Аппараты сверхвысокого давления 500–1500 бар

Давление от 500 бар применяется там, где вода должна разрушать слой, а не смывать его. На 250 бар удаляются грязь и рыхлые отложения; прочно сцепленные слои — кокс, полимеры, смолы, накипь, старые лакокрасочные и эпоксидные покрытия — требуют существенно большей энергии струи. Международный порог, с которого обработка считается водоструйной, — 700 бар; ниже принято говорить о водной очистке. Промышленная очистка теплообменников ведётся преимущественно в диапазоне 1000–1200 бар.

Старые лакокрасочные покрытия и продукты коррозии водоструйная очистка удаляет; степень подготовки поверхности обозначается Wa 1, Wa 2 и Wa 2½ по ISO 8501-4. Обозначения Sa к водоструйной обработке не относятся — это абразивоструйный стандарт ISO 8501-1. Существенное ограничение: вода очищает поверхность, но не создаёт профиль шероховатости, его задаёт только абразив. Если проект требует заданной шероховатости под покрытие, водоструйную подготовку дополняют абразивной.

Граница проведена по мощности привода: до 22 кВт включительно — аппарат высокого давления, свыше 22 кВт — установка высокого давления; для рабочих давлений от 1000 бар применяется обозначение UHP, сверхвысокое давление. Аппарат — серийное изделие со склада, установка — инженерное изделие под задачу заказчика: накопительный бак с водоподготовкой, подкачивающий насос, многоступенчатая фильтрация, плунжерный насос с принудительной смазкой под давлением, управляемая разгрузка, автоматика и телеметрия.

Вода нужна чистая, прошедшая фильтрацию ступенями, с температурой на входе до 40 °C при круглосуточной работе; до 60 °C допускается кратковременно, не более часа. Ограничение связано не с самой водой: у горячей воды выше давление насыщенных паров, поэтому на всасе ближе порог вскипания и кавитации, а полимерные уплотнения при нагреве размягчаются и быстрее выдавливаются в зазоры. Механические примеси удаляются фильтрами до входа в насос.

Можно. Автономное исполнение размещается в утеплённом 20-футовом морском контейнере с двумя независимыми воздушными отопителями и не требует подключения к сети: привод дизельный, топливная система common rail, холодный пуск до −35 °C. Исполнения с электроприводом собираются на мобильной раме и рассчитаны на площадки с промышленной сетью; шкаф управления выполняется в уличном варианте со степенью защиты IP55. Управление — на русском языке, предусмотрен дистанционный пульт по радиоканалу.

Струя сверхвысокого давления работает как режущий инструмент, поэтому к работе допускается обученный персонал в средствах защиты, а ствол удерживается против заметной реактивной отдачи; первичное обучение операторов входит в поставку установки. Конструкция это учитывает: программные уставки аварийной остановки в ручном режиме задаются ниже, чем в автоматическом, поскольку в ручном режиме на другом конце рукава находится человек. Два пневмоуправляемых разгрузочных клапана по сигналу оператора полностью сбрасывают давление магистрали.

Оснастка выбирается по геометрии объекта. Трубные пучки теплообменников проходят гидролансами — жёсткими и гибкими пиками, прогоняемыми по трубкам; реакторы, колонны и резервуары моют вращающейся 3D-головкой на штанге, опускаемой сверху и работающей на 360° без входа человека внутрь аппарата. Расход через сопло пропорционален корню из давления, поэтому суммарная пропускная способность сопел определяет давление, на которое установка выходит при заданной подаче.

Гидродемонтаж и фрезерование бетона относятся к работам разрушающего типа и ведутся на сверхвысоком давлении при умеренном расходе; в линейке для таких задач предусмотрены исполнения до 2800 бар. К той же группе относятся снятие лакокрасочных покрытий в судоремонте, удаление гуммировки и эпоксидных покрытий, зачистка резервуаров, гидроабразивная резка. Исполнения с высокой подачей при 1500 бар решают другую задачу — производительную очистку теплообменников, трубопроводов и ёмкостей.

