Резка

Резка под водой экзотермическими электродами

Технология резки под водой экзотермическими электродами (ТЭР), разработанная в США [182 - 187], основана на разделении металлических и неметаллических конструкций струей, сформированной из продуктов сгорания железа в потоке кислорода. Температура режущего факела по разным данным колеблется от 3000 до 6000 ?С [188]. Технология востребована потребителем, так как позволяет достаточно быстро разделять металлические и неметаллические конструкции без предварительной зачистки поверхности от обрастания и лакокрасочных покрытий. За счет этого существенно повышается производительность труда водолаза-резчика, что является определяющим фактором при выполнении большинства операций. Подача под воду электрического тока необходима только для поджига электрода. Отпала необходимость в использовании под водой тяжелых сварочных кабелей. Это облегчило работу водолаза, в особенности, когда он находится на некотором удалении от обеспечивающего судна. Резка под водой экзотермическими электродами нашла широкое применение в странах ближнего и дальнего зарубежья. Ее эффективность подтверждена рядом выполненных работ.

Электрод для ТЭР состоит из:

Геометрические размеры, конфигурация и материалы ТВЕЛов являются определяющими факторами процесса экзотермической резки. Для повышения производительности процесса экзотермической резки необходимо обеспечить минимальный расход электрода при максимальной прорезающей способности. Это достигается повышением эффективности взаимодействия высокотемпературного экзотермического факела, образующегося при горении электрода, с разрезаемой поверхностью.

Для получения максимального результата необходимо оптимизировать сочетание следующих факторов:

Повышение тепловой мощности горения электрода возможно за счет увеличения массы сгорающего наполнителя ТВЭЛа в единицу времени.

Снижение удельного расхода электрода достигают повышением его термостойкости.

Концентрация режущего факела повышается за счет воздействия периферийного кольцевого потока, формируемого козырьком. Он образуется в результате опережающего горения ТВЕЛа по сравнению со скоростью горения оболочки - корпуса.

Наибольшее прорезающее воздействие высокотемпературное ядро оказывает при его оптимальном расположении относительно разъединяемой конструкции. Формирование ядра экзотермического потока происходит с помощью козырька, образуемого корпусом электрода. Он фокусирует экзотермический факел и снижает его рассеивание в окружающую среду.

Эффективность работы экзотермического электрода обеспечивается при условии достаточного поперечного сечения материала ТВЭЛа. Для этого применяют стандартные элементы из проката низкоуглеродистой стали, обеспечивающие достаточную для резки экзотермию. Из таких же материалов выполняют и корпус электрода в виде тонкостенной трубки. В качестве гидроизолирующего покрытия применяют неэлектропроводные полимерные материалы с низкой термостойкостью, обеспечивающей обгорание изоляции одновременно с трубчатым корпусом (изоляционную ленту или другие полимеры толщиной 0,1 - 0,3 мм).

В состав ряда электродов для увеличения тепловыделения от экзотермической реакции горения в струе кислорода добавляют материалы с высокой теплотой образования оксидов (алюминий, магний, титан и их сплавы), изготавливая из них или покрывая ими отдельные элементы ТВЭЛов [129, 184, 189, 190].

Наибольшая эффективность центрального кислородного потока достигается при диаметре центрального канала 2,5 - 3,5 мм. В этом случае оптимальным является стержневой набор, состоящий из шести проволок диаметром 3 мм или 7 проволок диаметром 2,5 мм. Ряд производителей электродов одну из стальных проволок заменяют алюминиевой. При таком стержневом наборе корпус электрода формируют из тонкостенной трубки с внутренним диаметром 9 (8,4) мм и толщиной стенки 0,5 - 0,8 мм. Поверхность корпуса с внутренней и наружной сторон могут покрывать алюминием, медью, хром, никелем, цинком и другими материалами. Увеличение толщины корпуса приводит к повышению термостойкости и снижению скорости ее сгорания.

