欢迎来到工业设备清洗全产业链平台 - 清洗联盟平台! 客服热线:400-0530-897 APP客户端下载

空化射流在管道清洗中的应用

2019-10-30 09:46:17浏览:17 来源:清洗联盟   

联系在线客服,免费下载本资料文档,若您需要下载其他网络资源,也可求助客服哦~ 点击联系客服

空化射流在管道清洗中的应用

在电力、冶金、机械、石化等行业液体或气体是通过不同材质、型体各异的管道或其它端部开口的管柱来传递的。当管内被沉积的污物阻塞时就必须清洗管道。通常管道是用金属丝刷、水冲洗、清管器清洗、化学循环、钻挤法等方法清洗。尽管传统的清洗方法如将长杆上装上线刷刷洗或钻出污物等方法在一定程度上有效但易损坏管道并且耗时、效率低。通过用化学物质在管内循环流动清除管内污物的化学清洗方法只能用来清洗没有被完全堵塞的管道而不能用于清洗已阻塞的管道。最常见的用泵将高压水压入管道中的水清洗方法对于内部结构复杂的管道难以清洗干净。为此对具有极大优越性的基于空化射流管道清洗技术的研究与开发也就越来越迫切了。


1、空化射流及其破坏机理

1.1空化射流

所谓空化射流就是人为地在水射流流束内产生许多空泡利用空泡破裂所产生的强大冲击力增强射流的作用效果。空化射流的基本原理是从喷嘴出来的射流在其内部诱使生成充满水蒸汽的空化泡适当调节喷嘴结构与冲击物体表面距离使这些空化泡有长大、压缩过程。当射流冲击到物体表面时空化泡破裂产生微射流和激波冲击在物体表面或其附近形成高压区由于空化泡破裂时产生的巨大能量集中作用在许多非常小的面积内从而在许多局部区域产生极高的应力集中造成被冲击物体表面的破坏其效果使空化射流在同样泵压和流速下优于非空化射流。

1.2空化射流的破坏机理

空化射流的破坏过程比较复杂目前还无法准确地描述其全过程及其破坏力大小只能借助某些简化模式进行研究。

1.2.1空化的机械作用理论及空化泡的破裂和微射流的形成

机械作用理论认为表面空蚀破坏是由于空泡溃灭时产生微射流和冲击波的强大冲击作用所致。目前比较简单的解释是球对称破裂方式这种破裂方式在空化射流中有2种情况。

(1)空化泡在压力梯度作用下的破裂

空化泡随射流运动时由于压力梯度的作用在射流压力高的一端空化泡变得扁平并不断向里凹进最后两壁相靠液流在与空化泡运动相反的方向上以微射流的形式穿透另一壁使之破裂。这种破裂方式仅产生在液体的流动过程中且微射流与运动方向相反破裂离被冲蚀物体表面较远所以破坏与冲蚀作用较小。

(2)空化泡在刚性固体壁表面附近的破裂

近于球形的空化泡随射流运动到刚性固体表面附近由于淹没射流在固体表面形成一层很薄的慢流所以在空化泡与刚性壁面之间存在着液流的横向流动使空化泡壁距刚性壁面近的一端(称为近壁)较远的一端(称为远壁)的液体压力低向心运动速度也较其它部分慢。在空化泡中心向固体表面移动时近壁却与固体表面的距离基本不变为保持动量守恒(不考虑液体黏性的影响)空化泡必须做加速运动远壁向内凹进靠近近壁近壁被穿透形成速度很高的微射流这种微射流的方向指向固体表面其破坏与冲蚀力很强。并非所有的微射流都对被冲击物体产生破坏常用评价能否产生破坏的标准是微射流的速度大于被冲击物体自身的门限冲蚀速度门限冲蚀速度是固体物质固有的特性它可以用一个函数式表达。

有关实验表明主要由Sf决定。微射流的动压力可以用式(2)表示。pk=rV2200g(2)式中:pk为微射流的动压力,MPa;r为介质的密度,g/cm3;V为微射流的速度,m/s;g为重力加速度,m/s2

美国学者PlessetChapran用实验测出微射流速度在1001000m/s范围内假设微射流速度为1000m/s,介质为水则由式(2)计算出微射流的动压力约为500MPa。可见在如此高的动压力下完全能够实现清除污物的效果。此外,Hammitt通过计算和实测得出游移形空泡溃灭时近壁处微射流速度可达70180m/s(有报道认为可高达6001000m/s)在物体表面产生的冲击压力可高达140170MPa(有报道可高达58200MPa)微射流直径约为23μm表面受到微射流冲击次数约为1001000/(s·cm2)冲击脉冲作用时间每次只有几μs。这些是一次微射流冲击压力的大小及速度和作用时间。当水中游移空泡不断产生、发育、溃灭时则空泡溃灭的冲击压力不断作用到物体表面这样微射流的冲击作用将像锤击一样连续打击着固体壁面且利用空化射流对物体清洗过程中短时空化射流不会对基体产生破坏。

