油氣條件下磨料水射流切割安全實(shí)驗(yàn)研究

張滕飛 鄧松圣 雷傳超 管金發(fā)

中國人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系,重慶 401311

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油氣條件下磨料水射流切割安全實(shí)驗(yàn)研究

張滕飛 鄧松圣 雷傳超 管金發(fā)

中國人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系,重慶 401311

針對磨料水射流切割技術(shù)在石油天然氣工業(yè)應(yīng)急搶修中的應(yīng)用,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)觀察火花的產(chǎn)生規(guī)律,檢測材料升溫的大小,研究了可燃油氣條件下磨料水射流切割安全。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磨料水射流切割產(chǎn)生火花比較微弱,且只在切割碳鋼等部分材料時(shí)產(chǎn)生;材料升溫持續(xù)時(shí)間短,不同材料切割過程最高溫度都在100 ℃以下;油氣條件下磨料水射流切割碳鋼等材料不會(huì)引燃引爆油氣。磨料水射流切割用于油氣條件下的應(yīng)急搶修是安全可行的。

磨料水射流;油氣條件;安全;切割

0 前言

石油天然氣工業(yè)設(shè)備搶修切割作業(yè)一般處于油氣環(huán)境中[1],由于油氣遇到明火或者高溫極易引起燃燒爆炸[2],作業(yè)中的不當(dāng)切割方法會(huì)引發(fā)油氣安全事故[3-4],故亟需采用一種不同于傳統(tǒng)切割方法的安全切割方法[5]。磨料水射流切割是在高壓水射流技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效、安全、清潔的切割方式,近年來在煤礦井下等一些特殊場合的切割作業(yè)中得到研究應(yīng)用[6-9],比傳統(tǒng)切割方式更安全。磨料水射流切割是利用高速水射流作為載體,驅(qū)動(dòng)具有一定硬度和鋒利度的磨料粒子高速運(yùn)動(dòng),形成混合射流對材料進(jìn)行切割。對碳鋼等材料進(jìn)行磨料水射流切割,不僅切割性能優(yōu)越,而且還是一種相對安全的切割方式[10-11]。

很多學(xué)者通過理論計(jì)算[12]和試驗(yàn)驗(yàn)證[13]等方法對磨料水射流切割安全進(jìn)行了研究,但主要以煤礦井下甲烷氣體環(huán)境為研究對象,缺少油氣環(huán)境中的安全研究以及火花和材料升溫的定量研究。本文主要通過實(shí)驗(yàn)定量檢測材料升溫大小,認(rèn)識摩擦火花產(chǎn)生規(guī)律,測試油氣條件下切割安全,為磨料水射流切割在石油天然氣工業(yè)應(yīng)急搶修切割作業(yè)提供安全指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)選用HSQ 4020 S五軸龍門水切割機(jī)作為磨料水射流切割設(shè)備,原理為后混式磨料水射流,磨料采用自吸方式。實(shí)驗(yàn)采用國內(nèi)外應(yīng)用最普遍的石榴石磨料,分別對不銹鋼、X 60鋼、Q 235鋼以及鋁合金、銅合金等多種材料進(jìn)行切割;采用PT 100鉑熱電阻溫度傳感器和電子式數(shù)顯溫控儀(溫控器溫度0～1 300 ℃)進(jìn)行材料升溫溫度的采集;利用自制油氣產(chǎn)生設(shè)備(包括小型氣泵和汽油桶)營造危險(xiǎn)油氣泄漏環(huán)境以測試切割安全性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

油氣條件下磨料水射流切割安全實(shí)驗(yàn)是個(gè)整體實(shí)驗(yàn),包括三個(gè)模塊：火花產(chǎn)生規(guī)律實(shí)驗(yàn)、材料升溫表面溫度檢測實(shí)驗(yàn)以及油氣條件下安全切割測試實(shí)驗(yàn)。按照圖1安排實(shí)驗(yàn)臺架,依次進(jìn)行三個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 觀察火花產(chǎn)生規(guī)律

金屬與金屬之間、巖石和金屬之間以及巖石和巖石之間互相碰撞和摩擦都可能產(chǎn)生火花[14]。磨料本身實(shí)質(zhì)是巖石碎屑,磨料水射流切割過程中火花的產(chǎn)生,主要是由于磨料與被切割工件的摩擦,本質(zhì)是巖石與金屬之間相互碰撞和摩擦。為正確認(rèn)識磨料水射流切割火花產(chǎn)生規(guī)律,利用高壓磨料水射流切割設(shè)備對多種材料進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn),使用磨料為石榴石磨料,可以改變的工藝參數(shù)包括切割橫移速度、磨料粒徑、混砂管直徑、泵壓、靶距等。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磨料水射流切割產(chǎn)生火花規(guī)律如下:

