劉 爽，林澤泉，張 磊，韓留紅，應(yīng) 紅，高玉柱，費(fèi)克勛

（蘇州熱工研究院有限公司，蘇州２１５００４）

    摘 要：介紹了基于湍流粒子運(yùn)動(dòng)的管道內(nèi)壁除銹和基于多相流的涂料噴涂的技術(shù)原理，計(jì)算得出旋風(fēng)法的單次處理長(zhǎng)度和其他主要工藝參數(shù)的適用范圍，并以國(guó)內(nèi)某核電站飲用水管道系統(tǒng)旋風(fēng)法除銹為例，詳細(xì)介紹了施工過(guò)程、設(shè)備組成、除銹工藝和處理效果。結(jié)果表明：基于多相流原理的旋風(fēng)法管道防腐技術(shù)可以有效解決管道內(nèi)壁的腐蝕問(wèn)題，延長(zhǎng)管道使用壽命。

關(guān)鍵詞：旋風(fēng)法；管道；除銹；噴涂；多相流工程上一般將直徑５００ｍｍ以下的管道概括為小口徑管道［１］。碳鋼、鑄鐵等材料的管道經(jīng)長(zhǎng)期使用后內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)腐蝕和積污問(wèn)題，影響管道的水流通量，甚至出現(xiàn)堵塞或腐蝕穿孔等問(wèn)題［２］。由于口徑過(guò)小，小口徑管道的腐蝕綜合治理是世界級(jí)難題。

    目前，對(duì)在役管道的清理與修復(fù)技術(shù)可主要分為５類(lèi)：化學(xué)法（酸洗等）、振動(dòng)法（超聲波等）、電磁法（電擊、磁化等）、襯套法（穿插軟、硬管等）、機(jī)械法（內(nèi)置工具、機(jī)器人等）［３］。前３種方法對(duì)管道只有清理疏通的功能，但無(wú)改造、強(qiáng)化的功能，且存在化學(xué)殘留、清理不徹底、無(wú)法在內(nèi)壁涂覆涂層等缺點(diǎn)。后２種方法對(duì)管道不僅有清理疏通功能，還有改造、強(qiáng)化功能，能進(jìn)行管道內(nèi)壁涂層的涂覆，但難以克服管道轉(zhuǎn)彎、管道變徑、管道垂直、小口徑管道等４大難題，因而在實(shí)際應(yīng)用中受到很大局限［４］。

    基于多相流原理的旋風(fēng)法管道防腐蝕處理技術(shù)克服了上述缺點(diǎn)，不僅能對(duì)管道進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物清理，還能對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行涂膜處理，達(dá)到較好的腐蝕治理效果。本工作基于多相流理論對(duì)旋風(fēng)法技術(shù)原理進(jìn)行分析，得出各關(guān)鍵工藝參數(shù)的計(jì)算方法，并以國(guó)內(nèi)某核電站飲用水管道系統(tǒng)旋風(fēng)法除銹為例，詳細(xì)介紹了施工過(guò)程、設(shè)備組成、除銹工藝和處理效果，論證了旋風(fēng)法應(yīng)用的可行性，總結(jié)了該技術(shù)的特點(diǎn)。

１ 原理

１．１ 概述

根據(jù)流體力學(xué)原理可知，對(duì)于實(shí)際流體，如水、空氣，當(dāng)Ｒｅｙｎｏｌｄｓ數(shù)（雷諾數(shù)）小于某一臨界值時(shí)，流動(dòng)是平滑的，稱(chēng)作層流。當(dāng)Ｒｅｙｎｏｌｄｓ數(shù)大于臨界值時(shí)，流動(dòng)呈無(wú)序的混亂狀態(tài)，稱(chēng)為湍流。湍流帶有旋轉(zhuǎn)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，即湍流渦。

旋風(fēng)法技術(shù)基于上述原理，大量空氣加載著石英砂等磨料，在管內(nèi)連續(xù)渦旋湍流運(yùn)動(dòng)條件下，對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行打磨，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的除銹、除垢。

