Разработка технологии струйной очистки металлоконструкций сухим льдом для судостроительного и судоремонтного производства

На правах рукописи

Ларин Роман Николаевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СТРУЙНОЙ ОЧИСТКИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СУХИМ ЛЬДОМ ДЛЯ СУДОСТРОИТЕЛЬНОГО И СУДОРЕМОНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.08.04 – Технология судостроения, судоремонта и

организация судостроительного производства

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2012

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный

университет водных коммуникаций».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Веселков Вячеслав Васильевич

Официальные оппоненты: Чистов Валентин Борисович, доктор технических наук, профессор. ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций», заведующий кафедрой «Сопротивление материалов и строительная механика»;

Игошин Евгений Викторович, кандидат технических наук, доцент.

ООО «Балтийский завод - Судостроение», советник генерального директора.

Ведущая организация: ОАО «Центр технологии судостроения и судоремонта»,

г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится «27» декабря 2012г. в «12.00» часов
на заседании диссертационного совета Д223.009.04 при ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций»,

по адресу: 198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7, ауд. 235;

телефон: +7 (812) 490-93-08, факс: +7 (812) 251-01-14,

электронная почта: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке

ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций».

Автореферат разослан «26» ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Ерофеев Валентин Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В современном мире защита от коррозии является одной из важнейших научно-технических и экономических задач. По оценкам специалистов различных стран, экономические потери от коррозии металлов в промышленно развитых странах составляют от 2 до 5% валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования составляют от 10 до 20 % годового производства стали. Весьма актуальны вопросы защиты от коррозии для судостроительного и судоремонтного производства, вследствие металлоемкости судов и морских сооружений, в связи с агрессивными средами и жесткими условиями их эксплуатации. Именно поэтому, совершенствование способов защиты от коррозии в судостроении и судоремонте является актуальной задачей, имеющая большое народно-хозяйственное значение.

Одним из важнейших этапов антикоррозионной защиты судовых металлоконструкций является подготовка поверхности для нанесения покрытия.

При применении большинства современных технологий очистки остро встает вопрос об экологии технологического процесса и утилизации возникающих при этом отходов. Из существующих современных методов подготовки поверхности под окраску: абразиво­струйная очистка, дробемётная очистка, термическая очистка, гидродинамическая очистка, химическая очистка, ни один не совмещает в себе основные требования экологической безопасности, производительности и качества очистки. Как правило, в жертву приносится экологическое равновесие между производственной деятельностью и окружающей средой. В настоящее время работы по решению данных вопросов на отраслевом уровне не выполняются. Попытки отдельных предприятий усовершенствовать технологические процессы уже существующих методов подготовки поверхности под окраску показали невозможность получения комплексных эффективных решений.

Это послужило основанием необходимости разработки принципиально новой технологии очистки с помощью сухого льда, на основе современных средств технического оснащения антикоррозионных технологических процессов, являющейся исключительно важной научно-технической задачей для отрасли, требующей специальных исследований.

Цель работы – разработать новые научно-обоснованные технологические и технические решения по методу подготовки поверхности металлоконструкций под окраску с использованием струйной очистки с помощью сухого льда в комплексе с различными абразивами применительно к особенностям судостроительного и судоремонтного производства.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.Провести исследования теоретических основ и методологии существующих методов очистки металлоконструкций под окраску и разработать технологические и технические решения по модернизации и совершенствованию технологии подготовки поверхности под окраску при использовании сухого льда в комплексе с различными абразивными материалами применительно к особенностям судостроительного и судоремонтного производства.

2.Провести экспериментальные исследования качества и производительности метода подготовки поверхности судовых металлоконструкций под окраску с использованием сухого льда в комплексе с абразивоструйным методом очистки при различных видах ржавления и загрязнений поверхности.

3.Разработать методы повышения экологической безопасности и экономической эффективности технологии струйной очистки сухим льдом в комплексе с абразивами.

Объект исследования – технология струйной очистки металлоконструкций с помощью сухого льда в комплексе с абразивными материалами.

Предмет исследования – качество, производительность, экологическая безопасность технологии подготовки поверхности под окраску при помощи сухого льда в условиях судостроительного и судоремонтного производства.

Методы исследования. В рамках выполненных исследований использованы: фундаментальные положения технологии судостроения, судоремонта и организации судостроительного производства, положения системного математического анализа гидродинамических процессов; методы математического моделирования струйных технологических процессов; методы теории вероятностей и математической статистики; аналитические методы планирования эксперимента и статической обработки данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработаны технологические и технические решения в виде разработанного комплекса с совмещением струйных методов подготовки поверхности металлоконструкций под окраску с использованием сухого льда и абразивного материала применительно к особенностям судостроительного и судоремонтного производства.

2.Получены аналитические зависимости в виде прикладных расчетных формул для подбора параметров струи.

3.Научно обоснована необходимая комплектация судостроительного и судоремонтного производства средствами технологического оснащения для реализации технологии струйной очистки с использованием сухого льда, а также комплекса сухой лёд и абразив.

