Екзотермічний різальний елемент

Екзотермічний різальний елемент, що складається з корпусу, у якому розміщена технологічна екзотермічна суміш і запалювальний запал, який відрізняється тим, що в технологічній екзотермічній суміші виконана виїмка у формі параболоїда обертання, у якій розміщений запал, різальний елемент оснащений електропровідним згоряючим стержнем, що розміщений у корпусі по його поздовжній осі, різальний елемент оснащений джерелом електричної енергії. Корисна модель відноситься до області різання матеріалів екзотермічними стержнями, виготовленими з технологічних екзотермічних сумішей (ТЕС) із застосуванням зовнішніх джерел енергії, і може бути використана у процесі проведення аварійно-рятувальних робіт на фонтануючих нафтогазових свердловинах, монтажі і демонтажі конструкцій та механізмів, на будівництві і ремонті споруд. Відомий пристрій для термітного різання металевих конструкцій, що містить термітний стержень, сформований з термітної суміші у вигляді циліндра, оснащений оболонкою з негорючого матеріалу з температурою плавлення меншою від максимальної температури горіння термітної суміші, але більшою від температури плавлення металу конструкції, що піддається впливу палаючої термітної суміші. Оболонка термітного стержня дозволяє концентрувати енергію горіння термітної суміші і охороняє стержень від механічного впливу і вологи [див. опис винаходу до патенту СРСР №1833272 В23К23/00] - прототип. Вказаний пристрій не може бути використаний для різання матеріалів, що мають велику довжину різання, або у процесі різання декількох матеріалів, розташованих на деякій відстані один від другого на лінії різання, що часто буває необхідним під час ліквідації відкритих палаючих фонтанів на нафтових і газових свердловинах, тому що енергетичні можливості пристрою обмежені кількістю теплової енергії, яка виділяється у процесі горіння термітної суміші, відсутністю динамічного впливу і вектора спрямованості продуктів горіння термітної суміші на матеріал, що перерізається. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення різального екзотермічного елемента, у якому за рахунок електропровідного згоряючого стержня і джерела електричної енергії забезпечується можливість створення високотемпературного динамічного, спрямованого електропровідного плазмового різального струменя, що дозволяє проводити різання матеріалів, з великою глибиною різання, у процесі ліквідації відкритих газових і нафтових фонтанів. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в екзотермічному ріжучому елементі, що складається з корпусу, у якому розміщена ТЕС і запалювальний запал, новим є те, що в ТЕС виконана виїмка у формі параболоїда обертання, у якій розміщений запал, різальний елемент оснащений електропровідним згоряючим стержнем, що розміщений у корпусі по його поздовжній осі, різальний елемент оснащений джерелом електричної енергії. На кресленні Фіг.1 і Фіг.2 зображений екзотермічний різальний елемент у вихідному положенні. Пристрій містить ТЕС 1 із запалювальним запалом 2, в ТЕС 1 по поздовжній осі розміщений згоряючий електропровідний стержень З, ТЕС 1 розміщена в корпусі 4 з денцем 5. Між денцем 5 і стержнем 3 розміщений електроізолятор 6. Пристрій оснащений джерелом електричної енергії (на кресленні не показане), що з'єднане з електропро (46) 15.12.2005, Бюл. № 12, 2005 р. (72) Ляпін Євген Олександрович, Вайсберг Григорій Львович, Ленкевич Юрій Євгенович, Римчук Данило Васильович (73) ДОЧІРНЄ ПІДПРИЄМСТВО "ВОЄНІЗОВАНА АВАРІЙНО-РЯТУВАЛЬНА (ГАЗОРЯТУВАЛЬНА) СЛУЖБА "ЛІКВО" НАФТОГАЗОВОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ" відним стержнем 3 (точка з'єднання А) і з матеріалом, що розрізається, (точка з'єднання Б). Циліндрична ТЕС 1 із запалом 2 і стержнем З поміщена в електропровідний згоряючий циліндричний корпус 4 без зазору, з денцем 5 і електроізолятором 6. Матеріал корпусу 4 вибирається таким чином, щоб температура його плавлення була вищою або рівною температурі плавлення стержня 3. У якості ТЕС 1 використовуються багатокомпонентні суміші, що складаються з термітних сумішей і ряду активних хімічних компонентів. Термітна суміш складається з еквімолекулярної кількості елементів (АІ, Мд, Са, Ті, Si, В) і оксидів елементів (FeO, Fe2O3, Fe3O4, B2O3, MnO2, CuO, SiO2 і ін.), яка розраховується на хімічну реакцію, що протікає з надлишком кисню. Активні хімічні компоненти призначені для збільшення теплового ефекту, прискорення чи уповільнення процесу горіння термітної суміші, зниження температури її спалаху, створення необхідної кількості іонізованих газів, забезпечення механічної міцності і водонепроникності ТЕС 1 і інших необхідних властивостей. ТЕС 1 по масі складається на 50-95% з терміту і на 50-5% з активних хімічних компонентів. ТЕС 1 виконана пресуванням усіх компонентів з мінімальною технічно можливою середньою дисперсністю, до досягнення густини не меншої 3,5г/см3. Запалювальний запал 2, за геометричними розмірами і формою, виконаний у відповідності до форми виїмки в ТЕС 1, має сферичну чи плоску головку, що виступає назовні з корпусу 4 різального елемента на 10-50% від його діаметра. Запалювальний запал 2 виготовляється з хімічних компонентів, що забезпечують його спалахування від тепла, що виділяється