SK500432013A3 - Tvorba paženia vrtu nanášaním vrstiev materiálu pomocou kinetického naprašovania a zariadenie na jeho vykonávanie - Google Patents

Abstract

Tvorba paženia vrtu nanášaním vrstiev materiálu pomocou kinetického naprašovania, a to aditívnym kinetickým nanášaním kovových, nekovových a kompozitných materiálov využívajúc urýchlenie a ohrev častíc prášku materiálu a následnú plastickú deformáciu deformovateľnej frakcie prášku pri dopade na nanášaný povrch, urýchlené a ohriate častice materiálu vo forme prášku dopadajú na povrch steny vrtu a/alebo na formu, alebo na povrch predošlej vrstvy paženia tak, že vytvárajú vrstvené kompozitné paženie na vnútornej stene vrtu a/alebo na forme, najmä v kvapalnom prostredí.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka tvorby paženia vrtu nanášaním vrstiev materiálu pomocou kinetického naprašovania a zariadenia na jeho vykonávanie najmä pri procesoch vŕtania v geologických formáciách.

Doterajší stav techniky

Stabilizácia steny vrtu bola a ostáva stále aktuálnym problémom. Najmä maximálne skrátenie exponovaného úseku medzi pozíciou vŕtania a posledným pažením.

Jednou celou kategóriou úsilia o dočasnú, alebo trvalú stabilizáciu vrtu je pretavenie steny vrtu do určitej hrúbky a vytvorenie sklovitej alebo keramickej vrstvy na povrchu steny.

V šesťdesiatych rokoch a neskoršie boli v tomto smere vykonávané výskumné práce v USA a v Sovietskom zväze. Jedným smerom bolo pretavovanie stien vrtu (spojené s vŕtaním) ohrievaným telesom (penetrátorom), ktorý taveninu vtláčal do poréznej steny a čiastočne fŕagmentovanú taveninu vyplavoval na povrch.

Druhým výskumným smerom bolo tavenie stien prúdom plazmy a jej vitrifikácia do sklovitej resp. keramickej fázy.

Tretím smerom bolo tavenie stien v otvorenom vrte pomocou ohriateho telesa zhora nadol, s podmienkou uvoľnenia vrtu od vŕtacej aparatúry.

Všetky tieto zrealizované výskumy neviedli k použiteľným výsledkom a postupne boli zanechané, najmä z nasledujúcich príčin:

- aj pri optimálnom ohreve, nie všetky horniny vykazujú tavenie pri nízkych teplotách a energeticky prijateľných úrovniach,

- narušená a nekonsolidovaná hornina vykazuje nehomogénnu taveninu,

- aj pri optimálnom priebehu tavenia (vitrifikácii) je pevnosť taveniny len na úrovni skloviny a nedá sa ovplyvniť ani zložením, ani štruktúrou.,

- dutiny, alebo kavemy v stene nie sú uzatvoriteľné procesom ohrevu.

Z týchto dôvodov sa hľadala alternatíva k vitrifikácii a spevneniu stien vrtu, ktorá by hore uvedené nedostatky odstránila.

Takouto alternatívou je riešenie aditívneho vrstvenia, ktoré umožňuje nanášanie materiálu žiadaného zloženia, vytváranie kompozitných štruktúr ako v makro, tak aj v mikro oblasti pri tvorbe paženia.

1. Pôvodné práce na kinetickom (studenom) naprašovaní autorov Alchimov, A.P. a kol. v patente RF2010619 „Zariadenie pre nanášanie povlakov“ RF 16187778 z r. 1991 aUS Patent 5302414 „Gas dynamic spraying method for applying a coating“ popisuje základný princíp kinetického (studeného) naprašovania a tvorí základ všetkých ďalších prác. V ďalšom 20-ročnom období bol tento pôvodný patent kolektívu z Novosibirska ďalej rozvíjaný. Opisuje všetky podstatné funkcie a štruktúry, t.j. dosiahnutie potrebnej rýchlosti nanášaných častíc a ich teploty pod teplotou bodu tavenia.

Dôležitým výsledkom vývoja kinetického naprašovania bol patent RU2063303 autorov Nesterovič, N.I. a kol. „Spôsob kompaktácie práškov“, ktorý popisuje riešenia, kde ako nosný plyn je použitá vodná para. Nevýhodou tohto riešenia je veľká spotreba energie na skupenskú premenu vody a jej ďalšieho ohrevu.

Ďalším zlepšením nanášania práškov je patent US6402050 autorov Kaširin, A.I. a kol. „Zariadenie pre gazodynamické pokrývanie“, ktorý popisuje použitie nízkeho tlaku a vstup prášku až za najužším prierezom dýzy. Nevýhodou tohto riešenia je, že sa nedajú nanášať prášky ťažších kovov, napr. ocele. Riešenie problému erózie trysiek nízkotlakovým systémom a vstupom častíc až za zúženie de Lavalovej trysky bolo podstatné z hľadiska zlepšenia spotreby energie, ceny a životnosti zariadenia.

2. Naprašovanie na vnútorné povrchy potrubí bol prirodzený krok k vytváraniu vrstiev povrchovým pokrytím, napr. odolným korózii, pokrytia znižujúce tavenie a pod. Skoro každá súčasná aparatúra pre kinetické naprašovanie má vo svojom vybavení aj pravouhlú trysku, ktorá dovoľuje nanášať vrstvy na vnútorný povrch tubulámeho objektu. Boli vytvorené systémy predlžujúce životnosť takýchto trysiek a tiež podstatne zvýšenie produktivity.

Podstatou situácie a stavu technicky je, že nanášanie vrstvy je len povrchová úprava relatívne tenkými hrúbkami, pričom základný nosný materiál (potrubie) je však stále vyrábaný klasickým spôsobom.

Patent US7959093 autora Payne, D. A. “Apparatus for applying cold spray to small diameter pores”, kde v ohybe pravouhlej trysky sú vovedené pomocné prúdy plynu bez častíc, ktoré nedovolia prúdu s časticami dotýkať sa steny, dotýkať sa steny trysky a tak nie je vystavená abrazívnej činnosti.

