燃?xì)夤艿雷赃M(jìn)式旋轉(zhuǎn)射流解堵工藝研究

摘 要

摘要：針對燃?xì)夤艿乐卸氯^為嚴(yán)重或管壁存在堅(jiān)硬的垢層、銹層時，傳統(tǒng)解堵方式難以達(dá)到清洗或解堵效果的情況，提出了自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)射流解堵工藝，對關(guān)鍵設(shè)備——自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)
摘要：針對燃?xì)夤艿乐卸氯^為嚴(yán)重或管壁存在堅(jiān)硬的垢層、銹層時，傳統(tǒng)解堵方式難以達(dá)到清洗或解堵效果的情況，提出了自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)射流解堵工藝，對關(guān)鍵設(shè)備——自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭的關(guān)鍵參數(shù)展開了研究，得出了計(jì)算公式。
關(guān)鍵詞：自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)射流；自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭；解堵；清管
Technology Study on Blockage Removal in Gas Pipeline with Self·feeding Rotating Jet
Zou Weiqin，TAN Hongbing，GE Zhaolong，ZHANG Wenfeng
Abstract：It is difficult for traditional blockage removal methods to achieve cleaning or blockage removal effect when gas pipeline is seriously blocked or hard scaling layer and rust exist on gas pipe wall.A blockage removal technique using self-feeding rotating jet is proposed.The parameter of the key device，self-feeding rotating nozzle，is studied，and the calculation formula is obtained.
Key words：self-feeding rotating jet；self-feeding rotating nozzle；blockage removal； cleau-up pipeline
1 概述
   作為清潔高效的綠色能源，燃?xì)庠诠I(yè)和民用方面使用越來越廣泛[1～2]。燃?xì)獾墓艿垒斔鸵云浒踩⒖煽?、環(huán)保、損耗率低、輸送成本低、受外部影響小等優(yōu)點(diǎn)，已成為主要輸送方式[3]。但由于燃?xì)庵泻须s質(zhì)[4]，隨著時間的推移，會在管道壁結(jié)垢或?qū)艿喇a(chǎn)生腐蝕，使得管道有效通徑變小，加大輸送阻力甚至堵塞管道，影響燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的正常運(yùn)行。
    常用的管道解堵方式有：利用管網(wǎng)自身壓力吹掃的清管法、壓縮空氣吹掃的清管方法、清管球清掃法、開孔清理法[5]。傳統(tǒng)方法對于粉塵造成的輕度堵塞較為有效，但存在鐵銹或萘等化合物在管壁形成堅(jiān)固的垢層時，以上方法存在清理不徹底或無法滿足解堵要求等問題。
    針對這一問題，本文提出利用自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)射流清理管道的工藝，并對該工藝中的關(guān)鍵設(shè)備——自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭的關(guān)鍵參數(shù)展開研究。
2 設(shè)備及工藝簡介
2.1 自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭
    自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)射流解堵工藝的關(guān)鍵設(shè)備為自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭，其結(jié)構(gòu)見圖1。

