长距离管道硫酸盐硬垢的机械清洗

长距离管道硫酸盐硬垢的机械清洗

以湖北宜化集团双环水采矿区管线清洗案例为基础，论述长距离管线硬垢清洗中的难点，以及公司研发的两款新型清管机器人在清洗中的实际应用。

湖北宜化集团盐矿卤水成分有其特殊性，卤水中的Ca2+离子/SO2-4根离子的含量较高。随着卤水浓度、温度和流速的波动，以硫酸钙为主的难溶于水的硫酸盐会在输送管线中析出，析出的硫酸盐晶粒附着在管道内壁不断累积成长成致密、坚硬的盐垢(硬度可以达到3)。

1、盐矿卤水管线概况

湖北宜化水采矿区盐井分布在周边旷野中，特点是井口多、分散范围广，卤水输送管线总长近一百多公里。输送管线主管道公称直径一般为DN200，DN250，DN300和DN350，支管一般为DN125和DN150，绝大部分为无缝碳钢管。矿区输送管线因常年运行且卤水中硫酸根含量高，在管道内壁逐渐形成了以硫酸钙为主要成分的硫酸盐垢。经检查部分管线结垢严重，盐垢占原管径比已达30%～60%，已经严重影响到了盐矿采区的正常开采，需要对管线进行彻底的清洗。由于管线分布的主要特点为距离长、弯头多、支管多、过马路、穿农田及架河道等等，所以现场作业难度颇大。

2、常规清洗方法

2.1化学清洗法

卤水管道结硫酸盐垢是由于卤水中钙离子与硫酸根结合形成硫酸钙结垢，而硫酸钙垢为不溶、难溶垢，化学清洗受限于众多原因(如管道长、管径大、垢层厚、垢量大、溶垢效果差、用药量大、药剂无法保持同一浓度及即使能溶解，被溶解下来的污垢因流动性差很难从管道里排出)无法实施。所以综合经济性和清洗效果而言，认为不宜采用化学清洗法(宜化之前也邀请了其他公司实施化学清洗，未果)。

2.2PIG清洗法

因管线内壁垢层厚且硬度高、凹凸不平、所剩通径形状不规则(三角形、月牙形等)以及输送管线变径多(如DN250变DN300)，造成PIG在实际运行过程中无法密封，尝试多种类型的PIG均无法前进。最终确认也不宜采用PIG清洗法。

2.3空穴清洗法

工程前期尝试过采用空穴机器人清洗。空穴机器人由主支架、前后特制簧片和水密封材料构成。针对不同厚度、硬度的垢层选取了不同规格的簧片，其对盐矿管线内盐垢的清洗应该有效。但由于盐矿管线情况复杂，如变径、支管及垢层不规则等等，容易造成机器人卡堵;有时也因为机器人弹簧片不能回弹造成透水量大而停滞。一旦发生机器人卡堵停滞现象，由于现有机器人采用的是单向通过设计，所以只能开管将其取出。这样既破坏了管线、污染了环境，也浪费了大量的人力、物力和时间。而如果机器人堵在了马路下面或河道上面，那要将其取出更是难上加难。

3、新型机械清洗方法

3.1管道往返清洗机器人

基于现有空穴机器人的工作原理，以及针对现有空穴机器人所遇到的以上难点，公司研制并开始使用新型的管道往返清洗机器人(图1)。此机器人由主体骨架、连接弹簧片和水密封材料构成，机器人外形呈椭圆形便于双向进出，当发生卡堵时可以反向压出。机器人内部设计有限位和回弹装置，可以限制机器人的压缩范围，同时也可以确保机器人弹簧片在任何时候都能及时回弹紧贴管壁。

