CC BY
81
ГАЗОВАЯ ПРОмЫШЛЕННОСТЬ
Выбор оптимальных режимов гидроабразивного резания металла
УДК 622.691
И.В. Добровольский
главный механик1 [email protected]
м.м. Лях
к.т.н., профессор2 [email protected]
1ЧАО «Укргаздобыча», Харьков, Украина 2Ивано-Франковский Национальный Технический университет нефти и газа, Ивано-Франковск, Украина
При ликвидации открытых фонтанов часто возникает проблема по демонтажу устьевого оборудования. Данные работы очень опасные и трудоемкие. Применение метода резки аварийного оборудования гидроабразивным способом может существенно обезопасить и ускорить работы по ликвидации аварии в целом.
В статье определяется оптимальный режим резания и состав гидроабразивной смеси для резания металлоконструкций давлением до 40 мПа при проведении работ по резанию устьевого оборудования для ликвидации открытых фонтанов.
материалы и методы
Испытательный стенд «Струя». Образцы стали разных марок.
Ключевые слова
гидроабразивное резание, гидрорезание, резание металла
Гидроабразивное резание — альтернатива не только механическому, но и лазерному, плазменному, ультразвуковому, а в некоторых случаях является единственно возможным методом резания сложных конструкций.
В основу гидрорезания материалов положен своеобразный режущий инструмент - определенным способом сформированная тонкая высоконапорная струя жидкости. Эффект гидравлического резания достигается за счет концентрации высокого уровня энергии в струе жидкости, которая вытекает из насадки с большой скоростью под действием большого давления. При этом плотность струи превышает прочность материала. [1]
Гидрорезание материалов производится двумя способами, которые отличаются отсутствием или наличием абразива в рабочей жидкости. Введение абразива в струю увеличивает ее технологические возможности за счет увеличения режущей способности гидроабразивной смеси. [2]
При гидроабразивной резке вода (жидкость) в первую очередь служит для транспортировки абразивных частичек, которые являются режущим инструментом.
Для повышения режущих способностей, как при гидравлическом, так и при гидроабразивном способе резания, в высоконапорную струю вводят хладагент, который способствует образованию льдинок в струе, что повышает режущие свойства струи. [3]
Гидроабразивное резание имеет ряд принципиальных отличий, которые обеспечивают высокую универсальность процесса и значительно расширяют область ее рационального применения. [4]
К недостаткам гидрорезания следует отнести недолговечность сопла и трудности его изготовления, а также дороговизну оборудования.
Номенклатура материалов, для резки которых возможно применять современную технологию гидроабразивного резания, почти неограниченная, а иногда и единственно возможная. Например, данный метод дает возможность проводить резание разнообразных сэндвич конструкций, которые другими методами в принципе не режутся.
Таким образом, гидроабразивный метод резания метала целесообразно использовать для проведения расчленения устьевого оборудования в условиях горящего нефтегазового фонтана, что существенно обезопасит данный этап проведения аварийных работ.
С целью определения оптимальных режимов и технологии резания метала, с учетом доступного оборудования и насосной техники, а именно цементировочных агрегатов ДСР-700 и ДСР-1000, был разработан специальный стенд «Струя» (рис. 1), который состоит из гидроабразивного резака 1, насадки 2, станины 3, подвижной плиты 4 на которой закреплен эталонный образец 5.
Конструкция стенда «Струя» позволяет дискретно перемещать и фиксировать эталонный образец в продольном и горизонтальном направлениях, изменяя расстояние 1_ до насадки в пределах от 40 до 300 мм.
Проходной диаметр насадки равен 5 мм. Материал насадки — ВК-6М.
На данном стенде были произведены следующие исследования: 1. Определение оптимального режима
Давление нагнетания, мПа Концентрация песка,кг/м3 Время резания, с
Рис. 1 — Схема стенда «Струя» 1 — Гидроабразивный резак; 2 — Насадка; 3 — Станина; 4 — Подвижная плита; 5 — Эталонный образец
15 20 25 30
100 150 200 100 150 200 100 150 200 100
160 155 155 102 100 98 85 73 70 36 Таб. 1 — Режимы резания и результаты исследования
150 32
200 30
35 100 28
150 26
200 26
резания в зависимости от давления нагнетания и концентрации песка.
