高压水除锈废物真空回收与分离排渣集成装置设计

姜飞超，王振刚，张春林，鲁 飞，程书铭

(1.南通中远海运船务工程有限公司，江苏 南通 226001；2.合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230031；3.南通大学，江苏 南通 226001)

0 引言

船舶高压水除锈废物与分离排渣集成装置是高压水除锈系统的一部分，其作用是将高压水清理船舶表面形成的污水废渣进行集中回收处理，满足低排放、低污染的要求。薛胜雄提出了超高压水射流自动爬壁除锈系统和真空吸附与排渣系统的方案。衣正尧等提出了一种超高压纯水射流船舶除锈系统设计方案，探讨了真空吸干回收系统的基本功能。古曦设计了一种车载式超高压水射流船舶除锈系统，建立了真空回收系统的三维模型。因为船舶高压水除锈系统的固液流真空回收有其特殊性，所以有必要对船舶高压水除锈系统的固液流真空回收技术开展针对性的研究及设计计算，开发适用的真空回收装置以满足船舶高压水除锈作业中固液流回收的要求。

一般的真空系统大多为静态真空系统，不会有很大的漏气量，且大多数真空回收或输送装置均是针对单一介质。而高压水除锈废物真空回收与分离排渣集成装置需要建立一个有较大漏气量的动态真空系统，可回收固液两相流废物，其功能必须包括分离回收物，并对分离出来的固体废渣及污水分别排出。为此，本文拟设计一种创新性的、具有集成分离排渣功能的真空回收设备。依据高压水除锈废物真空回收装置真空系统的工作原理建立真空回收系统工艺流程，同时对真空系统设计参数进行相关计算，并对真空泵和排污泵的选型及真空箱功能结构设计进行研究，以实现回收装置对除锈废物的真空回收与分离排渣集成功能。

1 高压水除锈废物真空回收装置的真空系统

1.1 真空系统工作原理

用于固液流真空回收的真空系统是一个动态真空系统，即系统中有气流存在，且各处压力不等，各截面有压力降落。同时真空系统的作用是回收物料，所以不需要保持很高的真空度，一般有较大的漏气量，且真空泵有较大的抽速，所以属于粗真空系统。真空系统工作原理见图1。

Sp—真空泵额定抽速；US—抽真空软管流导；P1—真空箱中

1.2 真空回收系统工艺流程

船舶高压水除锈真空回收系统由真空回收装置、平面清洗器真空腔、真空回收软管组成。系统工艺流程见图2。

图2 船舶高压水除锈真空回收系统工艺流程

真空回收装置由真空箱、真空泵、排污泵、管路、阀门、电气控制系统等组成。真空泵开始运转后通过抽真空软管将真空箱中的空气排出，真空箱中产生负压；在负压的作用下高压水清理船舶表面形成的固液两相流废物被抽吸到真空箱内，由真空箱内设置的残渣收集滤袋将大颗粒的铁锈、漆屑等固体废弃物过滤分离出来收集到袋内；废弃物沉淀积累到一定量后，移出真空箱并手动排渣。含有较小固体颗粒的污水在真空箱中不断被收集，并经过滤网过滤后，进入真空箱右侧水箱。当液位上升到一定高度时(液位开关02动作)，电气控制系统自动开启排污泵运行，将污水排出真空箱，通过软管输送给污水处理装置进行进一步的分离和净化处理。工作空气也在真空箱内分离出来，经过过滤后不断地由真空泵排出，维持真空箱内的负压，使系统连续不断地抽吸回收高压水射流清理船舶后产生的废弃物。为了防止负压下空气从污水泵的出口被反向吸入真空箱内，导致真空无法保持，在泵的出口管路上设置止回阀。准备打开箱门排渣前，需先打开手动排污阀将箱内的残余污水排出。另外，对箱内进行冲洗时，冲洗水也经该阀排走。

2 真空系统主要设计参数计算

真空系统主要参数有真空度和抽速。真空系统参数选取的主要依据如下：

(1)满足平面清洗器真空吸附力所需要的真空度和有效抽速。

(2)空载时真空箱需要达到的极限真空度。

(3)正常真空抽吸作业时，真空泵的工作压力。

2.1 抽真空软管的流导计算

真空箱中的空气压力=36 kPa，通过抽真空软管内空气压力=40 kPa，压力比==0.9，则粘滞流状态下小孔对20 ℃空气的流导计算如下：

经计算，=9.644 m/s。

长管道的20 ℃空气流导计算如下：

=1.34×10/

经计算，=7 342 m/s。

在计算短管流导时，应考虑入口(孔)的影响。抽真空软管流导用入口小孔与管道本身串联后的总流导来表示，计算如下：

=/(+)。

经计算，=9.63 m/s。

2.2 真空箱抽气口处的有效抽速

真空泵的极限真空为40 kPa，真空泵额定抽速=0.18 m/s，真空箱抽气口处的有效抽速的计算如下：

=/(+)

