专业制造高压水射流清洗加工 海申

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成都海申科技有限公司

高压水射流清洗技术的发展与高压水设备配件的进步密切相关。高压水射流清洗技术自上世纪80年代中期由蓝星清洗从德国引入我国,在30多年的时间内主要经历了三个阶段。下面看小编一一为您道来~
**阶段
高压水设备的发展,随着科技的发展和进步,高压水装朝着大型化,智能化,**化方向迅速发展,高压水设备功率从较初的几十千瓦发展到700多瓦,压力也从较初的几十兆帕发展到400兆帕。经过30多年的发展,国内高压水射流技术在设备制造方面也取得了长足进步,研发出了高压力、大流量、长时间工作的柴油驱动清洗设备。目前国内高压清洗设备形成了以美国NLB、Jetstream、Flow、kAMAT、Jetech、Gardner Denver;德国Hammelmann、Uraca 、Woma、Karaher以及果茶通洁、精诚、聚能、水能等三分天下的局面。但目前规模较大的清洗公司仍以德国和美国的高压水设备为主。
*二阶段
高压水清洗配件的发展;以三维槽罐清洗枪头的出现为标志,主流高压水设备厂家也逐渐研发出各种功能型号的枪头配件,使清洗速度更快,清洗效果更好,劳动强度更低。这阶段的典型代表是StoneAge,以换热器公园管程为例,StoneAge针对列管堵塞情况和不同垢类型的高效小直径管束自旋转清洗枪头,应用于各类换热器清洗。目前,国内高压水设备厂家也能够生产出140Mpa左右的自旋转清洗枪头,但280Mpa的自旋转清洗枪头仍需进口,并且国产自旋转清洗枪头的寿命也相对较短。
*三阶段
自动执行化结构的发展:国内清洗行业对于冷换设备管程和壳程的清洗仍未摆脱传统的人工抱枪方式,这种清洗方式具有人员设备投入量大、劳动强度大。危险性高等特点。虽然,国内清洗公司及安全管理规范的业主单位已经逐步认识到高压水射流所带来的操作危险,但是必要的技术革新由于市场的承受力以及接受度等原因一直发展和传播得非常缓慢。而欧美发达国家在冷换设备清洗方面已经开始普及使用自动化执行机构来克服传统的人工抱枪效率低、危险系数高的缺点。目前,国内只有较少数规模较大的清洗公司引进了部分StoneAge高压水清洗自动化执行机构,其中蓝星清洗有限公司从荷兰Peinemann公司和美国StoneAge公司全面引进了各个类型的自动化执行机构用于冷换设备管程和壳程高压水清洗,降低了人工作业的不稳定性,保证了清洗效果的稳定,同时提高了作业安全性和清洗效率。并进行全面成功的应用。

成都海申科技有限公司
清洗技术与应用
目录
一、前言 3
二、高压水射流清洗技术概述 3
2.1 高压水射流定义 3
2.2高压水射流分类 4
2.3高压水射流在油管清洗中的应用 6
2.4高压水射流清洗技术理论研究 8
三 高压水射流清洗新技术 13
3.1现役高压水系统存在的问题及新系统 13
3.2高压水射流清洗装置的组成与分类 17
3.3高压水装置 19
3.4高压管路 25
四、高压水射流清洗核心元件 28
4.1 喷嘴 28
4.2喷头 30
4.3新型喷嘴、喷头 33
五、喷嘴结构对射流流场的影响 34
5.1淹没射流基本结构模拟仿真 34
5.2喷嘴结构对射流流场的影响 36
六、高压水射流数值模拟 41
6.1湍流模型 41
6.2 原始变量法 46
6.3喷嘴结构优化模拟分析 46
6.4正交试验及结果分析 50
6.5喷头清洗数值模拟研究 59
七、总结 68
参考文献 69

















