劉玉香
(中石化齊魯石化分公司,山東 淄博 255411)
高壓水射流洗車設(shè)施由高壓水射流清洗系統(tǒng)、清洗機(jī)等組成。本研究以苯類、醇類、劇毒類槽車為清洗對(duì)象。首先用蒸汽將1#工業(yè)水進(jìn)行加熱,在經(jīng)過(guò)高壓泵加壓后,經(jīng)高壓水射流清洗管路系統(tǒng)供給三維洗罐器,從三維洗罐器的噴嘴噴射到鐵路罐車內(nèi)壁上,對(duì)罐車內(nèi)壁進(jìn)行清洗。如何優(yōu)化三維洗罐器噴嘴的結(jié)構(gòu)和重要參數(shù),是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的過(guò)程中,找到延長(zhǎng)其使用壽命和耐磨性的方法,從而節(jié)約清洗成本。在實(shí)際應(yīng)用中,受到工作環(huán)境的影響以及過(guò)濾精度的限制,高速水射流對(duì)噴嘴造成的磨損是比較嚴(yán)重的,容易縮短噴嘴壽命。且頻繁更換噴嘴既降低了生產(chǎn)效率,又增加了生產(chǎn)成本。因此,對(duì)噴嘴磨損問(wèn)題展開研究,并提出行之有效的解決策略,具有重要意義。
高壓清洗機(jī)(見圖1)通過(guò)動(dòng)力裝置使高壓柱塞泵產(chǎn)生高壓水,并用其沖洗物體表面的設(shè)備。三維洗罐器安裝在高壓清洗機(jī)的彎管下端,高壓清洗機(jī)通過(guò)連接架安裝在三維定位機(jī)上。當(dāng)需要清洗罐車時(shí),移動(dòng)三維定位機(jī),將高壓清洗機(jī)的底盤對(duì)準(zhǔn)罐口,并慢慢下降,直至其準(zhǔn)確地落在罐口上,三維洗罐器隨之進(jìn)入罐口。
圖1 高壓清洗機(jī)結(jié)構(gòu)圖
清洗時(shí),旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)使旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)90°。進(jìn)退電機(jī)通過(guò)鋼絲繩拉動(dòng)彎管伸進(jìn),將掛在彎管端頭的三維洗罐器送入罐車一端深處。當(dāng)高壓水從三維洗罐器上兩偏心設(shè)置的噴嘴噴出時(shí)形成力偶,從而帶動(dòng)噴嘴旋轉(zhuǎn)。通過(guò)固定在噴嘴軸上的齒輪傳動(dòng)使三維洗罐器殼體做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),因此,噴出的水柱能在罐車內(nèi)包絡(luò)各個(gè)方向。
噴嘴磨損是由雜質(zhì)粒子與噴嘴壁面碰撞導(dǎo)致的。在碰撞過(guò)程中,粒子運(yùn)動(dòng)方向可分為垂直于壁面的方向,以及與壁面相切的方向。假設(shè)雜質(zhì)粒子為剛性小球,那么其垂直于噴嘴表面,并以一定的速度進(jìn)行垂直沖撞,沖撞將導(dǎo)致壁面出現(xiàn)變形,最終導(dǎo)致磨料顆粒在噴嘴表面碰撞。
1.2.1 噴嘴內(nèi)表面粗糙度。噴嘴的磨損是由高速水射流與噴嘴內(nèi)壁發(fā)生碰撞造成的。在噴嘴射流時(shí),雜質(zhì)粒子必然對(duì)噴嘴產(chǎn)生磨損,這種磨損是沖蝕磨損,包括微切削、應(yīng)力疲勞、脆性斷裂三種類型。在硬度高的材料中,雜質(zhì)粒子顆粒對(duì)微切削易造成磨蝕,容易產(chǎn)生應(yīng)力斷裂和脆性斷裂[1]。
1.2.2 材料制造缺陷。在內(nèi)表面凸起的噴嘴結(jié)構(gòu)中,由于其粗糙表面容易對(duì)射流產(chǎn)生較大阻力,導(dǎo)致雜質(zhì)粒子對(duì)凸起的部位進(jìn)行沖擊,容易產(chǎn)生裂紋。因此,需要很高的加工精度,才能起到降低磨損、延長(zhǎng)噴嘴壽命的作用。
