手持式换热器高压水射流清洗装置的设计与应用

潘世超 刘湘晨 蔡晓君 吴同锋 王丽萍

(北京石油化工学院机械工程学院)

手持式换热器高压水射流清洗装置的设计与应用

潘世超*刘湘晨 蔡晓君 吴同锋 王丽萍

(北京石油化工学院机械工程学院)

介绍了手持式换热器高压水射流清洗装置的组成、结构和清洗流程。某大型石化企业换热器清洗作业的实际应用结果表明：该装置提高了清洗效率和整体自动化程度，减少了环境污染、劳动强度与企业成本。

清洗装置 换热器管程 高压水射流 污垢清洗

目前，石化行业中的换热器清洗主要以化学在线清洗和人工手持高压水喷枪冲刷为主。化学清洗时，一般先通过试验确定选用的清洗液是否会对设备金属材料造成腐蚀，然后再通过现场架设临时循环装置，使清洗液在设备内循环流动，洗去污垢，这种方式存在环保方面的弊端，且清洗后的溶液处理是企业的难题之一，而且当污垢与容器材料的化学成分相近时，处理不当容易造成容器腐蚀[1]；手工清洗时，作业人员需要与清洗水枪直接接触，容易发生意外事故；部分清洗过程只能使用后喷嘴，靠水流推动软枪前进，清洗流量较小，效率较低；后喷嘴清洗方式使管束的前后端无法清洗，这是因为喷嘴需要伸进换热器管内一段距离后才能加压，清洗开始阶段无法达到压力要求，且抽管需要脚阀泄压，清洗速度不均匀，清洗后管内表面不光滑，容易再次附着污染物，清洗周期较短；手工清洗必须频繁更换清洗工作人员，清洗速度较慢，因此，清洗大管束换热器时效率低下[2]。综上，无论是化学清洗还是手工清洗都存在清洗成本高、效率低和易造成环境污染的问题，远不能满足现代社会日益增长的工业和民用清洗要求。

采用高压水射流清洗机的高压水射流自动清洗技术，是近年来发展最快的一种新型高压清洗技术，其原理是利用高压水发生装置产生的高压水，通过喷嘴借助巨大的压力将高压水转变为能量高度聚集的水射流，通过自动清洗装置，利用高压水射流的强大冲击力冲击结垢物，把结垢物剥离、清除，从而达到清洗的目的。基于此，笔者研制了一种手持式换热器高压水射流清洗装置，并将它应用于某大型石化企业的换热器清洗作业中，以提高清洗效率、自动化程度，减少污染。

1 装置组成与结构特点

手持式换热器高压水射流清洗装置(图1)由外壳结构、驱动部分、传动结构及支撑部分等组成。其中，外壳结构主要由支撑底座、整体外壳(大)、整体外壳(小)、前水管支管及后水管支管等组成；驱动部分主要包括气动马达；传动结构主要由传动轴、链轮及摩擦橡胶套等组成；支撑部分主要由侧板、轴承、传动轴及螺栓等组成。

图1 手持式换热器高压水射流清洗装置的结构示意图

手持式换热器高压水射流清洗装置的结构特点如下：

a. 装置底板采用开孔设计，侧板和顶板采用全封闭设计，既可以防止高压水进入装置内部，又可以通过底板渗水孔对装置内部意外进入的水进行外渗，从而延长装置的使用寿命；渗水孔还可以在一定程度上减少装置的整体重量。

b. 驱动马达采用气动马达，具有很好的防水防爆效果；马达工作时正反双向驱动，可实现高压清洗水管的前进和后退运动。

c. 外壳后侧板的通孔上设有后水管支管，其上方设有跟驱动装置控制端进行电气连接的感应控制开关，同时高压水管上装有配套感应卡环，通过撞击感应，实现水管的反向运动，从而控制水管的最大前进长度，保证清洗效率，防止水资源的浪费。

d. 顶板设有手持把手和肩带紧固扣，清洗作业人员可通过肩背实现手持作业，降低了手持劳动力和劳动成本，提高了工作效率。

e. 装置还设有竖直方向的驱动组件调节机构，该机构由设在两个支撑板外侧的调节螺栓构成，调节螺栓通过两个支撑板上的通孔伸入到两个支撑板之间，调节螺栓中间有调节弹簧辅助，可实现两个侧板的松紧控制，从而使摩擦橡胶套与高压水管能够紧凑的卡接在一起，使摩擦力满足高压水管前进的要求。

