工业清洗应用 |
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工业清洗应用 12.1工业清洗方法
在 工业生产领域，尽管同各种工业设备接触的介质有所不同，但在不同温度、压力、介质之间的物理化学作用下，常常会在设备中产生高温聚合物、结焦、水垢、油垢、沉积物、腐蚀物等。这些污垢的产生显著影响到设备运行的效益和安全，使装置效率下降、能耗物耗增加、工艺流程中断、设备装置失效、恶性事故发生。尽管 通过水质处理、添加化学剂、采用合理的工艺参数等措施可在一定程度上改善这些状况，但要完全避免污垢的产生是不可能的。因此，采用正确的方法进行清洗就成为工业生产中的一个不可缺少的环节。
工业清洗的主要作用是:
(1)恢复生产。在生产过程中，有时会因为突发性情况或操作不当造成设备的堵塞；或有些装置的生产是间断性的，需要定期进行清洗。这时候，清洗的主要作用是恢复生产。
(2)恢复装置的生产效率。几乎所有的工业装置在正常情况下都会随着开工时间的延长而使流程中的污垢逐渐增加。尽管这时候生产还可以维持，但能耗物耗增加、生产效率下降。这时候清洗的主要作用是恢复装置的生产效率。
工业清洗的效益是非常显著的，无论是由于提高清洗质量而延长设备使用寿命，还是因清洗速度加快而缩短设备检修周期，都将获得巨大的经济效益和社会效益。
工业清洗的主要方法有:
(1)人工清洗。指依靠人工采用简单的工具对工业设备进行清洗。如采用钢钎、手电钻等清理换热器的管程；用机械式清管器清理锅炉管路；用锯片、刮铲等清理换热器壳程；用小铲、钢丝刷等清理塔盘、容器、反应釜内外壁等。
采用人工清洗的弊端是显而易见的。其清洗质量差、速度慢，需要占用大量的人力，特别在企业大检修期间，同时有大量的设备需要清洗，这时候往往要组织“突击队”进行长时间、高劳动强度、恶劣工作环境下的清洗工作。而对一些有毒、有害环境下的清洗工作，人工往往难以承担。
(2)化 学清洗。化学清洗的历史也比较悠久了，对于工业管路、设备、系统、人们早就采用一些化学药剂加上相应的温度、压力环境来用化学反应和水力冲刷或单纯化学浸泡的方法来清除工业污垢。常用的办法有酸洗、碱洗等。近几年来，针对酸洗、碱洗存在的对设备的腐蚀影响，还相应开发出了一些低腐蚀性的化学清洗剂。
化学清洗相对人工清洗来说简便、易行，无疑是在工业清洗技术方面前进了一步，使得快速、高效地进行大规模工业清洗成为可能。但是，化学清洗也有它的不足:一 是由于在化学清洗过程中，许多不同类型的化学清洗剂对工业设备的金属材料都有一定的腐蚀作用，在一定程度上使设备的使用寿命受到影响；另外一个影响化学清洗应用的原因是化学清洗废液的处理和排放，大多数化学清洗液都是难以再次回收利用的。此外，为降低对设备的腐蚀，化学清洗后的设备还经常需要用另外的化学 药剂(如缓蚀剂和中和剂等)进行处理，以及用大量的清水进行反复冲洗，才能使设备达到使用要求，这就大大增加了废液的处理量和排放量，相应地增加了清洗成本并受到环保法规的制约。由于世界各国对环境保护日益重视，也使化学清洗的发展受到了一定的限制。 因此，在许多情况下都采用机械、物理清洗方法。例如，在美国石油化工企业的换热设备清洗中，除了百分之十不需要清洗外，采用高压水射流清洗的占百分之八十，而采用化学清洗的只占百分之十【1】。因此，化学清洗主要用于其它清洗方法难以奏效的设备和系统清洗中。
(3)气体喷砂。气体喷砂除应用于设备制造业作为金属材料的表面处理外，也用于工业设备表面的除垢作业，可快速清除设备表面的积垢、锈斑等。但由于噪声、粉尘影响作业人员的健康，喷砂材料(铜矿渣)成本较高，废渣的处理亦存在问题，限制了它的应用场合。美国环境大气质量标准(The National AmbientAir Quality Standards)及OSHA条例已禁止许多工种的喷砂作业。
(4)超声波清洗。超声波清洗也是近年发展起来的一项工业清洗技术，并得到推广应用。超声波清洗的主要应用范围为小型物件的清洗，而难于应用到大型设备的清洗上。
