицитностью (широкое применение находят только те материалы, которые имеются в достаточном количестве);

- экономичностью (стоимость изоляционного покрытия должна быть во много раз меньше стоимости защищаемого объекта) [27].

Всем этим требованиям не отвечает ни один естественный или искусственный материал, поэтому выбор изоляционного покрытия определяется конкретными условиями строительства и эксплуатации трубопроводов, наличием сырьевой базы, технологичностью процесса нанесения покрытия и т.д., эти условия и определяют диапазон материалов, применяемых в качестве покрытий для стальных труб [28].

На рисунке 1.1 представлена классификация изоляционных покрытий трубопроводов. В этой классификации отражены материалы изоляционных покрытий, которые используются в настоящее время или прошли апробацию

ранее с положительными или отрицательными результатами.

Рисунок 1.1 - Классификация изоляционных покрытий трубопроводов

В работе рассматриваются методы нанесения силикатно-эмалевых покрытий. Среди многообразных видов антикоррозионных покрытий трубопроводов нанесение силикатно-эмалевого покрытия занимает особое место. Силикатно-эмалевое покрытие обладает высокой механической прочностью, термической, химической и биологической стойкостью. Современная технология эмалирования позволяет защитить обе поверхности трубопровода. Эмалевое покрытие представляет собой композицию на основе силикатов.

Формирование структуры силикатно-эмалевых покрытий осуществляется путём индукционного обжига, который обеспечивает совершенную адгезию с

окисленной поверхностью металла. Применяемые в покрытии эмали отличаются от применяемых при печном обжиге большей коррозионной устойчивостью, меньшим временем формирования структуры, а также температурным диапазоном обжига (750-950 °С),

Эмалевое покрытие толщиной от 100 до 500 мкм обладает высокой защитной эффективностью: допускает температурный режим эксплуатации от минус 50 до плюс 350 °С; обеспечивает защиту трубопроводов как от почвенной, так и от внутренней коррозии при транспортировке агрессивных продуктов включая кислоты и щелочи; предотвращает формирование нерастворимых отложении на внутренних станках труб.

Для определения эффективности защитного действия силикатноэмалевых покрытий на стальных трубах в водных средах, характерных для нефтепромыслов, были проведены коррозионные испытания в Институте физической химии РАН.

Строение слоя эмали, нанесенного на участок поверхности стали, представлено схемой на рисунке 1.2. Защитные свойства силикатно-эмалевых покрытий определяются преимущественно их микро- и макро пористостью. Анодное окисление металла протекает только на сквозных микропорах и микродефектах. Поэтому величина анодного тока растворения металла служит показателем дефектности покрытия.

Эактрвшт

I

: ^ :""......"""''"': і : Симатма м«п

* * * ♦ ;

Штам I ;

Щ

Рисунок 1.2 - Строение слоя эмали на поверхности металла Лабораторные, стендовые и промышленные испытания показали, что

силикатно-эмалевое покрытие на внутренней поверхности труб уменьшает скорость коррозии стали на три-четыре порядка.

Качество эмалевого покрытия можно проверять следующими методами: с помощью «пыжа» при напряжении 120 В; электролитически (залив электролита в трубу, напряжение тока 120 В); токами высокой частоты при напряжении от 4 ООО до 8 ООО В. Менее всего дефектов выявляет метод «пыжа».

При проверке качества эмалевого покрытия на трубах токами высокой частоты установлено, что указанное напряжение не дает пробоя сплошного покрытия толщиной 0,5 мм. Этот метод выявляет скрытые дефекты в покрытии: заплавленные пузыри, поры и т.д., которые не обнаруживаются другими указанными методами.

Металлографическое исследование показало, что эмалевые покрытия имеют пористую структуру. Образование пузырей и пор в эмалевом слое происходит в процессе обжига покрытия на металле и связано с выделением газов. Большая часть газов успевает выделиться до полного оплавления эмали, часть же их собирается в пузырьки. [29, 30]

Стальные трубы с внутренним и внешним силикатно-эмалевым покрытием кроме того экономически выгодно использовать в аппаратах химических (нефтехимических) производств, оборудовании пищевой, фармацевтической и биохимической промышленности.

Раздел 1.1 сформирован в результате творческого осмысления и анализа материалов [31].

1.2 Аналитический обзор методов и устройств управления нанесением

покрытий на поверхность труб

Известны способы и устройства нанесения покрытий, заключающиеся в том, что нанесение покрытия осуществляется методом пульверизации из движущейся относительно трубы форсунки [32-37]. Все эти устройства можно отнести к технике нанесения тонких слоев различных жидкостей или других текучих материалов на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий, в

частности труб.

Одним из первых изобретений по заданной теме является патент на изобретение [32]. Устройство содержит питательный штуцер, последовательно закрепленные на нем калибрующий и эластичный ограничительный элементы, образующие между собой полость, сообщающуюся с внутренним каналом питательного штуцера через отверстия, выполненные в нем между участками закрепления элементов, а эластичный элемент выполнен в виде рукава, прилегающего свободным концом к калибрующему элементу. При этом калибрующий элемент выполнен жестким, например из металла, в виде дорна, вершина которого закреплена в нижней части питательного штуцера, а на внешней поверхности питательного штуцера установлены центрирующие ролики под углом 120° друг от друга относительно оси симметрии устройства. Устройство для нанесения жидкости на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий [33] использует за основу схему, показанную на рисунке 1.3.

Устройство включает питательный штуцер 1 с последовательно закрепленными на нем калибрующим 2 и эластичным ограничительным 3 элементами, образующими между собой полость Б, сообщающуюся с внутренним каналом В питательного штуцера 1 через отверстия С, выполненные в нем между участками закрепления элементов. Калибрующий элемент 2 выполнен, как и в [32], жестким в виде дорна, вершина которого жестко закреплена в нижней части питательного штуцера 1, причем нижняя кромка калибрующего элемента не касается покрываемой поверхности. Эластичный ограничительный элемент 3 закреплен на конце питательного штуцера 1 с помощью хомута 4. Свободная (нижняя) кромка ограничительного элемента 3 прилегает к нижней кромке калибрующего элемента 2. Выходной конец питательного штуцера соединен с гибким питательным шлангом 5, заведенным внутрь обрабатываемой трубы 7. На внешней поверхности питательного штуцера 1 установлены центрирующие ролики 6 под углом 120° друг к другу относительно оси симметрии устройства, катящиеся по покрываемой поверхности.

1 - питательный штуцер; 2 - калибрующий элемент; 3 - эластичный ограничительный элемент; 4 - хомут; 5 - гибкий питательный шланг;

6 - центрирующие ролики; 7 - обрабатываемая труба.

Рисунок 1.3 - Устройство для нанесения жидкости на внутреннюю поверхность

цилиндрических изделий [33]

Принцип работы устройств [32, 33] заключается в том, через трубу пропускают гибкий питательный шланг 5 и подсоединяют к его концу устройство с помощью накидной гайки шланга (не показана). Перед подачей материала покрытия устройство помещают в пусковой патрубок небольшой длины (не показан). Затем нагнетают материал покрытия, например краску, при этом ему сообщается избыточное давление, вызывающее деформацию ограничительного элемента 3, вследствие чего в нижней части устройства, где ограничительный элемент 3 свободно прилегает к калибрующему элементу 2, образуется щель, через которую выдавливается порция материала. Ширина щели, т.е. толщина выдаваемой в виде конусной завесы жидкости регулируется избыточным давлением, создаваемым в устройстве. Для прекращения истечения материала необходимо создать внутри устройства разрежение, вследствие которого эластичный ограничительный элемент 3 под действием полученной упругой деформации возвращается в первоначальное положение, щель перекрывается.

