2種磨料應(yīng)用于水射流剝離3PE防腐層的效果對比

焦光偉，張 沖，祁志江，王 慶

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系， 重慶 401331; 2.中國石化管道儲運有限公司搶維修中心， 江蘇 徐州 221000)

2種磨料應(yīng)用于水射流剝離3PE防腐層的效果對比

焦光偉1，張 沖1，祁志江2，王 慶2

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系， 重慶 401331; 2.中國石化管道儲運有限公司搶維修中心， 江蘇 徐州 221000)

3PE防腐層的剝離是管道搶維修作業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，采用后混式磨料水射流剝離3PE防腐層相比傳統(tǒng)方法和前混式磨料水射流具有一定優(yōu)勢。在后混式磨料水射流剝離3PE防腐層實驗中，對2種磨料的剝離效果和剝離效率進行對比研究，結(jié)果表明：磨料選用金剛砂時，比建筑砂剝離效率提升較多； 但金剛砂在壓力過大或靶距過小時會對鋼管表面產(chǎn)生損傷，而建筑砂卻不會損傷鋼管； 普通搶維修作業(yè)時，采用金剛砂成本不高。清除面積較大時，應(yīng)根據(jù)效率要求結(jié)合磨料成本選擇合適的磨料。

后混式磨料水射流； 3PE防腐層； 磨料

當(dāng)前石油與天然氣埋地管道多用三層聚乙烯(3PE)防腐層進行外防腐，當(dāng)油氣管道發(fā)生事故或自然老化需要搶維修時，需要將泄漏點周圍涂覆的外防腐層徹底去除，才能進行焊接和補漏作業(yè)[1]。因此在搶維修中，3PE防腐層的剝離效率是影響搶修效率的重要因素。

目前，國內(nèi)外在管道搶修作業(yè)3PE防腐層的剝離環(huán)節(jié)中，多采用火燒法[2]、打磨法[3]、氣鏟捶打法[4]、紅外線加熱法或熱熔PE去除機法[5]等。但上述方法普遍效率不高，清除不徹底，往往還要再使用人力用手工刀具刮除。國外在管道不停輸外修復(fù)剝離舊防腐層過程中除了采用人工刮除、機械刀具等手段，還提出了水射流剝離管道外防腐層的方法[6]。但是年代久遠，當(dāng)時射流技術(shù)不發(fā)達，機器笨重且昂貴，實際應(yīng)用比較困難，到目前為止尚未普及。后混式磨料水射流是由水泵為水加壓，經(jīng)過高壓管路和噴嘴，在加砂噴嘴組件與磨料混合后通過磨料噴嘴形成的一股高速聚集射流[7]。水和磨料的混合射流束攜帶了大量動能，加上磨料自身顆粒小、硬度大、具有很強的切削能力，在切割硬質(zhì)物體上具有不錯的效果[8]。尤其是磨料水射流在作業(yè)時不會造成局部升溫，不會產(chǎn)生明火，與傳統(tǒng)方法相比具有很大優(yōu)勢，因此應(yīng)用在剝離3PE防腐層上具有很大潛力[9-10]。目前，在水射流切割領(lǐng)域多用前混式磨料水射流，因其切割能力強，所需壓力小，能量轉(zhuǎn)換率高，比后混式磨料水射流在切割材料上更高效[11-12]。但是，根據(jù)文獻[13]研究發(fā)現(xiàn)：前混式磨料水射流在剝離3PE防腐層時不易控制，很容易損傷鋼管表面，而且在使用中噴嘴易磨碎或堵塞[14]，因此不適用于3PE防腐層剝離。而后混式磨料水射流在清洗作業(yè)中應(yīng)用廣泛，其能量轉(zhuǎn)換率低因而磨料攜帶動能小、射流打擊力小且適應(yīng)力強，同一裝置可以換用不同磨料進行剝離。目前后混式磨料水射流多用金剛砂和建筑砂作為磨料，其中金剛砂硬度大、密度大、顆粒粒徑小，而建筑砂密度小、硬度小、顆粒粒徑大，但是金剛砂的價格是建筑砂的幾十倍。本文針對使用后混式磨料水射流剝離3PE防腐層時采用不同的2種磨料的剝離效率和效果進行了對比研究與分析。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

實驗裝置為HPW-DK35.21C后混式磨料水射流清洗裝置，主要部件包括水箱、進水單向閥、三柱塞往復(fù)泵、出水單向閥、調(diào)壓閥、壓力表、噴槍以及磨料容器。其結(jié)構(gòu)工藝如圖1所示。

