磨料水射流技術(shù)在常溫鋼管除鱗中的應(yīng)用

王建立，白文利，陳建偉

（天津鋼管制造有限公司，天津300301）

1 引言

鋼管表面的氧化層，主要是加熱爐加熱產(chǎn)生的爐生氧化鐵皮（鱗皮），由表及里的結(jié)構(gòu)為Fe2O3、Fe3O4、FeO，氧化層致密。其中Fe3O4抗破壞強(qiáng)度最高，可達(dá)40 MPa。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了很多除鱗工藝方法，常用的除鱗技術(shù)有化學(xué)除鱗、機(jī)加除鱗、噴丸除鱗、噴砂除鱗、拋丸除鱗、高壓水射流除鱗、磨料水射流除鱗等。通過對(duì)這幾種除鱗方法的分析比較，我們認(rèn)為針對(duì)去除難度大的重氧化層采用技術(shù)先進(jìn)、環(huán)保的磨料水射流技術(shù)，效果更為理想。

2 除鱗工藝對(duì)比

磨料水射流除鱗同傳統(tǒng)除鱗工藝相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）水射流速度可達(dá) 171～280 m/s，沖蝕能力強(qiáng)，可應(yīng)用于酸洗難以去除的鋼管表面除鱗，且除鱗系統(tǒng)參數(shù)可根據(jù)鋼管氧化層厚度變化進(jìn)行改變。

（2）除凈率高，除鱗表面質(zhì)量好。

（3）除鱗過程中無粉塵飛揚(yáng)，不污染廠房及其他產(chǎn)品及設(shè)備，封閉式的除鱗箱使工作時(shí)噪音較小，不會(huì)危害工人健康。

（4）砂漿重復(fù)利用率高，砂料消耗較低。

下面以氧化鐵皮清除比較困難的鋼管品種高壓鍋爐管（規(guī)格Φ133～Φ365 mm）為例，介紹該技術(shù)的主要特點(diǎn)：

3 主要技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)參數(shù)

3.1 產(chǎn)品大綱

原料狀態(tài)：軋態(tài)或熱處理后的常溫鋼管。設(shè)計(jì)產(chǎn)能：7萬t/年。

產(chǎn)品規(guī)格：Φ133～Φ365 mm。

3.2 鋼管內(nèi)、外表面除鱗的質(zhì)量要求

除鱗面積除凈率（面積比）大于99%，除鱗后管內(nèi)、外表面均勻，無明顯色差、條紋，除鋼管表面應(yīng)顯示均勻的金屬光澤，達(dá)到GB—8923 B Sa3級(jí)別的要求，并保持噴砂前原管形。

實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)，采用磨料水射流除鱗，技術(shù)參數(shù)如下：

高壓泵參數(shù):額定壓力60 MPa、額定流量16 m3/h、電機(jī)功率355 kW。

噴嘴工作壓力為：30～60 MPa（連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)方式為變頻調(diào)節(jié)）。

砂料材質(zhì)：石榴石，規(guī)格20～40目（平均直徑0.425～0.850 mm）。

4 鋼管除鱗工藝流程

鋼管除鱗傳輸工藝流程見圖1。

圖1 鋼管除鱗傳輸工藝流程

鋼管的運(yùn)動(dòng)方式為螺旋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)鋼管的規(guī)格調(diào)整輸送輥道的偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)鋼管軸向速度V軸與圓周速度V切的調(diào)整。鋼管前進(jìn)和后退過程中均可除鱗，即鋼管通過輸送輥道進(jìn)入除鱗箱除鱗，當(dāng)噴頭達(dá)到鋼管尾端時(shí)，輥道反向運(yùn)轉(zhuǎn)，鋼管反向除鱗；除鱗后的鋼管旋轉(zhuǎn)進(jìn)入清洗箱，用清水將鋼管內(nèi)、外表面的殘砂進(jìn)行清洗。當(dāng)噴頭達(dá)到鋼管尾端時(shí)，輥道反向運(yùn)轉(zhuǎn)，鋼管反向清洗并風(fēng)干。

