高壓水射流清洗技術

射流清洗是高壓水射流的主要用途之一。隨著近代工業的迅猛發展，高壓水射流清洗技術也取得了長足的發展。今天，高壓水射流技術幾乎己經應用到每個工業領域和民用設施的清洗作業中。在容器、柵板、地面等的表面沖洗、管道疏通、新管涂裝前的表面預處理、鋼坯除鱗、艦體清洗、鑄件除毛刺等清洗作業中具有很大的優勢。

1.水射流的基本概念

（1）水射流的概念

a.水射流是指以水為流動介質的高速流動的流股。

b.高壓水射流是利用加壓泵將水壓縮使壓力達到一定值（大于lOMPa）后通過規定的路徑從噴嘴中排泄出來而形成的高壓水流。

c.根據需要，射流形狀可以是圓柱形、扇形、圓錐形、三角形、矩形、扁鏟形等，也可以在射流中加入磨料提高射流的工作能力。

d.水射流是一項迅速崛起的新技術、新工藝，同時又是集泵、閥、密封、液壓、自動化控制為一體的綜合學科。

（2）水力剝離

是指附著物在高速水流的持續打擊下附著物從基體表面被分割的作用。是一種壓力等級較低的高壓水射流清洗技術。剝離材料所要求的最小壓力如表4-1所示。

表4-1剝離材料與最小工作壓力

表格P184頁

（3）基體與附著層

a.基體與附著層的類型工業領域中基體的主要類型為金屬和混凝土，而民用領域則多為石材、塑料、混凝土。附著層相對較多，一般指需要清除的污垢，基體的黏附面越粗糙，附著層黏附得越牢固。

水射流清洗作業中常見的基體與附著層的類型，見表4-2。

表4-2清洗基體與附著層類型

表格P184頁

b.附著層與基層的連接方式可分為機械黏附，特殊黏附及化學黏附。

（4）門限壓力與最佳壓力

a.門限壓力：水射流沖擊物料時，存在著一個使物料產生破壞的最小噴射壓力。當水射流壓力小于門限壓力時，物料只能產生塑性變形而幾乎不被破壞。當噴射壓力超過這個壓力時，物料將產生急劇破壞。這個使物料產生明顯破壞的水射流噴射壓力稱作門限壓力。

絕大多數物質都有一個門限壓力。不同物料有不同的門限壓力值。高壓水清洗作業中必須選擇高于門限壓力的射流才能實現物料的剝離。對一般的非金屬材料，門限壓力的臨界值在18-40MPa范圍內。而對某些金屬材料和硬質合金材料，門限壓力值在72?162MPa之間。

b.最佳壓力：當水射流的噴射壓力越過門限壓力值后，隨著壓力的增加，切割或破碎單位面積或體積所消耗的能量將下降。但繼續增加噴射壓力，當超過某一定值后，消耗的能量將會增加，這個壓力值就是最佳壓力。最佳壓力是清洗作業中最理想的工作壓力，但實際操作中很難確定實際值，只能由操作人員根據作業經驗判斷。

c.靶距：指噴嘴與基體之間的噴射距離。靶距的大小直接影響射流的打擊力。但是靶距并不是越小越好。射流在噴射過程中內部存在一個理論變化過程，按照射流的結構理論，在射流基本段，射流具有最大流速和動壓力。而在消散段射流則迅速發散霧化，并與周圍空氣混合。在清洗作業中，可以根據這一理論在基本段內找到一個最佳靶距，可以取得最理想的清洗效果。最佳靶距的經驗計算式為：（公式P185頁）

在實際工作中，利用這個經驗公式計算靶距的意義并不大，因為在清洗作業中不可能始終保持最佳靶距，而最可能的辦法是使靶距保持在100?200倍噴嘴直徑處。同時盡量使射流成180。反射角，即沿裂縫方向打擊，清洗效率最高。

2.水射流的分類

實際應用的水射流大致可以分為三種類型：連續射流、脈沖射流、空化射流。射流結構如圖4-17所示。

圖4-17射流結構圖

（1）連續射流

連續射流是最普通的射流形式，按照不同的標準，可以細分如下。

a.根據形成射流的組分形態，分為：液體射流（包括水射流和其他液體混合射流）；液體一固體射流（即磨料射流）；液體一氣體一固體射流（氣壓輸送磨料）。

b.根據射流壓力分為：低壓力射流，即工作壓力不大于10MPa的水射流，其系統主機多為離心泵或低壓往復泵；高壓力射流，即工作壓力在10~100MPa的水射流，其系統主機多為高壓往復泵；超高壓力射流，即工作壓力不小于100MPa的水射流，其系統主機多為超高壓往復泵和增壓器。