4. Разработана новая технологическая установка для реализации технологии струйной очистки с помощью сухого льда в комплексе с абразивом.

Достоверность научных результатов - подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертации. Соответствие результатов применения разработанного в диссертации технологического метода известным частным результатам, а точность расчетов обоснована сравнением на частных задачах с известными решениями, полученными другими исследователями посредством иных аналитических методов.

Личный вклад автора. Автором поставлены задачи теоретических и экспериментальных исследований, проведены расчетные и экспериментальные исследования, выполнен анализ и обобщение результатов, разработана конструкция установки комплексной очистки, разработана технология струйной очистки металлоконструкций под окраску с помощью сухого льда в комплексе с абразивом применительно к условиям судостроительного и судоремонтного производства, определены технико-экономические показатели внедрения, определена социально-экономическая эффективность технологии струйной очистки металлоконструкций с помощью сухого льда в комплексе с абразивом.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в практическом внедрении предложенной технологии струйной очистки поверхности судовых металлоконструкций под окраску с помощью сухого льда на промышленных предприятиях судостроительной отрасли: на производственном предприятие ООО «ФОРТ-1» и судоремонтном заводе ОАО «Кронштадтский Морской Ордена Ленина Завод», имеющих большой практический опыт антикоррозионных работ. Практическое внедрение позволило повысить качество, экологическую безопасность и производительность процесса подготовки поверхности судовых металлоконструкций под окраску, снизить экономические и энергетические затраты.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались и были одобрены:

- на семинаре в Международном центре экономики и техники «Современные методы и средства защиты металлоконструкций от коррозии» 20–21 марта 2000 г. Санкт-Петербург, Россия;

- на Международном семинаре «Современные технологии и оборудование для подготовки поверхности и нанесения лакокрасочных покрытий в судостроении» 28–29 сентября 2000 г. Санкт-Петербург, Россия;

- на Международной выставке «Нева-2007», семинар «Перспективы развития морской промышленной группы» 24–28 сентября 2007 г. Санкт-Петербург, Россия;

- на Международном семинаре «Морские кластеры Финляндии и России» 26–29 марта 2008 г. Турку, Финляндия.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Научно-методической конференции «Надёжность судовых технических средств, конструкционных материалов и покрытий», посвященной 70-летию Судомеханического факультета (СПГУВК, 2008 г.);

- Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Водный транспорт России: история и современность», посвященной 200-летию транспортного образования в России (Санкт-Петербург, 2009 г.);

- Международной научно-практической конференции «Водный транспорт России: инновационный путь развития» (Санкт-Петербург, 2010 г.),

- а также ежегодно на заседаниях кафедры «Технологии судостроения» и кафедры «Технология судоремонта» в ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций».

На защиту выносятся:

1. Технологические и технические решения в виде разработанного комплекса с совмещением струйных методов подготовки поверхности металлоконструкций под окраску с использованием сухого и абразивного материала применительно к особенностям судостроительного и судоремонтного производства.

2.Аналитические зависимости в виде прикладных расчетных формул для подбора параметров струи.

3.Необходимая комплектация судостроительного и судоремонтного производства средствами технологического оснащения для реализации технологии струйной очистки с использованием сухого льда.

4. Новая технологическая установка для реализации технологии струйной очистки с помощью сухого льда в комплексе с абразивом.

Реализация работы. Выполнение исследований в рамках представленной диссертации было продиктовано производственными потребностями ООО «ФОРТ-1» (г. Санкт-Петербург). Основные результаты диссертационной работы были внедрены в течении 5 лет производственной деятельностью ООО «ФОРТ-1» на ОАО «Кронштадтский Морской Ордена Ленина Завод» при выполнении комплекса антикоррозионных работ на судоремонтных заказах. Результаты исследовательской работы также реализованы в учебном процессе при подготовке морских инженеров в СПГУВК.

Публикации. Основное содержание диссертационных исследований опубликовано в 4 печатных работах. В перечне трудов содержаться 3 работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, а также 1 статья в материалах международной конференции. Поданы 2 заявки на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация включает: введение, пять глав, заключение, список литературы (32 источника). Общий объем работы составляет 168 страниц, 33 рисунка, 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационных исследований, сформулированы основные научно-технические задачи и концептуальная направленность диссертационной работы, сформулирована цель исследований. Проведён анализ объекта исследования, его признаки, область использования. Выполнен краткий анализ опубликованных работ в исследуемой области. Рассмотрены вопросы создания новых технологий подготовки поверхности металлоконструкций, обеспечивающих высокую производительность и экологическую безопасность производственного процесса. Сформулированы научная новизна, практическая значимость работы.