保證鋼管內(nèi)、外表面鱗皮被完全除掉的基本條件：一是鋼管旋轉(zhuǎn)一周軸向運(yùn)動(dòng)位移不大于除鱗噴嘴有效噴水寬度；二是高壓磨料水對(duì)鱗皮具有足夠的打擊力和磨削力（與鋼管旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓周速度V切、噴嘴選型及布置有關(guān)）。

除鱗時(shí)間取決于鋼管軸向速度V軸，軸向速度V軸與鋼管旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓周速度V切及除鱗噴嘴有效噴水寬度有關(guān)。

綜合各種因素，圓周速度V切在0.1～0.3 m/s可以滿足除鱗表面質(zhì)量要求。

下面以Φ219×15×13000鋼管為例，計(jì)算其除鱗節(jié)拍：

除鱗噴嘴有效噴水寬度500 mm,鋼管旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，取軸向運(yùn)動(dòng)位移400 mm，可實(shí)現(xiàn)大于100%的覆蓋。

取鋼管圓周速度=0.2 m/s；

鋼管旋轉(zhuǎn)圓一周：T周=πD/=3.14×0.219/0.2=3.438 s；

鋼管軸向速度V軸=0.4/3.438=0.1163 m/s；

鋼管單向除鱗時(shí)間：T單=13/0.1163=111.8 s，取120 s；

取鋼管往復(fù)回轉(zhuǎn)切換時(shí)間10 s，鋼管間隔時(shí)間30 s；

每根鋼管往復(fù)除鱗總時(shí)間：120+10+120+30=280 s；

除鱗節(jié)拍：3600/280=12.8根/h，取12根/h。

5 除鱗原理及系統(tǒng)參數(shù)

5.1 除鱗原理

磨料高壓水除鱗是利用砂水射流的高能量密度集中在一個(gè)很小的區(qū)域，產(chǎn)生射流沖擊強(qiáng)度大于氧化層抗破壞強(qiáng)度，將鱗皮破碎，再利用砂漿的“水楔”作用使鱗皮剝落，使鋼管表面呈現(xiàn)出金屬本色。

系統(tǒng)采用的是后混合式磨料射流，磨料與水的混合是在高壓水噴出后進(jìn)行的。高壓水通過水噴嘴形成高速水流，并在混合腔內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，同時(shí)渣漿泵將砂漿加壓進(jìn)入混合腔，與水射流發(fā)生紊動(dòng)擴(kuò)散和摻混，再通過磨料噴嘴噴出，形成磨料射流。

后混合式磨料射流比較前混合式磨料射流對(duì)高壓水噴嘴磨損較輕，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

生產(chǎn)線來水和本系統(tǒng)循環(huán)水進(jìn)入水箱后，經(jīng)過前置加壓泵加壓，再經(jīng)自清洗過濾器過濾后送入高壓加壓泵，經(jīng)高壓泵加壓后的高壓水直接送入除鱗箱；新砂通過加砂裝置進(jìn)入攪拌箱（同時(shí)本系統(tǒng)循環(huán)可再利用砂也送入攪拌箱），再經(jīng)臥式渣漿泵加壓后送入除鱗箱；砂與高壓水在除鱗箱經(jīng)過砂水混合器混合后對(duì)鋼管進(jìn)行除鱗；除鱗后的鋼管旋轉(zhuǎn)進(jìn)入清洗箱，用清水將鋼管內(nèi)、外表面的殘砂進(jìn)行清洗。

在系統(tǒng)不除鱗時(shí)，電機(jī)處于低頻率運(yùn)行，此時(shí)除鱗泵的功耗只有額定功率的10%～20%。高壓除鱗泵處于低頻率下運(yùn)行，既節(jié)約了電能，又減小了泵的機(jī)械磨損，提高了泵的使用壽命。系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，攪拌箱與臥式渣漿泵之間的閥門關(guān)閉，引入清水對(duì)整個(gè)砂路系統(tǒng)進(jìn)行沖洗。

5.2 系統(tǒng)組成及功能

高壓供水設(shè)備：為除鱗箱提供動(dòng)力。高壓水射流系統(tǒng)是除鱗生產(chǎn)線的核心部分，高壓泵是系統(tǒng)的主體設(shè)備，噴頭是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