上述劃分依據中國有關標準。由于水射流作業的高壓化、大型化發展趨勢，高壓水射流的概念逐漸認同到200?250MPa；超高壓水射流的概念則已認同到工作壓力不小于250MPa，因為這是一般水切割作業壓力的下限。對此，水射流設備標準正在修訂。

連續射流又可加溫、加化學清洗劑、加長鏈聚合物以提高其性能。

c.根據射流周圍介質分為：淹沒射流，即水射流在水中或其他液體中噴射；非淹沒射流，即水射流在空氣中噴射。

d.根據射流用途大體上可分為：霧化射流（降塵、噴灌等）；造型射流（噴泉、人造瀑布、水幕等）；真空射流（水射流抽吸）；圓柱射流（消防、清洗等〉；細射流（清洗、切割等）。

（2）脈沖射流

脈沖射流是非連續射流，指間歇性的迸發射流，其能量的大小與脈沖的頻率、介質特性、每一脈沖中介質的動量、靶距、噴射角有直接關系。

（3）空化射流

當射流沖擊基體時，被壓力夾裹的氣泡急劇破裂，在基體表面形成氣蝕達到清洗切割或破碎的目的，這種射流就是空化射流。空化射流能大幅度提高射流的打擊力。

相對于連續射流，空化射流的優點如下：硬質物品所需工作壓力大幅度降低；噴嘴和其他高壓部件壽命長；切縫比連續射流要寬得多，這對表面清洗來說是一個優點；在水下相對于連續射流性能有所提高。

相對于連續射流，空化射流的缺點如下：切縫極大：流量比連續射流要大10倍左右；切割質量相對不好控制；靶距的局限性，空化射流系統在清洗與彈藥回收應用方面已有業績。

3.常用高壓水射流設備的基本構造

（1）用于清洗的高壓水設備

主要由高壓泵或增壓器、調節閥、連接管、噴射槍組成。目前國內常見的高壓泵主要為三柱塞往復增壓泵。增壓泵主要采用液壓傳遞增壓方式。調節閥既實現了壓力等級的選擇也保證了操作者和泵的安全。帶動泵或增壓器工作的動力源將采用柴油機或電機，—般情況下，車載動設備為保證良好的機動性能，常以柴油機做動力，而固定于廠房或地面的清洗設備，常選用電機驅動。

（2）輸送設備

高壓管由內塑性管、鋼或鋼絲繞層、塑腔涂層制成。高壓管具有良好的增強性，隨著壓力升高其塑性變形由內壁向外擴展，提高了高壓管的耐壓程度和疲勞極限。在射流輸送中應盡量減少接頭的使用，并盡量使用同一規格材質的合格產品，不能隨意自制和代用。

清洗作業中使用的高壓管都必須經過嚴格的耐壓試驗和爆破實驗，絕對保證使用者的人身安全，見表4-3。

表4-3液壓試驗的壓力值

噴射槍可以根據不同的用途，組合成不同的噴射方式。

a.大槍（SP1202）主要用于斷面穿透或剝離作業。

b.撓性槍（FL）清洗換熱器管程。

c.管道清洗頭（TCH）清洗管徑小于600mm的煤氣管道、排污排灰管道。

d.管道清洗頭（RWK）主要用于清洗管徑大于600mm的管道，如煉油廠大油氣管線，化工廠油氣分離導管等。

e.罐清洗頭（TWK）主要用于貯罐、容器的內壁清洗。

f.旋轉清洗頭主要用于平面清洗或換熱器殼程清洗。

g.其他附件旋轉多角度清洗噴頭。

h.附加裝置自動推進器、導向器（管道）、噴頭懸掛支架、伸縮臂等。

4.水射流清洗的應用

（1）石油化工行業

①換熱器的清洗

換熱器的清洗是清洗的主要內容之一。由于石油化工行業生產工藝中存在大量的換熱設備，主要為換熱器。

a.管程的清洗：清洗時必須先打開端蓋。根據結垢狀況，如果列管沒有堵死，而且結垢比較松軟，可以使用大槍直接清洗。讓噴嘴從每一根換熱器中沖刷數秒，以取得良好的清洗效果。