В первой главе работы выполнено исследование современного состояния проблемы. Приведён информационный и аналитический обзор и анализ существующих методов подготовки поверхности, определена специфичность каждого метода подготовки поверхности металлоконструкций под окраску. Дана сравнительная оценка методов подготовки поверхности. Значительное место уделено рассмотрению преимуществ и недостатков метода абразивоструйной очистки, являющейся в настоящее время, самым распространённым видом подготовки поверхности. Рассмотрены особенности подготовки поверхности под окраску в условиях судостроительного и судоремонтного производства. Проанализированы современные методы судостроения и судоремонта, фундаментальные научные исследования отечественных ученых: доктора технических наук, профессора Лопырева Н.К., Сумеркина Ю.В., Никифорова В.Г., Барышникова С.О., Веселкова В.В., Погодаева Л.И., Вихрова Н.М., Чистова В.Б. и др. Их труды известны широкому кругу специалистов, получили высокую оценку, как в нашей стране, так и за рубежом. Проведены патентные исследования, определены патентные классы, найдены аналоги и прототип потенциального изобретения с возможностью разработки ноу-хау. В заключении главы сформулированы цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена рассмотрению теоретических основ и разработке прикладных расчетных формул для подбора параметров струи круглого сечения с равномерным начальным полем скоростей, для струй разной плотности и различного наполнения. Для анализа физических эффектов, происходящих в струйном потоке сухого льда, была построена теоретическая модель потока.

Теоретические основы технологии струйной очистки поверхностей.

Принято, что при истечении газа в виде потока наблюдаются те же закономерности сжатия потока, что и для жидкости. Коэффициент сжатия потока - К для газов близок по величине к коэффициенту сжатия для любой жидкости. Величина давления в местах сужения - p1 определена приближённо Гюгонем. Им представлено, что p1 равно давлению р2 в той среде, в которую газ втекает. При медленном истечении: р2 > 0,607 р0, а при быстром р 2 > 0,522 р 0. Если р2 < p0,, где равно 0,607 или 0,522, то p1 = p0. Из данного сравнения следует, что количество вытекающего в единицу времени газа растет пропорционально разности давлений. Это происходит до тех пор, пока отношение давлений в двух средах не достигнет 0,5-0,6. Далее скорость истечения газа становится постоянной. Отсюда, ссылаясь на данные Вейсбаха и Гюгена можно сделать важный вывод, что при течении по трубам законы истечения для газов те же, что и для жидкостей. При истечении, газы образуют струи, имеющие все особенности жидких реактивных струй. Однако, при импульсном действии мгновенных сил истечение газов происходит в виде вихря - как при взрывах, например, при образовании фосфористого водорода и пр. Таким образом, для прикладных расчётов можно считать, что течение газов из трубы, как и для жидкости, следует закону Пуазейля. Принятая теория истечения газов актуальна и для изучения эффектов при струйной обработке поверхностей судовых металлоконструкций с помощью сухого льда. Гидроаэродинамика процесса обдува поверхности струёй основана на трёх хорошо известных в механике законах сохранения массы, импульса и энергии. Для жидкости, текущей в трубе, этот закон используется в форме, называемой уравнением неразрывности. Там, где площадь сечения струи велика и линии тока разрежены, скорость струи должна быть меньше, и наоборот. Этот вывод может быть использован для построения прикладной модели технологии струйной очистки металлоконструкций с помощью любых абразивов, в т.ч. и для сухого льда.

Построение теоретической модели истечения струи при обработке поверхности. Для обоснования и анализа физических процессов технологии струйной очистки металлоконструкций с применением сжатого воздуха и дискретных абразивов, рассмотрена физика свободной изотермической струи круглого сечения с равномерным полем скоростей. Из круглого отверстия вытекает воздух, образуя струю круглого сечения (рис. 1). Допускается, что поле скоростей в выпускном отверстии равномерно.

Рис. 1 Вид свободной струи круглого сечения с равномерным начальным полем скоростей

хя – длина ядра; хп – длина начальной зоны; х, у – текущие координаты, п – боковой угол расширения струи на начальном участке.

Исходя из данных о свойствах струи:

mя.хu0 + mп.хuср.п.х = m0u0, (1)

где: mя.х mп.х, m0 – массы (секундные) воздуха, проходящие, соответственно через площади сечений ядра и пограничного слоя (в текущем сечении), а также через площадь выпускного отверстия, то есть:

, , . (2)

Подставляя эти выражения в формулу количества движения, можно определить энергетический потенциал струи как:

, (3)

где: – коэффициент Буссинеска.

Относительный радиус струи на основном участке можно определить как:

, (4)

где: – боковой угол расширения струи на основном участке.

Относительный объемный расход воздуха при подаче струи определяется как:

. (5)

В итоге, расчётная формула для переходного сечения, считая, что , будет выглядеть:

. (6)

Данный теоретический анализ позволил получить прикладные расчетные формулы (табл. 1) для подбора параметров струи круглого сечения с равномерным начальным полем скоростей, для струй разной плотности и различного наполнения, а также позволил рассчитывать конфигурацию сопел в зависимости от скорости, плотности струи с однокомпонентным или комбинированным абразивом, исходя из справочных данных об относительном объёмном расходе абразива и относительной скорости в поперечном сечении сопла.

