氧-天然气切割工艺的研究与应用

2004年技本5设奋2004第6期Pipeline Technique and EquipmentNo 6氧-天然气切割工艺的研究与应用杨国辉湖南工学院机械工程系湖南衡阳421011)摘要炌介绍了氧-天然气切割各项工艺指标的试验情况。试验结果表明:采用合适的切割喷嘴及割前预热等措施氧-天然气切割工艺能满足一般的切割质量和切割效率要求且切断成本较低与氧乙炔切断工艺相比在经济效益方面具有显著的优势。关键词氧-天然气切割江艺中图分类号狸G482.3文献标识码文章编号:1004-96142004)6-0031-02Study and Application of Oxygen/Natural Gas Cutting TechniqueYang Guo-hiDeparment of Mechanical Engineering Hunan Institute of Technology Hengyang 421011 China)Abstract Introduced the test circumstance of various technological targets in the process of cutting with oxygen-natural gas. The re-sult shows that the cutting quality and efficiency can generally be obtained through selecting the suitable spray nozzle and using preheatng measure before cutting and the cost is so lower that the cost of oxygen/natural gas has the notable popularized and applied value inconlonKey words .Oxygen/ Natural Gas tuttingProcess1引言2天然气与乙炔的比较钢材的切割工艺除氧乙炔外还有等离子、氧丙天然气是一种无色无味透明的可燃气体,其主烷等但采用夭然气做切割燃料的报道较少。国内天要成分是甲烷CH4)取样分析的结果见表1。然气资源非常丰富价格低廉。随着西气东输工程的表1天然气的成分表建成天然气在工业上的大量应用将成为可能用天然气代替耗能大、成本高的乙炔进行钢材的切割,可89.98-∞.86.6-5.691.72-1.540.560.40.070.170.3以产生较好的经济效益和社会效益。天然气的主要性能与乙炔的比较见表2。表2天然气、乙炔的主要性能体积质量最低发热值1m3气体燃烧所需氧化量/爆炸限度/%与氧混合的气体(×10-4gcm-3)(kJm-3)在焊炬中完全燃烧在空气中在氧化中火焰温度/℃天然气6.156-6.154376817500-8500)5.2-13.81152963(12600)2.52.8-80.72.8-933100-3350由表2可知天然气的有效热值比乙炔低火焰能降低气体的流出速度增加单位时间内所燃烧的天然率比乙炔小燃烧速度比乙炔慢这给使用天然气气气数量提高燃烧温度。改进方法有二种:扩大混合割造成一定的困难。另一方面天然气在空气中的爆室的孔径及扩大外喷嘴內径。现采用第二种方法根炸范围小燃烧速度慢。因此爆炸、回火的可能性比据切割厚度将外喷嘴內径扩成不同旳孔径。结构形乙炔小使用天然气的安全性比乙炔高。状及有关尺寸见图1。3割炬的改进稳定段、收缩段由于天然气火焰能率小,温度低。而一般割炬氧(初始膨胀《过渡)孔道为直孔型其允许工作压力低氧流出口速度慢涡流大不能满足使用要求必须加以改进。割炬改进的方法比较简单主要是扩大混合室的喷口截面图1改进的切割喷嘴Pipeline Technique and EquipmentDec.2004喷嘴改制后,天然气切断火焰燃烧正常,没有表4切割规范参数时,切割口太宽;而采用小口径喷嘴切割大厚度钢气体试件板慶外唛嘴天然氧气氧气预热切割切口脱火现象。试验表明:当采用大口径喷嘴切割薄板孔径气流量流量压力时间速度宽度编号/mm板时,预热加切割时间减慢,切口不齐,甚至不能11400正常切割,因此,喷嘴孔径必须与切割厚度相适应1-294.06.33143-4124302-3才能获得良好的切割质量。为了提高切割效率,试4.06,4012.33~4用了如图2所示的快速切割喷嘴。该割嘴芯周围深浅4.56.32184-6404.55,42184-6251424~5切割氧孔道是利用了拉瓦尔喷管形的原理里当具有乙2-:0421233502:3定压力的气流经稳定段均化、并经收缩段加速后,4.511.23204~68160至喉部时达到临界速度,然后气流在扩散段扩散及注管道天然气压力很低故未列出仅以流量表示。膨胀可使高压切割氧流加速而获得接近于音速的高5切口质量速度。这样,预热时间大为缩短,切割速度明显加1外观检查快,切割质量显著改善。以切割厚度为40m的低碳切口表面比较光滑拖线稍有凹凸,上部边缘锐钢为例,预热时间缩短为10s左右,切割速度达到利,下部熔渣氧化物容易清除。与氧-乙炔切割相比切口表面光洁度可提高一级达ⅴ4~5级沏口宽240 mm/min度与氧-乙炔切口宽度相同。氧-天然气切割用于切割焊接坡口,可获得良好的切割质量。5.2切口表面硬度及含碳量氧-天然气切割的切口表面硬度及含碳量见表5。氧-天然气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属2快速割嘴结构图的含碳量。由于氧-天然气切割时火焰氧化性较强,切割氧孔道的直径取决于钢板厚度钢板厚度越碳的烧损较大因而切口表面硬度和含碳量都有所降大则切割氧孔道的直径也应越大见表3。切割氧的低出囗流速用马赫数M表示∶气流速度与音速之比)表5切口表面硬度及含量则取决于切割氧供气压力和切割速度,般M=2.0或以下当要求切割速度更高时可选M=2.5或更试件厚度方法0051234%切割距切口表面距离含碳量高些。