石化設備高壓水射流清洗應用探討

2019-08-26 05:40:12伍常青

中國設備工程 2019年15期

伍常青

（安慶石化華成實業公司，安徽安慶 246001）

設備除垢按原理分為化學方法和物理方法兩種。顧名思義，化學方法即是利用化學藥劑浸泡、沖洗結垢，使二者接觸發生反應，最終除去結垢。這種方法需要妥善處理化學藥劑的排放問題，以免造成污染。相較而言，利用水射流方法就要環保許多。水射流除垢主要依靠清潔水高速流動產生的打擊力，沖擊、破碎結垢從而將其除去。而打擊力的大小與流量、壓力等有密切的聯系，需要我們根據不同的工況妥善選擇工作參數，以保證除垢、清洗作業高效進行。

1 高壓水射流的技術參數與技術指標

“高壓水射流”是指通過高壓水發生裝置將水加壓，再通過具有細小孔徑的噴射裝置轉換為高速的微細“水射流”。這種“水射流”具有巨大的打擊能量。利用這種高度聚能的水射流用來完成各種清洗作業的技術稱為“高壓水射流清洗技術”。

水射流的主要技術參數有：壓力、流量及功率，三者之間的關系如下：

p=16.67pq

式中，P 為射流功率，W；p 為射流壓力，MPa；q 為射流流量，L/min。

式（1）表明，射流的有效功率與射流壓力和流量的乘積成線性關系，壓力和流量是影響作業的主要參數。對于某一特定作業目標，壓力關系到能否完成作業目標，即只有達到了某一特定壓力值才能將結垢或雜質從設備上除去，這一壓力值又稱為門限壓力。壓力決定能否完成作業，而流量則決定作業的效率高低。在到達門限壓力后，流量越大，作業效率越高。壓力和流量這兩個參數同時影響水射流的工程作業，但彼此不可代償。即達到門限壓力后，不增大流量，只提高壓力值非但不能更快地完成作業，還有可能損壞設備；而達不到門限壓力，只增大流量，也無法將結垢或雜質去除，更遑論完成作業了。

談到水射流，就不能不提噴嘴。噴嘴是形成高壓水射流的最重要部件之一，因此，噴嘴的選型計算是一項重要而關鍵的工作。噴嘴的計算公式如下：

式中，d 為噴嘴孔出口截面直徑（簡稱噴嘴直徑），mm；q 為射流體積流量，L/min；μ 為噴嘴流量系數；p 為射流壓力，MPa；對于嵌入式噴嘴，噴嘴流量系數一般取0.85。

上式是單個噴嘴的計算，若使用多個噴嘴。則應計算噴嘴當量直徑，當量直徑與各個單獨噴嘴直徑的關系如下：

式中，de為噴嘴當量直徑，mm；dn為噴嘴孔出口截面直徑（簡稱單個噴嘴直徑），mm。

多噴嘴情況下單獨噴嘴的直徑即可通過公式（2）和公式（3）計算得出。值得注意的是，單獨噴嘴直徑也可以不相同。

如同子彈出膛的后坐力，水射流也有相應的反沖力。有時，過大的反沖力還會造成人員傷亡。因此，必須事先計算出射流反沖力，以合理地安排夾持方法。射流反沖力計算公式如下：

式中，F 為射流反沖力，N；q 為射流流量，L/min；p為射流壓力，MPa。

從式（4）中可知，流量的變化對射流反沖力的影響較壓力更大。

2 高壓水射流清洗設備的選型與應用

高壓水射流清洗設備主要包括四部分：高壓水發生設備、控制系統、執行機構和輔助系統。高壓水發生設備主要有高壓泵機組和增壓器兩種形式，由于增壓器相對笨重，因此，對于清洗設備而言，采用高壓泵機組的居多。根據驅動機形式的不同一般可分為柴油機高壓泵機組（圖1）和電動機高壓泵機組（圖2）。控制系統則包括安裝在高壓泵機組上的安全閥、調壓閥、控制閥及控制柜等。執行機構主要指噴槍（圖3）和不同形式的各種噴頭（圖4 ～7），這一部分也稱為水射流附件。輔助系統包括壓力表、進給機構、夾持機構等。

高壓水射流清洗設備的選型工作主要有兩個：一是匹配參數合適的高壓水發生裝備，二是選擇型式合適的執行機構。

高壓泵的選型要注意參數匹配，首先應確定清洗目標，明確作業任務。依據施工經驗確定作業所需要的壓力、流量，在實際操作中依據流出的污垢量，參照表1 逐步調整直至最佳工況。

面對不同的清洗任務，應采用不同的清洗噴頭以達到高效作業的目的。市場上有型式各樣、用途各異的清洗噴頭，可根據需要選用。直徑小于25mm 的換熱器管束清洗采用固定形式的多孔噴頭足以勝任；25 ～100mm 較大直徑管道的清洗則需要旋轉清洗，此時采用依靠水射流反沖力推動的自旋轉噴頭即可；若管束或管道的堵塞情況嚴重，則應使用由氣動馬達或液壓馬達驅動的強制旋轉噴頭；清洗化工容器、反應釜等則多采用三維旋轉噴頭，簡單且高效。表2 和表3 給出了針對典型化工設備清洗的高壓水射流清洗參考選擇。