2. Определение воздействия размера фракции песка на процесс резания.
3. Определение воздействия расстояния до эталонного образца на процесс резания.
4. Определение воздействия физико-механических свойств метала на процесс резания.
Исследование №1 — Определение оптимального режима резания в зависимости от давления нагнетания и концентрации песка.
Эталонный образец устанавливался с возможностью его горизонтального перемещения, а расстояние до насадки составляло 40 мм. Для определения оптимального режима проводились резание эталонного образца толщиной 30 мм из Ст.3 ГОСТ 380.
В качестве абразива применялся сухой мытый калиброванный кварцевый песок ОВС (Новая Водолага, Украина) размером фракции 0,15-0,3 мм.
Результаты исследования №1 представлены в таб. 1 и на рис. 2.
Прорезанный эталонный образец представлен на рис. 3.
После проведения первого этапа исследований определено и принято эффективное давление резания 30 МПа, так как дальнейшее повышение давления существенно не улучшает процесс резания, но в свою очередь значительно увеличивает нагрузку на насосную нагнетательную технику.
Все последующие исследования будут проводиться на принятом эффективном давлении резания.
Относительно концентрации песка в во-допесчаной смеси исследования показали, что оптимальной концентрацией песка можно условно приближенно принять 120...150 кг/м3 и использовать данную концентрацию для последующих исследований.
Исследование №2 — Определение воздействия размера фракции песка на процесс резания.
Для проведения данного этапа исследований были использованы три фракции кварцевого песка ОВС (Новая-Водолага, Украина):
• №1 — фракция 0,15-0,30 мм;
• №2 — фракция 0,3-0,8 мм;
• №3 — фракция 0,5-1 мм.
Результаты исследования режимов резания №2 представлены в таб. 2.
Исследование №3 — Определение воздействия расстояния до насадки на процесс резания.
Эталонный образец поэтапно перемещался и статически фиксировался на разных расстояниях от насадки, при помощи подвижной плиты. Для определения воздействия расстояния от насадки до места резания проводилась резка эталонного образца на расстояниях 40 мм, 150 мм, 300 мм.
Режимы резания и результаты исследования №3 предоставлены в таб. 3 и на рис. 4.
Исследование №4 — Определение воздействия физико-механических свойств метала на процесс резания.
Для определения воздействия физико-механических свойств металла на процесс резания в качестве образцов использовались
Рис. 2 — Зависимость времени резания от давления нагнетания и концентрации песка
Рис. 3 — Прорезанный эталонный образец Давление нагнетания, мПа 30
Песок №1 №2 №3
Концентрация песка, кг/м3 150 150 150
Время резания, с 32 30 34 58 55 56 30 34 36
Таб. 2 — Режимы резания и результаты исследования №2
Давление резания, мПа 30
Концентрация песка, кг/м3 150
Расстояние до насадки, L, мм 40 150 300
Время резания, с 32 29 30 80 80 84 117 110 118
Таб. 3 — Режимы резания и результаты исследования №3
Рис. 4 — Зависимость времени резания от расстояния до насадки
Давление резания, мПа Концентрация песка, кг/м3 марка стали
Твёрдость, HRCз Время резания, с
30 150
Ст. 3 ГОСТ 380
Сталь 45 ХГМА ГОСТ 4543
Сталь 45 ХГМА ГОСТ 4543
32
32
31
25 41
40
44
42 29
Таб. 4 — Режимы резания и результаты исследования №4
28
30
Твердость эталонного образца, НВСэ Рис. 5 — Зависимость времени резания от твердости стали
стали разных марок с разными твердостями по Ш^Сэ. Эталонные образцы размещались неподвижно на расстоянии 40 мм от насадки.
Параметры материалов, режимы резания и результаты исследования №4 представлены в таб. 4 и рис 5.
