CN112322870A - 管道焊缝表面处理装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道焊缝表面处理装置，包括水路、与所述水路连通的三通头以及连通在所述三通头其中两个上的喷嘴，所述三通头具有位于同一轴心线上的第一连接头和第二连接头以及与所述第一连接头和第二连接头垂直的第三连接头，所述第一连接头和第二连接头上均设置有喷嘴，两个所述喷嘴的喷射方向相反，所述第三连接头与所述水路连通，所述第一连接头和第二连接头的延伸方向垂直于所述管道的管壁，所述第三连接头的延伸方向与所述管道的延伸方向相同。本发明的管道焊缝表面处理装置，采用对喷方式使处理过程中受力平衡，处理装置能够对部件的复杂、狭窄区域表面进行强化，并且现场适用性好，可以进行远距离操作和外场作业。

Description

管道焊缝表面处理装置及处理方法

技术领域

本发明专利属于金属表面强化技术领域，具体涉及一种管道焊缝表面处理装置及采用该处理装置对管道焊缝表面进行强化处理的方法。

背景技术

空化水射流表面强化处理可以利用高速水射流产生的大量微小空泡群，空泡群在固体边界附近溃灭时产生高达上千MPa的冲击压力和微射流，在表面形成压应力层，从而达到表面强化抑制环境损伤裂纹萌生的效果。

核电、石油等重要能源装备中管道焊缝最易发生环境损伤而失效，如应力腐蚀开裂、疲劳开裂等，严重影响设备的正常运行，造成严重的经济损失。由于传统喷丸等表面处理工艺具有现场适用性差、存在二次污染等问题，因此需开发适用于现场管道焊缝的空化水射流表面强化处理装置和工艺，进而缓解管道的环境损伤，提高管道运行的可靠性和经济性。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和达到上述目的，本发明的目的是提供一种管道焊缝表面处理装置，其能够对部件的复杂、狭窄区域表面进行强化，并且现场适用性好。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种管道焊缝表面处理装置，包括水路、与所述水路连通的三通头以及连通在所述三通头其中两个上的喷嘴，所述三通头具有位于同一轴心线上的第一连接头和第二连接头以及与所述第一连接头和第二连接头垂直的第三连接头，所述第一连接头和第二连接头上均设置有喷嘴，两个所述喷嘴的喷射方向相反，所述第三连接头与所述水路连通，所述第一连接头和第二连接头的延伸方向垂直于所述管道的管壁，所述第三连接头的延伸方向与所述管道的延伸方向相同。第三连接头位于第一连接头和第二连接头的中点位置。

针对管道部件，设计垂直于管壁的高压水回路三通头，三通头为T型结构，其位于同一轴心线的两端连接喷嘴，采用对喷方式使处理过程中受力平衡，使得处理效果更好且装置的使用寿命更长。且三通头的结构设计，使得处理装置能够对部件的复杂、狭窄区域表面进行强化，并且现场适用性好，可以进行远距离操作和外场作业。

根据本发明的一些优选实施方面，所述水路包括低压水路和高压水路，所述低压水路依次包括水箱、增压泵、多级过滤器和增气泵以及连通在各个部件之间的低压管路；所述高压水路依次包括高压泵、调压阀和安全阀以及连通在各个部件之间的高压管路。水中杂质颗粒尺寸控制低于5微米，可通过在水路中设置多级过滤器实现水中杂质的控制。为提高空化效果，可在水路中设置增气泵，使水质中含有较多原始空泡。

根据本发明的一些优选实施方面，所述高压水路中的压力为20-40MPa。

根据本发明的一些优选实施方面，所述处理装置包括连通在三通头和高压水路之间的执行组件，所述执行组件包括防水电机和高压旋转密封机构，所述三通头的第三连接头连接在所述高压旋转密封机构上。通过执行组件带动三通头的旋转，实现为管道焊缝表面的强化处理。高压旋转密封机构采用相关领域内现有的结构即可。

根据本发明的一些优选实施方面，所述喷嘴为球面或锥面空化喷嘴；所述喷嘴的开口直径为10-15mm，内径为1.5-2mm。

根据本发明的一些优选实施方面，所述喷嘴与管道内壁之间的距离为25-45mm。

根据本发明的一些优选实施方面，所述水路中的水中的杂质颗粒尺寸低于5μm。采用的水质为纯水，用水作为冲击介质，可避免引入外来物造成的二次污染，尤其适合核电厂现场使用。

根据本发明的一些优选实施方面，所述水路中的水温不高于50℃，控制在室温至50℃。

一种根据上述的处理装置对管道焊缝表面进行处理的方法，处理方法包括如下步骤：控制水路中的压力达至30MPa后，将水输送给三通头，通过第三连接头进入第一连接头和第二连接头并从喷嘴喷出，到达管道焊缝表面。