Устройств позволяют управлять толщиной покрытия, устранить контакт

рабочих органов устройства с покрываемой поверхностью. Существует ряд изобретений, которые используют вышеупомянутые патенты как аналоги и основываются на их принцип работы.

Устройство для нанесения жидкости на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий [34] может быть использовано в любой отрасли промышленности.

В устройстве [34] дорн снабжен полой штангой (рисунок 1.4). Один конец штанги соединен с трубкой, проходящей через питательный штуцер вдоль его оси. Другой заглушённый конец штанги соединен с цилиндрическим нагревателем излучения, содержащим корпус с двумя радиальными каналами, втулку, шайбу и источник теплоты, расположенный в кольцевом канале между втулкой и корпусом нагревателя и сообщающийся с линией питания посредством трубки и каналов в штанге и втулке. Корпус, втулка и шайба нагревателя излучения выполнены из керамики. Источник теплоты выполнен в виде электронагревателя омического сопротивления с электропитанием посредством проводов, проложенных в каналах трубки, штанги и втулки.

ограничительный элемент; 4 - хомут; 5 - центрирующие ролики; 6 - полая штанга; 7 - корпус; 8 - втулка; 9 - шайба; 10 - источник теплоты; 11 - трубка;

12 - гибкий шланг; 13 - гайка. Рисунок 1.4 - Схема устройства для нанесения жидкости на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий [34]

Изобретение позволяет осуществить процесс сушки слоя покрытия непосредственно после его нанесения на внутреннюю поверхность трубопровода, что повышает производительность работы установки за счет сокращения длительности периода готовности слоя покрытия.

Принцип действия устройства для нанесения жидкости на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий [35] поясняется чертежами, где на рисунке 1.5 изображено слева устройство для нанесения жидкости в продольном сечении, справа - в поперечном сечении А-А.

1 - питательный штуцер; 2 - калибрующий элемент; 3 - эластичный ограничительный элемент; 4 - камера для сжатого газа; 5 - пневматическая

магистраль; 6 - регулирующий клапан питательного штуцера; 7 - хомут; 8 - дополнительная пневматическая магистраль; 9 - регулирующий клапан камеры для сжатого газа; 10 - обратный клапан камеры для сжатого газа; 11 - поршень; 12 - уплотняющие элементы; 13 - обратный клапан штуцера; 14 - центрирующие ролики; 15 - покрываемая труба. Рисунок 1.5 - Слева - схема устройства для нанесения жидкости в продольном сечении, справа - схема устройства для нанесения жидкости в поперечном

сечении А-А [35]

Устройство состоит из питательного штуцера 1 с последовательно закрепленными на нем калибрующим в виде сопла 2 и эластичным ограничительным 3 элементами, образующими между собой полость Б,

сообщающуюся с внутренним каналом В питательного штуцера 1 через отверстия С, выполненные в нем между участками закрепления элементов. Верхняя часть сопла 2 соединена с камерой для сжатого газа 4 пневматической магистрали 5, которая проходит вдоль оси устройства по внешней поверхности питательного штуцера и снабжена регулирующим клапаном 6. Эластичный ограничительный элемент 3 закреплен на конце питательного штуцера 1 с помощью хомута 7. Свободная (нижняя) кромка ограничительного элемента 3 прилегает к нижней кромке сопла 2. Дополнительная пневматическая магистраль 8, соединяющая питательный штуцер 1 и камеру для сжатого газа 4, проходит вдоль оси устройства и снабжена регулирующим клапаном 9. Камера 4 снабжена обратным клапаном 10 для предохранения обратного потока закачиваемого газа. Внутри питательного штуцера 1 установлен поршень 11, снабженный уплотняющимися элементами 12. В питательный штуцер 1 вмонтирован обратный клапан 13 для предохранения обратного потока закачиваемой жидкости. На внешней поверхности питательного штуцера 1 установлены центрирующие ролики 14, перемещающиеся по покрываемой трубе 15.

Перед тем как устройство поместить в пусковой патрубок, полость В питательного штуцера заполняют наносимой жидкостью, например краской, через обратный клапан 13. Затем камеру 4 заполняют сжатым газом через обратный клапан 10. После заполнения жидкостью и сжатым газом устройство помещают в пусковой патрубок (не показан) и открывают регулирующий клапан 6, при этом сжатый газ из камеры 4 по магистрали 5 проходит через сопло 2, приводя устройство в движение за счет реактивных сил выбрасываемого газового потока. Одновременно открывается клапан 8, при этом сжатый газ, выходя из камеры 4, попадает в поршневую полость питательного штуцера 1, газ, равномерно распределяясь в полости, создает избыточное давление, тем самым перемещая поршень 11 по направляющей, которой является пневматическая магистраль 5. Перемещаясь, поршень создает избыточное давление в полости с жидкостью Б, тем самым вызывая деформацию кромки эластичного ограничительного элемента 3 в том месте, где ограничительный элемент свободно

прилегает к соплу 2. Образуется кольцевая щель, через которую выдавливается порция наносимой жидкости на поверхность трубы 15. Ширина щели, следовательно, толщина выдавливаемой в виде конусной завесы жидкости регулируется избыточным давлением, создаваемым внутри устройства. Для прекращения истечения жидкости необходимо прекратить подачу сжатого газа (закрыть клапан 9) в полость питательного штуцера 1, поршень 11 останавливается, избыточное давление, передаваемое жидкости, снимается, вследствие чего эластичный элемент 3 под действием упругой деформации возвращается в первоначальное положение, щель перекрывается, истечение прекращается.

Устройство для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий [36] так же может быть использовано в любой отрасли промышленности для создания покрытий на внутренней поверхности цилиндров (рисунок 1.6).

В конструкцию устройства входит питательный штуцер 1 с закрепленными на нем с помощью хомута 2 калибрующим 3 и эластичным 4 элементами. Питательный штуцер снабжен поршнем 5 и обратным клапаном 6. Выходной конец питательного штуцера соединен через дросселирующий клапан 7 с камерой для сжатого газа 8, которая снабжена обратным клапаном 9. Питательный штуцер 1 и камера для сжатого газа 7 закреплены на каретке 10, снабженной приводом, содержащим центрирующие ролики 11, редуктор 12 с двухсторонним выходным валом, на концах которого установлены конические шестерни 13, входящие в зацепление с шестернями 14, смонтированными на промежуточных валах 15, установленных в подшипниках кронштейнов, закрепленных на каретке 10. На промежуточных валах 15 установлены с использованием шпонок приводные ролики 19, покрытые эластичным материалом 20, например резиной. Редуктор 12 связан с электродвигателем 21, питание которого осуществляется от аккумулятора 22, установленного на каретке 10. Центрирующие ролики 11 закреплены на каретке под углом 120° друг относительно друга.

1 - питательный штуцер; 2 - хомут; 3 - калибрующий элемент; 4 - эластичный элемент; 5 - поршень; 6 - обратный клапан штуцера; 7 - дросселирующий клапан; 8 - камера сжатого газа; 9 - обратный клапан камеры сжатого газа; 10 - каретка с приводом; 11 - центрирующие ролики; 12 - редуктор; 13 - конические шестерни;

14 - шестерни; 15 - промежуточные валы; 19 - приводные ролики; 20 -эластичный материал; 21 - электродвигатель; 22 - аккумулятор. Рисунок 1.6 - Сверху - фронтальный вид устройства с местным разрезом, внизу -

вид по стрелке А [36]

Недостатками известных устройств являются проблемы, связанные с неравномерностью распыления материала покрытия с помощью форсунок, а также их быстрое засорение в случае использования вязких жидкостей.

