油管噴砂生產線除塵系統設計

王金東,杜永軍,孟慶武,宋玉杰

(大慶石油學院機械科學與工程學院,黑龍江大慶163318)

油管噴砂生產線除塵系統設計

王金東,杜永軍,孟慶武,宋玉杰

(大慶石油學院機械科學與工程學院,黑龍江大慶163318)

油管表面噴砂處理大多采用的是噴料為普通硅砂的開放式噴砂設備,存在嚴重的環境污染問題。為實現油管內、外表面的自動化噴砂處理,改善工作環境,使粉塵排放達標,提出了由重力沉降室、旋風除塵器、袋式除塵器組成的3級除塵系統,并完成了適用于油管內、外表面噴砂的2套除塵系統的設計和關鍵設備的優選。

油管;干式噴砂;硅砂粉;3級除塵系統

油田每年因腐蝕破壞等原因,使大量油管報廢,損失巨大。許多油田采用對新油管涂鍍保護層的方法,以延長油管的使用壽命。保護層的質量直接取決于涂鍍前的表面預處理質量,因為表面徹底干凈和有適當的表面粗糙度是保護層與油管牢固結合的先決條件。與化學清洗、機械拋丸、磨料射流[1-2]等方法相比,經噴砂后的油管內表面比較光亮,粗糙度易控制,表面質量較高,其內孔清潔度可完全達到規定的標準,同時還具有效率高、成本低等優點,因此空氣噴砂油管凈化方法得到了廣泛的應用。但是,由于油管細而長,處理表面技術要求較高,以及處理量大等特點,油管的表面凈化工藝設備大多采用的是噴料為普通硅砂的開放式噴砂系統,人工露天作業,存在工作環境差、勞動強度大、環境污染嚴重、處理質量不穩定等嚴重問題。作者以外徑 ?73.03 mm,?內徑62 mm,長8 m的油管為研究對象,研發了一套全封閉的油管噴砂生產線[3],其中,除塵系統及相關技術是該項研究的關鍵。

1 噴料輸送與砂塵處理流程

油管噴砂生產線分為3個子系統,即,對油管內表面進行噴砂處理的內噴砂系統、對油管外表面進行噴砂處理的外噴砂系統和凈化噴砂后的含塵氣流的除塵系統。

噴砂除銹技術有多種方式:根據磨料種類的不同可分為噴石英砂、河砂、鐵砂、鐵丸、短鋼絲等;根據氣壓不同可分為正壓噴砂和負壓噴砂;根據磨料的干濕可分為干式噴砂和濕式噴砂。正壓噴砂生產效率高,力量大,清理質量好,但會出現硅砂破碎速度快,粉塵量大的問題。負壓噴砂力量小,硅砂破碎速度慢,但效率低。干式噴砂工藝效率高、適用范圍廣,耗能低,對鍛件、熱處理件及掛膠零件表面的油污、銹蝕粘砂、氧化物等清除非常適用,但是干式噴砂會帶來粉塵量大、處理困難的難題。濕式噴砂的方式必須先解決好鋼鐵表面噴砂后容易在水中重新氧化銹蝕的問題。

根據油田現場不同噴砂技術的應用效果和實際需要,選擇噴料為硅砂的負壓式干式噴砂方式,并應用除塵設備消除粉塵對工作環境的污染。噴料輸送與砂塵處理流程如圖1。

選用空氣壓縮機分別為內噴砂系統和外噴砂系統提供氣源,氣體經內、外儲砂罐下部安裝的氣砂混合閥后與砂料混合,含砂氣流分別送入內、外噴砂設備進行噴砂作業。內噴砂系統1個行程可凈化3根油管,長8 m的待噴油管由上料裝置放入內噴砂機架上,油管兩側的對接裝置自動實現夾緊對接。內噴砂驅動機構帶動3根噴槍前行,對接機構實現密封對接后,氣砂混合物從噴頭噴出,噴向油管內表面進行內噴砂作業;達到極限位置后驅動機構停止行進,落砂閥關閉,噴槍繼續噴射潔凈氣流4 s后,驅動機構和噴槍自動退回,油管兩側對接裝置自動脫離對接位置,油管內噴砂作業完成。下料裝置將完成內噴砂的油管逐根放入外噴砂機架上,油管由滾輪帶動送入外噴砂室進行外噴砂作業。內、外噴砂作業的時間適當匹配,整個系統可以連續工作。內、外噴砂完畢后的含塵氣流分別送入位于內、外儲砂罐上部的重力沉降室進行分離,經重力沉降室分離后,較大粒徑的砂料落入儲砂罐中循環使用,其余含塵氣流再經由旋風除塵器和袋式除塵器除塵凈化,達到排放標準后,氣流才可排入大氣。