1.2.3 偏析影響。在磨損發(fā)生時(shí),如何保證射流形狀和特性,可根據(jù)噴嘴噴孔結(jié)構(gòu)來(lái)加厚噴孔頸部的邊緣厚度,從而增強(qiáng)噴口抗雜質(zhì)粒子沖擊的能力。在保證噴孔內(nèi)側(cè)和外側(cè)形狀不變的前提下,使噴孔內(nèi)側(cè)在受到?jīng)_蝕磨損時(shí),保持射流特性,能有效提高噴孔頸部的耐磨性。
1.2.4 噴嘴材料性能。在選擇水射流清洗噴嘴材料時(shí),比較常用材料有金屬、硬質(zhì)合金和陶瓷材料。金屬材料主要有鑄鐵和剛性材料,應(yīng)用較多的是特種噴嘴。相對(duì)早期的噴嘴,金屬材料的噴嘴對(duì)雜質(zhì)粒子有較強(qiáng)的抗擊能力,但金屬材料的噴嘴使用壽命比較短,因此需要不斷完善技術(shù)工藝。硬質(zhì)合金材料的性能介于金屬材料和陶瓷材料之間。在硬度方面,硬質(zhì)合金材料高于金屬材料,在韌性方面,硬質(zhì)合金材料高于陶瓷材料。高壓扇形噴嘴可選用硬質(zhì)合金鋼材料。在特定環(huán)境中,硬質(zhì)合金噴嘴的硬度高、耐磨性好;陶瓷材料的硬度高,但韌性最差。磨料射流噴嘴多采用陶瓷材料,可滿足磨料射流噴嘴的抗沖蝕要求,在沖蝕磨損嚴(yán)重的場(chǎng)景中,陶瓷是比較理想的材料。但陶瓷噴嘴的可加工性差,加工工藝也比較復(fù)雜。近年來(lái),納米材料的出現(xiàn),使得陶瓷材料的噴嘴獲得更廣泛的應(yīng)用。納米材料改善了陶瓷材料的韌性、耐磨性。
1.2.5 磨料水壓力。在水射流清洗時(shí),由于噴嘴材料的不同,導(dǎo)致其抗擊壓力也有所不同。例如,高壓水射流的噴嘴選用高硬度的材料時(shí),扇形噴嘴的出口處邊緣比較薄,使得抗沖擊能力比較弱,在高壓水射流和雜質(zhì)顆粒的作用下,噴嘴磨損非常快,且容易出現(xiàn)脆性斷裂[2]。
1.2.6 水質(zhì)原因。目前,4 套自動(dòng)化洗車系統(tǒng)的供水都由同一個(gè)30 m3的熱水罐提供,當(dāng)進(jìn)行連續(xù)性洗車作業(yè)時(shí),系統(tǒng)要自動(dòng)供水及加熱才能保證自動(dòng)化洗車作業(yè)的正常進(jìn)行。運(yùn)行一段時(shí)間后,發(fā)現(xiàn)前置過(guò)濾器出現(xiàn)堵塞,并導(dǎo)致高壓泵出現(xiàn)異常,使噴嘴在運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)震動(dòng)且噪聲大,甚至損壞噴頭。
1.2.7 現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備存在缺陷。熱水罐防腐效果不佳,導(dǎo)致水中含有大量的鐵銹。熱水罐供水管路的進(jìn)水口位于熱水罐底部,供水時(shí)會(huì)將罐底的沉積物沖起,與熱水罐中的清水混合,影響供水質(zhì)量。熱水罐的蒸汽加熱管線敷設(shè)于熱水罐底部,且加熱管線蒸汽出口過(guò)大,每次加熱清洗時(shí),蒸汽對(duì)罐底產(chǎn)生較大的沖擊,將罐底的沉積物沖起,與罐內(nèi)清水混合,影響供水質(zhì)量。熱水罐的出水口位于罐底,因此當(dāng)混有雜質(zhì)的熱水直接供給高壓噴嘴時(shí),會(huì)造成高壓噴嘴堵塞,直接影響噴嘴的使用效果及其使用壽命。
1.3.1 磨料磨損。微切削磨損(見圖2)一般是雜質(zhì)粒子對(duì)沖蝕材料表面產(chǎn)生的顆粒切削。在噴嘴中間段易發(fā)生微切削磨損,即噴嘴壁面上的粒子發(fā)生反彈,并沿著表面軸向方向運(yùn)動(dòng)。
圖2 微切削磨損模型圖
1.3.2 疲勞磨損。應(yīng)力疲勞磨損是噴嘴材料在發(fā)生較大角度形變時(shí),由于噴嘴材料比較硬,使得粒子在噴嘴表面上發(fā)生滾動(dòng)、壓入和犁皺,導(dǎo)致表面材料產(chǎn)生很大變形。在雜質(zhì)粒子反復(fù)作用下,壁面會(huì)不斷受到?jīng)_擊,裂紋發(fā)生擴(kuò)展,在超過(guò)極限后產(chǎn)生脫落現(xiàn)象。微觀組織的表面在周期性荷載作用下,產(chǎn)生疲勞磨損和顆粒磨損。
