淺談管道清洗裝置的應(yīng)用

王建民 北京沃利帕森工程有限公司上海公司 上海 200001

淺談管道清洗裝置的應(yīng)用

王建民*北京沃利帕森工程有限公司上海公司 上海 200001

介紹管道清洗裝置的基本組成、工作原理及應(yīng)用實例。

清管球發(fā)射與接收匹配設(shè)計

管道清洗裝置在國外稱Piggable Line，廣泛應(yīng)用于石油化工、油脂化工、涂料、制藥、化妝品等行業(yè)。它主要用于:①管道比較長/大，殘留在管路的積料因停車而無法排空;②原材料或成品價值昂貴需要回收的工藝管道;③解決各種高潔凈粘稠液體所產(chǎn)生的掛壁和難清洗問題;④同個工廠生產(chǎn)品種比較多，需要減少切換時間。

1 基本原理

1.1 組成

管道清洗裝置主要由四個部分組成:清管球、發(fā)射器、接收器和電子探測定位儀器。

(1)清管球是管道清洗工具，用來刮削管壁積料。

(2)發(fā)射與接收器分別安裝在清洗管線的始端和末端，用來發(fā)射和接收清管球。

(3)電子探測定位儀器包括:定位指示儀、過球指示儀等，用來跟蹤在管道中運行的清管球。

其他還有一些輔助部件和設(shè)施:①安置在發(fā)射器旁的清管球裝卸站，某些公司為了安全裝卸清管球而特殊設(shè)計了這種裝置;②當(dāng)管道清洗系統(tǒng)中有一個發(fā)射裝置和兩個接收裝置時，在分叉處要配置特殊的三通閥。管線之間的角度一般設(shè)計成120°;③適用于單方向管道清洗系統(tǒng)的匯流閥;④將清洗管道后的氣體過濾后安全排放的放空罐。

1.2 工作原理

管道清洗裝置主要依靠氣壓(液壓)為動力使清管球在管內(nèi)向前推動，將留在管內(nèi)的物料排出管道，操作流程見圖1。

圖1 管道清洗流程示意圖

1.2.1 發(fā)球

發(fā)球過程示意見圖2。

圖2 發(fā)球過程示意圖

初始條件:發(fā)射器加壓并充滿氣體，閥門A、B和C打開，閥門D關(guān)閉。

(1)關(guān)閉閥門A和C。

(2)打開閥門D，泄放發(fā)射器內(nèi)壓力到大氣壓。

(3)確認(rèn)發(fā)射器已完全放空，打開快開門，把清管球放入發(fā)射器并推入變徑段(點×處)，使其在該處與管道形成緊密配合。

(4)關(guān)閉發(fā)射器的快開門;緩慢打開閥門C，吹掃發(fā)射器，吹掃完畢后關(guān)閉閥門D;繼續(xù)開啟閥門C，給發(fā)射器升壓到一定壓力后關(guān)閉閥門C。

(5)先打開閥門A，再打開閥門C，準(zhǔn)備發(fā)射清管球。

(6)部分關(guān)閉閥門B，增加通過閥門C的氣流，繼續(xù)關(guān)閉閥門B，直到清管球發(fā)射進(jìn)主管道，并被清管球指示儀檢測到。

(7)當(dāng)清管球離開發(fā)射器進(jìn)主管道，全開閥門B。

1.2.2 接球

接球過程示意見圖3。

圖3 接球過程示意圖

初始條件:接收器處于常壓狀態(tài)，閥門B、D和E打開，閥門A和C關(guān)閉。確認(rèn)接收器快開門已關(guān)閉。

(1)關(guān)閉閥門E并緩慢打開閥門C，以吹掃接收器。

(2)吹掃完畢后關(guān)閉閥門D并打開閥門C，給接收器升壓。

(3)繼續(xù)開啟閥門C，同時打開閥門A，接收器準(zhǔn)備接收清管球。

(4)當(dāng)清管球到達(dá)后，可能會停在閥門A和三通之間(點×處)。

(5)部分關(guān)閉閥門B，以推動清管球進(jìn)入接收器。

(6)當(dāng)清管球進(jìn)入接收器并被清管球指示儀檢測到以后，打開閥門B并關(guān)閉閥門A和閥門C。

(7)打開閥門D和閥門E，給接收器泄壓。

(8)確認(rèn)接收器泄壓后，打開快開門取出清管球。

(9)確認(rèn)關(guān)閉快開門。

2 清管球

清管球是管道清洗裝置的主要部件，根據(jù)被清洗的物料特性、運行狀況等來選擇。

2.1 材料

常用的材料有:聚氨酯、氟橡膠、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠和皮碗等。

2.2 種類

(1)一體化聚氨酯清管球的耐消耗和抗磨損較好，見圖4。

圖4 一體化聚氨酯清管球

(2)雙向清管球的球體結(jié)實易操作，不需取出且內(nèi)含磁體，在管道內(nèi)可被偵查，見圖5。

圖5 雙向清管球

(3)球形聚氨酯清管球適宜大多數(shù)場合，該清管球不膨脹，只簡單充氣運行，清管球使用壽命長，工作效率高，見圖6。

圖6 球形聚氨酯清管球

(4)直板清管器的密封性能和清洗效果好，可雙向運行，見圖7。

圖7 直板清管器

3 應(yīng)用實例

介紹某美國公司75 kt/a丙烯酸乳液裝置管道清洗裝置的設(shè)計應(yīng)用。

3.1 工況分析

3.1.1 涂料特性

涂料分為油性涂料和水性涂料。油性涂料粘度大，粘結(jié)性好，成品不宜長距離輸送。該裝置生產(chǎn)的產(chǎn)品為丙烯酸乳液，屬水性涂料，平均粘度為1500～3500 cP，可長距離輸送。