自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭可以分為前后兩個部分。噴頭前部安裝正向噴嘴，分為軸心和周邊兩種，其中軸心噴嘴1個，周邊噴嘴均布3個。周邊的正向噴嘴與噴頭軸心呈一定的偏轉(zhuǎn)角度，射流噴出后產(chǎn)生的反作用力推動噴頭前部旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)射流。軸心的正向噴嘴破碎和推動管道中心的垢層。反向噴嘴根據(jù)實(shí)際情況安裝在反向噴嘴流道上，從反向噴嘴噴出的射流所產(chǎn)生的反沖力提供噴頭前進(jìn)的動力，故自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭無需其他動力即可在管道中自行前進(jìn)。反向噴嘴還能輔助排除破碎的垢層。
2.2 工藝
    將堵塞段管道的上、下游閥門關(guān)閉，制定合適的放散方案對燃?xì)膺M(jìn)行放散。根據(jù)管道特點(diǎn)，選取地勢較低的地點(diǎn)，向管道內(nèi)注水，對燃?xì)膺M(jìn)行置換。放散點(diǎn)和注水地點(diǎn)要選取合適，防止管道內(nèi)殘留燃?xì)狻Ｖ脫Q完畢后關(guān)閉放散管。選擇長度及管徑合適的高壓軟管，將其與高壓泵及自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭相連，組成解堵系統(tǒng)。將堵塞段管道與上、下游管道斷開，選取地勢較高的一端放入自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭，以減小自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭自進(jìn)的阻力。開啟高壓泵對管道進(jìn)行清洗、解堵。排污管及上、下游管道接口均作為排渣口。單次清洗沒達(dá)到清管要求時，可拖動高壓軟管，進(jìn)行重復(fù)清洗。達(dá)到清管要求后，從放入口將高壓軟管及自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭取出。將放散管打開，通過注水口注水，用水置換管道內(nèi)的空氣。之后將管道與上下游管道相連。關(guān)閉放散管，開啟排污管及管道上游閥門，利用管道燃?xì)獾膲毫ε懦龉芫W(wǎng)中的水及經(jīng)破碎后的殘余垢層。排污口附近需要做好現(xiàn)場的安全措施，派專人警戒，排污口前后方200m、左右100m禁止煙火，不允許人畜及機(jī)動車輛通過。
    自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)射流解堵工藝通過旋轉(zhuǎn)射流對管壁進(jìn)行清洗，具備傳統(tǒng)高壓水射流解堵工藝的優(yōu)點(diǎn)[6]。旋轉(zhuǎn)噴頭每旋轉(zhuǎn)一周，都有數(shù)道水射流作用于垢層，使得垢層受到類似低頻的沖擊動力。在低頻的沖擊動力作用下，淹沒環(huán)境下的水墊效應(yīng)大大降低，提高了射流的清洗效率。同時，垢層在低頻的沖擊動力作用下，更加容易松動脫落。旋轉(zhuǎn)射流清洗管壁具有清洗效率高、清洗能力強(qiáng)、不損傷管壁等優(yōu)點(diǎn)。
3 正向噴嘴參數(shù)計(jì)算
    自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)射流解堵工藝通過旋轉(zhuǎn)射流破碎垢層，旋轉(zhuǎn)噴頭的性能直接影響了清洗、解堵效率。旋轉(zhuǎn)噴頭的旋轉(zhuǎn)動力來自水射流本身，其特殊結(jié)構(gòu)使射流產(chǎn)生的反沖力充當(dāng)了動力源，此反沖力與壓力、流量有關(guān)，而它形成的扭矩取決于噴嘴的安裝位置和角度。為了使射流不霧化，并延長在同一點(diǎn)的打擊時間，提高清洗能力，必須使噴頭在一定范圍內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動，故射流反沖力產(chǎn)生的動力矩與噴頭的摩擦阻力矩必須達(dá)到平衡。
3.1 噴頭的摩擦阻力矩
    分析旋轉(zhuǎn)噴頭結(jié)構(gòu)可知，產(chǎn)生摩擦阻力矩的部位主要為動靜環(huán)接觸面及軸承兩個部位。
3.1.1動靜環(huán)接觸面產(chǎn)生的摩擦阻力矩
    摩擦阻力矩產(chǎn)生在密封靜環(huán)和密封動環(huán)的接觸面上，摩擦阻力矩的大小與密封靜環(huán)和密封動環(huán)的材質(zhì)、加工精度、接觸面端面壓力等有關(guān)。動靜環(huán)受力圖見圖2。
 

高壓水推力為：
 
式中F——高壓水對靜環(huán)的推力，N
    D2——主軸流道內(nèi)徑，m
    D1——靜環(huán)內(nèi)徑，m
    p——高壓水壓力，Pa
動靜環(huán)接觸面壓力為：
 
式中p1——動靜環(huán)接觸面壓力，Pa
    D3——靜環(huán)外徑，m
   在靜環(huán)密封端面微面積dA上作用的正壓力為：
    dFN=p1dA    (3)
式中FN——動靜環(huán)接觸面上的正壓力，N
    A——動靜環(huán)接觸面積，m2
   單位微面積上產(chǎn)生的摩擦力為：
    dFf=ffdFN    (4)
式中Ef——動靜環(huán)接觸面上的摩擦力，N
    ff——動靜環(huán)接觸面摩擦系數(shù)
經(jīng)計(jì)算，動靜環(huán)接觸面摩擦阻力矩為：
 
