基于高压水射流的管道清洗方案设计①

吴同锋 蔡晓君 刘湘晨 王丽萍

(北京石油化工学院机械工程学院)

基于高压水射流的管道清洗方案设计①

吴同锋 蔡晓君 刘湘晨 王丽萍

(北京石油化工学院机械工程学院)

以石化行业管长200m、管径300mm的硬油垢管道的高压水射流清洗为例来分析整个清洗方案的设计。方案设计以基本参数确定为起点，对各清洗结构组元进行选择或设计，并详细介绍了清洗系统各组成部分的功用及项目施工过程和风险控制。经济性分析显示了高压水射流清洗技术的优越性。

管道清洗 高压水射流 清洗参数

在石油石化开采、炼制、运输及销售行业中，管道成为主要的运输和存储工具，管道在长周期运行过程中无可避免地会因运输流体物性及流动参数的变化而形成大量的污垢，并附着于管道内部及管道流动变化区域，降低物料有效输送截面积，从而降低管道的实际运输能力，甚至造成运输管线的停运[1,2]。因此，管道的清洗对保证管道的运输及工艺生产至关重要[3]。企业一般采用物理或化学方法来清除管道内壁上的水垢、油垢等污垢，从而使管道保持通畅，以保证物料的正常输送[4]。目前常用的管道清洗技术分为3种：机械清洗、射流清洗和化学清洗[5]。机械清洗设备容易磨损且被清洗下的污垢不容易排出，而化学清洗容易造成环境污染、被清洗设备的二次污染，具有清洗费用高等缺点，高压水射流清洗在20世纪70年代得到迅速发展，并逐步抢占化学清洗的市场份额。现在，高压水射流清洗已成为发达国家的主流清洗技术，并占到了清洗业市场份额的80%以上[6]。随着高压水射流清洗技术的推广应用，合理的方案设计成为石化企业实施清洗作业的重要环节，并且能够为企业节约大量的资源与财力。笔者以燕山石化炼化为背景，结合现有清洗案例，提出了合理的管道清洗设计方案，为业内人士进行管道清洗作业提供了合理化的建议和参考。

1 设备构成及功能

1.1 设计总布局

高压水射流设备分为压力机组、清洗喷嘴与高压软管以及辅助设备等模块[7](图1)。压力机组把清洗介质(水)加压至规定压力级别，通过操作控制开关，将带压水流输送到高压软管内。高压软管一端连接压力机组，一端接清洗喷嘴。在辅助设备的配合下清洗喷嘴可沿着管内移动，从而实现去除管内沉积污垢的过程。

图1 高压水射流设备组成简图

1.2 射流清洗装置诸元作用

1.2.1 压力机组

压力机组是实现清洗液流加压的主要来源，其原理是借助泵体把常压的液流加速到高压。压力机组按照动力源可分为柴油驱动机与电力驱动机，通常柴油驱动机比电力驱动机的功率大，同时柴油驱动机的设备尺寸也比电力驱动机大。电力驱动机组多用于中小型管道清洗作业，其自身尺寸也与功率呈正相关。特别是在人力手持作业中，电力机组往往成为这一领域的主要领军者。对于大口径管道而言，往往需要大功率柴油机组。现在的压力机组在流量输出和压力调节方面可以实现宽调的功能。除此之外在辅助设计上，也根据流量配有大容积水箱，其设备自身也具有压力抗爆特性。在选择时，特别是针对石油石化领域的应用中，对抗爆性有更高要求。

1.2.2 高压软管与清洗喷嘴

高压软管主要起到输送流体介质的作用，同时还可以保证高压射流不被泄漏从而保护施工人员。一般高压软管由强化塑料或者高密度纤维制造而成，在充压的情况下整个软管具有一定弹性，这样可以保证高压软管可以在复杂多变的管道中沿管道走向前进。一般高压软管的额定压力应不小于压力机组中高压泵的额定压力[8]。高压软管的内径大小直接影响清洗系统的压力损失和喷嘴所受的反作用力，因此高压软管的选择还应考虑不同的工况选用合适的软管内径[9]。

