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油氣條件下磨料水射流切割安全實(shí)驗(yàn)研究

文檔作者：張滕飛鄧松圣雷傳超管金發(fā) 文檔來(lái)源：中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月03日
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第34卷第4期
HEALTH．SAFETY AND ENVIRONMENT II!N、安塋與環(huán)壤97
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(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系， 重慶40131 1
摘要：針對(duì)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(cè)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)I'q短，不同
材料切割過(guò)程最高溫度都在100 oC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。
關(guān)鍵詞：磨料水射流；油氣條件；安全；切割
DOI：10．3969／j．issn．1006—5539．2016．04．021
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?，由于油氣遇到明火或者高溫極易引起燃燒爆
炸。2 J，作業(yè)中的不當(dāng)切割方法會(huì)引發(fā)油氣安全事
故¨。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【51。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(lái)的一種高效、安全、清潔的切割方式，近年來(lái)
在煤礦井下等一些特殊場(chǎng)合的切割作業(yè)中得到研究應(yīng)
用。6。9j，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(duì)材料進(jìn)行切割。對(duì)
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(duì)安全的切割方式‘1”“。。
很多學(xué)者通過(guò)理論計(jì)算¨2。和試驗(yàn)驗(yàn)證’1 34等方法對(duì)
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(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)定
量檢測(cè)材料升溫大小，認(rèn)識(shí)摩擦火花產(chǎn)生規(guī)律，測(cè)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(guó)內(nèi)外應(yīng)用最普遍的石榴石磨料，
分別對(duì)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 oC)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(yíng)造危險(xiǎn)油氣泄漏環(huán)境以測(cè)試切割安全
性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
空
氣
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)，
收稿日期：2016—02—02
基金項(xiàng)目：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)
作者簡(jiǎn)介：張滕飛(1990一)，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。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
98
天然號(hào)與石油
NATlJRAL GAS AND Oil_
2016年8月
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(cè)實(shí)驗(yàn)以及油氣條件下安全切割測(cè)試實(shí)驗(yàn)。按照?qǐng)D1安
排實(shí)驗(yàn)臺(tái)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
之問(wèn)互相碰撞和摩擦都可能產(chǎn)生火花¨“。磨料本身實(shí)
質(zhì)是巖石碎屑，磨料水射流切割過(guò)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(shí)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(duì)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(guò)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(méi)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、x60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?；鸹óa(chǎn)生情況見(jiàn)
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(duì)火花的產(chǎn)生情況影響不大。
c)Q 235鋼d)銅合金
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¨卜161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(cè)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(lái)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(guò)
程中存在材料溫度升高的現(xiàn)象，對(duì)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／rain，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(cè)。圖3為溫度測(cè)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。
?磊
■．
圖3溫度測(cè)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(lái)檢測(cè)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 Q，溫度100℃時(shí)PT 100阻值138．5 Q，阻值隨
溫度上升而勻速增長(zhǎng)，溫度和電阻值的關(guān)系如下：
R：=尺，。[1+理(t-to)] (1)
式中：月，為溫度t時(shí)的阻值，Q；R，。為溫度t。(通常t。=
0℃)時(shí)對(duì)應(yīng)電阻值，Q；Ol為溫度系數(shù)，qc～。PT 100鉑
熱電阻中t。=0℃，R。=100 Q，O／=3．85 X 10 1℃～。
電子數(shù)顯溫控儀采用國(guó)內(nèi)佳敏XMTD一3002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(jiàn)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(duì)工件進(jìn)行磨料水射流切割處理，切割材料為
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第34卷第4期
HEALTH．SAFETY AND ENVlRONMENT
Q 235鋼，時(shí)間每隔3 s記錄一次溫度，得到溫度變化見(jiàn)
圖4。
表1 電子數(shù)顯溫控儀性能參數(shù)
特性
T作電壓／V
額定功率／W
T．作環(huán)境
測(cè)溫范圍／℃
顯示誤差／(％)
范圍
220
3
溫度0—50 cc，相對(duì)濕度<85％的
無(wú)腐蝕性氣體場(chǎng)合
0一l 300
≤0．1
0 0 二0 j¨ 40 )0 6() 7()
時(shí)IifJ，八
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(kāi)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(kāi)始時(shí)溫度，整個(gè)升溫過(guò)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(cè)得各種材料切割過(guò)程溫度隨時(shí)問(wèn)變化
規(guī)律一致，各種材料切割過(guò)程中出現(xiàn)的最高溫度見(jiàn)表2。
表2各材料出現(xiàn)的最高溫度
由表2可知，盡管切割材料不同，切割過(guò)程中產(chǎn)生的
最高溫度均不會(huì)超過(guò)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(guò)程中的材料升溫測(cè)試
結(jié)果??引相似，此溫度遠(yuǎn)低于單純的砂輪摩擦金屬溫
升，說(shuō)明水的降溫作用對(duì)切割工件溫度的影響巨大。
根據(jù)杜楊等人‘1 9。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(méi)有發(fā)現(xiàn)著火現(xiàn)象。切割
過(guò)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(cè)試油氣條件下切割安全
通過(guò)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
ltllm,、安塋與環(huán)壤99
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(guò)觀察火花的產(chǎn)生以及檢
測(cè)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(guò)在被切割位置
附近營(yíng)造可燃油氣環(huán)境，測(cè)試切割在油氣條件下的安全。
圖5目制油氣產(chǎn)生設(shè)備
圖5為自制油氣產(chǎn)生設(shè)備實(shí)物圖。利用自制油氣產(chǎn)
生設(shè)備營(yíng)造可燃油氣環(huán)境，再打開(kāi)磨料水射流設(shè)備進(jìn)行
切割，觀察引燃引爆情況。常溫常壓下按體積濃度計(jì)算
汽油蒸汽在濃度0．76％～6．9％內(nèi)最容易點(diǎn)燃拉?，為使
油氣濃度處于燃燒爆炸需要特定區(qū)間內(nèi)，使用油氣濃度
檢測(cè)儀檢測(cè)，不斷調(diào)整易燃油氣空間內(nèi)的濃度，使切割
過(guò)程中油氣濃度處于爆炸極限內(nèi)，最大限度模擬真實(shí)易
燃油氣環(huán)境，具體方法：
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，混合腔吸人的空
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(jiàn)表3。
表3 油氣條件下各材料切割著火爆炸情況統(tǒng)計(jì)
經(jīng)過(guò)多次長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，切割過(guò)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(guò)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
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
1 00
天然號(hào)與石油
NATURAL GAS AND OIL
2016年8月
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(duì)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 oC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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