油管喷砂生产线除尘系统设计

王金东,杜永军,孟庆武,宋玉杰

(大庆石油学院机械科学与工程学院,黑龙江大庆163318)

油管喷砂生产线除尘系统设计

王金东,杜永军,孟庆武,宋玉杰

(大庆石油学院机械科学与工程学院,黑龙江大庆163318)

油管表面喷砂处理大多采用的是喷料为普通硅砂的开放式喷砂设备,存在严重的环境污染问题。为实现油管内、外表面的自动化喷砂处理,改善工作环境,使粉尘排放达标,提出了由重力沉降室、旋风除尘器、袋式除尘器组成的3级除尘系统,并完成了适用于油管内、外表面喷砂的2套除尘系统的设计和关键设备的优选。

油管;干式喷砂;硅砂粉;3级除尘系统

油田每年因腐蚀破坏等原因,使大量油管报废,损失巨大。许多油田采用对新油管涂镀保护层的方法,以延长油管的使用寿命。保护层的质量直接取决于涂镀前的表面预处理质量,因为表面彻底干净和有适当的表面粗糙度是保护层与油管牢固结合的先决条件。与化学清洗、机械抛丸、磨料射流[1-2]等方法相比,经喷砂后的油管内表面比较光亮,粗糙度易控制,表面质量较高,其内孔清洁度可完全达到规定的标准,同时还具有效率高、成本低等优点,因此空气喷砂油管净化方法得到了广泛的应用。但是,由于油管细而长,处理表面技术要求较高,以及处理量大等特点,油管的表面净化工艺设备大多采用的是喷料为普通硅砂的开放式喷砂系统,人工露天作业,存在工作环境差、劳动强度大、环境污染严重、处理质量不稳定等严重问题。作者以外径 «73.03 mm,«内径62 mm,长8 m的油管为研究对象,研发了一套全封闭的油管喷砂生产线[3],其中,除尘系统及相关技术是该项研究的关键。

1 喷料输送与砂尘处理流程

油管喷砂生产线分为3个子系统,即,对油管内表面进行喷砂处理的内喷砂系统、对油管外表面进行喷砂处理的外喷砂系统和净化喷砂后的含尘气流的除尘系统。

喷砂除锈技术有多种方式:根据磨料种类的不同可分为喷石英砂、河砂、铁砂、铁丸、短钢丝等;根据气压不同可分为正压喷砂和负压喷砂;根据磨料的干湿可分为干式喷砂和湿式喷砂。正压喷砂生产效率高,力量大,清理质量好,但会出现硅砂破碎速度快,粉尘量大的问题。负压喷砂力量小,硅砂破碎速度慢,但效率低。干式喷砂工艺效率高、适用范围广,耗能低,对锻件、热处理件及挂胶零件表面的油污、锈蚀粘砂、氧化物等清除非常适用,但是干式喷砂会带来粉尘量大、处理困难的难题。湿式喷砂的方式必须先解决好钢铁表面喷砂后容易在水中重新氧化锈蚀的问题。

