空化射流在管道清洗中的应用

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Plesset和Chapran用实验测出微射流速度在100～1000m/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70～180m/s(有报道认为可高达600～1000m/s)，在物体表面产生的冲击压力可高达140～170MPa(有报道可高达58200MPa)，微射流直径约为2～3μm，表面受到微射流冲击次数约为100～1000次/(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PatriciaMcGrewGarcia及Brook*****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。