Таблица 1. Формулы для подбора параметров сопла и струи

Относительная величина	Значение относительной величины
	В начальной зоне	В переходном сечении	В основной зоне
1.Тангенс бокового угла расширения струи tg	tgп = 0,14	-	tg = 0,22
2.Относительное расстояние от отверстия	12,4	12,4	12,4
3.Относительный радиус струи		2,73
4.Относительная средняя скорость		0,258
5.Относительная осевая скорость	1	1
6.Относительная скорость в поперечном сечении	В зоне ядра: В пограничном слое:
7.Относительный объемный расход		1,92
8.Относительная кинетическая энергия		0,518

Таким образом, определены аналитические зависимости для расчёта различных режимов очистки поверхностей при стационарном режиме электростатично заряженных частиц, дискретных частиц в потоке, при ударном и цикличных режимах струйной обработки поверхности, получены прикладные расчетные формулы (табл. 1) для подбора параметров струи круглого сечения с равномерным начальным полем скоростей, для струй разной плотности и различного наполнения. На основании изложенного сформулированы задачи исследования.

В третьей главе проведён анализ физических процессов при струйной очистки сухим льдом, обобщенны материалы иностранных производителей оборудования для струйной очистки сухим льдом, выполнен анализ особенности практического применения технологии струйной очистки с помощью сухого льда (далее - СОСЛ). Эффективность внедрения в судостроительном и судоремонтном производстве метода струйной очистки сухим льдом (СОСЛ) в значительной мере связана с техническим оснащением предприятий соответствующим технологическим оборудованием.

Технологический процесс метода струйной очистки сухим льдом идентичен абразивоструйному методу очистки. Различие заключается в том, что гранулы сухого льда не являются абразивным материалом, то есть не повреждают саму поверхность, не оставляют вторичных отходов и несут не только кинетическую, но и скрытую тепловую энергию. Процесс очистки гранулами СО2 состоит из трех физических взаимозависимых этапов: "термошок", "кинетическая энергия" и "газовый клин" (рис.2). Гранулы сухого льда имеют значительно более низкую температуру, чем очищаемая поверхность. Резкое снижение температуры поверхностного слоя вызывает эффект "термического шока", при котором охлажденные до хрупкого состояния загрязнения легко отслаиваются от поверхности. Чем больше температурный градиент, тем меньше адгезия между материалом поверхности и загрязнениями ввиду различия их коэффициентов линейного расширения. При этом охлаждение основной массы объекта не происходит. При соударении с поверхностью объекта к гранулам сухого льда подводится избыточное тепло. В результате теплообмена твердые частицы СО2 мгновенно нагреваются и переходят в газообразное состояние, расширяясь в объеме в сотни раз. Образовавшийся газ, частично проникая в пространство между загрязнениями и очищаемой поверхностью, образует так называемый "газовый клин", отламывающий под давлением частицы загрязнений от поверхности.

Рис. 2 Струйная очистка сухим льдом

Для полного удаления загрязнений необходимо перманентное механическое воздействие на очищаемую поверхность. Этот процесс обеспечивается за счет кинетической энергии гранул сухого льда, вылетающих из пистолета со скоростью, близкой к скорости звука. Несмотря на существенную значимость всех трех выше перечисленных составляющих, "персональная" роль каждой из них в зависимости от выполняемых работ может значительно меняться. В некоторых случаях для более качественной работы важнее оказывается эффект "термошока" (например, для снятия битума, смолы, клея), в других случаях – важнее кинетическая составляющая (при снятии грязи, краски).

Температурные потери при очистке минимальные, рабочая температура после очистки быстро приходит в норму. Исследования показали, что снижение температуры происходит только на поверхности, основная масса не испытывает термического стресса. Для иллюстрации этого утверждения был проведен эксперимент, в котором в очищаемую поверхность были вмонтированы термодатчики на разное расстояние от поверхности (от поверхности до 2 мм в глубину).

Струя гранул сухого льда была направлена на поверхность в течение 30 секунд (относительно длительный промежуток времени для данного процесса) и термодатчики воспроизвели изменения температуры на разных удалениях от поверхности. Как показано на (рис. 3), термодатчик, вмонтированный в поверхность показывал снижение температуры каждый раз когда струя гранул сухого льда попадала в его область (50 С примерно за 5 секунд). В отличие от поверхностного датчика, датчики вмонтированные на разных глубинах, показали незначительное постепенное снижение температуры, соответствующее снижению температуры всей поверхности. Термодатчик на глубине 2 мм показал снижение температуры на 10 С после воздействия струей гранул сухого льда по истечении 30 секунд. Данный график иллюстрирует то, что термический стресс происходит только на поверхности.

Рис. 3 Температурные показания датчиков, помещенных на разную глубину поверхности

Термический стресс, вызванный разностью температур может быть оценен при помощи формулы (7), в которой y - стресс, Т - снижение температуры в С, - коэффициент расширения, - коэффициент Пуассона.

(7)

Подставляя соответствующие параметры, получаем:

(8)

Таким образом, термический стресс:

(9)

Лучше всего метод СОСЛ работает с горячими поверхностями.

