螺旋焊管等離子切割煙塵凈化系統的改進

劉成坤，劉 云，劉 燁，王 娜

（1.資陽石油鋼管有限公司，四川 資陽 641300；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞 721008）

螺旋焊管生產過程中，需要對連續成型焊接的鋼管按工藝要求逐根切斷，一般采用的切割方式有火焰（通常為氧炔焰）切割和空氣等離子切割。火焰切割存在的問題主要有：①預熱和穿孔時間長，切割速度慢，難以滿足厚壁鋼管生產速度的要求；②切口附近鋼管內表面氧化鐵飛濺粘結，難以清理干凈，管端擴徑時導致壓坑、水壓徑向密封不可靠等問題；③氧氣乙炔耗量大、成本較高，切口寬。空氣等離子切割法以干燥潔凈的壓縮空氣作為離子氣，利用等離子弧為熱源來加熱和熔化被切割金屬，電弧弧柱和高速氣流（離子狀態）通過割炬噴嘴小孔使電弧受到壓縮，電弧截面小，能量集中，溫度高達15 000～30 000℃，使局部金屬迅速熔化，同時用壓縮空氣將熔化金屬吹走。該切割方式切割速度快，切口窄，而且切割面光潔，切口下緣無飛濺物粘結。

隨著大直徑厚壁螺旋焊管市場需求的增加、生產焊接速度的不斷提高以及對切口質量的更高要求，越來越多的制管企業采用空氣等離子切割法。但等離子切割時會產生大量有害煙塵，污染車間環境，因此有必要不斷改進煙塵凈化系統，有效控制煙塵對車間環境的污染。

1 等離子切割煙塵處理方法

目前，等離子切割煙塵處理方式一般有濕式處理法和干式處理法。

濕式處理法又可分為兩種：①制作一個水床切割平臺，將被切割工件放置在水中或水面，在水下或緊貼水面的地方完成切割作業，用水來捕捉切割產生的煙塵，從而達到凈化環境的目的；②通過風機及管道將切割煙塵轉移至水或其他液體介質中，將煙塵捕集、過濾，達到凈化煙塵的目的。

干式處理法是要設計一套煙塵捕集裝置，把煙塵集中輸送至凈化處理裝置，通過裝置內部的過濾器（如濾桶、濾芯、布袋等）將煙塵過濾處理和收集，凈化后的尾氣達標排放。

2 螺旋焊管切割煙塵處理系統

由于螺旋焊管生產工藝特點和切割環境條件限制，通常采用干式處理法。根據煙塵捕集裝置工位的不同，目前主要有以下3種形式。

圖1 成型2#梁位置捕集煙塵處理系統示意圖

2.1 在成型2#梁位置捕集煙塵

成型2#梁位置捕集煙塵是螺旋焊管生產中普遍采用的方式，其系統如圖1所示。在鋼管頭部（出口端）設置一臺吹風機，采用 “一端吹一端吸”的方式將切割煙塵吹至成型2#梁位置，通過安裝于2#梁懸臂上的吸塵軟管（或吸塵罩）將煙塵收集送至除塵主機，經凈化處理后排放尾氣。選擇該工位優點在于吸塵位置固定，缺點是煙塵分散，吸凈率低，生產不同管徑鋼管要配套合適的吸塵軟管（或吸塵罩）。另外，煙塵跌落堆積對內焊焊槍、小車軌道、成型小輥等設備造成污染，影響其壽命及調整精度，對內焊自動跟蹤探頭造成污染，使跟蹤靈敏度下降，甚至失效。

2.2 在鋼管切口位置捕集煙塵

鋼管切口位置捕集煙塵目前極少采用，系統如圖2所示。在鋼管兩端各設置1臺變頻吹風機，采用“兩端吹中間吸”的方式，通過兩端風機的風壓將切割煙塵從切口排出，由位于切口上方的吸塵罩進行收集后送至除塵主機，經凈化處理后排放尾氣。選擇該工位優點在于煙塵捕集口靠近煙塵產生源，難點在于吸塵罩與切割裝置在空間位置上發生干涉，影響操作。另外，由于等離子切割的切口較狹窄，煙塵難以全部通過切口逸出，鋼管兩端會有煙塵冒出。

圖2 鋼管切口位置捕集煙塵處理系統示意圖

2.3 在鋼管頭部移動式捕集煙塵

鋼管頭部移動式捕集煙塵目前有部分螺旋焊管企業在采用，其工作原理為：在鋼管頭部區域設置移動式吸塵罩，切管作業時吸塵罩移動并與鋼管前進速度同步，保證吸塵罩始終處于鋼管頭部正上方區域，煙塵收集后送至凈化主機處理。該方式的優點是煙塵在鋼管頭部區域收集，不會對內焊槍、小車軌道、自動跟蹤探頭等設備造成污染；缺點是移動式吸塵罩與鋼管同步前進的穩定性較差，另外，吸塵罩與凈化主機必須采用較大直徑軟管連接，管道伸縮及彎折對吸塵效果都會造成影響，降低煙塵吸凈率。

上述3種不同位置煙塵捕集處理系統，都要應用煙塵凈化處理設備，目前普遍采用的某凈化處理設備存在設計弊端，存在故障幾率大、維護成本高、維修困難，煙塵處理效果欠佳等缺陷。

3 煙塵處理系統的改進

螺旋焊管等離子切割煙塵處理系統關鍵在于煙塵捕集工位選擇、吸塵罩裝置設計、煙塵凈化處理設備選型及配套壓縮空氣系統改進設計。針對系統在實際應用中存在的問題和不足，結合Φ2 420 mm大直徑鋼管生產需要，對系統進行了改進設計和優化。

