高压水射流清洗技术

射流清洗是高压水射流的主要用途之一。随着近代工业的迅猛发展，高压水射流清洗技术也取得了长足的发展。今天，高压水射流技术几乎己经应用到每个工业领域和民用设施的清洗作业中。在容器、栅板、地面等的表面冲洗、管道疏通、新管涂装前的表面预处理、钢坯除鳞、舰体清洗、铸件除毛刺等清洗作业中具有很大的优势。

1.水射流的基本概念

（1）水射流的概念

a.水射流是指以水为流动介质的高速流动的流股。

b.高压水射流是利用加压泵将水压缩使压力达到一定值（大于lOMPa）后通过规定的路径从喷嘴中排泄出来而形成的高压水流。

c.根据需要，射流形状可以是圆柱形、扇形、圆锥形、三角形、矩形、扁铲形等，也可以在射流中加入磨料提高射流的工作能力。

d.水射流是一项迅速崛起的新技术、新工艺，同时又是集泵、阀、密封、液压、自动化控制为一体的综合学科。

（2）水力剥离

是指附着物在高速水流的持续打击下附着物从基体表面被分割的作用。是一种压力等级较低的高压水射流清洗技术。剥离材料所要求的最小压力如表4-1所示。

表4-1剥离材料与最小工作压力

表格P184页

（3）基体与附着层

a.基体与附着层的类型工业领域中基体的主要类型为金属和混凝土，而民用领域则多为石材、塑料、混凝土。附着层相对较多，一般指需要清除的污垢，基体的黏附面越粗糙，附着层黏附得越牢固。

水射流清洗作业中常见的基体与附着层的类型，见表4-2。

表4-2清洗基体与附着层类型

表格P184页

b.附着层与基层的连接方式可分为机械黏附，特殊黏附及化学黏附。

（4）门限压力与最佳压力

a.门限压力：水射流冲击物料时，存在着一个使物料产生破坏的最小喷射压力。当水射流压力小于门限压力时，物料只能产生塑性变形而几乎不被破坏。当喷射压力超过这个压力时，物料将产生急剧破坏。这个使物料产生明显破坏的水射流喷射压力称作门限压力。

绝大多数物质都有一个门限压力。不同物料有不同的门限压力值。高压水清洗作业中必须选择高于门限压力的射流才能实现物料的剥离。对一般的非金属材料，门限压力的临界值在18-40MPa范围内。而对某些金属材料和硬质合金材料，门限压力值在72〜162MPa之间。

b.最佳压力：当水射流的喷射压力越过门限压力值后，随着压力的增加，切割或破碎单位面积或体积所消耗的能量将下降。但继续增加喷射压力，当超过某一定值后，消耗的能量将会增加，这个压力值就是最佳压力。最佳压力是清洗作业中最理想的工作压力，但实际操作中很难确定实际值，只能由操作人员根据作业经验判断。

c.靶距：指喷嘴与基体之间的喷射距离。靶距的大小直接影响射流的打击力。但是靶距并不是越小越好。射流在喷射过程中内部存在一个理论变化过程，按照射流的结构理论，在射流基本段，射流具有最大流速和动压力。而在消散段射流则迅速发散雾化，并与周围空气混合。在清洗作业中，可以根据这一理论在基本段内找到一个最佳靶距，可以取得最理想的清洗效果。最佳靶距的经验计算式为：（公式P185页）

在实际工作中，利用这个经验公式计算靶距的意义并不大，因为在清洗作业中不可能始终保持最佳靶距，而最可能的办法是使靶距保持在100〜200倍喷嘴直径处。同时尽量使射流成180。反射角，即沿裂缝方向打击，清洗效率最高。