Patent RU2087207 a RU2089665 autora Dukin, J. V. a kol. „Zariadenie pre nanášania pokrytia z práškových materiálov“, kde pomocný prúd v koaxiálnej sústave trysky pre 360° nanášania prášku na vnútornú stenu potrubia v mieste zmeny smeru z axiálneho na radiálny smer, pričom pomocný ochranný prúd chráni vonkajší obvod toku prúdu s časticami oproti priamemu abrazívnemu styku so stenou.

Patent RU2075535 autorov Alchimov, A.P. a kol. „Zariadenie na nanášanie povlakov na vnútorný povrch potrubia“ opisuje zariadenie na nanášanie s pohyblivou tryskou a odsávaním nenanesených práškov na vnútorný povrch potrubia.

Patent RU2089665 autorov Nikitin, P. V. a kol. „Zariadenie na nanášanie povlakov“ opisuje zariadenie na nanášanie prášku na vonkajší povrch výrobkov počas technologického procesu výroby valcovaných, ťahaných profilov, ktoré môžu mať ľubovoľný tvar. Obdobne Patent RU2222639 (WO 00/56951) autora Nikitin, P.V. a kol. „Zariadenie na nanášanie povlakov na vnútorne povrchy výrobkov“ opisuje zariadenie na nanášanie prášku na vnútorný povrch tubulámych štruktúr zmenou smeru nadzvukovej trysky o 90°, teda do smeru kolmého na vnútorný povrch.

Patent RU2222640 (WO 00/43570) autora Nikitin, P. V. a kol. „Zariadenie na nanášanie povlakov na vonkajšie povrchy výrobkov“ opisuje zariadenie na nanášanie prášku na vonkajší povrch tubulámych štruktúr posunutím miesta nanášania a taktiež zmenou smeru nadzvukovej trysky do smeru kolmého na vnútorný povrchu.

Osobitným problémom je životnosť trysiek, ktoré pracujú s tokmi plynov obsahujúcich častice. Jedným z riešení je princíp trysiek založený na hydrodynamickom princípe bez priameho styku abrazívnych častíc s povrchom materiálu trysiek ako je popísané v patente US Patent 6348687 autorov Brockmann, J.E. „Aerodynamic beam generátor for large particles“ a v patente US Patent 8119977 Dong-Guen Lee .Aerodynamic lens capable of focusing nonoparticles in a wide range“. Tieto riešenia sú viacstupňové a tým nie sú pre vysokotlakové a vysokoobjemové systémy dostatočne účinné.

Ďalším veľmi podstatným problémom je práca systému kinetického naprašovania v podmienkach okolia kvapaliny s rôznou viskozitou a pri rôznom tlaku.

Najbližšou analógiou je plazmové nanášanie, zváranie, rezanie a obdobné technológie pod vodou. V tejto oblasti je známy rad riešení, ktoré sú overené najmä pre zváranie a rezanie v relatívne malých hĺbkach (do 100m). Tieto riešenia sú síce možným koncepčným východiskom, ale pre potrebné vysoké nadzvukové rýchlosti pracovného plynu obsahujúceho častice a vyžadujúce substrát bez prítomnosti zbytkov vody sú potrebné inovatívne zmeny.

Ako príklad uvedieme US Patent 6498316 autorov Aher B. A col „Plasma torch and method for underwater cutting“, ktorý opisuje viacnásobný ochranný systém prúdov plynu zabraňujúci styku vody a plazmového prúdu. Vychádza z radu predchádzajúcich patentov, ktoré majú spoločný účinok, cieľ, ale sú len variantami geometrie a počtu ochranných prúdov (US4029930, US4291217, US4964568, US4816637, US154354, US486383, US6265689).

Všetky tieto riešenia využívajú studené ochranné prúdy. Je preto potrebná inovácia ako v geometrii tak i v teplote prúdov, ktoré sú v predkladanom patente.

V oblasti špecializovaných vrstiev dôležitú rolu v úlohe deformačnej zóny hrajú napenené vrstvy či už v kovovej, keramickej alebo polymerovej báze. Patent US7402277 autorov Reghavan a kol. „Method of forming metal foams by cold spray technique“ popisuje jednu z možných technológií kinetického naprašovania kovovej peny.

Podstata vynálezu

Proces tvorby paženia aditívnym spôsobom pri kinetickom nanášaní práškového materiálu na steny vrtu umožňuje kontinuálne vytvárať paženie súčasne s procesom vŕtania v geologických formáciách.

Podstata tohto vynálezu spočíva v tom, že paženie je vytvárané niekoľkonásobným vrstvením deponovaných vrstiev práškového materiálu a materiálu z časti získaného z odvŕtaného a rozrušeného materiálu z vrtu. Častice práškového materiálu unášané v nosnom plyne a po dopade na povrch stien vrtu, prípadne na formu alebo na predošlú vrstvu sú tvárnené a formované, čiže deponované na povrch tak, že vytvárajú jednotlivé vrstvy paženia na vnútornej stene vrtu, alebo na tvarovej forme. Na to, aby došlo na nanášanom povrchu k deponovaniu častíc, to jest k ich tvarovaniu, tečeniu a spájaniu do súvislej vrstvy, tieto musia byť urýchlené a prehriate na takú úroveň, že pri dopade na povrch stien vrtu sú plasticky deformované a vytvárajú kompaktnú vrstvu paženia priamo na stene vrtu. Potrebná úroveň urýchlenia a prehriatia je pre rôzne materiály rôzna. Nanášaný materiál je vrstvený v niekoľkých vrstvách, čím je vytvorená vrstva tvoriaca nosnú vrstvu paženia vrtu. Na nosnú vrstvu sú nanášané ďalšie vrstvy, pričom sa prihliada na funkčné požiadavky a potreby výsledného paženia vzhľadom na zloženie a funkcie vytvorených vrstiev materiálu. Požiadavky a funkcie na jednotlivé vrstvy vymedzujú nastavenie parametrov vstupného dezintegrovaného materiálu pre každú nanášanú vrstvu.

Nanášanie vrstiev materiálu pomocou aditívneho kinetického naprašovania kovových, nekovových a kompozitných materiálov využíva urýchlenie a ohrev častíc prášku materiálu a jeho následnú plastickú deformáciu deformovateľnej frakcie prášku pri dopade na nanášaný povrch. Urýchlené a ohriate častice prášku po dopade na povrch stien vrtu a/alebo na povrch formy, alebo na povrch predošlej vrstvy paženia vytvárajú vrstvené kompozitné paženie na vnútornej stene vrtu, alebo na forme výhodne najmä v kvapalnom prostredí.