一、前言
高压水射流清洗技术是从20世纪70年代初开始逐渐发展起来的一项高新清洗技术,是高压水射流应用的一个重要方面。它是利用高压水发生设备产生高压水,通过喷嘴将压力转变为高度聚集的水射流动,正向或切向冲击被清洗物表面,从而使一种或多种材料(附着层)从另一种物体(基体)表面脱离下来,达到清洗目的。但是现役高压射流系统还存在能量有效利用率低、系统能量损耗大等问题,则提高清洗作业的有效功率具有重要的意义。
喷嘴是水射流技术应用中获得高能量利用率的关键因素之一,对射流质量有明显的影响。高压水射流清洗是利用从喷嘴射出的具有很大动能的水束使污垢与管壁脱离达到清洗的目的。试验证实,如果喷嘴质量差或耐磨性不够,将引起射流质量恶化,将可能导致射流设备功率大部分都浪费掉。因此成都力锋清洗机股份有限公司研究和优化喷嘴的几何结构,建立喷嘴结构和动力性能之间的关系。
二、高压水射流清洗技术概述
2.1 高压水射流定义
高压水射流是指通过高压水发生装置将水加压至数十个到上千个大气压以上,再通过具有细小孔径的喷射装置转换为高速的微细“水射流”。这种“水射流”的速度一般都在1倍马赫数以上,具有巨大的打击能量。这种具有高能量、高速度的水流正向或切向冲击物体表面时特产生强烈的作用,从而完成切割、清洗、破碎等操作。将这种高度聚能的水射流用来完成各种清洗作业的技术称为“高压水射流清洗技术”。
水射流在工程应用中的水压通常在数兆帕到数百兆帕之间,通常的压力等级如表2.1所示。
表2.1 水射流压力等级划分
压力等级
压力范围/MPa
压力发生装置类型
低压
0.5~35
多级离心泵、柱塞泵
高压
35~140
柱塞泵,增压器
**高压
140~420
增压器
高压水射流应用于清洗操作时,工作压力等级按国际上普通采用的等级划分,通常为:0.5~20MPa为低压;20~70MPa为中压;140~400MPa为高压;400MPa以上为**高压。
工业生产中岗压水射流清洗的常用压力范围在2~35MPa,水的流量一般为20~100L/min。
2.2高压水射流分类
1、按射流特征分类
按射流特征分类大致可分为5种类型射流。即连续射流、脉冲射流、空化射流、旋转射流和磨料射流。
(1)连续射流
连续射流是较普通、较常用的射流形式,连续射流对物料(体)施载开始时有一个短时间的冲击峰值压力,随即是稳定的压力值。连续射流的较大压力值PL的关系式为:
(2-1)
式中:PL为射流压力值;
ρ为射流流体的密度;
v为射流速度。
(2)脉冲射流
脉冲射流是非连续射流,或称间断(断续)射流,这种射流对物料的施载特点是一个短时的压力峰值,其峰值的持续时间取决于频率。脉冲射流的瞬时压力峰值Pm的关系式为:
(2-2)
式中:Pm为射流瞬时压力峰值;
为射流液体的密度;
为射流流体的声速,在水中约为1500m/s;
为射流速度。
(3)空化射流
空化射流是人为地在水射流来流内产生许多空泡,利用这些空泡破裂所产生的强大冲击力来增强射流的作用效果。在等温压缩条件下,空化射流产生的冲击压力Pk与连续射流冲击压力之间的关系式为:

洗一般结垢油管),因此结垢、锈皮严重的油管,被结垢物和化学物堵实的油管无法实现高压水清洗。


表2.3 高压水射流应用压力实例
名称
压力/MPa
水流量/(L/min)
工艺(设备)特征
下水道
22
125
旋转喷头
化工容器
10~70
80~160
三维旋转喷头
钢材除锈
50
30
后磨料水射流
2.4高压水射流清洗技术理论研究
2.4.1高压水射流作用机理
高压水射流对物体表面垢层的影响主要表现为以下几个方面:
①水射流对垢层材料的软化;
②水射流的穿透和渗人,引起垢层材料裂纹的扩展,加剧了垢层的破碎;
③高压水射流的冲击,造成垢层的局部产生流变和破裂带;
④高压水射流的剪切作用使得垢层易于破碎;
⑤高压水射流的切力和拉力作用对垢层产生的脆性破坏作用;
⑥高压水射流冲击将对污垢产生的剥离作用。
高压水射流或高速水滴冲击到物体表面后,在表而径向流动过程中将产生较大的剪切力,使表面垢层受到破坏。对于具有空隙的垢层,射流水在压力的作用下,在空隙中也将产生很高的压力,从面使得结构连接削弱,可促进垢层的进一步破坏。
1、以渗透为主的破碎过程
对于水可渗透,即水能渗人垢层之间的孔隙,并对垢层颗粒施加压力的各类垢层,当此压力大于颗粒之间的引力时,产生裂纹且裂纹一步一步地扩散,后面的射流又直接起压缩、剪切和水楔作用,从而使污垢产生裂缝、凹坑到全部刹落。在这个过程中起决定作用的是水的渗透引起的作用于垢层颗粒上的水压力,当该水压力足够克服垢层颗粒之间的黏着力时,垢层颗粒之间产生裂纹,在后续射流作用下,裂纹扩散、扩张,并逐步成裂缝,使其剥落。裂纹的扩散方向与污垢的渗透方向、污垢结构有关,扩散速度与渗透速度有关。水射流的压缩、剪切和水楔作用也或多或少地促进了污垢破碎,加速污垢剥落,面且污垢破碎、剥落的方向与射流的工作方向有关。
从渗透到剥落的过程可推知:当用水射流冲击一块可渗透性垢层时,产生凹坑的速度权限应等于水渗入污垢孔隙的速度。如果射流压力很低,使作用在垢层颗粒上的水压力小于其黏着力,水渗人垢层后,并在其内扩展,形成渗水区;当压力增大,使压力大于黏着力,垢层颗粒便从基体上剥离开来,此时射流产生的压力型面始终作用在不同的污垢上。由此可知渗入区的部位就是凹坑的极限位置,也可说明渗水区或多或少地比凹坑****定距离。
当压力大小已知,射流又不产生冲蚀作用,即压力不**过临界压力时就能计算出水对垢层颗粒的作用力,进而确定污垢破碎的临界压力。
当射流速度达到某一临界值时,将在物料中形成应力波,加速物料破碎,对于垢层这种特殊的物料来说,这个临界速度很难得到,这主要是由于成垢的条件对垢层的成分、结构影响所致。寻找这一临界速度对于小射流清洗也不经济。在实际清洗过程中,在满足压力的条件下,垢层的破碎已经十分迅速,基本上不受射流速度的影响。
在清洗中,为提高清洗效率,存在一个较佳横移速度问题,即射流横扫污垢的速度,如图2.2所示。横移速度大,清洗速度快,效率就高,但有可能造成局部清洗不彻底和漏洗现象。要充分发挥射流的水楔作用,使垢层剥离,一般应采用较低的横移速度。对实际操作的横扫速度而言,确定具体的参考值意义不大。这主要应是根据污垢层厚度、污垢性质及清洗质量要求,由操作者依据经验设定和控制。

