高壓水射流技術在向家壩深井泵房排水管道清洗中的應用

全先成,馮 超

(北京發研工程技術有限公司,北京 100102)

隨著我國水力發電行業的不斷發展,水電站中排水管道堵塞的問題日趨嚴重.特別是在大型水電站,排水管道數量多、管道長、管道走向復雜、對管道排水能力要求高,排水管道一旦發生堵塞或部分堵塞,將對電站的施工建設、正常運行造成極大的安全隱患.由于深井泵房內的排水管道負責強排大壩建設過程中的施工用水、消力池滲水、混凝土冷卻水等,隨著時間的推移,管道內必然會沉積附著一定量的水泥漿,堵塞管道或影響排水流量.由于大多數管道較長且結構復雜,管壁沉積著混凝土、水泥漿等混合物,利用普通管道清洗施工工藝無法滿足要求,北京發研工程技術有限公司聯合美國NLB公司和日本第一鉆切工業株式會社共同改進研發了專用的高壓軟管及高壓鼠頭,后經多次專家論證,模擬試驗,成功制定出了一套切實可行的施工工藝.這里通過一個工程實例介紹高壓水射流技術在排水管道疏通清洗領域的應用.

1 工程概況

向家壩水電站是金沙江下游梯級開發中最末的一個梯級,位于云南省水富縣 (右岸)和四川省宜賓縣 (左岸).水電站正常蓄水位380 m,年平均發電量307.47億kW.h.工程計劃2008年截流,2012年首批機組發電,2015年建設完工.

大壩左岸深井泵房內的4條排水管道負責清排大壩注漿過程中的施工用水、消力池滲水、混凝土冷卻水等,由于清排的水中含有混凝土、水泥漿等混合物,長期抽排管道內壁會附著一定量的沉積物.2012年9月,臨近大壩蓄水、首批機組發電,排水管道部分阻塞,無法達到設計排水要求,給大壩蓄水造成了安全隱患.為滿足深井泵房的排水要求,給大壩蓄水、首批機組發電提供必要條件,根據現場勘查情況,確定需對左岸深井泵房內的4條排水管道中的3條 (2、3、4號管道)進行疏通清洗.每條管道長175 m,其中水平段長137 m,垂直段高38 m,期間有4個直角轉彎,鋼管內徑為250 mm.由于大壩主體已澆筑完成,本工程需要在不破壞壩體結構和排水管道的情況下完成疏通清洗施工.

2 高壓水射流技術原理

由高壓泵加壓,產生100~280 MPa的高壓水射流,射入混凝土表面.高壓水在混凝土孔隙中產生一個超壓,當其壓力超過混凝土的抗拉強度時,混凝土發生破碎.如圖1所示.

混凝土為非均質的多孔隙材料,鋼材則為均質材料.從宏觀上看,混凝土是由相互膠結的各種不同形狀、不同大小的顆粒堆聚而成,深入觀其內部結構,它是具有三相 (固相、液相和氣相)的多微孔結構.

混凝土的多微孔結構,噴出的高壓水可以擊破混凝土表面,水在混凝土內部形成超過混凝土彎拉強度的張力,破碎掉混凝土.但是鋼材是均質、固體材料,作為液體材料的水,無法突破鋼管表面,所以高壓水射流不會損傷到排水管道的鋼管內壁.

3 主要施工方法

3.1 主要工藝流程

采用高壓水射流技術破碎排水管道內沉積的混凝土雜質,清洗疏通排水管道,使大壩左岸深井泵房內排水滿足設計要求.主要工藝流程如圖2所示.

圖1 高壓水射流去除水泥混凝土原理

圖2 主要工藝流程

3.2 施工準備

設備進場后,將泵房內的相關設備轉移.由于清洗管道的泥漿會流入泵房內,施工前需做好相應的防護準備.為保證高壓水射流的破除能力,考慮施工現場泵房和高壓泵的位置,根據業主提供的資料,經多方研究,決定從左岸廠房上游的壩頂鉆37 m長的φ78 mm孔洞到泵房頂部,高壓軟管從壩頂順至深井泵房,管道從泵房開始,逐漸往里向上清洗.破碎的混凝土混合物從深井泵房內的管道口流出,繼而流回沉淀池.

