浅谈管道清洗装置的应用

王建民 北京沃利帕森工程有限公司上海公司 上海 200001

浅谈管道清洗装置的应用

王建民*北京沃利帕森工程有限公司上海公司 上海 200001

介绍管道清洗装置的基本组成、工作原理及应用实例。

清管球发射与接收匹配设计

管道清洗装置在国外称Piggable Line，广泛应用于石油化工、油脂化工、涂料、制药、化妆品等行业。它主要用于:①管道比较长/大，残留在管路的积料因停车而无法排空;②原材料或成品价值昂贵需要回收的工艺管道;③解决各种高洁净粘稠液体所产生的挂壁和难清洗问题;④同个工厂生产品种比较多，需要减少切换时间。

1 基本原理

1.1 组成

管道清洗装置主要由四个部分组成:清管球、发射器、接收器和电子探测定位仪器。

(1)清管球是管道清洗工具，用来刮削管壁积料。

(2)发射与接收器分别安装在清洗管线的始端和末端，用来发射和接收清管球。

(3)电子探测定位仪器包括:定位指示仪、过球指示仪等，用来跟踪在管道中运行的清管球。

其他还有一些辅助部件和设施:①安置在发射器旁的清管球装卸站，某些公司为了安全装卸清管球而特殊设计了这种装置;②当管道清洗系统中有一个发射装置和两个接收装置时，在分叉处要配置特殊的三通阀。管线之间的角度一般设计成120°;③适用于单方向管道清洗系统的汇流阀;④将清洗管道后的气体过滤后安全排放的放空罐。

1.2 工作原理

管道清洗装置主要依靠气压(液压)为动力使清管球在管内向前推动，将留在管内的物料排出管道，操作流程见图1。

图1 管道清洗流程示意图

1.2.1 发球

发球过程示意见图2。

图2 发球过程示意图

初始条件:发射器加压并充满气体，阀门A、B和C打开，阀门D关闭。

(1)关闭阀门A和C。

(2)打开阀门D，泄放发射器内压力到大气压。

(3)确认发射器已完全放空，打开快开门，把清管球放入发射器并推入变径段(点×处)，使其在该处与管道形成紧密配合。

(4)关闭发射器的快开门;缓慢打开阀门C，吹扫发射器，吹扫完毕后关闭阀门D;继续开启阀门C，给发射器升压到一定压力后关闭阀门C。

(5)先打开阀门A，再打开阀门C，准备发射清管球。

(6)部分关闭阀门B，增加通过阀门C的气流，继续关闭阀门B，直到清管球发射进主管道，并被清管球指示仪检测到。

(7)当清管球离开发射器进主管道，全开阀门B。

1.2.2 接球

接球过程示意见图3。

图3 接球过程示意图

初始条件:接收器处于常压状态，阀门B、D和E打开，阀门A和C关闭。确认接收器快开门已关闭。

(1)关闭阀门E并缓慢打开阀门C，以吹扫接收器。

(2)吹扫完毕后关闭阀门D并打开阀门C，给接收器升压。

(3)继续开启阀门C，同时打开阀门A，接收器准备接收清管球。

(4)当清管球到达后，可能会停在阀门A和三通之间(点×处)。

(5)部分关闭阀门B，以推动清管球进入接收器。

(6)当清管球进入接收器并被清管球指示仪检测到以后，打开阀门B并关闭阀门A和阀门C。

(7)打开阀门D和阀门E，给接收器泄压。

(8)确认接收器泄压后，打开快开门取出清管球。

(9)确认关闭快开门。

2 清管球

清管球是管道清洗装置的主要部件，根据被清洗的物料特性、运行状况等来选择。

2.1 材料

常用的材料有:聚氨酯、氟橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶和皮碗等。

2.2 种类

(1)一体化聚氨酯清管球的耐消耗和抗磨损较好，见图4。

图4 一体化聚氨酯清管球

(2)双向清管球的球体结实易操作，不需取出且内含磁体，在管道内可被侦查，见图5。

图5 双向清管球

(3)球形聚氨酯清管球适宜大多数场合，该清管球不膨胀，只简单充气运行，清管球使用寿命长，工作效率高，见图6。

图6 球形聚氨酯清管球

(4)直板清管器的密封性能和清洗效果好，可双向运行，见图7。

图7 直板清管器

3 应用实例

介绍某美国公司75 kt/a丙烯酸乳液装置管道清洗装置的设计应用。

3.1 工况分析

3.1.1 涂料特性

涂料分为油性涂料和水性涂料。油性涂料粘度大，粘结性好，成品不宜长距离输送。该装置生产的产品为丙烯酸乳液，属水性涂料，平均粘度为1500～3500 cP，可长距离输送。

