国产高压水射流清洗

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

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