基于高壓水射流清洗技術(shù)的研究.doc

基于高壓水射流清洗技術(shù)的研究一 引言高壓水射流技術(shù)是近年來在國際上興起的一門高科技清洗技術(shù)， 最早出現(xiàn)在19世紀(jì)中葉，到20世紀(jì)50年代才開始應(yīng)用于采煤，60年代大批高壓柱塞泵和增壓器的問世推動(dòng)了水射流技術(shù)快速發(fā)展。到70 年代末，水射流技術(shù)出現(xiàn)了新的研究方向，并研制成功了高頻脈沖射流、共振射流和磨料射流，這些射流的壓力雖然不太高，但威力卻高于相同壓力的普通連續(xù)水射流。進(jìn)入80年代，磨料射流、空化射流、水射流和自振射流的發(fā)展把水射流技術(shù)推向一個(gè)新的階段。水射流技術(shù)的應(yīng)用越來越受到人們的重視。隨著高壓水射流技術(shù)的發(fā)展，水射流清洗技術(shù)也越來越為人們所重視，應(yīng)用也日趨廣泛。水射流清洗技術(shù)是利用水射流使一種或多種材料（表面覆層）從另外一種物體（基體）表面上脫離下來，如容器內(nèi)壁和管道內(nèi)壁的清洗和除垢、帶鋼除鱗、鑄件去毛刺等。水射流清洗技術(shù)涉及到交通、冶金、電力、機(jī)械、市政、化工、建筑等領(lǐng)域，美、德、日、英、法、加等發(fā)達(dá)國家，工業(yè)上用高壓水射流工藝進(jìn)行清洗的比例已達(dá)到80%85%。水射流可除去用化學(xué)方法不能或難以清洗的特殊覆層，主要用于水垢、銹蝕、油垢、烴類殘?jiān)?、各種涂層、混凝土、結(jié)焦、樹脂層、顏料、微生物污泥等的清除。高壓水射流清洗技術(shù)在6070年代開始推廣，到80年代以后得到了很快的發(fā)展， 自80 年代中期傳入我國以來，逐漸得到了工業(yè)界的普遍認(rèn)同與重視。二 高壓水射流清洗特點(diǎn)高壓水射流技術(shù)把水作為介質(zhì)，以射流為核心，集高壓泵、閥、自控系統(tǒng)等于一體，通過高壓發(fā)生裝置，使水流獲得巨大的能量后以特定的流體運(yùn)動(dòng)方式從一定形狀的噴嘴中高速噴射出來，形成了能量高度集中的水流。高壓水射流技術(shù)之所以能脫穎而出，是與其本身的許多特點(diǎn)和優(yōu)勢分不開的。它不僅與水本身所固有的性質(zhì)有關(guān)，也與高壓水的力學(xué)作用有著密切的聯(lián)系。其效果較之傳統(tǒng)的人工清洗、機(jī)械清洗、化學(xué)清洗方法具有效率高、無污染、綜合費(fèi)用低、節(jié)能、不腐蝕損傷基體、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，可清洗形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，能在空間狹窄、復(fù)雜環(huán)境、惡劣有害場合進(jìn)行作業(yè)，因此世界各國大力發(fā)展高壓水射流清洗技術(shù)。水射流清洗與傳統(tǒng)的機(jī)械式、化學(xué)式清洗相比，具有如下優(yōu)勢：（1）無污染：高壓水射流以清潔的自來水作為介質(zhì)，對環(huán)境沒有任何污染，并且噴射出的射流霧化后還能降低清洗作業(yè)區(qū)的粉塵濃度，不需洗后處理，屬環(huán)保型清洗方法。（2）不腐蝕：水射流中沒有任何酸堿藥劑、清潔劑，既不腐蝕金屬，又不會(huì)損傷被清洗對象的基體。（3）清洗效率高：任何結(jié)垢物和堵塞物，只要選擇了正確的水射流參數(shù)，即壓力、流量功率及噴槍、噴頭選擇合適，就能高速、有效的清洗。（4）清洗成本低：高壓水射流使用天然水為介質(zhì)，同時(shí)又選擇了高強(qiáng)度、高耐磨性的噴咀、噴頭作噴射槍具，其磨損程度非常微小， 綜合成本只是化學(xué)方法的1/3左右，可獲取成本低、效率高的雙重效果。