空气爆破清洗技术

空气爆破清洗技术是利用气动弹的特殊气室结构，将压缩空气所储存的能量瞬间释放出来，形成空气波，使周围介质松动、破碎从而达到清洗除垢和清淤的目的。空气爆破除垢技术对于清洗管道、贮罐、沟槽、水渠、大型石油储罐等有非常显著的效果，它不仅能在运行过程中高质量地完成清洗工作，并且不污染环境、节省电力和自然资源。

1.空气爆破清洗技术的特点

（1）安全无污染市政供水、污水处理，运河、水渠排量的恢复一般不允许用化学清洗的方法进行处理，主要是担心化学残留造成二次污染；在野外作业中，有时电源和水源很难解决。在这些特殊情况下，若使用空气爆破除垢就可以避免这些问题。

大型石油储罐、水池、储槽等装置的底部所形成的淤泥和沉积物，应用化学方法处理费用高、污染大。其底部一般具有可燃性气体或有毒性气体存在，人工或其他物理清洗危险性大、施工周期长。空气爆破清洗技术可以在较短的时间内安全地完成清洗工作。

（2）可实现连续不停车清洗空气爆破清洗技术是利用气动弹产生冲击气流的优选方法，从控制气压参数就可以在工作过程中直接控制气动爆破的参数而无需中断工作，以实现连续不停车清洗。

（3）节水节电、处理费用低，施工周期短空气爆破清洗技术一般利用系统内原有的流体作为工作介质，无需另外补充大量水或油，清洗后这些流体经过分离处理之后，可以继续使用，因清洗时间短，节水节电效果明显。

2.空气焊破清洗技术工作原理

（1）气动弹结构气动弹含有壳体1（见图4-39），该壳体被位于其纵向轴线上的活塞2分成进气室3和排气室4，进气室3通过供气管6的供气孔5与压缩空气源连通，供气管6穿过活塞2上的轴向孔，并且与活塞组成一环形间隙7，进气室3通过环形间隙7与排气室4相通。

在活塞2上制有环形凸肩8，该环形凸肩在朝向进气室3的一侧与壳体1组成一附加气室9。

活塞上朝向排气室4的端面10的面积大于活塞2上朝向进气室3的端面11的面积，而小于环形凸肩上朝向排气室的端面12的面积。

活塞2在朝向附加气室9—侧的环形凸肩8内装有减震装置。减震装置使用螺纹把环形壳13装在环形凸肩8内，在环形壳13内设置带有支承圆环15的减震器14，减震器用弹性材料，如聚氨酯制造。

在壳体1的进气室3区段内，至少制有一个穿透的通路16，在实施气动弹的具体实例中，釆用4条穿透通路16，在每一通路16的出口处都设有安全阀。

在壳体1的进气室4区段内在制有与气动弹的轴线成某一夹角的若干排气孔20，这些通孔保证气动弹在工作过程中进行运动。

在位于压缩空气供气一侧的壳体1的端面上装有连接气动弹与压缩空气源的接头21，在接头21上固定有用来系结钢丝绳的圆环22。气动弹在工作时可用钢丝绳加以保险，并且也可利用钢丝绳将气动弹从管道中拔出。

图4-39气动弹结构图

（2）气动弹工作原理压缩空气从气源沿高压软管，通过接头21、供气管6和管上的供气孔5送至进气室3，从进气室3穿过环形间隙7，压缩空气流至排气室4，这时活塞2被作用在其端面11上的空气压力压紧在活塞座上，排气孔20呈关闭状态。

排气室在高压气源的压送下迅速充气，达到一定压力时，由于活塞2端面10的面积大于端面11的面积，所以作用在活塞上朝向进气室方向上的力F₁=P₁A₁要大于作用在活塞上朝向排气室的方向的力F₂=P₂A₂一个值。该值等于活塞2与壳体1之间的摩擦力，与此同时活塞就开始移向进气室3—侧，一旦活塞2离开活塞座，压缩空气将迅速进入活塞与活塞之间的空间，压力也就扩展至活塞2环形凸肩8的端面12，这样压力作用积就增至面积10和面积12之和，活塞2将立刻移向进气室3—侧，同时，开启了排气孔20而压缩空气从排气室以“爆发”的方式突然排向周围的介质，开始清洗工作。