f. 装置采用链轮链条传动，链条配有特制的摩擦橡胶套，通过这种传动方式，使整个装置传动效率较高，可靠性较好，保证了工作效率。

2 装置清洗流程

手持式换热器高压水射流清洗装置的清洗流程框图如图2所示。

图2 手持式换热器高压水射流清洗 装置的清洗流程框图

手持式换热器高压水射流清洗装置在气动马达的作用下带动链轮转动，通过链轮链条传动机构，将动力传递到链条上。由于链条是固定有摩擦橡胶套的特质链条，因此，链条的运动通过摩擦橡胶套对高压水管的磨擦作用，带动高压水管实现前进和后退运动，从而使高压喷嘴在换热器管程内平行于换热器管的中心线水平前后运动。高压柱塞泵产生高压水，然后通过高压水管和特殊设计的喷嘴产生高压水射流，双中心线(高压水管和换热器管的中心线)尽量重合后打开清洗装置正转开关，高压清洗水管前进，利用水射流强大的冲击力直接剥离和冲刷换热器管程内壁的结垢物。换热器与末端传感接触，完成换热器管程的清洗作业后，电机反转，水管后退，换管，循环清洗下一支换热器管[3]。

本清洗装置采用的是链条链轮传动方式，传动精度高，传递功率大，传动效率高，可实现高效的换热器清洗工作。同时，该装置通过采取人工手持和人工控制双向开关的方法，实现装置的半自动清洗工作。

3 应用效果

3.1技术参数

手持式换热器高压水射流清洗装置的供水高压泵压力为50～70MPa，可产生流速大于200m/s的喷射水柱，待清洗的换热器管长度为6m，公称直径25mm，清洗前进速度为0.5m/s，后退速度为1.0m/s，电机功率为50kW。

3.2结果分析

选用人工手持高压水射流水管对高压水射流换热器污垢进行清洗，以每天清洗300根换热器管计算，需要5名工作人员，清洗有效工作时间6h，每天耗电6×80kW·h，人工费每人每天200元，电费1元/(kW·h)，清洗装置投资费用100万元，拆旧维修费用10万元，运行成本80万元，年总成本190万元，清洗成本每根4.93元。

选用手持式换热器高压水射流清洗装置对换热器污垢进行清洗，以每天清洗300根换热器管计算，需要两名工作人员，清洗有效工作时间7h，每天耗电7×120kW·h，人工费每人每天100元，电费1元/(kW·h)，清洗装置投资费用105万元，拆旧维修费用12万元，运行成本60万元，年总成本177万元，清洗成本每根3.47元。

由于化学清洗对换热器清洗会造成一定的污染，不适合企业环保发展的趋势，因此，在此不进行比较。

通过上述计算对比可以发现，采用手持式换热器高压水射流清洗装置清洗换热器管程可以节省劳动力，提高劳动效率，降低劳动成本，每年节约成本13万元，单根管程清洗费用降低1.46元。同时，换热器管所结污垢可以很好地被清除，清除率高达99%；能够实现安全性高、自动化程度高、无污染的高效率清洗作业[4]。

4 结束语

笔者在广泛调研和试验的基础上，吸收国内外高压水射流清洗换热器管程的经验，在我国对环境保护要求愈发严格的大前提下，参考各类文献资料，设计了一种手持式换热器高压水射流清洗装置，该装置具有操作简单、清洗效率高、安全环保无污染及自动化程度高等优点。该装置已成功应用于某大型石化企业的换热器清洗作业中，并且能够满足换热器清洗作业时性能指标的要求。实践证明，笔者设计的手持式换热器高压水射流清洗装置在实际应用中是完全可行的。

[1] 刘庭成,范晓红.高压水射流清洗设备的应用[J].中国设备工程,2013,(2):8～10.

[2] 张建平,何海星,申强.自动化钻杆内外壁清洗机的设计与应用[J].石油机械,2013,41(8):32～35.

[3] 任振声,张钰,郑金艳.高压水射流全自动油管清洗装置[J].石油化工设备,2011,40(2):81～83.

[4] 陈玉凡.高压水射流清洗技术现状及发展前景[J].中国设备工程,2013,(2):6～8.

*潘世超，男，1989年7月生，硕士研究生。北京市，102617。

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