水切割与爬管机在管道切割作业中性能简析

前面几篇文章中对水切割与爬管机在工作原理、职业健康安全、环保等方面进行了比较，其中水切割在露天环境中管道切割作业所形成的硅尘对操作人员的职业健康安全以及产生的硅酸盐对土壤环境以及地下水源的影响是较为突出的。

因此，使用水切割设备进行机械加工、管道切割的企业或工程施工队伍应当取得相应的职业健康安全及环境评估后才能进行相关的生产施工。尤其是露天环境施工情况下，每一个施工现场，都应提供相应的防护、降尘及回收措施来进行制定施工方案并提交审核。

下面就两种设备的管道切割性能、耗材等进行简要分析和探讨：

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1.切割速度

1.1水切割

依据水切割的工作原理是磨料的不断冲刷管道表面来清除管道金属粒子脱离出管材，金属粒子一部分被散布于空气中形成金属粉尘，一部分与磨料高速磨擦形成了硅酸盐。管道被慢慢冲刷出一个口子，这个口子形成的时间就是管道破口时间，被称为冲击点时间。而管道切割时的路径可以看成有无数个这样的点构成，它由驱动轴或电机慢慢移动所形成的轨迹。

因此，冲击点时间的长短取决于以下几个方面个因素：

a.磨料初始速度

根据水切割的工作原理，磨料的运动速度是由高压水流带动而形成动能，磨料本身在未与高压水流混合之前不存在压力（有部分设备对磨料有增压功能，但要加强过渡段压力管的强度以免损耗过大），即使有运动的压力存在，方向也不相同，其大小可以忽略不计。因此其初始速度与水压有关。

因此，水压较大的多级加压能形成较高的水压，其冲击点时间就小，管道或工件的冲刷速度快。

b.管道的厚度

只有经过冲击点时长后，才能将管道完全冲刷透，形成冲刷口，然后再进行下一点的冲刷。管道壁厚数数值越大，其冲击点时长越大，因此管道被冲刷断的时间越长。

c.喷嘴直径大小

高压水流经喷嘴冲刷管道时，喷嘴直径越大，其形成的点越大，其冲刷的点直径就越大。水切割的轨迹是由多个点位移动所形成，点位越少，其相应的冲断管道所需时间就越少。

当然，喷嘴直径变大，不仅对水压有着更高的要求，其所消耗的磨料就更多。其制造成本会呈指数级上升。

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d.喷射距离

理论上讲，磨料与水的混合水流在真空中是不存在动能损失的，但在空气介质中，其粒子的运动与空气高速摩擦，是存在衰减的。其衰减的速度与混合水流的面积、磨料大小等相关因素有关。

并且磨料在水流的带动下要经过孔径细小的红宝石或合金喷嘴，粒子的运动形成孔径效应，因此，磨料粒子在经过喷嘴被喷出时，各个粒子的运动方向呈放射线散开状态。距离越远形成的散射现象越大，动能失去也就越多。动能减小造成的冲刷管道速度就越慢，时间就会更长。

但也不可能无限地接近管道表面。依据动能原理及物体间受力原理，如果喷嘴距离管道越近，那么对管道冲刷的动能越大，而反过来，管道对喷砂设备的反作力也就越强。如果反作用力过大，那么就要加固喷砂设备。

由于水切割的喷砂设备一般为单轨运行，有些还是简单的人工手持，因此距离过近，会造成冲刷的轨迹偏离，切口则会出现毛刺且不平整，且偏离轨迹后无法冲断管道（切口无法重合）。

混合水流的压力不稳也会造成管道切口不规则和不平整，甚至无法重口（俗称切偏）。

e.喷嘴的耐磨程度。一般使用红宝石喷嘴，当然价格较高，现在都使用低价的合金喷嘴来代替。喷嘴在水切割作业中属于易耗品，其成本远高于爬管机刀片价格。

F.每工作20-30分钟需要停机，并对设备进行加水加沙时间。

综合以上因素，水切割在冲断较薄的金属管道作业中，属于中等水平，随着管道厚度的增加，其冲断的速度会越来越慢。

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1.2爬管机

爬管机是利用刀片切割的原理对管道真正进行机械冷切割的设备，其在管道切割作业对环境无污染并且无须其它特殊安全方面防护措施。

爬管机的液压马达将液压泵站的液压能转换为机械动能后，经变速箱均匀降速和提高扭矩带动切削轴上的刀片匀速切割。

切管机刀片使用超硬合金刀齿或更高硬度颗粒压制所形成的刀片，其具有低噪音、高散热和更高的红硬指标。

在切割金属管材时使用水冷却方式即可达到60度切割温度，如对管道切割温度有更高要求的汽油、氢气等管道可使用液氮作为冷却介质，不仅可以有效降低至-10至0摄氏度的切割温度，并且切割速度提高20%。

由于爬管机切割管道是采用机械冷切割方式，其切削力及切削速度都是以先锋管道切管机生产流程中规定的最佳切削状态调试出厂，因此，大幅度提高切割管道的速度，不仅会加剧刀片的磨损还会影响管道切割表面的光滑度以及坡口表面的光洁度。

刀片在切割管道初始时，刀片逐渐深入管道并同时破壁形成断口，这是其它旋转式（或叫分瓣式）机械切管机无法完成的动作。主要的作用体现在石油、燃气管道需要在管道破壁后提取并分析管道内混合气体或介质成分。

在管道切割作业前加入坡口刀，可以在切割管道的同时给管道打出坡口，并随着管道切割作业的完成，坡口作业也随之完成。既节省了大量的劳力，还获得光滑、平整的坡口，更加有利于管道后续的焊接、承插坡口作业。

由于其链条的紧固作用，能够紧密贴合于受力变形的椭圆管道，能够一次性自动完成管道切割不卡刀，不停顿，这也是其它旋转式切管机无法完成的。

影响爬管机切割速度的因素

a.管道材质：铸铁管道、碳钢管及玻璃钢管切割速度并无差别，石油管道X80及以下，不锈钢管等合金管道，由于其存在粘性其切割速度有2-6%降低。

b.管道厚度：管道厚度的增加会对刀片在管道切割作业时形成的阻力增大，主要表现为DN1000以上大口径管道厚度超过20mm以上的管道才有所表现。其中DN3000管道厚度为32mm铸铁或碳钢管道速度降低10%左右。其它管道并无影响。

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2.下面简要列出水切割与爬管机切割速度

2.1水切割

6mm厚度管道切割速度为12cm/分钟；8mm厚度切割速度为10cm/分钟；10cm/分钟；14mm厚度管道切割速度仅为4cm/分钟  （理论值，不含中间加砂，加工时间）

2.2爬管机

20mm及以下厚度切割速度为12cm/分钟；24mm厚度切割速度为11cm/分钟，32mm厚度切割速度为10cm/分钟（切割过程无须停工，无需其它时间）

参考文献

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