鋼管內(nèi)、外壁除鱗箱：完成清除鋼管內(nèi)、外表面氧化鐵皮工藝。

鋼管內(nèi)、外壁清洗設(shè)備：當(dāng)鋼管結(jié)束除鱗時(shí)清除內(nèi)、外表面上殘留的水和砂，使用后的水流入砂水循環(huán)系統(tǒng)。

低壓供水設(shè)備：將源水水質(zhì)凈化，提供給高壓泵工作用水及清洗泵用水。

磨料供給設(shè)備：高壓水射流噴砂是通過噴嘴頭把磨料和高壓水混合起來，連續(xù)不斷地噴向鋼管表面，達(dá)到除鱗目的。被消耗的磨料需要不斷地補(bǔ)充，同時(shí)，除鱗后產(chǎn)生的廢砂水經(jīng)旋流分級(jí)后，大顆粒回收繼續(xù)做功，而破碎的細(xì)小顆粒與水混成泥漿，流入下道工序進(jìn)行處理。經(jīng)過篩選后的磨料加入自動(dòng)加砂設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)砂水濃度，自動(dòng)將磨料加入攪拌裝置。攪拌裝置將砂水?dāng)嚢杈鶆蚝螅稍鼭{泵輸入噴嘴，與高壓水充分混合后，噴射到鋼管表面實(shí)現(xiàn)除鱗。

砂水回收設(shè)備：除鱗后的砂與水一起經(jīng)沖渣溝排入砂水回收桶，經(jīng)渣漿泵加壓后送入攪拌箱，再經(jīng)多級(jí)循環(huán)分離后，可再利用的粗砂回到攪拌桶循環(huán)利用，不能用的細(xì)砂及大部分水送到平流池，經(jīng)多級(jí)沉淀后再經(jīng)凈水器處理、過濾器過濾后循環(huán)利用。

水處理系統(tǒng)：將系統(tǒng)循環(huán)水進(jìn)行處理，沉淀水中的固體顆粒后，為低壓水系統(tǒng)提供清潔水源。

5.3 系統(tǒng)參數(shù)

在確定系統(tǒng)參數(shù)前，首先要對(duì)水射流壓力進(jìn)行選定。該壓力需要根據(jù)不同的鋼管氧化層厚度來選取，目前常用類比法或?qū)嶒?yàn)法確定。就所有的情況來說，40～50 MPa的水壓、粒度為20～40目的石榴石，能夠有效地清除碳鋼、合金鋼表面的鱗皮，并使其表面呈現(xiàn)出銀白色的光澤。

本除鱗系統(tǒng)3臺(tái)柱塞泵同時(shí)工作，安裝有20個(gè)噴射角固定的噴嘴、10個(gè)外壁噴嘴、10個(gè)內(nèi)壁噴嘴，每個(gè)噴嘴流量2 m3/h，流量可調(diào)。

5.3.1 高壓泵參數(shù)的確定：

高壓泵是磨料水射流除鱗系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，很大程度上決定著除鱗系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和除鱗效果，目前常用的有三柱塞泵和五柱塞泵。

柱塞泵的額定壓力比除鱗工作壓力要大一些：

式中：P為柱塞泵的額定壓力，MPa；Pc為水射流壓力,MPa；ΔP為高壓水的沿程壓力損失，一般ΔP=（5%～15%）P，MPa。

取 Pc=50 MPa，ΔP=10%×P MPa，則泵的額定壓力計(jì)算值為55.6 MPa；可取泵的額定壓力60 MPa。

泵銘牌上的壓力是靜壓力，由壓力表可以直接讀出，而水射流的壓力實(shí)際是動(dòng)壓力，不可測(cè)量，其靜壓力完全轉(zhuǎn)化為水射流的動(dòng)壓力或者速度能。

柱塞泵流量的選擇：考慮到系統(tǒng)的泄漏和泵磨損后容積效率的下降，一般取泵的流量為噴嘴流量的1.1倍：

噴嘴流量：Qo=20×2 m3/h=40 m3/h；

每個(gè)泵流量：Q=1.1×40 m3/h=14.7 m3/h；

可取泵的額定流量為：16 m3/h。

5.3.2 水射流參數(shù)

