устройство для водовоздушного охлаждения

Формула изобретения

1. Устройство для водовоздушного охлаждения изделий при термообработке, включающее тракты подачи воды и воздуха и присоединенную к ним смесительную камеру с входными патрубками воды и воздуха, связанную посредством выходного патрубка с соплами, отличающееся тем, что входной патрубок воздуха выполнен в виде расположенных соосно один в другом и смесительной камере патрубков с индивидуальными трактами подачи воздуха к каждому, внутренний патрубок соединен с входным патрубком воды через сопловое отверстие, наружный патрубок с выходной стороны закрыт распыливающей сеткой, а с другой стороны к смесительной камере симметрично ее оси прикреплен распределитель потоков с выходными патрубками, внутри которых перед соплами установлен конфузор.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний входной патрубок воздуха выполнен с возможностью осевого перемещения.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что смесительная камера выполнена в виде подвижного телескопического соединения.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что на выходе внутреннего входного патрубка воздуха установлено сопло.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к трубопрокатному производству и может быть использовано при осуществлении регулируемого охлаждения зоны сварного соединения (ЗСС) бурильных труб в поточных линиях при их термической обработке.

Известны: устройство водовоздушного охлаждения изделий (авт. св. СССР №1381173, М. кл. С 21 D 1/62, опубл. 15.03.88), содержащее корпус с газовым и жидкостным соплами, смесительную камеру с отверстиями для истечения охладителя и дополнительные смесительные камеры, которые расположены последовательно и сообщены между собой с помощью отверстий с переменным проходным сечением, увеличивающимся по ходу движения охладителя, размещенных в шахматном порядке относительно друг друга; устройство для водовоздушного охлаждения изделий из различных металлов и сплавов, преимущественно арматурной стали и прокатных валков (авт. св. СССР №1189886, М. кл. С 21 D 1/62, опубл. 07.11.1985), включающее сопла для подачи воды и сжатого воздуха и распыливающую сетку, установленную с возможностью перемещения относительно сопел, камеру, установленную между соплами и сеткой и выполненную в виде направляющей трубы с отверстиями в ее стенке, при этом ось воздушного сопла перпендикулярна поверхности сетки, а ось водяного сопла параллельна ей, и водяное сопло расположено между воздушным соплом и сеткой; устройство для водовоздушного охлаждения изделий при термообработке (авт. св. СССР №619525, М. кл. С 21 D 1/62, опубл. 15.08.1978), содержащее соединенную со спрейером смесительную камеру, состоящую из трубопровода для подачи воды с расположенной в нем трубкой с отверстиями для подвода воздуха, трубопровод для подачи воды выполнен в виде противоположно направленных колен, в месте соединения которых расположена трубка с отверстиями, выполненными по винтовой линии и размещенными в полости колена, связанного со спрейером; устройство для охлаждения изделий (авт. св. СССР №1224345, М. кл. С 21 D 1/62, опубл. 15.04.1986), содержащее внутреннее сопло, охватывающее его наружное щелевое сопло и насадок с перегородкой, имеющей цилиндрические отверстия, расположенные по окружности, внутреннее сопло выполнено коническим, перегородка в центре имеет коническое отверстие, образующее с внутренним соплом наружное щелевое сопло, при этом насадок выполнен цилиндрическим и установлен с возможностью перемещения по оси устройства, а цилиндрические отверстия перегородки направлены под острым углом на внутреннюю поверхность насадка.

Недостатками вышеописанных устройств для охлаждения являются сложность конструкции, значительные размеры при организации двухстороннего охлаждения, например, трубных изделий и неравномерное охлаждение труб из-за трудности поддержания одинаковых параметров водовоздушной смеси в каждом из устройств, расположенных по периметру.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство для охлаждения листа при прокатке (авт. св. СССР №1210934, М. кл. В 21 В 45/02, опубл. 15.02.1986), включающее тракты для подготовки и подачи воды и воздуха и присоединенную к ним смесительную камеру с входными патрубками воды и воздуха, связанную посредством выходного патрубка с соплами, выходной патрубок установлен с возможностью осевого перемещения внутри камеры, а камера заполнения твердым дисперсным материалом имеет перегородку, расположенную между входными патрубками воды и воздуха.

