高压水射流切割粘釜物的实验分析

窦艳涛，蔡晓君，樊恒明，张洪伟

(北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617)

引言

聚合釜内物料的沉积容易造成粘釜问题，从而影响设备的高效、有序运转，降低生产效率，因此，定期清釜十分必要[1-2]。粘釜物一般为高聚物，具有难溶解、易堆积、结块大等特性，传统化学清洗方式清洗效果差且废液难以回收[3]，相对而言高压水射流机械清洗技术应该更为广泛。Stoneage和Scanjet等国外公司均开发了相关成套装置，但具体应用仅提供较为粗糙的工况表来确定清洗参数选用值。众多学者也开展了理论与应用研究；如袁聪等[4]数值模拟分析得出一次雾化效应对高压清洗效果具有促进作用；王启博等[5]验证了在超高压水射流盘式清洗过程中影响清洗效率的参数优选结果；王丽萍等[6]研究证明了射流打击力随靶距增加呈先增后减的规律；郭琦等[7]分析了高压水射流清洗油漆过程中移动速度、压力及靶距等不同参数对清洗率的影响规律，并确定了最优清洗参数；张尚先等[8]研究了喷嘴直径与射流切割能力的关系，确定普通材料切割的较佳喷嘴直径为0.6～1.0 mm；施红健等[9]研究确定道路斑马线清洗过程中的最优入射角为30°；李俊辰等[10]采用DOE方法研究了高压水射流在去除航空发动机AHB封严涂层过程中，喷射距离、扫描速度、喷射角度、喷射压力等工艺参数对涂层去除效果及基体损伤的影响，获得了较优的工艺参数范围。

上述研究表明，高压水射流清洗过程中的参数优化是一种有效的技术手段，但目前应用对象以铁锈等硬质材料或油泥等软黏材质为主，而针对粘釜物等黏弹性材料的清除研究较少。因此本研究以聚丙烯反应釜内粘釜物为研究对象，以非淹没水射流技术切割理论为基础，开展了粘釜物切割清除效果的高压水射流相关研究，分析高压水射流参数对清除效果的影响规律，并优化射流参数选择，此研究结果可直接或稍加修正后指导工业现场清釜作业。

1 切割清除效果的影响因素分析

聚合釜清洗用高压水射流属于非淹没式水射流，通过射流中的水滴和空气间隙带产生作用力，持续不断的打击、切割粘釜物表面，将粘釜物清除、剥离[11]。理论分析与实验研究表明：切割清除效果与喷嘴直径、射流冲击角度、靶距、射流流量、射流出口压力以及射流作用时间等工况参数相关。这其中,喷嘴直径通常由系统要求进行提前选定，射流流量与出口压力及喷嘴直径相关，而作用时间取决于射流的横移速度。本研究射流工况参数选择入射角度a、出口压力p、靶距h、横移速度v4个因素，如图1所示。

图1 工况参数图示Fig.1 Diagram of working condition parameters

1.水箱 2.压力表1 3.压力表2 4.高压泵 5.电控箱 6.卸荷阀 7.柴油机 8.工作压力表 9.调压分流阀10.二级过滤器 11.一级过滤器 12.前置泵 13.靶料板 14.电机 15.喷头 16.压力传感器图2 实验装置工作原理图Fig.2 Principle diagram of experimental device

2 高压水射流切割清除实验

2.1 实验系统组成

本研究采用的实验装置工作原理如图2所示，主要由高压清洗机与自主设计的实验平台两大部分构成。高压清洗机泵源选用200TJ3型高压柱塞泵，实验平台通过高压软管与高压清洗机连接，选择的喷头喷嘴直径为0.3 mm。通过分析粘釜物成分发现其主要为聚合反应物、生成物及少量催化剂的混合物，其硬度与相应生成物近似，因此本研究采用工业聚丙烯模拟垢样，并采用螺栓将其固定在靶料板上，如图3所示。

图3 垢样及其固定方式Fig.3 Scale sample and fixation method

2.2 实验方案设计

研究表明，高压水射流清洗过程中起切割分离效果的是初始段[12](包括核心段和部分过渡段)，且当雷诺数大于0.2×106时，初始段长度一般为喷嘴直径的65～135倍，据此计算可确定靶距水平取值为10，15，20，25 mm； 入射角所取水平值分别为0°，30°，45°，60°；结合国外设备的运行参数取出口压力为90，100，110，120 MPa；取横移速度为7.5，12.5，17.5，22.5 mm/s。采用单因素控制变量法探究各射流参数对切割清除效果的影响规律，并通过正交实验方法确定最优切割清除效果下的射流参数值，表1为正交实验的项目表(4因素4水平)。

表1 L16(44) 正交实验项目表Tab.1 L16 (44) orthogonal experiment items

3 实验结果分析

3.1 切割清除效果表征参数确定

对射流作用后的试件表面形态观察发现切割面形状规则，如图4所示，其切割截面为底部宽度略小于顶部的梯形结构，分析原因，应该与射流切割后试件残渣从底部随流体反溅形成对槽壁的持续冲刷磨蚀作用有关[13-14]。当射流参数不变时，每次实验切割深度S及试件表面切痕宽度W相对均匀，具有较好的可重复性，因此确定采用此2个参数评价切割清除效果[15-17]。为减少随机误差，每次实验后均沿切痕断面任意测量10次并取其均值作为最终结果。

