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(shù)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(chǎn)過程中，需要對連續(xù)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?；鹧媲懈畲嬖诘膯栴}主要有：①預(yù)熱和穿孔時間長，切割速度慢，難以滿足厚壁鋼管生產(chǎn)速度的要求；②切口附近鋼管內(nèi)表面氧化鐵飛濺粘結(jié)，難以清理干凈，管端擴徑時導(dǎo)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(tài)）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(jié)。

隨著大直徑厚壁螺旋焊管市場需求的增加、生產(chǎn)焊接速度的不斷提高以及對切口質(zhì)量的更高要求，越來越多的制管企業(yè)采用空氣等離子切割法。但等離子切割時會產(chǎn)生大量有害煙塵，污染車間環(huán)境，因此有必要不斷改進煙塵凈化系統(tǒng)，有效控制煙塵對車間環(huán)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(yè)，用水來捕捉切割產(chǎn)生的煙塵，從而達到凈化環(huán)境的目的；②通過風機及管道將切割煙塵轉(zhuǎn)移至水或其他液體介質(zhì)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(shè)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(nèi)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(tǒng)

由于螺旋焊管生產(chǎn)工藝特點和切割環(huán)境條件限制，通常采用干式處理法。根據(jù)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(tǒng)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(chǎn)中普遍采用的方式，其系統(tǒng)如圖1所示。在鋼管頭部（出口端）設(shè)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(jīng)凈化處理后排放尾氣。選擇該工位優(yōu)點在于吸塵位置固定，缺點是煙塵分散，吸凈率低，生產(chǎn)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(nèi)焊焊槍、小車軌道、成型小輥等設(shè)備造成污染，影響其壽命及調(diào)整精度，對內(nèi)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(tǒng)如圖2所示。在鋼管兩端各設(shè)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(jīng)凈化處理后排放尾氣。選擇該工位優(yōu)點在于煙塵捕集口靠近煙塵產(chǎn)生源，難點在于吸塵罩與切割裝置在空間位置上發(fā)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(tǒng)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(yè)在采用，其工作原理為：在鋼管頭部區(qū)域設(shè)置移動式吸塵罩，切管作業(yè)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(qū)域，煙塵收集后送至凈化主機處理。該方式的優(yōu)點是煙塵在鋼管頭部區(qū)域收集，不會對內(nèi)焊槍、小車軌道、自動跟蹤探頭等設(shè)備造成污染；缺點是移動式吸塵罩與鋼管同步前進的穩(wěn)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(tǒng)，都要應(yīng)用煙塵凈化處理設(shè)備，目前普遍采用的某凈化處理設(shè)備存在設(shè)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(tǒng)的改進

螺旋焊管等離子切割煙塵處理系統(tǒng)關(guān)鍵在于煙塵捕集工位選擇、吸塵罩裝置設(shè)計、煙塵凈化處理設(shè)備選型及配套壓縮空氣系統(tǒng)改進設(shè)計。針對系統(tǒng)在實際應(yīng)用中存在的問題和不足，結(jié)合Φ2 420 mm大直徑鋼管生產(chǎn)需要，對系統(tǒng)進行了改進設(shè)計和優(yōu)化。

3.1 煙塵捕集工位選擇及吸塵罩與管道設(shè)計

綜合考慮煙塵對內(nèi)焊及成型設(shè)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(shè)計由移動式優(yōu)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(shè)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(jīng)除塵主機凈化處理后排放，改進后的煙塵處理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 改進后煙塵處理系統(tǒng)示意圖

結(jié)合切斷工藝、鋼管長度變化和Φ2 420 mm規(guī)格鋼管生產(chǎn)需要，吸塵罩外形尺寸優(yōu)化設(shè)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(shè)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(jù)生產(chǎn)管徑而定，易于形成穩(wěn)定的吸塵氣流，防止煙塵散開。吸塵罩側(cè)面對應(yīng)吸塵口位置，設(shè)計6個Φ300 mm吸塵通道（通道上均設(shè)計風閥，電動控制其開閉），每組3個，分兩組匯集到兩側(cè)Φ500 mm主通道，分別進入兩個處理器，可根據(jù)實際情況設(shè)置每個吸塵通道開閉狀態(tài)。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(shè)備選型及改進

3.2.1 主機吸塵風量設(shè)計及設(shè)備選型

根據(jù)《除塵工程設(shè)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(jié)構(gòu)形狀和設(shè)置情況有關(guān)的系數(shù)，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(chǎn)塵范圍，送風系統(tǒng)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(jù)計算的風量需求和設(shè)備風量參數(shù)，通過經(jīng)濟對比分析，確定選兩臺風量為18 000 m3/h的主機并聯(lián)。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(shè)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(yōu)點。因此，等離子煙塵凈化主機宜采用濾筒式除塵設(shè)備。

3.2.3 濾筒材質(zhì)選擇

濾筒材質(zhì)選用PTFE覆膜聚酯長纖維，其主要優(yōu)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(tǒng)濾料更能經(jīng)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??；⑤濾料挺度好，可多次清洗，干燥后重復(fù)使用。

表1 濾筒式與布袋式除塵對比

3.2.4 濾筒結(jié)構(gòu)

采用整體式濾桶設(shè)計，維護、檢修、更換方便快捷；優(yōu)化濾桶反吹機構(gòu)設(shè)計，每個濾桶對應(yīng)一組反吹機構(gòu)，濾筒內(nèi)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(tǒng)改進設(shè)計

煙塵凈化處理設(shè)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(zhì)，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(chǎn)現(xiàn)場使用的壓縮空氣含油、水等雜質(zhì)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(tǒng)進行改進設(shè)計，改進后的系統(tǒng)流程如圖4所示。經(jīng)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(zhì)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(tǒng)流程

4 結(jié)束語

改進后的等離子切割煙塵凈化處理系統(tǒng)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(yīng)用，完全滿足Φ508～Φ2 420 mm鋼管生產(chǎn)需要，變更鋼管規(guī)格時無需做任何工裝更換和調(diào)整。該系統(tǒng)對煙塵的吸凈率達95%以上，經(jīng)凈化處理后的尾氣可直接排放，完全滿足環(huán)保達標排放要求。

通過一年多的現(xiàn)場應(yīng)用，改進后的煙塵處理系統(tǒng)運行穩(wěn)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(chǎn)時效果尤為明顯，有效控制了煙塵對車間環(huán)境的污染。

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