燃氣管道自進式旋轉射流解堵工藝研究

摘 要

摘要：針對燃氣管道中堵塞較為嚴重或管壁存在堅硬的垢層、銹層時，傳統解堵方式難以達到清洗或解堵效果的情況，提出了自進式旋轉射流解堵工藝，對關鍵設備——自進式旋轉
摘要：針對燃氣管道中堵塞較為嚴重或管壁存在堅硬的垢層、銹層時，傳統解堵方式難以達到清洗或解堵效果的情況，提出了自進式旋轉射流解堵工藝，對關鍵設備——自進式旋轉噴頭的關鍵參數展開了研究，得出了計算公式。
關鍵詞：自進式旋轉射流；自進式旋轉噴頭；解堵；清管
Technology Study on Blockage Removal in Gas Pipeline with Self·feeding Rotating Jet
Zou Weiqin，TAN Hongbing，GE Zhaolong，ZHANG Wenfeng
Abstract：It is difficult for traditional blockage removal methods to achieve cleaning or blockage removal effect when gas pipeline is seriously blocked or hard scaling layer and rust exist on gas pipe wall.A blockage removal technique using self-feeding rotating jet is proposed.The parameter of the key device，self-feeding rotating nozzle，is studied，and the calculation formula is obtained.
Key words：self-feeding rotating jet；self-feeding rotating nozzle；blockage removal； cleau-up pipeline
1 概述
   作為清潔高效的綠色能源，燃氣在工業和民用方面使用越來越廣泛[1～2]。燃氣的管道輸送以其安全、可靠、環保、損耗率低、輸送成本低、受外部影響小等優點，已成為主要輸送方式[3]。但由于燃氣中含有雜質[4]，隨著時間的推移，會在管道壁結垢或對管道產生腐蝕，使得管道有效通徑變小，加大輸送阻力甚至堵塞管道，影響燃氣輸配系統的正常運行。
    常用的管道解堵方式有：利用管網自身壓力吹掃的清管法、壓縮空氣吹掃的清管方法、清管球清掃法、開孔清理法[5]。傳統方法對于粉塵造成的輕度堵塞較為有效，但存在鐵銹或萘等化合物在管壁形成堅固的垢層時，以上方法存在清理不徹底或無法滿足解堵要求等問題。
    針對這一問題，本文提出利用自進式旋轉射流清理管道的工藝，并對該工藝中的關鍵設備——自進式旋轉噴頭的關鍵參數展開研究。
2 設備及工藝簡介
2.1 自進式旋轉噴頭
    自進式旋轉射流解堵工藝的關鍵設備為自進式旋轉噴頭，其結構見圖1。

