高壓清洗機工作原理分析及改進

陳文光 藍建強

（廈門航標處，福建 廈門361012）

0 引言

噴砂是噴砂機利用高速砂流的沖擊作用清理和粗化基體表面的過程，噴砂機的噴砂除銹用途最廣，常用的噴砂除銹有干法噴砂、濕法噴砂、無塵噴砂和高壓水噴砂等。噴砂機一般分為干噴砂機和液體噴砂機2大類，液體噴砂機相對于干式噴砂機來說，最大的特點就是很好地控制了噴砂加工過程中的粉塵污染，改善了噴砂操作的工作環境，減少了對大氣的污染。高壓清洗機的噴砂屬于液體噴砂機一種重要的功能，是利用設備產生的高壓水射流進行噴砂。高壓水噴砂主要用于大面積除銹，如海工裝備、船體、油艙、油罐、鍋爐、鋼結構等，水中常摻加鈍化劑和肥皂水，以達到良好的除銹效果。高壓水流是通過高壓泵內柱塞壓縮水而令水產生巨大的壓力，高壓水經高壓管輸送到噴槍（噴嘴）末端而形成高壓射流。目前，高壓清洗機產生的高壓水壓力可達到150MPa以上，高壓泵在壓縮水過程中產生高壓水時泵頭也承受著巨大的沖擊力，當吸入混合空氣的水介質時，空氣在泵頭內壓縮會發生爆炸，導致泵頭出現裂紋漏水，無法建立設定的高壓水流。本文針對WP－6030高壓清洗機高壓泵頭產生的裂紋進行技術分析，進而提出對水介質方面的改造建議，以避免裂紋故障的再次發生。

1 設備介紹

WP－6030高壓清洗機的組成：（1）電動機：高壓水泵、油壓泵的動力來源；（2）高壓泵：供給一定的水壓和水量，供予清洗、噴砂工作；（3）溢流閥：保證壓縮水壓力不會過分增大，在壓力未能釋放時及時卸壓，對高壓泵實施保護；（4）安全閥：用來保護本機，使壓力不超過額定壓力；（5）水箱：提供壓縮水介質；（6）電氣控制系統：設備的啟?？刂坪捅Ｗo；（7）噴槍和高壓管路：附屬設備。

主要技術參數：（1）水流量≤1800L／h；（2）最高壓力≤60MPa；（3）電機：37kW／1450r／min。

2 設備工作原理

電動機輸送動力驅動高壓泵轉動，水箱的水經過高壓泵內柱塞上下運動壓縮令水產生巨大的壓力，通過高壓管將高壓水流輸送到噴槍（噴嘴）末端而形成高壓射流，供水清洗或者水噴砂。

在噴槍關閉時，壓力增加，溢流閥（壓力調節閥）打開，水回流至水箱，高壓泵仍繼續工作，在打開噴槍開關時，噴槍仍然能夠噴出高壓水流，如圖1所示。在電動機轉速提高或其他外部因素導致壓力增加時，溢流閥同時也能對超壓進行卸壓，保證本機能在設定的壓力下正常工作。

高壓水清洗工作原理：設備產生高壓水流，利用不同噴嘴產生不同物理沖擊，在被清洗物件上清洗出黏附件，如油污、浮鐵銹、污跡，迅速清洗出來而不損壞原被清洗物件的表面。

圖1 高壓泵的工作原理圖

高壓水噴砂工作原理：主要是利用高壓水流產生的真空，采用虹吸式原理將河砂、鐵砂等物料介質吸進噴頭混砂器后和高壓水流混合高速噴出，其以高壓水流帶動以水為動力、以砂為磨料對物體表面進行處理。高壓泵產生的高壓低流速的水通過高壓噴嘴轉化成低壓高流速的射流，當高壓水射流的沖擊力大于污垢與物體表面的附著力時，就會將污垢剝離、沖走，以達到清洗物體表面的目的（圖2）。

圖2 高壓水噴砂原理圖

3 設備的用途和使用條件

用途：WP－6030高壓清洗機在筆者單位主要是利用水噴砂的工作原理，用于清除鋼結構浮標圓筒體、浮標支架表面的銹跡、舊油漆、海蠣殼、青苔等黏著臟物，以達到浮標的保養要求。高壓清洗機水噴砂工效高，磨料耗費少，能達到工件外表的光潔度又不破壞工件外表強度，磨液磨料選用自來水和天然砂可循環作業，所以作業時不會產生大量粉塵，不排放有毒廢水，不會對環境造成污染，設備使用簡便，不需獨自的作業間。