Существенное влияние на процесс экзотермической резки оказывает расход кислорода и его чистота. Теоретически для сгорания 1 кг железа необходимо 200 - 270 л кислорода. Практически расход кислорода в случае использования экзотермических электродов в 2 - 5 раз выше. Он зависит от конструкции электрода, глубины выполнения работ и ряда других факторов. Расход такого дополнительного количества кислорода обусловлен, в первую очередь, необходимостью эвакуации продуктов плавления и окисления разрезаемого материала из полости реза. В цепочке редуктор - разрезаемый металл расход кислорода ограничивается суммарным проходным сечением электрода, электрододержателя и подводящих коммуникаций. Применительно к электродам указанных выше размеров расход кислорода на глубине 10 м составляет 0,003-0,005 м³/с (0,2-0,3 м³/мин). С увеличением глубины проведения работ эти показатели возрастают пропорционально давлению окружающей среды.

Для начала процесса экзотермической резки необходимо осуществить "поджиг" электрода. Напряжение для поджига электрода 10 - 30 В. Сила тока 50 - 300 А подается с поверхности по команде водолаза. В качестве источников поджига используют сварочные выпрямители и преобразователи с жесткой и падающей внешними вольтамперными характеристиками. Возможно применение аккумуляторных батарей, размещаемых как под водой, так и на поверхности, с напряжением не менее 12 В. Время поджига электрода (подачи электрического тока) колеблется от 5 до 15 с.

Для поджига электродов можно применять и специализированные разовые зажигалки, монтируемые на конце электрода. Использование таких зажигалок существенно облегчает технологический процесс ТЭР, так как нет необходимости подавать под воду напряжение. Однако стоимость таких зажигалок сравнима со стоимостью электродов, а иногда и выше ее.

Для поджига и реализации ТЭР фирма "Arcair" разработала установку автономной экзотермической подводной резки "Underwater self-Contained Cutting Package" [169]. Установка предназначена для выполнения работ на глубине до 18 м. Объем кислорода в баллонах 1,6 м³. Аккумулятор обеспечивает поджиг 20 электродов диаметром 3/8". Этого запаса кислорода и электроэнергии достаточно для выполнения 6 м реза стали толщиной 20 мм (сжигается 10 электродов). Установка снабжена системой регулирования плавучести и имеет массу в снаряженном состоянии на воздухе 67,6 кг.

Электроды различных конструкций и типоразмеров для разделения конструкций с применением ТЭР выпускают в России и Украине, а также в других странах. Основными мировыми производителями являются такие фирмы, как "Broco", "Arcair", "Magnum Manufacturing Inc", "Specialiti Welds Ltd", "Carbonarc". Электроды в зависимости от производителя отличаются конструкцией ТВЭЛов, гидроизоляционным покрытием и типоразмерами. Так, фирма "Broco" (США) выпускает трубчато-стержневые электроды, состоящие из стального тонкостенного корпуса (стенка 0,7 мм), в котором продольно размещены семь отрезков проволоки диаметром 2,4 мм. Аналогичные электроды фирмы "Arcair" (США) состоят из стального тонкостенного корпуса (стенка 0,8 мм), в котором вместо проволочного набора смонтирована стальная спираль. Большинство их параметров, характеризующих скорость резки, расход электродов и кислорода на один погонный метр реза, а также толщину разрезаемого металла, близки. Разница, по данным производителей, составляет 10 - 25%. Условия проведения тестовых испытаний, в рамках которых получены эти параметры, в рекламных проспектах фирм не приведены. Это не позволяет получить достоверные сравнительные данные по всем имеющимся на рынке электродам.

Время горения одного электрода колеблется от 30 до 70 с и зависит от его размеров, глубины, конструкции, давления, чистоты подаваемого кислорода, а также от того, подается ли на электрод напряжение во время его работы.

Электрод закрепляют в цанге специализированного держателя. Держатель обеспечивает подачу на электрод кислорода и электрического тока для поджига (для некоторых типов электродов и подпитки электрическим током во время работы). Кислород подает водолаз с помощью рычажного клапана. Как правило, для выполнения ТЭР используют держатели, применяемые для ЭКР. Все эти держатели, независимо от производителя, снабжены набором сменных цанг для крепления электродов различных диаметров. Перечень держателей, используемых для ТЭР, приведен на стр.

