CN113976553B - 一种基于冰浆喷射的管道清洗装置及其清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于冰浆喷射管道清洗装置及其清洗方法，所述清洗装置包括高压水管以及固定在高压水管出水口端部的喷头；所述喷头与高压水管转动连接；所述喷头顶端封闭且呈圆弧形；所述喷头侧壁上开有至少三个贯穿侧壁的柱形孔道；孔道的轴线与喷头中轴线呈倾斜设置；与喷头中轴线呈倾斜设置的孔道在喷出高压冰浆时使喷头相对高压水管发生转动。本发明装置利用在管道中旋转前进的喷头，使得冰浆可以从旋转喷头中喷射出来，从而实现快速有效且均匀的清洗掉管道内壁上沉积物的效果。

Description

一种基于冰浆喷射的管道清洗装置及其清洗方法
技术领域
本发明涉及一种基于冰浆喷射的管道清洗装置，还涉及上述装置的管道清洗方法。
背景技术
给水、污水等管道长期使用后，管道内壁会存在沉淀物、锈蚀物、黏垢以及生物膜等污染物，从而导致管内径变小、水量不足、供水不畅，增加供水压力的问题；在给水管道中还可能引起水质恶化、产生二次污染等问题，对人的身体健康构成威胁，故需经常对管道内壁进行清洗。
目前使用的管道物理清洗方法主要有单向冲洗法、高压射流冲洗法、机械刮管法和气压脉冲清洗法，每种方法都有各自的缺点和不足之处。单向冲洗法：打开供水管网中指定位置的消防栓进行清洗。局限是每次冲洗需要大量的用水，并且在对大管径管道进行冲洗时，由于很难达到所需的流速，因而不适宜采用。高压射流冲洗法：通过高压水发生装置将水加压至数百个大气压以上，再通过具有细小孔径的喷射装置转换为高速的微细“水射流”。局限是仪器操作复杂、技术要求高、清洗距离较短、耗水量多，清洗时间长。机械刮管法：有机械刮管法和弹性冲管器法两种，靠清管器对管壁的磨擦和卷扫作用，使结垢和锈蚀脱离管壁；其次是管道中水产生的冲刷作用可以将没有刮下来的顽固部分进行二次冲洗。局限是对管道内壁的防护层伤害较大、清洗时间长、清洗效率低，变径和复杂管线处无法清洗。气压脉冲清洗法：使管道内流态变为紊流，产生水锤对管壁生长环造成较大的冲击作用。局限是对锈瘤的清洗效果不佳，对水压、气压，气量的控制要求高。
冰浆，也被称作流化冰、泵送冰，是一种含有冰颗粒与水混合的固液两相流。通常所说的冰浆，是由直径不超过1mm的冰颗粒构成的，冰晶微小圆润。近些年，随着蓄冷技术的发展，冰浆被逐渐用于冰蓄冷空调中，由于其可以被泵送，在工业管道清洗中开始崭露头角。冰浆作为管道清洗的介质，主要是因为其良好的通过性和可以被泵送的特点。传统的冰浆清洗技术只是将冰浆送至需清洗的管道入口，利用水压推动冰浆向前移动清洗管道，这种方式冰浆在管道中易上浮，导致管道清洗不均匀、管道内壁压力不足、不同管径的管道清洗效果不同的问题。
发明内容
发明目的：本发明其中一个目的是提供一种对管道各处清洗均匀、冰浆利用率高且清洗过程中无冰浆上浮问题的管道清洗装置；本发明另一目的是提供上述装置的管道清洗方法。
技术方案：本发明所述的基于冰浆喷射管道清洗装置，包括高压水管以及固定在高压水管出水口端部的喷头；所述喷头与高压水管转动连接；所述喷头顶端封闭且呈圆弧形；所述喷头侧壁上开有至少三个贯穿侧壁的柱形孔道；孔道的轴线与喷头中轴线呈倾斜设置；与喷头中轴线呈倾斜设置的孔道在喷出高压冰浆时使喷头相对高压水管发生转动。
其中，当孔道数量为三个时，三个孔道对应在喷头内壁上圆的圆心位于同一水平面上，对应在喷头外壁上圆的圆心位于同一水平面上。三个孔洞沿圆周方向均匀分布在喷头上。
其中，当孔道数量为六个时，六个孔道对应在喷头内壁上圆的圆心位于同一水平面上，对应在喷头外壁上圆的圆心位于同一水平面上，六个孔洞沿圆周方向均匀分布在喷头上；或者其中三个孔道对应在喷头内壁上圆的圆心位于同一水平面上，另三个孔道对应在喷头内壁上圆的圆心位于同一水平面上，两个平面上下平行。
