燃气管道自进式旋转射流解堵工艺研究

摘 要

摘要：针对燃气管道中堵塞较为严重或管壁存在坚硬的垢层、锈层时，传统解堵方式难以达到清洗或解堵效果的情况，提出了自进式旋转射流解堵工艺，对关键设备——自进式旋转
摘要：针对燃气管道中堵塞较为严重或管壁存在坚硬的垢层、锈层时，传统解堵方式难以达到清洗或解堵效果的情况，提出了自进式旋转射流解堵工艺，对关键设备——自进式旋转喷头的关键参数展开了研究，得出了计算公式。
关键词：自进式旋转射流；自进式旋转喷头；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
   作为清洁高效的绿色能源，燃气在工业和民用方面使用越来越广泛[1～2]。燃气的管道输送以其安全、可靠、环保、损耗率低、输送成本低、受外部影响小等优点，已成为主要输送方式[3]。但由于燃气中含有杂质[4]，随着时间的推移，会在管道壁结垢或对管道产生腐蚀，使得管道有效通径变小，加大输送阻力甚至堵塞管道，影响燃气输配系统的正常运行。
    常用的管道解堵方式有：利用管网自身压力吹扫的清管法、压缩空气吹扫的清管方法、清管球清扫法、开孔清理法[5]。传统方法对于粉尘造成的轻度堵塞较为有效，但存在铁锈或萘等化合物在管壁形成坚固的垢层时，以上方法存在清理不彻底或无法满足解堵要求等问题。
    针对这一问题，本文提出利用自进式旋转射流清理管道的工艺，并对该工艺中的关键设备——自进式旋转喷头的关键参数展开研究。
2 设备及工艺简介
2.1 自进式旋转喷头
    自进式旋转射流解堵工艺的关键设备为自进式旋转喷头，其结构见图1。

自进式旋转喷头可以分为前后两个部分。喷头前部安装正向喷嘴，分为轴心和周边两种，其中轴心喷嘴1个，周边喷嘴均布3个。周边的正向喷嘴与喷头轴心呈一定的偏转角度，射流喷出后产生的反作用力推动喷头前部旋转，形成旋转射流。轴心的正向喷嘴破碎和推动管道中心的垢层。反向喷嘴根据实际情况安装在反向喷嘴流道上，从反向喷嘴喷出的射流所产生的反冲力提供喷头前进的动力，故自进式旋转喷头无需其他动力即可在管道中自行前进。反向喷嘴还能辅助排除破碎的垢层。
2.2 工艺
    将堵塞段管道的上、下游阀门关闭，制定合适的放散方案对燃气进行放散。根据管道特点，选取地势较低的地点，向管道内注水，对燃气进行置换。放散点和注水地点要选取合适，防止管道内残留燃气。置换完毕后关闭放散管。选择长度及管径合适的高压软管，将其与高压泵及自进式旋转喷头相连，组成解堵系统。将堵塞段管道与上、下游管道断开，选取地势较高的一端放入自进式旋转喷头，以减小自进式旋转喷头自进的阻力。开启高压泵对管道进行清洗、解堵。排污管及上、下游管道接口均作为排渣口。单次清洗没达到清管要求时，可拖动高压软管，进行重复清洗。达到清管要求后，从放入口将高压软管及自进式旋转喷头取出。将放散管打开，通过注水口注水，用水置换管道内的空气。之后将管道与上下游管道相连。关闭放散管，开启排污管及管道上游阀门，利用管道燃气的压力排出管网中的水及经破碎后的残余垢层。排污口附近需要做好现场的安全措施，派专人警戒，排污口前后方200m、左右100m禁止烟火，不允许人畜及机动车辆通过。
    自进式旋转射流解堵工艺通过旋转射流对管壁进行清洗，具备传统高压水射流解堵工艺的优点[6]。旋转喷头每旋转一周，都有数道水射流作用于垢层，使得垢层受到类似低频的冲击动力。在低频的冲击动力作用下，淹没环境下的水垫效应大大降低，提高了射流的清洗效率。同时，垢层在低频的冲击动力作用下，更加容易松动脱落。旋转射流清洗管壁具有清洗效率高、清洗能力强、不损伤管壁等优点。
3 正向喷嘴参数计算
    自进式旋转射流解堵工艺通过旋转射流破碎垢层，旋转喷头的性能直接影响了清洗、解堵效率。旋转喷头的旋转动力来自水射流本身，其特殊结构使射流产生的反冲力充当了动力源，此反冲力与压力、流量有关，而它形成的扭矩取决于喷嘴的安装位置和角度。为了使射流不雾化，并延长在同一点的打击时间，提高清洗能力，必须使喷头在一定范围内匀速转动，故射流反冲力产生的动力矩与喷头的摩擦阻力矩必须达到平衡。
3.1 喷头的摩擦阻力矩
    分析旋转喷头结构可知，产生摩擦阻力矩的部位主要为动静环接触面及轴承两个部位。
3.1.1动静环接触面产生的摩擦阻力矩
    摩擦阻力矩产生在密封静环和密封动环的接触面上，摩擦阻力矩的大小与密封静环和密封动环的材质、加工精度、接触面端面压力等有关。动静环受力图见图2。
 

