基于多相流原理的旋風(fēng)法管道防腐技術(shù)應(yīng)用

劉 爽,林澤泉,張 磊,韓留紅,應(yīng) 紅,高玉柱,費(fèi)克勛

(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

基于多相流原理的旋風(fēng)法管道防腐技術(shù)應(yīng)用

劉 爽,林澤泉,張 磊,韓留紅,應(yīng) 紅,高玉柱,費(fèi)克勛

(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

介紹了基于湍流粒子運(yùn)動(dòng)的管道內(nèi)壁除銹和基于多相流的涂料噴涂的技術(shù)原理，計(jì)算得出旋風(fēng)法的單次處理長(zhǎng)度和其他主要工藝參數(shù)的適用范圍，并以國(guó)內(nèi)某核電站飲用水管道系統(tǒng)旋風(fēng)法除銹為例，詳細(xì)介紹了施工過(guò)程、設(shè)備組成、除銹工藝和處理效果。結(jié)果表明：基于多相流原理的旋風(fēng)法管道防腐技術(shù)可以有效解決管道內(nèi)壁的腐蝕問(wèn)題，延長(zhǎng)管道使用壽命。

旋風(fēng)法；管道；除銹；噴涂；多相流

工程上一般將直徑500 mm以下的管道概括為小口徑管道[1]。碳鋼、鑄鐵等材料的管道經(jīng)長(zhǎng)期使用后內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)腐蝕和積污問(wèn)題，影響管道的水流通量，甚至出現(xiàn)堵塞或腐蝕穿孔等問(wèn)題[2]。由于口徑過(guò)小，小口徑管道的腐蝕綜合治理是世界級(jí)難題。目前，對(duì)在役管道的清理與修復(fù)技術(shù)可主要分為5類(lèi)：化學(xué)法(酸洗等)、振動(dòng)法(超聲波等)、電磁法(電擊、磁化等)、襯套法(穿插軟、硬管等)、機(jī)械法(內(nèi)置工具、機(jī)器人等)[3]。前3種方法對(duì)管道只有清理疏通的功能，但無(wú)改造、強(qiáng)化的功能，且存在化學(xué)殘留、清理不徹底、無(wú)法在內(nèi)壁涂覆涂層等缺點(diǎn)。后2種方法對(duì)管道不僅有清理疏通功能，還有改造、強(qiáng)化功能，能進(jìn)行管道內(nèi)壁涂層的涂覆，但難以克服管道轉(zhuǎn)彎、管道變徑、管道垂直、小口徑管道等4大難題，因而在實(shí)際應(yīng)用中受到很大局限[4]。

基于多相流原理的旋風(fēng)法管道防腐蝕處理技術(shù)克服了上述缺點(diǎn)，不僅能對(duì)管道進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物清理，還能對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行涂膜處理，達(dá)到較好的腐蝕治理效果。本工作基于多相流理論對(duì)旋風(fēng)法技術(shù)原理進(jìn)行分析，得出各關(guān)鍵工藝參數(shù)的計(jì)算方法，并以國(guó)內(nèi)某核電站飲用水管道系統(tǒng)旋風(fēng)法除銹為例，詳細(xì)介紹了施工過(guò)程、設(shè)備組成、除銹工藝和處理效果，論證了旋風(fēng)法應(yīng)用的可行性，總結(jié)了該技術(shù)的特點(diǎn)。

1 原理

1.1 概述

根據(jù)流體力學(xué)原理可知，對(duì)于實(shí)際流體，如水、空氣，當(dāng)Reynolds數(shù)(雷諾數(shù))小于某一臨界值時(shí)，流動(dòng)是平滑的，稱(chēng)作層流。當(dāng)Reynolds數(shù)大于臨界值時(shí)，流動(dòng)呈無(wú)序的混亂狀態(tài)，稱(chēng)為湍流。湍流帶有旋轉(zhuǎn)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，即湍流渦。

旋風(fēng)法技術(shù)基于上述原理，大量空氣加載著石英砂等磨料，在管內(nèi)連續(xù)渦旋湍流運(yùn)動(dòng)條件下，對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行打磨，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的除銹、除垢。

1.2 除銹原理

根據(jù)氣動(dòng)噴砂相關(guān)技術(shù)要求可知，推薦噴砂氣源壓力區(qū)間為0.55～0.75 MPa，磨料尺寸為0.2～2 mm，磨料采用鋼砂或石英砂[5]。