管道内径为100～300mm时，孔道数量是三个；管道内径为300～500mm时，孔道数量是六个。
其中，孔道的轴线与高压水管的轴线呈45°夹角设置，冰浆从孔道喷出方向与高压水管前进方向呈135°夹角。
孔道的轴线与高压水管的轴线呈45°夹角时，冰浆从孔道喷出方向与高压水管前进方向呈135°夹角，使得喷射出的冰浆与管轴平行以及与管轴垂直的两个反作用力分力大小相等，与管轴垂直的分作用力产生使喷头绕管轴线旋转的力矩。若夹角小于45°，冰浆从孔道喷出方向与高压水管前进方向的夹角更大，从而使得喷射出来的冰浆经历更长的距离到达管道内壁，削弱了冰浆的剪切力，进而使得垂直于管轴的反作用力更小，旋转力矩减小，喷头旋转不够快。若夹角大于45°，冰浆从孔道喷出方向与高压水管前进方向的夹角更小，从而使得喷射出来的冰浆经历更短的距离到达管道内壁，加强了冰浆的剪切力，进而使得垂直于管轴的反作用力更大，旋转力矩增大，喷头旋转加快，容易降低与喷头相连的螺母元件和轴承元件的使用寿命。
其中，所述喷头包括连接区和喷射区，连接区通过轴承与高压水管转动连接；流线型喷射区呈圆锥状；喷射区的外径沿喷头前进方向依次递减。
其中，所述轴承包括带外螺纹的外圈以及与外圈转动连接的内圈，外圈与连接区通过内外螺纹固定连接；内圈固连有圆螺母，圆螺母通过内外螺纹与高压水管端部固定连接。圆螺母与圆螺母用止动垫圈配用，作为滚动轴承的轴向固定。
其中，还包括水泵、冰浆运输车、水质检测装置和污水井；高压水管的进水端通过水泵与冰浆运输车连接，高压水管带喷头端伸入待清洗管道的一端开口，清洗废水从管道另一端开口流出，流入水质检测装置，经水质检测装置检测后，废水通过污水井排入污水管道中。
上述装置的管道清洗方法，具体包括如下步骤：
(1)将整条待清洗管道隔离分段清洗，隔离后每段管道长度不超过50m；
(2)关闭管道进水总阀以及与其他管道的连接阀门，将高压水管带喷头端伸入管道的一端开口，启动水泵，冰浆由高压水管进入喷头，再由喷头上的孔道喷出；对于管径为100～300mm的管道，水压为0.13MPa，冰浆从孔道喷出时的喷射速度为2m/s；对于管径为300～500mm的管道，水压为0.2Mpa，冰浆从孔道喷出时的喷射速度为3m/s；
(3)清洗废水从管道另一端开口流出，流入水质检测装置，经水质检测装置检测后，废水通过污水井排入后续污水管道中；如果水质检测装置不合格，则重复步骤(1) ～(3)，直至水质检测装置检测合格；
(4)当该段管道清洗完成后，继续重复步骤(1)～(3)，直至整条管道全部清洗完成。
清洗完成后，对于污水管道，直接用污水冲洗，把管道内清洗下来的铁渣、泥沙等全部带出管道；对于给水管道，用消防带连接消防栓，用大量的自来水冲洗清洗完成的管道，直至管道内清洗下来的铁渣、泥沙等被全部带出管道，当管道内水质达到饮用水标准时即可判断清洗达标。
对于100～500mm管径的管道来说，本发明装置中喷头整体呈空心子弹头形状，喷头上开有若干个贯穿喷头侧壁的柱形孔道，孔道与喷头中轴线向下倾斜设置，喷头末端与轴承的外圈固定连接；使用水泵将冰浆泵入高压水管，冰浆在高压水管中以一定的流速到达喷头时从各个孔道中喷出，根据动量守恒原理，在水泵的压力下，冰浆从孔道向后高速喷出，与管壁产生摩擦，一方面可以通过冰浆与管垢的接触与高速喷射产生的切割力，将管垢清离管道内壁，同时喷出的水流产生反作用力，推动喷头旋转并前进。具体来说，孔道的轴线与喷头中轴线呈45°夹角，使得冰浆从孔道喷出方向与高压水管前进方向呈135°夹角，这种倾斜喷射冰浆的设计使得喷射出的冰浆的反作用力与管轴不平行，在与管轴平行的方向和与管轴垂直的方向均可产生分力，从而产生使喷头绕管轴线旋转的力矩。多个孔道同时喷射冰浆，于是整体上会让喷头在管道中前进的同时还可以进行旋转，带动轴承外圈旋转，而轴承内圈固定，可以使高压水管在管道中稳定前进而不旋转；旋转喷射的冰浆有效解决了现有冰浆清洗管道方式中冰浆上浮的问题。