清洗喷嘴与高压软管的一端连接，在喷嘴上带有不同方向的孔口。向后的孔口保证射流作用在管壁后受到向前的反作用力，带动喷嘴自身与软管在管道里前进。其他方向的喷口用来保证喷射的流量，达到管道除垢的目的。此外，从安全角度和适用的工作压力考虑，人工作业环境下的喷射压力较小，从而被手持式水枪清洗取代。手持式喷枪的反作用力一般不大于200N，作业人员承受的反作用力在其体重的三分之一以内[10]。自进式的管道高压水清洗装置一般作业压力在50MPa以上，对喷嘴的要求也比较高，所以要根据实际需要来选择喷嘴的种类和喷射形式。

1.2.3 辅助设备

辅助设备的主要功能有：确保射流软管在工作空间的通过性；保护操作人员和设备的安全，起到安全防护的作用；保证整个作业有效运行。其中主要的辅助设备有旋管装置、管口导向装置与喷嘴集成模块。

旋管装置主要用于控制软管沿管道方向的进给速度，保证清洗效果的均衡性，此外，旋管装置必要时还可以作为清洗装置在弯曲管道环境下的次要动力源。一般此类装置可以分为大中型与集约型设备。管口导向装置与喷嘴集成模块主要用于保证高压软管在作业区域内的有效进给以及在管口安装安全防护装置。

其次需要全球布局。如此前中远海运集运总经理王海民所言，美国的需求不会因为关税增加而下降，可能不从中国进口，但是会转而从越南或者其他地区进口，美国国内也不会一夜之间建起很多的工厂。因此，航运企业需要进行全球化的运力配置，随着货量和需求的变化进行灵活配置。

2 清洗参数选择

清洗方案的设计是以被清洗管道的技术要求和基本参数为基础的。基本参数的确立为方案的具体实施提供了理论保障。笔者以石化企业管长200m、管径300mm、结垢为硬油垢的管道为例来分析清洗参数的选取。

μ——流量系数。

a. 油垢厚度为5～20mm,受管道输送物料的性质、运行工况及清管周期等因素的影响[11]。

b. 清管周期，工程中常用理论计算的方法，将最大允许压降作为管道是否需要清洗的标准，利用PipeFlow软件计算管道的理论清洗周期[12]。

有些幼儿教师对幼儿一日活动的整体流程可以说是倒背如流，但是在具体执行的过程中仍会出现很多问题。例如，有的幼儿园一日保教活动严格地按照园区流程来执行，过于死板，缺少灵活性和机动性，不能很好地吸引幼儿的注意力；而有的幼儿园相对随意一些，但是在一日活动当中没有明确目标，缺乏具体的保教计划，影响了教学效果。总之，有的幼儿园过于重视教育而忽视了游戏的重要性，有的则限制了幼儿的自我发挥，严重影响了幼儿一日活动的质量。

c. 射流介质，水作为常用的清洗介质，一方面是因为水能够防止被清洗下的污垢再次吸附到管体，另一方面被剥离下的污垢可以随着介质水被永久清除，有效地防止污垢二次污染被清洗对象。介质水存在表面张力过大和对油性污垢亲和力较差等缺点，在清洗过程中，可以在水中添加碱类、肥皂或者合成洗涤剂来增强对油性污垢的亲和力，加入适量的表面活性剂来降低水的表面张力，从而增强对被清洗污垢的浸润能力，提高水的清洗效果。

d. 射流方式为连续射流，连续射流可以避免水锤效应，降低压力脉动，一方面减少了能量的不必要损失，另一方面可以降低噪声。

截至9月底，纳入统计的236户省级成长型中小企业总体发展态势较好，营业收入达192.0亿元，同比增长12.0%；完成工业总产值161.1亿元，同比增长12.9%；完成用电量10.7亿千瓦时，同比下降1.0%；上缴税金6.8亿元，同比上升9.5%；从业人员为2.7万人，同比下降2.2%；利润总额为8.11亿元，同比增长6.9%。

