CZ308193B6 - Způsob obnovení integrity smaltovaných povrchů nanesených na kovový podklad a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Vynález se týká způsobu obnovení integrity smaltovaných povrchů nanesených na kovový podklad nádoby (3), při kterém se poškozené místo (4) obrousí a očistí, poté se na poškozené místo (4) nanese smalt, který se vysuší. K poškozenému místu (4) se připevní tvarový kus (5), na který je uchycen zdroj (6) tepla pro ohřev poškozeného místa (4) řízeně na 700 až 1100 °C po dobu 15 až 35 min, poté je poškozené místo (4) řízeně ochlazováno na teplotu 300 až 500 °C, načež se poškozené místo (4) nechá vychladnout. Nanesení smaltu, ohřev a vychlazení se opakuje alespoň dvakrát vždy alespoň po 30 min. Dále se vynález týká zařízení k provádění tohoto způsobu, které obsahuje tvarový kus (5), který je opatřen zdrojem (6) tepla připojeným k transformátoru (1), pro lokální ohřev nádoby (3), přičemž k transformátoru (1) je připojen zpětnovazební člen (2), ke kterému je připojen alespoň jeden optický pyrometr (7) a/nebo termočlánek (8).

Description

Způsob obnovení integrity smaltovaných povrchů nanesených na kovový podklad a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu lokální opravy povrchů z anorganických látek na bázi skla, nanesených na různých typech kovových podkladů, a zařízení k provádění tohoto způsobu. Navržené řešení umožní při dílčím poškození povrchu obnovit jeho původní integritu, včetně původní chemické odolnosti, elektrické vodivosti a inertnosti ve vztahu ke kontaminaci produktu, a to pouze lokální opravou.

Dosavadní stav techniky

V současné době se u povlaků z anorganického materiálu na bázi skla, stejně jako u kteréhokoliv jiného materiálu pro povlakování, vyskytují různé druhy vad. Tyto vady mohou vzniknout jak v průběhu používání, příkladem jsou mechanické vady, korozní opotřebení, poškození povrchu pádem nástrojů atd., tak v průběhu výroby, nejčastěji v důsledku špatně nastavených technologických parametrů, volbou nevhodného základního materiálu, nebo vadám na jeho povrchu, špatným zvolením druhu anorganického povrchu apod. Vady narušují, nebo zcela porušují integritu povrchu a takový povrch nelze s jistotou považovat za dlouhodobě odolný z pohledu chemického a tepelného namáhání.

Vady povrchu se musí nutně opravit. Lokální přesmaltování nebo přesmaltování celého povrchu zahrnuje kompletní demontáž dílu a jeho vytvrzení v peci, tento postup se používá pro celkové obnovení povrchu, nebo při vadách o ploše v řádech dm². Takovéto řešení je popsáno například ve spisu FR 2901282 AI, které umožňuje ohřev větší plochy ve dvou neohraničených oblastech pomocí infračerveného záření. Pro malé plošné vady se používaly a nyní již v omezeném měřítku používají opravy pomocí tantalového šroubu, či pomocí smaltovaného hříbku. Tantalový šroub podložený teflonovým těsněním je spolehlivá lokální náhrada poškozeného povrchu, protože tantal a teflon mají podobnou chemickou odolnost jako smalt. Pro opravu větších vad se používá tzv. smaltovaný hříbek. Tento hříbek je rozměrově větší než tantalový šroub. Pro jeho utěsnění se využívá teflonová podložka. V DE 3437620 AI je popsána oprava pomocí vložení kuželového prvku. Takto opravený smaltový povrch má krátkodobě obdobné technické parametry jako neporušený homogenní povrch. Hlavní nedostatky a problémy při těchto opravách jsou následující:

- Možnost použití této opravy pouze u nádob zásobníkového typu.

- Korozní odolnost je časově omezena, vzhledem k usazeninám vyšší korozní zatížení.

- Možnost vzniku usazenin - nehomogenita produktu, nemožnost zajištění dokonalého čištění, tj. aseptičnost - zejména ve farmaceutickém průmyslu.

- Možnost mechanického poškození, např. ulomení, těchto částí s následky pro ostatní povrch a výstroj nádoby a nebezpečnou kontaminaci produktu.

- U nádob s míchacím systémem nebezpečí kontaktu s míchacím zařízením. Na vlastní míchadla nelze použít z důvodu změny způsobu proudění, a tedy i míchacích vlastností. Porušení vyvážení míchadel.

- Stírané nádoby jsou vyloučeny z tohoto typu opravy z důvodů znehodnocení produktu a poškození stíracího zařízení.

