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基于高压水射流的管道清洗方案设计

2019-10-21 14:43:57浏览:7 来源:清洗联盟   

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基于高压水射流的管道清洗方案设计

在石油石化开采、炼制、运输及销售行业中, 管道成为主要的运输和存储工具,管道在长周期 运行过程中无可避免地会因运输流体物性及流动 参数的变化而形成大量的污垢,并附着于管道内 部及管道流动变化区域,降低物料有效输送截面 积,从而降低管道的实际运输能力,甚至造成运输 管线的停运。因此,管道的清洗对保证管道 的运输及工艺生产至关重要。企业一般采用 物理或化学方法来清除管道内壁上的水垢、油垢 等污垢,从而使管道保持通畅,以保证物料的正常 输送。目前常用的管道清洗技术分为 3 种: 机 械清洗、射流清洗和化学清洗。机械清洗设备 容易磨损且被清洗下的污垢不容易排出,而化学 清洗容易造成环境污染、被清洗设备的二次污染, 具有清洗费用高等缺点,高压水射流清洗在 20 世 纪 70 年代得到迅速发展,并逐步抢占化学清洗的 市场份额。现在,高压水射流清洗已成为发达国 家的主流清洗技术,并占到了清洗业市场份额的 80% 以上。随着高压水射流清洗技术的推广 应用,合理的方案设计成为石化企业实施清洗作 业的重要环节,并且能够为企业节约大量的资源 与财力。笔者以燕山石化炼化为背景,结合现有 清洗案例,提出了合理的管道清洗设计方案,为业 内人士进行管道清洗作业提供了合理化的建议和 参考。 

1 设备构成及功能 

1. 1 设计总布局 

高压水射流设备分为压力机组、清洗喷嘴与 高压软管以及辅助设备等模块。压力机 组把清洗介质( 水) 加压至规定压力级别,通过操 作控制开关,将带压水流输送到高压软管内。高 压软管一端连接压力机组,一端接清洗喷嘴。在 辅助设备的配合下清洗喷嘴可沿着管内移动,从 而实现去除管内沉积污垢的过程。

1. 2 射流清洗装置诸元作用 

1. 2. 1 压力机组 

压力机组是实现清洗液流加压的主要来源, 其原理是借助泵体把常压的液流加速到高压。压 力机组按照动力源可分为柴油驱动机与电力驱动 机,通常柴油驱动机比电力驱动机的功率大,同时 柴油驱动机的设备尺寸也比电力驱动机大。电力 驱动机组多用于中小型管道清洗作业,其自身尺 寸也与功率呈正相关。特别是在人力手持作业中,电力机组往往成为这一领域的主要领军者。 对于大口径管道而言,往往需要大功率柴油机组。 现在的压力机组在流量输出和压力调节方面可以 实现宽调的功能。除此之外在辅助设计上,也根 据流量配有大容积水箱,其设备自身也具有压力 抗爆特性。在选择时,特别是针对石油石化领域 的应用中,对抗爆性有更高要求。 

1. 2. 2 高压软管与清洗喷嘴 

高压软管主要起到输送流体介质的作用,同 时还可以保证高压射流不被泄漏从而保护施工人 员。一般高压软管由强化塑料或者高密度纤维制 造而成,在充压的情况下整个软管具有一定弹性, 这样可以保证高压软管可以在复杂多变的管道中 沿管道走向前进。一般高压软管的额定压力应不 小于压力机组中高压泵的额定压力。高压软 管的内径大小直接影响清洗系统的压力损失和喷 嘴所受的反作用力,因此高压软管的选择还应考 虑不同的工况选用合适的软管内径[9]。 清洗喷嘴与高压软管的一端连接,在喷嘴上 带有不同方向的孔口。向后的孔口保证射流作用 在管壁后受到向前的反作用力,带动喷嘴自身与 软管在管道里前进。其他方向的喷口用来保证喷 射的流量,达到管道除垢的目的。此外,从安全角 度和适用的工作压力考虑,人工作业环境下的喷 射压力较小,从而被手持式水枪清洗取代。手持 式喷枪的反作用力一般不大于 200N,作业人员承 受的反作用力在其体重的三分之一以内[10]。自 进式的管道高压水清洗装置一般作业压力在 50MPa 以上,对喷嘴的要求也比较高,所以要根据 实际需要来选择喷嘴的种类和喷射形式。 

1. 2. 3 辅助设备 

辅助设备的主要功能有: 确保射流软管在工 作空间的通过性; 保护操作人员和设备的安全,起 到安全防护的作用; 保证整个作业有效运行。其 中主要的辅助设备有旋管装置、管口导向装置与 喷嘴集成模块。 旋管装置主要用于控制软管沿管道方向的进 给速度,保证清洗效果的均衡性,此外,旋管装置 必要时还可以作为清洗装置在弯曲管道环境下的 次要动力源。一般此类装置可以分为大中型与集 约型设备。管口导向装置与喷嘴集成模块主要用 于保证高压软管在作业区域内的有效进给以及在 管口安装安全防护装置。

