基于壁厚檢測的噴砂罐磨損特征及預防方法研究

惠志全 黃 思 楊俊強 黃家興 林金梅 王 戀

（1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院；2.華南理工大學機械與汽車工程學院）

噴砂機是氣體動力輸送砂粒做功的常用機械清理設(shè)備，在石油管材內(nèi)壁除銹、船舶分段表面處理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1～5］。噴砂機主要由噴砂罐和噴槍組成，其工作原理是以壓縮空氣形成高速射流將磨料砂粒從噴砂罐內(nèi)噴射到工件表面，使其機械性能發(fā)生變化以達到加工的目的。 在噴砂作業(yè)同時， 噴砂罐內(nèi)的磨料也在罐內(nèi)復雜流動，持續(xù)沖擊、磨損噴砂罐內(nèi)壁。 久而久之，噴砂罐罐壁不斷減薄，當壁厚減薄至一定程度，因無法承受罐內(nèi)的氣流高壓， 噴砂罐將發(fā)生破裂甚至爆炸，存在嚴重的安全隱患。 研究罐內(nèi)顆粒運動造成的罐壁磨損特征對改進噴砂罐的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化噴砂運行工藝和把握檢測要點具有重要意義，進而達到預防噴砂罐顆粒運動對罐壁磨損造成失效的目的。 筆者基于檢驗機構(gòu)長期對大量發(fā)生減薄的噴砂罐的壁厚減薄特征進行統(tǒng)計并分析其磨損規(guī)律，進而提出相應(yīng)的預防措施。

1 常見噴砂罐測厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計

噴砂罐工作原理如圖1 所示，通常由上、下兩倉組成，上倉存儲顆粒，下倉為噴砂罐，噴砂罐由上封頭、筒體和下封頭組成；上封頭常采用橢圓形結(jié)構(gòu)封頭；下封頭可選用錐形或橢圓形兩種結(jié)構(gòu)。

圖1 噴砂罐工作原理

為了準確、 全面了解噴砂罐的磨損特征，筆者分別選取下封頭為錐形、橢圓形兩種結(jié)構(gòu)的噴砂罐（圖2），并對其壁厚分布特征進行統(tǒng)計分析。圖2 中序號1～10 對應(yīng)為壁厚檢測點（測厚點位）分布位置，依據(jù)噴砂罐的結(jié)構(gòu)特征，將測厚區(qū)域分為上封頭、下封頭和筒體區(qū)域。 上、下封頭區(qū)域各選擇3 個測厚點位（1～3，4～6），筒體選擇4 個測厚點位（7～10）。

圖2 噴砂罐結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，對腐蝕（磨蝕）深度超過腐蝕裕量的壓力容器應(yīng)當進行強度校核［6］。 噴砂罐的腐蝕裕量通常為1mm，依據(jù)檢驗機構(gòu)對大量船舶等行業(yè)噴砂罐的定期檢驗數(shù)據(jù)，考慮噴砂罐在實際使用過程中使用的頻次和時間并不相同，故以噴砂罐罐壁壁厚第1 次壁厚減薄量超過腐蝕裕量時的壁厚作為統(tǒng)計的時間節(jié)點，研究噴砂罐在運行到該時間節(jié)點時罐壁各部位的壁厚特征及其分布規(guī)律。

分別選取8 臺下封頭為錐形和橢圓形的噴砂罐（編號1#～8#）進行測厚數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析（測厚點位分別對應(yīng)圖2a、b 中標注的點位），測定結(jié)果見表1、2。 表1 所列為下封頭是錐形、噴砂罐上、下封頭和筒體的初始壁厚依次為8、10、8mm 時噴砂罐壁厚的測定結(jié)果，從表中可以看出罐壁壁厚減薄量超過腐蝕裕量的部位主要集中在下封頭和筒體部位。

表1 下封頭為錐形時噴砂罐壁厚的測定結(jié)果

表2 下封頭為橢圓形時噴砂罐壁厚的測定結(jié)果

表2 所列為下封頭是橢圓形、噴砂罐上、下封頭和筒體的初始壁厚均為12mm 時噴砂罐壁厚的測定結(jié)果， 從表中可以看出罐壁壁厚減薄量超過腐蝕裕量的部位主要集中在上、下封頭部位。

2 噴砂罐壁厚減薄特點研究分析

2.1 錐形封頭

下封頭為錐形的噴砂罐因具有較大的流動角度可以保證顆粒順暢流出， 實現(xiàn)噴砂作業(yè)，同時錐形封頭成型加工較為容易，因而得到廣泛的應(yīng)用。 同時錐形封頭還具有受力較差，且在噴砂過程中有較長的顆粒磨損接觸過程特征。 統(tǒng)計了8 臺下封頭為錐形的噴砂罐在壁厚減薄超過設(shè)計腐蝕余量時的罐體壁厚分布情況， 如圖3 所示（壁厚減薄量為初始壁厚值減去實測壁厚值）。

