王金東,杜永軍,孟慶武,宋玉杰

(大慶石油學(xué)院機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶163318)

油管噴砂生產(chǎn)線除塵系統(tǒng)設(shè)計

王金東,杜永軍,孟慶武,宋玉杰

(大慶石油學(xué)院機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)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(shè)備,存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。為實現(xiàn)油管內(nèi)、外表面的自動化噴砂處理,改善工作環(huán)境,使粉塵排放達(dá)標(biāo),提出了由重力沉降室、旋風(fēng)除塵器、袋式除塵器組成的3級除塵系統(tǒng),并完成了適用于油管內(nèi)、外表面噴砂的2套除塵系統(tǒng)的設(shè)計和關(guān)鍵設(shè)備的優(yōu)選。

油管;干式噴砂;硅砂粉;3級除塵系統(tǒng)

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(hù)層的方法,以延長油管的使用壽命。保護(hù)層的質(zhì)量直接取決于涂鍍前的表面預(yù)處理質(zhì)量,因為表面徹底干凈和有適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙仁潜Ｗo(hù)層與油管牢固結(jié)合的先決條件。與化學(xué)清洗、機(jī)械拋丸、磨料射流[1-2]等方法相比,經(jīng)噴砂后的油管內(nèi)表面比較光亮,粗糙度易控制,表面質(zhì)量較高,其內(nèi)孔清潔度可完全達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),同時還具有效率高、成本低等優(yōu)點,因此空氣噴砂油管凈化方法得到了廣泛的應(yīng)用。但是,由于油管細(xì)而長,處理表面技術(shù)要求較高,以及處理量大等特點,油管的表面凈化工藝設(shè)備大多采用的是噴料為普通硅砂的開放式噴砂系統(tǒng),人工露天作業(yè),存在工作環(huán)境差、勞動強(qiáng)度大、環(huán)境污染嚴(yán)重、處理質(zhì)量不穩(wěn)定等嚴(yán)重問題。作者以外徑 ?73.03 mm,?內(nèi)徑62 mm,長8 m的油管為研究對象,研發(fā)了一套全封閉的油管噴砂生產(chǎn)線[3],其中,除塵系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)是該項研究的關(guān)鍵。

1 噴料輸送與砂塵處理流程

油管噴砂生產(chǎn)線分為3個子系統(tǒng),即,對油管內(nèi)表面進(jìn)行噴砂處理的內(nèi)噴砂系統(tǒng)、對油管外表面進(jìn)行噴砂處理的外噴砂系統(tǒng)和凈化噴砂后的含塵氣流的除塵系統(tǒng)。

噴砂除銹技術(shù)有多種方式:根據(jù)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(jù)氣壓不同可分為正壓噴砂和負(fù)壓噴砂;根據(jù)磨料的干濕可分為干式噴砂和濕式噴砂。正壓噴砂生產(chǎn)效率高,力量大,清理質(zhì)量好,但會出現(xiàn)硅砂破碎速度快,粉塵量大的問題。負(fù)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(jù)油田現(xiàn)場不同噴砂技術(shù)的應(yīng)用效果和實際需要,選擇噴料為硅砂的負(fù)壓式干式噴砂方式,并應(yīng)用除塵設(shè)備消除粉塵對工作環(huán)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(jī)分別為內(nèi)噴砂系統(tǒng)和外噴砂系統(tǒng)提供氣源,氣體經(jīng)內(nèi)、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(nèi)、外噴砂設(shè)備進(jìn)行噴砂作業(yè)。內(nèi)噴砂系統(tǒng)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(nèi)噴砂機(jī)架上,油管兩側(cè)的對接裝置自動實現(xiàn)夾緊對接。內(nèi)噴砂驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動3根噴槍前行,對接機(jī)構(gòu)實現(xiàn)密封對接后,氣砂混合物從噴頭噴出,噴向油管內(nèi)表面進(jìn)行內(nèi)噴砂作業(yè);達(dá)到極限位置后驅(qū)動機(jī)構(gòu)停止行進(jìn),落砂閥關(guān)閉,噴槍繼續(xù)噴射潔凈氣流4 s后,驅(qū)動機(jī)構(gòu)和噴槍自動退回,油管兩側(cè)對接裝置自動脫離對接位置,油管內(nèi)噴砂作業(yè)完成。下料裝置將完成內(nèi)噴砂的油管逐根放入外噴砂機(jī)架上,油管由滾輪帶動送入外噴砂室進(jìn)行外噴砂作業(yè)。內(nèi)、外噴砂作業(yè)的時間適當(dāng)匹配,整個系統(tǒng)可以連續(xù)工作。內(nèi)、外噴砂完畢后的含塵氣流分別送入位于內(nèi)、外儲砂罐上部的重力沉降室進(jìn)行分離,經(jīng)重力沉降室分離后,較大粒徑的砂料落入儲砂罐中循環(huán)使用,其余含塵氣流再經(jīng)由旋風(fēng)除塵器和袋式除塵器除塵凈化,達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后,氣流才可排入大氣。

