CN102764747B

CN102764747B - 基于激光冲击波技术的金属管道内壁除垢方法和装置

Info

Publication number: CN102764747B
Application number: CN201210226972.3A
Authority: CN
Inventors: 张兴权; 左立生; 余晓流; 张标; 王会廷; 李殿凯; 戚晓利; 黄志来; 王海荣; 石宝玉
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: MAANSHAN ANGONG UNIVERSITY INTELLIGENT EQUIPMENT TECHNOLOGY INSTITUTE Co.,Ltd.
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: CN102764747A

Abstract

本发明提供基于激光冲击波技术的金属管道内壁除垢方法和装置，属于激光冲击波加工技术领域。本发明采用激光能量吸收层涂覆在反射座表面，经优化激光脉冲束经导光系统沿着金属管件的轴线方向辐照到反射座表面的能量吸收层上，吸收层吸收激光能量后气化、电离，产生高压等离子体，高压等离子体在短时间内急速膨胀产生冲击波，作用于粘附在管道内壁表面的垢体上，使其发生断裂，并从金属管内壁上脱落下来，脱落的垢体随水及时排出。本发明不仅能对内径较大的管道进行除垢，而且也可以对管径较小的金属管进行除垢，本发明装置结构简单、易于推广使用，除垢过程所需的时间短，能耗少，并且具有效率高、无污染、节能环保的特点。

Description

基于激光冲击波技术的金属管道内壁除垢方法和装置

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于激光冲击波技术的金属管道内壁除去污垢方法和装置，该方法特别适合于清除固结在管道内壁的污垢等附着物。

背景技术

金属管道作为一种输送流体的部件已得到广泛应用，然而由于流体中含有杂质和外部因素的影响，管道在使用过程中容易在其内壁形成一层垢体，如石油冶金化工的热交换管、冷却管等。管道内壁结垢后，内径收缩，通流面积减小，导致流量变小，运送效率降低，运输成本增加，甚至还会使管道堵塞，引发安全事故，因此管道内壁的污垢必须要及时清除。目前常用的金属管道除垢方法主要有机械除垢、高压水射流除垢、化学除垢和火药冲击波除垢等。

机械除垢是使用刀具或其它机械装置除去管壁污垢，通常使用人工手持刀具刮削去除污垢；或者在管道内放置刀具，向管道输送流动介质作为推动刀具向前运动的动力，利用刀具对内壁的刮削作用以达到清除管内污垢。机械除垢的方法具有使用设备简单、操作简单、无污染等优点，但该方法一般适用于口径较大的管道除垢，对于小口径管、变径管等管道内壁的污垢，该方法除垢的效率较低，甚至难以奏效。

高压水射流法是以水为介质，通过高压装置，形成高压水，将压力能转化为水射流动能，通过专用喷头直接冲刷在金属管道内壁的垢体上，使之发生破裂，脱落，达到清洗除垢的目的。该方法的特点是以水为介质，不损坏和腐蚀金属管道，不污染环境，但对于粘结力很强的污垢难以清除干净，如热交换管道内壁固结的CaCO ₃ 之类的污垢，而且高压系统设备较为复杂，制造成本高，维修困难。

化学除垢是根据垢层的化学成分，选择合适的化学试剂将其注入到管道内，存放一段时间，使化学试剂和污垢充分反应，使垢体软化、溶解、脱落，再用水把管道冲洗干净。该方法在除垢过程中，由于化学试剂剂量难以精确控制，垢体的厚薄不均匀，化学试剂对污垢产生作用的同时，必然对管道有一定的腐蚀作用，而且垢层的化学成分不同，化学除垢剂成分不同，导致化学除垢工艺复杂，容易对环境造成污染。

火药冲击波除垢方法是利用火药产生的冲击波及高压气体直接传输给管道或容器，冲击波及高压气体作用于管道或容器壁，从而使垢体剥落。火药爆炸产生冲击波除垢的效率高，但该装置产生冲击波的作用的范围有限，且火药的药量难以精确控制，安全性较差。