由表2可知，同一类型作物在不同地区对硒的富集系数也有较大差异。粮食作物中，叶盛镇的小麦富集系数最大，达46.98%，陈袁滩镇最低，只有15.10%；水稻的富集系数以陈袁滩镇最高，达25.09%，小坝镇较低为13.76%；经济作物中，瞿靖镇螺丝菜的富集系数最高，达61.05%，大坝镇最低，为16.14%；大豆的富集系数以大坝镇最高，为40.09%，峡口镇最低，为12.59%；白菜的富集系数以叶盛镇最高，为2.16%，峡口镇最低，为0.6%；葡萄的富集系数以大坝镇最高，为2.22%，小坝最低，只有0.4%。

e. 流量范围80～100L/min，压力50～70MPa(行业标准)。泵压的大小决定着附着层的破坏程度，压力过大容易破坏被清洗基体和产生不必要的能量浪费，压力过小则不能达到清洗效果。泵流量的恰当与否同样关乎清洗效率和效果，两者均通过能量的形式在清洗过程中体现出来，因而在选择压力机组时压力和流量的匹配是至关重要的，压力与流量的常用匹配情况见表1。

表1 压力与流量匹配表

压力和流量的确定是其他水力参数确定的基础，各水力参数的估算公式为：

水力学参数的确定有利于进一步进行管道清洗装置机械结构的设计以及高压软管的选用，同时又为清洗装置工作参数的确立提供了理论依据。

c. 对射流所清除的污垢以及工业废水应分别按照规定回收和再循环处理。

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式中d1——高压软管内径，mm；

b. 根据具体施工条件选择射流方向和固定条件，例如在复杂区段内要适当在管内提供支撑，增大旋管装置扭矩、进给力和机组功率输出，从而保证射流出口获得足够大的反作用力。而对于直管只需要提供足够的进给力同时在管口位置放置适当约束即可。

Q——高压清洗机的流量，L/min；

清洗方案的基本参数有：

单喷孔实际流量qf=μqt

3 高压水射流施工技术

具体施工要求有：

同理，对课前预习效果、课堂学习效果、课后拓展效果、求助渠道畅通、学习监控与反馈建立判断矩阵 V1，V2，V3，V4，V5。分别如表 5、表 6、表 7、表 8、表9所示。

综上所述，高中三角函数解题过程中经常会在各种因素的影响下而出现解题错误的问题，为此高中生如果想要提高解题的正确率，避免各种失误现象的出现，就应该对自身的错误成因进行深入的分析，从而找出导致解题错误的具体原因，并对其进行系统的总结与分析，避免下次再次出现类似的失误现象。

a. 根据管路长短，在接头处拆除或安装盲板。保证清洗长度合理，射流压降正常，以保证清洗效果。

p——高压清洗机的压力，MPa；

变压器油化验中，由于对应变压器油的应用中存在着很多的影响因素，通过对变压器油的物理性能检测分析，能够衡量出变压器油应用是否存在着缺陷性。一般情况下，变压器油在应用过程中，其初始油颜色为淡黄色，随着变压器应用的时间逐渐增长，其对应的油体颜色也会出现新的变化，按照变压器油应用的时间变化其油体颜色会逐渐加深，这是由于变压器应用中，其对应的油体出现了老化现象，并且生成了二氧化碳和杂质，造成了整体的变压器油应用质量下降，影响最终的变压器油应用效果。因此，在进行变压器油的化验过程中，对应的化验人员及时地按照变压器油化验的物理性能变化将其物理性能上的影响处理好，降低变压器油应用的故障。

很多研究表明，人格特质、社会支持、人际关系与社会适应之间存在显著的相关关系。人际交往能力强的人更容易获得社会支持[4]。对于个性内向、胆怯的学生，鼓励他们多参与到班级和集体活动中去，培养适合自己的兴趣爱好，加入各类社团，敢于展现自己，密切自己与他人之间的关系，在新的环境中产生强烈的群体归属感，从而获得广泛而有力的人际心理支持。同学、朋友、家庭、社会组织、党团机构都能够为个体提供有效的社会支持。

图2所示为高压水射流清洗装置的分布，利用高压射流技术的施工主要分以下几个流程：根据实际管道设计布置施工量，计算射流用水射流压力，根据施工环境来选用设备类型；根据行业标准与甲方提出标准设计清洗工艺与设备详细布置状况；拟定清洗流程并通过审核；根据施工安排与清洗流程实际布置工作；实施清洗作业并通过甲方验收；完成施工作业。