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

圖1 噴料輸送與砂塵處理流程

2 除塵系統(tǒng)設(shè)計

2.1 工藝參數(shù)

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(yīng)保持在0.55～0.75 MPa。內(nèi)噴砂系統(tǒng)有3個噴嘴,外噴砂系統(tǒng)有6個噴嘴,每個噴嘴的排氣量為8～10 m3/min。內(nèi)噴砂壓縮機(jī)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(jī),外噴砂壓縮機(jī)的排氣量是內(nèi)噴砂的2倍,而排氣壓力相同,考慮到壓縮機(jī)的維修更換方便,采用2臺與內(nèi)噴砂相同的壓縮機(jī),還需要1臺備用,整個系統(tǒng)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(jī)。

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(jié)構(gòu)簡單,造價低,便于維護(hù)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(chǎn)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(xiàn)噴料的重復(fù)使用,如果砂粒的粒徑過小,會影響噴砂效率和噴砂質(zhì)量。

含塵氣體由管道進(jìn)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(shè)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(tài)、顆粒的水平移動速度與氣流速度相同的基礎(chǔ)上,在一定的工藝參數(shù)條件下,根據(jù)要求沉降的最小顆粒粒徑,計算出沉降室的幾何參數(shù)。

內(nèi)噴砂產(chǎn)生的氣體量為1 620 m3/h,為防止氣體外泄,除塵系統(tǒng)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(nèi)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(fēng)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(jié)。設(shè)備的含塵濃度中等,粉塵粒徑分布以中粗居多,常溫下作業(yè)。旋風(fēng)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(dá)94%以上[4-5],設(shè)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(yùn)行管理方便,無疑是首選目標(biāo)。

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

從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)2方面考慮,選購標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)除塵器更加合理。根據(jù)上述設(shè)計尺寸,內(nèi)噴砂選用CL T/A-4.0型標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)除塵器[6],主要參數(shù)為:進(jìn)口速度18 m/s;風(fēng)量1 780 m3/h;進(jìn)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(fēng)量是內(nèi)噴砂的2倍,選用CL T/A-5.5型標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)除塵器[4],主要參數(shù)為:進(jìn)口速度 18 m/s;風(fēng)量 3 360 m3/h;進(jìn)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(nèi)主要的煙塵凈化方法之一。袋式除塵器的應(yīng)用無論在數(shù)量上還是在投入上都比其他除塵設(shè)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(cè),而干凈氣體通過濾布到下游或干凈氣體側(cè),塵粒借助于自然的或機(jī)械的方法得以除去,其過濾機(jī)理主要有截留、慣性沉降、擴(kuò)散沉降、重力沉降、靜電沉降等。

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

由旋風(fēng)除塵器選型得知,系統(tǒng)中內(nèi)噴砂處理風(fēng)量為1 780 m3/h,外噴砂處理風(fēng)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(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。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(nèi)部,甚至?xí)高^濾料,導(dǎo)致出口含塵濃度增加,還會導(dǎo)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(shè)備,占地面積大,一次投資高。根據(jù)噴砂除塵和機(jī)械振動工況,風(fēng)速初選1.0 m/min,計算得到的內(nèi)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(hù)管理也方便。過濾形式選內(nèi)濾式,與外濾式相比,內(nèi)濾式的濾袋外部為清潔氣體,便于檢修和換袋,甚至不停機(jī)即可檢修,一般機(jī)械振動、反吹風(fēng)等清灰方式多采用內(nèi)濾式。進(jìn)氣口位置選下進(jìn)氣口,因為含塵氣體由除塵器下部進(jìn)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(jīng)濟(jì)。風(fēng)機(jī)設(shè)置選負(fù)壓式,置于除塵器之后,除塵器在負(fù)壓狀態(tài)下工作,由于含塵氣體經(jīng)凈化后再進(jìn)入風(fēng)機(jī),因此對風(fēng)機(jī)的磨損很小。清灰方式選擇機(jī)械振打方式,其結(jié)構(gòu)較簡單,成本低。