Большинство загрязняющих материалов теряют связывающую силу при нагревании. Во многих случаях возможно очищать горячие поверхности в 3–5 раз быстрее чем холодные.

Эффективность внедрения в судостроительном и судоремонтном производстве метода струйной очистки сухим льдом (СОСЛ) в значительной мере связана с техническим оснащением предприятий соответствующим технологическим оборудованием. Для реализации технологии СОСЛ рассмотрены примеры и особенности наиболее распространенных марок существующего оборудования для СОСЛ: лёдообразователь (пеллетайзер, блок-мейкер), регенератор, струйный аппарат (бластер), компрессор.

Эффективность и стабильность работы струйного аппарата определяется не только его конструктивными параметрами, а также геометрическими параметрами применяемых с ним сопел-насадок – диаметр и длина сопла, угол сходимости смесительного сопла, размеры камеры смешения, и т.д. (рис.4).

На (рис. 5) представлено устройство двух основных типов сопел, используемых в процессе очистки поверхностей сухим льдом. Сравнение двух основных типов сопел при работе в одинаковых условиях показывает, что одношланговая система с соответствующей насадкой работает более эффективно.

а) Сопло плоское 85 мм; б) Сопло плоское 135 мм;

Рис. 4 Струйная оснастка

Рис.5 Основные типы сопел для очистки гранулами сухого льда

Технологическая особенность применения метода СОСЛ в условиях судостроительного и судоремонтного производства

В настоящее время на большинстве судостроительных и судоремонтных предприятий подготовка поверхности под окраску на антикоррозионных участках осуществляется методом абразивоструйной очистки. В случае применения в судостроительном производстве метода СОСЛ - недостаток этого метода – отсутствие рельефной эрозионной поверхности – устраняется предварительно проведённой в заготовительном цехе абразивоструйной обработкой листового и профильного материала. Подготовка поверхности методом СОСЛ позволяет снимать повреждённый грунт, удалить жир, масло, технологические загрязнения. При этом, в тех местах, где снят повреждённый грунт, остаётся рельефная поверхность металла, полученная в период первичной обработки. Уборка отходов очистки, в этом случае, займёт значительно меньше времени, чем при абразивоструйном методе. Технологические требования фирм изготовителей краски к сварным швам возможно выполнить, применяя совместно с методом СОСЛ специализированное ручное оборудование типа «вакуумбластер», т.е. обработка сварных швов абразивоструйным методом с одновременным удалением продуктов очистки с помощью встроенного эжектора. Таким образом, применяя методом СОСЛ на значительных объёмах судовых металлоконструкций (85-95% от общего объёма) совместно с абразивоструйной очисткой по сварным швам (от общего объёма – 5-15%), с одновременной вакуумной уборкой продуктов очистки, получим универсальный метод подготовки поверхности, а также значительное сокращение экономических и энергетических затрат.

На основании проведенных исследований сделаны выводы, что для практического применения метода СОСЛ в судостроительном и судоремонтном производстве требуется дополнительные исследования и разработка новых конструктивно-технологических решений в технологическом оборудовании и оснастке.

В четвёртой главе приведены исследования по анализу возможностей модернизации существующих средств технологического оснащения для практической реализации метода струйной очистки сухим льдом в комплексе с абразивным материалом. Даны принципиальные решения по комплектации составу оборудования для применения технологии струйной очистки в условиях судостроительного и судоремонтного производств.

Современное состояние оборудования и технология СОСЛ, ограниченная одним видом носителя (сухой лёд) требует существенных инновационных доработок. Выполненный анализ применения комбинированных носителей, например, сухой лёд с добавлением мелкого песка, древесных опилок или металлической дроби (опилок), показал необходимость изменения типовых устройств формования абразивов, а также устройств подачи их на объект очистки, определил необходимость разработки струйного аппарата нового конструктивно-технологического типа, совмещающего возможность использования абразива и гранул сухого льда.

Применив идею совмещения разных методов подготовки поверхности под окраску – на подобии – гидроабразивного метода, термоабразивного метода, а также исследовав способность получать эффективный результат очистки предварительно нагрев обрабатываемую поверхность, были разработаны новые методы подготовки поверхности с комплексными материалами– метод струйной очистки сухим льдом и абразивом (АСОСЛ), а также метод струйной очистки сухим льдом и абразивом с подачей горячего воздуха (ТАСОСЛ), где процессы совмещены и осуществляются непрерывно, в противофазе, имеют все преимущества каждого из совмещаемых методов, при минимуме недостатков.

Особенность метода АСОСЛ состоит в сочетании процесса съёма материала абразивом и процесса термовоздействия гранулами сухого льда на обрабатываемую поверхность, т.е. эти процессы совмещены и осуществляются

одновременно и непрерывно. Лучше всего процесс очистки осуществляется методом ТАСОСЛ. Большинство загрязняющих материалов теряют связывающую силу при нагревании. Во многих случаях, возможно очищать горячие поверхности в 3–5 раз быстрее чем холодные.

