工厂保洁之物理清洗

物理清洗是指主要用物理手段清除污垢的清洗技术。物理手段主要指高压水射流、爆炸与爆破、超声波、Pig清洗、干冰清洗、激光清洗、电场除垢等。目前，用得较多的是高压水射流、超声波和Pig清洗技术。

与化学清洗相比，物理清洗除垢种类更为广泛，并且在成本、环保方面具有一定优势。本章将主要介绍常用的超声波清洗技术、Pig清洗技术、高压水射流清洗技术和电场除垢技术的简要原理和部分实例。

（一）超声波清洗技术

超声波清洗始于20世纪50年代初，随着技术的进步应用日益扩大。目前已广泛地用于电子电器工业，清洗半导体器件、电子管零件、印刷电路、继电器、开关和滤波器等；机械工业中用于清洗齿轮、轴承、油泵油嘴偶件、燃油过滤器、阀门及其他机械零件，大的如发动机及导弹部件，小的如手表零件；在光学和医疗器械方面用于清洗各种透镜、眼镜及框、医用玻璃器皿、针管和手术器具等；轻纺工业中用来清洗喷丝头、食品瓶、盖、模具及雕刻工艺品等。

1.超声波清洗原理和特点

超声波是频率高于20kHz的声波，人们可以利用它的能量来改变材料状态或性能。超声波清洗属物理清洗，把清洗液放入槽内，在槽内作用超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，在传播过程中，介质的压力作交替变化。在负压区域，液体中产生撕裂的力，并形成真空的气泡。当声压达到一定值时，气泡迅速增长，在正压区域气泡由于受到压力挤破、闭合。此时，液体间相互碰撞产生强大的冲击波，虽然位移、速度都非常小，但加速度却非常大，局部压力可达几千个大气压，这就是所谓的空化效应。波的机械振荡能起粉碎固体、雾化、乳化、匀化、提取和凝聚的作用。在清洗液中气泡冲击波能破坏不溶性的污物，使其分散脱落于溶液中。超声波振荡加速搅拌、扩散作用，加速可溶性污物的溶解，强化清洗机的清洗作用。清洗速度快，质量高。特别适用于形状复杂表面如空穴、狭缝等的细致清洗，易于实现清洗自动化。在某些场合下可以用水剂代替有机溶剂进行清洗或降低酸碱浓度。对声反射强的材料如金属、陶瓷和玻璃等清洗效果好，而对声吸收大的材料如布料、橡胶以及黏度大的污物清洗效果差。

超声波在电子工业中清洗半导体器件、电子管零件、印刷电路、继电器、开关和滤波器等；在机械工业中清洗齿轮、轴承、油泵、油嘴、燃油过滤器、阀门、发动机及导弹部件、钟表零件；在光学和医学界清洗透镜.眼镜及框、医用玻璃器皿、针管和手术器具等；在轻纺工业中清洗喷丝喷头、食品瓶、盖、模具及雕刻工艺等。

超声波清洗的特点：

（1）超声波清洗可大大提高被清洗表面的洁净度；

（2）清洗速度快、效果高；

（3）可连续自动化操作；

（4）可清洗外形复杂的清洗件；

（5）可进行大批量小型制件清洗（如不锈钢填料环）□

超声波清洗可清除油污、锈蚀产物及制作表面的各种污物，对钢铁制件一般可用22~23kHz的超声波振荡作用，使制作表面的腐蚀产物疏松、脱落、剥离。

2.影响清洗效果的几个因素

（1）与频率的关系:一般频率越低，空化效果越明显，但噪声相对较髙，适用于物体面相对平整的物体。频率越高，空化效果越差，但噪声相对较低，一般适用于微孔、盲孔效多的物体及电子晶体等。

（2）与温度有关:一般30-50%：的介质温度清洗效果最好。

（3）与声强有关:根据频率不同，声强一般选在1~2W/cm2。

（4）与清洗液有关；一般来说，清洗液的黏度越低含气量越高，清洗效果越好。

（5）与清洗液的深度及被清洗物的位置有关。

3.超声波清洗在各种领域的应用

由于超声波清洗本身具有其他物理清洗或化学清洗无可比拟的优越性，因此其广泛应用于服务业、电子业、医药业、实验室、机械业、硬质合金业、化学工业等诸多领域，下面就个别行业作简单介绍。