(5)高压水射流清洗。高压水射流的主要用途之一即是进行工业清洗，其实质就是由高压泵(或增压器)产生的高压水流经喷头喷射出一束或多束不同方向的高速水流，对清洗对象进行冲蚀、剥层、切除、打击以达到清洗目的。广泛应用于船舶、电力水利、民航、核电、轻工、建筑、石油、化工等各工业部门。
水 射流应用之所以如此广泛，主要是由于其通用性和快速、高质量的作业能力，而且由于采用清水作清洗介质，一般不添加化学药剂，可对废水进行简单处理、过滤后循环使用，大大减少了废水的排放量和降低了清洗成本，减轻了对环境的危害。另外，同一套清洗装置可对各种不同的设备、不同的材料表面进行清洗.可 完成从表面除垢到管道内壁清洗等许多工作，通用性很强。现在，不仅国内外许多企业拥有水射流清洗设备和作业人员，而且大规模的专业化工业清洗承包业也发展起来了，这更加促进了清洗设备向更大功率、更高压力、更完善的成套功能方向发展，使作业效率和操作者的安全性均得到大幅度提高。同化学清洗相比，在清洗单 台设备和大面积清洗方面水射流清洗占有一定的优势，但对于成套工业装置和复杂管路系统的清洗则化学清洗较为适宜。随着清洗技术和设备的不断完善和推广应用，水射流的应用也在不断地推向深入。
12.2有效清洗的参数控制
1.工业清洗压力的选择 针对不同的工业清洗对象，清洗机制造厂商生产了各种规格的水射流清洗设备。但不论其具体用途和周边设备如何变化，所有水射流清洗系统都是高压泵(或增压器)以及配套的控制机构、执行机构和辅助机构等基本部件组成的。根据使用场合的不同分为移动式或固定式。在移动式装置中，主泵及原动机(电动机或柴油机)一般安装在卡车或拖车上。早期的水射流清洗设备，除了应用于生活及轻工业一些易清洗污垢(如汽车、酿造厂的储罐和发酵罐、肉食加工厂等)场合采用4～10MPa的清洗压力外，一般用于工业清洗的设备压力参数为30～40MPa，但在这个压力范围内对许多工业设备的清洗效果不佳。因此，目前工业清洗设备的压力参数一般都设置为70～140MPa，功率等级在55～250kW。特大型清洗设备的功率可达1320kW，其压力为70MPa，流量9600L/min。
不同应用场合进行有效清洗的参数选择可参见表12-1。
2.超高压水射流进行工业清洗的优势 随着超高压技术的迅速发展，采用280MPa增压器组成超高压清洗系统也得到了广泛应用。此类系统的流量一般在4～10L/min，流量较小。在很小的反冲力下，形成穿透力很强的水射流，用于清除一些难以清除，的污垢(如环氧树脂等)效果较好。并且，加入磨料后具有一定的切割能力，可用于切割管线、水泥柱、钢筋混凝土等。
使用超高压水射流设备进行工业清洗的好处有:对 于许多工业污垢来说，除垢效率随着压力的升高而增加，即单位功率所清洗的工作表面积随着压力的升高而增加；在较高的工作压力下，相同功率的水射流流量减少，这不仅降低了操作者所承受的反冲力，使其不易疲劳，增加了安全性，而且还减少了耗水量和需处理的废液量。换言之，在相同的反冲作用力下，人们可以得到 更多的射流功率用于清洗【2】。
图12-1为固定射流功率时，不同压力下反冲力和流量的变化情况。
图12-2为固定反冲力时，不同压力下射流功率和流量的变化情况。
3.超高压水射流对除垢速度和效率的影响 通过试验得知，水射流的除垢速度在很大程度上依赖于水射流速度。水射流速度和喷嘴压力的关系如图12-3所示【3】。
水射流压力对除垢效果的影响可以由不同的方式得到。美国FLOW公司在试验室试验时经常使用金属合金来测量喷嘴的效率，因为除去合金的能力通常与喷嘴在实际除垢中的表现有关。图12-4即为采用0.3mm直径的喷嘴除去青铜合金靶材的试验结果。在这项试验中，采用280MPa的压力比采用140MPa压力时的切除效果增强了150%。这一效果的增加不是由于在280MPa时有较高的功率输出，而是单位功率除去靶材的质量增加了。不同的靶材和喷嘴会有不同的结果，但总的趋势是类似的。