图4 清洗痕迹测量照片Fig.4 Photos of cleaning trace measurement

3.2 各因素对切割清除效果的影响

1) 出口压力

图5a为不同出口压力下切割宽度W与切割深度S的变化规律，由图可知切割宽度总体增加幅度并不明显，其数值未超过6%；而切割深度在出口压力从80 MPa 增加到100 MPa时增加了30.2%，从100 MPa增加到120 MPa过程中增速放缓，增加幅度为11.3%，从120 MPa 到130 MPa仅增加了0.7%。这是由于射流压力增加则射流能量增加，切割效果提高，同时有效作用半径增加，因此其切割深度及宽度均有所增加，相对而言切割深度增加幅度更为明显，但同时由理论分析及现场实践可知提高出口压力，会增加能耗、水耗，设备性能要求也有提高，因此应结合现有设备性能适当选择出口压力大小。

2) 靶距

图5b为不同靶距下切割宽度与切割深度的变化规律，由图可知靶距从5 mm增加到15 mm时，切割深度及切割宽度均单调增加，增加幅度分别为42.5%和18.7%。但从15 mm增加到30 mm时，切割深度及切割宽度均减小，减小幅度分别为33.5%和23.2%，即此时有一最佳靶距15 mm。由射流原理可知，其在初始段的能量最为集中，冲击力最高，当靶距大于初始段后，由于射流集束效应降低会削弱其冲蚀动能，从而降低其切割能力，所以调节靶距使射流达到初始段长度能够显著提高清除效果。

3) 横移速度

横移速度与射流单点切割时间成反比，横移速度越大，单点切割时间越少，则切割效果越差。图5c为不同横移速度下切割宽度与切割深度的变化规律，从7.5～20 mm/s，切割宽度减少了16.9%，而切割深度减少了43.6%，即随横移速度增加，切割深度和宽度均单调减小，且横移速度对切割深度的影响更大，所以为提高清除效果应适当降低横移速度，但同时应考虑横移速度降低会延长清洗周期，增加能耗、水耗，因此在满足切割清除效果前提下应选择尽量大的横移速度。

图5 切割深度及切割宽度随射流参数的变化Fig.5 Variation of cutting depth and width with jet parameters

4) 入射角

选取合适的入射角可产生射流剪切作用，从而提高清洗效果。图5d为不同入射角度下的切割宽度及切割深度变化曲线。由图可知切割宽度随入射角度增加而减小，但其总变化量未超过10%，而切割深度则变化较为明显，其中当入射角度从0°增加到30°时切割深度始终增加，且增幅为23.1%，当入射角从30°增加到60°过程中，切割深度反而降低，其减小幅度为61.1%，因此应根据实际条件适当选择合适的入射角度。同时由作用机理可知，合理的入射角还可以在切割清除中对粘釜物产生剥离效应，从而提高清除效果，所以粘釜物清除施工中可考虑采用适当的入射角度来提高作业效果。

3.3 正交实现射流参数的优化

通过单因素分析可知，出口压力、横移速度及入射角度等对切割宽度的影响相对较小，并且只需将靶距调整至接近初始段长度即可得到较大的切割宽度值，因此正交实验分析中可仅考虑射流参数对切割深度的影响。由表2中统计结果，极差值Rv>Rα>Rp>Rh，即对切割深度影响最大的是横移速度，入射角和出口压力次之，靶距影响最小。为得到最大的切割深度，其最优工况组合条件为C1D2A4B2，射流参数为：横移速度7.5 mm/s，入射角30°，出口压力值120 MPa，靶距15 mm，即较低的横移速度增加射流在材料上的作用时间，较高的射流压力值会增加射流的能量值，从而改善切割清除效果，因此切割清除过程中应尽量采用较小的横移速度及较大的射流压力值，但同时应注意横移速度下降及射流压力增加会造成的能耗、水耗增加及设备成本的提高；而合适的入射角度会提高射流的水楔作用及材料从釜体表面的剥离效果；同时水射流切割过程中，理想射流靶距值与初始段长度接近，因此水射流切割除黏过程中存在较为理想的入射角度及靶距大小，需要提前根据清釜设备及工况条件进行设定。

表2 L16(44)正交实验分析结果Tab.2 Results and analysis of L16 (44) orthogonal experiment

4 结论

本研究利用高压水射流开展了粘釜物切割清除实验研究，对比了不同射流参数对切割清除效果的影响规律，得出结论如下：

(1) 粘釜物切割清除效果可以采用切割深度和宽度进行表征，射流参数包括出口压力、靶距、入射角度及横移速度等。单因素实验结果表明：切割宽度和深度均随出口压力增加而增大，随横移速度增加而减小；切割清除参数在靶距达到15 mm左右(即初始段长度)时达到最大值；切割宽度随入射角度增大缓慢减小，而切割深度在其值达到30°时达到最大，选取适当的入射角值可以增加粘釜物的剥离从而改善清除效果。

(2) 通过正交实验分析发现：射流参数对切割深度影响程度排序为横移速度、入射角、出口压力、靶距，以切割深度为优化目标的最佳射流参数组合为：横移速度7.5 mm/s，入射角30°，出口压力值120 MPa，靶距15 mm，为得到最优的切割清除效果，可降低横移速度，选择合适的入射角度及靶距，增加出口压力值，但同时应考虑横移速度下降及射流压力增加会造成设备及运行成本的增加。