高压水射流技术在石化管道清洗中的运用

                                                                      高压水射流技术在石化管道清洗中的运用

在石化生产中，管道结垢难以避免，严重时会影响到正常生产。高压水射流清洗技术以其显著的优点在清洗行业中一枝独秀。其在高效、节能、环保等方面具有一定的优势。 

目前，在石化工业生产过程中，一般都拥有大量的管道，部分还属于隐蔽工程，由于石化生产的特殊性它们往往不可避免地会产生如：聚合物、结焦、油垢、水垢、沉结物、铁锈腐蚀物等等污垢。这些污垢使设备和管道严重失效，生产效率下降，能耗增加，严重时能使流程中断，装置被迫停产，造成重大经济损失，甚至可能发生恶性事故。在石油开采过程中，原油通过油井的油管被抽取上来。因原油中有石蜡的成分、泥沙及其他杂质会将油管堵塞，这时就需将油管提取出来进行清洗。原油中的石蜡是含十六个碳原子以上的正构烷烃混合物，其熔点范围在22～85℃。通常石蜡能溶解于原油中，它在原油中的溶解度随其摩尔质量的增大和熔点的上升而降低，因此随着外界温度、流速、组成及粘度等条件的变化，石蜡从原油中逐渐析出并沉积在管道的表面。在形成的积蜡中，除含有石蜡外，还含有一定量的胶质、沥青、凝油以及其他机械杂质。 
具有关资料显示全国井下的油管约1680万根，如每年有5%的因结垢而报废，则国家将损失约2.94亿元。众所周知，在石化生产中要完全避免污垢的产生是不可能，过去往往是通过在生产过程中投加化学处理剂来降低结垢、腐蚀速度，对已沉积产生的污垢，普遍采用化学清洗的方法进行清洗。由于化学清洗方法存在对管道严重腐蚀和对环境严重污染等问题，因此石油化工管道的清洗问题一直困扰我国的大部分石化企业。现在经过工程技术人员的研究和实践高压水射流清洗技术已逐渐在石化企业的管道清洗中崭露头角。

1.高压水射流清洗技术简介及优点 
1.1所谓高压水射流清洗是将普通清水通过高压泵加压到数百乃至数千个大气压力，然后通过特殊的喷嘴（孔径1－2mm），以极高的速度（300－600m/s）喷出能量高度集中的水 
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流，这一股一股的小水流，如同小子弹一样具有巨大的打击能力，靠射流的冲击力可以去除管道中的污垢和堵塞物。利用高压水射流除油、除蜡，其基本原理是利用高压柱塞泵和特殊设计的喷嘴产生高压、高速水射流，利用水射流强大的冲击力和水楔作用直接剥离、冲刷油管内、外壁黏结物，达到清洗油管的目的。具有高效节能、高清洁度、不需要压力容器、冷清洗安全性好、不使用化学药剂、清洗用水重复使用（既无污染又节约用水资源）、自动化程度高、运行成本低等优点。高压水射流清洗方法在美国、日本、德国、英国、法国等发达国家已经普遍应用，在工业及大型民用清洗中已占有80％～85％的绝对优势，清洗已经商品化。纵观美日德等发达国家二十多年的清洗之路，他们采用了机械钻孔、蒸汽清洗、化学清洗、超声波清洗、水射流清洗等十几种形式，但到目前为止，水射流却不约而同的都占据了工业清洗的主导地位，在诸多清洗方法中，可谓一支独秀。