活塞2快速移向进气室3时，将对壳体1产生冲击，这个冲击力通过支承圆环15被减震器14所承受，减震器14被压缩后，积蓄势能，然后将这种势能传给活塞使其返回初始位置。此时，排气孔20立即关闭，再次充气。当然，使活塞返回初始位置的动力主要还是来自进气室空气对活塞2端11的压力，活塞可以返回都是因为排气室的压缩空气从排气孔20喷出而得以卸压。

在附加气室内保留有不大的背压，这个压力是由安装在通孔16出口处的安全阀的液体阻力决定的，活塞返回时安全阀又在外界压力下开启而吸入少量空气。

气动弹于是又开始下一次的充气喷射的循环工作。

应当指出，进气室3内的压缩空气的压力在活塞移向进气室时升高得并不多，而在活塞2停止后，将迅速降低至供气管6中的压缩空气的压力，活塞2的开启排气孔20的动作是由压缩空气作用到活塞2上环形凸肩8的端面12和端面10上共同产生的，而活塞2的关闭动作是压缩空气作用到活塞2上非常小的端面11的压力发生。因此，活塞为关闭排气孔20向排气室一侧的运动时间大于活塞开启排气孔20向进气室一侧的运动时间，也正因此排气室4来得及几乎完全得以卸压，这样也提高了气动弹的工作效率。

需要强调的是排气室的压缩空气的压力，是不可能高于进气室一侧的压力。大家可能会产生这样的想法，就像自行车胎打气一样不需要很大的力气就可打足气，而这里的环形间隙7就相当于气门芯。然而，本气动弹由于活塞2端面10的面积大于端11的面积。因此，根据F=pA，排气室在没有达到进气室的压力，而比进气室压力小一个值就将活塞推向进气室一侧从而开启排气孔20以卸压，因此排气室的压力永远不会超过进气室的压力。

3.空气爆破清洗技术装备

（1）气动弹的尺寸、工作范围及爆破能力如表4-12所示。

表4-12气动弹的尺寸、工作范围及爆破能力

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（2）气动弹配备的动力源及耐压软管如表4-13所示。

高压软管的选用应与气动弹配用的空气压缩机压力相吻合。如空压机选用压力2.5MPa，气流输送管则也应选用耐压2.5MPa的高压软管。管径选用直径在Φ12-16mm的范围内。

（3）排污设备

a.泥浆抽吸泵：在气动弹清洗工作中，强大的气流冲起沉积物，击碎硬质垢，在污垢颗粒小于1mm的情况下，选用功率适当的泥浆抽吸泵抽出浑浊泥浆。泥浆抽吸泵适用于沉积淤泥的沟槽、管道、贮罐。

b.螺旋提升器：用气动弹来清扫工业管道时，由于管道用来输送物料及废料，长期积累形成硬垢的成分复杂的垢体，常见的有碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐类垢。气动弹爆破后垢体会被击成小的碎块，在污垢颗粒大于1mm以上时选用螺旋提升器抽送被清扫掉的碎垢。

c.PIG清管器：气弹在清洗管道时单向有效行程是300m，双向有效行程是600m，双向行程清扫600m后取出气弹，装入PIG清管器，加压后将清扫掉的污垢推出。

d.高压水清洗机：根据清扫管线所承受的压力，用高压水清洗机的绕性自进枪头清除气动弹爆破后的污垢，高压水清洗机可调压力量高至8MPa。

表4-13气动弹配备的动力源及耐压软管

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4.空气爆破清洗技术应用

表4-14列出了空气爆破清洗技术的应用范围，其主要功能是：清淤、除垢，破碎。

表4-14空气爆破清洗技术应用范围

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（1）工业管道的清洗电站排灰管道，城市地下给排水管道，煤气、天然气输送管道，工业物料管道等，选用空气爆破清洗技术进行清洗可以达到节约电能、减少物料消耗、保护环境、防止污染的目的。