1.2.2空化的化学腐蚀理论

许多金属在腐蚀的情况下受到疲劳破坏要比不存在化学作用时快很多。因此腐蚀在空化剥蚀中的作用不能忽视。在一定条件下腐蚀作用甚至起到主导作用。空化的力学冲击和腐蚀的联合作用使材料的破坏速度远比它们单独存在时迅速。一般来说空化的力学冲击对腐蚀起到加速作用而腐蚀的存在又使空化的力学冲击更有效。既使力学冲击强度可能低于被冲击材料的力学强度冲击作用足以使附着在材料表面的腐蚀物产生剥离。这种腐蚀性产物的力学剥除将使新鲜的材料母材直接与腐蚀剂相接触从而使腐蚀速度更快。另外空化又提供了两相介质气相中不仅含有水蒸气而且还含有助长腐蚀的自由氧这又加速了腐蚀。由于腐蚀的存在使材料表面形成了一系列腐蚀坑使空泡的力学性冲击更为集中.

2、基于空化射流的管道清洗技术

2.1空化射流管道清洗装置的构成

为了实现空化射流的高效清洗基于空化射流的管道清洗装置由长杆(喷杆)的安装、对齐及插入、控制、堵塞、脉动装置等部分构成下面分别对它们作简要介绍。

(1)长杆(喷杆)的安装、对齐及插入装置由一系列的控制油缸及导向装置组成主要用来将长杆(喷杆)对准待清洗的管道为清洗做准备。

(2)控制装置由一系列控制阀构成主要用来控制给水(或清洗液)、脉动等工作。

(3)堵塞装置主要由堵塞块组成用来临时堵住被清洗管道的另一端使泵能在管道内填入不可压缩的静态清洗液柱。堵塞块临时使管内清洗液保持一定压力以便通过调节控制装置使脉动装置能在管内清洗液体中形成驻波当压力增长到超过额定压力级时堵塞块从管道中排放出来。(但当管道被污物完全腐蚀堵住时则不需人工插入堵块装置因污物本身已充当了堵块)

(4)脉动装置由一系列阀组成能通过输送管及喷嘴向清洗液中输入压力脉动在不可压缩的清洗液中形成脉动。依靠控制阀调整脉动压力在管内清洗液驻波的压力波动过程中产生空化现象。(也可在入口侧提供两个入口管线其中一条用于输入气流并使之能进入被清洗的管道而另一条则用来向被清洗的管道中输入不可压缩的清洗液。)进而空化现象导致不同的频率振动并通过清洗液传送至污物及管道中由于决定污物与管道固有频率的结构与材料不同为此激发污物与管道以不同的频率共振从而打破了污物在管道上吸附的黏合力。当空化现象打破了污物的黏合力使污物变得更疏松而易于清除时污物很容易被清洗液清洗掉。可见该系统不通过腐蚀或刮削污物就可将管内的污物彻底清除干净。

2.2提高空化射流管道清洗法效果的措施

为了提高空化射流管道清洗装置的清洗效果可以从如下几个方面考虑。

(1)在空化射流对管道清洗时从泵到喷嘴上游的液流应尽可能为流线形液流应尽可能为层流。为了促使在喷嘴的输出侧产生边界层流应尽可能配有一个高压空气集流管与喷嘴相连以将气体脉冲施加到清洗液内这样能促使空化效应的产生同时也能提高清洗效果。

(2)在有些情况下将清洗液流中加入软磨料(如聚合体等)清洗的速度快效果好。同时还可以加入液体表面活性剂或清洗剂以提高清洗效果。固态颗粒在液体中产生声共振时在空化效应产生的振动波的影响下被剧烈地冲击压力波驱使小颗粒彼此高速碰撞。碰撞强烈可导致金属粉末在碰撞点处溶化该溶化能去除金属氧化皮涂层。此外超声波可超过100000倍地增加金属粉末的活性。从另一方面看液体是通过吸引力结合在一起的该吸引力决定了液体的表面张力。在空穴形成过程中伴着声波扩张循环产生的大负压要克服液体的张力强度而欠纯的液体具有较弱的张力强度。为此加入碳酸钙或含金属介质将促使空穴的形成。

(3)控制清洗液的温度也可以改善对污管的清洗效果。由于环境温度增加空穴的内爆过程也就越慢因此能通过冷却清洗液加强清洗效果。此外改变静压、清洗液及气体种类等空穴内爆的强度也被改变从而改善空化射流管道清洗法的清洗效果。总之在设计空化射流管道清洗装置时应根据实际情况统筹考虑各种物理因素方能达到最佳清洗效果。