1)白天光線較好的情況下切割各種材料都沒有明顯的火花,改變各種工藝參數(shù)肉眼同樣觀察不到火花。

2)晚上光線較弱的情況下,不銹鋼、X 60鋼和Q 235鋼切割都能觀察到明顯的火花,火花形態(tài)比較一致,但銅合金、鋁合金切割觀察不到火花。火花產(chǎn)生情況見圖2。

3)工件只有在被切穿的情況下才會(huì)觀察到明顯的火花,且火花存在于被切割工件的上下兩面,在確保工件被切穿的情況下,改變泵壓、切割橫移速度、靶距等參數(shù)對火花的產(chǎn)生情況影響不大。

圖2 磨料水射流切割不同材料產(chǎn)生的火花

根據(jù)龔允怡等人[15-16]的研究,碳鋼與砂輪摩擦產(chǎn)生的火花較銅鎳錳合金與砂輪摩擦產(chǎn)生的火花更強(qiáng)烈。磨料水射流切割產(chǎn)生火花規(guī)律與砂輪摩擦產(chǎn)生火花規(guī)律類似,磨料水射流切割碳鋼較銅鋁合金更易產(chǎn)生火花。總體上,磨料水射流切割產(chǎn)生的火花不如砂輪摩擦金屬產(chǎn)生的火花強(qiáng)烈。

2.2 檢測材料升溫情況

在石油天然氣工業(yè)應(yīng)急搶修切割領(lǐng)域,可燃油品或可燃?xì)怏w受到來自容器或者輸油管道壁面的熱量傳遞會(huì)增加燃燒甚至爆炸的危險(xiǎn)程度。磨料水射流切割過程中存在材料溫度升高的現(xiàn)象,對油氣條件下磨料水射流切割安全產(chǎn)生威脅。為了探究磨料水射流切割不同材料工件的升溫情況,選用了銅合金、鋁合金和Q 235碳鋼進(jìn)行切割,磨料為80目石榴石磨料,泵壓為300 MPa,橫移速度為100 mm/min,靶距4 mm,在此條件下,所有工件都能保證切穿。

實(shí)驗(yàn)利用PT 100鉑熱電阻溫度傳感器和電子數(shù)顯溫控儀進(jìn)行被切割表面溫度的檢測。圖3為溫度測量系統(tǒng)示意圖,將傳感器置于一定溫度的環(huán)境中,電子數(shù)顯溫控儀可以及時(shí)顯示環(huán)境溫度。

圖3 溫度測量系統(tǒng)

PT 100是一種鉑熱電阻,因?yàn)殡娮柚稻哂须S溫度變化而變化的特性,所以常用來檢測溫度。PT 100阻值與溫度的變化成正比,具體關(guān)系為:當(dāng)溫度0 ℃時(shí)PT 100阻值100 Ω,溫度100 ℃時(shí)PT 100阻值138.5 Ω,阻值隨溫度上升而勻速增長,溫度和電阻值的關(guān)系如下:

Rt=Rt0[1+α(t-t0)]

(1)

式中:Rt為溫度t時(shí)的阻值,Ω;Rt0為溫度t0(通常t0=0 ℃)時(shí)對應(yīng)電阻值,Ω;α為溫度系數(shù),℃-1。PT 100鉑熱電阻中t0=0 ℃,Rt0=100 Ω,α=3.85×10-3℃-1。

電子數(shù)顯溫控儀采用國內(nèi)佳敏XMTD-3002數(shù)顯溫控儀,能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度變化,具有精度高、顯示及時(shí)的特點(diǎn),主要的性能參數(shù)見表1。

將PT 100鉑熱電阻溫度傳感器探頭固定在被切割工件上,對工件進(jìn)行磨料水射流切割處理,切割材料為Q 235鋼,時(shí)間每隔3 s記錄一次溫度,得到溫度變化見圖4。

表1 電子數(shù)顯溫控儀性能參數(shù)

特性范圍工作電壓/V220額定功率/W3工作環(huán)境溫度0～50℃,相對濕度<85%的無腐蝕性氣體場合測溫范圍/℃0～1300顯示誤差/(%)≤0.1

圖4 切割溫度變化圖

由圖4可知,被切割材料初始溫度26 ℃左右,切割開始后溫度緩慢升高到50 ℃左右,而后緩慢下降,最后恢復(fù)到開始時(shí)溫度,整個(gè)升溫過程持續(xù)時(shí)間約40 s。實(shí)驗(yàn)中觀察到當(dāng)磨料水射流切割位置距離傳感器探頭越近,溫度越高。實(shí)驗(yàn)測得各種材料切割過程溫度隨時(shí)間變化規(guī)律一致,各種材料切割過程中出現(xiàn)的最高溫度見表2。

