Особливості підбору піскоструменевого аппарату

Піскоструй (піскоструменеві установки, піскоструменеві апарати, апарати струменевоого очищення) широко застосовуються для очищення поверхонь від іржі, окалини, формувального грунту, зняття шарів, матування, зміцнення поверхонь, зняття задирок та полірування, і так само для підготовки поверхонь перед нанесенням лакофарбових матеріалів або антикорозійних покриттів.

До безперечних плюсів обробки поверхонь за допомогою піскоструменевих апаратів різними абразивними матеріалами є висока якість і невисока вартість обладнання.

1. Вплив властивостей покриттів, що видаляються на якість і продуктивність піскоструменевого очищення.

Дуже часто рекламуючи  піскоструменеве обладнання, на сайтах в Інтернеті, зустрічається такий параметр, як витрата абразиву на одиницю площі і продуктивність піскоструменевого очищення, які викликають здивування. До чого, до яких поверхонь наведені дані параметри? Якщо це слабка корозія, тут може бути одна витрата і одна продуктивність, але якщо це напливи трубної, гумобітумної ізоляції товщиною до 150 мм, та ще з добре збереженою адгезією, то тут будуть зовсім інші цифри. Організації, купуючи те чи інше піскоструменеве обладнання, виходячи з не розшифрованих параметрів, потім стикаються з гіркою реальністю.

Порівнюючи піскоструменеві методи очищення і гідроочищення виявилося, що самі процеси дуже схожі, відмінність тільки в тому, що гідроочищення безперервної дії, а піскоструменеві методи періодичної (можливо аперіодичної) дії. Тобто водяний струмінь тече безперервно, а ось частинки в повітряно-абразивному потоці переміщуються з різною щільністю і з різною рівномірністю заповнення в обсязі газу. Але робота, що здійснюється абразивною часткою в повітряному потоці, аналогічна водяному струменю. Прямий удар прагне прошити покриття, відбитий удар забирає продукти видалення. І ось тут основним чинником стає швидкість польоту абразиву, і його достатність для конкретного типу, товщини, властивостей покриттів.

Тобто основними факторами при виборі того чи іншого піскоструменевого устаткування є:

• Що ви збираєтеся чистити або видаляти,
• Які властивості має матеріал, що видаляється,
• Які зусилля потрібні для якісної роботи,
• Яку продуктивність можна отримати на тій чи іншій техніці.

2. Властивості абразивного матеріалу.

Фахівці проводили піскоструменеве очищення поверхні металу різними абразивами: кварцовий пісок, електрокорунд, шлаки металургійних виробництв тощо.

Основними параметрами при виборі типу абразиву є: питома щільність, ударна в'язкість і фракційний склад.

Питома щільність. Як вже говорилося вище, для продуктивного піскоструменевого очищення поверхні потрібна хороше ударне навантаження, яке характеризується двома величинами: масою і швидкістю абразивної частки (імпульс сили). Чим більше маса частки (питома щільність) за однакових розмірів, тим потужніше удар.

Ударна в'язкість. Цей параметр виявився одним з головних, як частка тримає удар. З фізики - пружний, чи не пружний удар, ми знаємо, що на частку при ударі впливає подвійна сила, і дуже важливо, коли вона почне руйнуватися: при першому контакті з поверхнею видаляється покриття, при проникненні крізь товщину покриття або вже при ударі об підкладку ( поверхню металу).
Фракційний склад. У багатьох регламентуючих документах вказується фракційний склад абразиву діаметром 0,5 - 1,5 мм, це не зовсім вірно з точки зору піскоструменевого очищення поверхні.

Фахівці давно вже для себе розділяють: є окремий режим піскоструменевого очищення і видалення старих покриттів з поверхні, і є окремий режим підготовки поверхні перед нанесенням нових покриттів.

Товщина покриття, що видаляється різна, і може мати незначну товщину в межах 0,5 мм. Аналізуючи роботу кількох підприємств, які досить давно працюють в сфері антикорозійних технологій, ми звернули увагу, що робітники збирають вторинну пилоподібну фракцію абразиву (де це можливо) і повторно засипають її в піскоструменевий апарат. Оператори в один голос заявляли, що використовуючи пил, кількість абразиву на одиницю площі йде значно менше, ніж при використанні ГОСТівського фракційного складу, особливо при видаленні тонких покриттів. Ми перевірили ці рекомендації. Дійсно, використовуючи пиловидну фракцію абразиву, витрата на одиницю площі на 30-35% менша, до того ж, це відноситься і до покриттів, що мають товщину більше, ніж 0,5 мм.