- 1 CZ 308193 B6

Kromě uvedených typů oprav byla v průběhu času také zkoušena možnost lokální opravy poškozených míst tak, že na tato místa byla nanesena vrstva anorganického povlaku a za pomoci různých zdrojů tepelné energie byla snaha vytvrdit tento povlak. Jako zdroj tepla byl použit např. kyslíko/acetylenový plamen, nebo laser. Zásadní problém těchto řešení byl v nemožnosti přesně dávkovat tepelnou energii tak, aby došlo k optimálnímu vytvrzení opravené části a současně i propojení opraveného povrchu s okolním beze změn korozních či jiných vlastností. Zpravidla docházelo k popraskání anorganického povlaku v okolí místa opravy.

Podstata vynálezu

Způsob obnovení integrity smaltovaných povrchů a zařízení k provádění tohoto způsobu, podle tohoto vynálezu, funguje na principu lokálního nanesení opravného smaltovaného povlaku na opravované místo a jeho lokální tepelné vytvrzení pomocí speciálně navrženého zařízení, pro vytvoření potřebné vazby mezi základovým a smaltovaných povrchem. To vede k vytvoření smaltovaného povrchu stejných vlastností jako původní neporušený povrch.

Při způsobu obnovení integrity smaltovaných povrchů nanesených na kovový podklad nádoby se poškozené místo obrousí a očistí, poté se na poškozené místo nanese smalt. Smalt se vysuší, načež se k poškozenému místu připevní tvarový kus, na který je uchycen zdroj tepla pro lokální ohřev poškozeného místa řízené s rychlostí ohřevu od 2 do 10 °C min¹ na teplotu 700 až 1100 °C po dobu 15 až 35 min. Poté je poškozené místo řízené chlazeno rychlostí od 2 do 10 °C min¹ na teplotu 300 až 500 °C. Poté se poškozené místo nechá vychladnout, přičemž nanesení smaltu, ohřev a vychlazení se opakuje alespoň dvakrát vždy alespoň po 30 min a teplota uvnitř nádoby se udržuje pod 250 °C.

Zařízení pracuje na principu nepřímého ohřevu smaltovaného povrchu od podkladního kovového materiálu. Kovový materiál je řízené ohříván a ochlazován magnetickou indukcí, proudem o vysoké frekvenci, případně může být použit přímý či nepřímý ohřev elektrickým odporem. Metoda magnetické indukce má však navíc tu výhodu, že lze materiál ohřívat jak ze strany smaltovaného povlaku, tak z opačné strany, napříč celou tloušťkou materiálu, případně v kovovém materiálu vytvářet definované teplotní gradienty. Z důvodu značně rozdílné tepelné roztažnosti smaltovaného povlaku musí být ohřev a ochlazování pozvolné tak, aby teplotní gradient vytvořený v kovovém plášti nádrže byl co možná nejvíce plochý. Proto je využívána zpětná vazba hlídání výkonu ohřevu tak, aby rychlost ohřevu dosahovala naprogramované a odzkoušené rychlosti ohřevu. Zpětná vazba regulace je realizována pyrometrem ze strany vytvrzovaného povrchu a termočlánkem ze strany kovového podkladu. Zpětná vazba může být realizována buď jednotlivě pyrometrem, případně termočlánkem, nebo i oběma snímači zároveň. Pro vytvoření předdefinovaných teplotních gradientů je nezbytné současné snímání oběma snímači teploty. Ze strany opravovaného povrchu je pak umístěna speciálně tvarovaná izolace, umístěná tak, aby bylo tepelné ovlivnění vnitřku nádrže co možná nejmenší. Vnitřek nádrže pak může být ochlazován pomocí proudícího plynu. Uvedená realizace je vhodná pro všechny výrobce nádrží se smaltovanými povlaky, kteří mají zájem o záruční i pozáruční lokální opravy smaltovaných povrchů bez nutnosti kompletní resmaltace, nebo použití tantalových šroubů, či smaltovaných hříbků.

Největší výhodou navrhovaného řešení je možnost provedení opravy přímo u zákazníka, bez nutnosti demontáže celého zařízení. Tím se značně zkrátí nutná doba odstávky opravovaného zařízení a samozřejmě i celkové náklady na úplné odstranění původního povlaku, nanesení a tepelné vytvrzení celého smaltovaného povrchu. Využití řešení je plánováno všude tam, kde jsou na tlakových, netlakových nádobách, jejich součástech a výrobních zařízeních použity smaltované povlaky. Jedná se především o chemický, farmaceutický a potravinářský průmysl, dále o různé technologické zařízení, kde prioritou je korozní odolnost a zajištění nekontaminování produktu.