有益效果：相比于现有技术，本发明的显著效果为：本发明装置利用在管道中旋转前进的喷头，使得冰浆可以从旋转喷头中喷射出来，从而使冰浆能够均匀地喷向管道内壁各处，利用喷头的喷射强度，结合冰浆的撞击刮擦以及水流的剪切多种作用力清洗管道，实现快速有效且均匀的清洗掉管道内壁上沉积物的效果，解决了传统冰浆清洗技术由于冰浆上浮存在的管道清洗不均匀、管道内壁压力不足的问题；同时，本发明装置有效提高了冰浆的利用率，进而节省冰浆使用量，通过喷头旋转高速喷出的冰浆比直接流过管道内部的冰浆对于管道各个点的清洗更加均匀，因此在利用相同体积的冰浆的条件下，本发明装置可以在更短的时间内获得更好的清洗效果。
附图说明
图1为本发明管道清洗装置的原理图；
图2为子弹式喷头的结构示意图；
图3为高压水管与喷头的连接示意图；
图4为高压水管与喷头连接处的仰视图；
图5为图4沿A-A向的剖面示意图；
图6为止动垫圈和圆螺母的平面示意图；
图7为止动垫圈和圆螺母的结构示意图；
图8为孔道数量为六个时喷孔截面示意图；
图9为孔道数量为三个时喷孔截面示意图。
具体实施方式
如图1～7所示，本发明基于冰浆喷射的管道清洗装置，包括高压水管4以及固定在高压水管4出水口端部的喷头1；喷头1与高压水管4转动连接；喷头1顶端封闭且呈圆弧形；喷头1侧壁上开有至少三个贯穿侧壁的柱形孔道11，柱形孔道11的内径为5mm，孔道11的长度为8.5mm(孔道轴线延长线不与喷头中轴线相交，各个孔道轴线的延长线也不相交于一点，所以孔道的长度不等于喷头的壁厚)；孔道11的轴线与喷头1中轴线呈45°夹角设置，冰浆从孔道11喷出方向与高压水管4前进方向呈135°夹角；与喷头1中轴线呈45°夹角设置的孔道11在喷出高压冰浆时使喷头1相对高压水管4发生转动。
如图9所示，当孔道11数量为三个时，三个孔道11对应在喷头内壁1-1上圆的圆心位于同一水平面上，对应在喷头外壁1-2上圆的圆心位于同一水平面上。三个孔道11 沿圆周方向均匀分布在喷头1上。
对于管径为100～300mm的管道，喷头1上同一水平面上开设三个孔道11；其中，每个孔道11的轴线与喷头1中轴线呈45°夹角；相邻孔道11对应在内壁上的圆的圆心到喷头1中轴线的垂线之间的夹角为120°，孔道11对应在内壁上的圆的圆心到喷头1 中轴线的垂线与该孔道11对应在外壁上的圆的圆心到喷头中轴线的垂线之间的夹角为 30°；喷头1内径为22mm，壁厚为5mm，可计算得到孔道11长度为8.5mm。
如图8所示，当孔道11数量为六个时，六个孔道11对应在喷头内壁1-1上圆的圆心位于同一水平面上，对应在喷头外壁1-2上圆的圆心位于同一水平面上。六个孔道11 沿圆周方向均匀分布在喷头1上。
对于管径为300～500mm的管道，喷头1上同一水平面上开设六个孔道11；其中，每个孔道11的孔轴线与喷头1中轴线呈45°夹角；相邻孔道11对应在内壁上的圆的圆心到喷头1中轴线的垂线之间的夹角为60°，孔道11对应在内壁上的圆的圆心到喷头1 中轴线的垂线与该孔道11对应在外壁上的圆的圆心到喷头中轴线的垂线之间的夹角为 30°。
喷头1整体呈空心子弹头形状，喷头整体高度为50mm，喷头1包括连接区1-3和喷射区1-4，连接区1-3内侧壁上设有内螺纹23，连接区1-3通过轴承与高压水管4 转动连接；流线型喷射区1-4呈圆锥状；喷射区1-4的外径沿喷头前进方向依次递减。喷头前端(喷射区1-4)高度为24mm。