Висновки: з усіх абразивів, що було випробувано, при піскоструменевому очищенні поверхні металу, найкраще себе зарекомендували шлаки металургійних виробництв, вони мають найвищу питому щільність, в порівнянні з іншими абразивами (високий вміст заліза). Для ефективного піскоструменевого очищення поверхні повинна бути суміш 50 на 50 (пиловидна фракція + ГОСТівська фракція).

3. Фізика процесу роботи піскоструменевого сопла.

Основоположниками багатьох напрямків у газовій динаміці російськими вченими Г.М. Абрамовичем, М.Є. Дейчем, прораховані і зведені у таблиці швидкості потоку різних газів, які можуть досягти своїх максимальних значень при стандартних умовах. Для повітря надзвукова швидкість потоку при стандартних умовах дорівнює V = 550 м / сек. Тобто грамотно виготовлене піскоструменеве сопло може видати таку швидкість потоку. Якщо взяти технічні можливості піскоструменевих апаратів, наприклад: АСО - 150 (витрата стисненого повітря Q пов = 5 м3 / хв, при Р пов = 6 атм) і видати максимальну кількість абразиву для даного обладнання, то цей абразив в таких швидкостях повітряного потоку може розігнатися до V АБР. = 400 м / сек і більше. Такої швидкості абразиву достатньо для продуктивного піскоструменевого очищення поверхні, навіть сучасних видів покриттів. Переміщення абразивного матеріалу - це інерційна система, швидкість абразиву в зносостійких піскоструменевих шлангах перед соплом десь у межах 30 - 40 м / сек. Після проходу надзвукового сопла маса абразивних часток отримує якийсь імпульс, і швидкість збільшується в 2 - 3 рази, але надзвуковий потік стисненого повітря в атмосфері переходить в режим гальмування, і у абразиву, для подальшого розгону, зникають умови.

4. Піскоструменевий сопловий пристрій.

Саме внутрішній профіль піскоструменевого соплового пристрою дозволив розігнати частинки абразиву до максимально можливої ​​швидкості за стандартних умов для газу. В результаті, при проведенні порівняльних випробувань, продуктивність піскоструменевого соплового пристрою виявилася в 3 - 4 рази вищою, ніж у аналогічного піскоструменевого сопла фірми «Boride», а витрата абразиву в 3 - 4 рази меншою. Саме висока швидкість розгону абразиву дозволила різко підняти продуктивність і зменшити його витрати. Звідси собівартість піскоструменевого очищення різко знизилася. Очищення фасадів піскоструменевими апаратами із застосуванням сухого піску показало, що піщинки з гострими гранями, що вилітають із значною швидкістю з форсунки піскоструменевого апарату, сильно стесують поверхню фасадів з природного каменю. Краї окремих каменів, особливо м'яких порід, виявляються стесаними, а поверхня стає шорсткою.

Ще великі руйнування виробляє піскоструменеве очищення при роботі із штукатуркою, так як стесуються не тільки забруднення, але й найбільш міцний верхній шар штукатурки глибиною 1,5 - 2 мм.

Типи піскоструменевих апаратів.

За типом подачі абразивного матеріалу - піскоструменеве обладнання ділиться на напірне або інжекторне. При напірному типі - повітря подається як в саму установку, так і на дозуючий вузол абразиву. При цьому абразив і стиснене повітря подаються одним рукавом, на кінці якого кріпиться абразивоструменеве сопло для надання форми та напряму струменя. Швидкість і енергія повітряноабразивного струменя при напірному типі піскоструменевих апаратів висока, що дозволяє виконувати великі обсяги робіт і виробляти глибоке очищення поверхні. При інжекторному типі піскоструменевого апарату - повітря і абразив подаються двома різними рукавами. Повітря по рукаву подається безпосередньо в соплотримач, в якому встановлені два сопла: абразивоструменеве і повітряне. Швидкість і енергія повітряно-абразивного струменя при инжекторному типі значно нижчі, що задовольняє при невеликих обсягах піскоструменевих робіт. З переваг можна відзначити як невисоку вартість самої піскоструменевої установки, так і необхідного для роботи компрессора, бо інжекторне обладнання споживає значно менше стисненого повітря.

Для піскоструменевого очищення використовуються такі види абразиву як сталевий електрокорунд, сталева або чавунна дріб, висококремнистий пісок; а також карбід бору, з якого виготовляють піскоструменеві сопла вентури, відходи якого у вигляді піску використовуються як абразивний матеріал.

Сталеві і чавунні деталі обробляють сухим гірським кварцовим піском. Для обробки тонких деталей використовують пісок із зернами величиною 1 - 1,5 мм, а для обробки грубих деталей - пісок з частинками розміром 2 - 2,5 мм. Оптимальний тиск під час піскоструменевої обробки сталевих і чавунних деталей - 6 атм.