有许多种气动弹型号和空气压缩机可供清洗管道选择使用，其压力可以从最低2MPa，最小排放功率39kW到最高压力12MPa、最大排放功率3675kW之间变化，可以有效地清洗直径70~2000mm的管道。

空气爆破清洗技术能清洗管道中各种硬度的沉积物。其清洗工艺是：将气动弹放入所要清洗的管道内。根据垢体的硬度及结垢成分、管道承压能力计算出气动弹供气压力。开启空气压缩机使气动弹开始在管道内工作。气动弹依靠排气时所产生的反作用力沿被清洗面自动向前行进，运行速度为5〜6m/min。气弹运动方向必须是逆管道水流方向向前清洗，这样有利于被清洗下来的污垢顺流排出。见图4-40。

气动弹所清洗的管道必须充满水，釆用这种办法可以达到均匀地传播气动弹爆破所产生的冲击波能量；防止沉淀物及被爆破击碎的垢体扬起；充满空气的水流可以提高水流的运输能力。

气动弹技术最初在某冶金企业进行了实验，运用上述工艺在很短的时间清洗了8000m地下排污管线，清洗后排污水能力恢复了原设计要求。

a.该排污管道的有关参数L=8000m；Φ=325mm；管材为铸铁；壁厚20mm；联结方式为铸铁管每根长4.5m，承插式联结，联结口金属铅密封；设计耐压为0.8MPa；管道每45m有一个竖井，共有竖井170余口。

b.结构硬度及成分分析沿管道下部约沉积12mm的泥沙、矿渣等混合物，沿管壁四周结有约20mm的灰白色垢体，其硬度为莫氏5〜6，主要成分是硅、钙、铝、镁、氧化铁等其他化合物。

c.气动弹清洗釆用不停水从排污管末端开始逐井向前推进清洗，各井之间为一清洗段。每段清洗有效时间为10min，爆破清洗下来的垢随水流排出管外。

气动弹清洗单向有效行程为300m；双向有效行程为600m。

（2）泵站水池的清洗在市政和工业企业的泵站蓄水池和取水槽、罐中，通常会沉淀一层淤泥，淤泥随着时间的增长而硬化，形成很难去除的沉积物。

泵站水池中布满沉积物导致泵的进水管入口处液体运动速度加快，会很快导致空穴现象的产生。

用在液体中产生强大冲击波的气动弹清洗泵站水池，冲击波可以把沉积物变疏松并击成很小的碎块。

气动弹清洗后除掉的硬质沉淀物和泥浆用排污泵抽出排放，清洗时根据水池的形状来确定清洗线路，如长方形池按长线路排列进行，圆形池沿周边同心圆清洗。

气动弹及空气压缩机的选型是根据沉积物的厚度而定。在清洗农业提罐站水池时可采用不停车清洗，泥浆同水混合稀释后，由泵站水泵抽岀输向用水池。水池设施有低点排污口，泥浆水可直接从排污口排岀。这种情况下，水池应停止正常蓄水，清洗完毕再启用，见图4-41。

图4-41泵站水池的清洗图4-42流槽、水池的清洗

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（3）流槽、水池的清洗把气动弹置于流槽、水道中逆水行进，使气动弹沿被清洗表面运动。清洗时流槽、水道中必须有足够深的水，一般水深以埋过气弹500mm为宜，但最少不能小于300mm。这样要求的目的是防止清洗时污泥垢体被炸出槽道，见图4-42。

清洗流槽、水道会受长度限制，压缩机用车载式，随着气动弹向前运动。根据流槽及水道的断面面积、建筑材料及修建工艺构造来选择气动弹和压缩机气压等参数。气动弹清洗流槽、水道可以完全排斥手工劳动并实现不停车连续作业。

（4）工业原料槽的清洗空气爆破清洗工艺能除去烧结厂、有色或黑色冶炼厂、选矿厂、选煤厂供应槽和贮存槽四壁上的块状物质和凝结的物质。

采用不同规程喷气孔的气动弹进行爆破清洗。首先选用前面带喷气孔的气动弹，在块状物质上炸开一条通道，喷气能量从气动弹前方发出，然后选用侧面带排气孔的气动弹，放入前面气动弹爆破后形成的通道内，向两边及四周施放爆破空气将凝结物质炸成碎块。

