油氣條件下磨料水射流切割安全實驗研究

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驗研究

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院軍事供油工程系,重慶 401311

針對磨料水射流切割技術在石油天然氣工業(yè)應急搶修中的應用,設計實驗觀察火花的產生規(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。實驗結果表明，磨料水射流切割產生火花比較微弱,且只在切割碳鋼等部分材料時產生;材料升溫持續(xù)時間短,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引燃引爆油氣。磨料水射流切割用于油氣條件下的應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)中的不當切割方法會引發(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基礎上發(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,驅動具有一定硬度和鋒利度的磨料粒子高速運動,形成混合射流對材料進行切割。對碳鋼等材料進行磨料水射流切割,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]。

很多學者通過理論計算[12]和試驗驗證[13]等方法對磨料水射流切割安全進行了研究,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。本文主要通過實驗定量檢測材料升溫大小,認識摩擦火花產生規(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)應急搶修切割作業(yè)提供安全指導。

1 實驗設計

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗選用HSQ 4020 S五軸龍門水切割機作為磨料水射流切割設備,原理為后混式磨料水射流,磨料采用自吸方式。實驗采用國內外應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行切割;采用PT 100鉑熱電阻溫度傳感器和電子式數顯溫控儀(溫控器溫度0～1 300 ℃)進行材料升溫溫度的采集;利用自制油氣產生設備(包括小型氣泵和汽油桶)營造危險油氣泄漏環(huán)境以測試切割安全性。實驗系統(tǒng)結構見圖1。

圖1 實驗系統(tǒng)結構

1.2 實驗方案

油氣條件下磨料水射流切割安全實驗是個整體實驗,包括三個模塊：火花產生規(guī)律實驗、材料升溫表面溫度檢測實驗以及油氣條件下安全切割測試實驗。按照圖1安排實驗臺架,依次進行三個模塊的實驗內容。

2 實驗結果

2.1 觀察火花產生規(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生火花[14]。磨料本身實質是巖石碎屑,磨料水射流切割過程中火花的產生,主要是由于磨料與被切割工件的摩擦,本質是巖石與金屬之間相互碰撞和摩擦。為正確認識磨料水射流切割火花產生規(guī)律,利用高壓磨料水射流切割設備對多種材料進行切割實驗,使用磨料為石榴石磨料,可以改變的工藝參數包括切割橫移速度、磨料粒徑、混砂管直徑、泵壓、靶距等。經過大量實驗發(fā)現磨料水射流切割產生火花規(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。火花產生情況見圖2。

3)工件只有在被切穿的情況下才會觀察到明顯的火花,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、靶距等參數對火花的產生情況影響不大。

圖2 磨料水射流切割不同材料產生的火花

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

2.2 檢測材料升溫情況

在石油天然氣工業(yè)應急搶修切割領域,可燃油品或可燃氣體受到來自容器或者輸油管道壁面的熱量傳遞會增加燃燒甚至爆炸的危險程度。磨料水射流切割過程中存在材料溫度升高的現象,對油氣條件下磨料水射流切割安全產生威脅。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。

實驗利用PT 100鉑熱電阻溫度傳感器和電子數顯溫控儀進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,電子數顯溫控儀可以及時顯示環(huán)境溫度。

圖3 溫度測量系統(tǒng)

PT 100是一種鉑熱電阻,因為電阻值具有隨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,具體關系為:當溫度0 ℃時PT 100阻值100 Ω,溫度100 ℃時PT 100阻值138.5 Ω,阻值隨溫度上升而勻速增長,溫度和電阻值的關系如下:

Rt=Rt0[1+α(t-t0)]

(1)

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

電子數顯溫控儀采用國內佳敏XMTD-3002數顯溫控儀,能夠實時顯示溫度變化,具有精度高、顯示及時的特點,主要的性能參數見表1。

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

表1 電子數顯溫控儀性能參數

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,最后恢復到開始時溫度,整個升溫過程持續(xù)時間約40 s。實驗中觀察到當磨料水射流切割位置距離傳感器探頭越近,溫度越高。實驗測得各種材料切割過程溫度隨時間變化規(guī)律一致,各種材料切割過程中出現的最高溫度見表2。