（1）超声波在服务业中的应用。日常生产中，眼镜、首饰都可以用超声波进行清洗，速度快、无损伤，大型的宾馆、饭店用它清洗餐具，不仅清洗效果好，还具有杀灭病毒的作用。

（2）超声波在制药工业的应用。超声波清洗技术经过众多制药企业的应用而得到广泛使用，特别是对西林瓶、口服液瓶、安瓶、大输液瓶的清洗以及对丁基胶塞、天然胶塞的清洗方面，已经得到首肯。对于瓶类的清洗，是用超声波清洗技术代替原有的毛刷机，它经过翻转注水、超声清洗、内外冲洗、空气吹干、翻转等流程而实现的。

（3）超声波对金属的清洗。众所周知，金属棒经挤压成丝后，金属丝的外部往往有一层炭化膜和油，用酸清洗或其他清洗方法，很难让污物去除（尤其整盘丝），超声波洗丝机是根据实际生产需要而设计的一种连续走丝，高效清洗设备，粗洗部分由清洗液储槽、换能器、循环泵、过滤器及配套管道系统组成，金属丝经超声波粗洗精洗后，再经过吹干，从而完成整个清洗过程。整套设备集成控制，简洁、方便、效果好，广泛用于袒丝、铸丝、铝丝、锭丝、铜丝（绝缘漆涂覆前）等其他金属丝。

（4）超声波清洗技术在磷化处理中的应用。产品喷涂前处理工艺非常重要，一般的传统工艺使用酸液对工件进行处理，对环境污染较重，工作环境较差，同时，最大的弊端是结构复杂零件酸洗除锈后的残酸很难冲洗干净。工件喷涂后，时间不长，沿着夹缝出现锈蚀现象，破坏涂层表面，严重影响产品外观和内在质量。超声波清洗技术应用到涂装前处理后，不仅能使物体表面和缝隙中的污垢迅速剥落，而且涂装件喷涂层牢固不会返锈。

4.超声清洗设备

超声清洗设备有两大类:一类是以水溶液作为清洗剂的设备，这类设备包括超声频电功率源，超声换能器及相应的超声容器和电加热器。一种是单槽式的，另一种是多槽（多工位）连续清洗设备，时常带有定时及自动输送装置。另一类是以挥发性有机溶液，如三氯乙烯、三氯乙烷和氟利昂等作为清洗剂，这类设备除了上述各组成部分外，还需要有冷凝循环、油水分离及过滤回收有机溶液的附加设备。目前国内外主要生产和开发各种专用清洗设备、在线生产的成套设备，也生产台式、小巧的清洗设备，如医用清洗器及小型的首饰眼镜家用清洗器。

超声频率一般在20~50kHz，小型设备的电功率只有几千瓦，大型成套设备达几十千瓦到上百千瓦。超声换能器在20世纪50~60年代大多采用磁致伸缩换能器，目前大多采用高效率的压电换能器；超声频电功率源过去用电子管器件，目前已被淘汰而采用固态器件，用这种器件制作的设备效率高而体积小，利用组合结构，功率可以做得很大，为大功率超声的扩大应用创造了良好的条件。

（二）Pig清管技术

管道在工业生产和民用部门都有着广泛的应用，对于水、石油、燃气等流体采用管道方式运送具有方便、快捷、成本低等多种优点，特别是在远距离输送过程中更能显出其优势。但在长期使用过程中在管道的内壁上会沉积或形成污垢。如在输水管道中会形成水垢或泥垢，在输油管道的内壁会形成油垢或积蜡，在工业的输气管道中也会形成结焦积碳等污垢。这些污垢沉积在管道中大大增加了流体在输送过程中的阻力，不仅使传输效率降低而且使输送流体所需的动力能耗也大大增加。污垢还会对管道材料造成腐蚀和损害。严重时会使管道破裂，输送流体外泄造成损失，甚至造成停产。管道被污染腐蚀往往是造成管道运输经济上、安全上重大危害的主要原因。随着管路的增多、管龄的增加和压力的提高，跑、冒、滴漏、结垢、腐蚀、堵塞和爆炸事故不断出现。管道出现的这些故障不但会给正常的生产和生活带来不良影响，还会给人们的生命财产造成无法弥补的损失，因此需要对管道进行定期清理。清理管道根据结垢的具体情况不同可采用不同方法，如可以使用酸、碱或表面活性剂等化学药剂的水溶液进行管线的闭路循环清洗，也可以用超声波、水射流或其他物理方法将污垢从管壁上剥离而去除；但在管道结垢较轻的初期采用清管器进行清洗可能是一种简单易行、成本低而又效果好的方法。

