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(3)往复泵的工作性能 往复泵的较大排出压力仅取决于泵本身的动力、强度和密封性能。机动往复泵的流量几乎与排出压力无关，图3.6所示为机动往复泵在恒转速下的特性。只是在压力较高时，由于液体中所含气体溶于液体中、阀及填料漏损等原因，使泵流量稍有变化。因此，往复泵不能用关闭出口阀调节流量。关闭排出阀时，会因排出压力急增而造成电机过载或泵的损坏。

图3.6 机动往复泵特性
(4)高压住复泵的类型 高压柱塞泵品种繁多，性能范围为压力0.4～2500MPa、流量5～1668L/min的高压泵上千种，适用性强。
①3W、3P型电动往复泵。卧式三联高压电动往复泵。在常温下输送清水或无腐蚀件乳化液，可作为液水乳化液压机的动力源。在清洗行业中用于水力清砂、水力除锈、水力采煤及洗涤剂料浆输送方面。用作移动式设备的高压水动力装置，适合于做断续作业的高压水射流装置的动力机械以及清洗机和切割机配套用动力机械。
性能范围：流量0.3～78m3/h，压力4.5～70MPa。
②Ds、DY、DT型电动往复泵。3Ds型是卧式三缸高压电动往复泵。适用于各种压力加工的水力传动设备，如水压机等。也可供化工、石油精练、采矿、造纸、食品等工业作为高压设备给水之用。输送介质可为乳化液、油及清水等。3DT型泵除有上述功能外，还可输送特殊介质，如有腐蚀性的介质。3D5C型是差动式三缸高压电动往复泵。
性能范围：流量0.2～160 m3/h，压力0.3～40MPa。
③3D、5D、6D、DK 3D型是卧式三联高压电动往复泵，用于输送腐蚀性液体及高温液体。5D型卧式五联高压电动往复泵，用于输送高压水、注水等工艺。6D型是卧式六型高压电动往复泵，主要输送乳化液及清水。
性能范围：流量0.5～96 m3/h，压力0.2～70MPa。
④3S3、3H、5ZB、3DL型电动往复泵，3 S3型泵主要用于石油厂矿的注水工程，能满足多种工艺要求。3H、3DI型是高压柱塞泵。5ZB是卧式五柱塞泵。3DL、5DL是立式柱塞泵，主要用于油田柱水，也可作为水力活塞泵、地面泵和热采锅炉给水泵。
性能范围：流量1.34～89 m3/h，压力7～44MPa。
⑤WCB超高压泵。卧式柱塞**高泵，主要用作高压容器及**高压容器的液压试验和爆破试验，以及管路、阀门的液压试验，还可以提供水压机作动水源。
性能范围：流量0.015～0.12 m3/h，压力200～1000MPa。
⑥HDP系列高压、**高泵。有1000多种组合序列的产品以满足各种不同的需求，用于所有的工业行业。标准系列的整装泵单元包括固定式、移动式以及拖车牵引式的单元。
性能范围：流量5～1668L/min，压力1.5～250MPa。
⑦SY、SSY、3DY、DSY型试压泵。5Y系列为手动试压泵，DSY系列为电动试压泵，3DY型是高压试压泵。该泵系供各类压力容器、管道、阀门和蒸汽锅炉等作水压试验和实验室中获得高压、**高压液体的设备。还用于各类高压软管、气瓶等作爆破试验。