綜上所述,選擇 HD32(A)型內(nèi)噴砂袋式除塵器,主要性能參數(shù)為:過濾風(fēng)速<2.5 m/min,風(fēng)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(shù)為:過濾風(fēng)速<2.5 m/ min,風(fēng)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(jī)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(shù)較多,因此要求濾料薄而光滑,質(zhì)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(zhì)量300～350 g/m2;過濾速度0.6～1.0 m/min,對小型機(jī)可提高到1.0～1.5 m/min。又因為噴砂系統(tǒng)是用硅砂作為磨料,磨損性強(qiáng),因此以化學(xué)纖維為首選,化纖織物中的緞紋織物能加強(qiáng)纖維之間的交絡(luò)性,可選用化纖緞紋。氈料中宜用針刺方式加強(qiáng)纖維之間的交絡(luò)性,可選用的濾布為化纖緞紋針刺氈。

2.5 風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)的選配需要根據(jù)除塵系統(tǒng)及其管道配置來確定系統(tǒng)的總抽風(fēng)量和總阻力。在確定了除塵系統(tǒng)抽風(fēng)量的基礎(chǔ)上,一般增加10%～15%的漏風(fēng)附加系數(shù)作為選擇風(fēng)機(jī)時的計算風(fēng)量?？紤]到風(fēng)機(jī)的波動性,在除塵系統(tǒng)所需風(fēng)壓的基礎(chǔ)上,增加10%的附加系數(shù),所得到的風(fēng)壓值作為選擇風(fēng)機(jī)的計算風(fēng)壓。本系統(tǒng)風(fēng)機(jī)安裝在袋式除塵器之后,而且系統(tǒng)中壓損較大,故應(yīng)選擇高壓排塵風(fēng)機(jī),選擇的風(fēng)機(jī)為9-19型離心通風(fēng)機(jī),與同類風(fēng)機(jī)相比,具有效率高、噪聲低、性能曲線平坦、高效區(qū)寬廣的特點。

內(nèi)、外噴砂各配置1臺9-19型離心通風(fēng)機(jī)。內(nèi)噴砂風(fēng)機(jī)機(jī)號為No.5.6A,轉(zhuǎn)速2 900 r/min,風(fēng)量2 262～4 901 m3/h,風(fēng)壓7 182～6 400 Pa,配套Y160M1-2型電機(jī),電機(jī)功率11 kW。外噴砂風(fēng)機(jī)機(jī)號為No.6.3A,轉(zhuǎn)速2 900 r/min,風(fēng)量3 220～5 153 m3/h,風(fēng)壓9 149～9 055 Pa,配套 Y160L-2型電機(jī),電機(jī)功率18.5 kW。

3 結(jié)語

在對粉塵凈化技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行綜合分析與研究的基礎(chǔ)上,提出了由重力沉降室、旋風(fēng)除塵器、袋式除塵器組成的3級除塵系統(tǒng),完成了內(nèi)、外噴砂除塵系統(tǒng)的設(shè)計和關(guān)鍵設(shè)備的優(yōu)選。這是實現(xiàn)油管內(nèi)、外噴砂流水作業(yè),噴砂、集砂、補(bǔ)砂一體化,粉塵排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),完成研制環(huán)保型自動化油管噴砂處理生產(chǎn)線的關(guān)鍵。

該3級除塵系統(tǒng)除塵效率可達(dá)99.5%以上,出口粉塵排放滿足國家環(huán)保排放要求。整套系統(tǒng)以選配標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備為主,設(shè)備投資及運(yùn)轉(zhuǎn)費用低,無二次污染,便于操作和維護(hù)。該系統(tǒng)能夠顯著改善油管噴砂處理人工露天作業(yè)存在的污染環(huán)境、損害工人健康、生產(chǎn)率低、質(zhì)量難以保證等問題,能為企業(yè)帶來明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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

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

[3] 王金東,趙海洋.環(huán)保型噴砂油管凈化處理生產(chǎn)線設(shè)計[J].石油礦場機(jī)械,2009,38(6):72-74.

[4] 李兆龍,賀延明.經(jīng)濟(jì)適用的噴砂除塵設(shè)施[J].西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,1999,19(3):283-286.

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

[6] 張殿印,王 純.除塵工程設(shè)計手冊[K].北京:化學(xué)工業(yè)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(guān)項目(GZ07A502);大慶市科技攻關(guān)項目(SGG2006-004)

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