在油管噴砂處理過程中,內噴砂工藝是間歇性作業,而外噴砂是連續作業,二者的氣體處理量也不同,因此,需要為內、外噴砂分別配置各自的除塵設備,即內、外噴砂需各配置一套重力沉降室、旋風除塵器、袋式除塵器和其他附屬設備。

圖1 噴料輸送與砂塵處理流程

2 除塵系統設計

2.1 工藝參數

空氣壓力越高則清理效率越高。但因空氣壓力升高后,磨料的破碎率、對被噴材料的切蝕、噴射的有效距離及空氣紊流都會隨之變化,并反映到清理效率中來。綜合考慮各方面因素,空氣壓力最好為0.7 MPa左右,一般應保持在0.55～0.75 MPa。內噴砂系統有3個噴嘴,外噴砂系統有6個噴嘴,每個噴嘴的排氣量為8～10 m3/min。內噴砂壓縮機選擇1臺排氣壓力為0.7 MPa,排氣量為27 m3/min的活塞式壓縮機,外噴砂壓縮機的排氣量是內噴砂的2倍,而排氣壓力相同,考慮到壓縮機的維修更換方便,采用2臺與內噴砂相同的壓縮機,還需要1臺備用,整個系統需要4臺排氣壓力為0.7 MPa、排氣量為27 m3/min的活塞式壓縮機。

2.2 重力沉降室

重力沉降室是利用含塵氣體中的顆粒受重力作用而自然沉降的原理,將顆粒狀硅砂與氣體及污染物分離的過程。重力沉降室結構簡單,造價低,便于維護管理,壓力損失小。主要缺點是沉降小顆粒的效率低,一般只能除去50μm以上的大顆粒。油管噴砂生產線不僅是利用重力沉降室除塵,更重要的是利用其篩選功能實現噴料的重復使用,如果砂粒的粒徑過小,會影響噴砂效率和噴砂質量。

含塵氣體由管道進入比管道尺寸大得多的沉降室時,流速會突然減慢,使顆粒能在重力作用下沉降。在假設通過沉降斷面的水平氣流速度分布是均勻的并呈層流狀態、顆粒的水平移動速度與氣流速度相同的基礎上,在一定的工藝參數條件下,根據要求沉降的最小顆粒粒徑,計算出沉降室的幾何參數。

內噴砂產生的氣體量為1 620 m3/h,為防止氣體外泄,除塵系統排氣量要大于噴砂所用氣體量,取為1 700 m3/h。外噴砂排氣量是內噴砂的2倍,即3 400 m3/h。計算得到的重力沉降室的尺寸為016 m×0.3 m×0.4 m(長×度×高)。上述幾何尺寸的沉降室可沉降的最小顆粒的粒徑為181μm,小于噴砂要求的200μm,但因為重力沉降室的除塵效率較低,以上幾何尺寸符合油管噴砂的工藝要求。計算得到外噴砂重力沉降室基本幾何尺寸為016 m× 016 m×0.4 m(長×度×高)。

2.3 旋風除塵器

油管噴砂過程中的粉塵包括河砂自身粘附夾持的外界粉塵,砂子破碎形成的粉塵和油管表面的油污、氧化物等被噴料撞擊形成的粉塵等。噴砂工藝粉塵的主要成分為硅砂粉,干燥、無毒、不腐蝕、不粘結。設備的含塵濃度中等,粉塵粒徑分布以中粗居多,常溫下作業。旋風除塵器的工作性能比較適合上述工作條件,對中、粗粒徑粉塵的除塵效率可高達94%以上[4-5],設備投資費用僅為其他類型除塵器的1/3～1/2,且動力消耗低,運行管理方便,無疑是首選目標。

按照排風量為 1 700 m3/h,進口速度取18 m/s,設計計算得到旋風除塵器的入口高為260 mm,寬為100 mm,由此可計算出旋風除塵器其他各部分尺寸。

