氧-天然氣切割工藝的研究與應用

2004年管技本5設奮第6期Pipeline Technique and EquipmentNo 6氧-天然氣切割工藝的研究與應用楊國輝〔湖南工學(xué)院機械工程系湖南衡陽(yáng)421011)摘要炌介紹了氧-天然氣切割各項工藝指標的試驗情況。試驗結果表明:采用合適的切割噴嘴及割前預熱等措施氧-天然氣切割工藝能滿(mǎn)足一般的切割質(zhì)量和切割效率要求且切斷成本較低與氧乙炔切斷工藝相比在經(jīng)濟效益方面具有顯著(zhù)的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞氧-天然氣切割江藝中圖分類(lèi)號貍G482.3文獻標識碼$文章編號:1004-96142004)6-0031-02Study and application of Oxygen/ Natural Gas Cutting TechniqueYang Guo-huiDeparment of Mechanical Engineering Hunan Institute of Technology Hengyang 421011 ChinaAbstract Introduced the test circumstance of various technological targets in the process of cutting withIt shows that the cutting quality and efficiency can generally be obtained through selecting the suitable spray nozzle and using preheating measure before cutting and the cost is so lower that the cost of oxygen/ natural gas has the notable popularized and applied valueeconomic performance than the cost of the oxyacetylene cuttingKey Words oXygen/ Natural Gas T utting ,Process1引言2天然氣與乙炔的比較鋼材的切割工藝除氧乙炔外還有等離子、氧丙天然氣是一種無(wú)色無(wú)味透明的可燃氣體,其主烷等但采用天然氣做切割燃料的報道較少。國內天要成分是甲烷CH4取樣分析的結果見(jiàn)表1然氣資源非常豐富價(jià)格低廉。隨著(zhù)西氣東輸工程的表1天然氣的成分表建成天然氣在工業(yè)上的大量應用將成為可能用天CHACH6H3CO2H2N2空氣然氣代替耗能大、成本高的乙炔進(jìn)行鋼材的切割,可89.98-∞086.6-5.691.72-1.540.560.40.070.170.53以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。天然氣的主要性能與乙炔的比較見(jiàn)表2。表2天然氣、乙炔的主要性能體積質(zhì)量最低發(fā)熱值1m3氣體燃燒所需氧化量/m3爆炸限度/%與氧混合的(×10-gcm-3)(kJm-3)在焊炬中完全燃燒在空氣中在氧化中火焰溫度/℃天然氣6.156-6.154376817500-85005.2-13.8乙炔l1.75296312600)2.8~80.2.8-933100~3350由表2可知天然氣的有效熱值比乙炔低火焰能降低氣體的流岀速度增加單位時(shí)間內所燃燒的天然率比乙炔小燃燒速度比乙炔慢這給使用夭然氣氣氣數量提髙燃燒溫度。改進(jìn)方法有二種:擴大混合割造成一定的困難。另一方面天然氣在空氣中的爆室的孔徑及擴大外噴嘴內徑?，F采用第二種方法根炸范圍小燃燒速度慢。因此爆炸、回火的可能性比據切割厚度將外噴嘴內徑擴成不同的孔徑。結構形乙炔小使用天然氣的安全性比乙炔高。狀及有關(guān)尺寸見(jiàn)圖1。3割炬的改進(jìn)穩定段由于天然氣火焰能率小溫度低。而一般割炬氧TO擴散段初始膨脹川(過(guò)渡)孔道為直孔型其允許工作壓力低氰氧流出口速度慢,中國煤化工渦流大不能滿(mǎn)足使用要求必須加以改進(jìn)。割炬改CNMHG進(jìn)的方法比較簡(jiǎn)單,主要是擴大混合室的噴口截面,圖1改進(jìn)的切割噴嘴收稿日期2004-06-27收修改稿日期2004-09-27Pipeline Technique and EquipmentDec.2004噴嘴改制后,天然氣切斷火焰燃燒正常,沒(méi)有表4切割規范參數脫火現象。