1.水箱； 2.進水單向閥； 3.三柱塞往復(fù)泵； 4.出水單向閥； 5.調(diào)壓裝置； 6.壓力表； 7.噴槍； 8.磨料容器

結(jié)合圖1，可知其工作原理：當(dāng)電源接通后，電動機帶動高壓泵軸轉(zhuǎn)動，泵軸通過曲柄連桿機構(gòu)使得柱塞做往復(fù)運動。當(dāng)柱塞向后拉時缸體的泵腔容積增加，進水單向閥打開，出水單向閥關(guān)閉，水通過進水管進入缸體。當(dāng)柱塞向前推動時，泵腔容積減少，缸體內(nèi)部壓力增大，進水單向閥關(guān)閉，出水單向閥打開，水經(jīng)過加壓后通過出水管流出，并通過調(diào)壓裝置調(diào)節(jié)壓力。其中，調(diào)壓裝置包括調(diào)壓閥和安全閥通過限流原理來調(diào)節(jié)出口管路壓力，安全閥在管路壓力過高時會及時泄壓防止事故發(fā)生。高壓水經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)后進入噴射裝置，通過水噴嘴后加速并在混合腔同吸入的磨料進行混合，通過磨料噴嘴噴出。噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸和外觀如圖2所示。

圖2 噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸和外觀

此次實驗用管材選取Φ406×5 L485天然氣管道，截取其中0.5 m進行實驗。如圖3所示。

圖3 實驗用管材

該管材外部涂覆了普通級3PE防腐層，總厚度為2.2 mm，其中最外層PE層厚度為1.9 mm，底層FBE層厚度為120 μm，符合國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[15-16]，適合進行實驗。

如圖4所示，使用的磨料為金剛砂和普通建筑砂2種，其粒度分別為80目和60目，莫氏硬度分別為9和6，密度分別為 3 900 kg/m3和 1 750 kg/m3。由于物理性質(zhì)的不同，金剛砂相比建筑砂切削能力更強，顆粒粒徑更小，同時含雜質(zhì)也少，但是價格卻是建筑砂的十幾倍。建筑砂雖然雜質(zhì)多但由于該設(shè)備主要功能為清洗，噴嘴口徑較大，磨料顆粒粒度相比噴嘴口徑要小很多，因而并不會出現(xiàn)噴嘴堵塞，影響實驗正常進行，同時操作也比前混式水射流切割安全。此外，由于不同壓力下產(chǎn)生的真空度不相同，因而磨料質(zhì)量流量與泵壓相關(guān)，隨泵壓增大而增大。

圖4 2種磨料的外觀

1.2 實驗方法

[17-20]中設(shè)置，結(jié)合實際條件和需要，確定以下3個實驗因素：射流壓力、靶距、入射角。其中射流壓力通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)，靶距和入射角通過實驗臺架控制。實驗臺架如圖5所示。

圖5 實驗臺架

根據(jù)文獻[13]中研究，選定各因素參數(shù)，如表1所示。

將實驗設(shè)備連接完備，固定好實驗管材，人員做好安全防護，進行實驗：

1) 根據(jù)因素水平參數(shù)預(yù)設(shè)。根據(jù)表1制定的參數(shù)組合方案設(shè)置參數(shù)，將噴槍夾持在夾具上并調(diào)整靶距和入射角。

2) 開機，調(diào)節(jié)壓力參數(shù)到方案要求的數(shù)值并穩(wěn)定。

3) 開槍并推動滑塊移動，觀察防腐層剝離效果，控制滑塊的移動速度能夠使射流沖擊處的防腐層能夠剛好完全剝離，以20 s為一次實驗的時間，20 s時停止移動并關(guān)槍。噴槍移動方向和射流在水平方向的分速度一致。

4) 轉(zhuǎn)動鋼管，重新改變參數(shù)進行下一組實驗。

表1 因素水平

2 實驗結(jié)果分析

分別使用2種磨料在幾個參數(shù)組合下進行了8組實驗，測量剝離防腐層的面積，計算其剝離效率，對比其剝離效率和剝離效果，其結(jié)果如圖6和表1所示。

圖6 實驗后管道表面

編號壓力P/MPa靶距H/mm入射角θ/(°)金剛砂剝離效率/(cm2·s-1)金剛砂剝離效果建筑砂剝離效率/(cm2·s-1)建筑砂剝離效果135100302．541效果明顯2．384效果明顯235100453．004效果明顯2．433效果明顯33550302．419損傷鋼管2．121效果明顯43550452．883損傷鋼管2．182效果明顯530100302．171效果明顯1．999效果明顯630100452．299效果明顯2．134效果明顯73050301．958效果明顯1．812效果明顯83050452．047效果明顯1．851效果明顯