根据油田现场不同喷砂技术的应用效果和实际需要,选择喷料为硅砂的负压式干式喷砂方式,并应用除尘设备消除粉尘对工作环境的污染。喷料输送与砂尘处理流程如图1。

选用空气压缩机分别为内喷砂系统和外喷砂系统提供气源,气体经内、外储砂罐下部安装的气砂混合阀后与砂料混合,含砂气流分别送入内、外喷砂设备进行喷砂作业。内喷砂系统1个行程可净化3根油管,长8 m的待喷油管由上料装置放入内喷砂机架上,油管两侧的对接装置自动实现夹紧对接。内喷砂驱动机构带动3根喷枪前行,对接机构实现密封对接后,气砂混合物从喷头喷出,喷向油管内表面进行内喷砂作业;达到极限位置后驱动机构停止行进,落砂阀关闭,喷枪继续喷射洁净气流4 s后,驱动机构和喷枪自动退回,油管两侧对接装置自动脱离对接位置,油管内喷砂作业完成。下料装置将完成内喷砂的油管逐根放入外喷砂机架上,油管由滚轮带动送入外喷砂室进行外喷砂作业。内、外喷砂作业的时间适当匹配,整个系统可以连续工作。内、外喷砂完毕后的含尘气流分别送入位于内、外储砂罐上部的重力沉降室进行分离,经重力沉降室分离后,较大粒径的砂料落入储砂罐中循环使用,其余含尘气流再经由旋风除尘器和袋式除尘器除尘净化,达到排放标准后,气流才可排入大气。

在油管喷砂处理过程中,内喷砂工艺是间歇性作业,而外喷砂是连续作业,二者的气体处理量也不同,因此,需要为内、外喷砂分别配置各自的除尘设备,即内、外喷砂需各配置一套重力沉降室、旋风除尘器、袋式除尘器和其他附属设备。

图1 喷料输送与砂尘处理流程

2 除尘系统设计

2.1 工艺参数

空气压力越高则清理效率越高。但因空气压力升高后,磨料的破碎率、对被喷材料的切蚀、喷射的有效距离及空气紊流都会随之变化,并反映到清理效率中来。综合考虑各方面因素,空气压力最好为0.7 MPa左右,一般应保持在0.55～0.75 MPa。内喷砂系统有3个喷嘴,外喷砂系统有6个喷嘴,每个喷嘴的排气量为8～10 m3/min。内喷砂压缩机选择1台排气压力为0.7 MPa,排气量为27 m3/min的活塞式压缩机,外喷砂压缩机的排气量是内喷砂的2倍,而排气压力相同,考虑到压缩机的维修更换方便,采用2台与内喷砂相同的压缩机,还需要1台备用,整个系统需要4台排气压力为0.7 MPa、排气量为27 m3/min的活塞式压缩机。

2.2 重力沉降室

重力沉降室是利用含尘气体中的颗粒受重力作用而自然沉降的原理,将颗粒状硅砂与气体及污染物分离的过程。重力沉降室结构简单,造价低,便于维护管理,压力损失小。主要缺点是沉降小颗粒的效率低,一般只能除去50μm以上的大颗粒。油管喷砂生产线不仅是利用重力沉降室除尘,更重要的是利用其筛选功能实现喷料的重复使用,如果砂粒的粒径过小,会影响喷砂效率和喷砂质量。

含尘气体由管道进入比管道尺寸大得多的沉降室时,流速会突然减慢,使颗粒能在重力作用下沉降。在假设通过沉降断面的水平气流速度分布是均匀的并呈层流状态、颗粒的水平移动速度与气流速度相同的基础上,在一定的工艺参数条件下,根据要求沉降的最小颗粒粒径,计算出沉降室的几何参数。

内喷砂产生的气体量为1 620 m3/h,为防止气体外泄,除尘系统排气量要大于喷砂所用气体量,取为1 700 m3/h。外喷砂排气量是内喷砂的2倍,即3 400 m3/h。计算得到的重力沉降室的尺寸为016 m×0.3 m×0.4 m(长×度×高)。上述几何尺寸的沉降室可沉降的最小颗粒的粒径为181μm,小于喷砂要求的200μm,但因为重力沉降室的除尘效率较低,以上几何尺寸符合油管喷砂的工艺要求。计算得到外喷砂重力沉降室基本几何尺寸为016 m× 016 m×0.4 m(长×度×高)。

2.3 旋风除尘器

油管喷砂过程中的粉尘包括河砂自身粘附夹持的外界粉尘,砂子破碎形成的粉尘和油管表面的油污、氧化物等被喷料撞击形成的粉尘等。喷砂工艺粉尘的主要成分为硅砂粉,干燥、无毒、不腐蚀、不粘结。设备的含尘浓度中等,粉尘粒径分布以中粗居多,常温下作业。旋风除尘器的工作性能比较适合上述工作条件,对中、粗粒径粉尘的除尘效率可高达94%以上[4-5],设备投资费用仅为其他类型除尘器的1/3～1/2,且动力消耗低,运行管理方便,无疑是首选目标。