Кут нахилу сопла до поверхні, що обробляється 80-90°(чавунна деталь), та 45-67°(сталева деталь). Відстань від сопла пістолета до деталі 100 мм. Повітря, необхідне для розпилення піску, повинне бути очищене від вологості і масла в спеціальних масловологовідділювачах.

Для піскоструменевого очищення елементів необхідні - компресор з повітрязбирачем і піскоструменевий апарат зі шлангами, а також сухий і чистий пісок. Тиск в апараті встановлюють у межах від 3 до 6 атм залежно від довжини шланга. Очищення одного елемента займає від 5 до 25 хв залежно від площі і ступеня забруднення поверхні, що очищається. Піскоструменевий спосіб забезпечує високу якість очищення поверхонь; він не викликає деформації елементів і потребує невеликих трудових витрат.

Проводити піскоструменеве очищення потрібно на відкритих майданчиках. Робітники повинні мати захисні окуляри і респіратори.

На перший погляд, стикаючись з питанням вибору піскоструменевих сопел, для піскоструменевої обробки, все здається досить просто. Але в міру заглиблення в проблематику процесу приходить розуміння, що уявна простота насправді є оманливою. Максимальна ефективність піскоструменевого процесу може бути досягнута тільки в тому випадку, коли всі компоненти технологічного ланцюга узгоджені між собою. Якщо недооцінений хоча б один з елементів, вся система буде працювати або нестабільно або неефективно.

Загальний опис піскоструменевого процесу

Технологічний ланцюжок, що включає в себе: компресор - повітряну лінію - піскоструменевий апарат - повітряно-абразивну лінію - сопло, проектуються і збираються в одне ціле з однією єдиною метою - створення стабільних умов для оптимальної роботи фінішного елемента системи - піскоструменевого сопла. Всі елементи системи взаємопов'язані і невіддільні один від одного. Іншими словами, мета -  мінімізація втрат тиску стисненого повітря, під час проходження повітряного потоку, заданого обсягу за системою трубопроводів,  і його оптимальне насичення абразивним матеріалом на певному етапі, націлене на отримання максимально можливого миючого ефекту за допомогою оптимально підібраного, під конкретне завдання, струменевого сопла. У свою чергу очищуючий ефект (кінетична енергія удару абразивної частки) істотно залежить ще й від маси, розміру та кількості абразивних часток, що проходять через сопло з певною швидкістю в одиницю часу.

Для того щоб розібратися від чого залежить ефективність піскоструменевого очищення, і яка роль відведена в ній кожному елементу системи та, зокрема, соплу спробуємо розібратися по порядку.

Виділимо три ключові елементи системи: компресор - система трубопроводів - струменеве сопло. Система трубопроводів, в свою чергу, складається з двох частин: повітряної і повітряно-абразивної магістралей. Характеристики піскоструменевого апарату на процес проходження стисненого повітря майже не впливають. Хоча недооцінювати роль дозуючого пристрою для всього піскоструменевого процесу теж неправильно, а в іншому, піскоструменевий апарат - це всього лише накопичувальний бункер, цінність якого визначається місткістю і наявністю всіляких додаткових опцій.

Компресор живить повітряну магістраль стисненим повітрям з певними характеристиками - обсяг і тиск. При русі по трубопроводах частина тиску буде втрачена в результаті тертя об стінки трубопроводів. Всілякі виступи, нерівності і таке інше, створюючи турбулентні завихрення, сприяють додатковим втратам тиску. При цьому швидкість потоку буде поступово зростати, а тиск падати. У повітряній частині трубопроводів боротися з втратами тиску досить просто - збільшуючи діаметр прохідного перетину і застосовуючи матеріали з більш високими коефіцієнтами ковзання, можливо звести втрати від тертя до мінімальних значень. Складніше з повітряно-абразивної лінією, де стиснене повітря починає виконувати функції пневмотранспорту. І на цьому етапі слід зрозуміти і прийняти до уваги, що маса абразивного матеріалу в одиницю часу в магістралі є незмінною, тобто скільки абразиву потрапляє через дозуючий клапан піскоструменевого апарату в магістраль, приблизно стільки ж має бути викинуто через сопло на оброблювану поверхню. Це пояснює той факт, що при збільшенні довжин повітряно-абразивної лінії, доводиться зменшувати подачу абразиву, (що негативно позначається на продуктивності) або збільшувати тиск в магістралі, в іншому випадку з'являється нерівномірно насичений пульсуючий струмінь абразиву на соплі. Не варто забувати і про втрати тиску в результаті тертя об стінки трубопроводу, через зменшення прохідного перерізу трубопроводу в результаті утворення пристінкового турбулентного шару.

Об'єм повітря, і тиск на соплі є основними параметрами, що впливають на швидкість і продуктивність піскоструменевого очищення. Але мова йде тільки про максимально-можливиі швидкості повітряно-абразивного потоку, хоч це і ключові параметри, але продуктивність піскоструменевого очищення буде так само чимало залежати від характеристик і властивостей абразивного матеріалу.

