鈾礦井高壓水清洗裝置的設計及其側向支撐的分析*

程 巍，雷澤勇，劉 源，覃倩倩，路無敵，尹澤遠，孟文東

(南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

地浸采鈾(英文稱ISL)是通過鉆孔工程，借助化學試劑，從天然埋藏條件下把礦石中的鈾溶解出來，而不使礦石產生位移的集采、選、冶于一體的鈾礦開采方法，具有生產成本低、建設周期短、環境友好等優點[1]，是我國廣泛采用的采鈾手段之一。地浸采鈾在實際生產過程中，各井場生產井過濾器常發生堵塞[2]和管壁結垢，導致生產井流量持續性下降，但是清洗過濾器和管壁結垢物是一個很難處理的問題。目前，常用的洗井方法有：活塞洗井、空壓機洗井和化學洗井等，但這些方法一般生產效率都不高，不僅易對套管造成傷害，且勞動強度大，工作時間長[3]。

傳統的清洗方法主要為機械式、化學式清洗，相比較而言高壓水射流清洗技術具有清洗速度快、效率高、清潔環保、適用范圍廣等優點，在發達國家已經成為主流的清洗方式，廣泛應用于洗潔、除銹、去垢、去毛刺等場合[4]。如今借助于高壓水射流清洗技術并與機器人技術相結合，針對不同管道，發展出了很多管道清洗設備，大大提高了工作效率和質量[5]。但是，地浸采鈾生產井的井口小，最小的井口直徑不足80 mm；且井下還有數百米深的積水，水壓很大，現有的管道清洗設備難以滿足要求。

筆者針對井口直徑小于80 mm、井下約有300 m深積水的地浸采鈾工作井，設計一種可以攜帶高壓水清洗的耐壓裝置。并對該裝置的側向支撐結構進行有限元分析，評估其可行性。

1 裝置構成及功能

1.1 設計總布局

本裝置在使用前，已經通過井下成像和探測設備對井下污漬和堵塞情況進行了全面的了解。在使用時，該裝置采用鋼絲繩與卷揚機連接，利用旋轉吊臂將本裝置吊放至待清洗井口上方，啟動卷揚機，將本清洗裝置下放至指定位置，開始工作。該裝置進入井下主要實現兩個功能，一是攜帶高壓水管和噴頭，執行清洗工作，并且可以根據實際工況更換不同的噴頭，以達到最佳的清洗效果；二是可以在井內上下自由滑動，需要時可在井內任意位置固定住，對重點位置或者頑固污漬進行長時間沖洗，而不會因為高壓水流射出時的震動使裝置撞擊井壁，造成破壞。該裝置外殼和內部主體結構均由優質鋼材制成，保證了強度和壽命。整體可將該裝置分為上、中、下三段，如圖1所示，上段包括：吊環、鋼絲繩、(上)導輪、高壓防爆水管、外殼、上隔板、復位推桿、復位推桿彈簧、復位導軸、電磁鐵；中段包括：電動推桿、中段實心鋼管、中段水路通孔、推盤、固定推桿、推桿彈簧、連桿、固定滑塊；下段包括：下段高壓防爆水管、(下)導輪、末端水路通孔、堵頭、高壓水旋轉噴頭。從功能上又可將其分為高壓水清洗模塊、側向支撐模塊、失效保護模塊和輔助裝置。

圖1 高壓使清洗裝置總體設計1.吊環 2.鋼絲繩 3.(上)導輪 4.高壓防爆水管 5.外殼 6.上隔板 7.復位推桿 8.復位推桿彈簧 9.復位導軸 10.電磁鐵 11.電動推桿 12.中段實心鋼管 13.中段水路通孔 14.推盤 15.固定推桿 16.推桿彈簧 17.連桿 18.固定滑塊 19.下段高壓防爆水管 20.(下)導輪 21.堵頭 22.末端水路通孔 23.高壓水旋轉噴頭