Так же, как и другие струйные (совмещаемые) методы подготовки поверхности, АСОСЛ и ТАСОСЛ представляют собой направленную на обрабатываемую поверхность струю смеси, состоящую из частиц сухого льда и абразива без горячего воздуха и с горячим воздухом.

Эта смесь подвергается воздействию потока сжатого воздуха, который увеличивает скорость выброса смеси из сопла. В результате такой обработки образуются сухие матовые поверхности, характерные для абразивоструйного метода. Сухой лёд, находящийся в смеси, облегчает воздействие абразивных частиц на обрабатываемую поверхность, тем самым, процесс очистки ускоряется, и количество удаляемого поверхностного слоя увеличивается.

Сухой лёд, находясь твёрдой фазе, не снижает скорость абразивных частиц и выполняет следующие функции:

- обеспечивает транспортировку абразивных частиц от расходной ёмкости до обрабатываемой поверхности;

-непрерывно очищает обрабатываемую поверхность, удаляя отработавшие частицы и частички снятого материала;

- регулирует тепловой режим в зоне обработки.

Характер взаимодействия абразивных частиц, частиц сухого льда, находящихся в струе, с поверхностью определяет выходные параметры процесса – производительность и качество обработки.

Производительность лёдоабразивной очистки зависит от вре­мени обработки, размера и марки абразивных частиц, концентрации гранул сухого льда и абразивных частиц в смеси, диаметра и формы сопла, давления и расхода воздуха, угла атаки; выше производительности абразивоструйной обработки. Разрушение абразивных частиц (не металлических) при данном методе обработки протекает в несколько раз медленнее, чем при абразивоструйной очистке, что объясняется демпфирующим действием частиц сухого льда, поэтому абразив (не металлический) может выдерживать до пяти циклов очистки.

Проведённые патентные исследования показали, что в мире до сих пор не применялась такая комбинированная схема очистки окалины и коррозии, что позволило сформулировать заявку на изобретение и получить патентный приоритет (рис. 6).

Рис. 6 Упрощённая схема оригинального струйного аппарата

Ноу-хау включает в себя возможность использования сухого горячего воздуха для подачи гранул различной твердости, с одновременным противофазным импульсным режимом подачи сухого льда (рис. 7).

Рис.7 Устройство для комплексной очистки поверхности

1.Бункер для гранул различной твёрдости, 2.Дозатор для абразива.

3. Дозатор для гранул сухого льда 4.Противофазный прерыватель для гранул абразива 6.Противофазный прерыватель для сухого льда.7.Гибкий пневмопровод для гранул абразива. 8.Гибкий пневмопровод для гранул сухого льда. 9. Сопло сменное для гранул абразива. 10.Сопло сменное для гранул сухого льда.11. Подача сухого пара от источника избыточного давления / Подача сжатого воздуха от источника избыточного давления.12.Шнек 13.Объект очистки

Горячий воздух с абразивом, проходя сквозь направляющее сменное сопло 8 и попадая на очищаемую поверхность, разогревает её, очищает, абсорбируя и коагулируя грязь и пыль, а сухой лёд, проходя в другом временном интервале, с помощью сжатого воздуха окончательно очищает поверхность, остужая и высушивая её. При этом окалина, технологическая пыль и ржавчина в скатанном коагулированном виде легко сметается с очищенной поверхности, обеспечивая экологичность процесса очистки. Противофазные прерыватели 4,5, вращаясь с заданной скоростью, обеспечивают альтернативное последовательное поступление через регулированный временной интервал носителей абразивов в виде сухого пара и сжатого воздуха. Направляющие сменные сопла 8,9 выполнены из износостойкого полимера типа полиэтилена низкого давления или фторопласта, так эти материалы более стойки, чем металлы к изнашиванию при прохождении абразивов.

Так же автором было разработано устройство для распыления гранул различной твёрдости (рис. 8).

Рис.8 Устройство для распыления гранул различной твёрдости

1.Подача гранул абразива, 2. Подача гранул сухого льда, 3.Рычаг управления подачей абразива, 4. Рычаг управления подачей гранул сухого льда, 5.Направляющий ствол подачи абразива, 6.Направляющий ствол подачи гранул сухого льда, 7. Сопло для распыления абразива.8. Сопло для распыления гранул сухого льда.

Полученные результаты испытаний свидетельствуют о том, что разработанные для судостроительного и судоремонтного производства новые методы подготовки поверхности – струйная очистка сухим льдом (СОСЛ), струйную очистку сухим льдом и абразивом (АСОСЛ), а также струйная очистка с сухим льдом и абразивом с подачей горячего воздуха (ТАСОСЛ), могут оказать существенное влияние на эффективность работы отрасли, поскольку позволят значительно сократить производственные, экономические и экологические затраты в производственном процессе предприятий.

Пятая глава содержит разработку оригинальных мероприятий, определение критерий эффективности внедрения новой технологии струйной очистки сухим льдом в судостроительное и судоремонтное производство.