Итоги
После проведения исследований определено и принято эффективное давление резания 30 МПа и оптимальную концентрацию песка 120...150 кг/м3, при этом следует отметить, что увеличение фракции песка положительно не сказалось на процессе резки, а твердость стали, которую режут, не влияет на скорость резки.
Выводы
Ряд вышеизложенных исследований показал, что технически возможно проводить работы по резанию (расчленению) устьевого оборудования при проведении аварийных работ по ликвидации открытых нефтегазовых фонтанов с применением технологии гидроабразивного резания и использованием доступных материалов и техники. Для внедрения данного метода на аварийных работах необходимо дополнительно разработать специальный инструмент (гидроабразивный резак), а также отработать технологию резания различных элементов металлоконструкций устьевого оборудования, которые имеют не прямолинейную форму.
Abstract
During the process of elimination of blowouts the problem of dismantling wellhead often were revealed. This type of operation is very dangerous and time-consuming. Using hydroabrasive (water-jet) cutting method can significantly secure and accelerate process of the accident liquidation as a whole.
In this paper were determined the optimal cutting mode and the composition of a mixture of water-jet cutting of equipment by pressure up to 40 MPa during the cutting work wellhead to eliminate blowouts.
Список литературы
1. Тихомиров Р.А., Гуенко В.С. Гидрорезание неметаллических материалов. Киев: Техника, 1984. 150 с.
2. Коржов Е.Г. Некоторые особенности водоструйной обработки материалов — waterjet-технология // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. №3. С. 273-287.
Materials and methods
Testing bench "Struya". Steel samples of different brands.
Results
As result of testing was determined and set effective cutting pressure which is 30 MPa. Also was determined the optimal concentration of sand 120... 150 kg/m3, it should be noted that the increase in the fraction of sand does not affect the process of cutting, and the hardness of the steel, which is cut, does not affect the cutting speed.
Conclusions
A number of the above studies have shown
3. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В. Современные технологические процессы механического и гидроструйного раскроя технологических тканей. М.: Машиностроение, 2004. 240 с.
4. Саленко А.Ф. Гидроструйной резание: проблемы и перспективы метода
// Оборудование и инструмент для профессионалов. 2002. №10. С. 20-23.
UDC 622.691
that it is technically possible to carry out work on the cutting (dismemberment) wellhead equipment during emergency operations for liquidation of open oil fountains with Waterjet cutting technology and use of available materials and technology. To implement this method in the emergency work is necessary to further develop the special tool (hydroabrasive cutter), as well as prove the work of cutting technology of the various elements of metal structures wellhead, which do not have a straight shape.
Keywords
pressure water cutting, water-jet cutting, cutting metal
ENGLISH GAS INDUSTRY
Selecting the optimum mode of water-jet cutting metal method
Authors:
Igor V. Dobrovolskyi — chief engineer1; [email protected] Michail M. Lyakh — Ph.D., professor2; [email protected]
1PJSC "Ukrgasdobycha", Kharkiv, Ukraine
2Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frankivsk, Ukraine
References
1. Tikhomirov R.A., Guenko V.S. Gidrorezanie nemetallicheskikh materialov [Waterjet cutting non-metallic materials]. Kiev: Tekhnika, 1984, 150 p.
2. Korzhov E.G. Nekotorye osobennosti vodostruynoy obrabotki materialov — waterjet-tekhnologiya [Some features of
the water jet processing of materials -waterjet- technology]. Mining informational and analytical bulletin, 2006, issue 3, pp. 273-287.
3. Stepanov Yu.S., Barsukov G.V. Sovremennye tekhnologicheskie protsessy mekhanicheskogo i gidrostruynogo raskroya tekhnologicheskikh tkaney. [Modern
technological processes of mechanical and technological hydrojet cutting tissue]. Moscow: Mashinostroenie, 2004, 240 p.
4. Salenko A.F. Gidrostruynoy rezanie: problemy iperspektivy metoda [Hydro-jet cutting : problems and prospects of the method] Oborudovanie i instrument dlya professionalov, 2002, issue 10, pp. 20-23,
