基于高压水射流管道疏通的回收系统试验*

田 雨，刘力红，杨 帆，孙庆斌

(安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

管道内污垢的形成涉及物理和化学的反应过程，同时伴随着能量传递、动量传递等繁琐的过程[1]，以及传热学等多学科知识的交叉，给研究人员造成很大的困扰。工业清洗在我国的发展，开始于20世纪70年代末[2]，起步较晚，但发展迅速，各种清洗方式层出不穷[3]。我国的清洗行业仍主要以化学清洗为主，存在着环境污染、耗时比较长，较高的成本、效率比较低等问题，特别是对于复杂的管道则清洗困难，存在需要长时间处于封闭状态等因素方面问题[4]。在当前化学清洗举步维艰而其他的除垢方法也同时存在着不同程度的局限性的清洗格局下，高压水射流清洗技术得到极大发展，并且此势头愈演愈烈。由于其抛开了管道结垢的复杂过程，从物理学的角度分析管道污垢的硬度、粘度等物理特性，利用高压水射流技术对管道实施清洗作业，方法简单，目的明确，清洗效果好，所以备受业内人士钟爱[5]。由此，笔者提出了一种既能用化学清洗和水射流清洗相结合的方法，又可将含有化学试剂的污水抽吸回收的系统，达到了在清洗作业时保护环境的目的。

1 管道疏通的真空回收系统组成

高压水射流疏通的真空回收系统由疏通系统和回收系统两部分组成。如图1所示。

图1 管道疏通的真空回收系统示意图

清洗系统由自进式喷嘴、高压水管、高压水泵、水箱等组成，是疏通管道所用高压水产生和工作的设备。真空回收系统是由回收套筒、真空泵、污水收集罐、PVC钢丝管等组成，是回收污物所需要的设备。

疏通系统水箱中的高压水经高压水泵加压后，将水按一定的速度和射流角度分路从自进式喷嘴射出，加速喷射到前方和后方，从而实现对管道的疏通和使装置自进式前进。喷头自进给的动力来自于反冲力的分量。真空回收系统中选择用真空泵，通过真空泵把污水收集罐里的空气抽走形成负压，这样就可以通过回收套筒顺利将管道内的污水抽吸到污水收集罐里。回收套筒材料使用尼龙3D打印制成。回收套筒通过卡箍安装在疏通装置的高压软管合适的位置。

2 真空抽吸系统试验

2.1 方案设计

在设计研究真空回收系统试验时只考虑真空系统工作压力、PVC钢丝管内径(以下简称管内径)以及抽吸高度这三个因素对抽吸流量的影响。但在初次预试验后发现工作压力在-0.06 MPa时回收效果不好，因此需要提高压力水平。管内经初始设定为8 mm，每2 mm变化一次，最大值设定为14 mm。抽吸高度最大设定为7 m。表1所列就是在考虑诸多因素后确认的试验参数设置。

表1 试验参数设置

根据表1设置的试验因素与参数水平，本试验为3因素4水平正交试验，通过查询标准正交实验表，可以选择四水平正交表L16(45)进行试验设计，即通过正交试验设计后需要进行16次试验才能得出试验结果。根据选定的试验影响因素、因素参数水平和正交试验表，拟定的正交试验方案如表2所列。

表2 正交试验方案

续表2 正交试验方案

2.2 真空抽吸试验及数据处理分析

此次试验依托于安徽理工大学高压水射流技术研究所，采用研究所的相关设备进行试验，其他相关设备均为采购或者定制得到。由于条件环境限制，采用如图2现有的真空回收系统试验设备进行试验，得到的关于真空系统回收流量的相关变化规律。

图2 真空回收系统试验设备

根据设计好的正交试验表，将试验结果填入表3中，把与各因素有关的试验结果相加填入表中，以各水平为单位，分别记为Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj等，下标j表示正交试验表中的列数，也就是表示可以安排的试验影响因素的数量。根据Ⅰj的值求极差Rj，填入表3中，极差Rj的大小可以作为判断各个试验影响因素对试验结果影响程度大小的依据，需要根据试验指标的评价标准惊醒判断。其中Rj可以根据式(1)进行计算：

(1)

Rj={Ij,Ⅱj…}max-{Ij,Ⅱj…}min

续表3 正交试验极差分析表

通过正交试验极差分析表可得以下结论。

(1) 各试验因素对试验结果的影响程度 根据正交试验极差分析的相关理论，极差Rj的大小可以作为判断各个试验影响因素对试验结果影响程度大小的依据。在试验的三个影响因素中，抽吸高度因素的极差最大，为23，真空泵抽吸压力因素的极差大小排第二，为16.6，管直径因素的极差最小，为15.4。说明此试验中抽吸高度对真空系统回收流量的影响最明显，在高压水射流管道疏通的真空回收的实际工况中如果出现废水残渣回收效果不理想的情况，首先要改变的就是真空泵的抽吸高度。

(2) 较优参数水平的确定 在极差分析法的计算结果中，“与各因素有关的试验结果的和”这一项数值的大小可以反映出各参数水平对试验指标影响的优劣。在此试验中，以真空回收系统的回收流量作为衡量系统工作能力的指标，回收流量越大，表示实验效果越好，系统工作能力越强。对比Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj和Ⅳj的数值大小，最大值分别为Ⅳ1、Ⅳ2和Ⅰ3，因此真空泵抽吸压力因素取4水平，管直径因素取4水平，抽吸高度因素取1水平是在此试验中的较优方案。

3 结 语

对真空回收系统试验设备进行试验，得到试验的三个影响因素中，其中对抽吸流量影响大小依次为抽吸高度、真空泵抽吸压力、PVC钢丝管内径，在实际的高压水射流管道疏通的真空回收系统作业时，此相关参数可以起到一定的参考作用。