手持式換熱器高壓水射流清洗裝置的設計與應用

潘世超 劉湘晨 蔡曉君 吳同鋒 王麗萍

(北京石油化工學院機械工程學院)

手持式換熱器高壓水射流清洗裝置的設計與應用

潘世超*劉湘晨 蔡曉君 吳同鋒 王麗萍

(北京石油化工學院機械工程學院)

介紹了手持式換熱器高壓水射流清洗裝置的組成、結構和清洗流程。某大型石化企業換熱器清洗作業的實際應用結果表明：該裝置提高了清洗效率和整體自動化程度，減少了環境污染、勞動強度與企業成本。

清洗裝置 換熱器管程 高壓水射流 污垢清洗

目前，石化行業中的換熱器清洗主要以化學在線清洗和人工手持高壓水噴槍沖刷為主。化學清洗時，一般先通過試驗確定選用的清洗液是否會對設備金屬材料造成腐蝕，然后再通過現場架設臨時循環裝置，使清洗液在設備內循環流動，洗去污垢，這種方式存在環保方面的弊端，且清洗后的溶液處理是企業的難題之一，而且當污垢與容器材料的化學成分相近時，處理不當容易造成容器腐蝕[1]；手工清洗時，作業人員需要與清洗水槍直接接觸，容易發生意外事故；部分清洗過程只能使用后噴嘴，靠水流推動軟槍前進，清洗流量較小，效率較低；后噴嘴清洗方式使管束的前后端無法清洗，這是因為噴嘴需要伸進換熱器管內一段距離后才能加壓，清洗開始階段無法達到壓力要求，且抽管需要腳閥泄壓，清洗速度不均勻，清洗后管內表面不光滑，容易再次附著污染物，清洗周期較短；手工清洗必須頻繁更換清洗工作人員，清洗速度較慢，因此，清洗大管束換熱器時效率低下[2]。綜上，無論是化學清洗還是手工清洗都存在清洗成本高、效率低和易造成環境污染的問題，遠不能滿足現代社會日益增長的工業和民用清洗要求。

采用高壓水射流清洗機的高壓水射流自動清洗技術，是近年來發展最快的一種新型高壓清洗技術，其原理是利用高壓水發生裝置產生的高壓水，通過噴嘴借助巨大的壓力將高壓水轉變為能量高度聚集的水射流，通過自動清洗裝置，利用高壓水射流的強大沖擊力沖擊結垢物，把結垢物剝離、清除，從而達到清洗的目的。基于此，筆者研制了一種手持式換熱器高壓水射流清洗裝置，并將它應用于某大型石化企業的換熱器清洗作業中，以提高清洗效率、自動化程度，減少污染。

1 裝置組成與結構特點

手持式換熱器高壓水射流清洗裝置(圖1)由外殼結構、驅動部分、傳動結構及支撐部分等組成。其中，外殼結構主要由支撐底座、整體外殼(大)、整體外殼(小)、前水管支管及后水管支管等組成；驅動部分主要包括氣動馬達；傳動結構主要由傳動軸、鏈輪及摩擦橡膠套等組成；支撐部分主要由側板、軸承、傳動軸及螺栓等組成。

圖1 手持式換熱器高壓水射流清洗裝置的結構示意圖

手持式換熱器高壓水射流清洗裝置的結構特點如下：

a. 裝置底板采用開孔設計，側板和頂板采用全封閉設計，既可以防止高壓水進入裝置內部，又可以通過底板滲水孔對裝置內部意外進入的水進行外滲，從而延長裝置的使用壽命；滲水孔還可以在一定程度上減少裝置的整體重量。

b. 驅動馬達采用氣動馬達，具有很好的防水防爆效果；馬達工作時正反雙向驅動，可實現高壓清洗水管的前進和后退運動。

c. 外殼后側板的通孔上設有后水管支管，其上方設有跟驅動裝置控制端進行電氣連接的感應控制開關，同時高壓水管上裝有配套感應卡環，通過撞擊感應，實現水管的反向運動，從而控制水管的最大前進長度，保證清洗效率，防止水資源的浪費。

d. 頂板設有手持把手和肩帶緊固扣，清洗作業人員可通過肩背實現手持作業，降低了手持勞動力和勞動成本，提高了工作效率。

e. 裝置還設有豎直方向的驅動組件調節機構，該機構由設在兩個支撐板外側的調節螺栓構成，調節螺栓通過兩個支撐板上的通孔伸入到兩個支撐板之間，調節螺栓中間有調節彈簧輔助，可實現兩個側板的松緊控制，從而使摩擦橡膠套與高壓水管能夠緊湊的卡接在一起，使摩擦力滿足高壓水管前進的要求。