Pri tvorbe paženia sa využíva materiál dezintegrovanej horniny, z ktorého sú vybraté frakcie vhodné pre proces kinetického nanášania prášku do vrstvy paženia, k miestu vytvárania paženia na stenu vrtu, alebo na predošlé vrstvy vytváraného paženia. Riadenými tepelnými úpravami nanesených vrstiev, materiálu práškov a hornín ich prehriatím a ochladením je vytvorené a stabilizované paženie. Stabilizácia a úpravy vrstiev paženia prebiehajú kontinuálne vo viacerých stupňoch súbežne za sebou.

Pri studenom kinetickom naprašovaní je hlavnou výhodou oproti konvenčným technológiám vŕtania možnosť vytvárať paženie z časti priamo z rozrušovaného materiálu tam, kde to geologické zloženie umožňuje. Oproti tavným a vysokoteplotným spôsobom nanášania materiálu na steny a pri tvorbe paženia na stene vrtu nemá výsledný produkt tohto technologického postupu nevýhodné pevnostné vlastnosti vitrifíkovaného paženia. Predmetom tohto vynálezu je tvorba paženia aditívnym procesom práškového materiálu urýchlenom v nosnom plyne z práškového materiálu nanášaného vo vrstvách na steny vrtu vytvárajúc paženie výhodných funkčných vlastností, ako sú pevnosť v ťahu a tlaku, poddajnosť, priepustnosť, pórovitosť, tepelnoizolačné vlastnosti a iné.

V prípade, že v geologickej formácii je porucha a v stene vrtu je napr.„diera“, je nutné na toto miesto umiestniť formu, ktorá nahradí v tomto mieste stenu vrtu a potom sa nosná vrstva paženia vytvára v takomto mieste priamo na posuvnej forme.

Na stene vrtu a/alebo na forme sa vytvorí najskôr nosná vrstva paženia a to tak, že na stenu vrtu a/alebo na formu sa vo vrstvách nanáša materiál nosnej vrstvy, pričom jednotlivé vrstvy nosnej vrstvy sú rovnakého alebo rozdielneho materiálového zloženia a nosná vrstva výhodne tvorí kompozit na úrovni mikroštruktúry a/alebo makroštruktúry a na nosnú vrstvu sa môžu nanášať ďalšie vrstvy paženia.

Je výhodné, ak vrstvy paženia sú nanášané súčasne po celom kruhovom obvode vrtu, pričom nanášaný povrch môže vykazovať odchýlky od kruhovitosti a povrchové nerovnosti. Nanášanie po celom kruhovom obvode sa dosiahne použitím vhodnej štrbiny zariadenia na tvorbu paženia. Urýchlenie a ohriatie častíc, ktoré sa majú nanášať na stenu vrtu, alebo na predchádzajúcu vrstvu paženia sa dosiahne ich zmiešaním s nosným plynom, ktorý má potrebnú tepelnú a kinetickú energiu. Urýchlená a ohriata zmes častíc a nosného plynu vystupuje z dýzy kolmo na nanášanú stenu vrtu alebo na predchádzajúcu vrstvu paženia z miesta, ktoré sa nachádza v blízkosti steny vrtu. Veľkosť tepelnej a kinetickej energie závisí od toho, aký materiál sa použije na tvorbu paženia. Pri rôznych materiáloch sú úrovne týchto energií rôzne.

Vrstvy paženia sú súčasne nanášané paralelne vo viacerých stupňoch na predchádzajúcu nanesenú vrstvu paženia, respektíve stenu vrtu.

Jednotlivé vrstvy sú súčasne nanášané po kruhovom obvode na steny vrtu vo viacerých nanášacích stupňoch postupne na seba. Spolu vrstvy vytvárajú nosné paženie, ktoré vytvára koaxiálne štruktúry s rovnakými, alebo rozdielnymi vlastnosťami, čím vzniká sendvičová a kompozitná štruktúra v pažení. Výhodou nanášania paženia vo viacerých vrstvách je možnosť voľby geometrie nanášania po celom kruhovom obvode vrtu, ale aj vymedzením nanášania vo výseči a to z funkčných alebo pevnostných dôvodov.

Stupeň a úroveň výkonu nanášania jednej vrstvy je v rozsahu 8-18 g/s, výhodne 12-18 g/s Pri tvorbe paženia je výhodné, ak viac vrstiev je nanášaných tak, že nasledujúce vrstvy sú na seba vrstvené s posunom, ktorý pri súčasnej činnosti nanášania vrstiev vo viacerých stupňoch zariadenia umožňuje deponovať a vrstviť nanášané vrstvy na sebe.

V záujme zlepšenia vlastnosti paženia je výhodné:

a) Do nanášaného prášku pridávať špecializované aditíva, výstužové prvky s cieľom zlepšenia mechanických vlastností paženia a/alebo peniace aditívum s cieľom úpravy tepelno-izolacných a mechanických vlastností stien paženiaZ/činidlá iniciujúce tvorbu poréznej štruktúry steny paženia (napríklad hydrid titánu).

b) nastaviť a regulovať rýchlosť častíc a ich teplotu tak, aby mali abrazívny účinok na povrch nanášaný. Tiež sa tým dosahuje zlepšenie vlastností paženia.

c) Nanášaná vrstva je tvorená práškovými časticami, ktorá po nanesení tvorí vrstvu s výrazne klznými vlastnosti.

Výsledné paženie pozostáva z viacerých vrstiev, pričom niektoré z vrstiev môžu obsahovať aditíva a na základe pridávaného aditíva sú upravované vlastnosti naneseného materiálu nielen vzájomne medzi jednotlivými vrstvami paženia, ale aj vlastnosti pozdĺž osi vytváraného paženia, čím sa vytvárajú sendvičové a kompozitné zoskupenia a tým sa upravujú výsledné vlastnosti celého paženia.