1.2高压水射流清洗具有如下优势： 
1.2.1清洗成本低 ：首先高压水射流使用的介质是自来水，它来源容易，普遍存在。在清洗过程中，由于能量强大，不需加任何填充物及洗涤剂，即可清洗干净，故成本很低。其次，节水节能，此种清洗方法与消防用水不同，属细射流喷射，所用的喷嘴直径只有 0.5-2.5毫米，故耗水量只有3-5立方米/小时，所用动力的功率为37-90千瓦，故属节水节能设备。  1.2.2、清洗质量好 ：清洗管道及热交换器内孔时，能将管内的结垢物和堵塞物全部剔除干净，可见到金属本体。具有巨大的能量且以超音速运动的高压水射流完全能够破坏坚硬结垢物和堵塞物，但对金属却没有任何破坏作用。同时又由于高压水的压力小于金属或钢筋混凝土的抗压强度，故对管路没有任何破坏作用。实现高质量清洗。  
1.2.3、清洗速度快 ：由于水射流（国外称水弹）的冲刷、契劈、剪切、磨削等复合破碎作用，可立即将结垢物打碎脱落。它比传统的化学方法、喷砂抛丸方法、简单机械及手工方法清洗速度快几倍到几十倍。  
1.2.4、无环境污染 ：水射流清洗不像喷砂抛丸及简单机械清洗那样产生大量粉尘，污染大气环境，损害人体健康。也不像化学清洗那样，产生大量酸、碱废液污染河道、土壤和水质。水射流是以自来水为工作介质，无臭、无味、无毒，喷出的射流雾化后，可降低作业区的空气粉尘浓度，可使大气粉尘由其它方法的 80毫克/立方米降低到国家规定的安全标准2毫克/立方米以下，根除矽肺病源，消除酸碱废液流毒，是我国环保事业的一项重要举措。 
1.2.5、金属腐蚀少 ：由于用纯物理方法，故对金属无任何腐蚀作用。  
1.2.6、应用面广 ：凡是水射流能直射到的部位，不管是管道和容器内腔，还是设备表面，也不管是坚硬结垢物，还是结实的堵塞物，皆可使其迅即脱离母体，彻底清洗干净，此种清洗方法对设备材质、特性、形状及垢物种类均无特殊要求，只要求能够直射，故其应用十分广泛。. 
2.1.1.1油管装卸系统：由气动系统（气泵、控制阀、顶推气缸等）、导轨组成。能根据PLC的工作指令实现油管装卸的自动化。由于油管外壁携带的原油，在传输过程中，不可避免地要污染传输滚轮和夹具。操作时，先采用清洗外壁工艺流程和两次夹紧工艺，避免了油管清洗过程中的二次污染问题，可有效保证油管外壁的清洁程度。 
2.1.1.2油管夹紧、进给系统：油管的夹紧和进给，均由电动小车来完成；夹紧系统是我司专门设计的复合式气动三爪夹紧卡盘，由PLC控制内外卡盘的夹紧、松放、进、退等动作。内、外壁清洗采用强迫油管边旋转边进给的通过方式清洗，大大提高了射流水线的覆盖密度，提高清洗的洁净度和速度，节约运行成本。 
2.1.1.3高压水射流系统：主要由电机、高压泵、控制阀、喷头、管件等其它附件。压力、流量的调定由技术人员预先根据情况设定，通常情况下不宜随意变动，以免发生生产事故。喷头的喷射也由PLC来控制。 
2.1.1.4废水回收系统：内、外壁清洗产生的废水，通过废水收集槽流向沉淀过滤池，采用沉淀和旋流的方法去除杂质和油污；处理完的水由提水泵送到储水箱里循环使用，既环保又经济。 
2.1.1.5 PLC控制系统：该装置整体采取的是机电液一体化方案，利用PLC控制技术，可以达到“人机对话，动态调整，数据采集，结果统计”的高效率。该清洗线的使用大大改善了工人的工作条件、确保人身安全，实现了扩大再生产与保护环境的和谐统一。 
另外，内外清洗线的清洗部分采用半封闭式结构，环境清洁，保障安全，进出料均为自动化。 