图2.2 射流横移清洗操作及软垢层受力情况
2、直接压缩和剪切为主的过程
对于软黏渗透性的物料垢,主要是通过水压力直接压缩和剪切引起破碎应力。当该应力按照一定的规律**过垢层的强度较**,垢层将产生裂纹、裂缝,在后续水射流的水楔等作用下扩张成坑,较后达到垢层的全部破裂并被冲洗干净。
按照弹性力学理论,水射流对污垢压缩和剪切引起的应力状态为三维空间应力状态。
对此受力情况下的应力可按三向应力状态分析,可根据强度理论求解水射流的压力,求解时,极限应力可取垢层的强度极限。由于垢层成分、结构的复杂,没有详细的性能应力—应变等参数,目前只作为一种定性分析的方法,由试验确定水射流对垢层冲蚀的压力情况。此外,垢层成分、结构各异,从实用的角度来说,建立应力—应变等参数值,没有多大价值,由试验确定射流压力值已完全可以达到工程清洗的要求。
对于非渗透软垢层,在15MPa左右的高压水射流的作用下,垢层通常可迅速被除去,其效果一般优于化学清洗。在实际清洗操作中,对于沥青、润滑油等垢层的清洗,主要是利用射流的剪切力作用,故应采用大冲击角的清洗操作方式,以充分发挥剪切作用除去垢层。
通常在高压水射流冲击垢层的初期,即射流与垢层接触较初的几微秒内,水射流的冲蚀效果较好。提高水射流冲蚀效果的有效方法是适当增加射流工作压力,而在保证压力的条件下加大射流水量有助于垢层的剥离效果。
2.4.2水射流基本结构与特性
1、射流基本结构参数
射流结构的各参数中,较主要的是射流压力、射流起始段的雷诺数及喷嘴加工精度和内表面粗糙度。前苏联学者根据大量的实验数据总结出下列计算射流起始段长度的经验公式:
(2-4)

式中: ——射流起始段长度,mm;
d——喷嘴出口直径,mm;
A——经验系数,取决于喷嘴的加工精度和内表面加上质量;
B——经验系数,主要取决于雷诺数,与经验系数A同;
Re——射流起始段雷诺数;
V——射流速度,m/s;
——运动粘度,,对于水为。
对射流扩展直径(或射流边界宽度),根据实验数据,可归纳出下列经验公式:
3.1.2 新高压水射流清洗系统
针对高压水射流清洗工艺和机械钻通、刮削等环保清洗工艺技术应用中暴露出来的问题,结合高压水除垢和机械除垢工艺各自的技术优势,对二者进行技术组合,研究出了结垢、锈皮油管复合清洗的新工艺技术。
由于油管外壁携带的原油,在传输过程中,容易污染传输滚轮,而油管内外清洗装置安装在同一条清洗线上,为避免油管内外壁在同时清洗过程中的二次污染,采用内外壁分开清洗,清洗工艺流程见图3.1。为避免资源浪费,对待洗油管根据其结垢、锈皮程度进行人工挑选。


图3.1油管清洗整体工艺流程图
采用不同的清洗技术对油管内外壁进行分步清洗。先采用钢丝刷清洗与低压水射流冲洗结合,钢丝刷、低压水喷头固定,油管旋转前进的方式清洗油管外壁,保证油管外壁的清洁程度;再采用油管钻通机与高压水射流结合,利用长杆水枪的二维高压水喷头实现旋转进退,油管固定的方式清洗油管内壁。油管外壁与内壁的清洗分三个工序进行,便于实现机械化操作,利用电控系统实现机电连锁,确保系统手动、自动连续工作。
1、高压水射流新系统
(1)油管外壁清洗
油管外壁清洗采用“刷、冲”结合,即用钢丝刷清洗与低压水射流冲洗结合清洗。通过钢丝轮的高速旋转,钢丝轮对管壁油污进行反复“刷、刮”,再利用低压水流冲洗钢丝轮、油管,及时带走清理下来的垢污和锈皮,保证钢丝轮及油管清洁,达到彻底清洁的目的。
具体工艺:
打开水枪→上油管→电机正转→油管右行→刷式清洗→射流清洗→下油管→下一循环→停枪。
(2)油管内壁清洗
旧油管内壁清洗时,由于受到排污路线的限制,容易形成两次污染,并且刷洗线速度也达不到除垢、锈皮脱离的要求,不能保持钢丝轮清洁和清洗效果,因此内清洗不能使用钢丝轮刷洗。通过试验,采用机械钻通和高压水射流清洗相结合的方法,即先通过油管钻通机钻头的钻削作用对油管内壁难清洗的垢质和锈皮进行预清洗,之后利用高压水枪通过高压水对油管进一步清洗,清洗效果好,对油管本体无伤害。
1)钻通机清洗
油管钻通机是适用于油管内孔清理和检验的一种**设备,由钻通主机、供水系统、气路系统、电器控制系统四部分组成。其钻通小车通过长轴带动“钻头”旋转并前行,使管道内的堵塞物被钻成碎片后进行清理。
钻通机工作过程如下:①油管从存料管架由上料机械手送至钻通工位,信号开关(K1)检测到有料信号后,夹紧装置夹紧油管,同时锁死上料机械手,防止误动作;②前后防喷罩落下罩住油管末端,形成清洗密闭腔;③钻通小车电机启动,小车前进,延时后气动球阀打开,开始供水;④启动旋转电机,钻杆开始旋转;⑤钻通小车行走至端部,碰到接近开关(K2)后全速退回,碰到接近开关(K3)后停止,气动球阀关闭,后防喷罩抬起,下料机械手将油管送至下料管架,钻通工序完成,开始下一循环。清洗流程见图3.2。