Техника разделения под водой металлоконструкций с применением экзотермических электродов близка к технике ЭКР под водой. Процесс резания начинают с подачи кислорода. Электрод поджигают несколько позже. Это необходимо для предотвращения попадания во внутренний канал электрода брызг металла, образующихся при его поджиге (возбуждении дуги). Если поджиг (возбуждение дуги) осуществить до подачи в зону реза кислорода, капли расплавленного металла могут попасть внутрь электрода, и при подаче кислорода возгорется. При этом выгорает герметизирующая электрод прокладка и, как и при ЭКР, может расплавиться узел крепления электрода.

При завершении работы подачу кислорода прекращают с помощью рычажного клапана держателя, а в случае подачи на электрод напряжения во время резки - разрывом дугового промежутка.

Перед началом разделительной резки водолазу необходимо установить силу тока поджига электрода, если для этого используют палубные источники питания дуги. Если процесс экзотермической резки требует подпитки электрическим током (100 - 250 А), то электрические параметры источника устанавливают, согласно паспортным данным на электроды. Во всех случаях, электрические параметры ТЭР, ниже, чем ЭКР. Это позволяет существенно уменьшить сечение токоподводящего кабеля или совсем отказаться от него, используя разовые зажигалки или аккумуляторные батареи, расположенные в зоне выполнения работы. Давление кислорода в системе шланг - держатель - электрод устанавливают редуктором в соответствие с паспортными данными на электроды, а также в зависимости от глубины резки, толщины разрезаемого материала и длины шланга, по которому подается кислород. С увеличением глубины выполнения работ на каждые 10 м давление кислорода увеличивают на 0,1 МПа. С увеличением длины шланга на каждые 30 м давление кислорода также увеличивают на 0,1 МПа.

Процесс разделительной резки начинается с момента формирования полости реза на всю толщину разрезаемого металла. Этот момент наступает, когда прекращается выдувание продуктов плавления и окисления в сторону резчика. Затем водолаз-резчик перемещает конец электрода в двух направлениях: первое - поступательное по оси электрода; второе - вдоль линии реза.

Электрическая цепь поджига размыкается и замыкается по команде водолаза. Для разъединения электрической цепи используют автомат или рубильник, установленный на водолазном посту.

Для регулировки давления кислорода, подаваемого на электрод, при резке на глубине до 30 м необходимо пользоваться редукторами, обеспечивающими его пропуск не менее 0,0139 м³/с (50 м³/ч). В случае увеличения глубины выполнения работ необходимо пользоваться кислородным редуктором, обеспечивающим пропуск кислорода более 0,0194 м³/с (70 м³/ч).

Кислород к держателю поступает по кислородному шлангу с внутренним диаметром не менее 9 мм.

При работах на глубине до 10 м одного транспортного 40 - литрового баллона, содержащего 6,3 м³ кислорода, достаточно для использования 15 - 20 электродов с наружным диаметром 9,52 мм. При увеличении глубины выполнения работ до 30 - 40 м оптимальным является соединение баллонов в рампе, где их количество колеблется от 4 до 12. Использование рампы позволяет существенно сократить подготовительно-заключительное время даже при выполнении небольших объемов экзотермической резки.

Ряд водолазных станций на западе используют только этот вид резки благодаря его универсальности, хотя стоимость разделения целого ряда металлоконструкций можно снизить, используя другие виды резки.

После работ, проведенных специалистами компании "Джекссон марин рикавериз лимитид" в 1981 г. по вырезке отверстий в корпусе и последующей расчистке завалов во внутренних помещениях английского крейсера "Эденбург" с применением экзотермических электродов, представители ВМФ СССР заинтересовались этой технологией, По их заказу в ИЭС им. Е.О. Патона были проведены научно-исследовательские работы и разработаны образцы электродов АНР-Э10 оригинальной конструкции, а также электрододержатели для ТЭР [106, 107].

На основании результатов, полученных при проведении научно-исследовательских работ с ВМФ СССР, в С.-Петербурге было создано специализированное оборудование. В настоящее время электроды ЭТС-1, ЭТС-2 и ЭТС-3 выпускают на ФГУП "28-й Военном заводе" [169, 171].