Je výhodné, ak sa povrch steny vrtu alebo predchádzajúcej vrstvy paženia pred nanášaním vrstiev opracuje tak, že zmes nosného plynu zmiešaného s časticami je bez schopnosti nanesenia (depositíon), to jest častice neobsahujú pojivo alebo kinetická energia nosného plynu je mimo rozsahu kritickej rýchlosti nanášania častíc hornín a minerálov. V tomto prípade sa upravovaný povrch mechanicky čistí, zdrsňuje a inak upravuje, čím sa dosahuje výhodná úprava povrchu pre nanášanie deponovaných vrstiev.

Nanesené vrstvy paženia, alebo stena vrtu môžu byť predhrievané z dôvodu zvýšenia adhézie nasledujúcej vrstvy, účinnosti procesu nanášania na povrchu steny alebo predošlej vrstvy pred ďalším nanášaním.

Nanesené vrstvy sú ohrievané - tepelne spracované za účelom zlepšenia mechanických vlastností, prípadne za účelom aktivácie napeňovacích aditív.

Okrem nanesených vrstiev tvoriacich paženie, ktoré majú nosnú funkciu je možné naniesť vrstvu, ktorá má klznú funkciu. Takáto vrstva môže v prípade potreby oddeľovať od seba nosné vrstvy. Tiež je výhodné, aby sa takáto vrstva naniesla na formu tak, aby sa forma mohla posúvať ďalej pozdĺž steny vrtu.

Klzná vrstva sa tiež využije pri formovaní potrubných kanálov v pažení vrtu. Posúvaním jedného, alebo viacerých formovacích nástrojov v takejto klznej medzivrstve je vytváraný otvor, ktorý formuje potrubný kanál vo vrstvenom pažení pozdĺž osi vrtu. Do takto vytvorených potrubných kanálov sú pripojené prívody média, ktorými sú napríklad práškové materiály, médium nosného plynu, aditíva, vodiče elektrickej energie, signálne vodiče, prívody iných materiálov a iné. Posúvaním formy formovacieho nástroja sú posúvané aj pripojené médiá, ktoré sú vedené vytvoreným potrubným otvorom z povrchu vrtu až kvrtaciemu apažiacemu zariadeniu. Na klznú vrstvu, ktorá je vytvorená z materiálov obsahujúcich aditíva pre zníženie šmykových napätí v nanášanej vrstve, je následne po formovaní formovacím nástrojom nanesená jedna, prípadne viac nosných funkčných vrstiev pre získanie potrebnej pevnosti celej štruktúry. Vhodnou vrstvou s klznými vlastnosťami môže byť napríklad grafit nanesený na povrchu s matricou olova, resp. cínu,

Je výhodné ak aspoň jedna vrstva paženia je vytvorená z kovovej matrice, ktorá vypĺňa materiál získaný separáciou dezintegrovaného materiálu z vrtného procesu. Kombináciou nanášania rôznorodých materiálov a kovových materiálov tvoriacich kovovú matricu za podmienok nie veľkého prekročenia kritickej rýchlosti materiálu a tým prekročenia stupňa medze tečenia pri kinetickom nanášaní je možné túto metódu použiť na nanášanie značne nehomogénnych materiálov ako aj na nanášanie materiálu na stenu vrtu aj keď povrch steny vrtu je iný ako povrch materiálov, na ktoré je takéto nanášanie známe.

Takto vytvorené vrstvy môžu byť tepelne upravované tepelným tokom rôznymi tepelnými režimami tepelného spracovania s cieľom dosiahnutia výhodných metalurgických zmien v závislosti od druhu materiálu. Nakoľko jednotlivo nanesené vrstvy paženia pri tvárnení a formovaní vrstiev sú teplotné namáhané a pri dopade na nanášaný povrch majú rôznorodé vlastnosti, sú tieto vrstvy výhodné stabilizované a ich vlastnosti vylepšené tepelnou úpravou tepelným tokom rôznymi režimami tepelného spracovania s cieľom dosiahnutia výhodných metalurgických zmien v závislosti od druhu materiálu. Výhodne sú tepelným tokom žíhané a stabilizované.

V záujme zvýšenia účinnosti procesu je kvapalina pracovného prostredia v mieste nanášania lokálne vytesnená prúdom nosného plynu s časticami, prípadne prúdom ochranného média/plynu.

Pre efektívne využitie a nanesenie nanášaných materiálov v kvapalnom prostredí je prúd nosného plynu s časticami obklopený ochranným prúdom, ktorý tvorí ochranný obal medzi kvapalinou pracovného prostredia a nosným plynom s časticami a udržuje integritu prúdu nosného plynu s časticami a oddeľuje ho od kvapalného prostredia, čím znižuje energetickú a materiálovú náročnosť nanášania vrstiev.

Ochranný prúd odstraňuje kvapalinu z nanášaného povrchu a nanášaný povrch je pred deponovaním/nanášaním vysúšaný a predhrievaný,

Prúd nosného plynu je stláčaný ochranným prúdom, ktorý oddeľuje prúd nosného plynu s časticami od stien dýzy a chráni výstupný otvor pred priamym kontaktom s materiálom vo výstupnom otvore tj. pred jeho poškodením a vytvára hydrodynamický trysku,

Plyny sú urýchľované a expandujú výhodne termálnou plazmou elektrického oblúka, kde dochádza k zvýšeniu tlaku ohrevom a expanziou pri styku nosných plynov a elektrického oblúka.

V porovnaní so studeným kinetickým naprašovaním kovov na povrch materiálov, ktorý funkčne vylepšuje len povrchové vlastnosti súčiastky, na ktorý je vrstva nanášaná, je predkladaný spôsob intenzívnym spôsobom nanášania materiálu, ktorý vytvára pomocou viacnásobného vrstvenia nosnú vrstvu paženia s hrúbkou, ktorá vytvára nosné paženie priamo na stenách vrtu, alebo na pomocnej forme/šablóne. Pri mechanickom, ale najmä pri termickom vŕtaní prichádza k rozrušeniu homín na drobné častice, kedy ich správnym rozseparovaním a výberom sú tieto vhodné a použiteľné pre proces kinetického nanášania, kde sú tieto prachové častice dostatočné urýchlené v nosnom plyne, následne vrhané a nanášané na stenu vrtu, alebo predchádzajúcu vrstvu paženia, čím viacnásobným aditívnym spôsobom je vytvárané paženie na stene vrtu. Výhodnou súčasťou prúdenia zmesi nosných plynov s práškovými časticami v kvapalnom prostredí je zabezpečenie minimalizácie strát kinetickej energie prúdu medzi kvapalným prostredím a plynným rozhraním, Minimalizáciou vzdialenosti zariadenia od nanášaného povrchu a hlavne minimalizáciou strát kinetickej energie urýchleného prúdu pomocou ochranných prúdov. Prúd nosného plynu s časticami je obklopený jedným alebo viacerými ochrannými prúdmi, ktoré tvoria ochranný obal medzi okolitým kvapalným pracovným prostredím a urýchleným nosným plynom premiešaným s práškovými časticami. Táto konfigurácia vrstvenia tokov prúdov udržuje integritu prúdu nosného plynu s časticami, čím ho oddeľuje od kvapalného prostredia a minimalizujú straty kinetickej energie častíc na úkor tvarovania deponovaných častíc na nanášaný povrch a tým ochranné prúdy zvyšujú efektivitu nanášania častíc na povrch.

