基于高壓水射流管道疏通的回收系統試驗*

田 雨，劉力紅，楊 帆，孫慶斌

(安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

管道內污垢的形成涉及物理和化學的反應過程，同時伴隨著能量傳遞、動量傳遞等繁瑣的過程[1]，以及傳熱學等多學科知識的交叉，給研究人員造成很大的困擾。工業清洗在我國的發展，開始于20世紀70年代末[2]，起步較晚，但發展迅速，各種清洗方式層出不窮[3]。我國的清洗行業仍主要以化學清洗為主，存在著環境污染、耗時比較長，較高的成本、效率比較低等問題，特別是對于復雜的管道則清洗困難，存在需要長時間處于封閉狀態等因素方面問題[4]。在當前化學清洗舉步維艱而其他的除垢方法也同時存在著不同程度的局限性的清洗格局下，高壓水射流清洗技術得到極大發展，并且此勢頭愈演愈烈。由于其拋開了管道結垢的復雜過程，從物理學的角度分析管道污垢的硬度、粘度等物理特性，利用高壓水射流技術對管道實施清洗作業，方法簡單，目的明確，清洗效果好，所以備受業內人士鐘愛[5]。由此，筆者提出了一種既能用化學清洗和水射流清洗相結合的方法，又可將含有化學試劑的污水抽吸回收的系統，達到了在清洗作業時保護環境的目的。

1 管道疏通的真空回收系統組成

高壓水射流疏通的真空回收系統由疏通系統和回收系統兩部分組成。如圖1所示。

圖1 管道疏通的真空回收系統示意圖

清洗系統由自進式噴嘴、高壓水管、高壓水泵、水箱等組成，是疏通管道所用高壓水產生和工作的設備。真空回收系統是由回收套筒、真空泵、污水收集罐、PVC鋼絲管等組成，是回收污物所需要的設備。

疏通系統水箱中的高壓水經高壓水泵加壓后，將水按一定的速度和射流角度分路從自進式噴嘴射出，加速噴射到前方和后方，從而實現對管道的疏通和使裝置自進式前進。噴頭自進給的動力來自于反沖力的分量。真空回收系統中選擇用真空泵，通過真空泵把污水收集罐里的空氣抽走形成負壓，這樣就可以通過回收套筒順利將管道內的污水抽吸到污水收集罐里。回收套筒材料使用尼龍3D打印制成。回收套筒通過卡箍安裝在疏通裝置的高壓軟管合適的位置。

2 真空抽吸系統試驗

2.1 方案設計

在設計研究真空回收系統試驗時只考慮真空系統工作壓力、PVC鋼絲管內徑(以下簡稱管內徑)以及抽吸高度這三個因素對抽吸流量的影響。但在初次預試驗后發現工作壓力在-0.06 MPa時回收效果不好，因此需要提高壓力水平。管內經初始設定為8 mm，每2 mm變化一次，最大值設定為14 mm。抽吸高度最大設定為7 m。表1所列就是在考慮諸多因素后確認的試驗參數設置。

表1 試驗參數設置

根據表1設置的試驗因素與參數水平，本試驗為3因素4水平正交試驗，通過查詢標準正交實驗表，可以選擇四水平正交表L16(45)進行試驗設計，即通過正交試驗設計后需要進行16次試驗才能得出試驗結果。根據選定的試驗影響因素、因素參數水平和正交試驗表，擬定的正交試驗方案如表2所列。

表2 正交試驗方案

續表2 正交試驗方案

2.2 真空抽吸試驗及數據處理分析

此次試驗依托于安徽理工大學高壓水射流技術研究所，采用研究所的相關設備進行試驗，其他相關設備均為采購或者定制得到。由于條件環境限制，采用如圖2現有的真空回收系統試驗設備進行試驗，得到的關于真空系統回收流量的相關變化規律。

圖2 真空回收系統試驗設備

根據設計好的正交試驗表，將試驗結果填入表3中，把與各因素有關的試驗結果相加填入表中，以各水平為單位，分別記為Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj等，下標j表示正交試驗表中的列數，也就是表示可以安排的試驗影響因素的數量。根據Ⅰj的值求極差Rj，填入表3中，極差Rj的大小可以作為判斷各個試驗影響因素對試驗結果影響程度大小的依據，需要根據試驗指標的評價標準驚醒判斷。其中Rj可以根據式(1)進行計算：

(1)

Rj={Ij,Ⅱj…}max-{Ij,Ⅱj…}min

續表3 正交試驗極差分析表

通過正交試驗極差分析表可得以下結論。

(1) 各試驗因素對試驗結果的影響程度 根據正交試驗極差分析的相關理論，極差Rj的大小可以作為判斷各個試驗影響因素對試驗結果影響程度大小的依據。在試驗的三個影響因素中，抽吸高度因素的極差最大，為23，真空泵抽吸壓力因素的極差大小排第二，為16.6，管直徑因素的極差最小，為15.4。說明此試驗中抽吸高度對真空系統回收流量的影響最明顯，在高壓水射流管道疏通的真空回收的實際工況中如果出現廢水殘渣回收效果不理想的情況，首先要改變的就是真空泵的抽吸高度。

(2) 較優參數水平的確定 在極差分析法的計算結果中，“與各因素有關的試驗結果的和”這一項數值的大小可以反映出各參數水平對試驗指標影響的優劣。在此試驗中，以真空回收系統的回收流量作為衡量系統工作能力的指標，回收流量越大，表示實驗效果越好，系統工作能力越強。對比Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj和Ⅳj的數值大小，最大值分別為Ⅳ1、Ⅳ2和Ⅰ3，因此真空泵抽吸壓力因素取4水平，管直徑因素取4水平，抽吸高度因素取1水平是在此試驗中的較優方案。

3 結 語

對真空回收系統試驗設備進行試驗，得到試驗的三個影響因素中，其中對抽吸流量影響大小依次為抽吸高度、真空泵抽吸壓力、PVC鋼絲管內徑，在實際的高壓水射流管道疏通的真空回收系統作業時，此相關參數可以起到一定的參考作用。