2.水射流的分类

实际应用的水射流大致可以分为三种类型：连续射流、脉冲射流、空化射流。射流结构如图4-17所示。

图4-17射流结构图

（1）连续射流

连续射流是最普通的射流形式，按照不同的标准，可以细分如下。

a.根据形成射流的组分形态，分为：液体射流（包括水射流和其他液体混合射流）；液体一固体射流（即磨料射流）；液体一气体一固体射流（气压输送磨料）。

b.根据射流压力分为：低压力射流，即工作压力不大于10MPa的水射流，其系统主机多为离心泵或低压往复泵；高压力射流，即工作压力在10~100MPa的水射流，其系统主机多为高压往复泵；超高压力射流，即工作压力不小于100MPa的水射流，其系统主机多为超高压往复泵和增压器。

上述划分依据中国有关标准。由于水射流作业的高压化、大型化发展趋势，高压水射流的概念逐渐认同到200〜250MPa；超高压水射流的概念则已认同到工作压力不小于250MPa，因为这是一般水切割作业压力的下限。对此，水射流设备标准正在修订。

连续射流又可加温、加化学清洗剂、加长链聚合物以提高其性能。

c.根据射流周围介质分为：淹没射流，即水射流在水中或其他液体中喷射；非淹没射流，即水射流在空气中喷射。

d.根据射流用途大体上可分为：雾化射流（降尘、喷灌等）；造型射流（喷泉、人造瀑布、水幕等）；真空射流（水射流抽吸）；圆柱射流（消防、清洗等〉；细射流（清洗、切割等）。

（2）脉冲射流

脉冲射流是非连续射流，指间歇性的迸发射流，其能量的大小与脉冲的频率、介质特性、每一脉冲中介质的动量、靶距、喷射角有直接关系。

（3）空化射流

当射流冲击基体时，被压力夹裹的气泡急剧破裂，在基体表面形成气蚀达到清洗切割或破碎的目的，这种射流就是空化射流。空化射流能大幅度提高射流的打击力。

相对于连续射流，空化射流的优点如下：硬质物品所需工作压力大幅度降低；喷嘴和其他高压部件寿命长；切缝比连续射流要宽得多，这对表面清洗来说是一个优点；在水下相对于连续射流性能有所提高。

相对于连续射流，空化射流的缺点如下：切缝极大：流量比连续射流要大10倍左右；切割质量相对不好控制；靶距的局限性，空化射流系统在清洗与弹药回收应用方面已有业绩。

3.常用高压水射流设备的基本构造

（1）用于清洗的高压水设备

主要由高压泵或增压器、调节阀、连接管、喷射枪组成。目前国内常见的高压泵主要为三柱塞往复增压泵。增压泵主要采用液压传递增压方式。调节阀既实现了压力等级的选择也保证了操作者和泵的安全。带动泵或增压器工作的动力源将采用柴油机或电机，—般情况下，车载动设备为保证良好的机动性能，常以柴油机做动力，而固定于厂房或地面的清洗设备，常选用电机驱动。

（2）输送设备

高压管由内塑性管、钢或钢丝绕层、塑腔涂层制成。高压管具有良好的增强性，随着压力升高其塑性变形由内壁向外扩展，提高了高压管的耐压程度和疲劳极限。在射流输送中应尽量减少接头的使用，并尽量使用同一规格材质的合格产品，不能随意自制和代用。

清洗作业中使用的高压管都必须经过严格的耐压试验和爆破实验，绝对保证使用者的人身安全，见表4-3。

表4-3液压试验的压力值

喷射枪可以根据不同的用途，组合成不同的喷射方式。

a.大枪（SP1202）主要用于断面穿透或剥离作业。

b.挠性枪（FL）清洗换热器管程。

c.管道清洗头（TCH）清洗管径小于600mm的煤气管道、排污排灰管道。

d.管道清洗头（RWK）主要用于清洗管径大于600mm的管道，如炼油厂大油气管线，化工厂油气分离导管等。

e.罐清洗头（TWK）主要用于贮罐、容器的内壁清洗。

f.旋转清洗头主要用于平面清洗或换热器壳程清洗。

g.其他附件旋转多角度清洗喷头。

h.附加装置自动推进器、导向器（管道）、喷头悬挂支架、伸缩臂等。

4.水射流清洗的应用

（1）石油化工行业

①换热器的清洗

换热器的清洗是清洗的主要内容之一。由于石油化工行业生产工艺中存在大量的换热设备，主要为换热器。

a.管程的清洗：清洗时必须先打开端盖。根据结垢状况，如果列管没有堵死，而且结垢比较松软，可以使用大枪直接清洗。让喷嘴从每一根换热器中冲刷数秒，以取得良好的清洗效果。