Помимо устройств нанесения покрытия за последнее время опубликовано достаточное количество способов нанесения покрытия. Наиболее простым является способ двустороннего безгрунтового эмалирования фигурных труб малого диаметра с резьбовыми концами [38]. Способ включает в себя подготовку

внутренней и наружной поверхностей трубы травлением, нанесение материала безгрунтовой эмали на подготовленные поверхности окунанием трубы в материал, стекание излишков материала, сушку его, обжиг эмалевого покрытия и охлаждение, причем перед подготовкой поверхностей на резьбовые концы трубы навинчивают технологические муфты для защиты резьбовых концов от попадания материала.

На другом принципе основан способ двустороннего эмалирования труб большого диаметра [39], схема которого представлена на рисунке 1.7.

1 - покрываемая труба; 2 - индуктор; 3 - распылители порошковой эмали;

4 - слой эмали.

Рисунок 1.7 - Схема осуществления способа двустороннего эмалирования труб

большого диаметра [39]

Подготовленную для нанесения эмали трубу 1 большого диаметра подвешивают в вертикальном положении с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения вокруг оси над индуктором 2. Снаружи и внутри трубы 1 устанавливают, над и под индуктором 2, распылители 3 порошковой эмали. Включают индуктор 2 и перемещают трубу 1 вниз, при одновременном вращении ее вокруг оси. Нижний конец трубы 1 проходит

полость индуктора 2 и нагревается в среде инертного газа, например, азота, которым обдувается труба 1 и индуктор 2, для предупреждения образования окалины, до температуры 800-850 °С и перемещается далее вниз. Нагретый участок трубы 1, обдуваемый азотом, при этом охлаждается до температуры 700750 °С. Затем с помощью распылителей 3, расположенных под индуктором 2 на нагретый участок эмалируемых внутренней и наружной поверхностей, вращательно-поступательно движущейся трубы 1, наносят эмалевый порошок при одновременном нагреве следующего участка эмалируемой трубы 1. После последовательного нанесения на нагретые участки эмалируемых внутренней и наружной поверхностей порошка эмали по всей длине трубы 1, ей сообщают возвратное вращательно-поступательное движение вверх через тот же индуктор 2. В индукторе 2 трубу 1 с нанесенным на нее грунтовым покрытием нагревают в среде азота до температуры обжига грунтового покрытия 870-900°С, слой грунтовой эмали оплавляется, создавая первый слой эмалевого покрытия 4.

При выходе из полости индуктора 2 верхнего конца трубы 1 и достижения им распылителей 3, расположенных над индуктором 2, первый слой эмалевого покрытия 4 охлаждается на 80-120 °С и температура эмалевого покрытия становится равный 750-780 °С, эмаль при этой температуре находится в вязко-пластичном состоянии. В это время включают распылители 3, расположенные над индуктором 2 и наносят второй слой эмали.

После нанесения на эмалируемые внутреннюю и наружную поверхности трубы 1 по всей ее длине второго слоя эмали, трубе 1 сообщают возвратное вращательно-поступательное движение. При этом обжиг второго слоя эмали в индукторе 2 и нанесение третьего слоя эмали на обожженные участки второго слоя эмали ведут одновременно.

Недостатками указанных способов является, то что они не обеспечивают необходимой точности в толщине наносимого покрытия и сложность нанесения вязких жидкостей.

Изучив известные методы и устройства нанесения покрытий, можно составить классификацию устройств и методов нанесения изоляционных

покрытий на поверхности труб, представленную на рисунке 1.8

Рисунок 1.8 - Классификация устройств и методов нанесения изоляционных

покрытий на поверхности труб

Объектом работы является нанесение покрытия, основанное на наполнении трубы наносимым материалом и его последующим управляемом сливе.

1.3 Требования к современным устройствам управления процессом нанесения

покрытий на поверхность труб

В настоящее время для обеспечения нужд производства требуются системы автоматического процесса нанесения покрытия на поверхность труб, имеющие достаточно высокие и стабильные параметры работы.

Принимая во внимание существующий уровень достижений можно сформулировать следующие требования к конкурентноспособной системе: длина обрабатываемых труб составляет от 2 до 12 м, диаметр покрываемых труб от 40 до 500 мм, толщина наносимого покрытия составляет от 100 до 500мкм, погрешность равномерности толщины покрытия не более ±5% от толщины покрытия, диапазон рабочих температур окружающей среды от 5 до 70 °С, относительная влажность 30-100%, температуры материала покрытия от 17 до 22 °С, напряжение питания системы составляет 220 В. Система должна обладать индикацией текущей скорости течения, возможностью интеграции в

информационную систему предприятия и оперативной калибровкой под требуемые режимы покрытии.

Современная система должна обладать повышенной надежностью и долговечностью при эксплуатации, быть сконструированной с использованием новейшей элементной базы, удовлетворять требованиям эргономики и экологической безопасности.

1.4 Модификация способов и конструкций устройств нанесения покрытий на

внутреннюю поверхность труб

В данном разделе рассматриваются предлагаемые автором способы и устройства нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы, основанный на наполнении внутренней полости трубы материалом с последующим управляемым сливом его излишков через сливную задвижку. Недостатком известных конструкций является неравномерность покрытия, связанная с неуправляемым стеканием материала покрытия с поверхности трубы.

Разрабатываемое устройство должно повысить степень равномерности нанесения покрытия. Поставленная задача достигается контролем скорости движения материала путем автоматического управления пропускной способности сливной задвижки в зависимости от текущего уровня материала в трубе. Скоростью движения можно управлять по заданной программе, тем самым формируя требуемую толщину покрытия на разных участках трубы.

Принцип работы предлагаемого устройства [40] поясняется рисунком 1.9. Перед началом процесса шликирования через вентиль 2 в трубу закачивается шликер, после этого вентиль 2 закрывается и слив шликера осуществляется через сливную задвижку 4. С помощью датчика уровня 3 осуществляется измерение текущего значения уровня шликера в трубе. По команде с микропроцессорного устройства обработки и управления 5 электромеханический привод 6 производит постепенное приоткрывание задвижки 4, направленное на компенсацию снижения скорости истечения шликера. Целью регулирования является поддержание равномерного движения шликера через сливную задвижку, что в свою очередь

обеспечивает равномерность нанесения пленки покрытия на внутренней стороне трубы.

- 3 \

5

V

1х - — _

ь -X' Л - 2 6

1 - сливно-наливная колонка; 2 - вентиль; 3 - датчик уровня;

4 - сливная задвижка; 5 - микропроцессорное устройство обработки и управления; 6 - электромеханический привод.

Рисунок 1.9 - Схема устройства автоматического управления процессом нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы с гидростатическим

датчиком уровня материала [40]

Недостатком устройства [40] является то, что он не обеспечивает требуемого качества покрытия по толщине, что связанно с недостаточной точностью контроля процесса стекания материала через сливную задвижку обусловленную погрешностью гидростатического датчика, а также неэкономичное использование наносимого материала, что связано с переливом при наполнении шликером внутренней полости трубы. Это ставит новую задачу повышения точности нанесения покрытия по толщине и увеличить экономичность устройства, т.е. устранить перелив шликера при наполнении трубы.

Решение поставленной задачи достигается дополнением устройства акустическим датчиком уровня шликера в трубе, который подключен к наполняющему насосу и подает сигнал об окончании работы насоса. Принцип действия предлагаемого устройства [41] поясняется рисунком 1.10.