Залежно від наявного обсягу стисненого повітря обирається і прохідний перетин сопла, і чим більше об'єм повітря в наявності, тим більший діаметр сопла може бути використано. Це передбачає і більший відбиток на оброблюваній поверхні (робоча пляма), і як наслідок зменшення кількості перепроходів (за аналогією із забарвленням - т.зв. ефект перефарбовування), що істотно впливає на продуктивність піскоструменевого очищення і витрату абразиву.

При підвищенні тиску на соплі, збільшується прискорення абразиву і кінетична енергія удару абразивної частинки, що також сприяє збільшенню продуктивності.

Основні функції, що виконуються соплом - це стиснення і додатковий пришвидшення повітряно-абразивного потоку, формування і різне (сфокусоване або рівномірне) насичення робочої плями.

Про діаметр соплового отвору написано вже багато і з цим параметром все досить ясно. Підсумовуючи все вищесказане можна зробити наступні висновки. Діаметр сопла динамічно пов'язаний з об'ємом виробленого компресором стисненого повітря і тиском в трубопровідній магістралі, тобто при збільшенні тиску збільшується і споживаний обсяг стисненого повітря, при цьому продуктивність піскоструменевого очищення зростає, а споживання абразиву падає. Примітка: Продуктивність піскоструменевого очищення залежить від кількості зіткнень абразивних частинок, що володіють певною енергією в одиницю часу, з оброблюваною поверхнею. У той же час енергія удару частинки залежить безпосередньо від її швидкості і маси в момент зіткнення з поверхнею.

Форма каналу. За формою каналу на сьогоднішній день, в цілому, використовуються два різновиди піскоструменевих сопел:

• прямоточні,
• трубки Вентури.

Прямоточні сопла формують нерівномірно насичений робочий відбиток. Основна концентрація абразиву буде знаходитися в центрі робочої плями, з поступовим зменшенням концентрації до країв. Така нерівномірність у розподілі абразиву пов'язана з фізикою проходження повітряного потоку по трубі, де на кордоні сопло - повітряний потік, відбувається формування пристінкового турбулентного шару, що володіє гальмуючим ефектом. Сопла з прямою формою каналу можуть бути корисні при локальній обробці, при роботі на вузькопрофільних конструкціях (решітки, перила, зварні шви тощо), тобто скрізь, де може знадобитися сфокусована робоча пляма.

Сопла Вентури формують рівномірно насичену робочу пляму і додатково створюють передумови для отримання, за умови дотримання певних умов, максимально можливих, аж до надзвукових, швидкостей повітряно-абразивного потоку. Це пов'язано з особливою геометрією соплового каналу, що складається ніби з трьох частин: конус вхідної горловини (конффузор), прямий відрізок (розгінна частина) і конус вихідного отвору (дифузор).

Примітка: Діаметр сопла - це діаметр прямого каналу у прямоточних сопел і діаметр розгінної частини сопел Вентури.

Залежно від зміни співвідношення діаметру розгінної частини до вихідного діаметру дифузора змінюються і параметри робочого відбитка. Слід зазначити, параметри швидкості абразиву і робочої плями також чимало залежать від довжини розгінної частини і довжини самого дифузора.

Як відомо, кожен абразив володіє певними характеристиками - тип, твердість, щільність, фракційний склад тощо. Повертаючись до питань пневмотранспорту, певний обсяг стисненого повітря при певному тиску може транспортувати певну кількість абразивного матеріалу за масою. Порівняємо, для прикладу, кварцовий пісок і сталеву колоту дріб. Щільність кварцового піску приблизно 1,6 кг / дм3, а металу 7,8 кг / дм3. Тобто піску буде транспортуватися і подаватися в чотири рази більше, при однакових вихідних параметрах піскоструменевої системи, ніж сталевого абразиву. Враховуючи те, що продуктивність піскоструменевого очищення залежить від кількості і кінетичної енергії зіткнень в одиницю часу з поверхнею. Можна зробити наступні висновки - кількість зіткнень піщаного абразиву, при однаковому фракційному складі, в порівнянні з дробом, буде в 4 рази більше. Але в той же час, кінетична енергія удару у металевого абразиву також буде в 4 рази більшою, ніж у піску. У реальних умовах, в залежності від конкретних завдань, можуть користуватися попитом і максимально можливі очищуючий ефект і максимальний кінетичний удар. Тому питання вибору абразиву залежить від вихідного стану і необхідної кінцевої чистоти поверхні і набуває таке ж ключове значення, як і проектування оптимальної піскоструменевої системи спільно з підбором оптимального струменевого сопла.