基于高壓水射流清洗技術的研究一 引言高壓水射流技術是近年來在國際上興起的一門高科技清洗技術， 最早出現在19世紀中葉，到20世紀50年代才開始應用于采煤，60年代大批高壓柱塞泵和增壓器的問世推動了水射流技術快速發展。到70 年代末，水射流技術出現了新的研究方向，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水射流。進入80年代，磨料射流、空化射流、水射流和自振射流的發展把水射流技術推向一個新的階段。水射流技術的應用越來越受到人們的重視。隨著高壓水射流技術的發展，水射流清洗技術也越來越為人們所重視，應用也日趨廣泛。水射流清洗技術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，如容器內壁和管道內壁的清洗和除垢、帶鋼除鱗、鑄件去毛刺等。水射流清洗技術涉及到交通、冶金、電力、機械、市政、化工、建筑等領域，美、德、日、英、法、加等發達國家，工業上用高壓水射流工藝進行清洗的比例已達到80%85%。水射流可除去用化學方法不能或難以清洗的特殊覆層，主要用于水垢、銹蝕、油垢、烴類殘渣、各種涂層、混凝土、結焦、樹脂層、顏料、微生物污泥等的清除。高壓水射流清洗技術在6070年代開始推廣，到80年代以后得到了很快的發展， 自80 年代中期傳入我國以來，逐漸得到了工業界的普遍認同與重視。二 高壓水射流清洗特點高壓水射流技術把水作為介質，以射流為核心，集高壓泵、閥、自控系統等于一體，通過高壓發生裝置，使水流獲得巨大的能量后以特定的流體運動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。高壓水射流技術之所以能脫穎而出，是與其本身的許多特點和優勢分不開的。它不僅與水本身所固有的性質有關，也與高壓水的力學作用有著密切的聯系。其效果較之傳統的人工清洗、機械清洗、化學清洗方法具有效率高、無污染、綜合費用低、節能、不腐蝕損傷基體、易于實現機械化、自動化和智能化控制等諸多優點，可清洗形狀和結構復雜的零部件，能在空間狹窄、復雜環境、惡劣有害場合進行作業，因此世界各國大力發展高壓水射流清洗技術。水射流清洗與傳統的機械式、化學式清洗相比，具有如下優勢：（1）無污染：高壓水射流以清潔的自來水作為介質，對環境沒有任何污染，并且噴射出的射流霧化后還能降低清洗作業區的粉塵濃度，不需洗后處理，屬環保型清洗方法。（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，又不會損傷被清洗對象的基體。（3）清洗效率高：任何結垢物和堵塞物，只要選擇了正確的水射流參數，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，同時又選擇了高強度、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射流噴射，清洗時只用水、電，所用噴咀直徑小，每小時只消耗水38，屬于節水環保型技術。（5） 應用范圍廣：能方便地完成常規清洗方法難以完成的清洗作業，能清洗形狀和結構復雜的部件。此種清洗方法對設備、管道的大小、材質、形狀及垢物種類均無特殊要求，因此應用范圍極其廣泛。三 高壓水射流清洗參數的研究高壓水射流是一種先進的除垢清洗技術，為了更加有效應用高壓水射流進行表面清洗，需要清楚清洗過程中不同參數對清洗的影響。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。3.1 高壓水射流清洗原理高壓水射流沖洗到物體表面時，其原有速度的大小和方向均發生改變，其動量也隨之改變。動量的改變是由于射流與物體間的相互作用引起的，失去的一部分動量以作用力形式傳遞到物體表面上。當連續水射流連續沖擊物體表面時，形成穩定沖擊力，即為射流物體表面的總沖擊力。設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。假定流動是定常的，取如圖所示的坐標系。根據動量守恒定律可得：（1）式中：F單位時間內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間；m單位體積流體質量；v1、v2噴嘴出口截面內、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）計算出的射流應力為理論最大值。由于射流的擴散和空氣阻力影響，射流實際產生的應力小于理論應力。當污垢所受到的應力大于污垢本身的的極限應力，污垢就會破裂，從而達到清除污垢的目的。