磨料射流圓管切割裝置設(shè)計

張洋凱 張 正 周常柱 汪 凱

（安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

磨料射流圓管切割裝置設(shè)計

張洋凱 張 正 周常柱 汪 凱

（安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

介紹了石化行業(yè)石化容器罐報廢及回收再利用現(xiàn)狀，結(jié)合容器罐的結(jié)構(gòu)特點和磨料射流技術(shù)，提出一種圓管磨料射流切割裝置，介紹了該切割裝置的設(shè)計原理，并對噴嘴噴頭反座力進行驗算，驗算結(jié)果表明：所設(shè)計的噴嘴噴頭能夠滿足工作需求，該圓管切割裝置能夠大大提高圓管切割效率，還能實現(xiàn)精確連續(xù)切割功能，為其他形狀的部件切割裝置設(shè)計提供一定參考依據(jù)。

石化容器罐；水射流；磨料射流；切割；設(shè)計

隨著中國制造業(yè)的發(fā)展，國家對制造行業(yè)產(chǎn)品節(jié)能降耗提出了具體的要求并相繼出臺一系列政策和法規(guī)，在石化行業(yè)中，石化容器罐的報廢及其回收利用存在一些技術(shù)難題，一些企業(yè)采用傳統(tǒng)方法進行石化容器罐的報廢及回收利用工作，但是，傳統(tǒng)的回收方式危險性高，鑒于石化容器罐的特殊使用性背景，石化容器罐處理不當(dāng)容易導(dǎo)致環(huán)境污染，甚至造成人員傷亡。目前，石化容器罐大多采用圓形管狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)石化容器罐的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計了磨料射流圓管切割裝置。

1 磨料射流技術(shù)簡介

在20世紀(jì)80年代，美國Mohamed Hashish博士和Flow International公司在水射流技術(shù)基礎(chǔ)上推出了磨料水射流技術(shù)。該項技術(shù)的基本原理就是通過一定的技術(shù)手段，將具有一定粒度的磨料粒子加入到高壓水管路系統(tǒng)中，使磨料粒子與高壓水進行充分混合后再經(jīng)噴嘴噴出，從而形成具有極高速度的磨料粒子流——磨料射流。磨粒射流技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油、化工、軍事和醫(yī)療等行業(yè)部門，用以完成清洗、除銹、切割、粉碎以及醫(yī)療手術(shù)等作業(yè)。

磨料射流切割技術(shù)又稱為冷切割，其特點是加工點溫度低，無熱影響區(qū)，切口質(zhì)量高，無粉塵和有害氣體，能量傳輸方便，切割時無振動和噪聲，滿足加工特殊材料及在特定環(huán)境下的加工作業(yè)要求。國內(nèi)外學(xué)者研究得出，磨料射流切割鋼鐵和沙石不會引起瓦斯或氫氣爆炸，這就為磨料射流技術(shù)在易燃易爆等危險環(huán)境中的安全應(yīng)用提供了基本前提條件，圖1為便攜式磨料射流發(fā)生裝置原理圖。

圖1 便攜式磨料射流發(fā)生裝置原理圖

2 磨料射流圓管切割裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖2所示，磨料射流圓管切割裝置主要便攜式磨料射流發(fā)生裝置（圖2未示出）、移動架、四輪行走機構(gòu)、噴嘴固定夾具和磁力吸附回收裝置（圖2未示出）組成，其中，傳動行走機構(gòu)主要由驅(qū)動電機、主鏈輪、張緊鏈輪和放松鏈條組成，主鏈輪安裝在驅(qū)動電機的輸出軸上，主鏈輪通過放松鏈條與張緊鏈輪相連接，行走機構(gòu)位于移動架的下端。

圖2 圓管切割裝置三維簡圖

當(dāng)電機開關(guān)打開時，電機帶動主鏈輪轉(zhuǎn)動，此時主鏈輪將沿著鏈條行走，從而帶動張緊鏈輪和四個金屬車輪沿著已經(jīng)初步清理的圓管表面行走，其次，工作人員將圓管的底部清理出一個深度和寬度適宜的隧道，這能保證水射流切割裝置能夠自由的通過，工作人員再將水射流切割裝置現(xiàn)在地面上組裝完成后，搬移到圓管的頂部，由其獨有的四輪行走機構(gòu)保持平衡，再次，工作人員需要將一根鏈條穿過切割裝置并和其中的主鏈輪、張緊鏈輪和引導(dǎo)鏈輪相配合，圍繞圓管一圈后，再使用人工接頭將圓管底部鏈條的開頭和結(jié)尾固定，并將切割機構(gòu)和圓管緊貼在一起，調(diào)節(jié)裝置整體的張緊裝置并對鏈條進行張緊調(diào)節(jié)工作，這能有效保證切割裝置能安全有效的在圓管的外邊面行走，最后，確定一切裝置安放正確后，啟動總控制器和有關(guān)的開關(guān)，圓周行走機構(gòu)將繞圓管360°緩慢行走，進行切割工作。