3.2管道盾构机器人

在盐矿实际清洗过程中，公司还采用了另一种新型的管道清洗机器人———管道盾构机器人。利用空穴原理研制的机器人可以适用于大多数结了硬垢的管线，但随着管线内硬垢厚度的增加，空穴机器人的运行越来越困难，甚至完全不能前进(如通径仅剩50%的管线)。如果此时加大压力强行推进就会造成簧片断裂，一旦簧片断裂机器人将完全卡堵于管线中进退不得，而这也是施工过程中极力避免的。为了应对更厚垢层的清洗，公司研发了管道盾构机器人。整台设备由3部分组成:外层为空穴发生装置，内部为串联的涡轮支架(支架内置信号发生器)，前端为多组刀具。高压的水流驱动机器人内部的涡轮组转动，涡轮通过传动轴带动前端的刀具旋转。刀具最大外径距离管壁0.5～0.8cm，刀具旋转将盐垢切削下来，被切削下来的垢渣被通过的水流带走。而紧贴管壁约0.5cm的盐垢会被空穴装置清理干净。管道盾构机器人所需水流量较大，大量的水可以及时将垢渣带走，所以整个清洗过程硬垢不会堵塞管道。

4、新型清管机器人在实际工程中的应用

2016年10月，公司承接了湖北宜化集团双环水采矿区管线清洗项目。一期清洗4条各2km的管线，管线为DN250(主体为DN250，有多处变径及支管)无缝碳钢管(图3)。通过前期的各种测试，确定施工方案:管线残余通径大于50%的使用管道往返清洗机器人;管线残余通径仅剩40%～50%的使用管道盾构机器人。施工前业主方需作如下准备:1)将所需清洗的管线从系统中断开，无*****率水泵，水泵出口压力>1MPa，流量200m3/h;4)在末端出口设围堰收集垢渣，沉淀后的清水流入收集池。矿区工艺操作人员配合清洗方开关阀门和启停设备，当管线出现卡堵时负责开管和焊接。

公司作为施工方，在清洗工作开始前作了如下准备:1)清洗员工的现场安全培训;2)准备多个品种、各种型号的清管设备;3)调试定位接收仪和通过指示仪及其他管线检测设备;4)制定详细的清洗计划和清洗程序;5)针对清洗过程中可能发生的意外情况，制定应急预案。由于供水有时间限制，每条管线清洗工期预计为15天。施工时，现场设置围栏、拉设警戒带禁止无关人员入内。机器人放入前，开启机器人附带的跟踪仪发射机以便于施工人员实时确定机器人的位置。控制注水压力在1～2MPa，太低则机器人停滞，过高则会造成机器人损坏。密切关注出水口状况，根据出水量判断机器人是否有卡堵现象，一旦卡堵则停止清洗并反向注水将机器人推出，用清水冲洗管内垢渣后再次重新投放机器人。实际施工时机器人首次通过时前进速度较慢，发生了多次卡堵，通过反向打出排渣、开管检查，一一排除了故障。清洗过程中还遇到了一些无法预料的问题，如管线支管安装不标准插入过深阻碍机器人通过、管线中有异物(砖块、木条积成的不规则垢层)、地下管线弯头实际是三通等等，通过开管处理也都一一解决卡堵问题了。第一次完全通过后，后续多次投放均无卡堵现象，直至机器人完全顺畅通过。完工验收:业主方到现场开管从源头和末端检查，确认达到业主要求后最后一次投放机器人，快速从末端打出以验证整个管线都已完全满足要求，再将管线恢复连接至生产工艺，根据流量计读数再次验证清洗效果，完全满足要求后管线清洗验收合格。

完工总结:湖北宜化集团双环水采矿区回卤管线清洗工程使用了公司的两款新型清管机器人，4条结垢严重的回卤管线被清洗干净，投入使用后运行良好。此次施工由于采用了新型清管机器人，有效解决了由于管道变径大、垢层厚而造成的机器人停滞和卡堵现象。双向进出的外形设计避免了一旦卡堵必须开管的问题，提高了清洗质量和清洗效率。

5、结论

此两款新型清管机器人在解决长距离硬垢管线的清洗问题上具有很大应用价值。较之于传统方法，由于管道往返清洗机器人采用了双向自适应设计，更适用于距离长、多变径、多支管、垢质硬的复杂管线，可以做到免卡堵、不破管或少破管。而管道盾构机器人可以有效清洗传统方法无法清洗的大厚度的硬垢，避免了企业由于管道硬垢过厚无法清洗而报废的损失。此两款新型清管机器人为企业结垢管线清洗找到更好且行之有效的方法，为清洗行业及清洗技术增加了新的技术手段。