１．２ 除銹原理

    根據(jù)氣動(dòng)噴砂相關(guān)技術(shù)要求可知，推薦噴砂氣源壓力區(qū)間為０．５５～０．７５ＭＰａ，磨料尺寸為０．２～２ｍｍ，磨料采用鋼砂或石英砂［５］。

    采用旋風(fēng)法除銹時(shí)，設(shè)計(jì)入口壓力為０．７５ＭＰａ，則出口前管內(nèi)壓力不應(yīng)小于０．５５ＭＰａ，才能保證除銹效果［６］。對(duì)于可壓縮流體，可根據(jù)修正的伯努利方程求出口速率，如式（１）所示。

    式中：狏２ 為氣體出口速率，ｍ／ｓ；狆１ 為管道入口壓力，取 ０．７５ ＭＰａ；狆２ 為 管 道 出 口 壓 力，?。埃担担停校?；ρ２ 為平均氣體密度，?。叮矗耄纾恚?；γ為絕熱膨脹系數(shù)，?。保?。

將各參數(shù)帶入式（１）進(jìn)行計(jì)算，考慮到出口最大臨界速率為聲速，則最終狏２ ?。常矗埃恚?。管道內(nèi)的損失為沿程和局部?jī)刹糠?，其邊界條件是出口壓力不低于狆２。根據(jù)式（２）計(jì)算旋風(fēng)法一次可處理管道的極限長(zhǎng)度。計(jì)算結(jié)果表明，旋風(fēng)法一次可處理管道的極限長(zhǎng)度約為３５００倍直徑，考慮一定裕量，推薦處理長(zhǎng)度?。玻埃埃氨吨睆健?/span>

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，取０．０１；ξ為局部損失系數(shù)，全部局部損失按０．００５狀估算；狀為彎頭數(shù)量；犔為旋風(fēng)法一次可處理管道的極限長(zhǎng)度；犇 為管道直徑；犵為重力加速度。

采用旋風(fēng)法除銹時(shí)，除了入口氣壓、所能處理管道的極限長(zhǎng)度，還應(yīng)考慮儲(chǔ)氣罐的容積大小。其邊界條件是除銹完成后儲(chǔ)罐壓力不低于狆２。儲(chǔ)氣罐的容積滿(mǎn)足式（３）。

    式中：犞 為所需儲(chǔ)罐容積，ｍ３；犃 為待處理管道截面積，ｍ２；ρ１ 為入口氣體密度，?。福福耄纾恚?；ρ２ 為平均氣體密度，?。叮矗耄纾恚常沪眩?為出口氣體密度，取１．３ｋｇ／ｍ３；狏２ 為氣體出口速率，?。常矗埃恚?；狋為吹掃持續(xù)時(shí)間，?。保?。

經(jīng)計(jì)算，式（３）可簡(jiǎn)化為式（４）。

    一次可處理管道的極限長(zhǎng)度、儲(chǔ)氣罐的容積及管道直徑均為旋風(fēng)法除銹的關(guān)鍵工藝參數(shù)，其關(guān)系如式（４）所示。

１．３ 涂膜原理

    旋風(fēng)法涂膜的原理主要是基于氣液兩相流的環(huán)狀流流型選擇。為了使涂料能夠較好地涂覆在管道內(nèi)壁，應(yīng)盡量保證管內(nèi)的流型為環(huán)狀流［７］。

對(duì)于垂直上升管，應(yīng)滿(mǎn)足環(huán)狀流的邊界條件

    式中：jｇ，jｆ 分別為氣相折算速率和液相折算速率，其計(jì)算式如式（６）和式（７）所示；ρ′是液相涂料密度；ρ″是氣相空氣密度。

    式中：犞′為液相體積流量；犞″為氣相體積流量；狏′為液相平均速率；狏″為氣相平均速率；犃 為管道截面積；δ為液相截面高度（涂層厚度）。對(duì)于水平管，應(yīng)滿(mǎn)足環(huán)狀流的邊界條件。

    以直徑為１００ｍｍ 的管道為例，旋風(fēng)法選用的環(huán)氧樹(shù)脂涂料密度為１．６７×１０３ ｋｇ／ｍ３，管內(nèi)壓縮空氣的平均密度為７．６ｋｇ／ｍ３，要求涂層厚度為５００μｍ，經(jīng)計(jì)算可得出涂料和氣體的流速條件為