Pri prekročení kritickej rýchlosti nanášania práškového materiálu na povrch stien je povrch stien abrazívne a tepelne upravovaný do požadovaného tvaru, či formy, kedy nanášaný materiál nie je nanášaný, ale pôsobí ako obrábací materiál. Tento mechanizmus rozrušovania a povrchovej úpravy umožňuje upraviť steny vrtu na požadovanú drsnosť a stabilitu pre samotné nanášanie vrstiev paženia.

Zariadenie na formovanie vrstiev paženia materiálom na steny vrtu procesom aditívneho nanášania práškov podľa tohto vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že obsahuje aspoň jeden stupeň, ktorý obsahuje komoru urýchlenia a komoru zmiešavania častíc s nosným plynom určeným na nanášanie, ktoré sú napojené na prívod médií, na dávkovanie nanášaného prášku do nosného plynu a obsahujú výtokovú dýzu, ochranné trysky, oddeľovacie, riadiace a regulačné mechanizmy /ventily, atď./,

Výtoková dýza pre výstup zmesi nosného plynu a častíc z komory urýchlenia a zmiešavania je umiestniteľná v bezprostrednej blízkosti steny vrtu na formovanie vrstiev materiálu do paženia, Zariadenie môže obsahovať viac paralelne pracujúcich stupňov,

Komora urýchlenia nosných plynov obsahuje modul zvýšenia tlaku na princípe ohrevu a expanzie plynu tepelnou plazmou elektrického oblúka

Pre zabezpečenie nanášania materiálu po celom kruhovom obvode vrtu je výhodne, ak komora urýchlenia a zmiešavania častíc nosného plynu obsahuje dýzu kruhového prstencového tvaru tak, že dýza je umiestnená po obvode kruhu.,

V prípade potreby môže byť výtokový otvor prevedený vo vyhotovení dýzy v tvare štrbiny,

Dýza v tvare štrbiny je v obvodových častiach obklopená hydrodynamickou tryskou, ktorá plní ochrannú funkciu dýzy,

Komora urýchlenia a zmiešania častíc môže byť rozdelená na dve časti, a to komoru urýchlenia a komoru zmiešavania častíc, pričom zmiešavacia komora je výhodne umiestnená za komorou urýchlenia plynu,

Regulačné mechanizmy obsahujú najmä riadenie a regulácie teplôt, riadenie a reguláciu urýchlenia nosného plynu a riadenie a reguláciu dávkovania prášku do nosného plynu.

Hlavné výhody riešenia

Umožňuje nanášanie materiálu žiadaného zloženia, nielen hornín, ale aj kovov, minerálov a iných morfologických štruktúr.

Vytváranie kompozitných štruktúr žiadaných vlastností a s výhodne nastavenou pevnosťou, tuhosťou a pružnosťou.

Dôsledné využívanie hydrodynamických (aerodynamických ) princípov na ochranu stien a prvkov zariadenia.

Nanášanie vrstiev materiálu v zaplavenom prostredí

Injektovanie práškov s plynom do vnútra formovaného a z vonka chráneného prúdu

Akcelerácia, fokusácia nosného plynu a jeho stláčanie vo vnútri so zvyšujúcou sa hustotou a nie mimo zariadenia, kde plyn expanduje aje nosným médiom urýchľovania častíc.

Účinnosť fokusácie rastie s tlakom-hustejšieho prostredia, Systém bez fyzickej trysky aerodynamická fokusácia

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr.l je rez jednotkového zariadenia symetrického podľa osi vrtu pre nanášanie častíc spôsobom kinetického deponovania na stenu vrtu.

Na obr.2 je rez niekoľkých stupňov rotačné symetrických štrbín podvodného zariadenia na nanášanie práškov spôsobom kinetickej deponácie-kinetického naprašovania.

Na obr.3 je schematický rez nanášaným pažením s vytvorenými potrubnými rozvodmi pre prívod médií k zariadeniam.

Na obr.4 je postupnosť procesov v jednotkovom stupni kinetického nanášania vrstvy paženia.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

Vytváranie paženia s využitím materiálu rozrušovanej horniny 16 podľa tohto vynálezu je dané postupnosťou procesov úpravy a nanášania práškových materiálov vo vrstvách tvoriacich kompozitné paženie na vnútornej stene vrtu, kde jedno výhodné uskutočnenie je popísané nasledovnými krokmi:

Do vstupnej časti zariadenia t.j. do komory 3_urýchlenia plynu a komory 4 zmiešavania častíc materiálu s nosným plynom sú prívodom i dávkovania nanášaného prášku materiálu do nosného plynu privádzané komponenty systému aditívneho nanášania, ktorými sú práškový materiál 8, prídavné aditíva, prívodom 2 médií je privádzaný nosný a ochranný plyn výhodne v kvapalnej alebo plynnej forme.