经计算：=0.177 m/s。

2.3 回收软管的流导计算

平面清洗器与真空箱间的软管采用PVC钢丝管。回收软管长度=3×10mm，直径=65 mm，软管的长径比/=462>20(长径比>20的管道称为长管)，所以该回收软管属于长管，截面积′=0.003 32 m。对于20 ℃的空气，长管道的流导计算如下：

经计算：=20.33 m/s。

2.4 平面清洗器需要达到的真空度和有效抽速

平面清洗器一般搭载在爬壁除锈机器人上。机器人的吸附力在高压水卸载时由磁力提供。高压水加载时产生一定的射流反冲力，真空腔内的真空吸附力至少要平衡这部分反冲力，因此对平面清洗器真空腔内的最小真空度有要求。

射流垂直于壁面时最大反冲力为

式中：为流量，=52 L/min；为射流压力，=300 MPa。

经计算，=671 N。

平面清洗器内所需真空度计算如下：

=/

式中：为真空对清洗盘产生的吸附力至少要平衡射流的反冲力，=680 N；为平面清洗器腔体端面的面积，=0.096 2 m。

经计算，=7.069 kPa。

平面清洗器真空腔内的空气压力为

=-/

式中：为最大漏气量，=10Pa·L/s。

经计算，=35.95 kPa。

则真空箱内实际真空度超出产生吸附力必需真空度的部分为-=28.88 kPa。

真空系统为平面清洗器提供的额外真空吸附力=(-)=2 778 N。

平面清洗器需要的有效抽速=/=0.027 8 m/s。

2.5 平面清洗器抽吸口处的有效抽速计算

平面清洗器抽吸口的有效抽速计算如下：

=/(+)

经计算：=0.175 m/s>，有效抽速满足真空抽吸过程中漏气量的要求。

3 真空泵与排污泵选型

3.1 真空泵选型

真空泵是用以产生、改善和维持真空的设备。按其工作原理分为气体输送泵和气体捕集泵。气体输送泵又分为变容式和动量传输式，其中动量传输式干式泵包括涡轮干式泵、离心干式泵、旋涡气泵。气体捕集泵是一种将被抽气体吸附或凝结在泵内表面上的真空泵，包括吸附泵和低温泵等。

旋涡泵主要用于抽送低粘度的清洁液体，也可以抽送气体或蒸汽含量较大的液体。为了获得良好的抽吸效果，旋涡气泵应具有足够大的最大抽速和极限真空，因此选用2BH920-H37型2级旋涡气泵。

3.2 排污泵选型

排污泵的作用是将真空箱内收集并经过粗过滤后的污水转移输送到污水处理装置。由于真空箱污水液面上存在一定的真空，排污泵需要在负压下进行抽水作业，因此要求其具有良好的自吸性能，但需要的扬程不是很高，最终选用单级自吸型离心泵。泵的流量可以按抽完高低液位之间的污水所用时间不超过5 min进行计算。

4 真空箱功能及结构设计

真空箱的基本功能是提供抽吸空气的缓冲和回收废物的容纳空间，并进行固液回收物与工作空气分离、固体废物与废水的分离及排水排渣。

4.1 真空箱容积及抽气时间

真空箱需要具备足够的缓冲与储存空间，因此其总容积一般不小于1 m。回收软管中的空气体积计算如下：

=π/4

经计算：=0.1 m。

平面清洗器真空腔和抽真空软管中的空气体积相对很小，可以忽略不计。因此，总的抽气容积=+=1.1 m。

初始抽气时间计算如下：

=23[lg(/)]

式中：为修正系数，=1；为开始抽气时的压力，=1×10kPa；为真空压力，=36 kPa。

经计算：=6.2 s。

4.2 真空箱的固液分离及排水排渣功能设计

真空系统将废水和废渣回收到真空箱后必须通过过滤器将大颗粒的废渣从固液混合流中初步分离出来。废渣中除了含有部分铁锈外还含有大量漆屑等有机化合物，在沉淀后极易板结成块状。如果用过滤网进行过滤，残余固体废弃物无法通过阀门排出，非常难清理，因此，真空箱内设计有2个麻袋框。2只麻袋分别悬挂在2个麻袋框中。真空回收管分成2个回收口分别正对2个麻袋。这样废渣在麻袋中过滤沉淀积累下来，每天结束除锈作业后，操作人员打开真空箱上的快开门将麻袋取出清理即可排出废渣。

5 结论

(1)高压水除锈废物真空回收装置的真空系统属于粗真空系统，产生的真空压力能满足回收固液两相流废物并通过真空吸附力平衡射流反冲力即可，所以不需要选太大真空压力的真空泵，但抽速要足够大。因为动态真空系统必须有较大的漏气量才能高效地将废液回收到真空箱内。

(2)抽真空软管和回收软管必须有足够大的通径。经计算，其流导应满足具有足够小的压力损失的要求，使真空系统在远端的平面清洗器真空腔内仍保持较大的抽吸力。

(3)回收后的固液两相流废物必须在真空箱内初步分离，根据漆屑、锈渣等固体废物沉积后易板结的性质设计合理的结构，方便排渣和自动排水。

(4)设计的真空回收装置经过试验验证，各项性能和功能满足高压水除锈系统固液流废物回收的要求。