Резка

Плазменная резка под водой

Первые эксперименты с использованием технологии плазменной подводной резки (ППР) относят к 1959 - 1960 гг. [191, 192]. В процессе экспериментов были получены обнадеживающие результаты, однако применение ручной плазменной резки под водой затруднено из-за ряда технических причин и технологических особенностей [193]:

В 1972 г. был разработан специализированный комплект оборудования ОППР-2 для подводной аргоноплазменной резки [193]. Проведенные с помощью комплекта оборудования исследования показали, что реализация этой технологии возможна на глубине до 20 м.

Сущность способа плазменной резки состоит в проплавлении металла разрезаемого объекта сжатой плазменной дугой и интенсивного удаления расплава струей плазмы. Поток плазмы получают в плазмотронах. Корпус режущего плазмотрона содержит цилиндрическую дуговую камеру малого диаметра с выходным каналом, формирующим сжатую (плазменную) дугу. Для возбуждения плазмогенерирующей дуги служит электрод, располагаемый в дуговой камере с тыльной стороны. Столб дуги ориентируется по оси формирующего канала и заполняет практически все его сечение.

В дуговую камеру подают рабочий газ, который поступая в столб дуги, заполняющий формирующий канал, превращается в плазму. Вытекающий из сопла поток плазмы стабилизирует дуговой разряд. Газ и жесткие стенки формирующего канала ограничивают стенки столба дуги (сжимают его), что приводит к повышению температуры плазмы до 20 000 - 30 000°С. При такой температуре электрическая проводимость плазмы приближается к электрической проводимости металлического проводника. Скорость плазмы в струе, истекающей из сопла режущего плазмотрона, может превышать 2000 - 3000 м/с.

При резке под водой, как правило, применяют дугу прямого действия, возбуждаемую на разрезаемом металле. При этой технологии используют энергию одного из приэлектродных пятен дуги и энергия плазмы столба и вытекающего из него факела. Поэтому резку по такой схеме называют плазменно-дуговой.

Технология разделительной плазменно-дуговой резки основана на расплавлении разрезаемого металла струей плазмы, вытекающей из плазмотрона. Плазмотрон перемещают по заданной траектории над поверхностью разрезаемого изделия. Струя плазмы расплавляет и выдувает жидкий металл, а окружающий ее поток более холодного газа препятствует отклонению дуги, заставляя ее проникать в толщу разрезаемой конструкции. Анодное пятно, часть столба и вытекающий из него факел плазмы по мере расплавления металла и формирования полости реза погружаются в него.

Напряжение режущей дуги определяют длина и диаметр формирующего канала плазмотрона, вид и расход газа, толщина металла, скорость резки, сила рабочего тока и величина зазора между соплом и металлом. С увеличением толщины разрезаемого металла напряжение возрастает.

В качестве рабочей плазмообразующей среды при подводной резке используют, как правило, воздух. В результате поглощения кислорода металлом на поверхности реза в стали происходит растворение кислорода, снижающее температуру ее плавления, и развиваются экзотермические реакции окисления железа, обеспечивающие дополнительный приток теплоты.

Начиная с 1972 г. в ИЭС им. Е.О. Патона под руководством академика К.К. Хренова были выполнены работы, позволившие осуществить воздушно-плазменную резку под водой плазмотроном с циркониевым катодом [194]. Применение в качестве плазмообразующего газа воздуха взамен аргона и азота позволило улучшить энергетические показатели процесса. Скорость резки, обеспечиваемая при использовании в качестве плазмообразующего воздуха, в 2 - 3 раза выше, по отношению к показателям, получаемым в случае использования аргона или азота [195].

На базе разработанной технологии при содействии Ростовского центрального проектно-конструкторского бюро и ЭО АСПТР ЧМП была разработана установка "СКАТ-2М" для воздушно-плазменной резки в воде. При создании установки были решены ряд технических проблем, связанных с необходимостью защиты плазменной дуги от воздействия морской воды, обеспечения ее поджига и устойчивого горения на глубине и исключения опасности поражения водолаза электрическим током.

Установка состоит из аппаратного шкафа, блока водоснабжения и обеспечения воздухом, ручного плазменного резака с электро-, водо,- воздушными коммуникациями, вьюшки для спуска и подъема плазменного резака.

Техническая характеристика установки "Скат 2М"

Толщина разрезаемого металла, мм30
Диапазон регулирования силы рабочего тока, А200 - 400
Напряжение питающей сети, В380
Номинальная мощность, кВт100
Рабочее напряжение между изделием и резаком (глубина 20 м), В200
Давление сжатого воздуха, МПа0,6
Расход сжатого воздуха, м³/с (м³/ч)0,001-0,0025 (4-9)
Давление охлаждающей воды, МПа1,0
Расход охлаждающей воды, м³/с (м³/ч)До 0,00006 (0,2)
Масса источника питания, кг1040
Масса установки, кг1390

Установкой управляют с помощью выносного пульта, который можно расположить непосредственно у места спуска водолаза. Основные параметры процесса устанавливают и контролируют приборами, размещенными на передней панели аппаратного шкафа.

В аппаратном шкафу находятся блок питания дуги, панели схем управления блокировок, защит и подключения коммуникаций плазменного резака.

Плазменный резак снабжен легко сменяемым режущим катодно-сопловым блоком, обеспечивающим непрерывную работу резака в зависимости от глубины в течение 1,0 - 2,5 ч. В резаке применяют гафниевые или цирконовые катоды, широко используемые при обычной воздушно-плазменной резке.

По данным разработчика, установка обеспечивает качественную резку листового неочищенного металла толщиной до 30 мм на глубине до 20 м. Резке поддаются как черные, так и цветные металлы.

Макетный образец установки "СКАТ-2М" для воздушно-плазменной резки под водой в морских условиях прошел успешную апробацию при подъеме танкера "Людвиг Свобода". Было выполнено 1160 погонных метров реза металлоконструкций с толщиной стенки от 15 до 35 мм [196]. В процессе работ установили, что имеются конструктивные недоработки, из-за которых приходилось часто менять сопла и катоды в головке резака, шланги подачи воздуха, воды и другие коммуникации, а также постоянно настраивать приборы управления. Еще один недостаток - невозможность прорезать днище танкера толщиной 15 мм, непосредственно соприкасающееся с грунтом (не обеспечивалась продувка полости реза на всю толщину металла). Кроме того установка "Скат 2М" имела массу 1390 кг. Потребляемая мощность до 100 кВт. Размещение такой установки возможно не на всех судах. Однако, несмотря на все проблемы, возникшие при разделении металлоконструкций, с помощью этой технологии было выполнено 64% (1160 м) всего объема резки. Фактическая скорость резки составляла в среднем 0,0006 м/с (2,2 м/ч), что более чем в три раза превышает скорость ЭКР и РПП.