f. 裝置采用鏈輪鏈條傳動，鏈條配有特制的摩擦橡膠套，通過這種傳動方式，使整個裝置傳動效率較高，可靠性較好，保證了工作效率。

2 裝置清洗流程

手持式換熱器高壓水射流清洗裝置的清洗流程框圖如圖2所示。

圖2 手持式換熱器高壓水射流清洗 裝置的清洗流程框圖

手持式換熱器高壓水射流清洗裝置在氣動馬達的作用下帶動鏈輪轉動，通過鏈輪鏈條傳動機構，將動力傳遞到鏈條上。由于鏈條是固定有摩擦橡膠套的特質鏈條，因此，鏈條的運動通過摩擦橡膠套對高壓水管的磨擦作用，帶動高壓水管實現前進和后退運動，從而使高壓噴嘴在換熱器管程內平行于換熱器管的中心線水平前后運動。高壓柱塞泵產生高壓水，然后通過高壓水管和特殊設計的噴嘴產生高壓水射流，雙中心線(高壓水管和換熱器管的中心線)盡量重合后打開清洗裝置正轉開關，高壓清洗水管前進，利用水射流強大的沖擊力直接剝離和沖刷換熱器管程內壁的結垢物。換熱器與末端傳感接觸，完成換熱器管程的清洗作業后，電機反轉，水管后退，換管，循環清洗下一支換熱器管[3]。

本清洗裝置采用的是鏈條鏈輪傳動方式，傳動精度高，傳遞功率大，傳動效率高，可實現高效的換熱器清洗工作。同時，該裝置通過采取人工手持和人工控制雙向開關的方法，實現裝置的半自動清洗工作。

3 應用效果

3.1技術參數

手持式換熱器高壓水射流清洗裝置的供水高壓泵壓力為50～70MPa，可產生流速大于200m/s的噴射水柱，待清洗的換熱器管長度為6m，公稱直徑25mm，清洗前進速度為0.5m/s，后退速度為1.0m/s，電機功率為50kW。

3.2結果分析

選用人工手持高壓水射流水管對高壓水射流換熱器污垢進行清洗，以每天清洗300根換熱器管計算，需要5名工作人員，清洗有效工作時間6h，每天耗電6×80kW·h，人工費每人每天200元，電費1元/(kW·h)，清洗裝置投資費用100萬元，拆舊維修費用10萬元，運行成本80萬元，年總成本190萬元，清洗成本每根4.93元。

選用手持式換熱器高壓水射流清洗裝置對換熱器污垢進行清洗，以每天清洗300根換熱器管計算，需要兩名工作人員，清洗有效工作時間7h，每天耗電7×120kW·h，人工費每人每天100元，電費1元/(kW·h)，清洗裝置投資費用105萬元，拆舊維修費用12萬元，運行成本60萬元，年總成本177萬元，清洗成本每根3.47元。

由于化學清洗對換熱器清洗會造成一定的污染，不適合企業環保發展的趨勢，因此，在此不進行比較。

通過上述計算對比可以發現，采用手持式換熱器高壓水射流清洗裝置清洗換熱器管程可以節省勞動力，提高勞動效率，降低勞動成本，每年節約成本13萬元，單根管程清洗費用降低1.46元。同時，換熱器管所結污垢可以很好地被清除，清除率高達99%；能夠實現安全性高、自動化程度高、無污染的高效率清洗作業[4]。

4 結束語

筆者在廣泛調研和試驗的基礎上，吸收國內外高壓水射流清洗換熱器管程的經驗，在我國對環境保護要求愈發嚴格的大前提下，參考各類文獻資料，設計了一種手持式換熱器高壓水射流清洗裝置，該裝置具有操作簡單、清洗效率高、安全環保無污染及自動化程度高等優點。該裝置已成功應用于某大型石化企業的換熱器清洗作業中，并且能夠滿足換熱器清洗作業時性能指標的要求。實踐證明，筆者設計的手持式換熱器高壓水射流清洗裝置在實際應用中是完全可行的。

[1] 劉庭成,范曉紅.高壓水射流清洗設備的應用[J].中國設備工程,2013,(2):8～10.

[2] 張建平,何海星,申強.自動化鉆桿內外壁清洗機的設計與應用[J].石油機械,2013,41(8):32～35.

[3] 任振聲,張鈺,鄭金艷.高壓水射流全自動油管清洗裝置[J].石油化工設備,2011,40(2):81～83.

[4] 陳玉凡.高壓水射流清洗技術現狀及發展前景[J].中國設備工程,2013,(2):6～8.

*潘世超，男，1989年7月生，碩士研究生。北京市，102617。

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