由表2實驗結(jié)果可知：1)無論磨料種類，剝離效率隨壓力升高而增大，靶距H=100 mm時剝離效率較高，入射角θ=45°時剝離效率較高； 2)同樣的參數(shù)組合，使用金剛砂為磨料的剝離效率要比建筑砂剝離效率高，平均高出14%； 3)金剛砂在35 MPa壓力下，靶距H=50 mm時會對鋼管造成損傷，而當(dāng)靶距H=100 mm時剝離效果明顯，同時不會損傷鋼管，建筑砂在所有參數(shù)組合下均對鋼管沒有明顯損傷。2種剝離效果如圖7所示。

根據(jù)實驗結(jié)果，當(dāng)采用金剛砂作為磨料時，磨料水射流的沖擊力增強，清洗剝離能力進一步提升。金剛砂在硬度上較建筑砂大，同時顆粒粒徑又較小。在對防腐層進行剝離時破碎能力更強，更容易使防腐層發(fā)生斷裂損傷。同時，底層FBE層的剝離較多地依靠磨料的磨損作用，金剛砂硬度和鋒利程度的提升使得FBE層的去除更加容易。但是磨料破壞能力的增強會使鋼管表面受到不同程度的損害，必須控制在可接受范圍內(nèi)，因此使用金剛砂磨料時就要限制靶距不能太近，同時當(dāng)鋼管表面露出時應(yīng)盡量減少在其表面的停留時間。由于金剛砂的制作工藝問題，金剛砂較建筑砂的價格劣勢也較明顯，目前金剛砂市價在3 000元/噸左右，而建筑砂只有100元/噸左右，建筑砂的價格優(yōu)勢明顯。

圖7 2種剝離效果

在第2組參數(shù)組合下清除相同面積的防腐層時，使用金剛砂和建筑砂的剝離時間關(guān)系為t金剛砂=0.8t建筑砂。假設(shè)2種磨料在相同工況下的相同時間消耗相同，則所需成本之比為S金剛砂=24S建筑砂。根據(jù)文獻[16]規(guī)范中規(guī)定，管道修復(fù)要求清除缺陷100 mm范圍內(nèi)防腐層。經(jīng)過計算使用金剛砂所需時間比使用建筑砂少8 s，當(dāng)磨料質(zhì)量流量達到1 kg/min時，使用金剛砂成本比建筑砂成本高0.95元。基本可忽略不計。但如果要求清除面積較大時，應(yīng)結(jié)合工程實際需要選用合適磨料。

3 結(jié)論

在后混式磨料水射流剝離3PE防腐層實驗中使用2種磨料，對實驗結(jié)果進行對比可以得出：

1) 使用金剛砂作為磨料可以有效提升后混式磨料水射流剝離3PE防腐層的剝離效率；

2) 當(dāng)壓力過大或靶距過小時，金剛砂會對鋼管表面產(chǎn)生損傷而建筑砂不會損傷鋼管；

3) 普通搶維修作業(yè)時，采用金剛砂可提高施工效率，同時成本不高。清除面積較大時，應(yīng)根據(jù)效率要求結(jié)合磨料成本選擇合適的磨料。

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ComparisonofTwoKindsofAbrasivesIn3PEAnticorrosiveCoatingStrippingExperimentConductedByPost-MixedAbrasiveWaterJet

JIAO Guangwei1, ZHANG Chong1, Qi Zhijiang2,WANG Qing2

(1.Department of Logistics Information & Logistics Engineering, Logistic Engineering University, Chongqing 401331, China; 2.Emergency Repair Center of China Petrochemical Pipeline Storage and Transportation Co., Ltd.，Xuzhou 221000，China)

3PE anticorrosive coating stripping is pivotal in emergency maintenance of pipelines. Using post-mixed abrasive water jet is more efficient than traditional methods and pre-mixed abrasive water jet. An experiment about striping the 3PE coatings was conducted by post-mixed abrasive water jet, and the stripping efficiency and effect of the two kinds of abrasives were compared. Results show that using emery can promote the stripping efficiency but the pipeline will be hurt when the pressure is too high or the standoff distance is too short. And the building sand will never hurt the pipeline. In normal maintenance work, using emery will cost not so much, but when the stripping area is big, demands and cost should both be taken into consideration.

post-mixed abrasive water; 3PE anticorrosive coating; abrasive

2017-06-09

中國石油化工項目(G8603-12-2S-0057)

焦光偉(1963—)，男，教授，主要從事油氣儲運工程、應(yīng)急保障技術(shù)與裝備研究，E-mail ostla@163.com。

焦光偉，張沖，祁志江，等.2種磨料應(yīng)用于水射流剝離3PE防腐層的效果對比[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(12):94-98,129.

formatJIAO Guangwei, ZHANG Chong, Qi Zhijiang, et al.Comparison of Two Kinds of Abrasives In 3PE Anticorrosive Coating Stripping Experiment Conducted By Post-Mixed Abrasive Water Jet[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):94-98,129.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.016

TP69

A

1674-8425(2017)12-0094-05

(責(zé)任編輯陳 艷)