水切割與爬管機(jī)在管道切割作業(yè)中性能簡析

前面幾篇文章中對水切割與爬管機(jī)在工作原理、職業(yè)健康安全、環(huán)保等方面進(jìn)行了比較，其中水切割在露天環(huán)境中管道切割作業(yè)所形成的硅塵對操作人員的職業(yè)健康安全以及產(chǎn)生的硅酸鹽對土壤環(huán)境以及地下水源的影響是較為突出的。

因此，使用水切割設(shè)備進(jìn)行機(jī)械加工、管道切割的企業(yè)或工程施工隊(duì)伍應(yīng)當(dāng)取得相應(yīng)的職業(yè)健康安全及環(huán)境評估后才能進(jìn)行相關(guān)的生產(chǎn)施工。尤其是露天環(huán)境施工情況下，每一個施工現(xiàn)場，都應(yīng)提供相應(yīng)的防護(hù)、降塵及回收措施來進(jìn)行制定施工方案并提交審核。

下面就兩種設(shè)備的管道切割性能、耗材等進(jìn)行簡要分析和探討：

        DN1400自來水管道三機(jī)并行切割，確保居民生活用水

1.切割速度

1.1水切割

依據(jù)水切割的工作原理是磨料的不斷沖刷管道表面來清除管道金屬粒子脫離出管材，金屬粒子一部分被散布于空氣中形成金屬粉塵，一部分與磨料高速磨擦形成了硅酸鹽。管道被慢慢沖刷出一個口子，這個口子形成的時間就是管道破口時間，被稱為沖擊點(diǎn)時間。而管道切割時的路徑可以看成有無數(shù)個這樣的點(diǎn)構(gòu)成，它由驅(qū)動軸或電機(jī)慢慢移動所形成的軌跡。

因此，沖擊點(diǎn)時間的長短取決于以下幾個方面?zhèn)€因素：

a.磨料初始速度

根據(jù)水切割的工作原理，磨料的運(yùn)動速度是由高壓水流帶動而形成動能，磨料本身在未與高壓水流混合之前不存在壓力（有部分設(shè)備對磨料有增壓功能，但要加強(qiáng)過渡段壓力管的強(qiáng)度以免損耗過大），即使有運(yùn)動的壓力存在，方向也不相同，其大小可以忽略不計(jì)。因此其初始速度與水壓有關(guān)。

因此，水壓較大的多級加壓能形成較高的水壓，其沖擊點(diǎn)時間就小，管道或工件的沖刷速度快。

b.管道的厚度

只有經(jīng)過沖擊點(diǎn)時長后，才能將管道完全沖刷透，形成沖刷口，然后再進(jìn)行下一點(diǎn)的沖刷。管道壁厚數(shù)數(shù)值越大，其沖擊點(diǎn)時長越大，因此管道被沖刷斷的時間越長。

c.噴嘴直徑大小

高壓水流經(jīng)噴嘴沖刷管道時，噴嘴直徑越大，其形成的點(diǎn)越大，其沖刷的點(diǎn)直徑就越大。水切割的軌跡是由多個點(diǎn)位移動所形成，點(diǎn)位越少，其相應(yīng)的沖斷管道所需時間就越少。

當(dāng)然，噴嘴直徑變大，不僅對水壓有著更高的要求，其所消耗的磨料就更多。其制造成本會呈指數(shù)級上升。

         超硬合金刀片及銑刀片，在切割的同時形成坡口一次完成

d.噴射距離

理論上講，磨料與水的混合水流在真空中是不存在動能損失的，但在空氣介質(zhì)中，其粒子的運(yùn)動與空氣高速摩擦，是存在衰減的。其衰減的速度與混合水流的面積、磨料大小等相關(guān)因素有關(guān)。

并且磨料在水流的帶動下要經(jīng)過孔徑細(xì)小的紅寶石或合金噴嘴，粒子的運(yùn)動形成孔徑效應(yīng)，因此，磨料粒子在經(jīng)過噴嘴被噴出時，各個粒子的運(yùn)動方向呈放射線散開狀態(tài)。距離越遠(yuǎn)形成的散射現(xiàn)象越大，動能失去也就越多。動能減小造成的沖刷管道速度就越慢，時間就會更長。

但也不可能無限地接近管道表面。依據(jù)動能原理及物體間受力原理，如果噴嘴距離管道越近，那么對管道沖刷的動能越大，而反過來，管道對噴砂設(shè)備的反作力也就越強(qiáng)。如果反作用力過大，那么就要加固噴砂設(shè)備。

由于水切割的噴砂設(shè)備一般為單軌運(yùn)行，有些還是簡單的人工手持，因此距離過近，會造成沖刷的軌跡偏離，切口則會出現(xiàn)毛刺且不平整，且偏離軌跡后無法沖斷管道（切口無法重合）。

混合水流的壓力不穩(wěn)也會造成管道切口不規(guī)則和不平整，甚至無法重口（俗稱切偏）。

e.噴嘴的耐磨程度。一般使用紅寶石噴嘴，當(dāng)然價格較高，現(xiàn)在都使用低價的合金噴嘴來代替。噴嘴在水切割作業(yè)中屬于易耗品，其成本遠(yuǎn)高于爬管機(jī)刀片價格。

