基于高壓水射流的管道清洗方案設計①

吳同鋒 蔡曉君 劉湘晨 王麗萍

(北京石油化工學院機械工程學院)

基于高壓水射流的管道清洗方案設計①

吳同鋒 蔡曉君 劉湘晨 王麗萍

(北京石油化工學院機械工程學院)

以石化行業管長200m、管徑300mm的硬油垢管道的高壓水射流清洗為例來分析整個清洗方案的設計。方案設計以基本參數確定為起點，對各清洗結構組元進行選擇或設計，并詳細介紹了清洗系統各組成部分的功用及項目施工過程和風險控制。經濟性分析顯示了高壓水射流清洗技術的優越性。

管道清洗 高壓水射流 清洗參數

在石油石化開采、煉制、運輸及銷售行業中，管道成為主要的運輸和存儲工具，管道在長周期運行過程中無可避免地會因運輸流體物性及流動參數的變化而形成大量的污垢，并附著于管道內部及管道流動變化區域，降低物料有效輸送截面積，從而降低管道的實際運輸能力，甚至造成運輸管線的停運[1,2]。因此，管道的清洗對保證管道的運輸及工藝生產至關重要[3]。企業一般采用物理或化學方法來清除管道內壁上的水垢、油垢等污垢，從而使管道保持通暢，以保證物料的正常輸送[4]。目前常用的管道清洗技術分為3種：機械清洗、射流清洗和化學清洗[5]。機械清洗設備容易磨損且被清洗下的污垢不容易排出，而化學清洗容易造成環境污染、被清洗設備的二次污染，具有清洗費用高等缺點，高壓水射流清洗在20世紀70年代得到迅速發展，并逐步搶占化學清洗的市場份額。現在，高壓水射流清洗已成為發達國家的主流清洗技術，并占到了清洗業市場份額的80%以上[6]。隨著高壓水射流清洗技術的推廣應用，合理的方案設計成為石化企業實施清洗作業的重要環節，并且能夠為企業節約大量的資源與財力。筆者以燕山石化煉化為背景，結合現有清洗案例，提出了合理的管道清洗設計方案，為業內人士進行管道清洗作業提供了合理化的建議和參考。

1 設備構成及功能

1.1 設計總布局

高壓水射流設備分為壓力機組、清洗噴嘴與高壓軟管以及輔助設備等模塊[7](圖1)。壓力機組把清洗介質(水)加壓至規定壓力級別，通過操作控制開關，將帶壓水流輸送到高壓軟管內。高壓軟管一端連接壓力機組，一端接清洗噴嘴。在輔助設備的配合下清洗噴嘴可沿著管內移動，從而實現去除管內沉積污垢的過程。

圖1 高壓水射流設備組成簡圖

1.2 射流清洗裝置諸元作用

1.2.1 壓力機組

壓力機組是實現清洗液流加壓的主要來源，其原理是借助泵體把常壓的液流加速到高壓。壓力機組按照動力源可分為柴油驅動機與電力驅動機，通常柴油驅動機比電力驅動機的功率大，同時柴油驅動機的設備尺寸也比電力驅動機大。電力驅動機組多用于中小型管道清洗作業，其自身尺寸也與功率呈正相關。特別是在人力手持作業中，電力機組往往成為這一領域的主要領軍者。對于大口徑管道而言，往往需要大功率柴油機組。現在的壓力機組在流量輸出和壓力調節方面可以實現寬調的功能。除此之外在輔助設計上，也根據流量配有大容積水箱，其設備自身也具有壓力抗爆特性。在選擇時，特別是針對石油石化領域的應用中，對抗爆性有更高要求。

1.2.2 高壓軟管與清洗噴嘴

高壓軟管主要起到輸送流體介質的作用，同時還可以保證高壓射流不被泄漏從而保護施工人員。一般高壓軟管由強化塑料或者高密度纖維制造而成，在充壓的情況下整個軟管具有一定彈性，這樣可以保證高壓軟管可以在復雜多變的管道中沿管道走向前進。一般高壓軟管的額定壓力應不小于壓力機組中高壓泵的額定壓力[8]。高壓軟管的內徑大小直接影響清洗系統的壓力損失和噴嘴所受的反作用力，因此高壓軟管的選擇還應考慮不同的工況選用合適的軟管內徑[9]。