根据本发明的一些优选实施方面，处理过程中控制三通头的转速为0.1～0.25转/min。处理过程中控制三通头的转速，转速控制的目的是使管道内壁处理速率为0.1-0.5mm/s，沿管道方向进给速率为2-3mm/步。由于空化水处理具有累加效应，在处理管道内壁时可以较高速率处理多次，如控制速率为2mm/s处理10次，使得本次处理累积速率达到0.2mm/s。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的管道焊缝表面处理装置，设计垂直于管壁的高压水回路三通头，三通头为T型结构，其位于同一轴心线的两端连接喷嘴，采用对喷方式使处理过程中受力平衡，使得处理效果更好且装置的使用寿命更长。且三通头的结构设计，使得处理装置能够对部件的复杂、狭窄区域表面进行强化，并且现场适用性好，可以进行远距离操作和外场作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中管道焊缝表面处理装置的示意图；

图2为本发明优选实施例管道焊缝表面处理装置中工作时的示意图；

附图中：水箱-1，增压泵-2，多级过滤器-3，增气泵-4，高压泵-5，调压阀-6，安全阀-7，防水电机-8，高压旋转密封机构-9，三通头-10，喷嘴-11，管道-12。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1管道焊缝表面处理装置

如图1～2所示，本实施例中的管道焊缝表面处理装置，依次包括低压水路、高压水路、执行组件以及三通头10和连接在三通头10上的喷嘴11。高压水路中的压力设定为为20-40MPa。

低压水路依次包括水箱1、增压泵2、多级过滤器3和增气泵4以及连通在各个部件之间的低压管路；高压水路依次包括高压泵5、调压阀6和安全阀7以及连通在各个部件之间的高压管路。水路中设置多级过滤器3实现水中杂质的控制，使得水中的杂质颗粒尺寸低于5μm；在水路中设置增气泵4，使水质中含有较多原始空泡，提高空化效果。高压泵5采用高压柱塞泵。

水路中采用的水质为纯水，用水作为冲击介质，可避免引入外来物造成的二次污染，尤其适合核电厂现场使用。水路中的水温优选控制在室温至50℃。

本实施例中的三通头10通过执行组件与高压水路连通。执行组件包括防水电机8和高压旋转密封机构9，三通头10连接在高压旋转密封机构9上。通过执行组件带动三通头10的旋转，实现管道12焊缝表面的强化处理。高压旋转密封机构9采用相关领域内现有的结构即可。

本实施例中的三通头10为T型头结构，其具有位于同一轴心线上的第一连接头和第二连接头以及与第一连接头和第二连接头垂直的第三连接头，第三连接头位于第一连接头和第二连接头的中点位置。第一连接头和第二连接头上均设置有喷嘴11，两个喷嘴11的喷射方向相反，两个喷嘴距离管道内壁的距离H相等。喷嘴11为球面或锥面空化喷嘴11。第三连接头与水路连通，第一连接头和第二连接头的延伸方向垂直于管道12的管壁，第三连接头的延伸方向与管道12的延伸方向相同，且第三连接头位于管道12的轴心线位置上。采用对喷方式使处理过程中受力平衡，使得强化处理效果更好且装置的使用寿命更长。

本实施例采用内径为200mm的316L不锈钢管道12焊缝为对象，喷嘴11采用直径为13mm的球面喷嘴11，喷嘴11内径为2mm，喷嘴11总长为30mm，连接螺纹为M14。设计第一连接头和第二连接头的总长为120mm，其延伸方向垂直于管壁，两端由螺纹连接喷嘴11。由于连接螺纹的长度为10mm，因此第一连接头和第二连接头长度加喷嘴11长度为140mm，则第一连接头和第二连接头上的喷嘴11与管道内壁的距离H均为30mm。在其他的实施例中喷嘴11的开口直径为10-15mm，内径为1.5-2mm。喷嘴11与管道12内壁之间的距离H为25-45mm。

本实施例的高压水路中选用额定压力为57MPa，额定流量为75L/min的高压柱塞泵，并配由75KW变频电机驱动。高压水路中的高压管路耐压达100MPa。在低压水路中配有水箱1、多级过滤器3、增压泵2、增气泵4等，在高压水路中配有安全阀7、调压阀6等。三通头10的第三连接头与执行机构相连接，执行机构由防水电机8、高压旋转密封机构9等组成。