5 ч

1 - шликируемая труба; 2 - сливно-наливная колонка; 3 - наполняющий насос; 4 -запирающий вентиль; 5 - акустический датчик уровня; 6 - микропроцессорное устройство обработки и управления; 7 - электропривод; 8 - сливная задвижка. Рисунок 1.10 - Схем устройства нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы с акустическим датчиком уровня материала в трубе [41]

Перед началом процесса шликирования через вентиль 4 с помощью насоса 3 в трубу закачивается шликер, после этого вентиль 4 закрывается и слив шликера осуществляется через сливную задвижку 8. С помощью акустического датчика уровня 5 осуществляется измерение текущего значения уровня шликера в трубе. При наливе в момент достижения верхнего уровня шликера в трубе датчик уровня 5 отключает наполняющий насос 3. При сливе по команде с микропроцессорного устройства обработки и управления 6 электромеханический привод 7 производит постепенное приоткрывание задвижки 8, направленное на стабилизацию скорости

истечения шликера. Установка автоматически поддерживает равномерное движение шликера через сливную колонку, что в свою очередь обеспечивает равномерность толщины пленки покрытия на внутренней стороне трубы.

Недостатком устройства, представленного на рисунке 1.10, является то, что в процессе наполнения трубы происходит перелив материала покрытия, связанный с трудностью управления движением вязкой жидкости, что приводит к неравномерности покрытия на верхней границе трубы, связанный с недоливом или переливом материала. Возникает проблема обеспечить точный налив трубы по краю среза без перелива и расширить диапазон равномерности нанесения покрытия по длине трубы.

Решение поставленной задачи достигается вводом блока управления насосом в устройстве [42]. Принцип работы поясняется рисунком 1.11.

Перед началом процесса нанесения покрытия через вентиль 4 с помощью насоса 3 в трубу закачивается материал покрытия, после этого вентиль 4 закрывается и слив наносимого материала осуществляется через сливную задвижку 8. С помощью датчика уровня 5 осуществляется измерение текущего значения уровня материала покрытия в трубе. Сигнал о текущей высоте материала покрытия в трубе поступает с датчика уровня 5 на микропроцессорное устройство обработки и управления 6, которое формирует управляющий сигнал для блока управления насосом 9, изменяющий производительность насоса так, чтобы обеспечить плавное наполнения трубы для предупреждения перелива и наполнение ее до верхней границы. Нанесение покрытия осуществляется путем слива изолирующего материала. По команде с микропроцессорного устройства обработки и управления 6 электромеханический привод 7 производит постепенное приоткрывание задвижки 8, направленное на компенсацию снижения давления у основания сливной колонки и стабилизацию скорости истечения материала. Установка автоматически поддерживает равномерное движение материала покрытия через сливную колонку, что в свою очередь обеспечивает равномерность толщины пленки покрытия на внутренней стороне трубы.

1 - Обрабатываемая труба; 2 - сливно-наливная колонка; 3 - наполняющий насос;

4 - запирающий вентиль; 5 - датчик уровня материала покрытия; 6 -микропроцессорное устройство обработки и управления; 7 - электропривод; 8 -сливная задвижка; 9 - блок управления насосом.

Рисунок 1.11 - Устройство нанесения изолирующих покрытий на внутреннюю поверхность трубы с автоматическим управлением наполнения трубы [42]

Все описанные устройства нанесения не обеспечивают необходимой равномерности покрытия на концах изделий. Это связано с тем, что изолирующий материал представляет собой коллоидную смесь частиц (суспензию), которые в процессе налива в вертикально стоящее изделие оседают, создавая неравномерность плотности сливаемого материала. В верхней части изделия плотность суспензии меньше, чем в нижней. Происходит расслоение материала по высоте изделия. Это приводит к неравномерности покрытия даже при стабильной скорости слива. Целью изобретения является устранение неравномерности нанесения покрытия по длине изделия, связанную с

неоднородностью суспензии, возникающую в результате налива.

Решение поставленной задачи достигается тем, что дополнительно устанавливается переходная насадка между датчиком уровня и верхним срезом изделия, а так же отсекающий клапан. Принцип действия системы [43] описан рисунком 1.12.

/

ҐГ

5

4

3

в

/

7

9

10

"Ч Л-

12

11

1 - датчик уровня; 2 - переходная насадка; 3 - микропроцессорное устройство обработки и управления; 4 - покрываемое изделие; 5 - гидравлический канал;

6 - коллектор; 7 - электромеханический привод; 8 - сливная задвижка; 9 - отсекающий клапан; 10 - насосный агрегат; 11 - блок управления насосным

агрегатом; 12 - реактор. Рисунок 1.12 - Схема системы автоматического управления нанесением изолирующего покрытия на внутреннюю поверхность изделий цилиндрической

формы с циркуляцией шликера [43]

Функционирование устройства предполагает два этапа. На первом этапе в изделие закачивается наносимый материал через отсекающий клапан 10 с помощью насосного агрегата 10 из реактора 12. После заполнения изделия

материал попадает в переходную насадку 2, соединенную с помощью гидравлического канала 5 с реактором 12. С помощью датчика уровня 1 осуществляется измерение текущего значения высоты столба жидкости в полости изделия. Данные с датчика уровня 1 поступают на микропроцессорное устройство обработки и управления 3, с которого подается сигнал на блок управления насосным агрегатом 11. Блок управления подает сигналы на насосный агрегат о замедлении скорости наполнения внутренней полости изделия при приближении к верхнему срезу. На верхний срез изделия устанавливается переходная насадка 2, с помощью гидравлического канала соединенная с реактором 12, таким образом осуществляя непрерывную циркуляцию наносимого материала, направленную на равномерное распределение плотности наносимого материала по всей высоте изделия. В дальнейшем производительность насосного агрегата поддерживается таким образом, чтобы скорость налива была равна скорости слива. После этого под воздействием управляющего сигнала с блока управления насосным агрегатом 11 останавливается насосный агрегат и закрывается отсекающий клапан 9.

На втором этапе осуществляется управляемый слив материала. По команде с микропроцессорного устройства обработки и управления 3 подается сигнал на электромеханический привод 7 и происходит постепенное приоткрывание задвижки 8, через которую вытекают излишки наносимого материала с постоянной скоростью. За счет вязкости материала, происходит его прилипание к внутренним стенкам изделия. Толщина покрытия зависит от вязкости и скорости движения материала. Образовавшаяся пленка представляет собой изолирующее покрытие. Изобретение равномерно распределяет материал по всей длине изделия, что позволяет обеспечить равномерность покрытия на краях и по всей длине трубы тем самым улучшая качество покрытия.

Помимо обеспечения равномерности по всей длине изделия, разработка позволяет полностью автоматизировать технологический процесс нанесения покрытия. Разрабатываемая система позволяет повысить производительность и культуру труда и автоматизировать производство.

При необходимости скоростью наполнения полости изделия материалом

покрытия и его сливом можно управлять по заданной программе, оптимизируя тем самым время технологического процесса.

1.5 Теоретические проблемы построения устройств нанесения покрытия на

поверхность труб

Ранее созданные математической модели рассматривают свободное течение жидкости в вертикальных каналах. В процессе решения поставленной задачи необходимо рассматривать турбулентное течение материала покрытия внутри трубы при условии регулирования скорости движения потока с переменным давлением.