表2 各材料出現(xiàn)的最高溫度

材料銅合金鋁合金碳鋼最高溫度/℃536050

由表2可知,盡管切割材料不同,切割過程中產(chǎn)生的最高溫度均不會(huì)超過100 ℃,與應(yīng)用前混磨料水射流切割及應(yīng)用脈沖磨料水射流切割過程中的材料升溫測試結(jié)果[17-18]相似,此溫度遠(yuǎn)低于單純的砂輪摩擦金屬溫升,說明水的降溫作用對切割工件溫度的影響巨大。

根據(jù)杜楊等人[19]的研究,受限空間內(nèi),熱壁溫度高于773 K時(shí),油氣混合物出現(xiàn)熱著火現(xiàn)象,著火方式以熱爆燃為主;溫度低于773 K時(shí),沒有發(fā)現(xiàn)著火現(xiàn)象。切割過程中工件溫度升高遠(yuǎn)小于油氣條件下熱壁點(diǎn)燃溫度,且持續(xù)時(shí)間較短,不具備引起油氣燃燒爆炸的條件。

2.3 測試油氣條件下切割安全

通過觀察火花產(chǎn)生情況得知,金屬材料只有在被切穿的情況下才產(chǎn)生火花,且火花存在于材料板上下兩面。切割材料的表面溫度會(huì)升高,與火花一起構(gòu)成油氣條件下的切割安全威脅。通過觀察火花的產(chǎn)生以及檢測表面的溫度,發(fā)現(xiàn)磨料水射流切割安全威脅主要分布在被切割位置周圍很小的區(qū)域內(nèi)。通過在被切割位置附近營造可燃油氣環(huán)境,測試切割在油氣條件下的安全。

圖5 自制油氣產(chǎn)生設(shè)備

1)使用自制油氣揮發(fā)氣體發(fā)生裝置產(chǎn)生油氣揮發(fā)氣體,在切割位置附近特別是容易產(chǎn)生火花和高溫區(qū)域進(jìn)行釋放。

2)當(dāng)?shù)谝环N方法不足以使周圍油氣濃度達(dá)到爆炸范圍的情況下,直接潑灑汽油使油氣濃度快速升高。

為了更真實(shí)地還原危險(xiǎn)油氣條件下的切割環(huán)境,考慮到此設(shè)備采用自吸式磨料供給方式,混合腔吸入的空氣會(huì)有汽油揮發(fā)氣體,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)油氣氣體一路通到磨料罐內(nèi),使磨料罐內(nèi)充滿油氣。實(shí)驗(yàn)見表3。

表3 油氣條件下各材料切割著火爆炸情況統(tǒng)計(jì)

材料時(shí)間/min著火爆炸情況Q235碳鋼10未著火爆炸銅合金10未著火爆炸鋁合金10未著火爆炸

經(jīng)過多次長時(shí)間測試,切割過程在油氣條件下未發(fā)現(xiàn)任何著火爆炸情況,證明油氣條件下磨料水射流應(yīng)急切割過程中產(chǎn)生的火花和材料升溫現(xiàn)象不具備安全威脅。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)磨料水射流得出在油氣條件下切割的安全實(shí)驗(yàn),分別研究了火花產(chǎn)生規(guī)律、材料升溫規(guī)律和油氣條件下切割安全規(guī)律,得出結(jié)論如下:

1)磨料水射流切割產(chǎn)生的火花較微弱,且只在切割碳鋼等部分材料時(shí)產(chǎn)生,證明磨料水射流切割產(chǎn)生的火花對油氣環(huán)境安全威脅較小。

2)由于水的降溫作用,磨料水射流切割材料升溫持續(xù)時(shí)間較短,不同材料最大升溫均在100 ℃以內(nèi),遠(yuǎn)低于油氣燃燒爆炸溫度,不具備引燃油氣環(huán)境的條件。

3)油氣條件下磨料水射流用于石油天然氣應(yīng)急搶修切割是安全可行的。

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2016-02-02

總后勤部軍需物質(zhì)油料部項(xiàng)目(YX 213 C 208);重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(CSCT 2009 BB 7177)

張滕飛(1990-),男,山東濟(jì)寧人,碩士研究生,主要從事磨料水射流切割技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.021