1.3.3 擴(kuò)散磨損。由于雜質(zhì)粒子在材料表面產(chǎn)生應(yīng)力狀態(tài)作用,大多數(shù)材料在發(fā)生塑性變形后,硬性較高的材料會(huì)發(fā)生斷裂,脆性材料則產(chǎn)生壓痕。壓頭形狀和材料的韌性受到影響,在雜質(zhì)顆粒的影響下,材料表面產(chǎn)生橫向和徑向裂紋。高壓水射流在對(duì)裂紋不斷沖擊時(shí),會(huì)夾雜著粒子沖擊,裂紋不斷碎片化,最終導(dǎo)致裂紋相交,使材料發(fā)生斷裂。如果斷裂正好發(fā)生在噴嘴的出口處,由于噴孔邊緣材料薄弱,導(dǎo)致噴嘴的抗沖擊能力進(jìn)一步減弱,裂紋繼續(xù)擴(kuò)展到噴孔的外表面,最終發(fā)生脆性斷裂[4]。
影響噴嘴磨損的因素有很多,主要有粒子的運(yùn)動(dòng)速度、沖蝕角度、粒子噴嘴的角度、粒子大小硬度、被沖蝕材料的韌性、雜質(zhì)粒子的含量等??赏ㄟ^(guò)一些措施來(lái)降低磨損,延長(zhǎng)噴嘴的使用壽命。
扇形噴嘴出口的周邊多為刃狀(見圖3),這種結(jié)構(gòu)對(duì)粒子的抗沖擊能力比較低。在受到高壓水射流和雜質(zhì)顆粒沖擊時(shí),容易受到磨損,并產(chǎn)生橫向和徑向裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)展,最終出現(xiàn)碎片或斷裂。通過(guò)對(duì)噴孔邊緣進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)存在很多脆性斷裂的豁口,容易造成射流分布不均勻、清洗質(zhì)量下降等,嚴(yán)重時(shí)要更換噴嘴[3]。
圖3 扇形噴嘴圖示
扇形噴口嘴喇叭口式的設(shè)計(jì)在材料的選擇上增加材料的耐磨性,改變脆性材料的磨損體積與材料硬度,將耐磨性與材料的硬度提升到可以抗擊雜質(zhì)粒子的程度。微切削硬度和材料脆性斷裂率隨著材料韌性的提高而降低,從而提高噴嘴的耐磨性。
在選取噴嘴材料時(shí),采用粉末冶金、電火花等工藝來(lái)完成。使用機(jī)床、專用夾具、去離子水冷卻排屑的方式,將內(nèi)徑為1.2 mm 的噴嘴塑造成抗沖擊力強(qiáng)的噴嘴。提高過(guò)濾精度,可減少雜質(zhì)粒子的含量,降低射流中雜質(zhì)粒子的尺度。提高過(guò)濾精度需要慎重選擇系統(tǒng)的壓力等級(jí)。在噴嘴的入口處加裝穩(wěn)流器,降低噴嘴內(nèi)雜質(zhì)粒子的橫向速度,使其處于層流狀態(tài),來(lái)降低粒子的橫向沖擊,從而減小磨損。
對(duì)835 熱水罐進(jìn)行清罐處理,檢查防腐層,內(nèi)部進(jìn)行噴砂處理,以便達(dá)到更好的防腐效果。更改熱水罐供水管進(jìn)水口的位置,將供水管出口移至距離罐底40 mm 的位置。把管子底部焊接,讓其中的水通過(guò)立管孔流出,再將其管子底部與蒸汽管進(jìn)行焊接,避免供水時(shí)對(duì)罐底沉積物的沖擊。更改熱水罐蒸汽加熱管線,距離罐底30 mm 處布置,將原有的帶孔橫管兩頭都加上彎頭,并將彎頭的出口處堵死,減少對(duì)罐內(nèi)水的沖擊,減少對(duì)底部沉積物的擾動(dòng),避免堵塞過(guò)濾器濾芯,從而保證清洗用水的潔凈度。更改熱水罐出水口位置,先把其上的鐵板去掉,再將出口位置從罐底移至距離罐底20 mm 的位置,可有效避免堵塞過(guò)濾器濾芯,影響噴嘴的噴射效果。為了穩(wěn)固蒸汽加熱管線,延長(zhǎng)原有的支撐,并進(jìn)行焊接加固,把液位計(jì)與熱水罐下部接管部位提高20 mm,防止液位計(jì)堵塞。熱水罐改造前后示意圖見圖4、圖5。
圖4 熱水罐改造前
圖5 熱水罐改造后
本研究從噴嘴的磨損原因以及應(yīng)對(duì)策略入手,對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)、噴嘴射流壓力、射流速度、雜質(zhì)粒子的沖撞力度等進(jìn)行分析,提出降低噴嘴磨損的有效策略。