試驗表明:當采用大口徑噴嘴切割薄板外嘴天然氧氣氧氣預熱切割切口時(shí),切割口太寬;而采用小口徑噴嘴切割大厚度鋼孔徑氣流量流量壓力時(shí)間速度寬度編號mm板時(shí),預熱加切割時(shí)間減慢,切口不齊,甚至不能/mm Eni")(Enis")正常切割,因此,噴嘴孔徑必須與切割厚度相適應94.06.33143-4124302-3才能獲得良好的切割質(zhì)量。為了提高切割效率,試天1-39406.4012.33-4124302-3用了如圖2所示的快速切割噴嘴。該割嘴芯周?chē)顪\4.56.32184-621-5404.55.42184-6251424-5相間的齒槽加大了預熱火焰能率,而中心階梯狀的6.67204-6201334-5切割氧孔道是利用了拉瓦爾噴管形的原理。當具有22-194.01.2314,23-455262-3定壓力的氣流經(jīng)穩定段均化、并經(jīng)收縮段加速后炔2-24.511.23204至喉部時(shí)達到臨界速度,然后氣流在擴散段擴散及注管道天然氣壓力很低故未列出僅以流量表示。膨脹可使高壓切割氧流加速而獲得接近于音速的高5切口質(zhì)量速度。這樣,預熱時(shí)間大為縮短,切割速度明顯加5.1外觀(guān)檢查快,切割質(zhì)量顯著(zhù)改善。以切割厚度為40mm的低碳切口表面比較光滑拖線(xiàn)稍有凹凸,上部邊緣銳鋼為例,預熱時(shí)間縮短為10s左右,切割速度達到利下部熔渣氧化物容易清除。與氧-乙炔切割相240 mm/min比切口表面光潔度可提高一級達√4~5級沏囗寬度與氧-乙炔切口寬度相同。氧-天然氣切割用于切割焊接坡口,可獲得良好的切割質(zhì)量5.2切口表面硬度及含碳量氧-天然氣切割的切口表面硬度及含碳量見(jiàn)表5。氧-天然氣切割的切口硬度比氧-乙快切割的切口表面硬度略低而切口表面含碳量也低于基本金屬圖2快速割嘴結構圖的含碳量。由于氧-天然氣切割時(shí)火焰氧化性較強,切割氧孔道的直徑取決于鋼板厚度鋼板厚度越碳的燒損較大因而切口表面硬度和含碳量都有所降大則切割氧孔道的直徑也應越大見(jiàn)表3。切割氧的出囗流速(用馬赫數M表示∶氣流速度與音速之比)表5切口表面硬度及含量則取決于切割氧供氣壓力和切割速度一般M=2.0硬度/HB或以下當要求切割速度更高時(shí),可選Ma=2.5或更試件切割距切口表面距離編號方法含碳量高些。表3切割厚度與割槍外噴嘴孔徑的關(guān)系1-1911371321251251261340.107切割厚度/m外噴嘴孔徑d/mm備注1-2911261321301271281320.1394.0對照試驗用割炬GOI-100型1481451351321280.222號割炬外噴嘴孔徑為3mm401150145切割工藝1-640280.169氧-天然氣火焰由于燃燒溫度較氧乙炔等切割工藝低,切割時(shí)需強化預熱火焰。同時(shí),由于天然1461351301301300.184注切割方法中1為氧-天然氣ρ為氧-乙炔。氣著(zhù)火點(diǎn)較高,致使點(diǎn)火較乙炔困難,因此,必須53母材和切口過(guò)熱區金相組織用明火引燃,調整火焰更應謹慎,否則容易熄火金相組織照片見(jiàn)圖3。試件材質(zhì)為Q235含碳量點(diǎn)火前先開(kāi)少量天然氣,點(diǎn)火后送少量助燃氧,之為0.192%板厚為10m從金相組織來(lái)看氧-天然后逐漸增加天然氣與氧的流量,一直調整至內焰呈氣切害喇叭花狀時(shí)就可以進(jìn)行預熱和切割。試驗選用的切YH中國煤化工級較氧-乙炔切割低CNMHG由于氧-天然氣切割割規范及相對照的氧-乙炔切割規范見(jiàn)表4。從表4的溫度低于氧-乙炔切割的溫度造成的?？梢钥闯?由于氧-天然氣火焰的溫度比氧-乙炔上述質(zhì)量分析表明渾氧-天然氣切割質(zhì)量與氧火焰低,能率小,因而切割時(shí)的預熱時(shí)間比氧-乙乙炔切割的質(zhì)量相近因而在一般情況下,可以用天炔切割預熱時(shí)間長(cháng),切割速度也相應地要慢一些。然氣代替乙炔進(jìn)行切割。(下轉第38頁(yè))Pipeline Technique and EquipmentDec.2004足工程要求。對套管內管道的腐蝕檢測目前幾乎沒(méi)道等(4)次檢測可以獲得管道360位置上的全部腐有任何手段正如前面提過(guò)管內清管器( Smart pig之蝕信息(5)靈敏度足以滿(mǎn)足發(fā)現嚴重腐蝕或作為穿類(lèi)方法往往難以發(fā)現套管腐蝕問(wèn)題。目前工程上往孔預警。往用定期更換套管內管道來(lái)代替檢測。據美囯管道該技術(shù)缺點(diǎn)是需要專(zhuān)門(mén)裝備(目前相當昂貴廂和安全辦公室統計全美國有超過(guò)200萬(wàn)英里管道其中安裝調試過(guò)程并且需要專(zhuān)業(yè)人員和足夠經(jīng)驗對數據約30%管道無(wú)法使用清管器檢測。