Недостатком прототипа является сложность конструкции и низкая равномерность охлаждения.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в создании рациональной конструкции охлаждающего устройства, обеспечивающего регулируемое, равномерное охлаждение ЗСС бурильных труб в линиях их термической обработки.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для водовоздушного охлаждения, включающем тракты подачи воды и воздуха и присоединенную к ним смесительную камеру с входными патрубками воды и воздуха, связанную посредством выходного патрубка с соплами, входной патрубок воздуха выполнен в виде расположенных соосно один в другом и смесительной камере патрубков с индивидуальными трактами подачи воздуха к каждому, внутренний патрубок соединен с входным патрубком воды через сопловое отверстие, наружный патрубок с выходной стороны закрыт распыливающей сеткой, а с другой стороны к смесительной камере симметрично ее оси прикреплен распределитель потоков с выходными патрубками, внутри которых перед соплами установлен конфузор, при этом внутренний входной патрубок воздуха выполнен с возможностью осевого перемещения, смесительная камера выполнена в виде подвижного телескопического соединения, а на выходе внутреннего входного патрубка воздуха установлено сопло.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлен общий вид устройства в разрезе, поз. а - вид по А, поз. б - сечение Б-Б.

Устройство для водовоздушного охлаждения включает тракты подачи воды 1 и воздуха 2 и 3, присоединенную к ним смесительную камеру 4 с входными патрубками воды 5 и воздуха 6 и 7, связанную посредством выходных патрубков 8 и 9 с соплами 10. Входные патрубки воздуха 6 и 7 расположены соосно один в другом и смесительной камере 4, соединены с индивидуальными трактами подачи воздуха 2 и 3 соответственно. Это позволяет организовать регулируемое двухступенчатое распыление воды, используя для первичного распыления высокопотенциальный сжатый воздух в патрубке 7, а для вторичного распыления - сжатый воздух низкого давления в патрубке 6. Патрубок 7 соединен с трактом подачи воздуха 3 через резьбовую втулку 11, что позволяет производить осевое перемещение патрубка 7 внутри патрубка 6, и с входным патрубком воды 5 через сопловое отверстие 12, обеспечивающее дозирование и диспергирование воды, подаваемой внутрь патрубка 7. На выходной стороне патрубка 7 установлено сопло 13. Выходная сторона патрубка 6 закрыта распыливающей сеткой 14, обеспечивающей дробление крупных капель воды в смеси. С другой стороны к смесительной камере 4 соосно прикреплен распределитель потоков - фланец 15 с выходными патрубками 8 и 9, внутри которых перед соплами 10 установлены конфузоры 16. Выходные патрубки 8 в фланце 15 расположены равномерно по окружности симметрично оси патрубка 9, установленного соосно камере 4. С внутренней стороны фланца 14 на входных отверстиях патрубков 8 и 9 выполнены фаски, которые занимают всю его внутреннюю поверхность. Это позволяет наряду с уменьшением входного сопротивления обеспечить организованную и равномерную подачу влаги, конденсирующейся на внутренней поверхности фланца, по патрубками 8 и 9.

Выполнение смесительной камеры 4 в виде телескопического соединения с уплотнением 17 позволяет оперативно изменять ее объем в процессе охлаждения. Возвратно-поступательное перемещение подвижной части телескопического соединения 18 обозначено противоположно направленными стрелками, привод на чертеже не показан. В нижней части камеры смешения 4 вблизи фланца 15 выполнена приемная емкость 19 для сбора и удаления влаги, образующейся на стенках камеры 4 при работе устройства.

Предлагаемое устройство для водовоздушного охлаждения работает следующим образом. В начальный период включают подачу сжатого воздуха в патрубки 6 и 7 с давлениями соответственно P₁ и Р₂ и производят продувку устройства от остатков влаги. Затем от тракта 1 по патрубку 5 внутрь патрубка 7 через сопловое отверстие 12 подают воду с давлением Р₃, которая дробится потоком сжатого воздуха (воздух первичного распыления), движущимся по патрубку 7, и далее, истекая из сопла 13, подвергается первичному распылению с образованием на выходе из него струи водовоздушной смеси, которая, взаимодействуя с потоком воздуха (воздух вторичного распыления), выходящего из кольцевого зазора между патрубками 6 и 7, получает вторичное распыление. При прохождении через распыливающую сетку 14 происходит дробление находящихся в водовоздушной смеси крупных капель воды. Далее водовоздушная смесь поступает в камеру смешения 4, где происходит раскрытие факела струи и ее разделение на поверхности фланца 15 на потоки, направляемые в выходные патрубки 8 и 9, по которым она транспортируется к конфузорам 16 и далее через сопла 10 направляется на поверхность ЗСС бурильной трубы 20 симметрично плоскости сплавления 21. Капельная влага, оседающая на стенках патрубков 8 и 9, дробится при прохождении через конфузор 16. Влага, осевшая на стенках смесительной камеры, стекает в приемную емкость 19 и затем удаляется через дренажное отверстие. Это позволяет избежать ее попадания в нижние выходные патрубки 8 и тем самым повысить равномерность охлаждения.

Такое многоступенчатое распыление воды позволяет получить стабильную, устойчивую при транспортировке водовоздушную смесь и обеспечить равномерное охлаждение ЗСС по периметру.