这种清洗方法是利用射流的消散段让高速流体在管中流动时产生冲击和负压，从射流打击点起剥离下来的垢料随着高速水流在管壁上产生高速碰撞，加强了水射流的打击力。

如果有列管堵塞现象，可先用大枪打击断面及管束入口段，如列管有返水现象，可以用挠性枪逐根清洗。

不管是立式换热器还是卧式换热器，都可以选用柔性挠性枪。而刚性挠性枪则不适用于立式换热器的疏通上。作为通常的办法，在清洗立式换热器时均采用自上而下的疏通方式进行清洗。主要是从操作者的安全与方便上考虑。大家知道，用于工业清洗的水射流一般压力在40MPa以上，这样高的压力对于人体来讲是致命的，所以这样的高压本身就是一个危险因素，而只有当操作者对喷枪和所有高压系统保持清晰的视觉，才能在发生意外时采取及时和恰当的处理措施，防止事故发生。实际上在清洗中有三个地方最易发生问题，一个是挠性枪的前端30cm范围内，由于升压时操作者紧张和害怕心理，常常使挠性枪头紧靠管壁某一侧，时间一长，使保护皮最先磨损和破裂。失去保护层的挠性枪管在潮湿环境中缠绕的钢丝很快会发生锈蚀，降低抗压强度，极易发生破裂。

另一个极易焊裂的地方是在挠性枪末端距接头约30cm处，这是由于一般情况下换热器长度在6~9m之间。清洗时大多采用长度为10m的挠性枪，而每次疏通到列臂尽头时，挠性枪末端会绕成一个圆环，时大时小，这个小圆环在高压状态下容易造成局部钢丝缠绕密度的变化，降低承压能力，造成爆管。

第三个容易爆裂的部位是高压管，清洗现场往往是立体交叉作业，高压管极易受到损伤，如果缠绕钢丝没有断裂，则高压管的使用寿命会减少，所以应尽量防止重物碾压或尖物刺伤。如果高压管的缠绕钢丝发生断裂，应立即更换报废。另一个造成高压臂损毁的重要原因是管道的清洗作业中管道口对高压管的硬擦伤。管口擦伤是高压臂报废的主要原因。大约有90%的高压管因此减少了使用寿命或直接破损报废。

对于堵塞比较严重的列管，一般需要用刚性喷枪进行疏通。清洗中宜选用喷枪外径和列管内径最接近的喷枪。选用刚性喷枪前要充分考虑作业空间，至少换热器一侧要有足够的长度空间，否则只能用柔性喷枪选用不同的喷嘴进行疏通。

b.换热器壳程的清洗：换热器的管束排列一般为三角形或菱形排列，因此为了尽可能提高清洗效果，应该沿六个方向进行清洗，如图4-18所示。手持大枪清洗壳程时，压力选择不宜过咼。流量越大'压力设定应该尽可能低，流量较小的泵，应选择较高一点的压力。在清洗过程中，最多宜安排两个人同时进行作业。作业中两人应始终保持一定距离，防止反射水流击伤。

当然，不管是管程还是壳程的清洗，如果清洗量较大，可以采用机械自动控制方式清洗，清洗速度和效果会大大提高。但是由于机械自控设备体积大，运输不方便，造价高，而石油化工行业清洗一般要求在有限的检修期内完成，机械自动控制清洗装置的应用和推广受到一定的影响。