3、空化射流与环形管道清洗法的比较

3.1空化射流清洗法与环形管道清洗法的比较

空化射流清洗法与通常的环形管道清洗法用管道除垢器Pig通过水的冲击波来清洗)有本质不同主要表现在以下几个方面。

(1)环形管道清洗法是基于在管内推进或冲击管道除垢器穿通管道而空化射流清洗法是通过在管内产生超声共振(Sonics)来达到清洗的目的。并且在空化射流清洗法中没有用到管道除垢器但是在管道没有被污物完全阻塞时需在管内插入一个堵塞块该塞堵块为尺寸足够的任何材质的物体只要能密封住管道的直径(如纸巾、聚乙烯板、泡沫、橡胶等)。堵塞块用于产生声波共振而不是用来推通管道。堵塞块通常是在污物之前或随着污物从管内冲出不像环形管道清洗法中的管道除垢器是沿着管道在其推动的污物之后被冲出。在环形管道清洗法中的管道除垢器是不可压缩的这样它才能推动污物。而在空化射流清洗法中的堵塞块只要能堵住管道既可以是不可压缩的也可是可压缩的。

(2)环形管道清洗法是通过在管道除垢器的一端快速增加压力来完成。而空化射流清洗法是基于将液体慢慢填充管道然后在管内相对静态的清洗液内注入高速脉动。由于环形管道清洗法需要快速升压且要求将压力限制在管道的屈服极限以下否则管道本身将被破坏。而用空化射流清洗法则没有该限制因为管道并没有承受实际压力仅产生共振。

(3)环形管道清洗法要求在管道除垢器上保持充分时间的压力以促使管道除垢器完全通过管道。而空化射流清洗法是基于快速释放脉动液体使清洗液中产生声冲击波而不需沿着管道推进任何物体。

(4)环形管道清洗法仅需要1个阀来切换液流的开关。而空化射流清洗法需要至少2个阀外加1个卸载阀用来在管内清洗液中产生共振。两方法相同之处是它们都用了一个多缸正置泵但空化射流清洗法要求其缸为奇数。

(5)环形管道清洗法主要是促使管道除垢器与污物猛烈地接触。而在空化射流清洗法中的堵塞装置不需猛烈地接触污物只是要在堵塞块上游的清洗液中产生声共振。

(6)有时在环形管道清洗法中管道除垢器与污物的猛烈接触产生的冲击可能改变污物或它与管壁的粘接物使之成为颗粒状。在空化射流清洗法中附在管壁上的污物通常是大块地被挤出与被清洗之前的形状一样。此外在环形管道清洗法中当清除管内多层沉积物时需要进行连续重复的清洗工作用管道除垢器不断扩大直径直至污物与管壁的吸附完全被打破而空化射流清洗法是打破管壁与污物的吸附力因此能移去整块的污物清洗快速、彻底。

3.2空化射流清洗法的优越性

美国学者PatriciaMcGrewGarciaBrook*****radfordSr将超声空化用于管道清洗技术HydrokineticsTM发现用超声清洗技术与传统的清洗方法相比所需清洗时间及耗水量要少很多将带来十分可观的经济及社会效益。如应用超声清洗技术清洗某聚合物生产厂的管道既可减少由于停产带来的产量损失又可减少水的使用量如表1、表2所示。从表中可见用该方法在停产过程中的聚合物产量损失是传统清洗方法的约10%,停产过程中水使用量约是传统清洗方法的2%

此外利用超声空化清洗技术清洗管道可减少由于化学清洗或其它清洗方法所带来的环境污染及对被清洗件的腐蚀。空化射流清洗法对碳氢化合物类沉淀物的清洗特别有效在该环境下有机化合物大大递降而无机化合物也能被氧化或减少。利用该方法也可清洗严重堵塞和形状复杂的管道。基于空化射流技术的管道清洗法因具有环保、节能、节水、省时、高效、低成本、无腐蚀、清洗速度快、质量高、不损坏滤芯基体、装置简单、易操作等特点必将具有广阔的开发及应用前景。

4、结束语

空化射流技术用在管道清洗方面具有极大的优越性及广阔的发展空间。但是空化被认为是20世纪未解决的科学难题之一。尽管国内外许多学者对空化水射流进行了大量研究在某些领域的应用也取得了初步成果但人们对空化水射流的认识还有待进一步深化特别是对射流中空泡的初生、长大和溃灭机理的认识仍不完善。由于空化现象的复杂性目前对空化水射流的研究仍然是以试验研究为主理论及定量的分析较少对射流中空泡运动的非线性动力学特性的研究和对空化水射流的化学反应的研究几乎还是空白为此有必要进一步深入研究空化射流找出其规律性进一步完善和发展该技术将原来有害的空化现象变为有益让其更好地为清洗乃至其它行业服务。

 

下一篇:

管壳式换热器的定期检查维护和清洗

上一篇:

干熄焦锅炉超厚水垢的清洗技术

打赏
免责声明
• 
本文仅代表作者个人观点,本站未对其内容进行核实,请读者仅做参考,如若文中涉及有违公德、触犯法律的内容,一经发现,立即删除,作者需自行承担相应责任。涉及到版权或其他问题,请及时联系我们 service@88xi.cn