В работе [44] изложены теоретические и экспериментальные исследования, посвященные вопросу воронкообразования в потоке жидкости со свободной поверхностью. В работе [45, 46] дано математическое моделирование процесса движения свободной жидкости с учетом образования воронки. Однако эти работы посвящены в основном теоретическим объяснениям причин воронкообразования и описания поля скоростей при свободном сливе из сосудов с распределенной в пространстве поверхностью. Смещение воронки вместе с центром тяжести, которое имеет место в предлагаемой технологии, не рассматривается. В работе [47] рассмотрены вопросы гидродинамики, такие как равномерное напорное и безнапорное движение жидкости, истечение через отверстия, насадки и щели, истечение под переменным напором, местные сопротивления в трубопроводах. Анализ известных работ показал, что в настоящее время не решен ряд теоретических вопросов.

1. Применяемые математические модели слива вязкой жидкости не позволяют получить достаточно точного описания процесса движения жидкости переменной массы при переменном давлении.

2. Высокие требования к системам управления нанесения покрытий вызывают необходимость дальнейших теоретических исследований с целью повышения равномерности нанесения материала, функциональных способностей и стабильности технологического процесса. Необходимы исследования вопросов

температурной и климатической стабилизации метрологических параметров устройств управления, что очень важно в связи с необходимостью их применения в помещениях с тяжелыми условиями эксплуатации.

3. Определенные сложности вызывает нанесение равномерного покрытия на края трубы, связанные с перерегулированием в начале процесса и с очень низким давлением материала в конце. Необходимо провести дополнительные исследования для уменьшения участка с некачественным покрытием.

В диссертации предполагается обратить особое внимание на движение вязкой жидкости в трубе, а также провести исследования влияния параметров технологического процесса на качество покрытий. Турбулентное движение снижает пропускную способность трубы, приводят к дополнительным нагрузкам, вызывает другие осложнения в управлении нанесением покрытий.

Анализ библиографических данных показал, что для разработки высокотехнологичной конструкции необходимо решение ряда теоретических задач, главными из которых являются:

- разработка математической модели технологического модуля нанесения покрытия с учетом турбулентности;

- исследование влияния скорости движения материала и его температуры на толщину покрытия;

- определение функций преобразования элементов системы регулирования;

- оценка показателей качества процесса управления и выбор оптимальных параметров.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Зарецкая, Маргарита Игоревна

Выводы по главе 5.

По результатам программы испытаний можно сделать следующие выводы.

1. Разработаны и изготовлены лабораторный стенд и макетный образец для проведения испытаний. Проведенные эксперименты подтвердили адекватность полученных математической и компьютерной моделей, а так же алгоритмов функционирования устройства управления. Подтверждена методика поиска оптимальных параметров устройства в целом.

2. Разработанная методика испытаний показала свою жизнеспособность и объективные возможности по определению метрологических и эксплуатационных характеристик устройства.

3. Экспериментальные исследования опытного образца устройства управления подтвердили правильность основных теоретических положений, используемых при проектировании системы.

4. Опытный образец устройства управления нанесением покрытия на внутреннюю поверхность труб внедрен на технологическую линию на заводе ОАО «НЕГАСПЕНЗАПРОМ», г. Пенза, где успешно эксплуатируется в течение полу года. Материалы диссертации используются так же в учебном процессе СГАУ в курсовом и дипломном проектировании систем управления.

В диссертации предложены методы анализа и синтеза устройств управления нанесением покрытий на внутреннюю поверхность труб. Получены следующие результаты.

1. Разработаны способ и устройства управления нанесением покрытий, основанные на управляемом движении шликера внутри трубы, защищенные патентами РФ.

2. Создана математическая модель исполнительного модуля системы управления, преобразующего параметры движения, связывающая скорость шликера с его физическими характеристиками и конструкционными параметрами трубы, позволяющая исследовать влияние различных факторов на процесс слива, в частности пропускной способности задвижки, вязкости, температуры, шероховатости трубы.

3. Разработана и исследована компьютерная модель, отображающая влияние конструкционных и динамических параметров разработанных элементов на погрешность поддержания скорости движения шликера и равномерность покрытия. Показано, что увеличение постоянных времени элементов устройства управления и увеличение чувствительности датчика уровня, приводит к недопустимому перерегулированию, при сохранении общей устойчивости системы. Уменьшение чувствительности датчика уровня приводит к недостижению заданной скорости слива.

4. Разработаны функциональная и принципиальная схемы модуля обработки информации и управления на основе программируемого контроллера и алгоритмы его функционирования, включающие в себя режимы автоматического и ручного управления процедурой нанесения покрытия.

5. Получена аналитическая зависимость, связывающая пропускную способность шланговой задвижки с управляющим сигналом электропривода, которая носит нелинейный характер и имеет максимальную чувствительность вначале диапазона преобразования.

6. Разработана методика анализа неравномерности покрытия, основных, дополнительных и суммарной погрешностей, позволяющая определить абсолютную погрешность толщины покрытия при известных отклонениях параметров реального режима нанесения покрытия по скорости и температуре от идеального. Получены аналитические выражения, определяющие требования к элементам системы управления по метрологическим параметрам, а также напрямую исследовать влияние температуры на скорость движения шликера в трубе и на толщину покрытия. Средний коэффициент влияния температуры на скорость движения шликера в трубе составляет 2,6-10-4 [м/(с-°С)], на толщину покрытия при постоянной скорости 20 [мкм/ °С]. Показано, что для обеспечения толщины покрытия с погрешностью ±5% требуемая скорость при постоянной температуре должна поддерживаться с погрешностью ±4%.

7. Определено, что повышение равномерности покрытия связано с конструкционными, программными и комбинированными методами, основными из которых являются: управление процессом наполнения трубы, циркуляция наливаемого продукта, введение дополнительных устройств измерения уровня, введение поправки на температуру измеряемой пробы, оптимизация процесса регулирования по интегральному критерию качества.

8. Разработаны стенд и методика испытаний, изготовлены макетный и опытный образцы устройства управления нанесением покрытий. Эксперименты подтвердили корректность основных теоретических положений, описывающих элементы системы, адекватность полученных математической и компьютерной моделей, а также алгоритмов функционирования модуля обработки информации и управления. Определены метрологические и эксплуатационные характеристики устройства, которые обеспечивают толщину покрытия от 100 до 500 мкм с погрешностью ±5%.

9. Внедрен опытный образец устройства управления в технологическую линию ОАО «НЕГАСПЕНЗАПРОМ», г. Пенза, где успешно эксплуатируется в течение года. Материалы диссертации используются также в учебном процессе СГАУ в курсовом и дипломном проектировании.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зарецкая, Маргарита Игоревна, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. SALZGITTER-MANNESMANN-FORSCHUNG: [Сайт]. URL: www.salzgitter-mannesmann-forschung.de (дата обращения 15.11.2011).

2. BASF. The Chemical Company: [Сайт]. URL: http://www.basf-coatLngs.com (дата обращения 15.11.2011).

3. ARKEMA. Innovative chemistry : [Сайт]. URL: http://www.arkema.com (дата обращения 15.11.2011).

4. Воронин, В.И. Изоляционные покрытия подземных нефтегазопроводов [Текст] / В.И. Воронин, Т.С. Воронина. - М.: ВНИИОЭНГ, 1990. - 198 с.

5. Стандарт DIN EN 10290:2004-08.

6. SUMITOMO CORPORATION: [Сайт]. URL: http://www.sumitomocorp.co.ip (дата обращения 15.11.2011).

7. Dickerson, John G. FBE evolves to meet industry need for pipe line protection [Текст] / Dickerson John G. // Pipe Line and Gas Ind. - 2001. - №3. - P. 67-72.

8. Середницкий, Я. А. Матеріали трасовоі і базово! ізоляці і и нафтогазопроводів [Текст] / Я.А. Середницкий, О.Ф. Иткин // Нафт, і газ. пром-сть. - 1999. -№ 5.-С. 48-51.