-2 CZ 308193 B6

Oproti kompletní resmaltaci u výrobce má tento proces velké množství výhod, např. není nutná složitá demontáž výstroje nádoby, nádoba nemusí být transportována do výrobního podniku, z toho vyplývá, že není nutné na dlouho dobu zastavit výrobu, u víceplášťových nádob odpadá nutnost tepelně oddělit prostor duplikátoru a po celkové resmaltaci opět přivařit duplikátor a provést tlakovou zkoušku, celková resmaltace znamená na rozdíl od nového řešení otryskání celého smaltovaného povrchu nádoby - nutnost práce v ochranném skafandru a vznik velkého množství odpadu. Energetická náročnost je u nového navrhovaného postupu výrazně nižší. Časová náročnost závěrečné kontroly povrchu pomocí „průrazového proudu“ je vzhledem k velikosti kontrolované plochy v minutách oproti celkové kontrole povrchu v hodinách. Z výše uvedeného vyplývá, že i finanční náročnost není tak značná.

Připojený optický pyrometr je zpětnovazebním okruhem připojen k výkonovému transformátoru, díky čemuž může upravovat výkon transformátoru tak, aby rychlost ohřevu, výdrže a ochlazování v místě vytvrzovaného smaltovaného povrchu přesně odpovídala požadovaným hodnotám cyklu tepelného vytvrzení.

Tvarový izolační kus z vysokoteplotní tuhé hmoty má přesně definovaný tvar. Je tvarově uzpůsoben tak, aby svým vnějším tvarem kopíroval vnitřní tvar nádrže v místě obnovování integrity povrchu a svým vnitřním tvarem umožňoval umístění induktoru do přesně definované vzdálenosti od tepelně vytvrzovaného povrchu. V místě otvoru pro snímání teploty v induktoru je stejný otvor i v izolačním tvarovém kusu.

Do vnitřku nádrže s izolovaným opravovaným místem smaltovaného povrchu je přiváděn plyn tak, aby díky proudění vzduchu a výměně s okolním prostředím teplota uvnitř nádrže nepřesáhla teplotu 250 °C, kdy by již provozní odolnost snímacího pyrometru vůči teplotě byla na své hranici.

V případě nemožnosti udržení teploty uvnitř nádrže pod hodnotou teploty 250 °C bude tvarový izolační kus s umístěným induktorem osazen speciální zátkou zamezující sálání otvorem pro snímání teploty.

Při osazení speciální zátkou zamezující sálání otvorem pro snímání teploty nebude možné zpětnovazebně řídit rychlost ohřevu pomocí pyrometru. V takovém případě bude snímána teplota termočlánkem TC z vnější strany kovového podkladu v místě opravy. Zpětná vazba řízení bude korigována koeficientem odpovídajícím tloušťce kovového podkladního materiálu a tepelné vodivosti daného kovového materiálu.

Zařízení s připojeným induktorem je osazeno optickým pyrometrem ze strany opravovaného smaltovaného povrchu a zároveň i termočlánkem ze strany kovového podkladního materiálu. Zpětná vazba může být řízena buď pomocí pyrometru, nebo pomocí termočlánku, případně pomocí kombinovaného signálu obou z nich.

Tepelné vytvrzení naneseného opravného smaltovaného povrchu může být provedeno také nepřímo ze strany kovového nosného podkladu, ovšem přes celou tloušťku kovového podkladu induktorem umístěným ze strany kovového podkladu.

Zařízení pracuje na základě ohřevových a ochlazovacích křivek reflektujících rozdílné koeficienty roztažnosti stanovených na základě vzájemné kombinace tloušťky podkladního kovového materiálu i tloušťky smaltovaného povlaku a na základě tvarové složitosti dílu v místě opravy.

Obnovený smaltovaný povrch má stejné vlastnosti, např. korozní, elektrické, tepelné atd., jako původní povrch.

-3 CZ 308193 B6

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže popsán pomocí schematických obrázků na přiložených výkresech, kde na obr. 1 schematicky znázorněno zařízení a způsob obnovení integrity povrchu nanesením smaltu a tepelným vytvrzením místa opravy ze strany opravovaného povrchu, a na obr. 2 zařízení a způsob opravy povrchu z vnější strany nádoby.

Příklady uskutečnění vynálezu

První příklad provedené opravy bude ukázán na zásobníkové nádobě o objemu 1,6 m³, určené pro farmaceutický průmysl, s uspořádáním umožňujícím přístup k opravě zevnitř nádrže. Plášť nádrže je tvořen materiálem P265GH o tloušťce 8 mm, s naneseným chemicky odolným smaltovaným povrchem o síle 1,2 mm. Došlo k mechanickému poškození povrchu pláště o velikosti 1,6 cm². K poškození došlo mechanickým způsobem, protože při manipulaci s víkem průlezu obsluze upadl montážní klíč do nádrže.