3.3 連接相關操作系統

用不同型號的高壓軟管依連接自旋轉裝置、高壓鼠頭等,再將兩個高壓泵并聯后,用高保護性的高壓軟管通過左岸壩頂的φ78 mm孔與自動旋轉裝置連接,即可以開始進行施工作業,如圖3所示.

3.4 設備參數的選擇

根據相關經驗及驗證試驗統計的數據,隨著輸送壓力不斷增大,水流流速、鼠頭轉速、清洗深度也隨之增加.隨著清洗深度變化,操作人員需不斷調節設備參數 (見表1).

圖3 設備連接示意

表1 設備參數匯總

3.5 管道疏通清洗

根據管道走向及現場情況,清洗疏通工作由深井泵房一端進行,具體施工順序見圖4.

圖4 清洗管道施工順序(單位:m)

高壓鼠頭噴射出的高壓水射流,作用于作業面,破碎掉沉積的混凝土.高壓鼠頭有5個藍寶石噴嘴,其中一個在前端,主要負責破除堵塞的混凝土;其他4個在周圍向后45°方向,主要負責清除管道壁上附著的混凝土,并且給鼠頭一個向前的動力.排水管道有4個直角轉彎段,為增加鼠頭的彎道通過性,其長度不能過大.隨著高壓鼠頭的推進,高壓軟管與排水管道內壁的摩擦隨之增大,軟管自重也會隨之增大,僅靠鼠頭自身的推進力無法達到設計的清洗深度.利用軟管旋轉器使前端的軟管產生自傳,驅動器使軟管產生向前推進,從而保證了管道的清洗深度.

175 m長的排水管道共有4個直角轉彎,為減少噴頭推進過程中的阻力,選用不同型號的高壓軟管依次連接.前端選用無橡膠保護層的軟管,這種軟管采用11層高強合金網片組合而成,質量輕,外徑小,柔韌性好,有很強的彎道通過性.后面選用有橡膠保護層的軟管,這種軟管在11層高強合金網片外包裹了一層橡膠保護層,質量較輕,外徑適中,柔韌良好,有較好的彎道通過性.

3.6 渣土清運

施工過程中,需要及時清理高壓射流破除出來的混凝土或水泥碎粒.在破除的過程中,其中一部分碎渣被高壓射流噴出的水流帶出排水管,當鼠頭到達清洗深度或判斷管道內碎渣較多時,應適當減小壓力,高壓軟管在自旋轉裝置反作用下強制后移,進一步清洗管壁并把剩余的雜物帶至管外,達到徹底清洗管道的目的.反復清洗,直至滿足設計流量要求.

3.7 特殊情況處理

本工程無相關案例參考,無法保證高壓鼠頭能夠從深井泵房向里向上清洗至175 m,并疏通管道.若出現清洗長度達不到175 m,且排水管道檢測結果不滿足設計要求的情況,則在排水口一端反方向疏通清洗,直至完成整條管道的清洗工作.

管道排水口的位置正好處于泄洪閘的上口,為保證施工人員的安全,需在泄洪閘關閉的情況下再進行操作平臺的搭設,搭設的操作平臺要安全牢靠,具有足夠的剛度.施工人員在高空作業需系好安全帶.吊車司機要具有上崗證,吊環、鋼絲繩均要滿足施工安全規范要求.

高壓水射流具有很大的沖擊傷害力,能夠壓縮、剪切、撕裂肌體,30 MPa左右的水射流可以擊穿人體.因此,在使用高壓水射流進行管道清洗時,作業區封閉施工,嚴禁其他人員進入,清洗系統配備2組操作人員同時作業,并佩戴專用防護用具,一組作業,一組觀察,一旦出現緊急情況,立即卸壓并采取其他保護措施.

4 結 語

通過對清洗后的排水管道進行排水檢測,表明清洗效果良好,管道內堵塞的混凝 土混合物和管道內壁附著的沉積物等均能夠被清除干凈.通過向家壩工程深井泵房排水管道清洗進一步說明,高壓水射流清洗技術能夠較好地滿足長管道、彎曲管道等復雜結構管道疏通清洗要求.高壓水射流清洗工藝采用水介質,清洗后的水和結垢經處理后可以回收利用,降低了環境污染,將在今后的復雜管道清洗中可廣泛推廣和應用.

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