9. Пат. 2162562 Российская Федерация, МІЖ7 F16L58/16, F16L57/00. Упругогибкая ленточная спираль из композиционных материалов (варианты) [Текст] / Егоренков И. А., Рыжиков В.В., Кришнев JI.M.; заявитель и патентообладатель Государственное предприятие производственное объединение «АВАНГАРД«. - № 99114335/06; заявл. 30.06.99; опубл. 27.01.01,

10. Учайкин, B.C. Антикоррозионное трехслойное полиэтиленовое покрытие стальных труб диаметром 530-1420 мм. [Текст] / B.C. Учайкин // Транспорт и хранение нефтепродуктов. - 1999. - № 9-10. - С. 15-17.

11. Груздев, A.A. Новые материалы, технологии и оборудование для защиты магистральных нефтепроводов от коррозии [Текст] / A.A. Груздев, A.M. Тютьнев, Н.М. Черказов // Трубопроводный транспорт нефти. - 1998. - № 1. - С. 20-21.

12. Гудов, А.И. Повышение качества изоляционных материалов и совершенствование технологии их нанесения при капитальном ремонте и реконструкции магистральных нефтепроводов [Текст] / А.И. Гудов, М.И. Сайфутдинов // Трубопроводный транспорт нефти. - 1998. - №2. - С. 22-23.

13. Гончаров, В.М. Эпоксидно-битумное покрытие для антикоррозионной защиты трубопроводов. Розроблення епокси-бітумноі композитіі для антикорозійного захисту трубопроводів [Текст] / В.М. Гончаров, І Л. Капцов, A.M. Россоха, В.В. Скрильник // Нафт, і газ. пром- сть. - 1998. - № 1. - С. 37.

14. Гумеров, Р.С. Опыт применения липких лент для антикоррозионной защиты нефтепроводов [Текст] / Гумеров Р.С., Лебеденко В.М., Рамеев М.К., Ибрагимов М.Ш. // Трубопроводный транспорт нефти. - 1996. - № 1. - С. 23.

15. Пат. 5415824 США, МКИ6 В 29 В 7/00. Method of producing phosphate ceramic pipe cladding [Текст] / J.L. Barral D.L. Morris, C. Fidder // заявитель и патентообладатель: Armstrong World Ind., Inc. - № 186995; заявл. 27.1.94; опубл. 16.5.95; НКИ 264/212.

16. Орехов, В.В. Новое технологическое решение при восстановлении антикоррозионного покрытия трубопроводов [Текст] /В.В. Орехов, Р.А. Бычков // Нефтепромысловое дело. - 1996. - №5. - С. 35.

17. Пат. 5518568 США, МКИ6 В 65 Н 81/00. High tensile strength composite reinforcing bands and methods for making same [Текст] / N.C. Fawlcy, G. Tipton, J. Schmidt; заявитель и патентообладатель N.C. Fawlcy, G. Tipton, J. Schmidt. -№298367; заявл. 30.8.94; опубл. 21.5.96; НКИ 156/175.

18. Гумеров, Р.С. Изоляционные материалы для трубопроводов [Текст] / Р.С. Гумеров, М.К. Рамеев, М.Ш. Ибрагимов // Трубопроводный транспорт нефти. - 1996. -№ 1. - С. 22.

19. A new system based on composite tape for in-situ pipeline reinforcement [Текст] / / Re Y. Colombo A. // Proc. 5th Eur. And Middle East. Pipeline Rehabil. Semin., Limassol, 25th-28th Apr., 1994. - Burnley, 1994. - C. 115-127.

20. Пат. 5300336 США, МКИ5 F 17 L 9/ 14. High performance coating [Текст] / D. Wong, J. Holub, J.G. Mordarski; заявитель и патентообладатель: Shaw Ind. Ltd. -№ 959970; заявл. 13.10.92; опубл. 5.4.94; НКИ 428/35.9.

21. Вайднер, X. Изоляция стальных труб полиэтиленом [Текст] / X. Вайднер // Газовая промышленность. - 1994. - № 11. - С.33-34.

22. ГАЗПРОМ. Институт ВНИИГАЗ: [Сайт]. URL: www.vniigaz.gazprom.ru (дата обращения 21.01.2012).

23. TIB-CHEMICALS: [Сайт]. URL: www.tib-chemicals.com (дата обращения 21.01.2012).

24. Пат. 5407726 США, МКП7 C09J 7/02. Conformable high temperature resistant tapes [Текст] / Serra, et al.; заявитель и патентообладатель: The Kendall Company. № 07/925, 835; заявл. 7.08.92; опубл. 18.04.95

25. GRACE CONSTRUCTION PRODUCTS - UNITED KINGDOM: [Сайт]. URL: http://www.uk.graceconstruction.com (дата обращения 21.01.2012).

26. VIVIAN REGINA. Manufacturers of Fiberglass Solutions for Superior Composites: [Сайт]. URL: http://www.vivianregina.com (дата обращения 21.01.2012).

27. Кузнецов, M.B. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров [Текст]: учебник для вузов / М.В. Кузнецов, В.Ф. Новосёлов, П.И. Тугунов, В.Ф. Котов. - М.: Недра, 1992.

28. Скугорова, Л.П. Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ: учебник для вузов [Текст] / Л.П. Скугорова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Нефть и газ, 1996. - 350 с.

29. Казак, К.В. Производство низкотемпературных эмалей, повышенной химической стойкости и механической прочности [Текст] / К.В.Казак // Сборник научных трудов всероссийской научно-практической конференции «Об опыте работы и перспективах использования стальных труб с силикатно-эмалевых покрытием». - Пенза: Приволжский дом знаний, 2002.

30. Казак, К.В. Получение стальных эмалированных труб повышенной стойкости для нефтегазовой, химической и др. отраслей [Текст] / К.В.Казак // Сборник

научных трудов всероссийской научно-практической конференции «Трубы в машиностроении - проблемы и пути их решения предприятиями НМК». -Волжский: ОАО «ВТЗ», 2002.

31. Мустафин, Ф.М. Промысловые трубопроводы и оборудование [Текст]: учеб. пособие для вузов / Ф.М.Мустафин, Л.И.Быков. - М.: Недра, 2004. - 662с.

32. Пат. 2192930 Российская Федерация, МПК7В05С7/08. Устройство для нанесения жидкости на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий /Шаповалов Ю.Н., Шабанов И.Е., Мальцев М.В., Пыжнов С.Н.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная технологическая академии.-№2000127380/12; заявл. 01.11.00; опубл. 20.11.02.

33. Пат. 2250142 Российская Федерация, МПК7В0507/22. Устройство для нанесения жидкости на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий /Шаповалов Ю.Н., Гончаров И.Л., Шабанов И.Е., Мальцев М.В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная технологическая академии.- №2003127712/12; заявл. 12.09.03; опубл. 20.04.05.

34. Пат. 2311966 Российская Федерация, МПК7В05С7/08. Устройство для нанесения жидкости на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий /Шаповалов Ю.Н., Мальцев М.В., Хабаров Д.Е.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная технологическая академии.- №2006119564/12; заявл. 05.06.06; опубл. 10.12.07.

35. Пат. 2340408 Российская Федерация, МПК7В05В13/06, В05С7/08. Устройство для нанесения жидкости на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий / Мальцев М.В., Шабанов И.Е. Шаповалов Ю.Н.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная технологическая академии.- №2006136837/12; заявл. 17.10.06; опубл. 10.12.08.

36. Пат. 2338603 Российская Федерация, МПК7В05С7/08. Устройство для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий /Шаповалов Ю.Н., Мальцев М.В.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная технологическая академии.- №2007117231/12; заявл. 08.05.07;

опубл. 20.11.08.