Рассмотрена связь материального эффекта с работой на старом и модернизированном оборудовании. Существует прямая зависимость между параметрами времени и стоимостью времени пребывания в условиях дискомфортного труда, если известна величина почасовой зарплаты рабочего на данной операции. Если допустить, что при улучшении условий труда уровень дискомфорта снизится с до (эффект дискомфорта), сокращаются потери и издержки производства:

(10)

Аналогично можно представить зависимость при сокращении времени пребывания в условиях дискомфортного труда:

(11)

Таким образом, имеем шкалу перехода от Le к g. Потери и издержки условно считаются равными нулю при нормативном уровне L (времени ) не превышающем норму:

(12)

Пересчет превышения уровня дискомфорта на рабочем месте у оборудования, через показатель допустимого времени работы, производится по формуле приведения нормативного уровня к допустимому:

, (13)

При модернизации технологии может быть получен технический эффект Le.

Время работы увеличивается на g, и показатель социально-экономического эффекта снижения дискомфорта станет:

(14)

В этой формуле, с учетом условия (13):

Данные критерии хорошо согласуется с законом Вебера-Фехнера, исследованиями Г. Селье.

Используя традиционные экономические зависимости можно определить годовой экономический эффект от модернизации как при производстве продукции повышенного качества (то есть оборудование с улучшенным комфортом):

, (15)

где П - прирост прибыли численно равный сокращению потерь и издержек производства М), руб.; К - удельные капитальные вложения, руб.; ЕН - нормативный коэффициент окупаемости; А2 - годовой объем производства.

При определении прироста прибыли П=М сокращение потерь и издержек достигается за счет экономии фонда зарплаты рабочих в результате увеличения допустимого времени работы в условиях дискомфорта. В соответствии с этим, скорректированный прирост прибыли определяется по формуле:

, (16)

где ЗП - среднечасовая зарплата производственного рабочего, условия труда которого улучшились, руб.; Т - количество рабочих дней в году; t - длительность рабочего дня, час; g - временной показатель эффективности модернизации; N - количество производственных рабочих.

Для получения оперативных данных по всем основным эргономическим показателям использовалась методика исследований, когда статистически определялись субъективные мнения работников о параметрах оборудования с учетом их производственного стажа, опыта, возраста, пола. Обследованию подвергались цехи судостроительной и судоремонтной промышленности в период с 2008 по 2012 гг. При обработке результатов опросов использовались обозначения: К - субъективная оценка опрашиваемым уровня неблагоприятного фактора, К=1-5; - номер неблагоприятного фактора, =1-6; i - индекс, различающий пол опрашиваемых, i = I - мужчины, i = II - женщины; Ni - общее число опрошенных мужчин (женщин); - число опрошенных мужчин (женщин), оценивших фактор числом К (суммарно по всем объектам опрошено около 500 человек). В качестве количественной характеристики воздействия неблагоприятного фактора принимается величина индекса помехи:

(17).

В качестве иллюстрации к расчетам индекса помехи приведены результаты (табл.2) социологического исследования на судоремонтных предприятиях

г. Санкт-Петербурга.

Таблица 2 Результаты исследования для расчета индекса помехи

№ п/п	Наименование неблагоприятного фактора	Индекс помехи
		i = I	i = II
1	Запыленность	1,7	2,0
2	Неудобство обслуживания	1,5	1,6
3	Шум	2,5	2,6
4	Освещенность	0,4	0,5
5	Температурный режим	1,7	2,0
6	Внешний вид оборудования	1,4	1,7

Обращают на себя внимание два момента: большая величина индекса помехи от производственного шума по сравнению с другими неблагоприятными факторами, более критическое отношение женщин по всем факторам, чем мужчин. Фактор дизайна оборудования идет по значимости на третьем месте после запыленности и температурного режима, соизмеряясь по значимости с "неудобством обслуживания”, что характерно и подчеркивает корреляцию двух факторов. Результаты вычислений по традиционной технологии в сравнении с модернизированной - новой технологией СОСЛ приведены в (табл.3).

Таблица 3 Материальный ущерб

i		M, руб.
I	0.89	1349.5
II	0.9	1499.5

Материальный ущерб от эколого-эргономического несовершенства технологии (табл. 4) определим по формуле:

(18)

Таблица 4 Материальный ущерб от эколого-эргономического несовершенства оборудования

Неблагоприятный экологический фактор	М(I), руб.	М(II), руб.
1. Запыленность	459,8	599,8
2. Неудобство обслуживания	404,85	497,8
3. Шум	674,75	779,7
4. Освещенность	107,9	149,95
5. Температурный режим	459,8	599,8
6. Внешний вид оборудования (дизайн)	377,9	509,8

Метод позволяет достаточно объективно определить вес каждого фактора технического несовершенства оборудования, выделить главные направления и тенденции модернизации.