V komore 3 urýchlenia plynu a v komore 4 zmiešavania častíc materiálu pomocou plazmového elektrického oblúka je nosný plyn urýchlený na rýchlosť, ktorá urýchľuje práškové častice materiálu na takú úroveň, že častice materiálu pri dopade na povrch stien 9 vrtu sú plasticky deformované a vytvárajú kompaktnú vrstvu. Týmto mechanizmom je práškovým časticiam materiálu odovzdávaná kinetická energie potrebná na ich vrstvenie na nanášanom povrchu. Termický účinok pri expanzii plynu je využitý na urýchlenie a ohriate častíc prášku materiálu na teplotu nižšiu ako je teplota tavenia a súčasne je intenzita termického účinku znížená fázovou premenou, či ohriatím prúdu nosného média, ktorým je privádzaný prášok do komory 3 urýchlenia plynu a komory 4 zmiešavania častíc materiálu. V časti do komory 3 urýchlenia plynu a komory 4 zmiešavania častíc materiálu s nosným plynom sú častice materiálu vo forme prášku primiešavané do nosného plynu, kde je kinetická a tepelná energia odovzdávaná práškovým časticiam materiálu. Správna úroveň rýchlosti a teploty výslednej zmesi nosného plynu a práškových častíc 8 materiálu je regulovaná mechanizmom riadenia a regulácie teplôt a mechanizmom riadenia a regulácie urýchlenia nosného plynu a to nastavením požadovanej kritickej rýchlosti a teploty podľa druhu materiálu.

Pripravená zmes materiálu 8 na nanášanie v prúde nosného plynu je cez výtokovú dýzu 5 tvaru štrbiny, ktorá je umiestnená na valcovom obvode zariadenia vynášaná z komory 3_urýchlenia plynu a komory 4 zmiešavania častíc materiálu smerom na nanášaný povrch, resp. stenu 9 vrtu v jeho blízkosti. Takýto tvar nanášacej dýzy umožňuje nanášať práškový materiál po kruhovom obvode na stenu 9 vrtu, pričom nanášanie eliminuje nedostatky odchýlenia sa od kruhovitosti a akceptuje povrchové nerovnosti. V tesnej blízkosti výtokovej dýzy 5 sú hydrodynamické trysky 11. ktoré privádzajú ochranný prúd 7 nanášania a deponovania. Tento ochranný prúd 7 vytláča kvapalinu 15 okolitého prostredia a tým vytvára pracovné prostredie na nanášania práškových častíc materiálu nachádzajúcich sa v nosnom prúde.

Zariadenie nanášania paženia je umiestnené v medzikruhovom priestore medzi stenou vrtu a vŕtacím telesom 14 vŕtacieho zariadenia, ktoré prechádza v osi vrtu k čelu vŕtacej aparatúry 13. Z dôvodu intenzifikácie nanášaného množstva práškového materiálu je nanášacie zariadenie tvorené viacerými stupňami. Každý stupeň obsahuje komoru 3_urýchlenia plynu a komoru 4 zmiešavania častíc materiálu. Jednotlivé stupne nanášajú vrstvy paženia 12 kontinuálne paralelne za sebou viď obr.2. Nie každý stupeň zariadenia je určený na nanášanie vrstvy materiálu. Podľa potreby a štruktúry nanášaných vrstiev 10 paženia sú jednotlivými stupňami zariadenia nanášané buď homogénne, teda rovnaké vrstvy 10, alebo rozdielne s iným zložením nanášaných práškov. Niektoré stupne zariadenia sú určené na tepelné a/alebo abrazívne úpravy už nanesených vrstiev 10 paženia 12 alebo steny vrtu., V takom prípade pracuje stupeň zariadenia bez nanášaného prášku. Vstup materiálu do jednotlivých stupňov zariadenia je riadený mechanizmami riadenia a regulácie dávkovania prášku do nosného plynu, ktoré zabezpečujú dodávanie práškových materiálov podľa potreby požadovaného materiálového zloženia. V prípade dodávania rovnakého materiálu do viacerých stupňov za sebou sú viaceré nanesené vrstvy 10 paženia rovnaké a vytvárajú homogénnu vrstvu 10 paženia vyššej hrúbky, alebo pri rozdielnych materiáloch, respektíve pridaní aditív vytvárajú kompozitné vrstvy 10, čo spevňuje a vystužuje paženie 12. Pri dávkovaní napeňovacích aditív (napríklad hydrid titánu) a/alebo iniciujúcich činidiel s primiešavaným práškom a následnom len tepelnom exponovaní nanesenej vrstvy 10 následným stupňom sú aktivované činidlá, čím je vytváraná porézna štruktúra.

Spôsob nanášania vrstiev 10 paženia 12 je prispôsobený funkčným požiadavkám a potreby výsledného paženia 12 vzhľadom na zloženie a funkcie jeho vytvorených vrstiev materiálu. Požiadavky vyplývajúce z požadovaných vlastností paženia 12 vymedzujú pôsobnosť a nastavenie parametrov vstupného dezintegrovaného materiálu: množstvo, koncentráciu, gravimetrické zloženie, čo je zabezpečované modulom 5 riadenia a regulácie.

Do urýchľovacej a zmiešavacej komory 3, 4 je privádzaný práškový materiál, ktorý je tvorený aj časťou z materiálu odvŕtanej a dezintegrovanej horniny, z ktorej sú odseparované a vybraté frakcie vhodné pre proces kinetického nanášania prášku vrstiev požadovaných pevnostných a pružnostných vlastností.

Vrstvením jednotlivých vrstiev 10 paženia 12 na steny vrtu vzniká koaxiálna sendvičová štruktúra zložená z vrstiev s rôznym objemovým podielom častíc z vŕtanej (fŕagmentovanej) horniny, prípadne minerálov. Výsledná sendvičová štruktúra obsahuje vrstvy s vysokým a vrstvy s nízkym obsahom týchto tvrdých častíc, čím je vytvorený kompozitný materiál typu pevnej, húževnatej vrstvy. Nastavením objemu prášku v nosnom plyne je možné riadiť hrúbku jednotlivých vrstiev paženia a tým aj jeho mechanické vlastnosti dané sendvičovou kompozitnou štruktúrou. Minerálne častice sú miešanie s hlavne kovovými časticami, ktoré vytvárajú kovovú matricu, ktorá tvorí pojivo nanášanej zmesi práškového materiálu.