性能范围：流量15～1050L/h，压力1.6～200MFa。
⑧J系列标准型计量泵。分微、小、中、大、特大五种机座。液力端结构分柱塞、隔膜两种型式。该系列适用于计量输送温度为-30～100℃，黏度为0.3～800mm2/s，不含固体颗粒的腐蚀成非腐蚀性液体。在运行状态下可以任意调节流量；还可以按要求配备电控或气控流量调节装置用于自动化生产线及远距离操作。
性能范围：流量0～30000L/h，压力0～50MPa。
3.4高压管路
高压水射流系统中使用的管路有硬管与软管。硬管使用耐高压的钢管；软管为液力系统**的高压软管。
（1）高压钢管
①无缝钢管。其耐高压、变形小、耐油、抗腐蚀能力强，装配时不易弯曲，多用作高压水射流系统中的固定管路。无缝钢管有冷拔和热轧两种。冷拔无缝钢管的几何尺寸准确，质地均匀、强度高。压力小于8MPa的高压水系统推荐使用10号冷拔无缝钢管；压力太子8MPa的系统推荐使用15号冷拔无缝钢管。在中高压系统中，可根据管路通过的流量和压力大小，从有关手册中选用。
②不锈钢管。在高压水射流系统中，喷嘴直径很小，一般都在0.5mm左右。任何锈蚀污物泥人流动介质中都会引起喷嘴堵塞。因此，要求管道必须具备很强的抗锈蚀能力。国产33CrNi3MoV不锈钢管输送油介质效果尚好，但用于水介质不能满足要求。新研制的17-4PH沉淀硬化不锈钢管具有很高的强度和硬度，耐腐性能根强，焊接性能较好，高温下强度不会陡降，适宜于作为**高压水射流系统的管材。
③管件。高压水射流系统管路中的高压接头应采用同一型号的高压锥状接头，压紧螺套应使用螺纹连接在管子上。弯头、三通、四通、变径接头等在整个系统中，宜使用同一厂家助产品。
（2）高压软管
用于连接高压水系统中有相对运动的组件，使用方便，并能吸收系统中的冲击和振动。高压软管由夹有钢丝的耐油橡胶制成，缠绕钢丝一般有1～3层。由于制造工艺复杂、成本高，在固定组件之间一般不采用。
高压软管又称**高压钢丝缠绕塑料软管。国产高压软管分A型与B型两种规格。通径从5～12.5mm共五个系列，全部采用扣压式接头。可在-40～+110℃温度范围内工作，工作压力可达196MPa，并正在开发350～380MPa的高压软管。在冶金矿山、石油化工、航空**、船舶车辆、起重设备、工程机械以及高压喷涂、高压清洗等方面有着广泛的用途，并能用来输送非极性溶剂，如烃、脂类，低级醉等流体。
高压软管的软管芯为合成纤维管。软管包覆材料韧性收缩率大，用合金钢丝缠绕软管，包覆紧固，在软管切断时缠绕的钢丝也不能弹开。高压管出厂前要在1.25倍的工作压力下进行静压试验。
高压软管与两端的管接头称为软管总成。总成长度除有标准规格之外，可按用户要求确定。软管总成还可使用快速扣压式管接头。高压软管只有如下特点：管接头轻便，色彩鲜艳，内壁光滑，气密性好，连接牢固，抗滑脱力强，无泄漏现象，耐酸、耐碱、耐油、耐腐蚀、质量可靠。