发明内容

本发明针对现有除垢方法存在的上述技术问题，提供一种基于激光冲击波技术的金属管道内壁除垢方法和装置。

本发明所提供的一种基于激光冲击波技术的金属管道内壁除垢方法具体如下：

先在反射座13的端面涂上有效吸收激光能量的黑漆作为能量吸收层12，再将反射座13插入待除垢的金属管7内，根据待除垢体8的主要成分、金属管7的力学性能、金属管7的管壁厚度对激光脉冲参数进行优化，激光脉冲束3的功率密度为GW/cm ² 量级，激光脉冲束3直接辐照在反射座13的能量吸收层12上，能量吸收层12的材料气化形成高温高压高密度的高压等离子体11，高压等离子体11迅速膨胀而产生高压冲击波作用在管道内壁的垢体8上，形成了向其内部传播的应力波，当应力波压力峰值超过垢体材料的断裂极限时，垢体8碎裂并剥落，剥落后的垢体8随约束层水10从反射座13和金属管7内壁之间的间隙及时排出管外。

本发明所提供的一种基于激光冲击波技术的金属管道除垢装置包括激光器发生器1、导光系统、工件夹具系统和控制系统；其中所述导光系统包括导光管2、全反镜4、冲击头5，所述导光管2的一端连着激光发生器1，依次把激光发生器1、全反镜4和冲击头5连接起来，所述导光管2的另一端连接冲击头5并对着工件夹具系统；工件夹具系统包括水龙头6、金属管7、约束层水10、能量吸收层12、反射座13、管件夹持器9、导向支架16、水槽15、工作台14，水龙头6位于金属管7上方，反射座13插入待除垢的金属管7的内部，所述反射座13的直径要比金属管7的内径小，反射座13和金属管7内壁之间留有间隙，反射座13的端面上涂有黑漆作为能量吸收层12，约束层水10覆盖着能量吸收层12，反射座13的下端固定在水槽15底部，水槽15放置在工作台14上，金属管7通过管件夹持器9装夹在导向支架16上，导向支架16固定在工作台14上；控制系统包括计算机18和控制器17，计算机18通过控制器17控制管件夹持器9和工作台14的运动，计算机18通过控制器17控制激光发生器1发出的激光脉冲束3。

本发明的实施过程如下：

1、将金属管装夹在管件夹持器上，管件夹持器装夹在导向支架上，导向支架固定在工作台上；

2、把端部涂有黑漆作为能量吸收层的反射座插入金属管中，并调节反射座端部与金属管的相对位置；

3、打开水龙头，向金属管中注入水，根据管壁和反射座的间隙，调节水的流量大小，使水覆盖反射座表面的能量吸收层；

4、优化后的激光脉冲由激光发生器发出，经过导光系统辐照在吸收层上，产生的高压冲击波作用在金属管内壁的垢体上，使垢体破裂、剥落；

5、改变反射座与金属管的相对位置，在新位置上实行激光冲击波冲击，从而可实现较长金属管内壁整体除垢；

6、关闭水龙头，打开管件夹持器，取出金属管。

本发明的优点为：

1、由于脉冲激光参数受控可调，脉冲能量可从几焦耳调至几百焦耳，且精确可控，因而激光诱导的冲击波压力峰值精确可控，其最大值可高达几十个GPa，远超过垢体材料的断裂极限，因此可以对固结在管壁表面的任何坚硬的垢体实施冲击，使其剥落。

、由于激光光斑尺寸可根据金属管内径的大小来调整，操作简单方便，因此可以对大小不同的金属管进行除垢，具有较大柔性；水作为约束层，既增加了冲击波的峰值压力，延长了冲击波的作用时间，又可带走冲击后剥落的垢体，提高了除垢效率。

、本发明采用脉宽为ns量级、功率密度为GW/cm ² 量级的强激光沿金属管的轴线辐照在反射座的能量吸收层上，诱导激光冲击波除垢，不会对管壁的内表面产生机械损伤，激光冲击波在除垢的同时，也对金属管内表面进行了冲击强化，提高了金属管内表面的抗应力腐蚀能力。

、本发明装置结构简单，剥落的垢体随着流水从反射座和金属管内壁之间的间隙排出。除垢所需的时间短，效率高，不使用化学试剂，是一种节能环保型无污染的新技术。

附图说明

图1：本发明装置结构示意图。

图中：1：激光发生器；2：导光管；3: 激光脉冲束； 4: 全反镜；5: 冲击头；6: 水龙头；7: 金属管；8: 垢体；9: 管件夹持器；10: 约束层水；11: 高压等离子体；12: 能量吸收层；13: 反射座；14: 工作台；15: 水槽；16: 导向支架；17: 控制器：18: 计算机。