采用旋風(fēng)法除銹時(shí)，設(shè)計(jì)入口壓力為0.75 MPa，則出口前管內(nèi)壓力不應(yīng)小于0.55 MPa，才能保證除銹效果[6]。對(duì)于可壓縮流體，可根據(jù)修正的伯努利方程求出口速率，如式(1)所示。

(1)

式中：v2為氣體出口速率， m/s；p1為管道入口壓力，取0.75 MPa；p2為管道出口壓力，取0.55 MPa；ρ2為平均氣體密度，取6.4 kg/m3；γ為絕熱膨脹系數(shù)，取1.4。

將各參數(shù)帶入式(1)進(jìn)行計(jì)算，考慮到出口最大臨界速率為聲速，則最終v2取340 m/s。

管道內(nèi)的損失為沿程和局部?jī)刹糠郑溥吔鐥l件是出口壓力不低于p2。根據(jù)式(2)計(jì)算旋風(fēng)法一次可處理管道的極限長(zhǎng)度。計(jì)算結(jié)果表明，旋風(fēng)法一次可處理管道的極限長(zhǎng)度約為3 500倍直徑，考慮一定裕量，推薦處理長(zhǎng)度取2 000倍直徑。

(2)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，取0.01；ξ為局部損失系數(shù)，全部局部損失按0.005n估算；n為彎頭數(shù)量；L為旋風(fēng)法一次可處理管道的極限長(zhǎng)度；D為管道直徑；g為重力加速度。

采用旋風(fēng)法除銹時(shí)，除了入口氣壓、所能處理管道的極限長(zhǎng)度，還應(yīng)考慮儲(chǔ)氣罐的容積大小。其邊界條件是除銹完成后儲(chǔ)罐壓力不低于p2。儲(chǔ)氣罐的容積滿足式(3)。

(3)

式中：V為所需儲(chǔ)罐容積，m3；A為待處理管道截面積，m2；ρ1為入口氣體密度，取8.8 kg/m3；ρ2為平均氣體密度，取6.4 kg/m3；ρ3為出口氣體密度，取1.3 kg/m3；v2為氣體出口速率，取340 m/s；t為吹掃持續(xù)時(shí)間，取1 s。

經(jīng)計(jì)算，式(3)可簡(jiǎn)化為式(4)。

(4)

一次可處理管道的極限長(zhǎng)度、儲(chǔ)氣罐的容積及管道直徑均為旋風(fēng)法除銹的關(guān)鍵工藝參數(shù)，其關(guān)系如式(4)所示。

1.3 涂膜原理

旋風(fēng)法涂膜的原理主要是基于氣液兩相流的環(huán)狀流流型選擇。為了使涂料能夠較好地涂覆在管道內(nèi)壁，應(yīng)盡量保證管內(nèi)的流型為環(huán)狀流[7]。

對(duì)于垂直上升管，應(yīng)滿足環(huán)狀流的邊界條件[8]

(5)

式中：jg，jf分別為氣相折算速率和液相折算速率，其計(jì)算式如式(6)和式(7)所示；ρ′是液相涂料密度；ρ″是氣相空氣密度。

(6)

(7)

式中：V′為液相體積流量；V″為氣相體積流量；v′為液相平均速率；v″為氣相平均速率；A為管道截面積；δ為液相截面高度(涂層厚度)。

對(duì)于水平管，應(yīng)滿足環(huán)狀流的邊界條件

(8)

以直徑為100 mm的管道為例，旋風(fēng)法選用的環(huán)氧樹(shù)脂涂料密度為1.67×103kg/m3，管內(nèi)壓縮空氣的平均密度為7.6 kg/m3，要求涂層厚度為500 μm，經(jīng)計(jì)算可得出涂料和氣體的流速條件為

(9)

對(duì)于涂料的噴涂量，應(yīng)按照式(10)進(jìn)行計(jì)算

(10)

式中：κ為裕量系數(shù)，取2.0。

2 工藝描述

以DN100口徑的管道為例，對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。選定好該條管道的一個(gè)入口和一個(gè)出口，出入口之間的管道總長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)2 000倍的管道直徑，即200 m以?xún)?nèi)，并將沿途支管隔離封堵或增加一組操作器。將除銹操作器通過(guò)高壓耐磨橡膠管與管道的入口相連，管道的出口連接一個(gè)專(zhuān)用的廢物收集箱，用于收集清理出來(lái)的管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物、污水等。