表2 各材料出現的最高溫度

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,切割過程中產生的最高溫度均不會超過100 ℃,與應用前混磨料水射流切割及應用脈沖磨料水射流切割過程中的材料升溫測試結果[17-18]相似,此溫度遠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。

根據杜楊等人[19]的研究,受限空間內,熱壁溫度高于773 K時,油氣混合物出現熱著火現象,著火方式以熱爆燃為主;溫度低于773 K時,沒有發(fā)現著火現象。切割過程中工件溫度升高遠小于油氣條件下熱壁點燃溫度,且持續(xù)時間較短,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

通過觀察火花產生情況得知,金屬材料只有在被切穿的情況下才產生火花,且火花存在于材料板上下兩面。切割材料的表面溫度會升高,與火花一起構成油氣條件下的切割安全威脅。通過觀察火花的產生以及檢測表面的溫度,發(fā)現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。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 自制油氣產生設備

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

2)當第一種方法不足以使周圍油氣濃度達到爆炸范圍的情況下,直接潑灑汽油使油氣濃度快速升高。

為了更真實地還原危險油氣條件下的切割環(huán)境,考慮到此設備采用自吸式磨料供給方式,混合腔吸入的空氣會有汽油揮發(fā)氣體,實驗設計油氣氣體一路通到磨料罐內,使磨料罐內充滿油氣。實驗見表3。

表3 油氣條件下各材料切割著火爆炸情況統(tǒng)計

材料時間/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

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

3 結論

本文設計磨料水射流得出在油氣條件下切割的安全實驗,分別研究了火花產生規(guī)律、材料升溫規(guī)律和油氣條件下切割安全規(guī)律,得出結論如下:

1)磨料水射流切割產生的火花較微弱,且只在切割碳鋼等部分材料時產生,證明磨料水射流切割產生的火花對油氣環(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)時間較短,不同材料最大升溫均在100 ℃以內,遠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急搶修切割是安全可行的。

[1] 楊槐青,郭建新.加油(氣)站安全技術與管理[M].北京:中國石化出版社,2002.

Yang Huaiqing,Guo Jianxin.Oil(gas) Station Security Technology and Management[M].Beijing:China Petrochemical Press,2002.

[2] 張英華,黃志安.燃燒與爆炸學[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2010:5.

Zhang Yinghua,Huang Zhian.Combustion and Explosion[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2010:5.

[3] 姬忠實.黃島爆燃事故處置不力[J].環(huán)球市場信息導報,2014,2(5):44-45.Ji Zhongshi.Huang Island Deflagration Accident Disposal[J].Global Market Information Review,2014,2(5):44-45.

[4] 宋擁政,溫效康,梁志強.磨料水射流切割與激光切割、等離子切割的比較分析[J].中國機械工程,1994,5(5):8-10.

Song Yongzheng,Wen Xiaokang,Liang Zhiqiang.Comparative Analysis Abrasive Water Jet Cutting with Laser Cutting and Plasma Cutting[J].China Mechanical Engineering,1994,5(5):8-10.

[5] 張福煬,廖 昕,倫曉梅,等.高壓水射流切割發(fā)射藥模型及試驗研究[J].含能材料,2014,22(2):245-250.

Zhang Fuyang,Liao Xin,Lun Xiaomei,et al.Test Study and High Pressure Water Jet Cutting Model of Propellant[J].Energetic Materials,2014,22(2):245-250.

[6] 張 沙,龔烈航,王穩(wěn)華.前混合磨料水射流切割金屬火雷管研究[J].潤滑與密封,2011,36(2):72-75,80.

Zhang Sha,Gong Liehang,Wang Wenhua.Research on Cutting Metal Flash Detonator by Pre-Mixed Abrasive Water Jet[J].Lubrication Engineering,2011,36(2):72-75,80.

[7] 張冀峰,張慶明,田保中.脈沖水射流沖擊起爆氯酸鉀炸藥試驗研究[J].北京理工大學學報,2008,28(9):753-755.

Zhang Jifeng,Zhang Qingming,Tian Baozhong.Experiment Study of Pulse Current of Impacting and Detonating on Potassium Chlorate Explosives[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2008,28(9):753-755.

[8] 劉 浪,楊春敏,韓東太,等.煤礦井下危險環(huán)境磨料水射流切割技術探討[J].煤礦機械,2003,24(4):29-31.