自進式旋轉噴頭可以分為前后兩個部分。噴頭前部安裝正向噴嘴，分為軸心和周邊兩種，其中軸心噴嘴1個，周邊噴嘴均布3個。周邊的正向噴嘴與噴頭軸心呈一定的偏轉角度，射流噴出后產生的反作用力推動噴頭前部旋轉，形成旋轉射流。軸心的正向噴嘴破碎和推動管道中心的垢層。反向噴嘴根據實際情況安裝在反向噴嘴流道上，從反向噴嘴噴出的射流所產生的反沖力提供噴頭前進的動力，故自進式旋轉噴頭無需其他動力即可在管道中自行前進。反向噴嘴還能輔助排除破碎的垢層。
2.2 工藝
    將堵塞段管道的上、下游閥門關閉，制定合適的放散方案對燃氣進行放散。根據管道特點，選取地勢較低的地點，向管道內注水，對燃氣進行置換。放散點和注水地點要選取合適，防止管道內殘留燃氣。置換完畢后關閉放散管。選擇長度及管徑合適的高壓軟管，將其與高壓泵及自進式旋轉噴頭相連，組成解堵系統。將堵塞段管道與上、下游管道斷開，選取地勢較高的一端放入自進式旋轉噴頭，以減小自進式旋轉噴頭自進的阻力。開啟高壓泵對管道進行清洗、解堵。排污管及上、下游管道接口均作為排渣口。單次清洗沒達到清管要求時，可拖動高壓軟管，進行重復清洗。達到清管要求后，從放入口將高壓軟管及自進式旋轉噴頭取出。將放散管打開，通過注水口注水，用水置換管道內的空氣。之后將管道與上下游管道相連。關閉放散管，開啟排污管及管道上游閥門，利用管道燃氣的壓力排出管網中的水及經破碎后的殘余垢層。排污口附近需要做好現場的安全措施，派專人警戒，排污口前后方200m、左右100m禁止煙火，不允許人畜及機動車輛通過。
    自進式旋轉射流解堵工藝通過旋轉射流對管壁進行清洗，具備傳統高壓水射流解堵工藝的優點[6]。旋轉噴頭每旋轉一周，都有數道水射流作用于垢層，使得垢層受到類似低頻的沖擊動力。在低頻的沖擊動力作用下，淹沒環境下的水墊效應大大降低，提高了射流的清洗效率。同時，垢層在低頻的沖擊動力作用下，更加容易松動脫落。旋轉射流清洗管壁具有清洗效率高、清洗能力強、不損傷管壁等優點。
3 正向噴嘴參數計算
    自進式旋轉射流解堵工藝通過旋轉射流破碎垢層，旋轉噴頭的性能直接影響了清洗、解堵效率。旋轉噴頭的旋轉動力來自水射流本身，其特殊結構使射流產生的反沖力充當了動力源，此反沖力與壓力、流量有關，而它形成的扭矩取決于噴嘴的安裝位置和角度。為了使射流不霧化，并延長在同一點的打擊時間，提高清洗能力，必須使噴頭在一定范圍內勻速轉動，故射流反沖力產生的動力矩與噴頭的摩擦阻力矩必須達到平衡。
3.1 噴頭的摩擦阻力矩
    分析旋轉噴頭結構可知，產生摩擦阻力矩的部位主要為動靜環接觸面及軸承兩個部位。
3.1.1動靜環接觸面產生的摩擦阻力矩
    摩擦阻力矩產生在密封靜環和密封動環的接觸面上，摩擦阻力矩的大小與密封靜環和密封動環的材質、加工精度、接觸面端面壓力等有關。動靜環受力圖見圖2。
 

高壓水推力為：
 
式中F——高壓水對靜環的推力，N
    D2——主軸流道內徑，m
    D1——靜環內徑，m
    p——高壓水壓力，Pa
動靜環接觸面壓力為：
 
式中p1——動靜環接觸面壓力，Pa
    D3——靜環外徑，m
   在靜環密封端面微面積dA上作用的正壓力為：
    dFN=p1dA    (3)
式中FN——動靜環接觸面上的正壓力，N
    A——動靜環接觸面積，m2
   單位微面積上產生的摩擦力為：
    dFf=ffdFN    (4)
式中Ef——動靜環接觸面上的摩擦力，N
    ff——動靜環接觸面摩擦系數
經計算，動靜環接觸面摩擦阻力矩為：
 
式中Mf——動靜環接觸面上的摩擦阻力矩，N·m
    D——微圓環的直徑，m
3.1.2推力球軸承產生的摩擦阻力矩
    由圖1可知，旋轉噴頭內部有2個滾針軸承、2個推力球軸承。其中滾針軸承主要防止主軸偏轉，受到的作用力較小，故滾針軸承上產生的摩擦阻力矩可以忽略不計。高壓水對靜環沿噴頭軸線的推力經過傳遞，作用在推力球軸承上，故推力球軸承上的正壓力與高壓水對靜環的推力相等。則推力球軸承上的摩擦阻力矩為：
    Mq=fqFRq    (6)
式中Mq——推力球軸承摩擦阻力矩，N·m
    fq——推力球軸承摩擦系數
    Rq——推力球軸承的半徑，m
聯立式(1)～(6)可得，總摩擦力矩為：
 