3.1.2 應(yīng)用場合和特點

通常涂料工程設(shè)計中，涂料成品在灌裝車間桶裝后送成品倉庫儲存。為提高生產(chǎn)效率，該項目結(jié)合工藝流程及總平面布置，除設(shè)置成品桶裝倉庫儲存外，還設(shè)計了成品罐區(qū)，由若干個100～200 m3的儲罐儲存。成品罐區(qū)與生產(chǎn)車間和灌裝車間之間采用管道輸送。

該項目的管道最大輸送長度控制在200m以內(nèi)，管道公稱直徑為DN100mm，材質(zhì)為304L。

考慮水性涂料的粘結(jié)性，成品從生產(chǎn)車間或灌裝車間輸送到成品罐區(qū)后應(yīng)及時清洗輸送管道，項目采用管道清洗裝置清洗輸送管道。

3.2 管道選型

管道材質(zhì)為304L，公稱尺寸為DN100。管道的外徑和壁厚分別為114.3 mm和3.2 mm，為與清管球匹配的尺寸。

3.3 清洗裝置

發(fā)射器、接收器、探測定位儀器和三通閥。

由于涂料的溫度越高，粘度越低，被清洗管道設(shè)電伴熱。

3.4 清管球

3.4.1 清管球種類和材質(zhì)

據(jù)工藝要求，選擇雙向清管球，可在管道中來回清洗，不需常取出?？紤]水性涂料的特點，選用氟橡膠材質(zhì)，具有耐化學(xué)性能、耐候性和耐磨性。

3.4.2 匹配設(shè)計

雙向清管球與管道通常設(shè)計成過盈配合，使清管球的外徑略大于管道的內(nèi)徑。

考慮清管球合適的彈性變形量是清管球設(shè)計的關(guān)鍵。過盈量太小，清管球掃除殘存涂料的能力較小;過盈量過大，則清管球運行的摩擦阻力過大，使用壽命縮短。

各供貨商一般均有自己的系列尺寸供選擇。如果管道采用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，而清管球由國外公司供貨，則清管球需特殊設(shè)計。

3.4.3 使用壽命

清管球的使用壽命與材質(zhì)、與管道的配合有關(guān)，還與清管球的運行速度和被清洗的物料有關(guān)。

清管球的使用壽命以行程來表示，涂料輸送管道的最低要求為30000～60000m。該項目的輸送管道最長為200m，清洗一次為從發(fā)射裝置到接收裝置然后再返回，全程400m，每天清洗3次，則壽命為:

L(t)=60000/(400×3)=50 d

采購清管球時應(yīng)充分考慮采購周期，尤其是從國外進(jìn)口，根據(jù)生產(chǎn)情況考慮清管球備件的數(shù)量。

3.5 設(shè)計計算

3.5.1 運行速度和時間

當(dāng)清管球在管道中向前推進(jìn)時，要克服阻力清除殘漬，設(shè)清管球的平均運行速度為1.0m/s，則運行時間為:

當(dāng)清管球在管道中返回到發(fā)射裝置時，由于管道中沒有涂料殘存，阻力較小，設(shè)清管球的平均運行速度為4.0m/s，則運行時間為:

則清管球清洗一次的時間為4.16 min。

3.5.2 壓縮空氣

(1)當(dāng)清管球在管道中向前推進(jìn)清除殘存涂料時，考慮壓力為4.5 bar。

當(dāng)清管球在管道中返回到發(fā)射裝置時，由于管道中沒有殘存涂料，可以將壓力設(shè)為3.5 bar。

在管道清洗裝置中，設(shè)置壓縮空氣調(diào)節(jié)器，隨時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力。

(2)壓縮空氣最大消耗量考慮為氣體充滿管道時的量。該項目管道的內(nèi)徑為107.9 mm，管道的來回長度為400 m，則:

管道清洗一次壓縮空氣最大消耗量為:

3.5.3 壓力降

管道清洗裝置中，壓縮空氣的一端和清管球的一端可視為一邊是氣體、另一邊是固體。

因此按氣固兩相流壓力降模型討論。其中，任意傾向段:

水平段:

垂直段:

全管道總壓力損失為:

式中，α為管道傾斜度;F為壁摩擦系數(shù);R為體積重度;L為料栓長度(清管球長度+殘料當(dāng)量長度)。

上述公式由日本狩野武導(dǎo)出。

4 結(jié)語

對于粘度大、易粘結(jié)的涂料介質(zhì)，管道清洗裝置應(yīng)用尚少，需在實踐中不斷完善。

1 GB/T 20801.1－2006，壓力管道規(guī)范工業(yè)管道［S］．

Introduce the basic components，operating principle and application examples of the piping cleaning unit．

Discussion on Application of Piping Cleaning Unit

Wang Jianmin
(Beijing WorleyParsons Shanghai Company，Shanghai 200001)

cleaning piping balllaunch and receivematching design

*王建民:高級工程師。1990年畢業(yè)于上海大學(xué)。長期從事化工設(shè)計和技術(shù)管理工作。聯(lián)系電話:13482816842。

(修改回稿2011－06－24)