（4）服务器根据收到的XYZ，以及正射影像geotiff中的坐标信息，利用GDAL截取正射影像中对应的rgba通道数组，做适当的插值处理后，转换为图片返回客户端；服务器根据收到的XYZ，以及DEM geotiff中的坐标信息，利用gdal截取DEM中的高程通道，作适当插值处理后，以octet-stream格式返回客户端。为了进一步提高性能，我们设计了一个缓存队列，对热点区域的正射影像切片和高程切片进行缓存，如图2所示。

称取0.512 g粉末状抗菌肽溶入5 ml无菌双蒸馏水中，制成102.4 mg/ml的抗菌肽母液，37℃下超声波处理15～20 min。静置数分钟，然后采用2倍梯度稀释，配制成 51.2、25.6、12.8、6.4、3.2、1.6、0.8、0.4、0.2 mg/ml的样品溶液，调整pH为7.0～8.0，分别编号1～9，4℃保存待用。每种浓度各取0.2 ml用于对四种指示菌的最小抑菌浓度（MIC）的测定，每种浓度四个重复处理。

图2 高压水射流清洗装置分布图

4 风险控制

利用高压水射流技术清洗的风险在于以下几点：

a. 设备设计制造方面，由于具有高压环节，因此设备的设计与制造需要相关资质的企业进行设计加工。目前本行业相应的国家标准有待完善，只能凭借实践经验自主设计与制造，对使用者来讲设备的安全可靠性有一定风险。对于研发企业来说具有项目投资风险。建议采用行业普遍标准设计与制造，同时企业也应当具有高压设备的设计制造资质。

b. 在使用过程中存在高压射流泄漏的风险，对人和设备造成安全隐患。操作人员的素质对安全操作有很大影响。为此，建议在操作环节中设置压力防护设备，要求操作人员佩戴安全防护装置以及规范操作流程，宜采用合理压力标准避免对设备的损害，同时对操作者进行合格的岗前培训。

c. 对作业环境(如防爆)或排放有特殊要求的行业，甲乙双方宜在清洗方案拟定后对于可能存在的风险多做假设并根据相关标准协商解决。

d. 具体施工时可能需要原有设备局部停车，对此甲乙双方应当沟通具体施工细则，协调好生产与施工。

5 经济性分析

高压水射流清洗，所花费用以购买装备为主，清洗介质(水)所占成本很低；化学清洗不仅有装备花费，而且需要购买适用的化学清洗剂，由于管道污垢成分复杂，而清洗药剂不具有普适性，所以药品费用反而成为化学清洗的一项重要开支；机械清洗因装备容易磨损以及污垢不便排出而产生很多不必要的开支。综合考虑各种因素，得出高压水射流清洗是最适合石化企业管道的一种清洗方法。高压水射流清洗化工管道可以极大地降低清洗成本，而且基本不需要对清洗污水进行后处理，用一个简易的沉降池就可以起到环保和节约资源的作用。

6 结束语

对于石化企业管道清洗，无论是自进式的高压水射流清洗方式还是采用高压水枪的人工清洗都需要进行系统的方案设计。正确合理的方案设计可以为企业避免不必要的经济损失、施工延迟和材料损耗。清洗参数的确定可以为机械结构的设计、传动方式和驱动方式的选择提供参考，同时为使用企业提供选用标准和规范。清洗设备总体布局的规划、各组分作用的明确、具体技术实施流程的建立等设计过程完美表达了石化企业实施管道高压水清洗的具体步骤。对风险的分析使企业明确安全风险的来源，制订合理的安全规范以及选择正确的规避方法。经济性分析更加佐证了高压水射流清洗技术的优越性，在保障清洗效果的前提下，高压水射流清洗无疑是石化企业清洗管道的最佳选择。

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2016-05-28，

2016-06-28)

CleaningSchemeDesignforPipelinesBasedonHigh-pressureWaterJetWU Tong-feng, CAI Xiao-jun, LIU Xiang-chen, WANG Li-ping (CollegeofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology)

(Continued on Page 68)

北京市自然科学基金项目(3132010)。

吴同锋(1988-)，硕士研究生，从事化工设备方向的研究。

联系人蔡晓君(1963-)，教授，从事化工设备设计工作，caixiaojun@bipt.edu.cn。

TQ055

A

0254-6094(2017)01-0043-05