另外需要在操作器前連接一個(gè)無(wú)油空氣壓縮機(jī)和一個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)罐，給除銹裝置提供壓縮氣源。操作器及外部連接方式如圖1所示，儲(chǔ)氣罐的大小應(yīng)按照1.2所述過(guò)程進(jìn)行計(jì)算選取，選擇20 m3氣源較為合適。

操作時(shí)，打開(kāi)空氣壓縮機(jī)，使壓縮空氣儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力達(dá)到0.75 MPa以上。按一定流程進(jìn)行操作，完成管道的除銹、清理工作。除銹完成后，需要采用手動(dòng)方式，保持主急停閥和主吹氣閥常開(kāi)，用壓縮空氣對(duì)管道持續(xù)吹風(fēng)30 min以上，保證管道干燥，為管道內(nèi)壁涂層涂覆做好準(zhǔn)備。

圖1 操作器組成示意圖Fig. 1 Component diagram of operation equipment

管道內(nèi)吹干后，采用手動(dòng)方式，關(guān)閉除急停閥以外的其他所有管道。將攪拌好的涂料由涂料加入口加入。由于裝置的出口端管道下沉45°，故涂料會(huì)順流至下游管道，不會(huì)污染除銹裝置內(nèi)的其他管道。當(dāng)涂料加裝完畢，主氣壓力達(dá)到0.75 MPa以上時(shí)，用手動(dòng)方式緩緩打開(kāi)旁通閥，防止發(fā)生水錘效應(yīng)，待出口氣壓上升至0.55 MPa以上時(shí)，開(kāi)主吹掃閥，進(jìn)行第一次涂料噴涂。待主氣壓力降低到0.4 MPa以下時(shí)，關(guān)閉旁通閥和主吹掃閥。待主氣壓力恢復(fù)到0.75 MPa以上時(shí)，僅打開(kāi)主吹掃閥進(jìn)行第二次噴涂。如此反復(fù)，噴涂吹氣4～5次。

3 實(shí)施案例

3.1 處理對(duì)象

國(guó)內(nèi)某核電站1、2號(hào)機(jī)組MX廠房?jī)?nèi)部SEP系統(tǒng)飲用水管道的管長(zhǎng)約400 m，管道直徑80 mm，為保證旋風(fēng)法腐蝕治理效果，分3段處理，如圖2所示，單段長(zhǎng)度不超過(guò)2 000倍直徑。

圖2 SEP系統(tǒng)飲用水管道開(kāi)口點(diǎn)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of opening point on drinking water pipeline

操作時(shí)，選定好待處理管道的一個(gè)入口和一個(gè)出口，將沿途支管隔離封堵。將除銹操作器通過(guò)高壓耐磨橡膠管與管道的入口相連，管道的出口連接一個(gè)專(zhuān)用的廢物收集箱，用于收集清理出來(lái)的管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物、污水等。

3.2 處理設(shè)備

(1) 空氣壓縮機(jī)：AIRMAN PDSE900S型柴油空氣壓縮機(jī)1臺(tái)，排氣量25 m3/min，工作壓力0.86 MPa。

(2) 儲(chǔ)氣罐：空氣儲(chǔ)氣罐2臺(tái)，容積10 m3，設(shè)計(jì)壓力1.05 MPa，安全閥整定壓力0.84 MPa。

(3) 旋風(fēng)操作器1臺(tái),收灰箱1個(gè),壓力表3個(gè),減壓閥2個(gè),漏斗3只。

3.3 除銹效果

以東環(huán)飲用水管道處理為例，內(nèi)徑為80 mm，管線長(zhǎng)度約為203 m，含有34個(gè)彎頭。從圖3中可以看出，整條管線的腐蝕十分嚴(yán)重，腐蝕積污嚴(yán)重影響用水安全。

(a) 北端開(kāi)口

(b) 南端開(kāi)口圖3 除銹處理前東環(huán)管道北端管口和南端管口的宏觀腐蝕形貌Fig. 3 Corrosion macrographs of the north end (a) and the south end (b) of east loop pipeline before rust removal