轴承包括带外螺纹3的外圈7以及与外圈7转动连接的内圈10，外圈7与连接区 1-3通过内外螺纹固定连接；内圈10固连有圆螺母13，圆螺母13通过内外螺纹与高压水管4上端部的外螺纹I12固定连接。圆螺母13通过外止动耳14和内止动耳16使轴承内圈10轴向固定。
本发明基于冰浆喷射的管道清洗装置，还包括水泵18、冰浆运输车17、水质检测装置21和污水井22；高压水管4的进水端通过水泵18与冰浆运输车17连接，高压水管4带喷头端伸入待清洗管道的一端开口，清洗废水从管道另一端开口流出，流入水质检测装置21，经水质检测装置21检测后，废水通过污水井22排入污水管道中。
上述管道清洗装置管道清洗方法，具体包括如下步骤：
(1)，将整条待清洗管道隔离分段清洗，隔离后每段管道长度不超过50m；在每一段隔离管道的进水端和出水端分别设置进水口给水井19和出水口给水井20，设置进水口给水井19和出水口给水井20便于高压水管和喷头1从进水口给水井19处进入待清洗管道，以及废水通过出水口给水井20连接水质检测装置21；
(2)，关闭管道进水总阀以及与其他管道的连接阀门，将高压水管4带喷头端伸入管道24的一端开口，启动水泵18，冰浆由高压水管4进入喷头1，再由喷头1上的孔道11喷出；对于管径为100～300mm的管道，只需要0.13MPa的水压，即可使冰浆从孔道11喷出时的喷射速度为2m/s；对于管径为300～500mm的管道，水压为0.2Mpa，冰浆从孔道喷出时的喷射速度为3m/s；
(3)，清洗废水从管道24另一端开口流出，流入水质检测装置21，经水质检测装置21检测后，废水通过污水井22排入后续污水管道中；如果水质检测装置不合格，则重复步骤1～3，直至水质检测装置21检测合格；
(4)，当该段管道清洗完成后，重复步骤(1)～(3)，直至整条管道全部清洗完成。
清洗效果：a.清洗废水水样：在清洗过程中，如果收集到的废水水样的颜色由深逐渐变浅至透明，浑浊程度也由浑浊逐渐变得清澈，则说明清洗效果良好；b.清洗废水浊度变化：在清洗过程中，废水的浊度升高至峰值的过程即为清洗出污染物的过程，浊度降低的过程即为清洗即将结束的过程，浊度趋于0NTU时，则说明清洗结束，清洗效果良好；c.清洗前后水质变化：对比分析每段隔离管道采样点处清洗前后的浊度(NTU)、色度(度)、铁含量(mg/L)、细菌总数(个/L)、大肠菌群(个/L)、CODMn(mg/L)，若清洗后各段隔离管道采样点的以上水质指标相比于清洗前均有所下降，且均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的要求，则说明清洗效果良好。
现有冰浆清洗技术，是打开上游水阀，利用上游市政压力推动冰浆向前进行清洗，所需水压一般为0.28～0.3MPa。对于具有一定污染程度且长度为1m的管道来说，管径在100～300mm时，清洗所需冰浆量为2.2-19.1kg；管径在300～500mm时，清洗所需冰浆量为19.1-53kg；清洗出污染物的质量为35kg/km，清洗时间为0.4km/h。采用本发明清洗装置，水泵压力为0.13MPa，在清洗与上述污染程度相同长度也为1m的管道时，管径在100～300mm时，清洗所需冰浆量在1.8-15.6kg；管径在300～500mm时，清洗所需冰浆量为15.6-43.4kg，清洗出污染物的质量为44kg/km，清洗时间为0.5km/h。

Claims (7)

1.一种基于冰浆喷射的管道清洗装置，其特征在于：包括高压水管（4）以及固定在高压水管（4）出水口端部的喷头（1）；所述喷头（1）与高压水管（4）转动连接；所述喷头（1）顶端封闭且呈圆弧形；所述喷头（1）侧壁上开有至少三个贯穿侧壁的柱形孔道（11）；孔道（11）的轴线与喷头（1）中轴线呈倾斜设置；与喷头（1）中轴线呈倾斜设置的孔道（11）在喷出高压冰浆时使喷头（1）相对高压水管（4）发生转动；孔道（11）的轴线与高压水管（4）的轴线呈45°夹角设置，冰浆从孔道（11）喷出方向与高压水管（4）前进方向呈135°夹角；倾斜喷射冰浆使得喷射出的冰浆的反作用力与管轴不平行，在与管轴平行的方向和与管轴垂直的方向均产生分力，从而产生使喷头绕管轴线旋转的力矩；