清洗噴嘴與高壓軟管的一端連接，在噴嘴上帶有不同方向的孔口。向后的孔口保證射流作用在管壁后受到向前的反作用力，帶動噴嘴自身與軟管在管道里前進。其他方向的噴口用來保證噴射的流量，達到管道除垢的目的。此外，從安全角度和適用的工作壓力考慮，人工作業環境下的噴射壓力較小，從而被手持式水槍清洗取代。手持式噴槍的反作用力一般不大于200N，作業人員承受的反作用力在其體重的三分之一以內[10]。自進式的管道高壓水清洗裝置一般作業壓力在50MPa以上，對噴嘴的要求也比較高，所以要根據實際需要來選擇噴嘴的種類和噴射形式。

1.2.3 輔助設備

輔助設備的主要功能有：確保射流軟管在工作空間的通過性；保護操作人員和設備的安全，起到安全防護的作用；保證整個作業有效運行。其中主要的輔助設備有旋管裝置、管口導向裝置與噴嘴集成模塊。

旋管裝置主要用于控制軟管沿管道方向的進給速度，保證清洗效果的均衡性，此外，旋管裝置必要時還可以作為清洗裝置在彎曲管道環境下的次要動力源。一般此類裝置可以分為大中型與集約型設備。管口導向裝置與噴嘴集成模塊主要用于保證高壓軟管在作業區域內的有效進給以及在管口安裝安全防護裝置。

其次需要全球布局。如此前中遠海運集運總經理王海民所言，美國的需求不會因為關稅增加而下降，可能不從中國進口，但是會轉而從越南或者其他地區進口，美國國內也不會一夜之間建起很多的工廠。因此，航運企業需要進行全球化的運力配置，隨著貨量和需求的變化進行靈活配置。

2 清洗參數選擇

清洗方案的設計是以被清洗管道的技術要求和基本參數為基礎的。基本參數的確立為方案的具體實施提供了理論保障。筆者以石化企業管長200m、管徑300mm、結垢為硬油垢的管道為例來分析清洗參數的選取。

μ——流量系數。

a. 油垢厚度為5～20mm,受管道輸送物料的性質、運行工況及清管周期等因素的影響[11]。

b. 清管周期，工程中常用理論計算的方法，將最大允許壓降作為管道是否需要清洗的標準，利用PipeFlow軟件計算管道的理論清洗周期[12]。

有些幼兒教師對幼兒一日活動的整體流程可以說是倒背如流，但是在具體執行的過程中仍會出現很多問題。例如，有的幼兒園一日保教活動嚴格地按照園區流程來執行，過于死板，缺少靈活性和機動性，不能很好地吸引幼兒的注意力；而有的幼兒園相對隨意一些，但是在一日活動當中沒有明確目標，缺乏具體的保教計劃，影響了教學效果。總之，有的幼兒園過于重視教育而忽視了游戲的重要性，有的則限制了幼兒的自我發揮，嚴重影響了幼兒一日活動的質量。

c. 射流介質，水作為常用的清洗介質，一方面是因為水能夠防止被清洗下的污垢再次吸附到管體，另一方面被剝離下的污垢可以隨著介質水被永久清除，有效地防止污垢二次污染被清洗對象。介質水存在表面張力過大和對油性污垢親和力較差等缺點，在清洗過程中，可以在水中添加堿類、肥皂或者合成洗滌劑來增強對油性污垢的親和力，加入適量的表面活性劑來降低水的表面張力，從而增強對被清洗污垢的浸潤能力，提高水的清洗效果。

d. 射流方式為連續射流，連續射流可以避免水錘效應，降低壓力脈動，一方面減少了能量的不必要損失，另一方面可以降低噪聲。

截至9月底，納入統計的236戶省級成長型中小企業總體發展態勢較好，營業收入達192.0億元，同比增長12.0%；完成工業總產值161.1億元，同比增長12.9%；完成用電量10.7億千瓦時，同比下降1.0%；上繳稅金6.8億元，同比上升9.5%；從業人員為2.7萬人，同比下降2.2%；利潤總額為8.11億元，同比增長6.9%。

