CN109174488B - 一种水下喷涂装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种水下喷涂装置，外壳内部设有加热装置；加热装置依次连接整流装置、防水喷枪；加热装置内部有螺旋设置的加热管，其一端连接外壳外部的加速气体连接管，另一端连接到整流装置；加热装置内部还设有送粉管，其处于加热管螺旋轴线上，并且一端连接到外壳外部的运载气体连接管，另一端伸入整流装置内部；加热装置内部还设有加热体，加热体设置于送粉管和加热管周围。本发明中加速气体和运载气体分别通过加速气体连接管和运载气体连接管通入加热装置中加热，然后在整流装置中混合到一起，通过防水喷枪时加速，高速气流在防水罩的作用下将喷涂区域的水排开，被加速的颗粒通过高速撞击沉积到工件上，实现水下涂层的制备。

Description

一种水下喷涂装置
技术领域
本发明属于喷涂技术领域，特别涉及一种水下喷涂装置。
背景技术
能源工业、通讯工业的迅速发展，大量石油输运线路、通讯线路需要穿过海底或水下进行衔接，然而水下管线受到腐蚀性介质长期侵蚀，表面损坏较大气环境下更为严重，另外一些水下设备需要通过表面处理来达到防腐、减轻磨损的效果。如何在水下直接进行高效可靠自动化的表面修复，以完成日益增加的水下油气管道、通讯管线的铺设是迫切需要解决的难题。由于水下管线除受到工作载荷之外，还要承受波浪、潮流引起的附加载荷以及海水腐蚀、流沙磨蚀作用，目前这些水下设备的维护，主要通过将部件移至水面之上或者在水下构件隔离舱，两种方法工程量以及成本较高。因此，面向水下大型构件的加工、修复技术已成为水下工程开发、建设和维修不可缺少的关键技术之一，是急需解决的重大技术难题。
冷喷涂(Cold Spraying)作为一种表面处理技术，其原理是以高压气体作为加速介质使喷涂粉末经过加速后进入喷枪，经特殊设计的Laval喷嘴加速，形成超音速气-固两相流，喷涂粒子在固态下高速碰撞基体，经过剧烈的塑性变形而沉积形成涂层。冷喷涂过程的相对低温特点就使得金属颗粒的氧化、分解、相变、晶粒长大等缺陷可完全得到避免，获得与喷涂材料金属成分一致均匀的涂层。涂层残余应力小且主要为残余压应力，有利于制备各类防护与功能涂层，如耐腐蚀、耐磨损、耐高温涂层等。然而，传统的冷喷涂装置不能适用于水下的工作环境，另外并未见到水下喷涂方面的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水下喷涂装置，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水下喷涂装置，包括外壳、加热装置、整流装置、防水喷枪；外壳内部设有加热装置；加热装置依次连接整流装置、防水喷枪；加热装置内部有螺旋设置的加热管，其一端连接外壳外部的加速气体连接管，另一端连接到整流装置；加热装置内部还设有送粉管，其处于加热管螺旋轴线上，并且一端连接到外壳外部的运载气体连接管，另一端伸入整流装置内部；加热装置内部还设有加热体，加热体设置于送粉管和加热管周围。
进一步的，外壳的内壁设有一层隔热层；隔热层内部形成加热腔；加热装置安装于加热腔中。
进一步的，整流装置安装于外壳一端。
进一步的，整流装置内部设有整流腔；整流腔中设有整流筛；整流筛将整流腔分割成两部分：第一整流腔和第二整流腔；第一整流腔连接防水喷枪；加热管的出口连通第二整流腔的侧壁；送粉管穿过第二整流腔和整流筛伸入第一整流腔中。
进一步的，整流装置的第二整流腔中设有温度传感器和气体压力传感器。
进一步的，所述喷枪主体为Laval喷管，与防水罩连接处设有防倒灌塞。
进一步的，所述防水罩为喇叭口形状。
进一步的，所述温度传感器和气体压力传感器分别用于检测加速气体的温度和压力，并反馈给控制***，通过控制加热体的加热功率来控制加速气体的温度。
本发明公开了一种水下喷涂装置，在传统冷喷涂装置基础上将加热装置、整流装置和防水喷枪集成到同一个装置中，在装置外部设有隔热层，从而使水下气体加热可行，并且在喷枪主体出口处增加了防倒灌塞和防水罩以减少水对喷涂作业的影响。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的效果：