图3.7 高压软管使用压力与寿命的关系
近年来，新材料的使用，提高l 软管的工作压力，而磨料射流可采用较低的工作压力，从而拓展了高压软管的使用范围。高压系统中软管的使用在很大程度上取决于使用场合。实际使用的工作压力以及软管布置的曲率半径都会影响高压软管的使用寿命(见图3.7和图3.8)。

图3.8 高压软管曲率半径与压力的关系

3、离心泵的类型
①D型节段式多级离心泵。用于输送水或物化性质类似于水的不含固体颗粒无腐蚀的液体，输送介质的温度不得**过80℃。
性能范围：流量6.3～580m3/h，扬程50～1800m。
②PJ型多级矿用排水泵。用于输送80℃以下清水及物化性质类似于水的其他液体。
③XD、MP、WY—25LD、BS型多级离心消防泵。用于输送80℃以下的清水或物化性质类似于水的液体。适用于高层建筑、民用住宅楼群等建筑群消防工程。
性能范围：流量0～162m3/h，扬程较大252m。
④DG型锅炉给水泵。输送液体同前，使用温度高压泵可达150℃。
性能范围：流量3～440m/h，扬程36～1680m。
⑤G型高压多级离心泵。输送介质为清水或腐蚀性不强的油品及石油化工产品，输送介质温度为130℃。
性能范围：流量20～254m3/h，扬程318～1260m。
⑥W型污水泵。用于输送80℃以下的污水、粪便以及带有纤维或悬浮物的液体，悬浮团块尺寸不**过泵出口直径的80％，WGF和WDF型泵还适用于输送含有腐蚀性的污水，适合化工部门输送化学浆液之用。
性能范围：流且3～585m3/h，扬程3. 2～42.5m。
⑦WL型立式污水泵。供输送含大颗粒、带长纤维等杂质的液体，适用于城市生活污水、工矿企业废水的处理以及用于输送泥浆、粪便、灰渣及纸浆等。
性能范围：流量10～780 m3/h，扬程5.2～49m。
⑧CLW型长轴立式杂污泵。用于输送固体颗粒，如氧化铁屑、砂、煤粉等坚硬的磨粒的污水介质；也可用于输送清水及物理化学性质与水相似的介质。被输送介质温度小于80℃；介质中含固体颗粒粒度10m。介质重量浓度15％。
性能范围：流量50～3200 m3/h，扬程21～60m。
3.3.2 高压往复泵
高压柱塞泵是现代工业常用的高压推动力设备，适用于高压水射流清洗工作，如冲洗、清沙、除锈、液体输送、液体传动、工程采掘以及材料切割等。
柱塞泵和活塞泵有许多的设计方案，柱塞泵是有密封装置的往复泵，而在活塞泵的设计中，密封装置是移动活塞的一个必要组成部分，因此柱塞泵是用得较多的一种泵。
往复泵通常由两部分组成。一端是实现机械能转换为压力能并直接输送液体的部分，称为液力端；另一端是动力或传动部分称为动力端。
由于往复式水泵比离心泵能输出较大的压力，故在排水量不大，而压力较高的场合通常用往复泵，并且往复泵流通部件简单。以上特点正是高压水射流清洗系统所需要的。
(1)往复泵的性能参数
①往复泵的流量。往复泵的理论流量是单位时间内活塞所排出的液体体积，等于活塞工作面在吸人行程中单位时间内在泵缸中扫过的体积，是泵的理论平均流量。

式中，QT为理论平均流量，m3/min；A为活(柱)塞工作面积，m2；S为活(柱)塞行程，m；i为缸数；n为转数(往复次数)，r/min。
泵的实际流量Q与理论流量QT之比称为流量系数，用表示：

式中，ΔQ是泵内实际的流量损失。ΔQ由两部分组成，一部分是液体通过各密封点由高压侧向低压侧的泄漏，以表示，这部分流量损失要消耗能量。因此，将泵的实际流量与泵内接受能量的液体量()之比称为泵的容积效率：

另一部分流量损失是由于缸内有少量气体占去了泵缸容积，这些气体是漏入缸内或由液体带人缸内的，在高压下液体的可压缩及泵缸弹性变形等原因，也使泵的流量减少，以表示。这部分流量损失几乎没有能量损失，用充满系数表示。