2.1.2清洗工艺流程 
高压水射流发生工艺流程：在总控制台（PLC）上打开高压泵电机—高压泵工作—水箱的水被吸出—经高压泵加压—经管道和控制阀—喷头 
外壁清洗工艺流程：小车左行（触动1号传感器）—（装管气缸开始向上顶）上油管—内圆夹紧装置夹紧—旋转电机旋转—喷头打开射流清洗。 
内壁清洗工艺流程：更换夹紧位置—小车右行—射流清洗—一次清洗结束电机反转—电动小车后退—二次清洗结束—下油管。 
高压水射流油管清洗线的工作过程为：打开总控制台（PLC）上的开关，清洗线高压泵开始工作、小车开始向右运动，，起油管，油管进入外壁清洗线，同时内圆夹紧；夹紧完成后2号传感器使外清洗喷嘴开始喷射高压水，清洗开始。（清洗用水经提水泵，过滤系统17进入高压水泵，经溢流阀进入高压管路到固定喷头喷射出高压水射流。）待清洗的油管不但在夹盘内随旋转电机而旋转，还随小车一起向左前进，使油管既旋转又前进，从而较好地完成了油管外壁的清洗。外壁清洗完后，3号传感器工作，油管由内圆夹紧固定转变为外圆夹紧固定，进入内壁清洗线；传感器4触发使内清洗喷头喷出高压水；此时，油管在动力小车的带动下，实现既旋转又前进或后退的动作，从而内清洗喷头在油管内壁形成伞状射流区在油管内壁旋转、进退，达到清洗油管内壁的目的。由于机电液一体化联动，完成油管上料、清洗、下料、传输多工步的手动或全自动生产。 2.2 高压水射流清洗装置的工艺参数确定 
高压水射流清洗的工艺参数主要有射流压力、流量或喷嘴直径、功率以及射流的靶距或射程、进给速度与射流打击力等。高压水射流清洗系统只有合理的匹配，才能充分发挥高压水射流清洗高效、高质量、节能及污染小的特点。清洗压力的选择，既要考虑被清洗表面物料的物理、化学性质及喷射靶距，在保证不破坏基体表面的情况下完成清洗任务。同时，还要考虑清洗压力对射流特性的影响合适的清洗压力应与管路系统参数、喷嘴直径相匹配。 
2.2.1 清洗压力的确定对于油垢这种特殊的污垢，清洗时主要是通过水压力直接打击和剪切引起破碎应力，当应力按照一定的规律超过垢层的强度极限时，垢层将产生裂纹，在后续水射流的水楔等作用下扩张成坑，最后达到垢层的全部破裂并被冲洗干净。由于垢层成分、结构的复杂，目前尚无详细的性能应力-应变等参数可查，只能作为一些定性分析的方法，由试验确定水射流对垢层冲蚀的压力情况。因此高压水射流清洗的工作压力应根据结垢性质、采用类比法和试验法合理地进行选择。  2.2.2 实际流量确定  
在高压水射流清洗的工作压力确定的同时，要想获得较高清洗效率，流量的大小起到了关键的作用。换句话说就是在保证冲击压力的前提下，流量越大则意味着传递的能量就越多，清洗速度就更快。因此在选择清洗参数时，压力与流量的合理匹配是很重要的。本文通过查表1-1并通过试验来确定水力参数。 
表1-1 高压水射流水力参数选用表 序号 名  称 压力/MPa 
流量/（L/min） 

工艺（设备）特征 
1 下水道 22 125 旋转喷头 
2 大型排污管道 30~50 150~200 可控制推拉喷头或旋转喷头 
3 油井套管 70 70  4 锅炉 70 70  5 列管热交换器 70 70  6 油槽车 50 95 旋转喷头 7 钢材除锈 50 30 后磨料射流 
8 船体除锈 220 40  9 铸件清砂 50 75  10 
化工容器 
10~70 
80~180 
三维旋转喷头 
2.2.3 水射流功率的确定 
水射流的喷射功率可由公式：N=PQ /（60η）来确定。 2.2.4 进给速度的确定 
在清洗中，为了提高清洗效率，进给速度应取最大值，但这样就会造成有漏洗和清洗不彻底的现象；为了保证清洁要求，进给速度取最小值能充分发挥射流的水楔作用，使垢层得以充分剥离；对实际操作时，进给速度的确定一般由操作者根据污垢的特性、垢层厚度和清洗要求，由操作者依据经验设定和调整。 2.2.5 喷射距离的确定  
喷射距离是指喷嘴到清洗表面的距离，它的大小对清洗质量有很大的影响。喷射距离增大时，射流到被清洗表面的扩散程度增大，于是也就增大了射流功率的损失；喷射距离减小时，单位时间内除垢面积也会减小。因此，喷射距离过大或过小都会降低清洗效率。实验证明，对普通机件表面的清洗，喷射距离在（ 150~300 ） D 范围内较好，其中 D 为喷嘴的出口直径。本文中外管面的清洗可以遵照此范围自我调节，而内管面由于受管径的限制不能在范围内。

2.2.6入射角的确定  
根据经验数据，清洗油脂表面时，入射角 17 ° 为宜。 2.2.7其部分参数如下：  清洗液：常温自来水；  进液压力：常压；  
进液流量：必须大于出液流量；  
压力范围：从 0 到额定压力值（无级调节）。  
高压水射流清洗机主机的额定参数如表 1-2 所示。  表 1-2 高压水射流清洗机主机参数  型 号 : GYQX-70 
额定压力（ Mp a ） 70 定额流量（ L/min ） 70 电机功率（ KW ）  95 外形尺寸（ mm ） 1450×950×740  重量（ kg ） 800  
 
结束语 ： 
高压水射流清洗技术以其独特的不污染环境、不腐蚀设备、节省能源等优点，越来越受到人们的重视。