1.2 高壓水清洗模塊

高壓水清洗模塊由上段高壓防爆水管、中段水路通孔、下段高壓防爆水管、末端水路通孔和高壓水旋轉噴頭組成。高壓水清洗機打出具有一定壓強的高壓水, 高壓水通過與高壓水清洗機相連的上段高壓水防爆管流入中段水路通孔，再經過下段高壓防爆管進入末端水路通孔，到達高壓水旋轉噴頭，水流從噴頭的噴嘴射出, 可看成水流在水管流動的過程中截面突然變大,使高壓低流速的水轉換為低壓高流速的射流[6]。

由于工作井內空間狹小，為保證其他模塊的功能不受高壓水清洗模塊的影響，整個裝置設計的十分緊湊。因電動推桿較粗，將電動推桿置于中段中心后，為保證合理的間隙和外殼厚度，裝置內部空間不足以再并列放置一根高壓防爆水管。所以，將電動推桿置于實心鋼管一側，鉆取一條與高壓防爆水管內徑相同的通孔作為水路，通過管接頭與上段高壓防爆水管連接起來，以該通孔代替水管，節約了內部空間。當高壓水從中段水路通孔流出后，接下來的空間較為充足，通過管接頭與下段高壓防爆水管相連，下段高壓防爆水管另一端繼續向下延伸至末端實心鋼管內的通孔。高壓防爆水管在裝置內一直偏向一側，但高壓水噴嘴需在中心布置，以發揮最佳的清洗效果和平衡工作時的震動。故通過在末端實心鋼管內鉆取三段與高壓水防爆水管內徑相同的通孔，使之相通，形成“Z”字型的水路。由一側進入的高壓水經過該水路，引入置于中間的噴嘴，使噴嘴可以正常工作。其中末端水路通孔在側面有堵頭密封，防止高壓水滲漏。

1.3 側向支撐模塊

高壓水清洗裝置在清洗時，位于管道中心有利于旋轉噴嘴對井壁均勻沖洗，保證一致的清洗效果；在遇到頑固污漬和著重清洗的部位時，需要牢牢地卡在該位置，與井壁保持相對靜止，進行長時間沖洗。為了便于收放，高壓水清洗裝置主體外徑約70 mm，小于井口內徑，所以，設計側向支撐模塊，實現清洗時的對心和固定，同時也減小了高壓水清洗裝置工作時的震動對井壁的破壞。

側向支撐模塊主要由電動推桿、推盤、固定推桿、推桿彈簧、連桿、固定滑塊等組成。電動推桿向外推出，推動三個呈120°均勻分布的固定推桿向下運動，與固定推桿相連的連桿帶動固定滑塊向外滑動，并抵住井壁。電動推桿采用JF-TGE-35:2000型大推力筆形推桿，帶可編程系統，可以精確控制行程，最大推力達2 000 N，滑塊端部有膠墊，可以增大與井壁接觸的摩擦力，緩沖工作時的震動。由于推桿行程較長，側向支撐模塊向外伸出的距離較大，可以適應多種口徑的工作井，本文分析伸出4 mm時，正好與井壁壓緊的情況。側向支撐模塊受力分析如圖2。

圖2 側向支撐模塊受力分析

單獨對一側進行受力分析，如圖3。連桿ab長為40 mm，在收縮狀態下，連桿與水平方向的夾角為66.42°，當電動推桿推出，將固定滑塊壓在井壁上，此時連桿與水平方向的夾角為60°。

單側推力為：

查表得橡膠與PVC-U的摩擦系數μ約為0.2，則單側摩擦力為：

三邊最大可以提供約173 N的靜摩擦力，據估算，整個裝置質量約為15.5 kg，顯然可以牢牢地卡在工作井中。

圖3 單獨一側受力分析

在單側推力等于288 N的情況下，通過ANSYS進行有限元分析[7]，模擬實際工況。圖4和圖5為水壓達到3 MPa、無側向支撐時，井壁的情況。此時，井壁最大形變量約為0.148 mm，形變不明顯，承受的最大壓強約為12.88 MPa。圖6和圖7為有側向支撐抵住并壓緊井壁時，井壁的情況。此時，井壁承受的最大壓強約為13.28 MPa,僅比無側向支撐時增加約0.4 MPa，低于井壁材料PVC-U的拉伸屈服應力國家標準[8]；最大形變量約為0.163 mm，僅比無側向支撐時增加約0.015 mm，形變量也很小，不會對井壁造成破壞，達到了實際使用要求。