流量系数值一般在0.8～0.99之间。
②往复泵的功率。有效功率计算方法与离心泵相同。

式中，Ne为有效功率，kW；Q为泵的实际流量，m3/s；H为泵的实际扬程，m；为液体的密度，kg/m3；g为重力加速度，g＝9.81m/s2。轴功率N为

式中，η为泵的效率，机动往复泵η=0.6～0.9；蒸汽往复泵η=0.8～0.95。
(2)往复泵的运行特点 往复泵的瞬时流量是不均匀的。单缸泵的流量脉动与活塞的加速度有相同的波形。多缸泵的瞬时流量等于同一瞬时各缸瞬时流量之和。
由于瞬时流的脉动，引起吸入相排出管路内液体的非匀速流动，从而产生加速度和惯性力，增加泵的吸人及排出阻力。吸入阻力使泵的吸入性能降低，排出阻力使泵及管路承受额外负荷。
如果排出管路细长，系统背压不够大时，脉动的惯性力可能引起吸人和排出同时打开，造成液体直接由吸入管冲向排出管的过流现象，还引起管路压力脉动及管路振功、破坏泵的稳定操作。
在柱塞泵系统中减小压力脉动的方法如下。
①采用多缸泵或无脉动泵。多缸泵的流量变化情况见图3.2。双缸凸轮泵是一种无脉动泵，可用凸轮的形状与两凸轮的相位消除往复泵的压力脉动。
②使系统有效扬程大于排出终了时的惯性能水头，以免出现过流现象。
③在靠近泵进出口管路上设置空气室，或加装流阻、节流器、蓄压器的组合，可以减小管路上液流脉动，改善管线振荡。
④避免水锤效应。如前所述，水锤效应与流速变化有关。某一点的dv/dt越大，压力变化就越大。增大吸入管直径，压力脉动就减小。同时还可以减噪声与汽蚀效应。管线系统的长度也可能导致危险。如果使用单一吸入管，它的基本周期是4L/C，恰好与流量谐和函数的一个周期接近，就会发生强烈的压力脉动。在管线中引进具有不同波速的橡皮软管也会起很大的减振作用。
2.5高压水射流除垢的应用标准
在油田生产运用中，旧油管的检测、修复再利用给企业带来巨大经济效益，节约了开支，因而对油管的表面质量也提出了较高的要求，必须对油管表面的氧化皮、污垢、锈蚀等彻底的清除，以满足作业的要求，涂覆于油管表面的油漆和保护涂层的性能，在很大程度上取决于涂装前材料的表面状态。其中主要的因素有锈蚀和氧化皮、表面的污垢（盐份、油脂、灰尘等）以及表面粗糙度。
为了提供评定这些因素的方法和对获得洁净油管表面的预处理方法提供指导并指出每种方法达到规定洁净等级的效力，国内外有关部门经过大量的实验研究和统计分析，对钢铁表面的锈蚀等级、采用不同方法达到的预处理级别制定了相应标准。其中有：
ISO 8501 -2006 表面清洁度的目视评定;
ISO8502 - 2006表面清洁度的评估试验;
ISO8503 -2006 喷砂清理后的钢材的表面粗糙度特性。
ISO8501-2006适用于涂装前采用诸如喷射清理、手工和动力工具清理以及火焰清理方法处理过的热轧钢材表面。但这些方法，尤其是喷射清理方法也适用于具有足够厚度、能抗因磨料冲击或动力工具除锈操作而引起变形的冷轧钢材，也适用于除了残余氧化皮之外还牢固地粘附着残余油漆和其他异物（如可溶于水的盐分、焊渣等）的钢材。所以对于油管水射流清洗洁净度评判标准可以采用ISO 8501-2006。
ISO 8501-2006规定的预处理等级由除垢作业之后表面外观状况的文字描述以及典型样板照片共同定义。不同的预处理方法采用相应的字母表示，如Wa—喷射清理。在代表预处理方法类别的字母后面有阿拉伯数字，则表示清除氧化皮、油、油脂、铁锈和原有涂层的程度。
五初始表面条件被定义：
喷射清理的钢材表面的情况下，将其中三个初始表面条件*DC A，DC B和DC C，在DC A、DC B、DC C的情况下，涂用防护涂料系统，并且涂料已经退化。另外两种初始表面条件，*DPI和DPZ的，并且被*为自喷射清理，其油管表面氧化铁预制引物底漆（DP I）或硅酸锌底漆（DP Z）。。
以喷射方式进行的表面预处理，以字母“Wa”表示，其预处理等级的意义为：
Wa1 轻度喷射清理：在不放大的情况下进行观察时，表面应无可见油脂和污垢，并且没有附着不牢的氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。
Wa2 彻底喷射清理：在不放大的情况下进行观察时，表面应无可见油脂和污垢，并且几乎没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。任何残留物应是牢固附着的。
Wa21/2非常彻底的喷射清理：在不放大的情况下进行观察时，表面应无可见油脂和污垢，并且没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。任何残留的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色斑。