编号/mm表3切割厚度与割枪外喷嘴孔径的关系1-1911371321251251261340.107割厚度/mm外喷嘴孔径d/m1-2911261321301271281320.1394.01-3911411351371281301310.169对照试验用割炬GO-100型1-4401531481451351321280.2262号割炬外喷嘴孔径为3m1-5401150145141321300.1774切割工艺1-64011351281281261280.169氧-天然气火焰由于燃烧温度较氧乙炔等切割2-1913713l1281261250.1732-24021571461351301301300.184工艺低,切割时需强化预热火焰。同时,由于天然注切割方法中为氧-天然气ρ为氧-乙炔。气着火点较高,致使点火较乙炔困难,因此,必须5,3母材和切口过热区金相组织用明火引燃,调整火焰更应谨慎,否则容易熄火金相组织照片见图3。试件材质为Q235含碳量点火前先开少量天然气,点火后送少量助燃氧,之为0.192%板厚为10mm.从金相组织来看氧-天然后逐渐增加夭然气与氧的流量,一直调整至内焰呈气切割的过热区为魏氏组织3级较氧-乙炔切割低喇叭花状时就可以进行预热和切割。试验选用的切一级优于氧-乙炔切割这是由于氧-天然气切割割规范及相对照的氧-乙炔切割规范见表4。从表4的温度低于氧-乙炔切割的温度造成的可以看出:由于氧一天然气火焰的温度比氧-乙炔上述质量分析表明氧-天然气切割质量与氧Pipeline Technique and EquipmentDec.2004足工程要求。对套管内管道的腐蚀检测目前几乎没道等(4)次检测可以获得管道360位置上的全部腐有任何手段正如前面提过管内清管器 Smart pig之蚀信息(5)敏度足以满足发现严重腐蚀或作为穿类方法往往难以发现套管腐蚀问题。目前工程上往孔预警。往用定期更换套管內管道来代替检测。据美国管道该技术缺点是需要专门装备(目前相当昂贵和安全办公室统计全美国有超过200万英里管道其中安装调试过程并且需要专业人员和足够经验对数据约30%管道无法使用清管器检测。由此可见该技术解释。但这些是可以克服的例如用定期巡检方法重要性。使一套装置在许多场合下使用减少装备投资和占用Teletestˆ仪器并不直接测量管壁厚度但能敏感经费对同一管道多次检测建立资料档案可大大简地反映管道壁厚变化检测到的数据被计算表达为管化数据解释工作等道截面积损失百分比,它对管道內壁损失和外壁损失鉴于目前尚无套管腐蚀的监测和预警方法。该同样敏感但目前设备尚不能区分腐蚀损失来自管道技术有极大应用前景。国内目前尚无此项技术希望外壁还是内壁有关部门能尽快组织人力跟踪研究。正如前面提过这项技术需要操作者的经验和技巧需要对土壤、湿度、涂层和管道状态有足够了解。[1 WORLTON DC. Non-destructive Testing1.-57218即使这样,它的重要性是不言自喻的因为在许多场[2 1 LEBSACJ S Non-invasive inspection method for unpiggable pipeline sec合下GWU是惟一可用的技术。tions Pipeline& Gas Joumal 200] 6)[3] MUDGE P J, Teletest" long range ultrasonic testing technique. Document5结束语Reference TTP/OI 2001该技术具有如下优点〔1)非破坏性检测避免开[4] LANK A M MUDGE P J. Development of long range ultrasonic methods of挖土方、取除保温层或防护层使检测费用大大降低assessing pipeline condition. Final Report for the NDT Supervisory Com-mittee of RRC Intemational 1997(2河用于清管器无法检测 Unpiggable)管段的检测,[ 5] MUDGE PJ, LANK A M. Detection of corrosion in pipes and pipelines.例如处于收发筒位置的管段〔3)可用于无法接触管ASNT International Chemical and Petroleum Industry Inspection Technolo-段的检测,如防护保温层下的管道、穿越套管内的管gy Topical Conference V Houston 1997(上接第32页)气作为切割燃料比用乙炔降低成本90%以上。表6氧-天然气切割用气情况比较表切割气体切割厚度/m气体耗量(m3m1)氧气耗量(m3m-1天然气017乙炔0.041乙炔0.0830.1207结束语母材(铁素体+珠光体)切口过热区(魏氏体3级)(a庳-天然气切割金相组织图1厌然气燃烧的火焰能率比乙炔低,切割过程中易熄火。针对这些特点把割炬改进成快速切割割炬可荻得比氧-乙炔切割更高质量的切口并且能满足切割速度的要求(2嵐-天然气切割成本低随着西气东输工程的完成天然气作为一种使用方便、价格低廉的燃料,母材(铁素体+珠光体)用于工业切割具有较大的经济价值和社会价值。切囗过热区(魏氏体4级b嵐-乙炔切割金相组织图参考文献图3母材和切口过热区金相组织[1]中国杋械工程学会焊接学会焊接方法及设备.北京机械工业出6经济指标版社199[2]刘云龙焊工技师手册北京机械工业出版社2002787-836对氧-天然气切割的用气量情况进行了比较见表业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业裝6。由表6看出利用天然气作为切割燃料比用乙炔的。欢迎访问燃气用量有较大的下降氧气用量略有增加由于乙炔3仪表技术与传感器网http:/www.i-s.com.cn为瓶装气而天然气为管道气且气压很低故以丙烷气栏目期刊查询产品世界学术园地、会员专