图3.2 钻通机清洗流程图
2)高压水射流清洗
经油管钻通机处理后,由于部分油管垢质硬厚,很难一次清洗干净,因此对那些清洗不彻底的油管,需要采用高压水射流进一步除去废屑,并进一步清洗未完全钻通的油管。
高压水射流清洗油管可根据结垢、锈皮性质的不同调整工作压力以及清洗速度,将油管内外壁垢物剥离;用作清洗介质的水,应经过多级过滤,去油后循环使用,既节约了水源,也避免了污水排放对环境的污染,有利于环境保护;利用高压水射流清洗油管易于实现清洗油管的自动化操作,对设备和油管无腐蚀作用,清洗后的废油可回收,满足了安全、环保、节能的要求。
结垢、锈皮油管内壁清洗采用高压双枪内清洗线,清洗设备采用洛阳水星加工清洗工程有限公司研制开发的油管内壁高压水射流清洗机;由于喷嘴要求具有较高耐磨性,所以采用进口长蓄压室宝石喷嘴,可有效地提高射流速度达70%以上。因为在高压泵上推广应用了变频技术,安装了质量可靠的变频器,以调节高压泵的工作压力,从而调整高压水射流的压力。从现场使用情况来看,变频调速技术的使用,高压泵综合节电率可达40%[7],大大节约了能源,为解决“大马拉小车”现象提供了一个很好的方法;同时也提高了泵机组的维修周期和使用寿命,有效地减少了设备的维修维护费。
高压双枪清洗线工艺流程如下:供高压水→上油管→滚轮转动带动油管旋转→动力小车前进→加压防喷装置下压→清洗结束→动力小车后退回到位停止→加压防喷罩装置升起→下油管→循环结束→停高压水(图3.3)。


图3.3 油管内壁清洗流程图
现场使用表明:该清洗技术完全可以代替“水煮法”、化学法以及加热法等清洗技术,所采用的设备技术先进,性能可靠,操作安全,利于环保,节约能源,自动化程度高,是油管进行修复前清洗的**设备,且整机水平在国内处于良好水平。
3.2高压水射流清洗装置的组成与分类
3.2.1高压水射流清洗装置的组成
高压水射流清洗装置称为高压水射流清洗机,主要由高压水装置、动力设备、喷嘴、喷头及工作附件等组成,如图3.4所示。


图3.4 高压水射流清洗机组成
(1)高压水装置 高压水装置是高压水射流装置中较重要的部件,主要有离心泵、柱塞泵和增压器等。
(2)动力部分 动力源通常为柴油机或电动机。为方便现场施工,一般车载的高压水射流清洗装置的动力源为柴油机,它尤其适合在不具备大功率电源的工厂或车间使用。一些小型高压水射流清洗装置常用电动机作动力源。
(3)高压软管 高压水泵和喷头之间通过高压管路连接,高压管路由内管、增强层和外皮二部分组成。内管输送水,增强层提高内管的强度以耐受高压,外皮起保护作用,以防止腐蚀和机械损伤。高压软管的增强层用钢丝编织,一般有2~3层。
(4)喷嘴、喷头及工作附件 喷头是连结喷嘴与高压管汇的零件。喷嘴的作用是将局压低流速水转化为低压高流速的射流。喷嘴及附件是影响清洗效果的重要因素。喷嘴一般由特种材料制成,有圆柱形和扁平形两种。圆柱形喷嘴射程远,但作用面积小;扁平形喷嘴的射程短,但作用面积大。同一型号的喷嘴有不同的口径,一般为1.5~2.1mm,口径小的喷嘴适用于高压力低流量的清洗,反之则选用大口径的喷嘴。
3.2.2高压水射流清洗装置的分类
目前,射流清洗设备已发展成为四大类(见表3.1),以满足人们对其既经济实用、安全高效又有利于环境保护的需要。
表3.1 射流清洗设备
类别
设备名称
较大压力/MPa
较大排量/L/min
第一类
压力清洗设备
36
20