清洗标准附图如下：

DC A DC A Wa 1

DC A Wa 2 DC A Wa 2½

DC B DC B Wa 1

DC B Wa 2 DC B Wa 2½

DC C DC C Wa 1

DC C Wa 2 DC C Wa 2½

DP I DP I Wa 1

DP I Wa 2 DP I Wa 2½

DP Z DP Z Wa 1

DP Z Wa 2 DP Z Wa 2½



三 高压水射流清洗新技术
3.1现役高压水系统存在的问题及新系统
3.1.1现役高压水系统存在的问题
随着科学技术的发展，高压水射流及机械钻通、刮削等环保清洗技术得到了广泛应用，为了满足结垢、锈皮油管的清洗要求，引进了高压水射流清洗新技术。该技术具有高效、节能、环保、清洗成本低、设备通用性强等优点，也存在着高压动态密封不稳定，导致出水系统漏失量大，泵效低等问题。高压泵额定排出压力为70MPa,但实际排出压力仅达40MPa~50MPa，排出压力低，出水动能小，直接导致清洗质量不稳定、清洗一次合格率低(仅为62% )、清洗范围小(仅能清洗一般结垢油管)，因此结垢、锈皮严重的油管，被结垢物和化学物堵实的油管无法实现高压水清洗。采用单一的高压水射流清洗时，压力必须达到70MPa以上才能清洗干净，甚至有些特硬厚水垢需要150MPa以上的高压水才能清洗干净，在这么高的压力下工作，对工人的安全操作是一个很大的考验。而采用单一的钻通刮、削技术或者刷洗技术，虽然清洗效果较好，但是清洗效率较低。

或
式中： x——靶距，即计算截面至喷嘴出口截面间距离，mm；
X——量纲为1的靶距，为x／d；
d——喷嘴出口直径，mm；
——量纲为1的射流扩展直径，为D/d
D——射流扩展直径，mm；
b——射流扩展半径，为D／2；
K、——与喷嘴结构有关的试验系数。
2、射流基本结构与特性
如图2.3所示,一般水射流的结构在沿射流长度上可分为四个阶段：紧密段、核心段、破裂段、水滴段。

图2.3 射流结构示意图
紧密段紧靠喷嘴出口，处于紧密状态，透明清晰，因与空气产生摩擦，射流表面出现波纹，这种波纹的幅度随射流离开喷嘴的距离而增大。当喷嘴出口压力增大时，射流速度也增大，在脉动速度及旋涡的作用下，紧密段因表面波纹波幅加大而破裂，紧密段随压力的增加有逐渐缩短的趋势。
射流离开喷嘴一段距离后，在其与环境介质间所形成的边界层上存在着较大的速度差，由此面产生一个垂直于射流轴心方向的力，在这些力及射流内部湍流波动的联合作用下，产生了射流流体与环境介质间的质量与动量交换，使得射流表面出现波状分离，其具体构成及波长变化依赖于射流排出工况。射流流体与环境介质的质量及动量交换过程也即是射流的传播与扩散过程。射流的扩散首先开始于射流表面，逐渐向轴心发展，因而，在距喷嘴一定距离内就形成丁一个锥形的等速流核区。等速流核区内射流的轴向动压力、流速及密度基本保持不变。
紧密段结束端面至等速流核心区消失的截面间的一段射流即为射流核心段。核心段射流的核心部分仍保持初始喷射速度，呈紧密状态。由出口端面至核心段结束也称起始段，在起始段内等速流核区外的区域均为射流混合区。
射流起始段后较长一段射流为射流破裂段，一般边称基本段。在经过起始段后，由于气体动力、惯性力、黏性力和表面张力等各种力相互作用的综合结果，连续的射流液柱较终分裂破碎成为形状各异的分散团块。该段内射流表面破碎为水滴，射流中心内紧密状态破碎为大块水团，并且射流轴向流速及动压力逐渐减少，随离开喷嘴距离的增大，水团渐渐变小，较终全部变成水滴。在垂直于轴心的截面上，轴向动压力与流速自较大值迅速减至边界上的较小值，如图2.4所示。同时，该段内射流仍保持完整，并且有紧密的内部结构。不同的射流状态可产生不同的分裂形式，其决定因素是喷射速度。