高壓水射流清洗屬細(xì)射流噴射，清洗時(shí)只用水、電，所用噴咀直徑小，每小時(shí)只消耗水38，屬于節(jié)水環(huán)保型技術(shù)。（5） 應(yīng)用范圍廣：能方便地完成常規(guī)清洗方法難以完成的清洗作業(yè)，能清洗形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件。此種清洗方法對設(shè)備、管道的大小、材質(zhì)、形狀及垢物種類均無特殊要求，因此應(yīng)用范圍極其廣泛。三 高壓水射流清洗參數(shù)的研究高壓水射流是一種先進(jìn)的除垢清洗技術(shù)，為了更加有效應(yīng)用高壓水射流進(jìn)行表面清洗，需要清楚清洗過程中不同參數(shù)對清洗的影響。需要了解水射流清洗原理，然后確定高壓水射流的主要參數(shù)。3.1 高壓水射流清洗原理高壓水射流沖洗到物體表面時(shí)，其原有速度的大小和方向均發(fā)生改變，其動(dòng)量也隨之改變。動(dòng)量的改變是由于射流與物體間的相互作用引起的，失去的一部分動(dòng)量以作用力形式傳遞到物體表面上。當(dāng)連續(xù)水射流連續(xù)沖擊物體表面時(shí)，形成穩(wěn)定沖擊力，即為射流物體表面的總沖擊力。設(shè)高壓水射流為理想不可壓縮流體，以速度v1射向平板（y軸）， 如圖1所示。假定流動(dòng)是定常的，取如圖所示的坐標(biāo)系。根據(jù)動(dòng)量守恒定律可得：（1）式中：F單位時(shí)間內(nèi)作用在單位體積流體上的力；t力F作用于單位體積流體上的時(shí)間；m單位體積流體質(zhì)量；v1、v2噴嘴出口截面內(nèi)、外流體平均流速，其中。，污垢單位面積受力為： （2）式中：水射流的密度；v水射流的速度；射流方向變化的角度。式（2）計(jì)算出的射流應(yīng)力為理論最大值。由于射流的擴(kuò)散和空氣阻力影響，射流實(shí)際產(chǎn)生的應(yīng)力小于理論應(yīng)力。當(dāng)污垢所受到的應(yīng)力大于污垢本身的的極限應(yīng)力，污垢就會(huì)破裂，從而達(dá)到清除污垢的目的。3.2 高壓水射流清洗參數(shù)的確定通常研究的水射流清洗性能參數(shù)主要有兩方面：一方面是與清洗過程相關(guān)的參數(shù)，主要包括噴射流水速、水壓、靶距、射流的通道數(shù)。（1） 噴射流水速。把帶入式（2）得： （3）式中： 污垢耐壓強(qiáng)度極限應(yīng)力（N/）； 射流密度（Kg/）。射流方向變化的角度。（2） 噴嘴入口壓力。根據(jù)孔口出流原理，射流在噴嘴口速度v為： （4）式中：v噴嘴出口速度（m/s）；H射流在噴嘴入口處壓力（mH2O）；g重力加速度（m/）；噴嘴系數(shù)，一般為0.97。由式（4）可得： （5）將式（3）代入式（5）得： （6）即： （7）式中：P噴嘴入口處的壓力（N/）。四 水射流清洗機(jī)研制不論清洗機(jī)具體用途和周邊設(shè)備如何變化，所有水射流清洗系統(tǒng)基本都是由高壓水泵機(jī)組、控制閥(組)、噴嘴(槍)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輔助機(jī)構(gòu)等基本部件組成。設(shè)計(jì)時(shí)考慮可靠性、通用性、可維護(hù)性等4.1 設(shè)計(jì)要求（1）清洗機(jī)主要的設(shè)計(jì)要求有如下幾點(diǎn)：用于液壓元件最終裝配前的清洗，主要清洗部位為內(nèi)部的油道；(2)采用噴射高壓水射流進(jìn)行清洗；(3)清洗時(shí)間可調(diào)、清洗液溫度可加熱到50；(4)清洗液需過濾后循環(huán)使用；(5)元件外部可有低壓噴淋清洗。4.2 原理及組成整套設(shè)備主要由凈水箱、高壓水泵、控制閥組、工作臺(tái)(含噴槍運(yùn)動(dòng)及工件夾緊裝置)、污水箱及過濾系統(tǒng)、電氣控制部分等組成。