електричною дугою, з наступним гарантованим запалюванням ТЕС 1. Запалювальний запал 2 може виготовлятися як пресуванням компонентів, так і з використанням цементуючих речовин. Пристрій працює наступним чином: електрична енергія від джерела подається на точки А і Б. Між стержнем 3 і матеріалом, що перерізається, загоряється електрична дуга, від дуги загоряється запалювальний запал 2, від нього запалюється ТЕС 1. Процес горіння відбувається на поверхні параболоїда обертання. Продовжується стійке горіння ТЕС 1, електричної дуги та плавлення і часткове горіння стержня 3 і корпусу 4, при цьому виникає високотемпературний термодинамічний струмінь спрямованої дії. Електроізолятор 6 між денцем 5 і стержнем З ізолює стержень 3 від корпусу 4 при проходженні електричного струму. Роботу екзотермічного різального елемента можна розділити на наступні етапи: - запалювання електричної дуги між електропровідним стержнем 3 і матеріалом, що ріжеться; - запалювання від електричної дуги і горіння запалювального запала 2; - початок горіння ТЕС 1 від запалювального запала 2 на внутрішній поверхні виїмки виконаної в ТЕС 1, з утворенням продуктів горіння (робочого тіла), що за рахунок газоподібних компонентів, що наявні в ТЕС 1, і високої температури термітної 11021 реакції перебувають під надлишковим тиском у порожнині виїмки. Це приводить до виникнення реактивної сили, створюваної робочим тілом, і забезпечує його термодинамічний вплив на матеріал, що розрізається; - стабільне горіння ТЕС 1 по профілю виїмки з утворенням високотемпературного реактивного струменя робочого тіла при наявності стійкої електричної дуги, що протікає по робочому тілу між стержнем 3 і матеріалом, що розрізається, поступальне плавлення і часткове випаровування матеріалів стержня 3 і корпусу 4 у міру згоряння ТЕС 1. Процес горіння ТЕС 1 являє собою екзотермічну хімічну реакцію з виділенням великої кількості тепла. Наприклад, застосування в ТЕС 1 залізоалюмінієвого терміту, дозволяє забезпечити робочому тілу початкову температуру вище 3000°С. Робоче тіло являє собою високотемпературну суміш продуктів хімічної реакції горіння ТЕС 1, що знаходяться в рідкому, газоподібному, іонізованому стані, і має властивість електропровідності, що дозволяє стабільно підтримувати горіння електричної дуги між стержнем 3 і матеріалом, що розрізається, у процесі усього робочого циклу екзотермічного елемента. Електрична енергія, що споживається на горіння електричної дуги, в основному перетворюється в теплову енергію і витрачається на додаткове розігрівання робочого тіла. В міру поступального горіння ТЕС 1 усередині корпусу 4, відбувається плавлення, часткове випарювання і горіння стержня 3 і корпусу 4 у зоні контакту їх з робочим тілом за рахунок надлишку кисню, закладеного в складі ТЕС 1, і кисню навколишнього повітря. При цьому, в першу чергу відбувається плавлення стержня 3, що знаходиться в зоні максимальних температур, а потім корпусу 4, що охолоджується зовнішнім повітрям, чим постійно підтримується заданий профіль виїмки ТЕС 1 у формі параболоїда обертання, півсфери, конуса, межами яких є внутрішня окружність корпусу 4. В результаті цього від поверхні параболоїда обертання, півсфери, конуса відбувається відображення променів і полум'я і їхнє фокусування (стиск) на деякій відстані від робочого торця корпусу 4 - фокусній відстані. Фокусуванням робочого тіла, що вже має високу температуру, з електричною дугою, що протікає в ньому, у точці оптичного фокуса, досягається додатковий ефект його розігрівання, за аналогією з відомим способом одержання плазми в плазмотронах без застосування спеціальних сопел, що дозволяє досягти йому температур, порівнянних з температурами «холодної плазми» (вище 10000°С). Виходячи з цього, найбільш оптимальною відстанню між елементом, що ріже, і матеріалом, що розрізається, є фокусна відстань, яка визначається конструктивним рішенням виїмки в ТЕС 1. Температура робочого тіла в сумарному вираженні визначається температурою горіння ТЕС 1, теплотою, що виділяється при горінні електричної дуги, теплотою, що виділяється за рахунок стискання робочого тіла з протікаючою в ньому електричною дугою, і теплотою, що виділяється за рахунок горіння матеріалу стержня 3 і корпусу 4. Таким чином, робоче тіло, що має високу температуру, швидкість і вектор спрямованості, впли ваючи на поверхню матеріалу, що розрізається, розплавляє, частково випаровує його і видуває розплавлений матеріал з місця різання, чим забезпечує його розрізування на велику глибину Описаний вище варіант пристрою може застосовуватися для різання електропровідних матеріалів Для різання не електропровідних матеріалів, можливий варіант (Фіг 2), що відрізняється тим, що горіння електричної дуги здійснюється між стерж 11021 6 нем 3 і корпусом 4 елемента Запалювальний запал 2 запалюється за допомогою електронагрівальної спіралі (п 7) Точка Б - з'єднання джерела електричної енергії з корпусом 4 Стержень 3 виконаний з електротехнічного алюмінію Зовнішнє джерело електричної енергії забезпечує постійний струм величиною 350-400 амперів і напругою 40-60 вольтів Фіг 2 Комп'ютерна верстка В Мацело Підписне Тираж 26 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності" вул Глазунова, 1, м Київ - 4 2 , 01601