37. Пат. 2315668 Российская Федерация, МПК7В05С7/08. Устройство для нанесения жидкости на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий /Шаповалов Ю.Н., Мальцев М.В., Хабаров Д.Е.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная технологическая академии,- №2006119565/12; заявл. 05.06.06; опубл. 27.01.08.

38. Пат. 97112544 Российская Федерация, MIIK7C23D5/02. Способ двустороннего безгрунтового эмалирования фигурных труб малого диаметра с резьбовыми концами /Будников В.Ф., Будников Д.В., Шачин A.A.; заявитель и патентообладатель Научно-технический центр предприятия «Кубаньгазпром».-№97122544/02; заявл. 21.07.97; опубл. 20.07.99.

39. Пат. 2121523 Российская Федерация, MIIK7C23D5/04. Способ двустороннего эмалирования труб большого диаметра /Будников В.Ф., Будников Д.В., Шачин A.A.; заявитель и патентообладатель Научно-технический центр предприятия «Кубаньгазпром».- №97112820/02; заявл. 15.07.97; опубл. 10.11.98.

40. Заявка 2010116734 Российская Федерация, МПК7В05С11/10. Способ нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы [Текст]/ Скворцов Б.В., Борминский С.А., Голикова М.И., Сератинский A.A., Риккер В.И.; заявитель и патентообладатель Скворцов Б.В., Борминский С.А., Голикова М.И., Сератинский A.A., Риккер В.И. - 2010116734; приоритет 27.04.2010г.

у

41. Пат. 96793 Российская Федерация, МПК В05С11/10. Устройство нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы [Текст]/ Скворцов Б.В., Борминский С.А., Голикова М.И.; заявитель и патентообладатель СГАУ.-2010114883; заявл. 13.04.10; опубл. 20.08.10, Бюл. №23.

42. Пат. 106850 Российская Федерация, МПК7В05С7/08. Устройство нанесения изолирующих покрытий на внутреннюю поверхность трубы [Текст] / Скворцов Б.В., Борминский С.А., Голикова М.И.; заявитель и патентообладатель Скворцов Б.В., Борминский С.А., Голикова М.И.- 2011106716/05; заявл. 22.02.11; опубл. 27.07.11, Бюл. №21.

43. Заявка 2011154418 Российская Федерация, МПК7В05С7/08. Система

автоматического управления нанесением изолирующего покрытия на внутреннюю поверхность изделий цилиндрической формы [Текст]/ Скворцов Б.В., Борминский С.А., Голикова М.И.; заявитель и патентообладатель ООО «Аналитические приборы и системы» - 2011154418; приоритет 29.12.2011г.

44. Поликовский, В.И. Воронкообразование в жидкости с открытой поверхностью [Текст] / В.И. Поликовский, Р.Г. Перельман. - М.: Госэнергоиздат, 1959. - 190 с.

45. Каратаев, С.Г. Численный метод расчета вязких течений в каналах. Сообщения по прикладной математике [Текст] / С.Г. Каратаев. - М.: АН СССР, Вычислительный центр РАН, 1989. - 215 с.

46. Карабущенко, JI.JI. Расчет осесимметричных движений тяжелой жидкости со свободной поверхностью при сильной закрутке потока [Текст] / JI.JI. Карабущенко. - М.: Препринт ВЦ РАН, 1998. - 20 с.

47. Люкшин, B.C. Справочник машиностроителя [Текст]: в 6 т. Т.1 / В.С.Люкшин. - М: Машгиз, 1956. - 568 с.

48. Ачеркан, Н.С. Справочник машиностроителя [Текст] : в 6 т. Т.2 / Н.С.Ачеркан. - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1956. - 559 с.

49. Яворский, Б.М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов [Текст]: учеб. пособие / Б.М. Яворский, A.A. Детлаф. - М.: Наука, 1974. - 942 с.

50. Рязанов, Ю.А. Проектирование систем автоматического регулирования [Текст] / Ю.А.Рязанов. - М.: Машиностроение, 1968. - 360 с.

51. Atmel Corporation - Microcontrollers, 32-bit, and touch solutions: [Сайт]. URL: www.atmel.com (дата обращения 03.06.2012).

52. Евстифеев, A.B. Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы «Atmel» [Текст] / А.В.Евстифеев. -М.: «Додэка-XXI», 2004. - 560 с.

53. Перельман, Б.Л. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги. Справочник [Текс] / Б.Л. Перельман, В.И. Шевелев - М.: НТЦ Микротех, 1998. -376 с.

54. WINSTAR Displey Co., Ltd: [Сайт]. URL: www.winstar.com.tw (дата

обращения 06.06.2012).

55. Датчики давления, высокотемпературные датчики давления, датчики деформации, блоки питания, манометры, контрольно-измерительные приборы и аппаратура (КИПиА): [Сайт]. URL: http://www.metronic.ru (дата обращения 11.06.2012).

56. Прямые поставки из Германии электротехнической продукции: [Сайт]. URL: http://www.germany-electric.ru (дата обращения 11.06.2012).

57. Хоровиц, П. Искусство схемотехники [Текст]/ П. Хоровиц, У. Хилл. - 5-е изд., перераб. - М.: Мир, 1998. - 698 с.

58. Слободкин, М.С. Исполнительные устройства регуляторов [Текст]: Справочное руководство / М.С.Слободкин, П.Ф.Смирнов, Ю.Я.Казинер.- М.: Недра, 1972.-304 с.

59. Казинер, Ю.Я. Пневматические исполнительные устройства в системах автоматического управления [Текст] / Ю.Я.Казинер, М.С.Слободкин. - М.: Энергия, 1972. - 72 с.

60. Фогельсон, P.JI. Температурная зависимость вязкости [Текст] / Р.Л.Фогельсон, Е.Р.Лихачёв // Журнал технической физики, вып.8. - 2001. - Т. 71.

61. Таблицы физических величин [Текст]: справочник под ред. академика И. К. Кикоина / И.К.Кикоин [и др.]. - М.: АТОМИЗДАТ, 1976. - 1008 с.

62. Луганский, Е.М. Влияние температуры на качество каменноугольной смолы [Текст] : дис....магистра / Луганский Евгений Михайлович. - Донецк, 2001.

63. Пупков, P.A. Методы теории автоматического управления [Текст] / P.A. Пупков. - М.: Издательство МВТУ им. Баумана, 1997. - 215 с.

64. Жиганов, И.Ю. Бесконтактные устройства измерения геометрических параметров труб [Текст] / И.Ю.Жиганов. - М.: Вузовская книга, 2004. - 272 с.

65. Кулаков, М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств [Текст] / М. В. Кулаков. - 3-е изд., перераб. и доп. - - М.: Машиностроение, 1983. - 424 с.

66. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров [Текст]: учеб. пособие/ Г. Корн, Т. Корн. - М.: Наука, 1974. - 832 с.

67. Демидович, Б.П. Численные методы анализа [Текст] / Б.П.Демидович, И.А.Марон, Э.З.Шувалова. - М.: Наука, 1967. - 368 с.

68. Дьяконов, В.П. Simulink 5/6/7 [Текст]: Самоучитель / В.П. Дьяконов. - М.: ДМК-Пресс, 2008. - 784с.

69. Удалов, Н.П. Электронные устройства автоматики [Текст] / Н.П.Удалов. -М.: Машиностроение, 1982. - 288 с.

70. КОНСТАНТА. Производство средств неразрушающего контроля: [Сайт]. URL: http://constanta.ru (дата обращения 08.09.2012).