由表2可知，同一類型作物在不同地區對硒的富集系數也有較大差異。糧食作物中，葉盛鎮的小麥富集系數最大，達46.98%，陳袁灘鎮最低，只有15.10%；水稻的富集系數以陳袁灘鎮最高，達25.09%，小壩鎮較低為13.76%；經濟作物中，瞿靖鎮螺絲菜的富集系數最高，達61.05%，大壩鎮最低，為16.14%；大豆的富集系數以大壩鎮最高，為40.09%，峽口鎮最低，為12.59%；白菜的富集系數以葉盛鎮最高，為2.16%，峽口鎮最低，為0.6%；葡萄的富集系數以大壩鎮最高，為2.22%，小壩最低，只有0.4%。

e. 流量范圍80～100L/min，壓力50～70MPa(行業標準)。泵壓的大小決定著附著層的破壞程度，壓力過大容易破壞被清洗基體和產生不必要的能量浪費，壓力過小則不能達到清洗效果。泵流量的恰當與否同樣關乎清洗效率和效果，兩者均通過能量的形式在清洗過程中體現出來，因而在選擇壓力機組時壓力和流量的匹配是至關重要的，壓力與流量的常用匹配情況見表1。

表1 壓力與流量匹配表

壓力和流量的確定是其他水力參數確定的基礎，各水力參數的估算公式為：

水力學參數的確定有利于進一步進行管道清洗裝置機械結構的設計以及高壓軟管的選用，同時又為清洗裝置工作參數的確立提供了理論依據。

c. 對射流所清除的污垢以及工業廢水應分別按照規定回收和再循環處理。

2018年5月，公司擬通過自有資金認購嗨皮網絡非公開發行的536.82萬股普通股票，認購金額為人民幣7800萬元，認購完成后嗨皮網絡的注冊資本從人民幣3440萬元增至3823.29萬元，上市公司將擁有嗨皮網絡10.02519%的股權。嗨皮網絡是業內領先的移動互聯網內容策劃、制作、傳播與精準營銷的大數據技術和運營公司，同時，旗下運營著國內最大的獨立娛樂新聞網站—花邊娛樂，向廣大中文互聯網用戶提供喜聞樂見的娛樂新聞。

式中d1——高壓軟管內徑，mm；

b. 根據具體施工條件選擇射流方向和固定條件，例如在復雜區段內要適當在管內提供支撐，增大旋管裝置扭矩、進給力和機組功率輸出，從而保證射流出口獲得足夠大的反作用力。而對于直管只需要提供足夠的進給力同時在管口位置放置適當約束即可。

Q——高壓清洗機的流量，L/min；

清洗方案的基本參數有：

單噴孔實際流量qf=μqt

3 高壓水射流施工技術

具體施工要求有：

同理，對課前預習效果、課堂學習效果、課后拓展效果、求助渠道暢通、學習監控與反饋建立判斷矩陣 V1，V2，V3，V4，V5。分別如表 5、表 6、表 7、表 8、表9所示。

綜上所述，高中三角函數解題過程中經常會在各種因素的影響下而出現解題錯誤的問題，為此高中生如果想要提高解題的正確率，避免各種失誤現象的出現，就應該對自身的錯誤成因進行深入的分析，從而找出導致解題錯誤的具體原因，并對其進行系統的總結與分析，避免下次再次出現類似的失誤現象。

a. 根據管路長短，在接頭處拆除或安裝盲板。保證清洗長度合理，射流壓降正常，以保證清洗效果。

p——高壓清洗機的壓力，MPa；

變壓器油化驗中，由于對應變壓器油的應用中存在著很多的影響因素，通過對變壓器油的物理性能檢測分析，能夠衡量出變壓器油應用是否存在著缺陷性。一般情況下，變壓器油在應用過程中，其初始油顏色為淡黃色，隨著變壓器應用的時間逐漸增長，其對應的油體顏色也會出現新的變化，按照變壓器油應用的時間變化其油體顏色會逐漸加深，這是由于變壓器應用中，其對應的油體出現了老化現象，并且生成了二氧化碳和雜質，造成了整體的變壓器油應用質量下降，影響最終的變壓器油應用效果。因此，在進行變壓器油的化驗過程中，對應的化驗人員及時地按照變壓器油化驗的物理性能變化將其物理性能上的影響處理好，降低變壓器油應用的故障。

很多研究表明，人格特質、社會支持、人際關系與社會適應之間存在顯著的相關關系。人際交往能力強的人更容易獲得社會支持[4]。對于個性內向、膽怯的學生，鼓勵他們多參與到班級和集體活動中去，培養適合自己的興趣愛好，加入各類社團，敢于展現自己，密切自己與他人之間的關系，在新的環境中產生強烈的群體歸屬感，從而獲得廣泛而有力的人際心理支持。同學、朋友、家庭、社會組織、黨團機構都能夠為個體提供有效的社會支持。