1.Pig的定义

Pig是清管器的英文名称。它是用聚氨醋发泡体做成的。最早是在1962年由美国的Knapp公司和Girid公司研制开发并用于管道清洗的。1965年开始在日本应用，目前已在世界上许多国家得到广泛应用。起初Pig仅用在对未投入使用之前的新管道进行清洗，现在它的应用范围已经大大扩展了，如应用在石化企业的输气、输油管道、工业及民用输水管线、工业用浆料及热水管线、锅炉的输气管线等的清理除垢。而且它的应用范围还在不断扩大，不仅用于清洗方面也应用于对管线的监测及干燥处理等方面。由于它是由聚氨醋发泡体组成，所以有很好的弹性，在管道线路中的弯头、丁形三通管接头和弯曲管道部分都能很容易通过并且有很好的耐磨性，所以可在管道中长距离行走。在清洗长达数公里而且形状复杂的管道时采用机械清洗或喷射清洗都有困难时采用Pig清洗往往能较好地完成清洗任务。其工作原理是把Pig放进发射器后，发射介质在Pig前进方向产生压力差，形成前进推力，使Pig沿管线前进，在运行过程中，Pig稍有变形。Pig本身或其附件在管内不断与管壁的积垢接触，对积垢进行挤压、刮削、冲刷、振动、破碎，清除管道内的结垢、沉积物和异物。与此同时，介质在通过Pig柱面与管内壁所形成的间隙时会形成高速环隙射流，在它的作用下，前面会形成类似真空的区域，有利于Pig的运行，并对所刮削下来的垢渣进行冲击、搅拌，并及时排出管外，有效地防止了垢渣在管内的堆积，避免了堵塞现象的出现。

2.Pig清洗的特点

（1）适应性广。一般情况下各种管道都可用Pig清洗。因为高密度的聚氨醋发泡体有很高的弹性，因此在管道的不同位置特别是在弯头、三通接头和弯头处都可通过。

（2）适合于对不同管径的超长管道的清洗。对于管径在50~300mm的几十公里以至几百公里的长管道，用机械清洗或喷射清洗都不容易洗干净，但用Pig清洗能在较短时间内完成清洗。由于Pig的耐磨性很好因此在长距离清洗时也不会损坏。

（3）可采用多层清洗方式。所谓多层清洗是指在每两个Pig之间使用一种特定的清洗剂，在管道清洗时可同时使用几种不同的洗液。由于闭路循环清洗往往需要使用大量的化学药剂。漂洗需要用大量的水，还需要配备大型的废水处理设备。而使用Pig清洗可在管道清洗过程中分别在两个Pig之间充入清洗用化学药剂、漂洗水或空气，分别完成清洗、漂洗或干燥过程。使清洗工艺大大简化，可节约大量的药品和设备，经济上更合算，特别是在清洗大口径管道时，该经济效益表现得更明显。

（4）具有设备简单、需用人员少、经济效益高的优点。清洗费用相比较低，而且管径越大管线越长，清洗费用越低。Pig清洗所需用的设备主要有Pig的发射器、接收器、输送Pig时提供动力的液压泵或空气压缩机及一些相关的器材，而无论被清洗的管道有多长也不必再增加新的人力、物力投入。因此，与其他清洗方法相比，显得更经济实用。

（5）无污染腐蚀。用清管器进行清洗对管线金属本体无腐蚀，对环境不造成化学污染。

（6）清垢均匀，彻底可实现不停车清洗对生产影响小。

3.采用Pig清洗技术清洗的管线应满足的条件

（1）能承压的金属或非金属压力管道。

（2）管径大于50mm的管线。

（3）管径弯头曲率半径不小于管径的1.5倍。

（4）管径的最大变形量不大于管径的20%。

（5）管线上的截断阀应为球阀或平板闸阀。

（6）管线上的管路附件的内径应与管线内径相同。

（7）管输介质温度不大于70%。

4.Pig清洗技术的应用领域

Pig清洗技术主要应用于石油、化工、热力、燃气等领域中各种介质管线物理清洗，是管线清管作业的必不可少的设备。主要应用领域如下：

（1）管道投产前，用清管器清管扫线，清除管道的残留物使管线畅通无阻。

（2）输油管线作定期的刮蜡处理，以保证管道的输送能力。

（3）输气管线作定期的排水处理，以减少管道内腐蚀，延长管线的使用寿命。

（4）同一管道内输送不同流体介质时的隔离置换。

（5）管道修复、打压前的清洗。

5.Pig清洗技术的发展方向和趋势

Pig清洗技术目前在国内发展较快，整体趋势向智能化、标准化发展。在长输管道的清洗中，需要使用智能清管器对管道内部情况进行检测和修复，在高压力、高危险性的工作环境下，也对Pig清洗技术提出了更高的要求，连续清洗的距离越来越长，对Pig清洗的安全性有更高的要求，同时对整个清洗工艺如技术准备、工艺准备、设备准备、人员培训、应急措施等都朝标准化发展。应进一步加强对清洗技术的研究，以确保清洗的有效性和安全性。