F.每工作20-30分鐘需要停機(jī)，并對設(shè)備進(jìn)行加水加沙時間。

綜合以上因素，水切割在沖斷較薄的金屬管道作業(yè)中，屬于中等水平，隨著管道厚度的增加，其沖斷的速度會越來越慢。

              爬管機(jī)帶水切割，環(huán)保健康無污染且不影響水質(zhì)

1.2爬管機(jī)

爬管機(jī)是利用刀片切割的原理對管道真正進(jìn)行機(jī)械冷切割的設(shè)備，其在管道切割作業(yè)對環(huán)境無污染并且無須其它特殊安全方面防護(hù)措施。

爬管機(jī)的液壓馬達(dá)將液壓泵站的液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動能后，經(jīng)變速箱均勻降速和提高扭矩帶動切削軸上的刀片勻速切割。

切管機(jī)刀片使用超硬合金刀齒或更高硬度顆粒壓制所形成的刀片，其具有低噪音、高散熱和更高的紅硬指標(biāo)。

在切割金屬管材時使用水冷卻方式即可達(dá)到60度切割溫度，如對管道切割溫度有更高要求的汽油、氫氣等管道可使用液氮作為冷卻介質(zhì)，不僅可以有效降低至-10至0攝氏度的切割溫度，并且切割速度提高20%。

由于爬管機(jī)切割管道是采用機(jī)械冷切割方式，其切削力及切削速度都是以先鋒管道切管機(jī)生產(chǎn)流程中規(guī)定的最佳切削狀態(tài)調(diào)試出廠，因此，大幅度提高切割管道的速度，不僅會加劇刀片的磨損還會影響管道切割表面的光滑度以及坡口表面的光潔度。

刀片在切割管道初始時，刀片逐漸深入管道并同時破壁形成斷口，這是其它旋轉(zhuǎn)式（或叫分瓣式）機(jī)械切管機(jī)無法完成的動作。主要的作用體現(xiàn)在石油、燃?xì)夤艿佬枰诠艿榔票诤筇崛〔⒎治龉艿纼?nèi)混合氣體或介質(zhì)成分。

在管道切割作業(yè)前加入坡口刀，可以在切割管道的同時給管道打出坡口，并隨著管道切割作業(yè)的完成，坡口作業(yè)也隨之完成。既節(jié)省了大量的勞力，還獲得光滑、平整的坡口，更加有利于管道后續(xù)的焊接、承插坡口作業(yè)。

由于其鏈條的緊固作用，能夠緊密貼合于受力變形的橢圓管道，能夠一次性自動完成管道切割不卡刀，不停頓，這也是其它旋轉(zhuǎn)式切管機(jī)無法完成的。

影響爬管機(jī)切割速度的因素

a.管道材質(zhì)：鑄鐵管道、碳鋼管及玻璃鋼管切割速度并無差別，石油管道X80及以下，不銹鋼管等合金管道，由于其存在粘性其切割速度有2-6%降低。

b.管道厚度：管道厚度的增加會對刀片在管道切割作業(yè)時形成的阻力增大，主要表現(xiàn)為DN1000以上大口徑管道厚度超過20mm以上的管道才有所表現(xiàn)。其中DN3000管道厚度為32mm鑄鐵或碳鋼管道速度降低10%左右。其它管道并無影響。

          爬管機(jī)帶水作業(yè)，水下自動切割完成坡口作業(yè)現(xiàn)場

2.下面簡要列出水切割與爬管機(jī)切割速度

2.1水切割

6mm厚度管道切割速度為12cm/分鐘；8mm厚度切割速度為10cm/分鐘；10cm/分鐘；14mm厚度管道切割速度僅為4cm/分鐘  （理論值，不含中間加砂，加工時間）

2.2爬管機(jī)

20mm及以下厚度切割速度為12cm/分鐘；24mm厚度切割速度為11cm/分鐘，32mm厚度切割速度為10cm/分鐘（切割過程無須停工，無需其它時間）

參考文獻(xiàn)

1.[1]宋擁政. 水切割技術(shù)綜述[J]. 機(jī)床與液壓, 1993(4):187-193.

2.[1]張小軍, 謝明紅, 顏國霖. 五軸聯(lián)動水切割機(jī)床回轉(zhuǎn)中心幾何誤差分析[J]. 機(jī)床與液壓, 2012, 40(21):4.

3. 江德華, 陳西貴. 二氧化硅粉塵對接觸工人的腎毒性研究[J]. 中華勞動衛(wèi)生職業(yè)病雜志, 1996, 014(002):82-84.

4. [1]吳厚平, 張立, 余賢旺,等. 硬質(zhì)合金刀片切削過程中自潤滑功能稀土氧硫化物的原位形成[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2009, 19(4):7.

5. [1]秦長江, 胡自化, 袁彪,等. –50℃冷風(fēng)條件下拋光硬質(zhì)合金刀片加工TC4鈦合金的表面粗糙度分析[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(4):8.