71. Валитов, A.M. «Приборы и методы контроля толщины покрытий [Текст]: Справочное пособие / А.М.Валитов. - М.: Машиностроение, 2003. - 120 с.

72. Неразрушающий контроль и диагностика [Текст]: справочник под ред. чл.-кор. РАН Клюева В.В. / В.В.Клюев [и др.]. - М.: Машиностроение, 2003. - 638 с.

Численное решение математической модели модуля нанесения покрытия

Ь := О Д.. 12 1 £:= 9.807 «:= 0.0,0.1.. 1.0

/

идеальный слив (без сопротивления стенок)

ХОьа) :=аТ20Й

У(12,0.1) = 1.534 У(12,0.2) = 3.068

У(12,1.0) = 15.342

У(Ь ,0.2) У(Ь,1)

20000

ДО == 0-01

Нм := 12

(нм " Но)

п := -

N - 1

:= Ц + И

М := 100 ]' := 0..М

А :=

1

М - 1

Г| := 10

а := 1

Ш) '■= 0.0 + Л

Ж] := О-у^ЦвЩ

У0,0 := а0л/2(О Н0)

слив с учетом сопротивления стенок и турбулентности

I := 0..И ]' := 1..М

VI:= + Ь

(ч)2

Н1

(Ь)2-!]

-НН 0.1

Я 7 У

1 о

0.73 •—) + 50---—

0.25

10 11 12

та ■= - НІ

вводим коэффициент поправки на технологический процесс

2

го := 0.02 СТ :=

го

г,2 2

II + ГО

к := 10

-4

Мл := «і-к

в-

1 О V Ні ,

.[(ст.^)2-і]

1ИГ

V

0.73 •— 1 + 50-

и; V; ¡Я

пО.25

1 .1

V

0.4 0.387

у1,100°-373

- 0.36

у1,90 0.347 0.333 0.32 У,,70 0.307

---0.293

У',б0 0.28 0.267 0.253 ^,40 0.24

"Г" 0.227 ^,,30 0213

V. - 0.2

11 12

Шкала времени в конечно-разностной форме вычисляется по формулам

Ь

г. , := г, +

к-1,а к,а у

к,а

V. := О 1 ,а

Определение закона регулирования для стабилизации стокрости

N = 20000 Н0 = 0 01

1 = 0 N HN = 12

(Hn - Но)

К = 10

л = ю

R = 0 1

h =

N - 1

H,+i = Н, + h

м = 100 J = о м д =

М - 1

ао = 0 0 ccj+i = oij + Л

V0;J = cxj ДОЩ)

V0,0 = а0 \J2(G HQ)

J = 1 M

го = 0 02 СТ =

го

О2 2

R + го

„-4

k = ю ш = Н, к

V1+l,j = VIJ + h

v>,j I н. JLV J

- H, Kl, -

сЛ (Ста/

К J v.,J

0 73 ^ | + 50

1 фиксируем скорость 0 05м/с

il = О N В = 005 jll5 = 15

il 'I |(%10П5-В)| <0 01 О otherwise

А115 = max(k)

А115 = 2х 104 il = А115

= 12 001 H115 = H,i = 12 001

iL= 0 N

k,i =

&=005 j12 = 20

il if |(v,i,ji2-B)| < 0 001

0 otherwise

A12 = max(k)

A12 = 1 1 x104 il = A12

= 6 607 H12 = H,i = 6 607

AL=0 N

&=005 ]13 = 30

kn = Il if 1(^13-B)I < 0 001 0 otherwise

A13 = max(k)

A13 = 4 869 x 103 il = A13

2 929 H13 = H,i = 2 929

¿L=0 N

k,i =

005 jl4 = 40

il if Kv^jm-b)! < 0 001 0 otherwise

A14 = max(k)

A14 = 2 729 x 103 il = A14

^ = 1 646 H14 = H,i = 1 646

kn :=

<EL:= 0.05 jl6 := 60

il if |(Vji,ji6-B)| < 0.01 0 otherwise

A16 := max(k)

A16 = 1.67 x 103 il := A16

H^.^ = 1.011 H16 := Hi! = 1.011

kii :=

0-05 jl8 := 80

il if |(Vii,ji8-B)| < 0.01 0 otherwise

A18 := max(k) A18 = 924

il := A18

kn :=

0-05

jlio = 100

il if |(Vii,jiio-B)| < 0.01 0 otherwise

H^ = 0.564 H18 := Hjj = 0.564

A110 := max(k)

A110 = 566 il := A110

H^.j = 0.349 H110 := Hji = 0.349

построение графика а(Н) при скорости 0,05 м/с

Z005 .= data005

<1>

г а\5 Н115л а20 Н12 азо Н13

data005 := а40 Н14 <0>

а005 .= data005

абО Н16 «80 Н18 чаюо НПО

Расчеты при фиксации на других скоростях имеют аналогичный вид

Z005,Z01,Z015

Компьютерная модель совместного функционирования элементов устройства управления в динамическом режиме в МАТЬАВ+БШиЫМК

---

g funkcionalk3jL'.v_dùtchik •

"í

гае;. иг

Simulation format * Tools' Help

□ ( tg в m s * m m i ^ tf j ra g i \ .« ,îbo ' ,n0™J" "£js ш и üq гф . s щ m m «

H

Garni

Demative!

alfa

2 0 Tfu)

duля

2 D Lookup Tabte2

датчик уровня

V

P(u) 0(P¡ = 2

m

deformaciva zadvigb

JF

Dead Zone Saturationl

50'

Ready

125%

о

XY Graph

О

Scope

03

Constants

Ые45

; ft

! f

i ~

»«

II

^ ^ ^ ^ 4 ^

М,1 1,1,Ц,1 1.11,1.1 1

I ёг

§ &

И

й

Расчет погрешности толщины покрытия от скорости движения материала при постоянной температуре

скорость толщина покрытия

^ 0.05^ '200^

0.1 255

0.15 285

X :=

0.2 300

0.25 310

ч ) ч 315^

Полиномиальная аппроксимация

УХ := X УУ:=У

к := 3

л := го\У5(Х) п = 6

¡:=0..п - 1

Расчет погрешности толщины покрытия от температуры наносимого материала при постоянной скорости

температура

18

19

20 21

у22у

X :=

толщина покрытия

'245^ 265 285 305 325 Ч345у

Полиномиальная аппроксимация

УХ:= X УУ:=У

к := 3

п := го\У5(Х) ¡:=0.. п - 1

п =6

ъ := ге§ге5в (X, У,к)

Ь := 5иЬта1пх(2,3,длина(г) - 1,0,0)

Ь =

-95 20

-5.506х 10" V 0

14

Система регулирования сливом с корректировкой по сигналу датчика температуры

funkrionalka.nev; ilatch.ii.teniptîratu-,-; ■ |

File Edit View Sirulaiion For.-..Гі Гг-ols Help

? D | Ö в в ' iPl ! -}•"-; І : О. f Л j ► ■ J5) (Normal

Q*\

m

2-DLookup ТаЫе2

2-0 T(u)

-K-

W1

¡Ы

Ready

m

0{P) = 2

m

-Ы1.5

Gainl

Derivative!

du/dt

датчик уровня

О

VO

W2

deformaciya zadvigk)

X

1

0-2s»1 0..2s+t

Dead Zone Saturation!

тт»ййшШшійШі§Ші»іашйаШ

0 2$2 +

WS

|125%"

"HOI

XY Graph

О

Scope

Gx

0.3

V étalon

-K-

W3

Q1

18

étalon

20

T real

і

і ( 1 І |i I

lit k

І f§ i

1

;|ode45

JA