胡義勇， 李夏喜， 李 松， 梁文虎， 李卓威， 萬榮暉

(1.北京燃氣集團，北京100081；2.北京鑫廣進燃氣設(shè)備研究所，北京100081)

1 概述

隨著天然氣事業(yè)的快速發(fā)展，早期投入使用的燃氣管道逐漸進入老齡期，或因存在其他安全隱患，亟需進行更新改造[1-2]。在此背景下，生產(chǎn)作業(yè)、搶修作業(yè)量日益增加，以北京燃氣集團為例，每年對燃氣管道的更換或維修逾5 000次。

新發(fā)展工程、管網(wǎng)更新改造、搶修作業(yè)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是管道開孔和封堵作業(yè)。目前，普遍采用對燃氣管道進行帶壓作業(yè)，主要有降壓手工作業(yè)和機械帶壓作業(yè)兩種方式[3-4]。降壓手工作業(yè)對作業(yè)環(huán)境要求低、適用范圍廣，但會在在一定時間內(nèi)影響用戶的正常用氣，而且會造成一定的資源浪費、環(huán)境影響，耗費較大的人力、物力[5]；機械帶壓作業(yè)作為一種管道不停輸作業(yè)技術(shù)，被引進國內(nèi)已逾20 a，有安全可靠、經(jīng)濟實用、高效節(jié)能、不影響用氣等優(yōu)勢，但該作業(yè)方式對作業(yè)條件要求高、作業(yè)時間長、成本高。

2 等離子弧切割技術(shù)

等離子弧切割(PAC)技術(shù)[6-7]是利用極細且高溫的等離子弧(壓縮電弧)，使局部金屬迅速熔化，再用氣流把熔化的金屬吹走的切割方法[6]。等離子弧切割的離子氣可以采用氮氣、空氣和氧氣等，根據(jù)離子氣種類不同，等離子弧切割分為氮等離子弧切割、空氣等離子弧切割和氧等離子弧切割等，主要參數(shù)有氣體壓力、切割電流、噴嘴孔道比及噴嘴至工件的距離等。由于該技術(shù)具有切割效率高、損耗低、適用范圍廣等優(yōu)點已廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)、制造等行業(yè)。如能將等離子弧切割技術(shù)應(yīng)用于帶壓燃氣管道的開孔作業(yè)，將從根本上變革現(xiàn)有的作業(yè)方式，顯著提高帶壓燃氣管道的開孔和封堵作業(yè)效率。

3 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)中所用真空壓力表，既能測大于0的相對壓力，也能測小于0的相對壓力。本文中大氣壓力為101.325 kPa。

為了模擬帶壓燃氣環(huán)境，設(shè)計了一個邊長均為900 mm的試驗箱，該試驗箱為密閉的壓力容器。試驗箱體的頂端安裝有真空壓力表，用于在試驗過程中監(jiān)測箱體內(nèi)部氣體的相對壓力。箱體左側(cè)安裝有電磁閥，用于控制箱體的進氣和排氣過程。箱體左右兩側(cè)均設(shè)計了等離子弧切割電源及運動控制系統(tǒng)電源線進出箱體的密封通道，箱體內(nèi)外的電線由航空插頭相連接?？尚行则炞C試驗系統(tǒng)原理見圖1。試驗系統(tǒng)主要設(shè)備規(guī)格參數(shù)見表1。

圖1 可行性驗證試驗系統(tǒng)原理

名稱規(guī)格數(shù)量等離子弧切割箱900 mm×900 mm×900 mm1個天然氣供氣裝置DPL450-195-1.371套氮氣瓶容積43.3 L;工作壓力22.65 MPa1瓶數(shù)控等離子切割機松勒LGK-40/100/1201臺水平滑臺電機型號為 KK5002P-300-A1-C,伺服電機功率為100 W1套豎直滑臺電機型號為 KK5002P-300-A1-C,伺服電機功率為50 W1套電磁閥2W400-40E二位二通防爆電磁閥,型號:2W-160-10-E(AC220 V)2個真空壓力表亞普儀表,量程為-0.1～2 MPa2個試驗工件3 mm厚鋼板15塊

由于本試驗?zāi)M的是帶壓燃氣作業(yè)環(huán)境，具有一定的危險性，為了確保試驗人員的人身安全，特設(shè)計了一個工作防護坑進行防護，將試驗箱安放在工作防護坑坑底合適的位置，其他試驗設(shè)備安放在工作防護坑外的地面上。由于試驗期間正值雨季，為了安全起見，在試驗場地搭建一防護棚，在防護棚下挖掘了一個1.8 m×1.8 m×1.5 m的工作防護坑，為了防止雨水或地下水流到工作坑內(nèi)，工作坑底部和四壁均作了防水和砌磚處理。工作防護坑見圖2。