对于管径为100~300mm的管道，水压为0.13MPa，冰浆从孔道喷出时的喷射速度为2m/s；对于管径为300~500mm的管道，水压为0.2Mpa，冰浆从孔道喷出时的喷射速度为3m/s；
在水泵的压力下，冰浆从孔道向后高速喷出，与管壁产生摩擦，通过冰浆与管垢的接触与高速喷射产生的切割力，将管垢清离管道内壁，同时喷出的水流产生反作用力，推动喷头旋转并前进。
2.根据权利要求1所述的基于冰浆喷射管道清洗装置，其特征在于：当孔道（11）数量为三个时，三个孔道（11）对应在喷头内壁（1-1）上圆的圆心位于同一水平面上，对应在喷头外壁（1-2）上圆的圆心位于同一水平面上；三个孔道（11）沿圆周方向均匀分布在喷头（1）上。
3.根据权利要求1所述的基于冰浆喷射管道清洗装置，其特征在于：当孔道（11）数量为六个时，六个孔道（11）对应在喷头内壁（1-1）上圆的圆心位于同一水平面上，对应在喷头外壁（1-2）上圆的圆心位于同一水平面上，六个孔道（11）沿圆周方向均匀分布在喷头（1）上；或者其中三个孔道（11）对应在喷头内壁（1-1）上圆的圆心位于同一水平面上，另三个孔道（11）对应在喷头内壁（1-1）上圆的圆心位于同一水平面上，两个水平面上下平行。
4.根据权利要求1所述的基于冰浆喷射的管道清洗装置，其特征在于：所述喷头（1）包括连接区（1-3）和喷射区（1-4），连接区（1-3）通过轴承与高压水管（4）转动连接；流线型喷射区（1-4）呈圆锥状；喷射区（1-4）的外径沿喷头前进方向依次递减。
5.根据权利要求4所述的基于冰浆喷射的管道清洗装置，其特征在于：所述轴承包括带外螺纹的外圈（7）以及与外圈（7）转动连接的内圈（10），外圈（7）与连接区（1-3）通过内外螺纹固定连接；内圈（10）固连有圆螺母（13），圆螺母（13）通过内外螺纹与高压水管（4）端部固定连接。
6.根据权利要求1所述的基于冰浆喷射的管道清洗装置，其特征在于：还包括水泵（18）、冰浆运输车（17）、水质检测装置（21）和污水井（22）；高压水管（4）的进水端通过水泵（18）与冰浆运输车（17）连接，高压水管（4）带喷头端伸入待清洗管道的一端开口，清洗废水从管道另一端开口流出，流入水质检测装置（21），经水质检测装置（21）检测后，废水通过污水井（22）排入污水管道中。
7.基于权利要求6所述装置的管道清洗方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）将整条待清洗管道隔离分段清洗，隔离后每段管道长度不超过50m；
（2）关闭管道进水总阀以及与其他管道的连接阀门，将高压水管带喷头端伸入管道的一端开口，启动水泵，冰浆由高压水管进入喷头，再由喷头上的孔道喷出；对于管径为100~300mm的管道，水压为0.13MPa，冰浆从孔道喷出时的喷射速度为2m/s；对于管径为300~500mm的管道，水压为0.2Mpa，冰浆从孔道喷出时的喷射速度为3m/s；
（3）清洗废水从管道另一端开口流出，流入水质检测装置，经水质检测装置检测后，废水通过污水井排入后续污水管道中；如果水质检测装置不合格，则重复步骤（1）~（3），直至水质检测装置检测合格；
（4）当该段隔离管道清洗完成后，继续重复步骤（1）~（3），直至整条管道全部清洗完成。
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