图12-5表明了另外一个由于压力增高而使除垢效率增加的例子。这项试验表明了压力和靶距相结合的影响。用一扇形喷嘴在280MPa压力下，以12.7mm的靶距取得了4.25g/kWh的高除垢效率，而在140MPa压力下所取得的最好除垢效率仅为1.5g/kWh。在这种情况下，使用280MPa的压力，除垢效率的增加超过180%。
水射流清洗过程是与靶材特性、喷嘴设计、操作方法等密切相关的，因此根据试验结果对实际现场除垢特性进行预测是有局限性的。但是较高的压力可以使除垢效率得到显著提高，这对那些难以清除的工业污垢特别是如此。除垢效率的进一步提高可通过适当的选择和使用喷嘴和操作工况(如喷头的转速和靶距)来得到。
12.3管束的清洗
在工业领域中，各个行业都要用到大量的保温、冷却、换热设备，特别在石油化工行业此类设备往往占所需清洗设备的一个很大比例。根据具体用途的不同，换热器的结构型式、外形尺寸各异，但量大面广的有列管式、U形管式、浮头式等。这类换热器材的共性在于分为管程和壳程两个不同的工作区间，不同工作区间的介质(可能相同也可能不同)在 流动过程中通过与管道内外壁的接触达到传热的目的。这样，在其工作时的温度、压力、介质的物理与化学作用下，往往在换热器管道内外壁附着产生污垢，使设备的传热系数降低、物料流通面积变小，增大设备运行时的能耗与物耗，严重时使设备不能正常工作。因此，在平时正常运行期间和检修期间都需经常对其污垢进行清 洗，以恢复设备性能，达到生产工艺的要求。
管壳式换热器材的清洗分为管程和壳程两部分，分别予以讨论。
12.3.1换热器管程的清洗
通常用高压水射流清洗管程的污垢，所采用的方法有:
1.人工手持刚性喷杆作业 用一外径小于换热器管内径的刚性管(一般控制单边间隙在2mm左右)连接于软管上，另一端连接相应的固定喷头或旋转喷头(或采用液压、气动方式使喷杆本身旋转)，由人工递进管道内进行清洗，脚踏控制阀用来控制高压水的开启与关闭，对于清洗换热器为直管的列管式换热器材很有效，见图12-6。这种方法简便易行，但由于刚性喷杆的进给作业需要一定的距离和空间，因此对较长的换热器需多人手持喷杆协同作业，劳动强度较大。在清洗在线设备时，一般需要搭设脚手架进行作业。
2.人工手持柔性软管作业 有些换热器的管道不是直管，而是有一定曲率半径的弯管，如U形管换热器、立式锅炉水管等，采用刚性喷杆作业就难以适应，此时可采用柔性软管作业。柔性软管的种类有金属制造的小直径柔性管和外包敷有橡胶或塑料的多层钢 丝缠绕软管。为了保证安全，软管的一端应连接适当长度的一段硬管后再与喷头相连，硬管的长度应保证在清洗时软管在管道内不会突然反向冲出管道而使作业人员受到伤害。
用软管清洗管道内壁时，同样由操作人员通过脚踏控制阀来控制高压水的开启和关闭。此时所采用的喷头可为力平衡型 (即多眼喷头的前后向喷射射流反冲力相互平衡)，由人工递进进行清洗；也可采用具有自进性能的喷头(依靠喷头向后喷射时所产生的反冲力推动喷头沿管道前进)进行清洗。但为了安全不宜采用前向喷头，并应采用喷头护套以避免由于射流反冲力使喷头突然由管路内退出伤人。采用柔性软管人工作业的情形可见图12-7。
上述两种作业方法的优点是简便易行，适应性广，特别是可使换热器进行在线清洗，适应运行中设备抢修的需要；缺点是劳动强度大，作业效率较低。
3.机械化清洗作业 由于清洗工作环境一般比较恶劣，随着射流清洗压力和流量的提高，使得人工操作越来越困难。近几年来射流技术的进步，特别是旋转密封技术的进步，清洗作业的机械化就开始普及应用。图12-8即 为用于清洗换热器管程的专用设备。其工作原理为被清洗的管束在液压驱动的滚轴组上和清洗设备台架上的钻枪成一直线，在台架上可同时安装单根或多根刚性喷杆，喷嘴安装在喷杆的前端，喷杆在液压装置的驱动下进行旋转，并通过液压驱动直接伸入管内，在管内进行旋转并喷射高压水射流。在喷杆支架下安装有一升降平 台，以使钻枪能够进入每根管内，确保每根管子均得到彻底清洗。这样的清洗装置需要建立大功率的清洗站。
