空穴射流技术在管道清洗中适用性分析

空穴射流技术在管道清洗中的适用性分析摘要：本文对空穴射流方式的原理和装置进行了详细介绍，并通过双一联1号计量间掺水管线的清洗试验，总结了空穴射流方式的适用范围：通球管道和垢质疏松的管道。

主题词：空穴射流；管道；清洗；脉动

1前言

空穴射流方式是最近几年发展起来的一种管道清洗技术，应用的主要技术是空化原理，即流体在压力和特定设备的作用下，形成大气泡或空腔，发生爆炸，形成强烈的声波、震动源和瞬时的高温，对周围的物质施加压力和融解热，从而达到清洗管道的目的。与pig （清管器）清洗、酸洗等方式相比，空穴射流方式具有环保、节水、省时、高效、低成本、无腐蚀、清洗速度快及质量高等特点，在石化、煤矿、化工、船舶和交通等行业的管道清洗作业中，得到广泛的推广与应用。

2010年，在双一联合站试验应用空穴射流方式对1#计量间掺水管线进行清洗，对其适用性进行评价。

2 空穴射流方式的系统组成

基于空化射流的管道清洗系统，主要是由控制、脉动装置，堵塞装置，喷射装置，喷杆与喷嘴组件的安装、对齐及插入装置等部分构成。

控制、脉动装置1主要是用来控制给水、脉动等工作，即一方

面供给清洗用水（或清洗液），另一方面使水产生脉动，使管中产生声波。风琴管2主要作用是产生压力波，形成空化现象。堵塞块3用来临时堵住被清洗的管子的另一端，保证在管子中填入不可压缩的静态清洗液柱，保持额定的压力，导致空化的产生。堵塞块在压力增加到超过额定的压力级时，从管子中排放出来。

3 孔穴射流方式的清洗机理

3.1空化的微射流清洗作用

空化现象发生在结垢物或管内壁表面处，所形成的空化泡闭合时是不对称的，它起初呈球形，继而迅速地进行不对称收缩，形成一个流速较大、指向固体表面的液体射流，在物体表面或其附近形成高压区。由于空化泡破裂时产生的巨大能量集中作用在许多非常小的面积内，从而在四周局部区域产生极高的集中应力，对固体表面形成巨大的冲击作用，产生垢质局部表面破坏，对垢质进行剥蚀，使管内壁被彻底清洗。

3.2 空化的压力脉动清洗作用

通过液体中驻波的产生，在液体中形成无数微小的泡沫。在压力脉动下，泡沫不停地被压缩与释放，在液体中产生振动。空化效应产生不同的频率振动，通过液体传至污物及管子，由于管子与污物是不同的材料组成，且决定它们固有频率的结构也不同，为此，激发污物与管子以不同的频率振动，从而打破了污物吸附在管子上的粘合力，使垢质变得疏松、易于清除。

3.3 空化的其它清洗作用

气泡发生的爆裂还可以产生局域高温，使垢质中熔点较低的物质软化、分解，促使微射流清洗作用的加剧。

4 双一联掺水管线清洗试验

双一联合站、双二联合站地区油井产液中钙、镁、铁离子含量高，设备、管线结垢速度快，垢质比较坚硬，已严重影响到生产的正常运行。如双一联掺水出户管线为φ89×4.5，1＃计量间的出户管线已全部被垢质堵死，只能通过新建旁通管线才能保证生产运行。2＃计量间的掺水管线流通能力（瞬时流量）由早期的41m3/h 下降为29m3/h，2009年11月18日下午4：00左右总掺水汇管通往2#计量间的管线因垢质脱落，发生堵塞，造成终点掺水压力由1.75mpa降为0.5mpa，导致21口油井停产，在处理事故时，发现掺水干线出户管的内径由原来的80mm缩小为40mm。2010年9月，双二联2＃、3＃输油泵在启泵时烧毁，泵解体后发现泵叶轮上结了厚厚的垢质，造成启泵时负荷增大。因此，研制一种经济，快速的管道清洗技术也就越来越迫切。

2010年6月，应用空穴射流方式对1#计量间掺水管线进行清洗。该管线于2003年建成投产，规格为φ89×4.5，全厂1176m，为非通球管道。

4.1 清洗前的准备工作

4.1.1双一联地区计量间掺水、回油管线均为非通球管道，风琴

管和堵塞装置在管道内极易发生卡堵，因此准备电焊车2台及相应规格的管线50m。

4.1.2 清洗过程中的排除液含杂质较多，不能直接进入系统，需用罐车拉运至质量安全环保部制定的回收点，故准备8m3罐车2台。

4.2 清洗过程

4.2.1 分别将起、止点管线截断1-1.5m，以便在起点植入风琴管和堵塞装置，并从末点排出。

4.2.2 将风琴管和堵塞装置植入掺水管线起点，通过高压泵往掺水管线中注入掺水（含油污水），推动风琴管和堵塞装置前进。排出的污水和杂质用罐车拉运。该过程持续时间为3.5h，拉运污水3罐共24m3，风琴管未发生卡堵现象。

双二联1＃计量间掺水管线容积为5.91m3。则试验过程中，风琴管推进速度为0.58m/s，高压泵一共注入污水24m3，堵塞装置漏失量为24-5.91＝18m3。

4.2.3 手工清除首末端阀门及管线中的垢质。

4.2.4 对首末段管线进行恢复并恢复生产。

整个清洗过程历时7.3h。

调查1＃计量间油井投产情况，油井数基本没有变化，掺水量应该是相当的。从试验数据看，清洗后计量间掺水压力为1.55mpa，而没有达到投产时的1.75mpa，因此空穴射流没有达到完全的清洗

效果。

分析原因，有以下几点原因：

（1）双一联地区油井产液中钙、镁、铁离子含量高，垢质较坚硬，空穴射流产生的力量不足以将垢质完全冲洗下来。

（2）双一联地区掺水管线为非通球管道，为防止管线卡堵，风琴管和堵塞器选取过小，削减了空穴射流产生的力量。

5 提高空穴射流清洗效果的措施

通过现场试验和分析，为了提高空穴射流管道清洗装置的清洗效果，可以从如下几个方面考虑。

（1）在空穴射流对管道清洗时，从泵到喷嘴上游的液流应尽可能为流线形，液流应尽可能为层流。为了促使在喷嘴的输出侧产生边界层流，应尽可能配有一个高压空气集流管与喷嘴相连，并选取合适口径的风琴管和堵塞器，促使空化效应的产生，提高清洗效果。

（2）在清洗液流中加入软磨料（如聚合体等）、表面活性剂或清洗剂，可以提高清洗的速度和效果。这是由于空化效应产生的振动波能使固态颗粒在液体中产生声共振，高速碰撞垢质，提高清洗效果。

（3）控制清洗液的温度也可以改善对污管的清洗效果。由于环境温度增加，空穴的内爆过程也就越慢，因此，能通过冷却清洗液加强清洗效果。

此外，改变静压、清洗液及气体种类等，空穴内爆的强度也被