图4-18沿六个方向清洗换热器管束

②工艺管道的清洗

主要是管线的内壁清洗。高压水清洗管道有以下前提。一是管道相邻两个工艺口之间的距离不能太长，一般是根据柱塞泵的额定流量、清洗所设定的压力、弯头数量、垂直爬伸高度、管壁附着物的特征等主要因素进行综合考虑。由于设计中没有考虑清洗需求，清洗前必须实施置换，然后在合适的位置开工艺孔。为了使更多的污垢从管线中清洗出来，工艺孔应开在管线下部或弯头低点，尺寸大小应视管线大小而定。形状应开成长方形。垢的密度越大，孔径应越大，而且相邻两孔之间的距离越近。对于煤气管道、市政排污井、下水管道等则应依井的设置顺次清洗，需要的话，市政井和下水井需要人工掏挖，煤气管道则需要负压车及时抽吸并将清洗废料运往废水处理。二是高压水清洗时管道本身不能有太多的旁管和分支。管道清洗头（TCH）是靠高压水的反作用力带动高压水软管向前推动清洗的。由于受到清洗泵流量的限制，喷头在管壁上产生的推动力也是有限制的，这就决定了在不同的管径中能够向前推进的距离是一定的。根据现场得到的信息，在Φ600mm以下，80L/min的柱塞泵在清洗煤气管道或输油管道时，最好的结果是120m，而在清洗电厂排灰管道时，最多只能进入60m。在Φ600-800mm的管线中，喷头前进的距离相应缩短，如果再提高压力，作用也非常有限。所以，要取得最理想的清洗效果，建议在清洗管径大于Φ600mm的管道时采用管道旋转清洗喷头。

喷头在带动高压管前进的过程中，除克服自身的重力摩擦外还要克服粗糙的管道附着和管道弯头摩擦力，从而大大缩短了喷头前进的距离。所以在清洗中应尽量避免穿越弯头。

为提高清洗效果和清洗程度，管道清洗最好分段进行，每段要反复进行冲洗。方法是：先高压推进至一定深度，然后适当降低喷射压力，并带压将高压管缓慢拖回入口处。如果垢量较多，还可以换用多孔喷头，增强向后吹扫的能力。一般情况下，前进和后退3〜4次后，管道就能清洗干净。

大于Φ600mm的管线，建议采用管道清洗头（RWK型）径向旋转喷头。方法是；釆用TCH携带牵引绳索穿透的相邻工艺口，然后关闭高压泵，拉TCH喷头到管道入口处，换上旋转喷头（RWK），最好带上支架，拴上牵引绳索，将旋转喷头安放在管道入口处，开动高压泵加压，绳索另一头安排人稍稍用力牵引，以防喷头被附着物阻挡，影响施工速度。牵引时必须注意，管壁附着物为类似水垢、焦炭时，牵引者应尽量使喷头保持均匀速度，而且每次前进的速度不超过喷头自身两个喷嘴在管道上划过轨迹的间距。否则在管壁上会留下环状残垢。

③容器的清洗

a.普通容器的表面清洗：新装置中的缓冲罐或成品贮罐在正式投用前或设备停车检修时对容器表面附着物的清洗，一般都采用高压水射流清洗。清洗时主要使用三维旋转喷头。清洗的关键在于喷头在罐内分布的合理性。如果贮罐容积小于500m³，—般按每50m³布一个点。如果喷头的功效比较小，应适当调节喷头距离罐壁的距离。如果清洗容积大于500m³的贮罐，一般按每25m³布一个点。每一个点的清洗时间不少于40min。

b.爆聚贮罐的清洗：由于工艺缺陷、操作失误或其他原因，有时会出现系统爆聚现象。发生爆聚时如果处理不当，容器可能产生生产原料，给清洗带来一定困难。

清洗爆聚罐需要超高压设备，主要对物料实施切割。清洗主要按以下步骤进行：

a.开入孔：打开入孔盖，用高压枪切割物料，直至能用钢钎挖掘。同时在其他部位切割井打通一个通风口，安装轴流风机，保证罐内空气畅通。

b.人工挖掘：安排人员用钢钎将物料一块一块挖下来，将紧贴罐壁的物料留下5〜10cm厚，防止钢钎刮伤罐壁，罐壁一经划伤，运行中很容易挂垢。要注意随深度的增加，应向罐内注入空气，接近罐底时要特别小心，防止钢钎划到罐底。