其中，電機(jī)泵組采用國內(nèi)專業(yè)廠家生產(chǎn)的高壓水泵機(jī)組，可產(chǎn)生最高9MPa的高壓水射流。水泵將水基清洗溶液從凈水箱中泵出，通過閥組的控制，經(jīng)過噴嘴噴出，形成射流。噴槍運(yùn)動(dòng)及工件夾緊裝置控制噴槍和夾具動(dòng)作。由于本設(shè)備須將噴槍伸入閥體內(nèi)部，因此需要工件位置比較精確。工件放入工位后，由夾具夾緊，而后噴槍伸入孔內(nèi)，開始清洗。過濾系統(tǒng)選用國內(nèi)專業(yè)廠家的定型產(chǎn)品；清洗后的污液首先經(jīng)過磁選過濾，紙帶過濾，流回污水箱，再由污水泵打入過濾精度10的袋式過濾器過濾，回到凈水箱。所有的控制與操作通過操作按鈕、行程開關(guān)、傳感器等進(jìn)入PLC，由PLC程序控制協(xié)調(diào)各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行，自動(dòng)完成一個(gè)清洗過程。清洗時(shí)間可由人工控制，也可由可調(diào)時(shí)間繼電器來控制。由于高壓水射流對人體尤其眼睛等敏感部位容易造成傷害，而且高壓射流產(chǎn)生的濺射也易污染工作環(huán)境，因此，整個(gè)清洗過程在密閉的機(jī)箱中進(jìn)行，只有關(guān)閉機(jī)箱門，高壓射流才會(huì)噴出，清洗才能進(jìn)行，保證了人員安全和環(huán)境清潔。另外，設(shè)備還設(shè)有加熱器、溫度傳感器來控制清洗液溫度；設(shè)有液位繼電器防止液位過低泵吸空等。該設(shè)備特點(diǎn)是，噴出的高壓水射流直接從內(nèi)部作用于孔內(nèi)壁。這樣，水射流靶距短，能量集中損失小，作用力大，清潔污物效果非常好。4.3 高壓泵組的選用高壓泵組包括柱塞式高壓水泵，調(diào)壓閥、安全閥、壓力表等控制裝置。高壓泵組是清洗機(jī)高壓水的發(fā)生裝置，因此，它必須保證額定壓力和流量的高壓水輸出，同時(shí)保證有較長的使用壽命，另外，還需要有方便的維護(hù)檢修內(nèi)部構(gòu)造和聯(lián)接體系。高壓泵組還需要有更大的壓力、流量和功率的選擇范圍，方便用戶進(jìn)行主要參數(shù)選擇。最后，高壓泵組必須有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和較長的使用壽命。4.4 高壓水射流的噴水系統(tǒng)及裝置高壓水射流系統(tǒng)原理圖，如圖2所示。整個(gè)水系統(tǒng)由水箱、液位計(jì)、過濾器、高壓水泵單元、溢流閥、流量計(jì)、壓力傳感器、電磁閥、噴槍、噴嘴組成。水箱為系統(tǒng)提供水源，水箱安裝有液位計(jì)，當(dāng)水位過高或過低時(shí)，液位計(jì)報(bào)警，保證水箱不溢流，確保整個(gè)水路系統(tǒng)供水安全。水箱的水經(jīng)過精過濾器、流量計(jì)進(jìn)入高壓泵。流量計(jì)的作用是在水流量過低或無水流時(shí)給系統(tǒng)報(bào)警，系統(tǒng)會(huì)停止水泵工作，保護(hù)水泵。蓄能器起到保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的作用。溢流閥保證整個(gè)水路在設(shè)定的壓力下工作，對水路系統(tǒng)起到安全保護(hù)的作用。根據(jù)需要打開常閉電動(dòng)閥，選擇水槍或噴嘴噴灑工作。4.5 噴灑裝置結(jié)構(gòu)高壓水系統(tǒng)噴灑裝置的結(jié)構(gòu)要根據(jù)具體的噴灑清理對象確定其噴灑結(jié)構(gòu)。如果被噴灑對象為固定輪廓，可選擇的噴灑裝置可以根據(jù)其輪廓設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，如圖3所示。