Dle obr. 1 je poškozené místo 4 smaltovaného povrchu v opravované nádobě 3 nejprve obroušeno pro dobrý přechod z kovového pláště do vytvrzeného smaltu a poté očištěno. Je změřena velikost vady v ose x, y a geometrické parametry nádoby v místě vady pro přípravu tvarového izolačního kusu 5. Na základě geometrických informací se provede simulační návrh ohřevové fáze tak, aby navržený teplotní cyklus respektoval a zajistil co nejmenší rozdíly v teplotní roztažnosti na rozhraní kovový povrch - smalt. Vyznačí se přesné umístění tvarového izolačního kusu 5 uvnitř nádoby 3 a z vnější strany nádoby 3 na kovovém povrchu pak místo pro termočlánek 8. Z uvedeného vyplývá, že rychlost ohřevu nebude rovnoměrná, ale bude záviset na současně získávaných informacích o teplotě smaltového povrchu pomocí pyrometru 7 a termočlánku 8. Je také zřejmé, že pro různá geometrická místa na stejném díle budou použity rozdílné postupy ohřevu, z důvodu rozdílného šíření teplotních polí. Na dané poškozené místo 4 je ručně nanesen základový smalt, který je zároveň vysušen. Na poškozené místo 4 opravy a blízké okolí je připevněn tvarový kus 5 z izolační tuhé hmoty využitelné do teploty 1200 °C, sloužící k minimalizaci úniku tepla dovnitř nádrže a zároveň k uchycení a napolohování zdroje 6 tepla vůči poškozenému místu 4. Zkontroluje se a zadokumentuje se napolohování a dosednutí izolačního tvarového kusu 5 na smaltovaném povrchu opravované nádoby 3. Zdrojem 6 teplaje v tomto případě vodou chlazený induktor. Tvarový kus 5 z izolační hmoty i zdroj 6 tepla jsou opatřeny malým otvorem ve stejném místě tak, aby bylo možné sledovat teplotu poškozeného místa 4 pomocí optického pyrometru 7. Z vnější strany nádoby 3, odpovídající poškozenému místu 4 opravy, je kondenzátorově připevněn termočlánek 8. Optický pyrometr 7 i termočlánek 8 předávají informace do zpětnovazebního členu 2, který na základě porovnání s předdefinovanou ohřevovou křivkou mění výkon transformátoru 1. Do prostoru nádoby 3 je pomocí přívodu 9 přiveden plyn zajišťující proudění a výměnu atmosféry v nádobě 3 tak, aby teplota uvnitř nádoby 3 nepřesáhla 250 °C, což je maximální pracovní teplota optického pyrometru 7. Tvarový kus 5 z izolační hmoty zamezuje přístupu proudícího plynu k vysoce ohřátému poškozenému místu 4. Proto je teplotní pole od induktoru rovnoměrně šířeno od poškozeného místa 4. Je proveden řízený ohřev rychlostí ohřevu od 2 do 10 °C min¹ na teplotu 900 °C a výdrž na této teplotě v rozmezí 20 až 30 minut. Přesná teplota a doba výdrže je dána tloušťkou opravovaného smaltovaného povrchu a pořadím opravné vrstvy. Rychlost ohřevu závisí na tloušťce a typu základního materiálu a na poškozeném místě 4, kde se vada nachází, zejména na poloměru nádoby 3 v poškozeném místě 4. Pro demonstrovaný případ se jedná o rychlost ohřevu 6 °C.min¹. Po výdrži na teplotě následuje řízené ochlazování - poškozené místo (4) je řízené chlazeno rychlostí od 2 do 10 °C min¹ na teplotu 300 až 500 °C do teploty 400 °C tak, aby došlo k bezchybnému propojení opravované části povlaku s okolím. Pro demonstrovaný případ se jedná o rychlost ochlazování 4 °C.min¹. Po úplném vychladnutí následuje vizuální kontrola a pokračuje se po časové prodlevě 30 minut s další vrstvou. Obvyklý počet vrstev jsou 4, tedy 2 vrstvy zajišťující přechod mezi smaltovaným povrchem a 2 vrstvy zajištující požadované korozní a další technologické požadavky. Po dosažení požadované celkové tloušťky smaltovaného

-4 CZ 308193 B6 povrchu následuje kromě vizuální i kontrola průrazovým napětím, tedy kontrola celistvosti a homogenity povrchu dle požadavku zákazníka. Čas uvedení do provozu je určen od okamžiku vychladnutí poslední vrstvy tak, aby došlo k vyzrání povrchu.