高压水推力为：
 
式中F——高压水对静环的推力，N
    D2——主轴流道内径，m
    D1——静环内径，m
    p——高压水压力，Pa
动静环接触面压力为：
 
式中p1——动静环接触面压力，Pa
    D3——静环外径，m
   在静环密封端面微面积dA上作用的正压力为：
    dFN=p1dA    (3)
式中FN——动静环接触面上的正压力，N
    A——动静环接触面积，m2
   单位微面积上产生的摩擦力为：
    dFf=ffdFN    (4)
式中Ef——动静环接触面上的摩擦力，N
    ff——动静环接触面摩擦系数
经计算，动静环接触面摩擦阻力矩为：
 
式中Mf——动静环接触面上的摩擦阻力矩，N·m
    D——微圆环的直径，m
3.1.2推力球轴承产生的摩擦阻力矩
    由图1可知，旋转喷头内部有2个滚针轴承、2个推力球轴承。其中滚针轴承主要防止主轴偏转，受到的作用力较小，故滚针轴承上产生的摩擦阻力矩可以忽略不计。高压水对静环沿喷头轴线的推力经过传递，作用在推力球轴承上，故推力球轴承上的正压力与高压水对静环的推力相等。则推力球轴承上的摩擦阻力矩为：
    Mq=fqFRq    (6)
式中Mq——推力球轴承摩擦阻力矩，N·m
    fq——推力球轴承摩擦系数
    Rq——推力球轴承的半径，m
联立式(1)～(6)可得，总摩擦力矩为：
 
式中Msum——总摩擦阻力矩，N·m
3.2 喷头的动力矩
    为保证正向喷嘴能提供旋转动力，需使得正向喷嘴与轴心呈一定的距离r且与轴线呈一定的偏转角度θ。
    射流产生的反冲力为[7]：
    Fj=1.57d2p    (8)
式中Fj——射流反冲力，N
    d——正向喷嘴直径，m
   射流提供的动力矩为：
    M=nrFjsinθ    (9)
式中M——射流提供的动力矩，N·m
    n——正向喷嘴(周边喷嘴)的数量
    r——喷嘴距轴心的距离，m
    θ——正向喷嘴与旋转喷头轴心的偏转角度
    根据动力矩和摩擦阻力矩平衡关系，联立式(7)～(9)，即可计算出正向喷嘴的直径、安装位置及角度。
4 反向喷嘴参数计算
    自进式旋转喷头通过反向喷嘴产生的反作用力推动喷头前进，反向喷嘴的参数与自进式喷头的自进能力密切相关。为防止反向喷嘴冲击高压软管，需使得其与轴线呈一定的张角α。
    推进力由反向喷嘴提供，其沿轴向的推力为：
    F1=1.57n1d12pcosα    (10)
式中F1——反向喷嘴提供的推力，N
    n1——反向喷嘴数量
    d1——反向喷嘴直径，m
    α——反向喷嘴与旋转喷头轴心所成的张角
    系统阻力由正向喷嘴产生的反冲力及高压软管、自进式旋转喷头与燃气管道壁面的摩擦力组成。由于充满水的高压软管质量远大于自进式旋转喷头，故自进式旋转喷头与燃气管道壁面的摩擦力可以忽略不计。正向喷嘴产生的反冲力为：
    F2=1.57nd2pcosθ+1.57d2p    (11)
式中F2——正向喷嘴产生的反冲力，N
    高压软管与燃气管道壁面的摩擦力为：
    F3=μLmg    (12)
式中F3——高压软管与燃气管壁的摩擦力，N
    μ——滑动摩擦系数
    L——预计清洗长度，m
    m——单位长度高压软管充满水时的质量，kg/m
    g——重力加速度，m/s2
    根据推进力与阻力平衡关系，联立式(10)～(12)，即可得出反向喷嘴的相关参数。
5 结论
    ① 提出了自进式旋转射流解堵工艺，该工艺适用于燃气管道中堵塞较为严重或管壁存在坚硬的垢层、锈层时清洗解堵。
② 对自进式旋转解堵的关键设备——自进式旋转喷头的相关参数展开了研究，得出了相关参数的计算公式。
参考文献：
[1] 王晓川，康勇，夏彬伟，等.加压煤层气集输管道堵塞分析及防治[J].煤气与热力，2010，30(12)：B32-B35.
[2] 周东平，卢义玉，康勇，等.煤层气输气管道内沉积物定位检测方法研究[J].煤气与热力，2010，30(4)：B27-B33.
[3] 周伟国，张同.液化石油气长输管道气塞防止的分析[J].煤气与热力，1999，19(2)：28-30.
[4] 张兴梅，吴莹，伍清晔.煤气管道萘堵塞问题的研究[J].煤气与热力，1999，19(3)：23-25.
[5] 段武荣.城市中压燃气管道堵塞的清管方法[J].煤气与热力，2011，31(4)：B40-B41.
[6] 李根生，马加计，沈晓明，等.高压水射流处理地层的机理及试验[J].石油学报，1998，19(01)：96-100.
[7] 杨博凯.煤层自进式旋转钻头的设计与实验研究(硕士学位论文)[D].重庆：重庆大学，2010：5-27.
 
(本文作者：左伟芹1、2 谭宏兵3 葛兆龙1、2 章文峰1、2 1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室 重庆 400030；2.重庆大学 复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室 重庆 400030；3.中石油西南油气田分公司采气工程研究院 四川广汉 618300)