Регулирование интенсивности охлаждения ЗСС осуществляется за счет изменения количества воды, подаваемой на распыление, и скоростных режимов воздуха первичного и вторичного распыления. Варьирование интенсивности охлаждения на внутренней и наружной поверхностях ЗСС осуществляется двумя способами. В первом - изменением положения сопла 13 внутри патрубка 6 относительно распыливающей сетки 11 путем ввертывания - вывертывания патрубка 7 в резьбовой втулке 11 с одновременным изменением параметров воздуха первичного и вторичного распыления. При этом регулируется форма водовоздушной струи на входе в камеру смешения и тем самым степень насыщения факела распыленной водой по радиусу. При приближении сопла 13 к распиливающей сетке 14 и/или увеличении расхода воздуха вторичного распыления происходит снижение содержания распыленной воды в периферийной части поперечного сечения факела в камере смешения с увеличением содержания распыленной воды в центральной, что приводит при последующем разделении его на потоки на фланце 15 к увеличению влагонасыщения смеси в центральном выходном патрубке 9 и уменьшению - в патрубках 8 и тем самым к повышению интенсивности внутреннего охлаждения и понижению наружного. При удалении сопла 13 от распыливающей сетки 14 и/или уменьшении расхода воздуха вторичного распыления происходит увеличение содержания распыленной воды в периферийной части поперечного сечения факела водовоздушной смеси в камере смешения и снижение в центральной, что приводит к снижению интенсивности внутреннего охлаждения и увеличению наружного.

Во втором случае регулирование осуществляют за счет изменения длины смесительной камеры 4 путем перемещения подвижной части телескопа 18. При этом изменяются длина и форма факела водовоздушной смеси в камере смешения и степень насыщения его распыленной водой по длине и радиусу.

При сокращении камеры смешения 4 снижаются степень раскрытия факела водовоздушной смеси в ней, и на выходе камеры уменьшается количество распыленной воды в периферийной части поперечного сечения факела с увеличением ее в центральной, что приводит к увеличению распыленной воды в смеси, подаваемой на внутреннюю поверхность ЗСС, и уменьшению в смеси подаваемой к наружной и тем самым к повышению интенсивности внутреннего охлаждения и понижению наружного. При удлинении камеры смешения 4 происходит увеличение степени раскрытия факела водовоздушной смеси, приводящее к увеличению содержания распыленной воды в его периферийной части поперечного сечения на выходе камеры 4 с уменьшением в центральной, что ведет к понижению интенсивности внутреннего охлаждения и повышению наружного. Периодически изменяя в процессе охлаждения длину камеры 4, можно обеспечить циклическое регулирование интенсивности охлаждения на наружной и внутренней поверхностях ЗСС.

Таким образом, в предлагаемом устройстве возможно регулирование как общей интенсивности охлаждения, так и варьирование интенсивности наружного и внутреннего охлаждения ЗСС бурильных труб. Работа предлагаемого устройства для охлаждения водовоздушной смесью, выполненного по п.1 формулы, опробована в цехе Т-2 ОАО "СинТЗ" в поточной линии участка термической обработки ЗСС бурильных труб. Для этого в существующей камере охлаждения было смонтировано предлагаемое устройство. В поточной линии осуществляли термическую обработку на группу прочности «X 95» бурильных труб размером 73,0×9,19 мм. Тело трубы из стали марки 32ХМА, замок - сталь марки 40ХМФА, толщина зоны высадки 17 мм. После приварки замков и удаления грата ЗСС подвергали термической обработке: нормализации при температуре 950°С с последующим двухсторонним водовоздушным охлаждением ЗСС до температуры 30-50°С в предлагаемом устройстве. Отпуск ЗСС проводился при температуре 680°С.

Результаты термической обработки ЗСС бурильных труб показали, что при использовании предлагаемого устройства за счет эффективного и равномерного охлаждения улучшился комплекс и снизился разброс механических свойств по периметру сварного соединения (табл.).

Таким образом, в предлагаемом устройстве возможно регулирование как общей интенсивности охлаждения, так и варьирование интенсивности наружного и внутреннего охлаждения ЗСС бурильных труб.

Таблица
Свойства зоны сварного соединения после термической обработки по существующей технологии и с использованием предлагаемого устройства
Технология	Механические свойства
	в, кгс/см2	т, кгс/см2	5, %	, %	KV+21 футов/фунтов
Существующая	78,1-89,3	59,7-76,8	16,3-17,3	62-72	7,0-15,0
С использование предлагаемого устройства	85,4-91,2	72,6-80,0	18,0-18,6	67-69	47,5-50,2
Требования API 5D Х95	-	41,55	-	-	12,0

Предлагаемое устройство хорошо вписывается в пространство камер охлаждения существующей в цехе поточной линии термической обработки ЗСС бурильных труб и позволяет осуществить их равномерное регулируемое охлаждение.