這種清洗方法是利用射流的消散段讓高速流體在管中流動時產生沖擊和負壓，從射流打擊點起剝離下來的垢料隨著高速水流在管壁上產生高速碰撞，加強了水射流的打擊力。

如果有列管堵塞現象，可先用大槍打擊斷面及管束入口段，如列管有返水現象，可以用撓性槍逐根清洗。

不管是立式換熱器還是臥式換熱器，都可以選用柔性撓性槍。而剛性撓性槍則不適用于立式換熱器的疏通上。作為通常的辦法，在清洗立式換熱器時均采用自上而下的疏通方式進行清洗。主要是從操作者的安全與方便上考慮。大家知道，用于工業清洗的水射流一般壓力在40MPa以上，這樣高的壓力對于人體來講是致命的，所以這樣的高壓本身就是一個危險因素，而只有當操作者對噴槍和所有高壓系統保持清晰的視覺，才能在發生意外時采取及時和恰當的處理措施，防止事故發生。實際上在清洗中有三個地方最易發生問題，一個是撓性槍的前端30cm范圍內，由于升壓時操作者緊張和害怕心理，常常使撓性槍頭緊靠管壁某一側，時間一長，使保護皮最先磨損和破裂。失去保護層的撓性槍管在潮濕環境中纏繞的鋼絲很快會發生銹蝕，降低抗壓強度，極易發生破裂。

另一個極易焊裂的地方是在撓性槍末端距接頭約30cm處，這是由于一般情況下換熱器長度在6~9m之間。清洗時大多采用長度為10m的撓性槍，而每次疏通到列臂盡頭時，撓性槍末端會繞成一個圓環，時大時小，這個小圓環在高壓狀態下容易造成局部鋼絲纏繞密度的變化，降低承壓能力，造成爆管。

第三個容易爆裂的部位是高壓管，清洗現場往往是立體交叉作業，高壓管極易受到損傷，如果纏繞鋼絲沒有斷裂，則高壓管的使用壽命會減少，所以應盡量防止重物碾壓或尖物刺傷。如果高壓管的纏繞鋼絲發生斷裂，應立即更換報廢。另一個造成高壓臂損毀的重要原因是管道的清洗作業中管道口對高壓管的硬擦傷。管口擦傷是高壓臂報廢的主要原因。大約有90%的高壓管因此減少了使用壽命或直接破損報廢。

對于堵塞比較嚴重的列管，一般需要用剛性噴槍進行疏通。清洗中宜選用噴槍外徑和列管內徑最接近的噴槍。選用剛性噴槍前要充分考慮作業空間，至少換熱器一側要有足夠的長度空間，否則只能用柔性噴槍選用不同的噴嘴進行疏通。

b.換熱器殼程的清洗：換熱器的管束排列一般為三角形或菱形排列，因此為了盡可能提高清洗效果，應該沿六個方向進行清洗，如圖4-18所示。手持大槍清洗殼程時，壓力選擇不宜過咼。流量越大'壓力設定應該盡可能低，流量較小的泵，應選擇較高一點的壓力。在清洗過程中，最多宜安排兩個人同時進行作業。作業中兩人應始終保持一定距離，防止反射水流擊傷。

當然，不管是管程還是殼程的清洗，如果清洗量較大，可以采用機械自動控制方式清洗，清洗速度和效果會大大提高。但是由于機械自控設備體積大，運輸不方便，造價高，而石油化工行業清洗一般要求在有限的檢修期內完成，機械自動控制清洗裝置的應用和推廣受到一定的影響。