3.1.2 应用场合和特点

通常涂料工程设计中，涂料成品在灌装车间桶装后送成品仓库储存。为提高生产效率，该项目结合工艺流程及总平面布置，除设置成品桶装仓库储存外，还设计了成品罐区，由若干个100～200 m3的储罐储存。成品罐区与生产车间和灌装车间之间采用管道输送。

该项目的管道最大输送长度控制在200m以内，管道公称直径为DN100mm，材质为304L。

考虑水性涂料的粘结性，成品从生产车间或灌装车间输送到成品罐区后应及时清洗输送管道，项目采用管道清洗装置清洗输送管道。

3.2 管道选型

管道材质为304L，公称尺寸为DN100。管道的外径和壁厚分别为114.3 mm和3.2 mm，为与清管球匹配的尺寸。

3.3 清洗装置

发射器、接收器、探测定位仪器和三通阀。

由于涂料的温度越高，粘度越低，被清洗管道设电伴热。

3.4 清管球

3.4.1 清管球种类和材质

据工艺要求，选择双向清管球，可在管道中来回清洗，不需常取出。考虑水性涂料的特点，选用氟橡胶材质，具有耐化学性能、耐候性和耐磨性。

3.4.2 匹配设计

双向清管球与管道通常设计成过盈配合，使清管球的外径略大于管道的内径。

考虑清管球合适的弹性变形量是清管球设计的关键。过盈量太小，清管球扫除残存涂料的能力较小;过盈量过大，则清管球运行的摩擦阻力过大，使用寿命缩短。

各供货商一般均有自己的系列尺寸供选择。如果管道采用国内标准，而清管球由国外公司供货，则清管球需特殊设计。

3.4.3 使用寿命

清管球的使用寿命与材质、与管道的配合有关，还与清管球的运行速度和被清洗的物料有关。

清管球的使用寿命以行程来表示，涂料输送管道的最低要求为30000～60000m。该项目的输送管道最长为200m，清洗一次为从发射装置到接收装置然后再返回，全程400m，每天清洗3次，则寿命为:

L(t)=60000/(400×3)=50 d

采购清管球时应充分考虑采购周期，尤其是从国外进口，根据生产情况考虑清管球备件的数量。

3.5 设计计算

3.5.1 运行速度和时间

当清管球在管道中向前推进时，要克服阻力清除残渍，设清管球的平均运行速度为1.0m/s，则运行时间为:

当清管球在管道中返回到发射装置时，由于管道中没有涂料残存，阻力较小，设清管球的平均运行速度为4.0m/s，则运行时间为:

则清管球清洗一次的时间为4.16 min。

3.5.2 压缩空气

(1)当清管球在管道中向前推进清除残存涂料时，考虑压力为4.5 bar。

当清管球在管道中返回到发射装置时，由于管道中没有残存涂料，可以将压力设为3.5 bar。

在管道清洗装置中，设置压缩空气调节器，随时调节系统的压力。

(2)压缩空气最大消耗量考虑为气体充满管道时的量。该项目管道的内径为107.9 mm，管道的来回长度为400 m，则:

管道清洗一次压缩空气最大消耗量为:

3.5.3 压力降

管道清洗装置中，压缩空气的一端和清管球的一端可视为一边是气体、另一边是固体。

因此按气固两相流压力降模型讨论。其中，任意倾向段:

水平段:

垂直段:

全管道总压力损失为:

式中，α为管道倾斜度;F为壁摩擦系数;R为体积重度;L为料栓长度(清管球长度+残料当量长度)。

上述公式由日本狩野武导出。

4 结语

对于粘度大、易粘结的涂料介质，管道清洗装置应用尚少，需在实践中不断完善。

1 GB/T 20801.1－2006，压力管道规范工业管道［S］．

Introduce the basic components，operating principle and application examples of the piping cleaning unit．

Discussion on Application of Piping Cleaning Unit

Wang Jianmin
(Beijing WorleyParsons Shanghai Company，Shanghai 200001)

cleaning piping balllaunch and receivematching design

*王建民:高级工程师。1990年毕业于上海大学。长期从事化工设计和技术管理工作。联系电话:13482816842。

(修改回稿2011－06－24)