c.搭脚手架：在离罐壁1m左右处搭脚手架，保证清洗施工人员安全作业。

d.高压切割：用110〜180MPa的压力将物料切成对角线小于入孔口的长条，然后从入孔吊出罐外到指定位置，高压切割工作不复杂，但工作量较大，是整个清洗工作的重点和难点。作业过程中罐口必须有人监护。

e.壁面清扫在高度逐渐下降的同时，应将已清洗表面的残留垢料注意清扫。

f.地面及外墙的清洗清洗地面时一般有两种方法：大枪和地面清洗机。用大枪清洗时可以选用扇形喷嘴或径向旋转喷头。用大枪清洗的好处是操作简单、清洗速度快；缺点是清洗过的地面光泽不一致、不均匀；而地面清洗机则没有这些缺点，清洗效果也比较好。

建筑物外墙的清洗一般选用150MPa以下的压力，扇形喷嘴可配备热水机，清洗效果非常好。清洗后可使建筑物恢复原有色彩和光泽。

（2）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（表4-4）。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，主泵及原动泵（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。

表4-4高压水射流漬洗工程应用

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不同应用场合进行有效清洗的参数选择可参见表4-5。

5.高压水清洗的优点

高压水射流清洗与传统的水射流冲洗、机械清洗以及化学方式清洗相比，具有以下优点。

①选择适当的压力等级，高压水射流不会损伤被清洗的基体。

②高压水射流清洗不会造成二次污染，清洗过后如无特殊要求，不需要进行洁净处理。

③能清洗形状和结构复杂的物件，能在空间狭窄或环境恶劣的场合进行清洗作业。

④高压水射流反冲力小，易于实现机械化、自动化以及数字程控。

⑤高压水射流清洗既用水又节水，清洗能力强，工作效率高，使用成本低。

⑥高压水射流用途广泛。不仅能清洗物体表面、疏通管道、进行涂装前的表面预处理，而且能除锈除漆、清除附着海洋生物以及钢坯除鳞、铸件除毛刺等。

在国外，不仅在厂矿企业使用水射流清洗，而且大规模的工业清洗承包业也已发展起来。我国是世界上研究和应用高压水射流技术较早的国家之一。20世纪80年代中期又从国外成系列引进了高压水射流清洗技术和设备。近年来各种机型、各种应用附件相继制造成功。

当前高压水射流技术正在向使用更大功率和更高压力的方向发展。机械化和自动化水平不断提高。水的循环利用装置和废料回收装置日臻完善。随着新设备、新工艺的推广应用，高压水射流清洗技术行业将不断取得新的进展。

其他利用压力的方式

在传统的家庭洗衣中，把衣物浸泡在洗液中，然后用棒槌敲打，甚至用脚踩，都是利用压力清洗的例子。

在水平放置的滚筒洗衣机中，利用衣物在竖直方向上的转动，受到重力作用而从顶部下落，造成衣物间的压力而使衣物纤维上附着的污垢受到强压力的作用，促进它的解离分散。

又如精密机械部件中细微孔隙内部的油性污垢要完全去除是件很困难的事。为解决此难题，有人想出一个巧妙的方法：把机械部件浸泡在装有低沸点有机溶剂的小型高压锅中，压上阀，短时间内加热到溶剂沸点之上，然后取下压力阀，使压力急剧下降，经这种操作反复多次，与通常方法的清洗效果相比，这种方法效果更好。加压时溶剂在污垢中有很强的渗透作用，而在减压时溶剂对污垢的膨胀和分散有很大帮助。实践证明，这种加减压的方法对清洗许多物体都很有实效。另外不仅可利用加正压的方法去除污垢，也可利用负压力。比如在干燥过程中，当作为媒液的水和有机溶剂的脱除遇到困难时可釆用真空干燥法，在减压到近于真空的条件下，干燥效果大为提高，这也是利用压力的实例。

表4-5一般工业清洗压力参数的选择