按照排风量为 1 700 m3/h,进口速度取18 m/s,设计计算得到旋风除尘器的入口高为260 mm,宽为100 mm,由此可计算出旋风除尘器其他各部分尺寸。

从技术与经济2方面考虑,选购标准旋风除尘器更加合理。根据上述设计尺寸,内喷砂选用CL T/A-4.0型标准旋风除尘器[6],主要参数为:进口速度18 m/s;风量1 780 m3/h;进口直径 «400 mm;出口直径 «240 mm;入口高264 mm,宽104 mm;压力损失为1 950 Pa。外喷砂所需处理风量是内喷砂的2倍,选用CL T/A-5.5型标准旋风除尘器[4],主要参数为:进口速度 18 m/s;风量 3 360 m3/h;进口直径«550 mm;出口直径«330 mm;入口高363 mm,宽143 mm;压力损失1 950 Pa。

2.4 袋式除尘器

采用袋式除尘器是近几年来在世界范围内主要的烟尘净化方法之一。袋式除尘器的应用无论在数量上还是在投入上都比其他除尘设备具有更快的增长速度。在袋式除尘器中,含尘气体单向穿过滤布,尘粒留在上游或滤布的含尘气体侧,而干净气体通过滤布到下游或干净气体侧,尘粒借助于自然的或机械的方法得以除去,其过滤机理主要有截留、惯性沉降、扩散沉降、重力沉降、静电沉降等。

旋风除尘器对10μm以上尘粒有较高的效率,但对于细微尘粒的除尘效率不高,从旋风除尘器出来的含尘气体如果直接排入大气,其粉尘浓度达不到环保要求,故需要袋式除尘器进一步净化除尘。袋式除尘器的处理风量很大,对于1μm以上的尘粒除尘效率很高,可达99.5%以上。

由旋风除尘器选型得知,系统中内喷砂处理风量为1 780 m3/h,外喷砂处理风量为3 360 m3/h。过滤速度是表示袋式除尘器捕集尘粒的重要技术经济指标。若过滤速度过快,积淤滤料上的粉尘层全被压实,阻力急剧增加,由于滤料两边的压差增加,使粉尘渗入滤料内部,甚至会透过滤料,导致出口含尘浓度增加,还会导致滤料上的粉尘层迅速形成,引起过于频繁的清灰;过滤速度低,阻力低,效率高,但需要较大的设备,占地面积大,一次投资高。根据喷砂除尘和机械振动工况,风速初选1.0 m/min,计算得到的内喷砂过滤面积为32.6 m2,外喷砂过滤面积为61.6 m2。滤袋形状选圆袋,与扁袋相比,其支撑骨架以及连接较简单,清灰容易,维护管理也方便。过滤形式选内滤式,与外滤式相比,内滤式的滤袋外部为清洁气体,便于检修和换袋,甚至不停机即可检修,一般机械振动、反吹风等清灰方式多采用内滤式。进气口位置选下进气口,因为含尘气体由除尘器下部进入,气流自下而上,大颗粒直接落入灰斗,减少了滤袋磨损,延长了清灰时间,且成本低,较经济。风机设置选负压式,置于除尘器之后,除尘器在负压状态下工作,由于含尘气体经净化后再进入风机,因此对风机的磨损很小。清灰方式选择机械振打方式,其结构较简单,成本低。

综上所述,选择 HD32(A)型内喷砂袋式除尘器,主要性能参数为:过滤风速<2.5 m/min,风量1 401～1 978 m3/h,过滤面积15 m2,压力损失< 1 200 Pa,除尘效率>99.5%。HD64(A)型外喷砂袋式除尘器的主要性能参数为:过滤风速<2.5 m/ min,风量3 572～3 847 m3/h,过滤面积29 m2,压力损失<1 200 Pa,除尘效率>99.5%。