2 清洗参数选择

清洗方案的设计是以被清洗管道的技术要求 和基本参数为基础的。基本参数的确立为方案的 具体实施提供了理论保障。笔者以石化企业管长 200m、管径 300mm、结垢为硬油垢的管道为例来 分析清洗参数的选取。 清洗方案的基本参数有: a. 油垢厚度为 5 ~ 20mm,受管道输送物料 的性质、运行工况及清管周期等因素的影响。 b. 清管周期,工程中常用理论计算的方法, 将最大允许压降作为管道是否需要清洗的标准, 利用 PipeFlow 软件计算管道的理论清洗周期。 c. 射流介质,水作为常用的清洗介质,一方 面是因为水能够防止被清洗下的污垢再次吸附到 管体,另一方面被剥离下的污垢可以随着介质水 被永久清除,有效地防止污垢二次污染被清洗对 象。介质水存在表面张力过大和对油性污垢亲和 力较差等缺点,在清洗过程中,可以在水中添加碱 类、肥皂或者合成洗涤剂来增强对油性污垢的亲 和力,加入适量的表面活性剂来降低水的表面张 力,从而增强对被清洗污垢的浸润能力,提高水的 清洗效果。 d. 射流方式为连续射流,连续射流可以避 免水锤效应,降低压力脉动,一方面减少了能量的 不必要损失,另一方面可以降低噪声。 e. 流 量 范 围 80 ~ 100L /min,压 力 50 ~ 70MPa( 行业标准) 。泵压的大小决定着附着层的 破坏程度,压力过大容易破坏被清洗基体和产生 不必要的能量浪费,压力过小则不能达到清洗效 果。泵流量的恰当与否同样关乎清洗效率和效 果,两者均通过能量的形式在清洗过程中体现出 来,因而在选择压力机组时压力和流量的匹配是 至关重要的。

3 高压水射流施工技术 

具体施工要求有: a. 根据管路长短,在接头处拆除或安装盲 板。保证清洗长度合理,射流压降正常,以保证清 洗效果。 b. 根据具体施工条件选择射流方向和固定 条件,例如在复杂区段内要适当在管内提供支撑, 增大旋管装置扭矩、进给力和机组功率输出,从而 保证射流出口获得足够大的反作用力。而对于直 管只需要提供足够的进给力同时在管口位置放置 适当约束即可。 c. 对射流所清除的污垢以及工业废水应分 别按照规定回收和再循环处理。 利 用高压射流技术的施工主要分以下几个流程: 根 据实际管道设计布置施工量,计算射流用水射流 压力,根据施工环境来选用设备类型; 根据行业标 准与甲方提出标准设计清洗工艺与设备详细布置 状况; 拟定清洗流程并通过审核; 根据施工安排与 清洗流程实际布置工作; 实施清洗作业并通过甲 方验收; 完成施工作业。

4 风险控制 

利用高压水射流技术清洗的风险在于以下几 点: a. 设备设计制造方面,由于具有高压环节, 因此设备的设计与制造需要相关资质的企业进行 设计加工。目前本行业相应的国家标准有待完 善,只能凭借实践经验自主设计与制造,对使用者 来讲设备的安全可靠性有一定风险。对于研发企 业来说具有项目投资风险。建议采用行业普遍标 准设计与制造,同时企业也应当具有高压设备的设计制造资质。 b. 在使用过程中存在高压射流泄漏的风 险,对人和设备造成安全隐患。操作人员的素质 对安全操作有很大影响。为此,建议在操作环节 中设置压力防护设备,要求操作人员佩戴安全防 护装置以及规范操作流程,宜采用合理压力标准 避免对设备的损害,同时对操作者进行合格的岗 前培训。 c. 对作业环境( 如防爆) 或排放有特殊要求 的行业,甲乙双方宜在清洗方案拟定后对于可能 存在的风险多做假设并根据相关标准协商解决。 d. 具体施工时可能需要原有设备局部停 车,对此甲乙双方应当沟通具体施工细则,协调好 生产与施工。 

5 经济性分析 

高压水射流清洗,所花费用以购买装备为主, 清洗介质( 水) 所占成本很低; 化学清洗不仅有装 备花费,而且需要购买适用的化学清洗剂,由于管 道污垢成分复杂,而清洗药剂不具有普适性,所以 药品费用反而成为化学清洗的一项重要开支; 机 械清洗因装备容易磨损以及污垢不便排出而产生 很多不必要的开支。综合考虑各种因素,得出高 压水射流清洗是最适合石化企业管道的一种清洗 方法。高压水射流清洗化工管道可以极大地降低 清洗成本,而且基本不需要对清洗污水进行后处 理,用一个简易的沉降池就可以起到环保和节约 资源的作用。 

6 结束语 

对于石化企业管道清洗,无论是自进式的高 压水射流清洗方式还是采用高压水枪的人工清洗 都需要进行系统的方案设计。正确合理的方案设 计可以为企业避免不必要的经济损失、施工延迟 和材料损耗。清洗参数的确定可以为机械结构的 设计、传动方式和驱动方式的选择提供参考,同时 为使用企业提供选用标准和规范。清洗设备总体 布局的规划、各组分作用的明确、具体技术实施流 程的建立等设计过程完美表达了石化企业实施管 道高压水清洗的具体步骤。对风险的分析使企业 明确安全风险的来源,制订合理的安全规范以及 选择正确的规避方法。经济性分析更加佐证了高 压水射流清洗技术的优越性,在保障清洗效果的 前提下,高压水射流清洗无疑是石化企业清洗管 道的最佳选择。

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