從技術與經濟2方面考慮,選購標準旋風除塵器更加合理。根據上述設計尺寸,內噴砂選用CL T/A-4.0型標準旋風除塵器[6],主要參數為:進口速度18 m/s;風量1 780 m3/h;進口直徑 ?400 mm;出口直徑 ?240 mm;入口高264 mm,寬104 mm;壓力損失為1 950 Pa。外噴砂所需處理風量是內噴砂的2倍,選用CL T/A-5.5型標準旋風除塵器[4],主要參數為:進口速度 18 m/s;風量 3 360 m3/h;進口直徑?550 mm;出口直徑?330 mm;入口高363 mm,寬143 mm;壓力損失1 950 Pa。

2.4 袋式除塵器

采用袋式除塵器是近幾年來在世界范圍內主要的煙塵凈化方法之一。袋式除塵器的應用無論在數量上還是在投入上都比其他除塵設備具有更快的增長速度。在袋式除塵器中,含塵氣體單向穿過濾布,塵粒留在上游或濾布的含塵氣體側,而干凈氣體通過濾布到下游或干凈氣體側,塵粒借助于自然的或機械的方法得以除去,其過濾機理主要有截留、慣性沉降、擴散沉降、重力沉降、靜電沉降等。

旋風除塵器對10μm以上塵粒有較高的效率,但對于細微塵粒的除塵效率不高,從旋風除塵器出來的含塵氣體如果直接排入大氣,其粉塵濃度達不到環保要求,故需要袋式除塵器進一步凈化除塵。袋式除塵器的處理風量很大,對于1μm以上的塵粒除塵效率很高,可達99.5%以上。

由旋風除塵器選型得知,系統中內噴砂處理風量為1 780 m3/h,外噴砂處理風量為3 360 m3/h。過濾速度是表示袋式除塵器捕集塵粒的重要技術經濟指標。若過濾速度過快,積淤濾料上的粉塵層全被壓實,阻力急劇增加,由于濾料兩邊的壓差增加,使粉塵滲入濾料內部,甚至會透過濾料,導致出口含塵濃度增加,還會導致濾料上的粉塵層迅速形成,引起過于頻繁的清灰;過濾速度低,阻力低,效率高,但需要較大的設備,占地面積大,一次投資高。根據噴砂除塵和機械振動工況,風速初選1.0 m/min,計算得到的內噴砂過濾面積為32.6 m2,外噴砂過濾面積為61.6 m2。濾袋形狀選圓袋,與扁袋相比,其支撐骨架以及連接較簡單,清灰容易,維護管理也方便。過濾形式選內濾式,與外濾式相比,內濾式的濾袋外部為清潔氣體,便于檢修和換袋,甚至不停機即可檢修,一般機械振動、反吹風等清灰方式多采用內濾式。進氣口位置選下進氣口,因為含塵氣體由除塵器下部進入,氣流自下而上,大顆粒直接落入灰斗,減少了濾袋磨損,延長了清灰時間,且成本低,較經濟。風機設置選負壓式,置于除塵器之后,除塵器在負壓狀態下工作,由于含塵氣體經凈化后再進入風機,因此對風機的磨損很小。清灰方式選擇機械振打方式,其結構較簡單,成本低。

綜上所述,選擇 HD32(A)型內噴砂袋式除塵器,主要性能參數為:過濾風速<2.5 m/min,風量1 401～1 978 m3/h,過濾面積15 m2,壓力損失< 1 200 Pa,除塵效率>99.5%。HD64(A)型外噴砂袋式除塵器的主要性能參數為:過濾風速<2.5 m/ min,風量3 572～3 847 m3/h,過濾面積29 m2,壓力損失<1 200 Pa,除塵效率>99.5%。

機械振打式袋式除塵器的特點是施加于粉塵層的動能較少而次數較多,因此要求濾料薄而光滑,質地柔軟,有利于傳遞振動波,宜選用化纖緞紋或斜紋織物,厚度0.3～0.7 mm,單位面積質量300～350 g/m2;過濾速度0.6～1.0 m/min,對小型機可提高到1.0～1.5 m/min。又因為噴砂系統是用硅砂作為磨料,磨損性強,因此以化學纖維為首選,化纖織物中的緞紋織物能加強纖維之間的交絡性,可選用化纖緞紋。氈料中宜用針刺方式加強纖維之間的交絡性,可選用的濾布為化纖緞紋針刺氈。