由于東環(huán)管道最長(zhǎng)，且有大量腐蝕積污，所以將管道中間6 m高度處的法蘭拆卸進(jìn)行分段除銹處理。北半段管道處理程序?yàn)椋盒L(fēng)除銹6次除去表面浮銹→旋風(fēng)中加入水除銹6次清污→旋風(fēng)中加入水和石英砂除銹22次打磨管壁去污→旋風(fēng)中加入水和石英砂反向除銹20次打磨管壁去污→旋風(fēng)中加入水除銹4次進(jìn)行清洗。南半段管道的彎頭曲率較小，所以?xún)H進(jìn)行單向除銹即可，處理程序?yàn)椋盒L(fēng)除銹6次除去表面浮銹→旋風(fēng)中加入水除銹6次清污→旋風(fēng)中加入水和石英砂除銹30次打磨管壁去污→旋風(fēng)中加入水除銹4次進(jìn)行清洗。

除銹處理效果如圖4所示。從圖4中可以看出，管道內(nèi)的積污已基本去除，內(nèi)壁露出金屬底材，無(wú)松散細(xì)渣殘留。與除銹等級(jí)樣板對(duì)比可知，管道內(nèi)壁除銹等級(jí)已達(dá)到D Sa 3級(jí)，符合內(nèi)壁涂膜要求。

3.4 涂膜效果

圖5為涂膜處理后SEP系統(tǒng)飲用水管道內(nèi)壁照片，可以看出涂層均勻涂覆于管道上，未發(fā)生流掛現(xiàn)象，表面無(wú)明顯異物殘留，呈現(xiàn)旋風(fēng)法技術(shù)涂覆特有的波紋狀形貌。

為檢查旋風(fēng)法技術(shù)涂膜處理效果，采用德國(guó)QNix1500涂層測(cè)厚儀對(duì)管道進(jìn)行表面涂層厚度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中可以看出，涂層厚度分布在300～450 μm。根據(jù)SY/T 4057-2000 標(biāo)準(zhǔn)《鋼質(zhì)管道液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐層技術(shù)》中表2.0.1規(guī)定，鋼制管道加強(qiáng)級(jí)液體環(huán)氧涂料防腐蝕層的厚度應(yīng)大于250 μm。因此，采用旋風(fēng)法技術(shù)涂覆涂層厚度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(a) 北端開(kāi)口

(b) 南端開(kāi)口圖4 除銹處理后東環(huán)管道北端管口和南端管口的宏觀形貌Fig. 4 Macrographs of the north end (a) and the south end (b) of east loop pipeline after rust removal

(a) 北端開(kāi)口

(b) 南端開(kāi)口圖5 涂膜處理后東環(huán)管道北端管口和南端管口的照片F(xiàn)ig. 6 Pictures of the north end (a) and the south end (b) of east loop pipeline after coating spraying

Tab. 1 Coating thickness in east loop pipeline μm

4 結(jié)論

旋風(fēng)法技術(shù)作為一種非開(kāi)挖技術(shù)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可高效地對(duì)小口徑管道進(jìn)行內(nèi)壁積污清理與內(nèi)壁涂裝，從而解決管道內(nèi)壁的腐蝕問(wèn)題，并延長(zhǎng)管道壽期，其技術(shù)特點(diǎn)如下：可非開(kāi)挖處理13～500 mm的各類(lèi)小口徑管道；不受彎頭、變徑、閥門(mén)等異形管段的影響；一次性工作長(zhǎng)度為幾十米至幾千米，效率高；可清理疏通管道,還可給管道內(nèi)壁涂覆涂層，提高防腐蝕能力。由于實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，使該技術(shù)具有一定的應(yīng)用空間。

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Application of Cyclone Anticorrosion Technique based on Multiphase Flow Principle

LIU Shuang, LIN Zequan, ZHANG Lei, HAN Liuhong, YING Hong, GAO Yuzhu, FEI Kexun

(Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)

The principle of rust cleaning and coating spraying based on turbulent particle motion and multiphase flow are introduced. The length of processed pipeline and the applicable scope of other key parameters were calculated. An example of the application in a domestic nuclear power plant showed the details of working process, equipment composition, rust removal process and final effect. The results show that cyclone anticorrosion technique is an effective method to solve the corrosion problem of inner pipeline and the service life of the pipeline can be extended.

cyclone; pipeline; rust cleaning; coating spraying; multiphase flow

10.11973/fsyfh-201706015

2015-11-24

劉 爽(1987-)，工程師，本科，從事電廠腐蝕與防護(hù)研究和技術(shù)應(yīng)用，051268602511,ls4403@126.com

TG174

B

1005-748X(2017)06-0478-05