使用條件：（1）水源：經過濾的自來水源，進水壓力0.3～0.5MPa，供水管直徑 DN40；（2）電源：三相電380V／150A，4×25m2三相四線電纜；（3）存放：設備需放置室內，有效遮擋太陽和雨水，保持通風，便于有效散熱，安裝地面需平整結實。主機放置需留有一定空間和充足照明，以便維修保養；（4）砂：必須為經過篩濾的河砂或者鐵砂；（5）周圍環境：在露天作業時，噴槍應遠離設備存放地點，以免產生的污物和粉塵漂浮進入設備；在封閉式廠作業間內作業時，引流的高壓管外表應有合適的保護，作業間結構必須牢固，并有囤積廢砂的空間。

4 高壓泵頭裂紋故障分析

裂紋位置在第二缸外側，裂紋呈一直線，長約5cm，工作時裂紋處往外噴水。泵頭裂紋產生的原因：（1）由于泵頭的進水有混合空氣，空氣在泵頭內壓縮發生爆炸，產生巨大沖擊力導致了裂紋的出現。水混合空氣的原因：1）高位供給水箱臟堵或者高壓泵前的進水管路過濾器堵塞，因為供水量不足而導致真空后水混合空氣進入柱塞工作腔；2）水箱到高壓泵的管路通過水量發生變化，供水不足而導致真空后水混合空氣進入柱塞工作腔；3）供給端關閉時，高壓輸送管道沒有自由排空，泵里面的空氣無法排出，導致泵無法建立自吸；4）進口管道氣密性差，導致泵頭吸水時混入空氣；5）高壓泵供給壓力偏高（＞60MPa），安全閥無法開啟保護；6）壓力調節閥（溢流閥）失靈；7）水介質溫度過高。（2）空氣和水在泵吸水時被混合吸入會產生氣泡，由于泵頭壓縮的真空作用產生的氣泡會附著于泵的內表面，造成陶瓷柱塞產生小塊的剝落，嚴重影響高壓泵的使用效率和構件壽命；當水介質溫度過高時，同樣會產生氣泡，在低壓情況下水的沸點低于正常的海平面沸點100℃。

5 避免裂紋產生的對策

5.1 管理措施

（1）嚴格按照設備使用說明書進行正確使用。（2）管路的氣密性必須完好。（3）水源必須清潔，濾器保證暢通無阻。

5.2 改進措施

針對以上分析，設備需進行適當的技術改進，此方案旨在保證有穩定壓力和一定水量的進水提供給高壓泵進行工作，以消除進水混合空氣進入工作腔，避免在壓縮過程中發生爆炸產生巨大的沖擊力。工作原理如圖3所示，具體方案如下：（1）保證穩定和足夠的進水量：從水箱到泵頭吸口的管路管徑由DN40改為DN50；（2）穩定進水壓力：在進水管路上加裝1臺增壓泵2，進水壓力調整到0.5～0.6MPa；（3）加裝1個0～1MPa的壓力表5，以顯示高壓泵的進水壓力；（4）加裝1個壓力感應保護器6，對管路中的水壓進行監測，以控制高壓泵電動機的啟停；（5）電氣控制系統改裝：機器電源按鈕直接連接增壓泵，壓力感應保護器的輔助接頭連接設備的電動機。

圖3 改造后設備原理圖

改進后設備的工作原理：按下設備的啟停按鈕，增壓泵啟動，進水壓力升高到0.5～0.6MPa，壓力感應保護器感應壓力達到，電機啟動帶動高壓泵正常工作。當進水管路壓力低于0.5MPa，電機自動停止工作。

6 結語

正確配置有效的控制保護裝置是保證設備正常運行及設備使用壽命的重要環節，也是設備運行的特定要求元素。因此，設備生產商應在設計時整體考慮設備的運行要求，嚴格按照高壓泵頭工作所需的條件合理配置控制保護元素，以滿足運行要求。改進后的設備運行工況良好，供給末端的水壓力穩定。