Liu Lang,Yang Chunmin,Han Dongtai,et al.Discussion on Abrasive Water Jet Cutting in Dangerous Environment of Coal Mine[J].Coal Mine Machinery,2003,24(4):29-31.

[9] 劉芳彬,聶百勝,蘭日昌,等.煤礦井下用磨料水射流切割裝置設計及試驗研究[J].煤礦機械,2008,29(6):43-45.

Liu Fangbin,Nie Baisheng,Lan Richang,et al.Design and Testing Research on Abrasive Water Jet Cutting Device Used in Mine[J].Coal Mine Machinery,2008,29(6):43-45.

[10] 馬 明,趙 弘,蘇 鑫,等.油氣管道封堵?lián)屝藜夹g發(fā)展現狀與展望[J].石油機械,2014,42(6):109-112,118.

Ma Ming,Zhao Hong,Su Xin,et al.The Current Development Status and Prospect of Oil and Gas Pipeline Plugging and Emergency Repair Technology[J].China Petroleum Machinery,2014,42(6):109-112,118.

[11] 童勝寶,王春暉,范原博.磨料射流在輸油氣管道切割中的應用[J].油氣儲運,2013,32(1):55-58.Tong Shengbao,Wang Chunhui,Fan Yuanbo.Application of Abrasive Water Jet in Oil and Gas Pipeline Cutting[J].Oil and Gas Storage and Transportation,2013,32(1):55-58.

[12] 夏 爽,郭楚文,吳楠楠.煤礦井下磨料水射流切割剩余能量的研究[J].煤炭工程,2010,12(3):77-79.

Xia Shuang,Guo Chuwen,Wu Nannan.Research on Residual Energy of Abrasive Water Jet Cutting in Under Ground Mine[J].Coal Engineering,2010,12(3):77-79.

[13] Zeng R,Du C,Xu R,et al.Portable Mixed Abrasive Water Jet Equipment for Rescue in High Gas Mine Shaft[J].Journal of Coal Science and Engineering(China),2011,17(2):207-211.

[14] 王玉成.煤礦用金屬材料撞擊摩擦火花安全性的研究[D].北京:煤炭科學研究總院,2008.

Wang Yucheng.Safety Research of Sparks by Coal Mine Metal Material Impact[D].Beijing:China Coal Research Institute,2008.

[15] 龔允怡,朱海林.金屬摩擦火花特性的攝影研究[J].自然科學進展,1993,3(2):163-169.

Gong Yunyi,Zhu Hailin.Photography Research of the Characteristic of Metal Friction Spark[J].Progress in Natural Science,1993,3(2):163-169.

[16] 龔允怡,馮 骉,朱海林.不同物質組合摩擦火花引燃特性的研究[J].火災科學,1993,2(1):44-50.

Gong Yunyi,Feng Biao,Zhu Hailin.Friction Spark Ignition Characteristics of the Different Material Combinations Study[J].Fire Safety Science,1993,2(1):44-50.[17] 王 暉.自振脈沖磨料水射流安全切割實驗及應用研究[D].北京:中國礦業(yè)大學,2012.

Wang Hui.Experiment and Application Study of Self-Vibration Pulsed Abrasive Water Jet Safety Cutting[D].Beijing:Journal of China University of Mining & Technology,2012.

[18] 李寶玉.易燃易爆環(huán)境下安全切割裝置的研制[J].流體機械,2005,33(2):42-44.

Li Baoyu.Safety Cutting Device Development in Inflammable and Explosive Environment[J].Fluid Mechinery,2005,33(2):42-44.

[19] 杜 揚,歐益宏,吳 英,等.熱壁條件下油氣的熱著火現象[J].爆炸與沖擊,2009,29(3):268-274.

Du Yang,Ou Yihong,Wu Ying,et al.Thermal Ignition Phenomenon of Gasoline-Air Mixture Induced by Hot Wall[J].Explosion and Shock,2009,29(3):268 -274.

[20] 張 躍.93#汽油蒸汽的爆炸特性及其抑制實驗研究[D].太原:中北大學,2014.

Zhang Yue.93# Gasoline Vapor Explosion Characteristics and Its Inhibition Experiment Research[D].Taiyuan:North University of China,2014.

2016-02-02

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

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

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.021