3.2 高壓水射流清洗參數的確定通常研究的水射流清洗性能參數主要有兩方面：一方面是與清洗過程相關的參數，主要包括噴射流水速、水壓、靶距、射流的通道數。（1） 噴射流水速。把帶入式（2）得： （3）式中： 污垢耐壓強度極限應力（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，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 水射流清洗機研制不論清洗機具體用途和周邊設備如何變化，所有水射流清洗系統基本都是由高壓水泵機組、控制閥(組)、噴嘴(槍)、執行機構、輔助機構等基本部件組成。設計時考慮可靠性、通用性、可維護性等4.1 設計要求（1）清洗機主要的設計要求有如下幾點：用于液壓元件最終裝配前的清洗，主要清洗部位為內部的油道；(2)采用噴射高壓水射流進行清洗；(3)清洗時間可調、清洗液溫度可加熱到50；(4)清洗液需過濾后循環使用；(5)元件外部可有低壓噴淋清洗。4.2 原理及組成整套設備主要由凈水箱、高壓水泵、控制閥組、工作臺(含噴槍運動及工件夾緊裝置)、污水箱及過濾系統、電氣控制部分等組成。其中，電機泵組采用國內專業廠家生產的高壓水泵機組，可產生最高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，經過噴嘴噴出，形成射流。噴槍運動及工件夾緊裝置控制噴槍和夾具動作。由于本設備須將噴槍伸入閥體內部，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，開始清洗。過濾系統選用國內專業廠家的定型產品；清洗后的污液首先經過磁選過濾，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、傳感器等進入PLC，由PLC程序控制協調各個動作進行，自動完成一個清洗過程。清洗時間可由人工控制，也可由可調時間繼電器來控制。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，而且高壓射流產生的濺射也易污染工作環境，因此，整個清洗過程在密閉的機箱中進行，只有關閉機箱門，高壓射流才會噴出，清洗才能進行，保證了人員安全和環境清潔。另外，設備還設有加熱器、溫度傳感器來控制清洗液溫度；設有液位繼電器防止液位過低泵吸空等。該設備特點是，噴出的高壓水射流直接從內部作用于孔內壁。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，調壓閥、安全閥、壓力表等控制裝置。高壓泵組是清洗機高壓水的發生裝置，因此，它必須保證額定壓力和流量的高壓水輸出，同時保證有較長的使用壽命，另外，還需要有方便的維護檢修內部構造和聯接體系。高壓泵組還需要有更大的壓力、流量和功率的選擇范圍，方便用戶進行主要參數選擇。最后，高壓泵組必須有足夠的機械強度和較長的使用壽命。4.4 高壓水射流的噴水系統及裝置高壓水射流系統原理圖，如圖2所示。整個水系統由水箱、液位計、過濾器、高壓水泵單元、溢流閥、流量計、壓力傳感器、電磁閥、噴槍、噴嘴組成。水箱為系統提供水源，水箱安裝有液位計，當水位過高或過低時，液位計報警，保證水箱不溢流，確保整個水路系統供水安全。水箱的水經過精過濾器、流量計進入高壓泵。流量計的作用是在水流量過低或無水流時給系統報警，系統會停止水泵工作，保護水泵。蓄能器起到保證系統壓力穩定的作用。溢流閥保證整個水路在設定的壓力下工作，對水路系統起到安全保護的作用。根據需要打開常閉電動閥，選擇水槍或噴嘴噴灑工作。4.5 噴灑裝置結構高壓水系統噴灑裝置的結構要根據具體的噴灑清理對象確定其噴灑結構。如果被噴灑對象為固定輪廓，可選擇的噴灑裝置可以根據其輪廓設計其結構，如圖3所示。如果被噴灑對象無固定外形輪廓，噴灑裝置根據其輪廓變化確定其具體結構。4.6 鉆頭設計和試驗參數根據室內實驗結果，選取射流噴射角為14，這時鉆頭的破巖效果最佳，破巖扭矩和耗費的機械比能又較小，如圖2所示。將7個噴嘴中的4個布置在前面，角度為與前進方向成14，另一個為中心直噴嘴，還有2個側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，將鉆頭設計為外徑80 mm，2刀翼。根據水力計算，將噴嘴直徑定為0.61.0mm。高壓水射流和刀具聯合作用時設定工作參數為:鉆壓:4kN；水射流壓力:140Mpa；鉆頭轉速:6080r/min。鉆頭示意圖4.6 水射流刀具聯合作用受力分析機械刀具在巖石上開出水平裂隙點，然后裂隙呈圓弧形向巖石表面發展。