    對(duì)于涂料的噴涂量，應(yīng)按照式（１０）進(jìn)行計(jì)算式中：κ為裕量系數(shù)，?。玻?。

２ 工藝描述

    以ＤＮ１００口徑的管道為例，對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。選定好該條管道的一個(gè)入口和一個(gè)出口，出入口之間的管道總長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)２０００倍的管道直徑，即２００ｍ 以?xún)?nèi)，并將沿途支管隔離封堵或增加一組操作器。將除銹操作器通過(guò)高壓耐磨橡膠管與管道的入口相連，管道的出口連接一個(gè)專(zhuān)用的廢物收集箱，用于收集清理出來(lái)的管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物、污水等。

    另外需要在操作器前連接一個(gè)無(wú)油空氣壓縮機(jī)和一個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)罐，給除銹裝置提供壓縮氣源。操作器及外部連接方式如圖１所示，儲(chǔ)氣罐的大小應(yīng)按照１．２所述過(guò)程進(jìn)行計(jì)算選取，選擇２０ｍ３ 氣源較為合適。

    操作時(shí)，打開(kāi)空氣壓縮機(jī)，使壓縮空氣儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力達(dá)到０．７５ＭＰａ以上。按一定流程進(jìn)行操作，完成管道的除銹、清理工作。除銹完成后，需要采用

    手動(dòng)方式，保持主急停閥和主吹氣閥常開(kāi)，用壓縮空氣對(duì)管道持續(xù)吹風(fēng)３０ｍｉｎ以上，保證管道干燥，為管道內(nèi)壁涂層涂覆做好準(zhǔn)備。

    管道內(nèi)吹干后，采用手動(dòng)方式，關(guān)閉除急停閥以外的其他所有管道。將攪拌好的涂料由涂料加入口加入。由于裝置的出口端管道下沉４５°，故涂料會(huì)順流至下游管道，不會(huì)污染除銹裝置內(nèi)的其他管道。

    當(dāng)涂料加裝完畢，主氣壓力達(dá)到０．７５ＭＰａ以上時(shí)，用手動(dòng)方式緩緩打開(kāi)旁通閥，防止發(fā)生水錘效應(yīng)，待出口氣壓上升至０．５５ＭＰａ以上時(shí)，開(kāi)主吹掃閥，進(jìn)行第一次涂料噴涂。待主氣壓力降低到０．４ ＭＰａ以下時(shí)，關(guān)閉旁通閥和主吹掃閥。待主氣壓力恢復(fù)到０．７５ＭＰａ以上時(shí)，僅打開(kāi)主吹掃閥進(jìn)行第二次噴涂。如此反復(fù)，噴涂吹氣４～５次。

３ 實(shí)施案例

３．１ 處理對(duì)象

    國(guó)內(nèi)某核電站１、２號(hào)機(jī)組 ＭＸ 廠房?jī)?nèi)部ＳＥＰ系統(tǒng)飲用水管道的管長(zhǎng)約４００ｍ，管道直徑８０ｍｍ，保證旋風(fēng)法腐蝕治理效果，分３段處理，如圖２所示，單段長(zhǎng)度不超過(guò)２０００倍直徑。操作時(shí)，選定好待處理管道的一個(gè)入口和一個(gè)出口，將沿途支管隔離封堵。將除銹操作器通過(guò)高壓耐磨橡膠管與管道的入口相連，管道的出口連接一個(gè)專(zhuān)用的廢物收集箱，用于收集清理出來(lái)的管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物、污水等。