裝置具有以下優(yōu)點：

（1）圓周行走機構(gòu)和噴頭固定夾具的設(shè)計，避免了工作人員手持噴頭產(chǎn)生的危險，并實現(xiàn)較為精確地連續(xù)切割作業(yè)，滿足安全、高效的工作要求。

（2）配合實驗室現(xiàn)有便攜式磨料射流切割機的整體使用，避免了大型機床移動不方便、運費成本高的不足之處。

（3）該配套機構(gòu)能夠克服其他同類配套機構(gòu)不能水下工作的缺點，具有防水的特點，且該配套機構(gòu)采用新型復(fù)合材料，具有重量輕防銹蝕的特點。

（4）依據(jù)美觀大方的原則，對配套機構(gòu)的外觀和油漆進行了整體的規(guī)劃，在不影響其功能的前提下，根據(jù)人機工程學(xué)，對配套機構(gòu)進行了小幅度尺寸修改，有效提高工作人員的操作效率。

（5）鑒于工作磨料大部分為金屬物質(zhì)，采用磁力吸附回收裝置對廢液進行了回收，工作介質(zhì)可循環(huán)利用，低碳環(huán)保。

然而，磨料射流割圓裝置雖然能夠解決諸多問題，滿足管道實際切割對安全性能和工作精度的要求，但是在實際工作過程中仍存在以下不足：

（1）接入噴頭的水管隨著機構(gòu)繞圓管作圓周運動會產(chǎn)生纏繞、拉扯和磨損等現(xiàn)象。

（2）被切割的容器罐周圍沒有通過配套機構(gòu)作圓周運動足夠的空間，現(xiàn)場施工人員必須要創(chuàng)造這樣的空間條件。

圖3 現(xiàn)場實驗切割效果圖

3 噴頭反座力設(shè)計計算

描述磨料圓管切割裝置射流特征的參數(shù)很多，但就工程應(yīng)用最常見的連續(xù)水射流而言，人們最關(guān)心的只是其主要基本參數(shù)，即產(chǎn)生射流的流體靜壓力、射流流量、流速、功率、反沖擊力等動力學(xué)參數(shù)。

對連續(xù)射流，在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點間應(yīng)用伯努利方程，忽略兩點間的高度差，得出：

式中：

p1、 p2——噴嘴內(nèi)外靜壓力；

v1、 v2——噴嘴內(nèi)外流體平均流速。

在兩點間應(yīng)用連續(xù)方程可得：

式中：

vt——射流流速，m/s

p——射流壓力，MPa

在射流清洗、切割應(yīng)用中，射流反沖力也是一個必須了解的基本參數(shù)。在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點間應(yīng)用動量定理得式：

式中：

F ——單位時間內(nèi)作用在單位體積流體上的力；

Δ t ——用F作用于單位體積流體上的時間；

m——單位體積流體質(zhì)量；

v1——噴嘴出口截面內(nèi)流體平均流速；

v2——噴嘴出口截面外流體平均流速。

由作用力反作用力原理可知，上式中F值即為射流反沖力值。經(jīng)推導(dǎo)后可得：

式中：

F ——射流沖擊力，N；

q——射流流量， min/L ；

p——射流壓力，MPa。

對于 d = 0.8mm 的高壓噴頭，在系統(tǒng)工作壓力30MPa、系統(tǒng)工作流量12 min/L 的工況下，算得高壓噴頭的反作用力為 N96.48 ，計算結(jié)果小于 N50 ，完全符合工作要求。

4 結(jié)論

結(jié)合石化容器罐的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計的磨料射流割圓裝置解決了傳統(tǒng)方法進行圓管切割時遇到的問題，既保證了切割工作的安全性，同時也提高了工作效率，裝置噴嘴噴頭通過反座力驗算能夠滿足實際工作需求，該磨料射流割圓裝置的設(shè)計不僅僅擴大了磨料射流切割機的應(yīng)用范圍，同時也為其他形狀的部件切割裝置設(shè)計提供了參考依據(jù)。

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Design of tube cutting device of abrasive jet circle

Introduces the petrochemical industry Petrochemical container scrap and recycling incontainer, combined with the structure features and abrasive jet technology, puts forward a kind of circular pipe abrasive water jet cutting device, cutting device introduces the design principle, and the nozzle reaction force for checking, the checking results show that: the designed nozzle to meet the work requirement, the pipe cutting device can greatly improve thepipe cutting efficiency, but also can realize the precise continuous cutting function, for other shape components cutting device design to provide certain reference.

Petrochemical container;water jet;abrasive water jet;cutting;design

TE9

A

1008-1151(2015)05-0071-03

2015-04-13

安徽理工大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201310361269)。

張洋凱（1994－），男，安徽蚌埠人，安徽理工大學(xué)在讀本科生，研究方向為機械制造及其自動化。