圖4-18沿六個方向清洗換熱器管束

②工藝管道的清洗

主要是管線的內壁清洗。高壓水清洗管道有以下前提。一是管道相鄰兩個工藝口之間的距離不能太長，一般是根據柱塞泵的額定流量、清洗所設定的壓力、彎頭數量、垂直爬伸高度、管壁附著物的特征等主要因素進行綜合考慮。由于設計中沒有考慮清洗需求，清洗前必須實施置換，然后在合適的位置開工藝孔。為了使更多的污垢從管線中清洗出來，工藝孔應開在管線下部或彎頭低點，尺寸大小應視管線大小而定。形狀應開成長方形。垢的密度越大，孔徑應越大，而且相鄰兩孔之間的距離越近。對于煤氣管道、市政排污井、下水管道等則應依井的設置順次清洗，需要的話，市政井和下水井需要人工掏挖，煤氣管道則需要負壓車及時抽吸并將清洗廢料運往廢水處理。二是高壓水清洗時管道本身不能有太多的旁管和分支。管道清洗頭（TCH）是靠高壓水的反作用力帶動高壓水軟管向前推動清洗的。由于受到清洗泵流量的限制，噴頭在管壁上產生的推動力也是有限制的，這就決定了在不同的管徑中能夠向前推進的距離是一定的。根據現場得到的信息，在Φ600mm以下，80L/min的柱塞泵在清洗煤氣管道或輸油管道時，最好的結果是120m，而在清洗電廠排灰管道時，最多只能進入60m。在Φ600-800mm的管線中，噴頭前進的距離相應縮短，如果再提高壓力，作用也非常有限。所以，要取得最理想的清洗效果，建議在清洗管徑大于Φ600mm的管道時采用管道旋轉清洗噴頭。

噴頭在帶動高壓管前進的過程中，除克服自身的重力摩擦外還要克服粗糙的管道附著和管道彎頭摩擦力，從而大大縮短了噴頭前進的距離。所以在清洗中應盡量避免穿越彎頭。

為提高清洗效果和清洗程度，管道清洗最好分段進行，每段要反復進行沖洗。方法是：先高壓推進至一定深度，然后適當降低噴射壓力，并帶壓將高壓管緩慢拖回入口處。如果垢量較多，還可以換用多孔噴頭，增強向后吹掃的能力。一般情況下，前進和后退3?4次后，管道就能清洗干凈。

大于Φ600mm的管線，建議采用管道清洗頭（RWK型）徑向旋轉噴頭。方法是；釆用TCH攜帶牽引繩索穿透的相鄰工藝口，然后關閉高壓泵，拉TCH噴頭到管道入口處，換上旋轉噴頭（RWK），最好帶上支架，拴上牽引繩索，將旋轉噴頭安放在管道入口處，開動高壓泵加壓，繩索另一頭安排人稍稍用力牽引，以防噴頭被附著物阻擋，影響施工速度。牽引時必須注意，管壁附著物為類似水垢、焦炭時，牽引者應盡量使噴頭保持均勻速度，而且每次前進的速度不超過噴頭自身兩個噴嘴在管道上劃過軌跡的間距。否則在管壁上會留下環狀殘垢。

③容器的清洗

a.普通容器的表面清洗：新裝置中的緩沖罐或成品貯罐在正式投用前或設備停車檢修時對容器表面附著物的清洗，一般都采用高壓水射流清洗。清洗時主要使用三維旋轉噴頭。清洗的關鍵在于噴頭在罐內分布的合理性。如果貯罐容積小于500m3，—般按每50m3布一個點。如果噴頭的功效比較小，應適當調節噴頭距離罐壁的距離。如果清洗容積大于500m3的貯罐，一般按每25m3布一個點。每一個點的清洗時間不少于40min。

b.爆聚貯罐的清洗：由于工藝缺陷、操作失誤或其他原因，有時會出現系統爆聚現象。發生爆聚時如果處理不當，容器可能產生生產原料，給清洗帶來一定困難。

清洗爆聚罐需要超高壓設備，主要對物料實施切割。清洗主要按以下步驟進行：

a.開入孔：打開入孔蓋，用高壓槍切割物料，直至能用鋼釬挖掘。同時在其他部位切割井打通一個通風口，安裝軸流風機，保證罐內空氣暢通。

b.人工挖掘：安排人員用鋼釬將物料一塊一塊挖下來，將緊貼罐壁的物料留下5?10cm厚，防止鋼釬刮傷罐壁，罐壁一經劃傷，運行中很容易掛垢。要注意隨深度的增加，應向罐內注入空氣，接近罐底時要特別小心，防止鋼釬劃到罐底。

c.搭腳手架：在離罐壁1m左右處搭腳手架，保證清洗施工人員安全作業。

d.高壓切割：用110?180MPa的壓力將物料切成對角線小于入孔口的長條，然后從入孔吊出罐外到指定位置，高壓切割工作不復雜，但工作量較大，是整個清洗工作的重點和難點。作業過程中罐口必須有人監護。

e.壁面清掃在高度逐漸下降的同時，應將已清洗表面的殘留垢料注意清掃。

f.地面及外墻的清洗清洗地面時一般有兩種方法：大槍和地面清洗機。用大槍清洗時可以選用扇形噴嘴或徑向旋轉噴頭。用大槍清洗的好處是操作簡單、清洗速度快；缺點是清洗過的地面光澤不一致、不均勻；而地面清洗機則沒有這些缺點，清洗效果也比較好。