Príklad 2

Obdobným uskutočnením zariadenia, ktoré obsahuje väčšinu použitých prvkov a funkčných schopností zmienených v príklade 1, no navyše rozširuje zariadenie aditívneho nanášania paženia o ďalšie funkčnosti:

V komore 3, 4 urýchlenia plynu a zmiešavania častíc materiálu pomocou mechanicko-termickej expanzie stlačeného plynu dodávaného z povrchu vrtu na vstup do komory T,4 urýchlenia plynu a zmiešavania častíc materiálu nosný plyn privedený prívodom 2 expanziou dosiahne rýchlosť, ktorá urýchľuje práškové častice na takú úroveň, že častice pri dopade na povrch stien 9 vrtu sú plasticky deformované a vytvárajú kompaktnú vrstvu 10.

Niektorými stupňami nanášania materiálu na stenu 9 vrtu je nanášaná vrstva 10 materiálu, ktorá umožňuje nanášať vrstvu alebo časť vrstvy, ktorá výhodne oddeľuje susedné nanesené vrstvy 10 paženia 12 a umožňuje oddeliť aj formu, na ktorú sú vrstvy deponovaného materiálu nanesené. Táto vrstva materiálu má nižšie šmykové napätia, čo vytvára klzné rozhranie ľ7 medzi vrstvou naneseného paženia a formovacím nástrojom 18, ktorý vytvára svojim posuvom so zariadením vo vrte potrubný rozvod 19 v pažení na stene vrtu.

Obdobným spôsobom je vytvárané paženie nanesením vrstiev na pomocnú formu paženia na miestach, kde v blízkosti zariadenie nie je stena vrtu, ale dutina, či kavema.

Časti zariadenia:

1. Prívod nanášacich práškov a aditív

2. Prívod médií k tvorbe nosného a ochranného plynu

3. Komora urýchlenia nosných médií

4. Komora zmiešavania častíc s nosným plynom

5. Výtoková dýza

6. Priestor odvodu nosných a ochranných plynov vytláčajúci okolité prostredie

7. Ochranný prúd výchádzajúci z výtokových trysiek

8. Nanášaný materiál v prúde nosného plynu

9. Steny vrtu

10. Nanesené vrstvy paženia

11. Hydrodynamické trysky ochrany prúdu zmesi nosných plynov a častíc

12. Paženie vrtu

13. Čelo vriacej aparatúry

14. Vrtácie teleso - mechanického alebo plazmového vŕtania

15. Okolité kvapalné prostredie

16. Vŕtaná hornina

17. Klzná vrstva-rozhranie

18. Formovací nástroj tvorby potrubného rozvodu

19. Potrubný rozvod

Claims (28)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Tvorba paženia vrtu nanášaním vrstiev materiálu pomocou kinetického naprašovania a to aditívnym kinetickým nanášaním kovových, nekovových a kompozitných materiálov využívajúc urýchlenie a ohrev častíc prášku materiálu a následnú plastickú deformáciu deformovateľnej frakcie prášku pri dopade na nanášaný povrch, vyznačujúca sa tým, že urýchlené a ohriate častice materiálu vo forme prášku dopadajú na povrch steny vrtu, a/alebo na formu alebo na povrch predošlej vrstvy paženia tak, že vytvárajú vrstvené kompozitné paženie na vnútornej stene vrtu a/alebo na forme najmä v kvapalnom prostredí.

2. Tvorba paženia vrtu podľa nároku 1 vyznačujúca sa tým, že na stene vrtu a/alebo na forme sa vytvorí nosná vrstva paženia a to tak, že na stenu vrtu a/alebo na formu sa vo vrstvách nanáša materiál, pričom tieto vrstvy sú rovnakého alebo rozdielneho materiálového zloženia a nosná vrstva výhodne tvorí kompozit na úrovni mikroštruktúry a/alebo makroštruktúry a na nosnú vrstvu sa môžu nanášať ďalšie vrstvy paženia.

3. Tvorba paženia vrtu podľa nároku 1 a 2 vyznačujúca sa tým, že vrstvy paženia sú nanášané súčasne po celom kruhovom obvode vrtu, pričom nanášaný povrch môže vykazovať odchýlky kruhovitosti a povrchové nerovnosti.

4. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 3 vyznačujúca sa tým, že urýchlenie a ohriatie častíc, ktoré sa majú nanášať na stenu vrtu a/alebo na formu, alebo na predchádzajúcu vrstvu paženia sa dosiahne ich zmiešaním s nosným plynom, ktorý má potrebnú tepelnú a kinetickú energiu, a urýchlená a ohriata zmes častíc a nosného plynu sa nanáša na stenu vrtu a/alebo na formu alebo na predchádzajúcu vrstvu paženia z miesta nachádzajúceho sa v blízkosti steny vrtu.

5. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 4 vyznačujúca sa tým, že viac vrstiev paženia je súčasne nanášaných vo viacerých stupňoch na stenu vrtu a/alebo na predchádzajúce nanesené vrstvy paženia tak, že nasledujúca vrstva je na predchádzajúcu vrstvu nanesená s takým posunom, ktorý umožňuje deponovať a vrstviť nanášané vrstvy na seba.

6. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 5 vyznačujúca sa tým, že do nanášaného materiálu sú pridávané aditíva spevňujúce a vystužujúce stenu vytvoreného paženia,

7. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 6 vyznačujúca sa tým, že do nanášaného materiálu sú pridávané napeňovacie aditíva, t.j. činidlá iniciujúce tvorbu poréznej štruktúry steny paženia (napríklad hydrid titánu).

8. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 7 vyznačujúca sa tým, že povrch steny vrtu alebo predchádzajúcej vrstvy paženia sa pred nanášaním vrstiev opracuje tak, že zmes nosného plynu zmiešaného s časticami materiálu je bez schopnosti nanesenia (deponovania) materiálu , čo sa dosiahne tak, že častice materiálu neobsahujú pojivo alebo kinetická energia, ktorá je nižšia ako kritická rýchlosť plastickej deformácia častíc a nanášania častíc materiálu, a v takom prípade sa opracovávaný povrch mechanicky čistí, zdrsňuje a inak upravuje a dosahuje sa výhodná úprava povrchu pre nanášanie ďalšej vrstvy.

9. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 8 vyznačujúca sa tým, že nanesené vrstvy paženia, alebo stena vrtu sú predhrievané z dôvodu zvýšenia adhézie nasledujúcej vrstvy, účinnosti procesu nanášania na povrchu steny alebo predošlej vrstvy pred ďalším nanášaním.

10. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 9 vyznačujúca sa tým, že nanášané vrstvy sú dohnevané - tepelne spracované za účelom zlepšenia mechanických vlastností a/alebo za účelom aktivácie napeňovacích aditív.

11. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 10 vyznačujúca sa tým, že aspoň jedna nanášaná vrstva alebo časť vrstvy klzné oddeľuje susedné vrstvy paženia, alebo nanesené vrstvy paženia od formy prostredníctvom odlišných vlastností zabezpečujúc zníženie šmykového napätia v takejto vrstve, ktorá tým tvorí klzné rozhranie.

12. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 11 vyznačujúca sa tým, že klzná vrstva vytvára klznú vložku pre pohyb formovacieho tŕňa pre potrubné rozvody formované v stenách paženia.

13. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 12 vyznačujúca sa tým, že aspoň jedna vrstva paženia je vytvorená z kovovej matrice vyplnenej materiálom, ktorý môže byť získaný separáciou dezintegrovaného materiálu z vrtného procesu.

14. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 13 vyznačujúca sa tým, že vytvorené vrstvy sú tepelne upravované tepelným tokom aspoň jedným tepelným režimom, v ktorom sú vytvorené vrstvy vystavené postupnému tepelnému účinku s cieľom dosiahnutia výhodných metalurgických zmien v závislosti od druhu materiálu.

15. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 14 vyznačujúca sa tým, že prúd nosného plynu vyteká takou rýchlosťou z dýz po kruhovom obvode, pri ktorej urýchlené častice materiálu dosahujú úroveň kinetickej energie potrebnej k plastickej deformácii a tým k ich nanášaniu.

16. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 15 vyznačujúca sa tým, že kvapalina pracovného prostredia v mieste nanášania je lokálne vytesnená prúdom nosného plynu s časticami, alebo prúdom ochranného plynu.

17. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 16 vyznačujúca sa tým, že v kvapalnom prostredí je prúd nosného plynu s časticami obklopený ochranným prúdom, ktorý tvorí ochranný obal medzi kvapalinou pracovného prostredia a nosným plynom s časticami a udržuje integritu prúdu nosného plynu s časticami a oddeľuje ho od kvapalného prostredia. Tvorba paženia vrtu podľa nároku 1 až 17 vyznačujúca sa tým, že ochranný prúd odstraňuje kvapalinu z nanášaného povrchu a nanášaný povrch je pred nanášaním materiálu vysúšaný a predhrievaný.

18. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 18 vyznačujúca sa tým, že prúd nosného plynu je stláčaný ochranným prúdom, ktorý oddeľuje prúd nosného plynu s časticami materiálu od stien dýzy a chráni výstupný otvor pred priamym kontaktom s časticami materiálu výstupného otvoru, čím vytvára hydrodynamickú trysku.

19. Tvorba paženia vrtu podľa nárokov 1 až 19 vyznačujúca sa tým, že plyny sú výhodne urýchľované pri prietoku elektrickým oblúkom a termálnou plazmou, kedy pri styku nosných plynov a elektrického oblúka dochádza k zvýšeniu tlaku ohrevom a ich expanzii.

20. Zariadenie na tvorbu paženia vrtu nanášaním vrstiev materiálu na steny vrtu procesom aditívneho nanášania práškov podľa nárokov 1 až 20 vyznačujúce sa tým, že obsahuje aspoň jeden stupeň obsahujúci komoru (3) urýchlenia plynu a komoru (4) zmiešavania častíc materiálu určených na nanášanie s nosným plynom a oddeľovacie, riadiace a regulačné mechanizmy, komora (3) urýchlenia plynu je napojená na prívod (2) médií a komora (4) zmiešavania častíc materiálu je napojená na prívod (1) dávkovania nanášaného prášku do nosného plynu, pričom komora (4) zmiešavania častíc je výhodne umiestnená za komorou (3) urýchlenia plynu a v takomto usporiadaní komora (4) zmiešavania častíc materiálu obsahuje výtokovú dýzu (5).

21. Zariadenie na tvorbu paženia vrtu podľa nároku 21 vyznačujúce sa tým, že výtoková dýza (5) pre výstup zmesi nosného plynu a častíc materiálu z komory (4) zmiešavania častíc je umiestniteľná v bezprostrednej blízkosti steny (9) vrtu na formovanie vrstiev (10) materiálu do paženia.

22. Zariadenie na tvorbu paženia vrtu podľa nároku 21 a 22 vyznačujúce sa tým, že komora (3) urýchlenia plynu a komora (4) zmiešavania častíc materiálu s nosným plynom tvoria jednu komoru (3,4) urýchlenia a zmiešavania častíc a jednotlivé časti komory (3,4) nasledujú za sebou.

23. Zariadenie na tvorbu paženia vrtu podľa nároku 21 a 23 vyznačujúce sa tým, že obsahuje viac stupňov usporiadaných za sebou s odstupom tak, aby mohli paralelne pracovať.

24. Zariadenie na tvorbu paženia vrtu podľa nárokov 21 až 24 vyznačujúce sa tým, že komora (3) urýchlenia nosných plynov obsahuje modul zvýšenia tlaku na princípe ohrevu a expanzie plynu tepelnou plazmou elektrického oblúka.

25. Zariadenie na tvorbu paženia vrtu podľa nárokov 21 až 25 vyznačujúce sa tým, že výtoková dýza (5) je v tvare prstenca s výtokmi v radiálnom smere po jej obvode.

26. Zariadenie na tvorbu paženia vrtu podľa nárokov 21 až 26 vyznačujúce sa tým, že výtoková dýza (5) má tvar štrbiny.

27. Zariadenie na tvorbu paženia vrtu podľa nárokov 21 až 27 vyznačujúce sa tým, že výtoková dýza (5) v tvare štrbiny je v obvodových častiach obklopená hydrodynamickými tryskami (11), ktoré plnia ochrannú funkciu výtokovej dýzy (5).

28. Zariadenie na tvorbu paženia vrtu podľa nárokov 21 až 29 vyznačujúce sa tým, že regulačné mechanizmy obsahujú najmä mechanizmy riadenia a regulácie teplôt, mechanizmy riadenia a regulácie urýchlenia nosného plynu a mechanizmy riadenia a regulácie dávkovania prášku do nosného plynu.