圖2 工作防護坑

4 可行性試驗方法和步驟

① 試驗方法

試驗用氮氣作為等離子氣，采用等離子弧切割金屬工件。改變試驗箱中燃氣與氮氣的相對壓力比例，以驗證等離子切割技術(shù)可應(yīng)用于不同帶壓燃氣環(huán)境。混合氣體相對壓力約為10 kPa，其中燃氣壓力占比由0%，間隔10%，遞增至100%，氮氣壓力占比則相應(yīng)減少。共進行11組試驗。

② 試驗步驟

a.將割槍等離子氣氣源換成氮氣。

b.將待切割工件放進等離子切割試驗箱內(nèi)的絕緣板上。

c.關(guān)上箱門，并做好密封。

d.檢查割槍、割槍連接件、旋轉(zhuǎn)電機、十字滑臺、各個航空插頭、電磁閥、驅(qū)動器、電腦控制器、連接線、切割電源、380 V電源等，確保無誤之后，進行下一步操作。

e.將氮氣瓶與箱體進口電磁閥相連接，保證接口密封性。

f.將真空泵與箱體相連接，保證接口的密封性，打開真空泵開關(guān)，給箱體抽真空，同時觀察真空壓力表，當真空壓力表顯示-99 kPa時停止抽真空，關(guān)閉真空泵閥門。

g.打開箱體進氣口電磁閥，先向箱體內(nèi)充入氮氣，達到一定相對壓力后，再向箱體內(nèi)充入燃氣，按照前文提及的氮氣與燃氣壓力比例，調(diào)整箱體內(nèi)的混合氣體比例，當箱體內(nèi)相對壓力達到約10 kPa時緩慢關(guān)閉進氣口電磁閥。調(diào)整好之后，現(xiàn)場人員撤離到安全地帶，現(xiàn)場做好安全防護措施。一切就緒之后，遠程啟動控制系統(tǒng)開關(guān)，開始切割工件，攝像機同時進行攝像，留存影像記錄。

h.重復(fù)上述步驟，直至全部氣體混合比例下的試驗操作完成。

③ 試驗注意事項

a.每次抽真空后需觀察一定時間，確保箱體密閉性；b.每次切割后需靜置一段時間，直至箱體內(nèi)切割熔渣冷卻；c.在置換試驗箱體內(nèi)燃氣環(huán)境時，需同時開啟真空泵幫助換氣；d.當箱體內(nèi)有燃氣時，嚴禁人下到工作坑底，所有操作均在工作坑外進行。

5 試驗結(jié)果及問題探討

① 試驗結(jié)果

本次帶壓燃氣管道開孔作業(yè)可行性試驗共做了11組，每組試驗對應(yīng)不同的燃氣與氮氣壓力比。本文提供了5組試驗數(shù)據(jù)，分別是切割箱體內(nèi)燃氣壓力比為10%、20%、60%、80%、100%的情況，不同燃氣壓力比例下等離子弧切割試驗結(jié)果見表2。試驗時，先將氮氣充入至某相對壓力，然后充燃氣，直至混合氣體相對壓力為10 kPa左右。

表2 不同燃氣壓力比例下等離子弧切割試驗結(jié)果

從現(xiàn)場試驗工件切割情況來看，工件被等離子弧切割的切口光滑均勻，沒有毛邊等缺陷，充分證明了在帶壓燃氣環(huán)境下，采用等離子弧切割技術(shù)進行開孔切割是可行的。

② 問題探討

a.切割過程中會發(fā)生斷弧現(xiàn)象，究其原因也許是隨著燃氣含量增加，等離子弧割槍引弧更加困難，因此，本研究通過調(diào)整割槍槍頭與待切割工件的垂直距離來解決斷弧問題。

b.切割過程中偶有切口出現(xiàn)熔融金屬未能被全部吹走的情況，分析與等離子弧切割電源的電壓、電流、等離子氣壓力等因素有關(guān)，還需進一步研究。

6 結(jié)論

① 通過本次帶壓燃氣管道開孔作業(yè)可行性試驗，11組不同燃氣比例的等離子弧切割試驗均順利完成，工件割口均勻光滑，沒有毛邊等缺陷，充分證明了在帶壓燃氣環(huán)境下，采用等離子弧切割進行開孔切割是安全可行的。

② 在帶壓燃氣環(huán)境下，等離子弧切割工件的時間較短，極為高效，切割一個直徑為190 mm的孔洞所需時間短，提高了開孔作業(yè)效率。