Потому что на седле полуоткрытого клапана постоянный перепад в сотни бар размывает уплотняющие поверхности струёй. При перепаде 100–300 бар ресурс уплотнения седла измеряется десятками часов, поэтому регулирование давления приоткрытым байпасом допустимо примерно до 300 бар. Выше все клапаны установки работают только в двух положениях — полностью открыт или полностью закрыт, и седло видит перепад лишь в момент переключения. Давление и подача регулируются оборотами привода.

Оборотами привода. У электрических исполнений — частотным преобразователем в диапазоне 20–50 Гц, что соответствует примерно 580…1450 об/мин на валу двигателя; у автономных — электронным регулятором дизеля с панели управления. При глубоком частотном регулировании двигатель должен иметь независимое принудительное охлаждение: на 20 Гц собственный вентилятор на валу воздух практически не гонит, и машина на номинальном моменте перегревается. Сетевой дроссель с преобразователем снижают пусковые токи в 4–6 раз.

Плунжерный насос эксплуатируется с залитым всасом под подпором: подкачивающий центробежный насос подаёт воду на вход с избыточным давлением 2,5…5,5 бар. При разрежении вода вскипает в камере, а по закону Генри из раствора выходит растворённый воздух; схлопывание пузырьков выбивает материал клапанов и плунжеров. Самовсас от шланга даёт на входе всего 0,5–0,9 бар абсолютных — запаса до кавитационного порога практически нет. Линия всаса выполняется короткой и широкой.

Чем выше давление, тем тоньше финишная ступень. На 1500 бар применяется двухступенчатая схема 50 → 10 мкм, на 2800 бар — трёхступенчатая 50 → 5 → 1 мкм. Наиболее опасны частицы 20–150 мкм: они затягиваются в зону контакта плунжера и уплотнения и работают резцом по обеим поверхностям сразу. Тонкая ступень закладывается с запасом производительности 3–5 крат, чтобы рост сопротивления по мере засорения не съедал подпор на всасе.

Размах пульсации подачи у трёхплунжерного насоса — 14% от среднего значения; он не зависит от оборотов, диаметра плунжера и давления, частота составляет три пика за оборот вала. При работе на сопло пульсация давления примерно вдвое больше — около 28% размаха, так как расход через сопло пропорционален корню из давления. Мембранный гаситель на нагнетании снижает амплитуду в 5–10 раз и продлевает ресурс рукавов, фитингов и приборов.

До 1500 бар плунжеры выполняются цельнокерамическими, выше применяются специальные сплавы и покрытия. Способность конструкции держать такие давления заложена в схеме: уплотнение неподвижно закреплено в корпусе гидравлической части, а полированный плунжер скользит сквозь него, не касаясь стенок камеры. Трущаяся пара одна — «плунжер — сменное уплотнение», поэтому изнашивается компактный сменный комплект, а не цилиндр. Боковую составляющую силы шатуна с плунжера снимает крейцкопф.

Определяющий фактор — средняя скорость скольжения плунжера: v = 2·S·n/60. Износ растёт от скорости примерно квадратично, поэтому увеличение скорости на 35% почти удваивает эрозионную составляющую. Ориентиры нормирования: 0,8–1,2 м/с — непрерывная работа 24/7 с максимальным ресурсом, 1,2–1,5 м/с — стандартный режим, 1,5–1,8 м/с — форсированный, с сокращённым межсервисным интервалом. При заданном расходе скорость обратно пропорциональна квадрату диаметра плунжера; более медленный редуктор снижает обороты и подачу, увеличивая ресурс.

Подбор ведётся от рабочей точки «расход × давление». Потребная мощность на валу оценивается соотношением: кВт = л/мин × бар / 510, где делитель учитывает КПД насоса около 85%. При фиксированной мощности произведение расхода на давление постоянно, поэтому сменой диаметра плунжера и передаточного числа одна и та же мощность разворачивается в сторону расхода либо давления. Потолок давления — меньшее из двух: момент привода и паспорт гидравлической части.