３．２ 處理設(shè)備

（１）空氣壓縮機(jī)：ＡＩＲＭＡＮＰＤＳＥ９００Ｓ型柴油空氣壓縮機(jī) １ 臺(tái)，排氣量 ２５ ｍ３／ｍｉｎ，工作壓力

０．８６ＭＰａ。

（２）儲(chǔ)氣罐：空氣儲(chǔ)氣罐２臺(tái)，容積１０ｍ３，設(shè)計(jì)壓力１．０５ＭＰａ，安全閥整定壓力０．８４ＭＰａ。

（３）旋風(fēng)操作器 １ 臺(tái)，收灰箱 １ 個(gè)，壓力表３個(gè)，減壓閥２個(gè)，漏斗３只。

３．３ 除銹效果

    以東環(huán)飲用水管道處理為例，內(nèi)徑為８０ｍｍ，管線長(zhǎng)度約為２０３ｍ，含有３４個(gè)彎頭。從圖３中可以看出，整條管線的腐蝕十分嚴(yán)重，腐蝕積污嚴(yán)重影響用水安全。由于東環(huán)管道最長(zhǎng)，且有大量腐蝕積污，所以將管道中間６ｍ 高度處的法蘭拆卸進(jìn)行分段除銹處理。北半段管道處理程序?yàn)椋盒L(fēng)除銹６次除去表面浮銹→旋風(fēng)中加入水除銹６次清污→旋風(fēng)中加入水和石英砂除銹２２次打磨管壁去污→旋風(fēng)中加入水和石英砂反向除銹２０次打磨管壁去污→旋風(fēng)中加入水除銹４次進(jìn)行清洗。南半段管道的彎頭曲率較小，所以?xún)H進(jìn)行單向除銹即可，處理程序?yàn)椋盒L(fēng)除銹６次除去表面浮銹→旋風(fēng)中加入水除銹６次清污→旋風(fēng)中加入水和石英砂除銹３０次打磨管壁去污→旋風(fēng)中加入水除銹４次進(jìn)行清洗。

除銹處理效果如圖４所示。從圖４中可以看出，管道內(nèi)的積污已基本去除，內(nèi)壁露出金屬底材，無(wú)松散細(xì)渣殘留。與除銹等級(jí)樣板對(duì)比可知，管道內(nèi)壁除銹等級(jí)已達(dá)到 ＤＳａ３ 級(jí)，符合內(nèi)壁涂膜要求。

３．４ 涂膜效果

    圖５為涂膜處理后ＳＥＰ系統(tǒng)飲用水管道內(nèi)壁照片，可以看出涂層均勻涂覆于管道上，未發(fā)生流掛現(xiàn)象，表面無(wú)明顯異物殘留，呈現(xiàn)旋風(fēng)法技術(shù)涂覆特有的波紋狀形貌。為檢查旋風(fēng)法技術(shù)涂膜處理效果，采用德國(guó)ＱＮｉｘ１５００涂層測(cè)厚儀對(duì)管道進(jìn)行表面涂層厚度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表１。

    從表１中可以看出，涂層厚度分布在３００～４５０μｍ。根據(jù)ＳＹ／Ｔ４０５７－２０００標(biāo)準(zhǔn)《鋼質(zhì)管道液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐層技術(shù)》中表２．０．１規(guī)定，鋼制管道加強(qiáng)級(jí)液體環(huán)氧涂料防腐蝕層的厚度應(yīng)大于２５０μｍ。因此，采用旋風(fēng)法技術(shù)涂覆涂層厚度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

４ 結(jié)論

    旋風(fēng)法技術(shù)作為一種非開(kāi)挖技術(shù)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可高效地對(duì)小口徑管道進(jìn)行內(nèi)壁積污清理與內(nèi)壁涂裝，從而解決管道內(nèi)壁的腐蝕問(wèn)題，并延長(zhǎng)管道壽期，其 技 術(shù) 特 點(diǎn) 如 下：可 非 開(kāi) 挖 處 理 １３～５００ｍｍ的各類(lèi)小口徑管道；不受彎頭、變徑、閥門(mén)等異形管段的影響；一次性工作長(zhǎng)度為幾十米至幾千米，效率高；可清理疏通管道，還可給管道內(nèi)壁涂覆涂層，提高防腐蝕能力。由于實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，使該技術(shù)具有一定的應(yīng)用空間。

    不能通球的海管提供了一種內(nèi)腐蝕評(píng)估方法。在海管運(yùn)行過(guò)程中可以對(duì)ＩＣＤＡ方法的結(jié)果進(jìn)行不斷循環(huán)校核，以提高ＩＣＤＡ的準(zhǔn)確性。