圖4 無側向支撐井壁 圖5 無側向支撐井壁 形變情況 應力情況

圖6 有側向支撐井壁形變情況 圖7 有側向支撐井壁應力情況

1.4 失效保護模塊

高壓水清洗裝置在井下工作時，水中充滿了泥沙、礦物結晶等污漬，還需承受最高約3 MPa的水壓和機械振動，該環境對內部關鍵的電器元件：電動推桿提出了巨大的考驗。一旦電動推桿由于水滲漏或者自身故障等原因導致失效，側向支撐機構無法收回卡死在井內，堵塞生產井，將會對生產井造成破壞和巨大的經濟損失。因此，采用將整個電動推桿被塞入中段實心鋼管預留的孔內的設計，保證其密封性；進一步的，在電動推桿前端推出的部分裝有密封圈，后端有密封圈和上下隔板，上下隔板焊接在設備外殼的內壁上，上隔板與復位推桿之間使用密封圈密封，下隔板與復位導軸間采用密封圈密封，高壓防爆水管與上下隔板之間涂有密封膠防止水滲入。

通過以上方式確保了電動推桿的密封性，降低了進水的風險，同時，還有一套機械裝置，使電動推桿在失效時，順利收回側向支撐裝置。高壓水清洗裝置在正常工作前，電磁鐵通電，與復位推桿吸合并保持。高壓水清洗裝置在工作中，通過監測電動推桿電流變化，判斷其工作情況。如果電流變化不大，則電動推桿順利伸縮，實現側向支撐固定裝置的支撐和收縮，使整個裝置正常運行。如果電流突然波動很大，則表示電動推桿失效，不能使連桿滑塊機構復位，這時斷開電磁鐵電源。電磁鐵失電，復位推桿與電磁鐵脫離；在復位彈簧的作用下，推動復位推桿向上移動；復位推桿在上移同時，帶動通過復位導軸與其相連的電動推桿一起上移；隨著電動推桿與固定推桿分離，在推桿彈簧的作用下，連桿滑塊機構復位，側向支撐裝置順利收回。

1.5 輔助裝置

輔助裝置是為了方便高壓水清洗裝置的吊裝和井內上下移動。它包含兩部分，一是頂端的鋼絲繩和吊環；另一個是上下分別布置有橡膠材質導輪，呈120°均布，使高壓水清洗裝置可以在井內自由滑動，也防止碰撞井壁，造成破壞。

2 設計創新點

現有管道專用清洗設備直徑較大，無法置入狹小的地浸采鈾工作井內，此方案通過將電動推桿置于實心鋼管一側，在另一側鉆取一條與高壓防爆水管內徑相同的通孔作為水路，通過管接頭與上段高壓防爆水管連接起來，以該通孔代替水管等設計，節約了內部空間，結構緊湊，適用于小口徑工作井的高壓水清洗工作；側向支撐模塊實現了清洗時的對心和工作井內任意位置的固定，可以對工作井內特殊位置進行長時間的沖洗；失效保護模塊做到了較好的密封，并且機

械裝置的設置保證了在電動推桿失效側向支撐裝置無法收回的情況下，依然可以回收清洗裝置，避免堵塞工作井，造成巨大的經濟損失。目前，常用的洗井方法有：活塞洗井、空壓機洗井和化學洗井等，但這些方法一般清洗效率都不高，本裝置采用高壓水射流直接對井壁進行沖洗，操作簡單，清洗效果好。

3 結 語

該設計方案針對現有洗井方法的不足和現有管道清洗裝置難以滿足地浸采鈾工作井實際工況，而專門設計的一種清洗裝置。整個裝置功能齊全，模塊設置合理，較好的滿足了地浸采鈾工作井，尤其是小口徑工作井使用高壓水清洗的要求。同時，也為小口徑管道高壓水清洗裝置的設計提供了一種新的設計思路。