建筑物外墻的清洗一般選用150MPa以下的壓力，扇形噴嘴可配備熱水機，清洗效果非常好。清洗后可使建筑物恢復原有色彩和光澤。

（2）清洗壓力的選擇

針對不同的工業清洗對象，清洗機制造廠商生產了各種規格的水射流清洗設備（表4-4）。但不論其具體用途和周邊設備如何變化，所有水射流清洗系統都是高壓泵（或增壓器）以及配套的控制機構、執行機構和輔助機構等基本部件組成的。根據使用場合的不同分為移動式或固定式。在移動式裝置中，主泵及原動泵（電動機或柴油機）一般安裝在卡車或拖車上。早期的水射流清洗設備，除了應用于生活及輕工業一些易清洗污垢（如汽車、釀造廠的儲罐和發酵罐、肉食加工廠等）場合采用4?10MPa的清洗壓力外，一般用于工業清洗的設備壓力參數為30?40MPa，但在這個壓力范圍內對許多工業設備的清洗效果不佳。因此，目前工業清洗設備的壓力參數一般都設置為70?140MPa，功率等級在55?250kW。特大型清洗設備的功率可達1320kW，其壓力為70MPa，流量9600L/min。

表4-4高壓水射流漬洗工程應用

表格P190頁

不同應用場合進行有效清洗的參數選擇可參見表4-5。

5.高壓水清洗的優點

高壓水射流清洗與傳統的水射流沖洗、機械清洗以及化學方式清洗相比，具有以下優點。

①選擇適當的壓力等級，高壓水射流不會損傷被清洗的基體。

②高壓水射流清洗不會造成二次污染，清洗過后如無特殊要求，不需要進行潔凈處理。

③能清洗形狀和結構復雜的物件，能在空間狹窄或環境惡劣的場合進行清洗作業。

④高壓水射流反沖力小，易于實現機械化、自動化以及數字程控。

⑤高壓水射流清洗既用水又節水，清洗能力強，工作效率高，使用成本低。

⑥高壓水射流用途廣泛。不僅能清洗物體表面、疏通管道、進行涂裝前的表面預處理，而且能除銹除漆、清除附著海洋生物以及鋼坯除鱗、鑄件除毛刺等。

在國外，不僅在廠礦企業使用水射流清洗，而且大規模的工業清洗承包業也已發展起來。我國是世界上研究和應用高壓水射流技術較早的國家之一。20世紀80年代中期又從國外成系列引進了高壓水射流清洗技術和設備。近年來各種機型、各種應用附件相繼制造成功。

當前高壓水射流技術正在向使用更大功率和更高壓力的方向發展。機械化和自動化水平不斷提高。水的循環利用裝置和廢料回收裝置日臻完善。隨著新設備、新工藝的推廣應用，高壓水射流清洗技術行業將不斷取得新的進展。

其他利用壓力的方式

在傳統的家庭洗衣中，把衣物浸泡在洗液中，然后用棒槌敲打，甚至用腳踩，都是利用壓力清洗的例子。

在水平放置的滾筒洗衣機中，利用衣物在豎直方向上的轉動，受到重力作用而從頂部下落，造成衣物間的壓力而使衣物纖維上附著的污垢受到強壓力的作用，促進它的解離分散。

又如精密機械部件中細微孔隙內部的油性污垢要完全去除是件很困難的事。為解決此難題，有人想出一個巧妙的方法：把機械部件浸泡在裝有低沸點有機溶劑的小型高壓鍋中，壓上閥，短時間內加熱到溶劑沸點之上，然后取下壓力閥，使壓力急劇下降，經這種操作反復多次，與通常方法的清洗效果相比，這種方法效果更好。加壓時溶劑在污垢中有很強的滲透作用，而在減壓時溶劑對污垢的膨脹和分散有很大幫助。實踐證明，這種加減壓的方法對清洗許多物體都很有實效。另外不僅可利用加正壓的方法去除污垢，也可利用負壓力。比如在干燥過程中，當作為媒液的水和有機溶劑的脫除遇到困難時可釆用真空干燥法，在減壓到近于真空的條件下，干燥效果大為提高，這也是利用壓力的實例。

表4-5一般工業清洗壓力參數的選擇