机械振打式袋式除尘器的特点是施加于粉尘层的动能较少而次数较多,因此要求滤料薄而光滑,质地柔软,有利于传递振动波,宜选用化纤缎纹或斜纹织物,厚度0.3～0.7 mm,单位面积质量300～350 g/m2;过滤速度0.6～1.0 m/min,对小型机可提高到1.0～1.5 m/min。又因为喷砂系统是用硅砂作为磨料,磨损性强,因此以化学纤维为首选,化纤织物中的缎纹织物能加强纤维之间的交络性,可选用化纤缎纹。毡料中宜用针刺方式加强纤维之间的交络性,可选用的滤布为化纤缎纹针刺毡。

2.5 风机

风机的选配需要根据除尘系统及其管道配置来确定系统的总抽风量和总阻力。在确定了除尘系统抽风量的基础上,一般增加10%～15%的漏风附加系数作为选择风机时的计算风量。考虑到风机的波动性,在除尘系统所需风压的基础上,增加10%的附加系数,所得到的风压值作为选择风机的计算风压。本系统风机安装在袋式除尘器之后,而且系统中压损较大,故应选择高压排尘风机,选择的风机为9-19型离心通风机,与同类风机相比,具有效率高、噪声低、性能曲线平坦、高效区宽广的特点。

内、外喷砂各配置1台9-19型离心通风机。内喷砂风机机号为No.5.6A,转速2 900 r/min,风量2 262～4 901 m3/h,风压7 182～6 400 Pa,配套Y160M1-2型电机,电机功率11 kW。外喷砂风机机号为No.6.3A,转速2 900 r/min,风量3 220～5 153 m3/h,风压9 149～9 055 Pa,配套 Y160L-2型电机,电机功率18.5 kW。

3 结语

在对粉尘净化技术及设备进行综合分析与研究的基础上,提出了由重力沉降室、旋风除尘器、袋式除尘器组成的3级除尘系统,完成了内、外喷砂除尘系统的设计和关键设备的优选。这是实现油管内、外喷砂流水作业,喷砂、集砂、补砂一体化,粉尘排放达到标准,完成研制环保型自动化油管喷砂处理生产线的关键。

该3级除尘系统除尘效率可达99.5%以上,出口粉尘排放满足国家环保排放要求。整套系统以选配标准化设备为主,设备投资及运转费用低,无二次污染,便于操作和维护。该系统能够显著改善油管喷砂处理人工露天作业存在的污染环境、损害工人健康、生产率低、质量难以保证等问题,能为企业带来明显的经济和社会效益。

[1] 牛继磊,徐依吉,李根生.磨料射流技术用于石油管道表面预处理[J].腐蚀科学与防护技术,2003,15(4): 247-249.

[2] 胡彩萍,朱 军,杨中领,等.高压射流清洗机的应用[J].石油矿场机械,2003,32(6):1-3.

[3] 王金东,赵海洋.环保型喷砂油管净化处理生产线设计[J].石油矿场机械,2009,38(6):72-74.

[4] 李兆龙,贺延明.经济适用的喷砂除尘设施[J].西安矿业学院学报,1999,19(3):283-286.

[5] 刘保余.直接式原油加热炉脱硫除尘系统研究[J].石油矿场机械,2007,36(8):71-74.

[6] 张殿印,王 纯.除尘工程设计手册[K].北京:化学工业出版社,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

黑龙江省科技攻关项目(GZ07A502);大庆市科技攻关项目(SGG2006-004)

王金东(1964-),男,山东诸城人,教授,博士,从事机械设备故障诊断、石油机械设备等方面的教学与科研工作, E-mail:nanxiqiao@sina.com。