（三）高压水射流清洗技术

高压水射流清洗技术是水射流清洗技术的最新发展。水射流清洗以其通用性和对环境无害性备受清洗行业的青睐，应用日益广泛。由于水射流清洗不影响环境、效率高，且能最大限度地满足各类用户的特殊需要。因此，应用水射流清洗在国家经济建设和人们日常生活中几乎无处不见。

1.发展概况

水射流清洗是一项不断发展的清洗技术。传统的水射流清洗是沿用至今的低压大流量水射流冲洗。六十多年前开始发展起来的水射流清洗作业又称为“水力剥层”。通常使用的工作参数为压力7~14MPa，水流量20iymino高压水射流技术是从20世纪70年代迅速发展起来的一项新技术。1972年英国召开了第一届国际水射流会议。以后每两年一届，去年在意大利举行了第十六届会议。会上，发表研究成果，交流实用技术，其中高压水射流在清洗方面的研讨占有相当大的比重。影响较大的国际水射流会议还有美国水射流会议、日本水射流会议、环太平洋国际水射流会议等。

当初，大部分工作尚处于实验室研究阶段。从那时起，高压水射流技术状况发生了显著变化，高压水射流清洗技术也如火如荼地发展起来。20世纪70年代，我国成功研制了高压水射流清洗机。

到20世纪80年代中期又从国外成系列引进高压水射流清洗技术。近年来各种机型、各种应用附件已逐步制造成功。广泛应用于各部门清洗各种化工容器、热交换器、冷凝器、管道、管束、清焦、除垢、除锈、水力清洗等清洗作业。

小型高压水射流清洗机比较适合我国需要。目前，国内市场上国产小型高压水射流清洗机其压力多为4~6MPa，设备品种比较单一，亟待开发10~20MPa多档次小型清洗机。此外，市场对热水清洗机的需要也日趋强烈。市场销售资料表明，20世纪80年代，我国小型清洗机市场是一个缓慢发展时期。进入20世纪90年代以后，处于线性增长阶段。近年来，高压水射流清洗技术发展很快，在石油、化工、电力、冶金等工业部门中得到广泛的应用。它可用于清洗容器，如高压釜、反应器、冷却塔、储罐、槽车等；也可用于清洗各种设备、管道、煤气管线及换热器；还可用于清洗船舶上积附的海洋生物和铁锈、钢铁铸件上的清砂等。高压水射流清洗可除去下列污垢层:水垢、铁垢、油类炷类残渣结焦、各种涂层、混凝土、树脂层、颜料、橡胶、石膏、塑料等，其清洗效果颇佳。高压水射流不影响环境，效率高，容易满足清洗要求。

目前，高压水射流清洗技术向着超高压发展。德国研制的超高压水射流系统，由95kW柴油机驱动，压力为250MPa或200MPa，流量为5I/min或20L/mino在清洗行业中已广泛应用于清除金属或混凝土表面的漆层，全部或部分清除厚涂层、涂镀前的表面预处理以及从设备或装置上清除难清理的附着物。

在美国，高压水射流清洗常用的压力多在lOOMPa以内，其主机多为往复泵。随着设备的成熟、可靠，已采用提高压力的方法来代替磨料水射流除锈等作业。压力范围为200~300MPa。

2.高压水射流优点

高压水射流清洗原理是用高压泵打出高压水，并使其经管子到达喷嘴再把高压低流速的水转换为低压高流速的射流；然后射流以其很高的冲击动能，连续不断地作用在被清洗表面，从而使垢物脱落，达到清洗的目的。

高压水射流清洗与传统的水射流冲洗、机械方式清洗、化学清洗相比，具备以下优点：

（1）若选择适当的压力等级，高压水射流清洗不会损伤被清洗设备的基体。

（2）高压水射流清洗是用普通自来水在高速度下的冲刷清洗，所以它不污染环境，不腐蚀设备，不会造成任何机械损伤，清洗效率高，节省能源，还可除去用化学清洗难溶或不能溶的特殊垢。