本发明公开了一种水下喷涂装置，采用喷涂工艺，将部分装置置于水下，即可实现水下构件的加工或维修。
该装置实现的喷涂方法具有基体热影响小、材料无氧化或相变、适用于对热敏感的船体或管线钢材料。
该装置功能多样，既可以用于喷砂处理，也可以用于制备防腐、耐磨、防生物附着等功能涂层。可用于水下构件清洁除垢、除锈、表面防护、表面修复、结构连接、构件制备等多种方面。
该装置所采用的喷涂粉末易于回收，对环境无害、喷涂气体选择广泛使用成本低。
本发明技术难点在于水氛围对加速粒子的阻滞作用极大，需要在喷枪出口创造出局部无水区域，使得加速的喷涂粒子沉积于基体上，本发明通过对喷枪局部结构的改进，在防水喷枪前端创造出局部无水的环境。本发明采用圆形截面收缩喷嘴，喉部后采用两段扩张，使气体先经过压缩经过喉部，在喷枪主体内部第一段扩张段进行膨胀，提高气体速度，在气体通过第一段扩张段后速度达到超音速。但超音速气流在基体前形成弓形激波，会导致水分卷入沉积点，而防水罩内第二段扩张段将喷枪前端水分排开，防止周围水环境在基体前形成涡旋回流至沉积点，另外还起到控制喷涂距离和气体二次膨胀的作用。喷枪主体与防水罩连接处设有防倒灌塞，该装置工作时，防倒灌塞在加速气流的作用下处于打开状态，非工作时，防倒灌塞自动闭合防止水进入到喷枪主体内部。加速气体需要达到一定温度才能获得足够加速粒子的速度，在水下加热效率降低，通过将加热管制成螺旋形，增加加热距离并且通过带有隔热保温层的外壳减少热量流失，提高加热效率。
为实现在水下通过沉积涂层进行表面处理的目的，本发明通过整合喷涂设备，加热设备，整流设备以及水下控制设备，并且改进了加热装置和喷枪结构，通过螺旋式加热管以实现气体升温从而在水下制备防护涂层的目的。
附图说明
图1为水下喷涂装置的结构示意图。
图2为防水喷枪局部结构图；
图3为采用水下喷涂***在铜基体上制备的铝涂层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
请参阅图1所示，本发明提供一种水下喷涂装置，包括外壳1、隔热层2、加热装置3、整流装置4、防水喷枪5。
外壳1的内壁设有一层隔热层2；隔热层内部形成加热腔；加热腔中安装有加热装置3；加热装置3连接安装于外壳1一端的整流装置4；整流装置4的出口连接防水喷枪5。
加热装置3内部设有螺旋的加热管31，其一端连接外壳1外部的加速气体连接管34，另一端连接到整流装置4的侧壁上；加热装置3内部还设有送粉管32，其处于加热管31螺旋轴线上，并且一端连接到外壳1外部的运载气体连接管35，另一端伸入整流装置4内部；加热装置3内部还设有加热体33，加热体33设置于送粉管32和加热管31周围。
整流装置4内部设有整流腔；整流腔中设有整流筛44；整流筛44将整流腔分割成两部分：第一整流腔和第二整流腔；第一整流腔连接防水喷枪5；加热管31的出口连通第二整流腔的侧壁；送粉管32穿过第二整流腔和整流筛44伸入第一整流腔中；整流装置4的第二整流腔中设有温度传感器41和气体压力传感器42。
防水喷枪5包括喷枪主体51、防倒灌塞52和防水罩53，其入口端与整流装置4连接；防倒灌塞52顶部通过扭簧铰接在防水罩53上。
喷枪主体51采用Laval喷管。
喷枪主体51的出口连接防水罩53，喷枪主体51与防水罩53可做成一体，也可做成可拆卸结构。防水罩53为喇叭口形状，其材料可以为金属或者非金属。
喷枪主体51与防水罩53连接处设有防倒灌塞52。该装置工作时，防倒灌塞在加速气流的作用下处于打开状态，非工作时，防倒灌塞回弹自动闭合防止水进入到喷枪主体51内部。
外壳1的所有连接和接口处都经密封防水处理，防水等级与工作压力相匹配。
温度传感器41和气体压力传感器42分别用于检测加速气体的温度和压力，并反馈给控制***，通过控制加热体33的加热功率来控制加速气体的温度。
该装置的加速气体在防水罩53的作用下将喷涂区域的水排开以减少水对喷涂作业的影响。
该装置的使用参数为：加速气体及送粉气气体压力为2.0～5.0MPa，加速气体通过螺旋加热管31加热温度为100～800℃，置于水下深度为0～50米。