圖3 下封頭為錐形噴砂罐壁厚減薄量統(tǒng)計結(jié)果

從圖3 可以看出，8 臺噴砂罐壁厚減薄量的最小值均位于上封頭 （點位1～3）， 且均不超過1mm； 壁厚減薄量較大部位主要集中在下封頭和部分筒體部位（點位4～7）。 8 臺噴砂罐下封頭壁厚壁厚測定僅有一個點位的壁厚減薄量小于1mm， 筒體壁厚減薄量較大部位主要集中在筒體上部（點位7、8）。下封頭部位為錐形，截面半徑逐漸縮小， 罐內(nèi)磨料顆粒到達截面的時間更短，速度更快，易對罐壁產(chǎn)生較大的磨損；筒體上部可能與噴砂罐內(nèi)特定的氣流方向有關(guān)，在檢測時應(yīng)重點關(guān)注。

2.2 橢圓形封頭

橢圓形封頭成型加工比錐形封頭困難，但受力特征優(yōu)于錐形封頭，因而在噴砂罐中也得到了一定的應(yīng)用。 統(tǒng)計了8 臺下封頭為橢圓形的噴砂罐在壁厚減薄超過設(shè)計腐蝕余量時的罐體壁厚分布情況，如圖4 所示（壁厚減薄量為初始壁厚值減去實測壁厚值）。

圖4 下封頭為橢圓形噴砂罐壁厚減薄量統(tǒng)計結(jié)果

從圖4 可以看出，8 臺噴砂罐壁厚減薄量最小值呈現(xiàn)分化特征，主要位于上封頭（點位2）和筒體上段（點位7），與初始壁厚相比未發(fā)生明顯的壁厚減薄。 壁厚減薄量超過腐蝕裕量部位主要集中在上、下封頭部位，8 臺噴砂罐筒體壁厚減薄量均未超過1mm。 與錐形下封頭噴砂罐相比，橢圓形下封頭噴砂罐上封頭壁厚減薄更為嚴重，但下封頭壁厚減薄情況較輕微。 說明下封頭為橢圓形的噴砂罐可以改善罐內(nèi)下封頭磨損情況，但應(yīng)關(guān)注上封頭的磨損情況。

3 噴砂罐顆粒運動磨損預防方法探討

噴砂罐內(nèi)的磨損屬于固體顆粒磨損，根據(jù)相關(guān)磨損的理論認為磨損的過程為磨粒對罐壁的沖擊和切削過程，磨損的量與顆粒的動能、速度成正比，與顆粒和罐壁的沖擊角度、顆粒的尺寸、顆粒的密度、罐壁材料的硬度等力學性能及磨損時間等成一定的函數(shù)關(guān)系，多角狀顆粒比球狀圓滑顆粒在同樣條件下會產(chǎn)生更嚴重的磨損；同時將顆粒的速度分為垂直于噴砂罐罐壁壁面的速度分量（徑向）和平行于罐壁壁面的速度分量（軸向）；徑向速度主要對罐壁表面產(chǎn)生變形磨損，軸向速度主要對罐壁表面產(chǎn)生切削磨損［7］。 噴砂罐的磨損部位主要集中在罐體入口對面一側(cè)上部、錐體初始段、罐體底部和出口管路，磨損程度由大到小的順序為底部管路、錐段、圓柱段和頂蓋［8］。 筆者基于實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了兩種結(jié)構(gòu)的噴砂罐的壁厚減薄量分布特征，為了預防噴砂罐顆粒運動磨損對噴砂罐裝置帶來的危害，可以優(yōu)化噴砂罐的結(jié)構(gòu)特征，優(yōu)化罐內(nèi)氣流和顆粒的運動情況，以降低對噴砂罐罐壁表面的沖擊。 對易發(fā)生減薄的部位可以適當增加設(shè)計壁厚安全裕量，降低磨損帶來的風險。 根據(jù)固體顆粒的磨損特征，可以選取匹配的顆粒參數(shù)（比如顆粒材料、形狀、大小、密度及硬度等）和噴砂罐材料，降低磨損速率，提高噴砂罐的安全運行水平和壽命。

4 結(jié)束語

筆者依據(jù)噴砂罐的檢測測厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，對于下封頭為錐形的噴砂罐，壁厚減薄部位主要集中在下封頭和筒體上端部位；對于下封頭為橢圓形的噴砂罐，壁厚減薄部位主要集中在上、下封頭部位；下封頭為錐形的噴砂罐其下封頭壁厚減薄較下封頭為橢圓形的更為嚴重，在檢測時應(yīng)對上述部位更加重視。 為了預防噴砂罐壁厚減薄磨損帶來的失效，可以從改善噴砂罐的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化噴砂罐內(nèi)氣流和顆粒流場分布、優(yōu)化噴砂罐磨料顆粒參數(shù)及噴砂罐材料等方面入手，提升噴砂罐長期安全運行水平。