图2.4 射流轴心动压沿程变化规律
——轴心动压
——起始段轴心动压
x——射流距出口的距离
——射流起始段长度
射流基本段后即为射流水滴段(消散段)。此时，射流与环境介质已完全混合，射流轴向速度与动压力相对较低。如在大气中，射流将吸入大量空气，射流的整个断面被空气隔离成水滴状，射流则已变成水滴与空气的混合物或雾化，整个流动呈现出气——液两相流的流动特征。
2.4.3射流喷嘴结构对射流特性的影响
喷嘴是水射流设备的重要元件，它较终形成了水射流工况，同时又制约着系统的各个部件。它的功能不但是把高压泵或增压器提供的静压转换为水的动力，而且必须让射流具有优良的流动特性和动力特性。同时，喷嘴又是射流清洗、破碎与切割等工艺的执行元件，喷嘴的完善是成套射流设备技术水平提高的重要标志之一。研究和工程实践表明，喷嘴几何形状、结构参数等，对射流的性能具有重要影响。
从有效射流作业和节能降耗的角度来看，较为理想的喷嘴应符合以下要求：
1、喷嘴射的水束应能将压力有效地转化为对射流表面的喷射力；
2、喷嘴具有较小的流动阻力，喷出水束受卷吸作用力小，并保持射流稳定，以利于对射流表面的作用；
3、喷嘴不易发生堵塞；
4、在保证一定射流效果下，尽可能地降低水耗。
喷嘴的结构参数几何参数一般主要包括喷嘴喷孔的直径、喷孔的长径比、喷嘴的入口角等。通常喷嘴的直径d取决于射流流量与压力，是设计的原始数据。对于射流清洗喷嘴，其喷孔形状不一定为圆形，因此本设计选用喷孔面积代替直径作为喷嘴设计的主要参数之一。在这些几何参数中，需要优选的有喷嘴收缩角α和喷孔的长径比L/d。
（1）喷孔直径 喷孔的直径是喷嘴设计时首要选定的重要参数，也是确定其他参数的依据。一般情况下，喷孔直径的大小主要是考虑水耗的大小和喷孔是否有堵塞的危险。孔径大，水耗就增加，堵塞的危险也就减少；孔径小，水耗小，堵塞的危险增大。综合上述两个方面，在设计时，孔径的选择通常以降低水耗为主，取较小值。
（2）喷孔长径比 喷孔长径比是影响喷射状态的另一个重要参数。它直接影响到喷嘴的流动阻力、流量系数等。它的大小决定了喷孔属薄壁孔还是厚壁孔，从而使经过喷孔的水流具有不同的流动状态。根据流体力学原理，厚壁孔具有较高的流量系数，因此具有较高的压力能转化为喷射能的效率。通常长径比L/d=2~4。
（3）喷嘴收缩角 喷嘴收缩角α是决定喷嘴流动阻力的主要因素。收缩角较大的喷嘴其入口流动阻力较小。
2.4.4射流水力参数
射流清洗的水力参数主要有水射流速度、理论喷嘴流量、实际喷嘴流量、射流功率和单喷嘴射流反冲力。
表2.4 水射流水力参数
名称
公式
备注
理论喷嘴流量/(L/MIN)

实际喷嘴流量/(L/MIN)

射流功率/w