具体实施方式

本发明装置主要包括激光器发生器1、导光系统、工件夹具系统和控制系统。其中导光系统包括导光管2、全反镜4和冲击头5；工件夹具系统包括水龙头6、金属管7、约束层水10、能量吸收层12、工作台14、管件夹持器9、导向支架16、反射座13组成；控制系统包括计算机18和控制器17。

激光发生器1发出经过优化的激光脉冲束3，激光脉冲束3的参数由金属管7的垢体8的材料的成分、厚度，以及金属管7的内径大小及壁厚等因素共同决定。激光脉冲束3的模式可以是基模、多模等多种模式，由控制器17调节和控制。由激光发生器1产生的激光脉冲束3经导光管2和全反境4以及冲击头5和约束层水10，辐照在反射座13端面的能量吸收层12上。冲击头5内有聚焦镜，可以通过工作台14在竖直方向上的上下移动，改变冲击头5与反射座13的端面距离，从而可改变光斑直径大小。金属管7用管件夹持器9固定在导向支架16上，管件夹持器9的位置受控制器17控制，能够沿导向支架16上下移动，从而改变金属管7和反射座13的相对位置，导向支架16固定在工作台14上，反射座13固定于水槽15底部。工作台14可实现沿三个轴向移动，使激光脉冲束3的轴线和金属管7的轴线重合。

经导光系统输出的激光脉冲束3穿过约束层水10，辐照在覆盖在反射座13端面的能量吸收层12上，能量吸收层12吸收了激光脉冲束3的能量后，迅速气化、电离，形成高压等离子体11，高压等离子体11急速膨胀，产生高压冲击波，形成了向垢体8和金属管7内壁传播的应力波，当应力波的强度超过垢体8的断裂极限时，垢体8将会碎裂，并在拉伸应力波的作用下，从金属管内壁上脱落下来。

当金属管7内壁某一位置的污垢被清除干净后，管件夹持器9接受控制器17的指令，带动金属管件7移动，改变与反射座13的位置关系，在新的位置再进行激光冲击波除垢，直至整个金属管7内壁的污垢皆被清除干净。

Claims

1.基于激光冲击波技术的金属管道内壁除垢方法，其特征在于该方法具体如下：

先在反射座（13）的端面涂上有效吸收激光能量的黑漆作为能量吸收层（12），再将反射座（13）插入待除垢的金属管（7）内，根据待除垢体（8）的主要成分、金属管（7）的力学性能、金属管（7）的管壁厚度对激光脉冲参数进行优化，激光脉冲束（3）的功率密度为GW/cm ² 量级，激光脉冲束（3）直接辐照在反射座（13）的能量吸收层（12）上，能量吸收层（12）的材料气化形成高温高压高密度的高压等离子体（11），高压等离子体(11)迅速膨胀而产生高压冲击波作用在管道内壁的垢体（8）上，形成了向其内部传播的应力波，当应力波压力峰值超过垢体材料的断裂极限时，垢体（8）碎裂并剥落，剥落后的垢体（8）随约束层水（10）从反射座（13）和金属管（7）内壁之间的间隙及时排出管外。

2.一种实现权利要求1所述金属管道内壁除垢方法的除垢装置，其特征在于该装置包括激光器发生器（1）、导光系统、工件夹具系统和控制系统；其中所述导光系统包括导光管（2）、全反镜（4）、冲击头（5），所述导光管（2）的一端连着激光发生器（1），依次把激光发生器（1）、全反镜（4）和冲击头（5）连接起来，所述导光管（2）的另一端连接冲击头（5）并对着工件夹具系统；所述工件夹具系统包括水龙头（6）、金属管（7）、约束层水（10）、能量吸收层（12）、反射座（13）、管件夹持器（9）、导向支架（16）、水槽（15）、工作台（14），水龙头（6）位于金属管（7）上方，反射座（13）插入待除垢的金属管（7）的内部，所述反射座（13）的直径要比金属管（7）的内径小，反射座（13）和金属管（7）内壁之间留有间隙，所述反射座（13）的端面上涂有黑漆作为能量吸收层（12），约束层水（10）覆盖着能量吸收层（12），反射座（13）的下端固定在水槽（15）底部，水槽（15）放置在工作台（14）上，金属管（7）通过管件夹持器（9）装夹在导向支架（16）上，导向支架（16）固定在工作台（14）上；所述控制系统包括计算机（18）和控制器（17），计算机（18）通过控制器（17）控制管件夹持器（9）和工作台（14）的运动，计算机（18）通过控制器（17）控制激光发生器（1）发出的激光脉冲束（3）。