圖2所示為高壓水射流清洗裝置的分布，利用高壓射流技術的施工主要分以下幾個流程：根據實際管道設計布置施工量，計算射流用水射流壓力，根據施工環境來選用設備類型；根據行業標準與甲方提出標準設計清洗工藝與設備詳細布置狀況；擬定清洗流程并通過審核；根據施工安排與清洗流程實際布置工作；實施清洗作業并通過甲方驗收；完成施工作業。

（4）服務器根據收到的XYZ，以及正射影像geotiff中的坐標信息，利用GDAL截取正射影像中對應的rgba通道數組，做適當的插值處理后，轉換為圖片返回客戶端；服務器根據收到的XYZ，以及DEM geotiff中的坐標信息，利用gdal截取DEM中的高程通道，作適當插值處理后，以octet-stream格式返回客戶端。為了進一步提高性能，我們設計了一個緩存隊列，對熱點區域的正射影像切片和高程切片進行緩存，如圖2所示。

稱取0.512 g粉末狀抗菌肽溶入5 ml無菌雙蒸餾水中，制成102.4 mg/ml的抗菌肽母液，37℃下超聲波處理15～20 min。靜置數分鐘，然后采用2倍梯度稀釋，配制成 51.2、25.6、12.8、6.4、3.2、1.6、0.8、0.4、0.2 mg/ml的樣品溶液，調整pH為7.0～8.0，分別編號1～9，4℃保存待用。每種濃度各取0.2 ml用于對四種指示菌的最小抑菌濃度（MIC）的測定，每種濃度四個重復處理。

圖2 高壓水射流清洗裝置分布圖

4 風險控制

利用高壓水射流技術清洗的風險在于以下幾點：

a. 設備設計制造方面，由于具有高壓環節，因此設備的設計與制造需要相關資質的企業進行設計加工。目前本行業相應的國家標準有待完善，只能憑借實踐經驗自主設計與制造，對使用者來講設備的安全可靠性有一定風險。對于研發企業來說具有項目投資風險。建議采用行業普遍標準設計與制造，同時企業也應當具有高壓設備的設計制造資質。

b. 在使用過程中存在高壓射流泄漏的風險，對人和設備造成安全隱患。操作人員的素質對安全操作有很大影響。為此，建議在操作環節中設置壓力防護設備，要求操作人員佩戴安全防護裝置以及規范操作流程，宜采用合理壓力標準避免對設備的損害，同時對操作者進行合格的崗前培訓。

c. 對作業環境(如防爆)或排放有特殊要求的行業，甲乙雙方宜在清洗方案擬定后對于可能存在的風險多做假設并根據相關標準協商解決。

d. 具體施工時可能需要原有設備局部停車，對此甲乙雙方應當溝通具體施工細則，協調好生產與施工。

5 經濟性分析

高壓水射流清洗，所花費用以購買裝備為主，清洗介質(水)所占成本很低；化學清洗不僅有裝備花費，而且需要購買適用的化學清洗劑，由于管道污垢成分復雜，而清洗藥劑不具有普適性，所以藥品費用反而成為化學清洗的一項重要開支；機械清洗因裝備容易磨損以及污垢不便排出而產生很多不必要的開支。綜合考慮各種因素，得出高壓水射流清洗是最適合石化企業管道的一種清洗方法。高壓水射流清洗化工管道可以極大地降低清洗成本，而且基本不需要對清洗污水進行后處理，用一個簡易的沉降池就可以起到環保和節約資源的作用。

6 結束語

對于石化企業管道清洗，無論是自進式的高壓水射流清洗方式還是采用高壓水槍的人工清洗都需要進行系統的方案設計。正確合理的方案設計可以為企業避免不必要的經濟損失、施工延遲和材料損耗。清洗參數的確定可以為機械結構的設計、傳動方式和驅動方式的選擇提供參考，同時為使用企業提供選用標準和規范。清洗設備總體布局的規劃、各組分作用的明確、具體技術實施流程的建立等設計過程完美表達了石化企業實施管道高壓水清洗的具體步驟。對風險的分析使企業明確安全風險的來源，制訂合理的安全規范以及選擇正確的規避方法。經濟性分析更加佐證了高壓水射流清洗技術的優越性，在保障清洗效果的前提下，高壓水射流清洗無疑是石化企業清洗管道的最佳選擇。

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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)

北京市自然科學基金項目(3132010)。

吳同鋒(1988-)，碩士研究生，從事化工設備方向的研究。

聯系人蔡曉君(1963-)，教授，從事化工設備設計工作，caixiaojun@bipt.edu.cn。

TQ055

A

0254-6094(2017)01-0043-05