2.5 風機

風機的選配需要根據除塵系統及其管道配置來確定系統的總抽風量和總阻力。在確定了除塵系統抽風量的基礎上,一般增加10%～15%的漏風附加系數作為選擇風機時的計算風量。考慮到風機的波動性,在除塵系統所需風壓的基礎上,增加10%的附加系數,所得到的風壓值作為選擇風機的計算風壓。本系統風機安裝在袋式除塵器之后,而且系統中壓損較大,故應選擇高壓排塵風機,選擇的風機為9-19型離心通風機,與同類風機相比,具有效率高、噪聲低、性能曲線平坦、高效區寬廣的特點。

內、外噴砂各配置1臺9-19型離心通風機。內噴砂風機機號為No.5.6A,轉速2 900 r/min,風量2 262～4 901 m3/h,風壓7 182～6 400 Pa,配套Y160M1-2型電機,電機功率11 kW。外噴砂風機機號為No.6.3A,轉速2 900 r/min,風量3 220～5 153 m3/h,風壓9 149～9 055 Pa,配套 Y160L-2型電機,電機功率18.5 kW。

3 結語

在對粉塵凈化技術及設備進行綜合分析與研究的基礎上,提出了由重力沉降室、旋風除塵器、袋式除塵器組成的3級除塵系統,完成了內、外噴砂除塵系統的設計和關鍵設備的優選。這是實現油管內、外噴砂流水作業,噴砂、集砂、補砂一體化,粉塵排放達到標準,完成研制環保型自動化油管噴砂處理生產線的關鍵。

該3級除塵系統除塵效率可達99.5%以上,出口粉塵排放滿足國家環保排放要求。整套系統以選配標準化設備為主,設備投資及運轉費用低,無二次污染,便于操作和維護。該系統能夠顯著改善油管噴砂處理人工露天作業存在的污染環境、損害工人健康、生產率低、質量難以保證等問題,能為企業帶來明顯的經濟和社會效益。

[1] 牛繼磊,徐依吉,李根生.磨料射流技術用于石油管道表面預處理[J].腐蝕科學與防護技術,2003,15(4): 247-249.

[2] 胡彩萍,朱 軍,楊中領,等.高壓射流清洗機的應用[J].石油礦場機械,2003,32(6):1-3.

[3] 王金東,趙海洋.環保型噴砂油管凈化處理生產線設計[J].石油礦場機械,2009,38(6):72-74.

[4] 李兆龍,賀延明.經濟適用的噴砂除塵設施[J].西安礦業學院學報,1999,19(3):283-286.

[5] 劉保余.直接式原油加熱爐脫硫除塵系統研究[J].石油礦場機械,2007,36(8):71-74.

[6] 張殿印,王 純.除塵工程設計手冊[K].北京:化學工業出版社,2003.

Design of Dust Removing System of Sandblasting Production Line for Oil Pipe

WAN GJin-dong,DU Yong-jun,MENG Qing-wu,SONG Yu-jie
(College of Mechanical Science and Engineering,Daqing Petroleum Institute,Daqing163318,China)

In the sandblasting of oil pipe surface,the open equipment is mostly adopted,and the ordinary silicon sand is used for the sandblasting material.The serious environment pollution problems are present in the process of the sandblasting.In order to realize the automatic sandblasting on internal and external oil pipe surface,improve the working environment,attain the criterion of dust discharge,the three-stage dust removing system is put forward,which consists of gravitational sedimentation chamber,cyclone dust extractor and bag-type dust extractor.Two dust removing system have been designed respectively for the sandblasting of internal and exter-nal oil pipe surface.The key equipment has been selected for the dust removing system.

oil pipe;dry-type sandblasting;silicon sand powder;three-stage dust removing system

TE931.205

A

2009-07-28

黑龍江省科技攻關項目(GZ07A502);大慶市科技攻關項目(SGG2006-004)

王金東(1964-),男,山東諸城人,教授,博士,從事機械設備故障診斷、石油機械設備等方面的教學與科研工作, E-mail:nanxiqiao@sina.com。