Для определения технико-экономической эффективности нового метода подготовки поверхности под окраску, была выполнена тестовая очистка корпуса судна. Результаты расчета стоимости очистки 1м2 методом СОСЛ представлены в (табл. 5). Основной экономический эффект от внедрения технологии СОСЛ состоит в снижении количества технологических отходов очистки (как минимум до 75%), снижение затрат на экологические мероприятия, снижение стоимости нанесения новых защитных покрытий, сокращение общего времени антикоррозионных работ, оплаты труда.

Таблица 5 Стоимость очистки 1м2 методом СОСЛ

№ п/п	Наименование	Расчёт	Результат
1	Трудозатраты (время х стоимость 1 чел/часа), руб.	(35/60) х 200 руб./ч	117
2	Стоимость материала (масса х цена 1 кг), руб.	100 кг х 12 руб./кг	1200
3	Итого затрат (п.1+п.2), руб.	-	1317
4	Стоимость очистки 1 м2, (п.3/ площадь очистки), руб.	(1317 руб./ 4м)	329

Экономическая эффективность от внедрения результатов работы, в пересчёте применения новой технологии в цехах судостроительного или судоремонтного завода в течении года, обеспечит технико-экономический эффект ориентировочно 4,5 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, решающие важную научно-техническую задачу для судостроительной и судоремонтной отрасли – замена устаревших, экологически небезопасных, малоэффективных методов подготовки поверхности судовых металлоконструкций на высокотехнологичный, эффективный и экологически безопасный метод подготовки поверхности судовых металлоконструкций – метод струйной очистки с помощью сухого льда.

Основные результаты и выводы диссертации состоят в следующем:

1.Исследованы теоретические основы и методология существующих методов очистки металлоконструкций под окраску.

2.Разработаны технологические и технические решения по модернизации и совершенствованию технологии подготовки поверхности под окраску при использовании сухого льда в комплексе с различными абразивными материалами применительно к особенностям судостроительного и судоремонтного производства.

3.На основании экспериментальных исследований качества и производительности метода подготовки поверхности судовых металлоконструкций под окраску с использованием сухого льда в комплексе с абразивоструйным методом очистки при различных видах ржавления и загрязнений поверхности, получены технологические и технические решения для внедрения новой технологии в судостроительное и судоремонтное производство.

4.Разработаны методы повышения экологической безопасности и экономической эффективности технологии струйной очистки сухим льдом в комплексе с абразивами.

5.Получены аналитические зависимости в виде прикладных расчетных формул для подбора параметров струи.

6.Научно обоснована необходимая комплектация судостроительного и судоремонтного производства средствами технологического оснащения для реализации технологии струйной очистки с использованием только сухого льда, а также комплекса сухой лёд и абразив.

7. Разработана новая технологическая установка для реализации технологии струйной очистки с помощью сухого льда в комплексе с абразивом.

8.Осуществлено внедрение основных положений и рекомендаций диссертационной работы в практику судостроения и судоремонта при производстве антикоррозионных работ на судоремонтных заказах производственной компанией ООО «ФОРТ-1», что подтверждено актами о внедрении.

Разработанный метод подготовки поверхности с помощью сухого льда может использоваться в машиностроении, в транспортной промышленности, пищевой, нефтегазовой и в других областях. Ожидается, что потенциальными потребителями данной технологии будут крупнейшие судостроительные и судоремонтные предприятия.

Разработанные технологические и технические решения по модернизации и совершенствованию технологии подготовки поверхности под окраску при использовании струйной очистки металлоконструкций с помощью сухого льда в комплексе с различными абразивными материалами применительно к особенностям судостроительного и судоремонтного производства свидетельствуют о том, что поставленная цель диссертационной работы достигнута, а результаты работы востребованы промышленностью в России и за рубежом.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

А. Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК министерства образования и науки РФ:

1.Ларин Р.Н. Метод струйной очистки судовых металлоконструкций с помощью сухого льда// Судостроение.– 2010. – № 1. с. 55-58. Автор– 100%

2.Ларин Р.Н. Технологические особенности струйной очистки судовых металлоконструкций с помощью сухого льда// Журнал университета водных коммуникаций. Выпуск IV (XVIII). – СПб: СПГУВК, 2012. с. 73-78.Автор – 100% 3.Чурилин А.С., Ларин Р.Н. Социально - экономическая эффективность применения метода струйной очистки сухим льдом для корпусных изделий транспортных средств//Технико-технологические проблемы сервиса.- 2012.- №3(21). Автор-80%.

Б.Публикации во всероссийских, региональных и ведомственных научных журналах и изданиях:

1. Ларин Р.Н. Актуальность создания и разработки новых технологий подготовки поверхности в условиях судостроительного и судоремонтного производств// Материалы научно-практической конференции «Водный транспорт России: строительство, эксплуатация, управление».– СПб: СПГУВК, 1-2 октября 2009. с. 282-284. Автор – 100%

Подписано в печать 23.11.12 Сдано в производство 23.11.12

Формат 60х84 1/16 Усл.печ.л. 1,0

Тираж 70 экз. Заказ № б/н

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций

198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФБОУ ВПО СПГУВК

198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2