该装置可以用于任意角度的工作方向。
实施例1
本实施例中，采用平均粒径20μm纯铝粉为喷涂粉末，基体6采用铜板，N2作为运载气体，气体压力为3MPa，气体预热温度300℃。喷涂时铜基体全部处于水7中，通过喷枪气流将基体6前的水冲开形成圆锥形区域，粉末沉积良好，沉积涂层厚度约为1mm。图3为采用水下喷涂***在铜基体上制备的铝涂层的SEM照片，从SEM照片可以看出铝涂层较为致密，孔隙率较低，形成有效涂层，涂层致密与基体结合良好。
实施例2
本实施例中，采用平均粒径20μm纯铜粉加入vol.30％不锈钢喷丸颗粒作为喷涂粉末，基体采用铜板，N2作为送粉气体，送气压力3Mpa，气体预热温度380℃，喷涂距离22mm。喷涂时铜基体连接在机械控制***上并浸没于水中，通过喷枪前端圆锥形排水罩将基体前的水冲开形成局部干区域。
实施例3
本实施例中，采用平均粒径25μm纯钛粉加入vol.50％不锈钢喷丸颗粒作为喷涂粉末，基体采用铜板和钛板，N2作为送粉气体，送气压力3Mpa，气体预热温度650℃，喷涂距离22mm。喷涂时铜基体和钛基体连接在机械控制***上并浸没于水中，通过喷枪前端圆锥形排水罩将基体前的水冲开形成局部干区域。
本发明可以解决现有设备与技术存在的问题，具体如下：
舰艇修复目前采用的主要方法是将船体停放至船坞，排水作业后进行表面修复处理，此种方法存在维修周期长，相对成本高等不足。本发明将冷喷涂***与防水***整合可以实现水下喷涂作业。
水下喷砂技术只能对待修复表面进行清洁，本发明整合喷砂设备和冷喷涂设备以及加热设备，实现在水下清理基材并进而沉积涂层，达到表面处理功能。
冷喷涂采用氮气或氦气对粉末颗粒进行加速，从而实现粒子塑性变形达到沉积涂层的效果。由于水作为气固之外第三相介质，对颗粒有较强的减速效应，并且水限制了气体的加热温度，使得涂层沉积愈加困难，目前尚未有水下冷喷涂的相关报道。本发明通过防水喷枪与隔热装置的有机结合解决水下冷喷涂气体加热的困难，同时防水喷枪的设计有效的将沉积位置的水排开以减少水对喷涂的影响。

Claims (5)

1.一种水下喷涂装置，其特征在于，包括外壳(1)、加热装置(3)、整流装置(4)、防水喷枪(5)；
外壳(1)内部设有加热装置(3)；加热装置(3)依次连接整流装置(4)、防水喷枪(5)；
加热装置(3)内部有螺旋设置的加热管(31)，其一端连接外壳(1)外部的加速气体连接管(34)，另一端连接到整流装置(4)；加热装置(3)内部还设有送粉管(32)，其处于加热管(31)螺旋轴线上，并且一端连接到外壳(1)外部的运载气体连接管(35)，另一端伸入整流装置(4)内部；加热装置(3)内部还设有加热体(33)，加热体(33)设置于送粉管(32)和加热管(31)周围；
防水喷枪(5)包括喷枪主体(51)、防倒灌塞(52)和防水罩(53)，其入口端与整流装置(4)连接；
外壳(1)的内壁设有一层隔热层(2)；隔热层内部形成加热腔；加热装置(3)安装于加热腔中；
所述防水喷枪(5)中的喷枪主体(51)为Laval喷管，出口处连接防水罩(53)，连接处设有防倒灌塞(52)；
所述防水罩(53)为喇叭口形状。
2.根据权利要求1所述的一种水下喷涂装置，其特征在于，整流装置(4)安装于外壳(1)一端。
3.根据权利要求1所述的一种水下喷涂装置，其特征在于，整流装置(4)内部设有整流腔；整流腔中设有整流筛(44)；整流筛(44)将整流腔分割成两部分：第一整流腔和第二整流腔；第一整流腔连接防水喷枪(5)；加热管(31)的出口连通第二整流腔的侧壁；送粉管(32)穿过第二整流腔和整流筛(44)伸入第一整流腔中。
4.根据权利要求1所述的一种水下喷涂装置，其特征在于，整流装置(4)的第二整流腔中设有温度传感器(41)和气体压力传感器(42)。
5.根据权利要求4所述的一种水下喷涂装置，其特征在于，所述温度传感器(41)和气体压力传感器(42)分别用于检测加速气体的温度和压力，并反馈给控制***，通过控制加热体(33)的加热功率来控制加速气体的温度。
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