明確了水射流的壓力和流量，就可以根據(jù)以下公式確定系統(tǒng)的其他參數(shù)。

5.3.2.1 水射流功率

式中：P為水泵額定壓力，kg/cm2；Q為水泵額定流量,L/min；μ 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取 0.85～0.95。

5.3.2.2 水射流速度及其產(chǎn)生的力水射流速度：

磨料水射流以Vw的平均速度噴向鋼管表面，打擊力和磨削力為：

式中：Vw為水射流速度；g為重力加速度，m/s2；rw為水的比重，kg/m2；Pc為水射流壓力,kg/m2；r為砂、 水混合后的比重，kg/m3；θ為噴射角。

可以看出，改變砂、水混合的濃度和泵的工作壓力，均可使打擊力和磨削力發(fā)生變化，影響除鱗效果。

5.3.2.3 噴嘴直徑及水射流流量

水射流流量與水射流速度、噴嘴直徑的關(guān)系為：

式中：Q為水射流流量；d為噴嘴直徑；Vw為水射流速度。

噴嘴直徑與所用磨料粒徑之比不宜過小，以保證不發(fā)生堵塞現(xiàn)象，其比值一般在3以上。

5.3.2.4 噴嘴射距

噴嘴與除鱗面距離越小，射流的沖擊力就越大，除鱗效果就越好。但距離太小，會(huì)影響噴砂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和效果。實(shí)踐證明，噴射距離在100～150 mm之間較為適宜。

6 除鱗實(shí)驗(yàn)效果

除鱗實(shí)驗(yàn)選取除鱗難度比較大的熱處理后的P91高壓鍋爐管和12Cr1MoVG高壓鍋爐管，實(shí)驗(yàn)壓力（泵壓力）46 MPa，效果如下。

6.1 P91高壓鍋爐管熱處理后內(nèi)表面除磷試驗(yàn)

除磷前后鋼管內(nèi)表面狀態(tài)分別如圖2、圖3所示。

6.2 12Cr1MoVG高壓鍋爐管熱處理后內(nèi)表面除磷試驗(yàn)

除磷前后的鋼管內(nèi)表面狀態(tài)分別如圖4、圖5所示。

圖2 P 91鋼管除鱗前的內(nèi)表面狀態(tài)

圖3 P 91鋼管除鱗后的內(nèi)表面狀態(tài)

圖4 12 Cr1MoVG鋼管除鱗前的內(nèi)表面狀態(tài)

圖5 12 Cr1MoVG鋼管除鱗后的內(nèi)表面狀態(tài)

6.3 12Cr1MoV G外表面除鱗試驗(yàn)

除鱗前后的鋼管內(nèi)表面狀態(tài)分別如圖6、圖7所示。

圖6 12 Cr1MoVG鋼管除鱗前的外表面狀態(tài)

圖7 12 Cr1MoVG鋼管除鱗后的外表面狀態(tài)

7 操作、維護(hù)磨料水射流除鱗系統(tǒng)的注意事項(xiàng)

該系統(tǒng)主要安全技術(shù)問題是防止高壓水射流及其飛濺水珠的沖擊。

在該區(qū)域的周圍設(shè)置隔離屏，以防止系統(tǒng)工作過程中人員遭受噴出的水射流及飛散的水珠沖擊。

檢查或更換噴嘴、檢修時(shí)，必須把系統(tǒng)壓力釋放到零，否則不可以進(jìn)行操作。

高壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏（即使是輕微泄漏），必須立即停機(jī)。

8 結(jié)論

磨料水射流除鱗是一種物理的、先進(jìn)的、無污染、高效的除鱗技術(shù)。濕法作業(yè)，勞動(dòng)條件相對(duì)較好，完全可以取代酸洗除鱗。

該技術(shù)操作簡(jiǎn)便，全部作業(yè)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

磨料水射流除磷技術(shù)所噴出的水，不但能夠回收，而且還能夠重復(fù)利用，可以大大節(jié)省水資源。

除磷效果徹底，效果明顯，沒有任何殘留化合物。除鱗表面完全能夠達(dá)到GB—8923 B Sa3級(jí)別的要求。

噴射前后鋼管性能不受任何影響，保持原來的平直度性能。

改變射流工藝系數(shù)，可調(diào)整表面的粗糙程度，能夠滿足不同表面的技術(shù)要求。

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