由此可見(jiàn)該技術(shù)解釋。但這些是可以克服的例如用定期巡檢方法重要性。使一套裝置在許多場(chǎng)合下使用減少裝備投資和占用Teletest儀器并不直接測量管壁厚度但能敏感經(jīng)費對同一管道多次檢測建立資料檔案可大大簡(jiǎn)地反映管道壁厚變化檢測到的數據被計算表達為管化數據解釋工作等。道截面積損失百分比,它對管道內壁損失和外壁損失鑒于目前尚無(wú)套管腐蝕的監測和預警方法。該同樣敏感但目前設備尚不能區分腐蝕損失來(lái)自管道技術(shù)有極大應用前景。國內目前尚無(wú)此項技術(shù)希望外壁還是內壁有關(guān)部門(mén)能盡快組織人力跟蹤研究。正如前面提過(guò)這項技術(shù)需要操作者的經(jīng)驗和技巧需要對土壤、濕度、涂層和管道狀態(tài)有足夠了解。[1 WORLTON D C. Non-destructive Testing15.1957218即使這樣,它的重要性是不言自喻的因為在許多場(chǎng)2] LEBSACJ S Non-invasive inspection method for unpiggable pipelinetions, Pipeline& Gas Journal 200x 6)合下GWUT是惟一可用的技術(shù)。[3] MUDGE P J Teletest" long range ultrasonic testing techniqueDocument5結束語(yǔ)Reference TTP/O1 2001該技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)腓破壞性檢測避免開(kāi)[4] LANK A M MUDGE PJ. Development of long range ultrasonic methods of挖土方、取除保溫層或防護層使檢測費用大大降低;assessing pipeline condition, Final Report for the NDT Supervisory Com-(2用于清管器無(wú)法檢測 Unpiggable)管段的檢測,[5] MUDGE P J,LANK A M. Detection of corrosion in pipes and pipe例如處于收發(fā)筒位置的管段〔3)可用于無(wú)法接觸管ASNT Intermational Chemical and Petroleum Industry Inspection Technolo-段的檢測,如防護保溫層下的管道、穿越套管內的管gy Topical Conference V,Houston 1997(上接第32頁(yè))氣作為切割燃料比用乙炔降低成本90%以上表6氧-天然氣切割用氣情況比較表切割氣體切割厚度/m氣體耗量(m3m-1)氧氣耗量(m3m-1)天然氣0.0170.0510.041天然氣0.144乙炔7結束語(yǔ)母材(鐵素體+珠光體)切口過(guò)熱區(魏氏體3級a庳-天然氣切割金相組織圖1厭天然氣燃燒的火焰能率比乙炔低,切割過(guò)程中易熄火。針對這些特點(diǎn)把割炬改進(jìn)成快速切割割炬可獲得比氧-乙炔切割更高質(zhì)量的切口并且能滿(mǎn)足切割速度的要求(2嵐-天然氣切割成本低隨著(zhù)西氣東輸工程的完成天然氣作為一種使用方便、價(jià)格低廉的燃料用于工業(yè)切割具有較大的經(jīng)濟價(jià)值和社會(huì )價(jià)值母材(鐵素體+珠光體)切口過(guò)熱區(魏氏體4級》b嵐-乙炔切割金相組織圖參考文獻圖3母材和切口過(guò)熱區金相組織[1]中國機械工程學(xué)會(huì )焊接學(xué)會(huì )焊接方法及設備.北京機械工業(yè)出6經(jīng)濟指標版社,99224-49對氧-天然氣切割的用氣量情況進(jìn)行了比較見(jiàn)表中國煤化工業(yè)出版社007-836業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)當業(yè)業(yè)業(yè)裝6。由表6看出利用天然氣作為切割燃料比用乙炔的IICNMHG燃氣用量有較大的下降氧氣用量略有增加由于乙炔儀表技術(shù)與傳感器網(wǎng)http:/www.i為瓶裝氣而天然氣為管道氣且氣壓很低故以丙烷氣欄目期刊查詢(xún)、產(chǎn)品世界學(xué)術(shù)園地、會(huì )員專(zhuān)為參照乙炔價(jià)約為16元/kg而丙烷價(jià)約為3元/k區、走近雜志社、投搞箱等4.5元/m3天然氣價(jià)約為1.8元/m3由此可推斷用天然