钢铁厂烧结车间将精矿粉烧结成大块，然后再破碎成有规格的小块入炉冶炼，以往的破碎多数釆用人工方法去敲击，耗时费力，碎块大小不好掌握，利用气动弹技术破碎就简单多了。首先，要详细了解出烧结块的硬度和入炉料块的规格，然后计算出所需要爆破的能量，选择好气弹型号及空气压缩机产气压力，气弹爆破后会岀现理想的破碎效果，碎块基本上大小均匀。这项技术，在国外某冶炼厂烧结车间实验中取得了很好的效果。

（5）核废液储罐的清洗核设施终止服役后，所有设备面临去污问题，这些设备中有很大一部分存储带有放射性的废水。废水长年积存，在罐底部淤积了大量的沉积物，这些沉淀物放射剂量一般较高，清淤工作不能靠人工进行，那么最好的办法是釆用气动弹清淤。

首先把多余的废水处理掉，留下气动弹工艺要求的覆盖水量，利用气动弹的爆破能量，炸起沉积物，使水同沉积物混为泥浆，再用泥浆泵抽出罐外固化处理。施工是在有安全保护条件下进行的，整个清淤过程都不需要人员进入罐内。

清洗时气动弹选用大功率的108mm及B108mm两种弹头，一般槽车直径大于2m，石油储罐大多数直径在20m左右。选用大功率弹头可以提高清洗效率。空气压缩机同气动弹应配套使用。

（6）原油储罐、运输罐车的清洗随着使用年限的增加，原油储罐底部沉积有大量的泥沙、无机盐、蜡质、沥青质等物质，俗称“油渣”。这些油渣堆积高度有300〜500mm，体积有800〜4000m³，例如挪威ESSOTensberg公司10.5×10⁴m³原油储罐中，油渣体积为4000m³；德国SHELLKoln—Godorf公司10.5X10⁴m³原油储罐中，油渣体积为3800m³。油渣的存在有以下危害：

a.减少了储罐的有效贮存体积，使原油贮存量下降；

b.影响输出原油品质；

c.增加对罐体的腐蚀；

d.油渣变硬后，增加检修清理的难度。

因此，有必要定期对原油储罐进行清洗，以清除罐底的油渣（图4-43）。按规定原油储罐一般要求每隔4〜6年必须进行一次清理、检修。清洗质量一般要求为：原油回收率>90%；油渣清除率>90%；清洗无腐蚀，对环境污染影响小；不破坏储罐内设施。

传统原油储罐的清洗方法，主要是靠人工清理和化学方法相结合，这类方法不能实现油水分离，无法回收油渣中的原油成分；清理过程需水量大，污水排放量高，对环境污染较大；劳动强度大，并且不安全；施工工期长，清洗费用高。

采用其他物理方法清洗，其要求清洗设备庞大且复杂，施工工期长，清洗费用高。例如，利用压力油或水清洗一个9X10⁴m³的油罐，一般需要42d时间。

用气动弹清洗原油储罐和油品运输槽车内的沉积物、油渣具有快速、高效、安全、污染性小等的特点，是目前罐体清洗中最有效的方法。

气动弹清洗可以把油泥及硬质沉积物固相和液相，变成同值的油泥浆。如果有黏度很大的沉积物（焦油，碳氢类化合物），可以釆用在沉积物上加洒一层稀溶剂（如原油），添加比例为10：1（沉积物总体积的10%），稀溶后再用气弹爆破清洗，罐槽内的油泥、稀溶剂、沉淀硬质垢在气弹爆破清洗的作用下形成同质液体油泥浆从罐槽低点排污口排出，无低点排污口可用泵抽出。然后进行油、渣、水分离处理并循环再利用。

值得指出的是清洗原油储罐时，所用的气源应为氮气。清洗时气动弹选用大功率的108mm及B108mm两种弹头。

图4-43储罐清洗