2.5高压水射流除垢的应用标准
在油田生产运用中,旧油管的检测、修复再利用给企业带来巨大经济效益,节约了开支,因而对油管的表面质量也提出了较高的要求,必须对油管表面的氧化皮、污垢、锈蚀等彻底的清除,以满足作业的要求,涂覆于油管表面的油漆和保护涂层的性能,在很大程度上取决于涂装前材料的表面状态。其中主要的因素有锈蚀和氧化皮、表面的污垢(盐份、油脂、灰尘等)以及表面粗糙度。
为了提供评定这些因素的方法和对获得洁净油管表面的预处理方法提供指导并指出每种方法达到规定洁净等级的效力,国内外有关部门经过大量的实验研究和统计分析,对钢铁表面的锈蚀等级、采用不同方法达到的预处理级别制定了相应标准。其中有:
ISO 8501 -2006 表面清洁度的目视评定;
ISO8502 - 2006表面清洁度的评估试验;
ISO8503 -2006 喷砂清理后的钢材的表面粗糙度特性。
ISO8501-2006适用于涂装前采用诸如喷射清理、手工和动力工具清理以及火焰清理方法处理过的热轧钢材表面。但这些方法,尤其是喷射清理方法也适用于具有足够厚度、能抗因磨料冲击或动力工具除锈操作而引起变形的冷轧钢材,也适用于除了残余氧化皮之外还牢固地粘附着残余油漆和其他异物(如可溶于水的盐分、焊渣等)的钢材。所以对于油管水射流清洗洁净度评判标准可以采用ISO 8501-2006。
ISO 8501-2006规定的预处理等级由除垢作业之后表面外观状况的文字描述以及典型样板照片共同定义。不同的预处理方法采用相应的字母表示,如Wa—喷射清理。在代表预处理方法类别的字母后面有阿拉伯数字,则表示清除氧化皮、油、油脂、铁锈和原有涂层的程度。
五初始表面条件被定义:
喷射清理的钢材表面的情况下,将其中三个初始表面条件*DC A,DC B和DC C,在DC A、DC B、DC C的情况下,涂用防护涂料系统,并且涂料已经退化。另外两种初始表面条件,*DPI和DPZ的,并且被*为自喷射清理,其油管表面氧化铁预制引物底漆(DP I)或硅酸锌底漆(DP Z)。。
以喷射方式进行的表面预处理,以字母“Wa”表示,其预处理等级的意义为:
Wa1 轻度喷射清理:在不放大的情况下进行观察时,表面应无可见油脂和污垢,并且没有附着不牢的氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。
Wa2 彻底喷射清理:在不放大的情况下进行观察时,表面应无可见油脂和污垢,并且几乎没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。任何残留物应是牢固附着的。
Wa21/2非常彻底的喷射清理:在不放大的情况下进行观察时,表面应无可见油脂和污垢,并且没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。任何残留的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色斑。


清洗标准附图如下:

DC A DC A Wa 1

DC A Wa 2 DC A Wa 2?

DC B DC B Wa 1

DC B Wa 2 DC B Wa 2?

DC C DC C Wa 1

DC C Wa 2 DC C Wa 2?

DP I DP I Wa 1

DP I Wa 2 DP I Wa 2?

DP Z DP Z Wa 1

DP Z Wa 2 DP Z Wa 2?



三 高压水射流清洗新技术
3.1现役高压水系统存在的问题及新系统
3.1.1现役高压水系统存在的问题
随着科学技术的发展,高压水射流及机械钻通、刮削等环保清洗技术得到了广泛应用,为了满足结垢、锈皮油管的清洗要求,引进了高压水射流清洗新技术。该技术具有高效、节能、环保、清洗成本低、设备通用性强等优点,也存在着高压动态密封不稳定,导致出水系统漏失量大,泵效低等问题。高压泵额定排出压力为70MPa,但实际排出压力仅达40MPa~50MPa,排出压力低,出水动能小,直接导致清洗质量不稳定、清洗一次合格率低(仅为62% )、清洗范围小(仅能清洗一般结垢油管),因此结垢、锈皮严重的油管,被结垢物和化学物堵实的油管无法实现高压水清洗。采用单一的高压水射流清洗时,压力必须达到70MPa以上才能清洗干净,甚至有些特硬厚水垢需要150MPa以上的高压水才能清洗干净,在这么高的压力下工作,对工人的安全操作是一个很大的考验。而采用单一的钻通刮、削技术或者刷洗技术,虽然清洗效果较好,但是清洗效率较低。
3、离心泵的类型
①D型节段式多级离心泵。用于输送水或物化性质类似于水的不含固体颗粒无腐蚀的液体,输送介质的温度不得**过80℃。
性能范围:流量6.3~580m3/h,扬程50~1800m。
②PJ型多级矿用排水泵。用于输送80℃以下清水及物化性质类似于水的其他液体。
③XD、MP、WY—25LD、BS型多级离心消防泵。用于输送80℃以下的清水或物化性质类似于水的液体。适用于高层建筑、民用住宅楼群等建筑群消防工程。
性能范围:流量0~162m3/h,扬程较大252m。
④DG型锅炉给水泵。输送液体同前,使用温度高压泵可达150℃。
性能范围:流量3~440m/h,扬程36~1680m。
⑤G型高压多级离心泵。输送介质为清水或腐蚀性不强的油品及石油化工产品,输送介质温度为130℃。
性能范围:流量20~254m3/h,扬程318~1260m。
⑥W型污水泵。用于输送80℃以下的污水、粪便以及带有纤维或悬浮物的液体,悬浮团块尺寸不**过泵出口直径的80%,WGF和WDF型泵还适用于输送含有腐蚀性的污水,适合化工部门输送化学浆液之用。
性能范围:流且3~585m3/h,扬程3. 2~42.5m。
⑦WL型立式污水泵。供输送含大颗粒、带长纤维等杂质的液体,适用于城市生活污水、工矿企业废水的处理以及用于输送泥浆、粪便、灰渣及纸浆等。
性能范围:流量10~780 m3/h,扬程5.2~49m。
⑧CLW型长轴立式杂污泵。用于输送固体颗粒,如氧化铁屑、砂、煤粉等坚硬的磨粒的污水介质;也可用于输送清水及物理化学性质与水相似的介质。被输送介质温度小于80℃;介质中含固体颗粒粒度10m。介质重量浓度15%。
性能范围:流量50~3200 m3/h,扬程21~60m。
3.3.2 高压往复泵
高压柱塞泵是现代工业常用的高压推动力设备,适用于高压水射流清洗工作,如冲洗、清沙、除锈、液体输送、液体传动、工程采掘以及材料切割等。
柱塞泵和活塞泵有许多的设计方案,柱塞泵是有密封装置的往复泵,而在活塞泵的设计中,密封装置是移动活塞的一个必要组成部分,因此柱塞泵是用得较多的一种泵。
往复泵通常由两部分组成。一端是实现机械能转换为压力能并直接输送液体的部分,称为液力端;另一端是动力或传动部分称为动力端。
由于往复式水泵比离心泵能输出较大的压力,故在排水量不大,而压力较高的场合通常用往复泵,并且往复泵流通部件简单。以上特点正是高压水射流清洗系统所需要的。
(1)往复泵的性能参数
①往复泵的流量。往复泵的理论流量是单位时间内活塞所排出的液体体积,等于活塞工作面在吸人行程中单位时间内在泵缸中扫过的体积,是泵的理论平均流量。