式中Mf——動靜環(huán)接觸面上的摩擦阻力矩，N·m
    D——微圓環(huán)的直徑，m
3.1.2推力球軸承產(chǎn)生的摩擦阻力矩
    由圖1可知，旋轉(zhuǎn)噴頭內(nèi)部有2個滾針軸承、2個推力球軸承。其中滾針軸承主要防止主軸偏轉(zhuǎn)，受到的作用力較小，故滾針軸承上產(chǎn)生的摩擦阻力矩可以忽略不計(jì)。高壓水對靜環(huán)沿噴頭軸線的推力經(jīng)過傳遞，作用在推力球軸承上，故推力球軸承上的正壓力與高壓水對靜環(huán)的推力相等。則推力球軸承上的摩擦阻力矩為：
    Mq=fqFRq    (6)
式中Mq——推力球軸承摩擦阻力矩，N·m
    fq——推力球軸承摩擦系數(shù)
    Rq——推力球軸承的半徑，m
聯(lián)立式(1)～(6)可得，總摩擦力矩為：
 
式中Msum——總摩擦阻力矩，N·m
3.2 噴頭的動力矩
    為保證正向噴嘴能提供旋轉(zhuǎn)動力，需使得正向噴嘴與軸心呈一定的距離r且與軸線呈一定的偏轉(zhuǎn)角度θ。
    射流產(chǎn)生的反沖力為[7]：
    Fj=1.57d2p    (8)
式中Fj——射流反沖力，N
    d——正向噴嘴直徑，m
   射流提供的動力矩為：
    M=nrFjsinθ    (9)
式中M——射流提供的動力矩，N·m
    n——正向噴嘴(周邊噴嘴)的數(shù)量
    r——噴嘴距軸心的距離，m
    θ——正向噴嘴與旋轉(zhuǎn)噴頭軸心的偏轉(zhuǎn)角度
    根據(jù)動力矩和摩擦阻力矩平衡關(guān)系，聯(lián)立式(7)～(9)，即可計(jì)算出正向噴嘴的直徑、安裝位置及角度。
4 反向噴嘴參數(shù)計(jì)算
    自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭通過反向噴嘴產(chǎn)生的反作用力推動噴頭前進(jìn)，反向噴嘴的參數(shù)與自進(jìn)式噴頭的自進(jìn)能力密切相關(guān)。為防止反向噴嘴沖擊高壓軟管，需使得其與軸線呈一定的張角α。
    推進(jìn)力由反向噴嘴提供，其沿軸向的推力為：
    F1=1.57n1d12pcosα    (10)
式中F1——反向噴嘴提供的推力，N
    n1——反向噴嘴數(shù)量
    d1——反向噴嘴直徑，m
    α——反向噴嘴與旋轉(zhuǎn)噴頭軸心所成的張角
    系統(tǒng)阻力由正向噴嘴產(chǎn)生的反沖力及高壓軟管、自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭與燃?xì)夤艿辣诿娴哪Σ亮M成。由于充滿水的高壓軟管質(zhì)量遠(yuǎn)大于自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭，故自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭與燃?xì)夤艿辣诿娴哪Σ亮梢院雎圆挥?jì)。正向噴嘴產(chǎn)生的反沖力為：
    F2=1.57nd2pcosθ+1.57d2p    (11)
式中F2——正向噴嘴產(chǎn)生的反沖力，N
    高壓軟管與燃?xì)夤艿辣诿娴哪Σ亮椋?/span>
    F3=μLmg    (12)
式中F3——高壓軟管與燃?xì)夤鼙诘哪Σ亮?，N
    μ——滑動摩擦系數(shù)
    L——預(yù)計(jì)清洗長度，m
    m——單位長度高壓軟管充滿水時的質(zhì)量，kg/m
    g——重力加速度，m/s2
    根據(jù)推進(jìn)力與阻力平衡關(guān)系，聯(lián)立式(10)～(12)，即可得出反向噴嘴的相關(guān)參數(shù)。
5 結(jié)論
    ① 提出了自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)射流解堵工藝，該工藝適用于燃?xì)夤艿乐卸氯^為嚴(yán)重或管壁存在堅(jiān)硬的垢層、銹層時清洗解堵。
② 對自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)解堵的關(guān)鍵設(shè)備——自進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴頭的相關(guān)參數(shù)展開了研究，得出了相關(guān)參數(shù)的計(jì)算公式。
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(本文作者：左偉芹1、2 譚宏兵3 葛兆龍1、2 章文峰1、2 1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400030；2.重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 重慶 400030；3.中石油西南油氣田分公司采氣工程研究院 四川廣漢 618300)