柔性喷杆的机械化清洗装置除了相应的工作台架具有垂直和水平进给以保证连接于柔性软管上的喷头能通过导向段与所需清洗的管道对中外，还采用一相应直径的绞盘(须保证高压软管的允许弯曲半径)执行回卷和进给软管的功能。此时应选用自进喷头进行清洗作业。图12-9所 示为一种手工操作柔性软管清洗管程的设备。作业时人工手持喷枪对准所需清洗的管道，打开扳机，在气动装置驱动下转盘放出并进给软管，加之喷头的射流反冲力使之沿管束前进；回程时由气动装置驱动转盘转动收回软管，以便清洗下一根管程。这一装置的特点是可快速清洗大量的小直径管束，较好地解决了小直径软管的动 力进给问题。
采 用机械化清洗装置进行作业，不论是单喷杆装置还是多喷杆系统，一般都具有比较完善的自动化控制系统。除了简化操作程序、降低作业人员的劳动强度、加强工作现场的安全性外，由于喷杆、喷头由机械装置牢固地支撑递进，消除了人工操作时反冲力大对操作人员的限制，所以可直接使用大功率机组进行清洗作业，同时也避 免了反溅水及污垢残渣对作业人员的不利影响，大大提高了清洗作业的效率和质量。随着清洗作业的专业化，具有多功能的、自动化程度较高的机械化清洗场将越来越受到重视。其不便之处是必须将换热器从生产线上拆卸下来集中清洗，但作业效率的提高完全可以补偿所造成的不便，特别适合大检修时的大批量清洗。
12.3.2换热器壳程的清洗
同 换热器管程的清洗相比，彻底地清洗换热器壳程的难度则相对大一些。因为一般工业用管壳式换热器列管数目庞大，管子之间相隔距离较小，此外在管束上还布置有若干导流板，使得一般的喷枪及清洗喷头难以接近内层管壁进行清洗。对壳程的清洗和对管程的清洗一样，正由初期的人工清洗逐渐转变到机械化清洗方面来。
通 常情况下人工手持喷枪可以清除壳程的大部分污垢，但对管间距较小的换热器则只能对壳程外边的几层管壁进行较好的清洗。或者采用较细的喷杆、扁平状的喷头伸入管间距内进行清洗。此时由于射流反冲力的影响，操作人员对稳定地操作喷枪可能会感到困难，并由于手持式喷枪射流反冲力的限制，人工作业时的射流机组功率 也就受到了一定的限制。
对经常有大量换热器需进行清洗的场合，最佳方式还是采用机械化作业清洗。图12-10所 示为一机械化清洗换热器壳程实例。这种装置一般都是将被清洗管束放于两个液压驱动的滚轴组上，使被清洗管束在作业中能按要求滚转，而喷嘴及其支架则通过液压、气动或电动方式完成所需要的进给运动。清洗中管束在滚轴组上旋转，喷嘴系统在支架上或上下、或左右进给，支架在导轨上沿管束平行移动，同时喷嘴在其活 动机构的驱动下做弧形摆动，保证管束外部的所有部位均被彻底清洗。机械化清洗装置可采用大功率设备以带动多个喷嘴进行清洗，而使清洗作业效率成倍提高。
除 了管壳式换热器壳程外，另外还有一些设备的清洗类似于这种情况，如各种锅炉炉膛内的热水管道、空气预热器、烟道的清洗。在锅炉炉膛内热水管道外壁上经常沉积很厚的一层灰垢，其厚度根据所使用的煤质或燃油的品质而不同，特别当燃烧、通风不完全时会结成非常硬的烟垢。在这种管外壁清洗作业中，主要是清除管束外 壁上的积垢。为了提高清洗质量和尽可能地清除积垢，操作人员应按图12-11所示的作业方式进行清洗，在这样清洗后，通常可近于完全恢复锅炉的效能。在清洗压力的选择上，50～60MPa是必要的，甚至可用到80MPa的压力。喷头应选择与工作压力和流量相匹配的圆柱形喷嘴。用于这种场合的清洗机组功率建议为110kW，流量大约为75L/min。此外，在工作时应考虑到在锅炉中应有合适的排水孔，在炉膛内搭设必要的脚手架。锅炉类管道内壁的清洗则类似换热器材管程的清洗，其清洗压力根据垢层的不同而异，一般60MPa的工作压力已足以清除管道内的污垢。但清洗堵塞的烟道管内壁时，则宜采用较高的工作压力。
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