式中,QT为理论平均流量,m3/min;A为活(柱)塞工作面积,m2;S为活(柱)塞行程,m;i为缸数;n为转数(往复次数),r/min。
泵的实际流量Q与理论流量QT之比称为流量系数,用表示:

式中,ΔQ是泵内实际的流量损失。ΔQ由两部分组成,一部分是液体通过各密封点由高压侧向低压侧的泄漏,以表示,这部分流量损失要消耗能量。因此,将泵的实际流量与泵内接受能量的液体量()之比称为泵的容积效率:

另一部分流量损失是由于缸内有少量气体占去了泵缸容积,这些气体是漏入缸内或由液体带人缸内的,在高压下液体的可压缩及泵缸弹性变形等原因,也使泵的流量减少,以表示。这部分流量损失几乎没有能量损失,用充满系数表示。

流量系数值一般在0.8~0.99之间。
②往复泵的功率。有效功率计算方法与离心泵相同。

式中,Ne为有效功率,kW;Q为泵的实际流量,m3/s;H为泵的实际扬程,m;为液体的密度,kg/m3;g为重力加速度,g=9.81m/s2。轴功率N为

式中,η为泵的效率,机动往复泵η=0.6~0.9;蒸汽往复泵η=0.8~0.95。
(2)往复泵的运行特点 往复泵的瞬时流量是不均匀的。单缸泵的流量脉动与活塞的加速度有相同的波形。多缸泵的瞬时流量等于同一瞬时各缸瞬时流量之和。
由于瞬时流的脉动,引起吸入相排出管路内液体的非匀速流动,从而产生加速度和惯性力,增加泵的吸人及排出阻力。吸入阻力使泵的吸入性能降低,排出阻力使泵及管路承受额外负荷。
如果排出管路细长,系统背压不够大时,脉动的惯性力可能引起吸人和排出同时打开,造成液体直接由吸入管冲向排出管的过流现象,还引起管路压力脉动及管路振功、破坏泵的稳定操作。
在柱塞泵系统中减小压力脉动的方法如下。
①采用多缸泵或无脉动泵。多缸泵的流量变化情况见图3.2。双缸凸轮泵是一种无脉动泵,可用凸轮的形状与两凸轮的相位消除往复泵的压力脉动。
②使系统有效扬程大于排出终了时的惯性能水头,以免出现过流现象。
③在靠近泵进出口管路上设置空气室,或加装流阻、节流器、蓄压器的组合,可以减小管路上液流脉动,改善管线振荡。
④避免水锤效应。如前所述,水锤效应与流速变化有关。某一点的dv/dt越大,压力变化就越大。增大吸入管直径,压力脉动就减小。同时还可以减噪声与汽蚀效应。管线系统的长度也可能导致危险。如果使用单一吸入管,它的基本周期是4L/C,恰好与流量谐和函数的一个周期接近,就会发生强烈的压力脉动。在管线中引进具有不同波速的橡皮软管也会起很大的减振作用。


式中: x——靶距,即计算截面至喷嘴出口截面间距离,mm;
X——量纲为1的靶距,为x/d;
d——喷嘴出口直径,mm;
——量纲为1的射流扩展直径,为D/d
D——射流扩展直径,mm;
b——射流扩展半径,为D/2;
K、——与喷嘴结构有关的试验系数。
2、射流基本结构与特性
如图2.3所示,一般水射流的结构在沿射流长度上可分为四个阶段:紧密段、核心段、破裂段、水滴段。

图2.3 射流结构示意图
紧密段紧靠喷嘴出口,处于紧密状态,透明清晰,因与空气产生摩擦,射流表面出现波纹,这种波纹的幅度随射流离开喷嘴的距离而增大。当喷嘴出口压力增大时,射流速度也增大,在脉动速度及旋涡的作用下,紧密段因表面波纹波幅加大而破裂,紧密段随压力的增加有逐渐缩短的趋势。
射流离开喷嘴一段距离后,在其与环境介质间所形成的边界层上存在着较大的速度差,由此面产生一个垂直于射流轴心方向的力,在这些力及射流内部湍流波动的联合作用下,产生了射流流体与环境介质间的质量与动量交换,使得射流表面出现波状分离,其具体构成及波长变化依赖于射流排出工况。射流流体与环境介质的质量及动量交换过程也即是射流的传播与扩散过程。射流的扩散首先开始于射流表面,逐渐向轴心发展,因而,在距喷嘴一定距离内就形成丁一个锥形的等速流核区。等速流核区内射流的轴向动压力、流速及密度基本保持不变。
紧密段结束端面至等速流核心区消失的截面间的一段射流即为射流核心段。核心段射流的核心部分仍保持初始喷射速度,呈紧密状态。由出口端面至核心段结束也称起始段,在起始段内等速流核区外的区域均为射流混合区。
射流起始段后较长一段射流为射流破裂段,一般边称基本段。在经过起始段后,由于气体动力、惯性力、黏性力和表面张力等各种力相互作用的综合结果,连续的射流液柱较终分裂破碎成为形状各异的分散团块。该段内射流表面破碎为水滴,射流中心内紧密状态破碎为大块水团,并且射流轴向流速及动压力逐渐减少,随离开喷嘴距离的增大,水团渐渐变小,较终全部变成水滴。在垂直于轴心的截面上,轴向动压力与流速自较大值迅速减至边界上的较小值,如图2.4所示。同时,该段内射流仍保持完整,并且有紧密的内部结构。不同的射流状态可产生不同的分裂形式,其决定因素是喷射速度。