如果被噴灑對象無固定外形輪廓，噴灑裝置根據(jù)其輪廓變化確定其具體結(jié)構(gòu)。4.6 鉆頭設(shè)計(jì)和試驗(yàn)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取射流噴射角為14，這時(shí)鉆頭的破巖效果最佳，破巖扭矩和耗費(fèi)的機(jī)械比能又較小，如圖2所示。將7個(gè)噴嘴中的4個(gè)布置在前面，角度為與前進(jìn)方向成14，另一個(gè)為中心直噴嘴，還有2個(gè)側(cè)噴嘴布置在鉆頭外徑上。又由以往使用過程中各種刀翼鉆頭的使用情況，在清洗鉆桿泥漿時(shí)，將鉆頭設(shè)計(jì)為外徑80 mm，2刀翼。根據(jù)水力計(jì)算，將噴嘴直徑定為0.61.0mm。高壓水射流和刀具聯(lián)合作用時(shí)設(shè)定工作參數(shù)為:鉆壓:4kN；水射流壓力:140Mpa；鉆頭轉(zhuǎn)速:6080r/min。鉆頭示意圖4.6 水射流刀具聯(lián)合作用受力分析機(jī)械刀具在巖石上開出水平裂隙點(diǎn)，然后裂隙呈圓弧形向巖石表面發(fā)展。同時(shí)，射流進(jìn)入裂隙，首先在裂隙中產(chǎn)生張力而使裂隙擴(kuò)張，繼而水力能量沖擊裂隙尖端，使裂隙進(jìn)一步發(fā)展，比單純機(jī)械刀具作用時(shí)產(chǎn)生的裂隙要長，從而使破碎的水泥碎塊體積增大。從裂隙尖端反射回來的水流又可沖走破碎后的碎屑。高壓水射流結(jié)合機(jī)械刀具破巖主要發(fā)生在刀具切削巖石的變形階段，這一階段是刀具受力最大的階段，高壓水射流結(jié)合刀具破巖使刀具受力極大減少。此外，由于射流的高速?zèng)_擊產(chǎn)生的應(yīng)力，也使巖石發(fā)生變形和破壞。水射流輔助機(jī)械刀具聯(lián)合作用受力分析上圖是當(dāng)水射流進(jìn)入刀具開出的巖石裂隙時(shí)巖石的受力狀況，巖石同時(shí)承受刀具切削力、裂隙中水射流的擠脹力和射流的沖擊力，這種受力狀態(tài)可看作是張開形破碎。是斷裂力學(xué)中的第一種斷裂形式。由斷裂力學(xué)可知，在距離裂隙尖端r的應(yīng)力狀態(tài)可表達(dá)如下:式中:r從裂隙尖端到任意點(diǎn)的距離；從裂隙尖端到該點(diǎn)的連線與水平方向的夾角；K1I型斷裂的應(yīng)力強(qiáng)度因子。由裂隙發(fā)展的條件可知，當(dāng)在點(diǎn)(r，)處的應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙即將擴(kuò)展，裂隙到達(dá)自由表面時(shí)，巖石發(fā)生塊狀斷裂。為保證射流在裂隙產(chǎn)生過程中為刀具在巖石上開槽，射流壓力必須超過巖石的臨界應(yīng)力；或?yàn)槭乖诹严稊U(kuò)展過程中刀具力極大地減少，必須有射流壓力。取射流壓力為這兩者的大值，即可保證水射流的開槽和擴(kuò)展裂縫兩個(gè)主要作用。五 高壓水射流全自動(dòng)油管清洗裝置簡介5.1 工作原理高壓水射流全自動(dòng)油管清洗裝置的原理是采用高壓柱塞泵和特殊設(shè)計(jì)的噴嘴產(chǎn)生高壓高速水射流，利用水射流強(qiáng)大的沖擊力直接剝離、沖刷油管內(nèi)外壁的粘結(jié)物來清洗油管。清洗裝置清洗油管時(shí)分內(nèi)壁、外壁兩個(gè)工步進(jìn)行，先進(jìn)行油管外壁的清洗，后進(jìn)行油管內(nèi)壁的清洗。外壁清洗時(shí)油管旋進(jìn)并采用高速旋轉(zhuǎn)噴槍，以保證連續(xù)清洗，提高效率。油管內(nèi)壁清洗時(shí)將油管固定裝夾，利用二維噴頭的旋轉(zhuǎn)與進(jìn)退實(shí)現(xiàn)油管內(nèi)壁的清洗，其關(guān)鍵是利用長桿水槍的二維噴頭實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、進(jìn)退，進(jìn)行高壓水射流噴射清洗。