式中Msum——總摩擦阻力矩，N·m
3.2 噴頭的動力矩
    為保證正向噴嘴能提供旋轉動力，需使得正向噴嘴與軸心呈一定的距離r且與軸線呈一定的偏轉角度θ。
    射流產生的反沖力為[7]：
    Fj=1.57d2p    (8)
式中Fj——射流反沖力，N
    d——正向噴嘴直徑，m
   射流提供的動力矩為：
    M=nrFjsinθ    (9)
式中M——射流提供的動力矩，N·m
    n——正向噴嘴(周邊噴嘴)的數量
    r——噴嘴距軸心的距離，m
    θ——正向噴嘴與旋轉噴頭軸心的偏轉角度
    根據動力矩和摩擦阻力矩平衡關系，聯立式(7)～(9)，即可計算出正向噴嘴的直徑、安裝位置及角度。
4 反向噴嘴參數計算
    自進式旋轉噴頭通過反向噴嘴產生的反作用力推動噴頭前進，反向噴嘴的參數與自進式噴頭的自進能力密切相關。為防止反向噴嘴沖擊高壓軟管，需使得其與軸線呈一定的張角α。
    推進力由反向噴嘴提供，其沿軸向的推力為：
    F1=1.57n1d12pcosα    (10)
式中F1——反向噴嘴提供的推力，N
    n1——反向噴嘴數量
    d1——反向噴嘴直徑，m
    α——反向噴嘴與旋轉噴頭軸心所成的張角
    系統阻力由正向噴嘴產生的反沖力及高壓軟管、自進式旋轉噴頭與燃氣管道壁面的摩擦力組成。由于充滿水的高壓軟管質量遠大于自進式旋轉噴頭，故自進式旋轉噴頭與燃氣管道壁面的摩擦力可以忽略不計。正向噴嘴產生的反沖力為：
    F2=1.57nd2pcosθ+1.57d2p    (11)
式中F2——正向噴嘴產生的反沖力，N
    高壓軟管與燃氣管道壁面的摩擦力為：
    F3=μLmg    (12)
式中F3——高壓軟管與燃氣管壁的摩擦力，N
    μ——滑動摩擦系數
    L——預計清洗長度，m
    m——單位長度高壓軟管充滿水時的質量，kg/m
    g——重力加速度，m/s2
    根據推進力與阻力平衡關系，聯立式(10)～(12)，即可得出反向噴嘴的相關參數。
5 結論
    ① 提出了自進式旋轉射流解堵工藝，該工藝適用于燃氣管道中堵塞較為嚴重或管壁存在堅硬的垢層、銹層時清洗解堵。
② 對自進式旋轉解堵的關鍵設備——自進式旋轉噴頭的相關參數展開了研究，得出了相關參數的計算公式。
參考文獻：
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[4] 張興梅，吳瑩，伍清曄.煤氣管道萘堵塞問題的研究[J].煤氣與熱力，1999，19(3)：23-25.
[5] 段武榮.城市中壓燃氣管道堵塞的清管方法[J].煤氣與熱力，2011，31(4)：B40-B41.
[6] 李根生，馬加計，沈曉明，等.高壓水射流處理地層的機理及試驗[J].石油學報，1998，19(01)：96-100.
[7] 楊博凱.煤層自進式旋轉鉆頭的設計與實驗研究(碩士學位論文)[D].重慶：重慶大學，2010：5-27.
 
(本文作者：左偉芹1、2 譚宏兵3 葛兆龍1、2 章文峰1、2 1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室 重慶 400030；2.重慶大學 復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯合工程實驗室 重慶 400030；3.中石油西南油氣田分公司采氣工程研究院 四川廣漢 618300)