图2.4 射流轴心动压沿程变化规律
——轴心动压
——起始段轴心动压
x——射流距出口的距离
——射流起始段长度
射流基本段后即为射流水滴段(消散段)。此时,射流与环境介质已完全混合,射流轴向速度与动压力相对较低。如在大气中,射流将吸入大量空气,射流的整个断面被空气隔离成水滴状,射流则已变成水滴与空气的混合物或雾化,整个流动呈现出气——液两相流的流动特征。
2.4.3射流喷嘴结构对射流特性的影响
喷嘴是水射流设备的重要元件,它较终形成了水射流工况,同时又制约着系统的各个部件。它的功能不但是把高压泵或增压器提供的静压转换为水的动力,而且必须让射流具有优良的流动特性和动力特性。同时,喷嘴又是射流清洗、破碎与切割等工艺的执行元件,喷嘴的完善是成套射流设备技术水平提高的重要标志之一。研究和工程实践表明,喷嘴几何形状、结构参数等,对射流的性能具有重要影响。
从有效射流作业和节能降耗的角度来看,较为理想的喷嘴应符合以下要求:
1、喷嘴射的水束应能将压力有效地转化为对射流表面的喷射力;
2、喷嘴具有较小的流动阻力,喷出水束受卷吸作用力小,并保持射流稳定,以利于对射流表面的作用;
3、喷嘴不易发生堵塞;
4、在保证一定射流效果下,尽可能地降低水耗。
喷嘴的结构参数几何参数一般主要包括喷嘴喷孔的直径、喷孔的长径比、喷嘴的入口角等。通常喷嘴的直径d取决于射流流量与压力,是设计的原始数据。对于射流清洗喷嘴,其喷孔形状不一定为圆形,因此本设计选用喷孔面积代替直径作为喷嘴设计的主要参数之一。在这些几何参数中,需要优选的有喷嘴收缩角α和喷孔的长径比L/d。
(1)喷孔直径 喷孔的直径是喷嘴设计时首要选定的重要参数,也是确定其他参数的依据。一般情况下,喷孔直径的大小主要是考虑水耗的大小和喷孔是否有堵塞的危险。孔径大,水耗就增加,堵塞的危险也就减少;孔径小,水耗小,堵塞的危险增大。综合上述两个方面,在设计时,孔径的选择通常以降低水耗为主,取较小值。
(2)喷孔长径比 喷孔长径比是影响喷射状态的另一个重要参数。它直接影响到喷嘴的流动阻力、流量系数等。它的大小决定了喷孔属薄壁孔还是厚壁孔,从而使经过喷孔的水流具有不同的流动状态。根据流体力学原理,厚壁孔具有较高的流量系数,因此具有较高的压力能转化为喷射能的效率。通常长径比L/d=2~4。
(3)喷嘴收缩角 喷嘴收缩角α是决定喷嘴流动阻力的主要因素。收缩角较大的喷嘴其入口流动阻力较小。
2.4.4射流水力参数
射流清洗的水力参数主要有水射流速度、理论喷嘴流量、实际喷嘴流量、射流功率和单喷嘴射流反冲力。
表2.4 水射流水力参数
名称
公式
备注
理论喷嘴流量/(L/MIN)

实际喷嘴流量/(L/MIN)