清洗裝置采取機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方案，利用計(jì)算機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)屏幕鼠標(biāo)操作、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、畫面反饋信息的要求。本清洗裝置還可以進(jìn)行在線統(tǒng)計(jì)，清洗后的成品管傳輸?shù)较碌拦ば颍?次清洗不合格的油管按廢管被傳輸?shù)綇U管區(qū)。5.2 技術(shù)參數(shù)系統(tǒng)高壓泵額定工作壓力50-70 Mpa，額定流量70 L/min，清洗油管公稱直徑DN62-DN76 mm(21/2-3)，可清洗油管長度8000-9700mm，油管清洗速度大于25根/h，內(nèi)清洗噴槍轉(zhuǎn)速大于500 r/min，噴槍前進(jìn)速度0-25.6m/min(可調(diào))，噴槍后退速度0-25.6m/min(可全速回退)。外清洗油管前進(jìn)速度0.05-0.25m/s，油管旋轉(zhuǎn)速度80-150r/min。5.3 系統(tǒng)組成高壓水射流油管清洗裝置由內(nèi)清洗裝置、外清洗裝置、高壓水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)組成，見圖高壓水射流油管清洗裝置高壓水射流油管清洗裝置特點(diǎn)：(1)清洗部分采用封閉式結(jié)構(gòu)，進(jìn)出料防護(hù)罩自動(dòng)開啟或關(guān)閉，專門設(shè)計(jì)的防噴消聲裝置不僅可防止清洗水濺出，而且能減小高壓水產(chǎn)生的噪聲傳出，上、下料分開設(shè)置，既能防止二次污染，保護(hù)環(huán)境，也能保障安全。(2)油管邊旋轉(zhuǎn)邊進(jìn)給的通過式清洗或清洗槍旋轉(zhuǎn)前進(jìn)清洗，大幅提高了射流水線的覆蓋密度、清洗的潔凈度以及速度，節(jié)約了運(yùn)行成本。(3)進(jìn)給系統(tǒng)采用變頻器無級變速，可滿足各種工藝要求。(4)清洗槍后裝有通徑規(guī)，遇阻時(shí)控制系統(tǒng)可自動(dòng)控制清洗小車往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而保證清洗質(zhì)量，并可使清洗、通徑兩道工序同步完成。(5)循環(huán)水系統(tǒng)采用國內(nèi)最新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多級沉淀、分離和過濾，自動(dòng)控制上下水，方便可靠，水的重復(fù)利用率高達(dá)90%。(6)清洗過程全部由PLC可編程自動(dòng)控制或計(jì)算機(jī)控制，極大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。5.4 清洗污水凈化處理高壓水射流油管清洗裝置清洗污水凈化處理及循環(huán)使用流程見圖：油管清洗污水凈化處理及循環(huán)使用流程框圖5.5 清洗流程油管清洗的工藝過程框圖見下圖：外壁清洗工藝順序:電機(jī)正轉(zhuǎn)油管右行刷式清洗射流清洗下油管下一循環(huán)停槍。內(nèi)壁清洗工藝流程:上油管關(guān)閉防護(hù)罩加壓裝置下壓電機(jī)正轉(zhuǎn)動(dòng)力小車前進(jìn)打開水槍測速機(jī)構(gòu)工作一次清洗結(jié)束電機(jī)反轉(zhuǎn)(加速)動(dòng)力小車后退二次清洗結(jié)束停槍打開防護(hù)罩下油管循環(huán)結(jié)束。油管清洗工藝工程框圖六 總結(jié)研制的高壓水射流清洗機(jī)經(jīng)過用戶使用，表示