Druhý příklad provedené opravy bude ukázán na procesní nádobě 3 o vnitřním objemu 0,8 m³ s vestavbou pro výzkum v oblasti organických syntéz - určeno do prostředí s nebezpečím výbuchu ATEX CE 1026 EX II. Došlo ke vzniku vady vlivem kontaktu míchacího zařízení s pláštěm. Jde o vadu o velikosti 2,5 cm². Dle obr. 2 je poškozené místo 4 smaltovaného povrchu v opravované nádobě 3 nejprve obroušeno pro dobrý přechod z kovového pláště do vytvrzeného smaltu a poté očištěno. Na dané místo 4 je ručně nanesen základový smalt a vysušen. Tvarový kus 5 z vysokoteplotní izolační tuhé hmoty, sloužící k minimalizaci úniku tepla, je v tomto případě umístěn na vnější plášť a zároveň slouží i k uchycení a napolohování zdroje 6 tepla vůči poškozenému místu 4. Zdrojem 6 tepla je infrazářič. Tvarový kus 5 z vysokoteplotní izolační tuhé hmoty i zdroj 6 tepla jsou opatřeny malým otvorem ve stejném místě tak, aby bylo možné do sledovaného místa připevnit termočlánek 8, případně využít optický pyrometr 7. Termočlánek 8 či optický pyrometr 7 předávají informace do zpětnovazebního členu 2, který na základě porovnání s předdefinovanou ohřevovou křivkou mění výkon transformátoru 1. Zpětná vazba řízení jev tomto případě korigována koeficientem odpovídajícím tloušťce kovového podkladního materiálu a tepelné vodivosti daného kovového materiálu. Provedení opravy je obdobné jako v prvním případě, s těmito rozdíly: po provedení 1. vrstvy je provedena detailní vizuální kontrola, která je po uplynutí časové prodlevy 2 hodin opakována, aby bylo zjištěno, zda nedošlo k popraskání nanesené vrstvy z důvodu vnitřních napětí mezi kovovým a smaltovaným povrchem. Pokud k popraskání došlo, je nezbytné upravit koeficient korekce zpětné vazby. Veškerá činnost vzhledem k vazbě na ATEX musí být koordinována dle požadavků zákazníka.

Průmyslová využitelnost

Toto řešení je plánováno pro využití výrobci smaltovaných povrchů nanesených na pracovní části povrchů tlakových nádrží, zásobníků, jejich příslušenství a technologických zařízení využívaných v oblastech potravinářství, farmacie, chemického a zpracovatelského průmyslu a ve výzkumných a vývojových zařízeních různých institucí.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob obnovení integrity smaltovaných povrchů nanesených na kovový podklad nádoby (3), kdy se poškozené místo (4) obrousí a očistí, poté se na poškozené místo (4) nanese smalt, vyznačující se tím, že smalt se vysuší, načež se k poškozenému místu (4) připevní tvarový kus (5), na který je uchycen zdroj (6) tepla pro lokální ohřev poškozeného místa (4) řízené s rychlostí ohřevu od 2 do 10 °C min¹ na teplotu 700 až 1100 °C po dobu 15 až 35 min, poté je poškozené místo (4) řízené chlazeno rychlostí od 2 do 10 °C min¹ na teplotu 300 až 500 °C, poté se poškozené místo (4) nechá vychladnout, přičemž nanesení smaltu, ohřev a vychlazení se opakuje alespoň dvakrát vždy alespoň po 30 min a teplota uvnitř nádoby (3) se udržuje pod 250 °C.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že po každém nanesení smaltu, ohřevu a vychlazení se provádí vizuální kontrola a po posledním cyklu se provádí kontrola průrazem.
3. 3. Zařízení k provádění způsobu podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že obsahuje tvarový kus (5), který je opatřen zdrojem (6) tepla připojeným k transformátoru (1), pro lokální ohřev nádoby (3), přičemž k transformátoru (1) je připojen zpětnovazební člen (2), ke kterému je připojen alespoň jeden optický pyrometr (7) a/nebo termočlánek (8).

   -5 CZ 308193 B6
4. 4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že zdroj (6) tepla je vybrán ze skupiny magnetická indukce, infrazářič, odporové topné těleso, proud o vysoké frekvenci.
5. 5. Zařízení podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že tvarový kus (5) je z vysokopevnostní 5 izolační tuhé hmoty s odolností až 1200 °C.
6. 6. Zařízení podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že obsahuje přívod (9) plynu do nádoby (3).