射流功率/w

(2-3)
式中:Pk为压力峰值;
为液体中气体含量(1/6—1/12)。
(4)旋转射流
旋转射流是指在射流喷嘴不旋转的情况下产生的具有三维速度的射流质点,沿着螺旋线轨迹运动而形成的扩散状射流,它不同于喷嘴绕一固定轴旋转而导致的射流旋转。这种旋转射流是靠在喷嘴腔内的导向原件,将一维纯轴向来流导引成具有轴向、切向、径向三维速度的流动而形成。旋转射流的高速区不适处在射流中心部位,而是集中在离开射流中心一定距离的一个圆环区域内。用于射流质点上切向速度的存在,使射流旋转前进,导致中心部位的低速低压区形成。
旋转射流的结构特性通常是指射流的速度和压力分布特性。理论分析已表明旋转射流由于流体质点具有三维速度。因此,当射流脱离喷嘴后,必然在前进过程中形成一定的扩散,射流质点的运动轨迹基本上为一空间螺旋线,形成了其*特的喇叭状外形和特殊的速度和压力分布。
结果表明,在近喷嘴范围的截面上,轴向速度明显存在着中心低速区,随着射流的向前喷射,中心低速区在一定范围内变得更低,而射流的高速区则向外发展。由于旋转射流的强烈卷吸作用带动了周围流体的流动,同时在其边界上进行能量交换,将自身的能量传递给周围的流体,使射流本身的速度逐渐降低,直到较远的截面处,发展成与普通圆射流分布相类似的较平缓的速度分布,即射流轴心处速度较大。由图可知,这个射流主体段的轴向速度分布呈现“M”形分布的特点,即射流中心某一区域内气速度值较小,离开中心一定半径处存在着较大速度,而后随着径向距离的增大,来流速度逐渐降低。
(5)磨料射流
磨料射流是纯水射流的发展,是近十年来发展起来的一项具有远大前景的技术。其基本原理是在高速运动的水射流束中加入一些磨料粒子,利用其与物件的碰撞、冲蚀和刮削作用,队伍建进行喷击及切割。由于磨料粒子质量集中而且具有锋利的棱角,在水射流中使不连续的,由磨料粒子组成的高速粒子流对物件还产生高频冲击而且具有很好的工艺特性。其工作方式与等离子切割,火焰切割相似,但不会产生热应变,且加工精度高,操作简单、方便、其工艺原理与传统的喷丸相似,但其能量高度集中,且采用湿式系统,不会造成环境污染。
2、按射流压力分类
射流压力值是应用中涉及的较重要的参数,它涉及工艺技术、设备的经济性和合理性。根据有关标准分类如表2.2所示。
表2.2 射流压力分类等级
压力等级
压力范围(MPa)
压力泵类型
低压
0.5-10
离心泵、柱塞泵
高压
10-100
柱塞泵、增压器
**高压
≥100
增压器
3、按射流环境分类
(1)淹没射流
射流的工作介质与环境介质相同时,这种射流称为淹没射流。
(2)非淹没射流
射流的工作介质与环境介质不同时,这种射称为非淹没射流。
(3)自由射流
射流的作业环境没有固壁约束下的射流称为自由射流。
(4)非自由射流
射流的作业环境具有固壁约束下的射流称为非自由射流。
其中高压水射流油管清洗技术属于非淹没非自由射流。由于本次只取了油管清洗的一小段,在清洗中假设该段基本充满水,故本次研究将其假设为淹没非自由射流。
2.3高压水射流在油管清洗中的应用
2.3.1污垢形成及力学特性研究
一般情况下,造成油井油管堵塞的原因很多,如地层出砂、机械落物、油套管变形、地层产出的沥青质,或者开采期间入井的各种化学药剂及馏分、钻井液、压裂过程中入井的聚合物及气井生产过程中形成的水合物都能够造成井筒堵塞。
按照相应的石油行业标准,对油井堵塞物可通过无机物X射线衍射分析和**物气相色谱分析得出污垢的成分。由前人总结,堵塞物中无机物主要以腐蚀产物FeS、亚铁盐及无机杂质为主,其中FeS占所占比例较大;堵塞物中的**物中有大量的C7C14的**化合物,各碳数含量基本呈平均分步,成分较为复杂,主要为壬烷基同分异构体、多乙烯多胺衍生物、吡啶衍生物、芳香烃衍生物等低分子碳水化合物,这些结构都是目前各类缓蚀剂中的主要活性成分,由此可以推断堵塞物中的**物含有大量缓蚀剂的活性成分。
由此可以得出,除水合物堵塞外,油管堵塞主要是腐蚀产物、地层产出物及入井化学药剂馏分堵塞。由于这类物质均为**物或者混合物其黏性大,相互之间基本无缝隙,容易堵死通道,影响油井的正常生产。
根据现场采样,所带回的油管管壁污垢,经过化学实验分析,其主要成分包括:硬厚的碳酸钙垢和硫酸盐垢,含有少量致密坚硬的Fe2O3、BaSO4、SrSO4,经常导致全井油管报废。



2.3.2油管清洗工艺及原则
油管清洗工艺有很多种,主要分为化学清洗、物理清洗和化学物理混合清洗。由于化学清洗受到设备运转效率及环境保护的限制,现在逐渐被物理清洗所替代。在科技进步的推动下,近年来世界清洗技术发展迅速,新的清洗方法、清洗技术不断出现,特别是各种物理清洗方法和技术得到了快速的发展和广泛应用。从目前清洗技术**统计看,大部分清洗技术属物理清洗,化学清洗仅占约1/4。物理清洗技术已成为世界清洗技术发展的主要方向,其中高压水射流清洗技术的发展与应用较为迅猛和广泛,已经成为清洗行业中一种主要的清洗技术。
1、清洗过程的基本原理
清洗的基本目的就是从物体表面清除附着污染物。清洗的过程涉及三种物质:被清洗的基体、基体表面的污染物以及清洗介质。要达到清洗的目的,就必须施加特定的影响,才能使污染物与基体表面分离,这种影响可以称之为清洗作用力。因此,清洗过程涉及四个要素:基体、污染物、介质及清洗作用力。高压水射流清洗就是通过水介质传递清洗作用力到清洗表面,使表面上的污染物脱离。
2、高压水射流清洗基本工艺流程
如图2.1所示为油管清洗工艺流程:
启动高压射流设备上油管电机正转小车带动油管右行经内外高压喷嘴射流清洗油管左行机械臂下油管下根油管循环。


图2.1 油管清洗工艺流程
3、水射流清洗的压力选择
清洗过程中必须合理选择高压水压力的大小。表2.3可以看出清洗油管污垢选用压力为70MPa、水流量为70L/min。由现场数据可知,高压泵额定排出压力为70MPa,但实际排出压力仅达40MPa~50MPa,排出压力低,出水动能小,直接导致清洗质量不稳定、清洗一次合格率低(仅为62%)、清洗范围小(仅能清?????
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