3.1 煙塵捕集工位選擇及吸塵罩與管道設計

綜合考慮煙塵對內焊及成型設備的污損、吸塵效果等因素，選擇煙塵捕集工位在出管方向鋼管頭部較為適宜。為有效解決鋼管前進與吸塵罩運行同步性問題，吸塵罩設計由移動式優化為固定式，改軟管連接為硬管連接，提高吸塵效率。同時，在成型2#梁后方設置一臺吹風機，采用“一吹一吸”的方式，將切割煙塵從鋼管頭部吹出，由吸塵罩進行收集，經除塵主機凈化處理后排放，改進后的煙塵處理系統如圖3所示。

圖3 改進后煙塵處理系統示意圖

結合切斷工藝、鋼管長度變化和Φ2 420 mm規格鋼管生產需要，吸塵罩外形尺寸優化設計為7.5 m×2.7 m。吸塵罩定位連接于成型后橋上，其頂部設計6個均布的300 mm×600 mm吸塵口，吸塵罩四周安裝防火軟簾，軟簾長度依據生產管徑而定，易于形成穩定的吸塵氣流，防止煙塵散開。吸塵罩側面對應吸塵口位置，設計6個Φ300 mm吸塵通道（通道上均設計風閥，電動控制其開閉），每組3個，分兩組匯集到兩側Φ500 mm主通道，分別進入兩個處理器，可根據實際情況設置每個吸塵通道開閉狀態。煙塵吸口與處理主機距離1 m，風損小，利用率高。

3.2 煙塵凈化處理設備選型及改進

3.2.1 主機吸塵風量設計及設備選型

根據《除塵工程設計手冊》，7.5 m×2.7 m吸塵罩需要的吸塵風量為

式中：Q—吸塵風量，m3/h；

C—與吸塵罩結構形狀和設置情況有關的系數，無邊緣吸塵罩，C=1；

x—控制距離，x=1 m，即防火軟簾完全覆蓋產塵范圍，送風系統將煙塵從末端管道吹出，煙塵垂直上升1 m后飄散范圍大于吸塵罩邊緣；

A0—吸塵罩表面積， A0=7.5×2.7 m2；

vX—煙塵（罩口空氣）吸入速度，vX=0.3 m/s。

因此，計算得Q＝3 2652 m3/h。

依據計算的風量需求和設備風量參數，通過經濟對比分析，確定選兩臺風量為18 000 m3/h的主機并聯。主機型號CAPF-9000，主電機功率22 kW，電壓380 V，頻率50 Hz。

3.2.2 凈化方式選擇

干式處理設備通常有濾筒式和布袋式兩種凈化方式，其對比分析見表1。從表1可以看出，濾筒式除塵具有除塵阻力小、壽命長、凈化效果好、維護方便等優點。因此，等離子煙塵凈化主機宜采用濾筒式除塵設備。

3.2.3 濾筒材質選擇

濾筒材質選用PTFE覆膜聚酯長纖維，其主要優點為：①過濾精度高，能過濾0.1 μm粉塵；②耐磨性能好，比傳統濾料更能經受氣流的脈沖反吹；③抗撕裂能力強，使用壽命長，性價比高；④耐腐蝕，粉塵吸附性差，堵塞幾率較小；⑤濾料挺度好，可多次清洗，干燥后重復使用。

表1 濾筒式與布袋式除塵對比

3.2.4 濾筒結構

采用整體式濾桶設計，維護、檢修、更換方便快捷；優化濾桶反吹機構設計，每個濾桶對應一組反吹機構，濾筒內不增加任何機械及電氣部件，既方便安裝拆卸，又避免因煙塵污染機械及電氣部件，而造成機械卡阻或電氣故障等引起的反吹失效。

3.3 壓縮空氣系統改進設計

煙塵凈化處理設備濾筒反吹采用壓縮空氣，通過反吹清理掉濾筒表面附著物，如果反吹空氣潔凈度不夠，如含有油、水等雜質，將會污染濾筒，嚴重影響煙塵回收率、凈化效果及濾筒使用壽命。因此，對反吹用壓縮空氣有嚴格要求，主要指標為：殘油率＜0.1×10-8，除水率≥99%，塵粒徑＜0.01 μm。往往生產現場使用的壓縮空氣含油、水等雜質較重，難以滿足反吹空氣的潔凈度要求，必須對壓縮空氣凈化處理系統進行改進設計，改進后的系統流程如圖4所示。經圖4所示流程六級處理后，壓縮空氣干燥、潔凈，含油、水等雜質完全滿足反吹用氣體的指標要求。

圖4 改進后的壓縮空氣凈化處理系統流程

4 結束語

改進后的等離子切割煙塵凈化處理系統在資陽石油鋼管有限責任公司螺旋焊管機組得到了實際應用，完全滿足Φ508～Φ2 420 mm鋼管生產需要，變更鋼管規格時無需做任何工裝更換和調整。該系統對煙塵的吸凈率達95%以上，經凈化處理后的尾氣可直接排放，完全滿足環保達標排放要求。

通過一年多的現場應用，改進后的煙塵處理系統運行穩定，性能可靠，使用效果良好，后期維護成本低，特別是在Φ2 420 mm×22 mm超大直徑、厚壁鋼管批量生產時效果尤為明顯，有效控制了煙塵對車間環境的污染。

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