专业承接高压水射流清洗厂 海申

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 2½

DC B DC B Wa 1

DC B Wa 2 DC B Wa 2½

DC C DC C Wa 1

DC C Wa 2 DC C Wa 2½

DP I DP I Wa 1

DP I Wa 2 DP I Wa 2½

DP Z DP Z Wa 1

DP Z Wa 2 DP Z Wa 2½



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。

成都海申科技有限公司-企业位于中国四川自由贸易发展区-成都市青白江区大成工业园,公司成立于1999年专业研发生产高压泵及零部件的制造型民营制企业,2019年企业改制创新,企业注册资本为1036万元,是国家外经贸局、海关总署批准的有进出口权的公司。
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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：
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：
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。

或
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