实施例2管道12焊缝表面处理方法

本实施例的采用实施例1的处理装置对管道12焊缝表面进行处理的方法，处理方法包括如下步骤：控制水路中的压力达至30MPa后，将水输送给三通头10，通过第三连接头进入第一连接头和第二连接头并从喷嘴11喷出，到达管道12焊缝表面。控制第一连接头和第二连接头上的喷嘴与管道内壁之间的距离相等，即第三连接头位于管道12的轴心线位置上。处理过程中控制三通头的转速为0.1～0.25转/min。

具体的：低压水箱1用于储存试验用水，从水箱1依次经过增压泵2打压，多级过滤器3过滤，保证水中杂质粒子尺寸小于5微米，再经过增气泵4打入微小气泡，然后进入高压柱塞泵。高压水从高压柱塞泵打入高压管路，然后进入执行机构中高压旋转密封机构，到达三通头，从喷嘴11中流出冲击管道12的内表面。

调节变频电机频率，使高压柱塞泵后高压水路中压力逐渐上升到30MPa，压力稳定后启动执行机构。设置电机转速为0.191转/min＝0.00318转/s，每次重复处理10圈。由于管道12内壁为200mm，所以样品表面处理速度为周长乘以累积转速，即π*200*0.00318/10＝0.2mm/s。沿管道12长度方向每次步进2mm，待焊缝区域宽度为10mm，需步进5次完成测试。

试验结束后通过测量样品表面残余应力，其值高达-500MPa，形成了较厚的表面压应力层，可以显著提高管道焊缝抗环境损伤开裂的能力。

采用上述的空化水射流表面强化处理装置和处理方法，能够有效提高管道焊缝的抗应力腐蚀开裂和疲劳开裂能力，有效提高管道焊缝服役寿命，为电厂运行管理提供一种老化缓解的技术方法，且具有绿色环保无污染的特点。

本发明的空化水射流表面强化处理装置和处理方法具有如下优点：1、适用性好：能够对部件的复杂、狭窄区域表面进行强化，并且现场适用性好，可以进行远距离操作和外场作业；2、无二次污染：使用水作为冲击介质，可避免引入外来物造成的二次污染，尤其适合核电厂现场使用；3、强化效果好：经空化水射流冲击表面强化后的部件，其表层最大残余压应力处于部件表面；同时，空化水射流冲击表面强化对部件表面为非刚性(或弱刚性)作用，与传统喷丸相比，表面次生损伤少，粗糙度小，应力集中程度低，有助于进一步提高部件疲劳强度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管道焊缝表面处理装置，其特征在于，包括水路、与所述水路连通的三通头以及连通在所述三通头其中两个上的喷嘴，所述三通头具有位于同一轴心线上的第一连接头和第二连接头以及与所述第一连接头和第二连接头垂直的第三连接头，所述第一连接头和第二连接头上均设置有喷嘴，两个所述喷嘴的喷射方向相反，所述第三连接头与所述水路连通，所述第一连接头和第二连接头的延伸方向垂直于所述管道的管壁，所述第三连接头的延伸方向与所述管道的延伸方向相同。

2.根据权利要求1所述的处理装置，其特征在于，所述水路包括低压水路和高压水路，所述低压水路依次包括水箱、增压泵、多级过滤器和增气泵以及连通在各个部件之间的低压管路；所述高压水路依次包括高压泵、调压阀和安全阀以及连通在各个部件之间的高压管路。

3.根据权利要求2所述的处理装置，其特征在于，所述高压水路中的压力为20-40MPa。

4.根据权利要求2所述的处理装置，其特征在于，所述处理装置包括连通在三通头和高压水路之间的执行组件，所述执行组件包括防水电机和高压旋转密封机构，所述三通头的第三连接头连接在所述高压旋转密封机构上。

5.根据权利要求1所述的处理装置，其特征在于，所述喷嘴为球面或锥面空化喷嘴；所述喷嘴的开口直径为10-15mm，内径为1.5-2mm。

6.根据权利要求1所述的处理装置，其特征在于，所述喷嘴与管道内壁之间的距离为25-45mm。

7.根据权利要求1所述的处理装置，其特征在于，所述水路中的水中的杂质颗粒尺寸低于5μm。

8.根据权利要求1所述的处理装置，其特征在于，所述水路中的水温不高于50℃。

9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的处理装置对管道焊缝表面进行处理的方法，其特征在于，处理方法包括如下步骤：控制水路中的压力达至30MPa后，将水输送给三通头，通过第三连接头进入第一连接头和第二连接头并从喷嘴喷出，到达管道焊缝表面。

10.根据权利要求9所述的处理方法，其特征在于，处理过程中控制三通头的转速为0.1～0.25转/min。

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