（3）洗后的设备和零件，不用进行洁净处理。

（4）能在环境恶劣的场合进行清洗。

（5）易于实现机械化、自动化，便于数字程控。

（6）节省能源，清洗效率高，成本低。

3.主要特点

高压水射流清洗与传统的水射流冲洗、机械方式清洗、化学方式清洗相比，具有以下优点：

（1）选择合适的压力等级，高压水射流清洗不会损伤被清洗的基体。

（2）清洗过后的零部件，不需要进行洁净处理。

（3）能清洗形状和结构复杂的零部件；能在空间狭窄、复杂或环境恶劣有害的场合进行清洗。

（4）易于实现机械化、自动化，便于使用数字程控。

（5）节水、节能，清洗效率高，成本低，同时不污染环境。

同高压水射流切割破碎物料相比，水射流清洗所需的压力不高，技术难度不大，需要清洗的领域又很多。这些都是推广应用高压水射流清洗的有利条件。

4.高压水射流清洗装置的结构

高压水射流清洗装置主要由高压柱塞泵、动力部分、喷嘴、高压软管及工作附件等组成。

（1）高压柱塞泵。高压柱塞泵是高压水射流清洗装置中最主要的部件。在柱塞泵中，柱塞是在防漏的填料函内移动，不与泵筒内壁接触。柱塞泵只有一个固定的密封（填料函）而便于维护，其传动系统和输液系统是分离的，能保证良好的密封，适用于高压下工作。这正是高压水射流清洗中广泛采用柱塞泵的主要原因。

（2）动力部分。动力源通常为柴油机或电动机。为方便现场施工，一般车载的高压水射流清洗装置的动力源是柴油机，这尤其适合于不具备大功率电源的工厂或车间。一些小型的髙压水射流清冼装置动力源常为电动机。

（3）高压软管。高压水泵和喷嘴之间需通过高压管路来连接。高压管路分高压钢管和高压软管两种。一般高压水射流清洗中常用的是高压软管。高压软管由内管、增强层和外皮三部分组成。内管输送水，增强层提髙内管的强度以耐受高压，而外皮则起保护作用，以防止腐蚀和机械损伤。高压软管和增强层用钢丝编织，一般有2~3层。

（4）喷嘴及工作附件。高压水经过软管，最后到达喷嘴及工作附件。喷嘴将高压低流速的水转化为低压高流速的射流。在其他条件一定的情况下，清洗效果的好坏，主要取决于高压清洗装置的附件及喷嘴。一般喷嘴都是由多种特种金属制成的。为产生清洗用的水射流，大都采用圆柱形和扁平形两种形状的喷嘴。由于这两种喷嘴的结构不同，作用也不一样，圆柱形喷嘴射流的射程远，但作用面积小；而扁平形喷嘴射流的射程较短，但作用面积大。

5.增效技术

作为水射流清洗工作介质的水，在经过泵输出之后加热至85P以上时，对清除碳氢化合物及类似垢层有明显效果。

在清洗射流束中加入化学剂，即所谓水基清洗。化学剂有助于减少表面张力，有利去除表面垢层。因为水射流冲击物件表面的时间与化学反应所需的时间相比，过于短暂。因此，化学剂应该在水射流清洗之前使用。如果利用长链聚合物类化学剂形成密集射流，可减少水流在管线中的摩擦损失，并使水“凝聚”，增加射流直线段的长度。因此，密集射流又称减阻液射流。

水射流泛指喷气、喷水、喷雾、喷砂及喷浆形成的射流。根据清洗对象的不同，使用空化射流、磨料射流等将会大大提高其清洗能力。这样的水射流称为新型高效射流。在不增加机组动力的情况下，可增加水射流的打击力，或扩大清洗时的覆盖面积。

磨料射流是20世纪80年代发展起来的新型水射流。在磨料射流中，以水为载体，磨料微粒被高压水射流加速。由于磨料微218

粒的质量比水大，且有棱角，高频冲击物料表面，其冲击力和磨削力要比同样条件下的高压水射流大得多。在清洗行业中，它广泛应用于清洗、除锈、去毛刺以及切削混凝土。

空化射流是用空化喷嘴在射流束内产生空泡。当射流冲击物件表面时发生溃灭，造成空蚀破坏，以达到增强清洗、切割或破碎物料的效果。通过初步估算，用空化喷嘴取代普通喷嘴，泵压力可降低1-2个数量级。在淹没条件下，空化射流的优越性更加显著。空化射流已应用于船体除锈与清除退役弹体内的炸药等清洗作业。我国研制的适用于陆上和水下操作的空化射流清洗除锈设备系统，工作压力可在4~50MPa范围内调节，除锈质量能达到局部出白。