同時，射流進入裂隙，首先在裂隙中產生張力而使裂隙擴張，繼而水力能量沖擊裂隙尖端，使裂隙進一步發展，比單純機械刀具作用時產生的裂隙要長，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。高壓水射流結合機械刀具破巖主要發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，高壓水射流結合刀具破巖使刀具受力極大減少。此外，由于射流的高速沖擊產生的應力，也使巖石發生變形和破壞。水射流輔助機械刀具聯合作用受力分析上圖是當水射流進入刀具開出的巖石裂隙時巖石的受力狀況，巖石同時承受刀具切削力、裂隙中水射流的擠脹力和射流的沖擊力，這種受力狀態可看作是張開形破碎。是斷裂力學中的第一種斷裂形式。由斷裂力學可知，在距離裂隙尖端r的應力狀態可表達如下:式中:r從裂隙尖端到任意點的距離；從裂隙尖端到該點的連線與水平方向的夾角；K1I型斷裂的應力強度因子。由裂隙發展的條件可知，當在點(r，)處的應力超過巖石的抗拉強度時，裂隙即將擴展，裂隙到達自由表面時，巖石發生塊狀斷裂。為保證射流在裂隙產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力；或為使在裂隙擴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展裂縫兩個主要作用。五 高壓水射流全自動油管清洗裝置簡介5.1 工作原理高壓水射流全自動油管清洗裝置的原理是采用高壓柱塞泵和特殊設計的噴嘴產生高壓高速水射流，利用水射流強大的沖擊力直接剝離、沖刷油管內外壁的粘結物來清洗油管。清洗裝置清洗油管時分內壁、外壁兩個工步進行，先進行油管外壁的清洗，后進行油管內壁的清洗。外壁清洗時油管旋進并采用高速旋轉噴槍，以保證連續清洗，提高效率。油管內壁清洗時將油管固定裝夾，利用二維噴頭的旋轉與進退實現油管內壁的清洗，其關鍵是利用長桿水槍的二維噴頭實現旋轉、進退，進行高壓水射流噴射清洗。清洗裝置采取機電一體化設計方案，利用計算機控制，可以實現屏幕鼠標操作、系統動態調整、數據實時采集、畫面反饋信息的要求。本清洗裝置還可以進行在線統計，清洗后的成品管傳輸到下道工序，2次清洗不合格的油管按廢管被傳輸到廢管區。5.2 技術參數系統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，內清洗噴槍轉速大于500 r/min，噴槍前進速度0-25.6m/min(可調)，噴槍后退速度0-25.6m/min(可全速回退)。外清洗油管前進速度0.05-0.25m/s，油管旋轉速度80-150r/min。5.3 系統組成高壓水射流油管清洗裝置由內清洗裝置、外清洗裝置、高壓水路系統、氣路系統、供水系統、傳輸系統以及電氣控制系統組成，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：(1)清洗部分采用封閉式結構，進出料防護罩自動開啟或關閉，專門設計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生的噪聲傳出，上、下料分開設置，既能防止二次污染，保護環境，也能保障安全。(2)油管邊旋轉邊進給的通過式清洗或清洗槍旋轉前進清洗，大幅提高了射流水線的覆蓋密度、清洗的潔凈度以及速度，節約了運行成本。(3)進給系統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，遇阻時控制系統可自動控制清洗小車往復運動，從而保證清洗質量，并可使清洗、通徑兩道工序同步完成。(5)循環水系統采用國內最新技術，可實現多級沉淀、分離和過濾，自動控制上下水，方便可靠，水的重復利用率高達90%。(6)清洗過程全部由PLC可編程自動控制或計算機控制，極大地減輕了工人的勞動強度，提高了勞動生產率。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使用流程見圖：油管清洗污水凈化處理及循環使用流程框圖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:電機正轉油管右行刷式清洗射流清洗下油管下一循環停槍。內壁清洗工藝流程:上油管關閉防護罩加壓裝置下壓電機正轉動力小車前進打開水槍測速機構工作一次清洗結束電機反轉(加速)動力小車后退二次清洗結束停槍打開防護罩下油管循環結束。油管清洗工藝工程框圖六 總結研制的高壓水射流清洗機經過用戶使用，表示