程 巍，雷澤勇，劉 源，覃倩倩，路無(wú)敵，尹澤遠(yuǎn)，孟文東

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引 言

地浸采鈾(英文稱ISL)是通過(guò)鉆孔工程，借助化學(xué)試劑，從天然埋藏條件下把礦石中的鈾溶解出來(lái)，而不使礦石產(chǎn)生位移的集采、選、冶于一體的鈾礦開(kāi)采方法，具有生產(chǎn)成本低、建設(shè)周期短、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[1]，是我國(guó)廣泛采用的采鈾手段之一。地浸采鈾在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，各井場(chǎng)生產(chǎn)井過(guò)濾器常發(fā)生堵塞[2]和管壁結(jié)垢，導(dǎo)致生產(chǎn)井流量持續(xù)性下降，但是清洗過(guò)濾器和管壁結(jié)垢物是一個(gè)很難處理的問(wèn)題。目前，常用的洗井方法有：活塞洗井、空壓機(jī)洗井和化學(xué)洗井等，但這些方法一般生產(chǎn)效率都不高，不僅易對(duì)套管造成傷害，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作時(shí)間長(zhǎng)[3]。

傳統(tǒng)的清洗方法主要為機(jī)械式、化學(xué)式清洗，相比較而言高壓水射流清洗技術(shù)具有清洗速度快、效率高、清潔環(huán)保、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成為主流的清洗方式，廣泛應(yīng)用于洗潔、除銹、去垢、去毛刺等場(chǎng)合[4]。如今借助于高壓水射流清洗技術(shù)并與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，針對(duì)不同管道，發(fā)展出了很多管道清洗設(shè)備，大大提高了工作效率和質(zhì)量[5]。但是，地浸采鈾生產(chǎn)井的井口小，最小的井口直徑不足80 mm；且井下還有數(shù)百米深的積水，水壓很大，現(xiàn)有的管道清洗設(shè)備難以滿足要求。

筆者針對(duì)井口直徑小于80 mm、井下約有300 m深積水的地浸采鈾工作井，設(shè)計(jì)一種可以攜帶高壓水清洗的耐壓裝置。并對(duì)該裝置的側(cè)向支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，評(píng)估其可行性。

1 裝置構(gòu)成及功能

1.1 設(shè)計(jì)總布局

本裝置在使用前，已經(jīng)通過(guò)井下成像和探測(cè)設(shè)備對(duì)井下污漬和堵塞情況進(jìn)行了全面的了解。在使用時(shí)，該裝置采用鋼絲繩與卷?yè)P(yáng)機(jī)連接，利用旋轉(zhuǎn)吊臂將本裝置吊放至待清洗井口上方，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，將本清洗裝置下放至指定位置，開(kāi)始工作。該裝置進(jìn)入井下主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是攜帶高壓水管和噴頭，執(zhí)行清洗工作，并且可以根據(jù)實(shí)際工況更換不同的噴頭，以達(dá)到最佳的清洗效果；二是可以在井內(nèi)上下自由滑動(dòng)，需要時(shí)可在井內(nèi)任意位置固定住，對(duì)重點(diǎn)位置或者頑固污漬進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間沖洗，而不會(huì)因?yàn)楦邏核魃涑鰰r(shí)的震動(dòng)使裝置撞擊井壁，造成破壞。該裝置外殼和內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)均由優(yōu)質(zhì)鋼材制成，保證了強(qiáng)度和壽命。整體可將該裝置分為上、中、下三段，如圖1所示，上段包括：吊環(huán)、鋼絲繩、(上)導(dǎo)輪、高壓防爆水管、外殼、上隔板、復(fù)位推桿、復(fù)位推桿彈簧、復(fù)位導(dǎo)軸、電磁鐵；中段包括：電動(dòng)推桿、中段實(shí)心鋼管、中段水路通孔、推盤(pán)、固定推桿、推桿彈簧、連桿、固定滑塊；下段包括：下段高壓防爆水管、(下)導(dǎo)輪、末端水路通孔、堵頭、高壓水旋轉(zhuǎn)噴頭。從功能上又可將其分為高壓水清洗模塊、側(cè)向支撐模塊、失效保護(hù)模塊和輔助裝置。

圖1 高壓使清洗裝置總體設(shè)計(jì)1.吊環(huán) 2.鋼絲繩 3.(上)導(dǎo)輪 4.高壓防爆水管 5.外殼 6.上隔板 7.復(fù)位推桿 8.復(fù)位推桿彈簧 9.復(fù)位導(dǎo)軸 10.電磁鐵 11.電動(dòng)推桿 12.中段實(shí)心鋼管 13.中段水路通孔 14.推盤(pán) 15.固定推桿 16.推桿彈簧 17.連桿 18.固定滑塊 19.下段高壓防爆水管 20.(下)導(dǎo)輪 21.堵頭 22.末端水路通孔 23.高壓水旋轉(zhuǎn)噴頭

1.2 高壓水清洗模塊

高壓水清洗模塊由上段高壓防爆水管、中段水路通孔、下段高壓防爆水管、末端水路通孔和高壓水旋轉(zhuǎn)噴頭組成。高壓水清洗機(jī)打出具有一定壓強(qiáng)的高壓水, 高壓水通過(guò)與高壓水清洗機(jī)相連的上段高壓水防爆管流入中段水路通孔，再經(jīng)過(guò)下段高壓防爆管進(jìn)入末端水路通孔，到達(dá)高壓水旋轉(zhuǎn)噴頭，水流從噴頭的噴嘴射出, 可看成水流在水管流動(dòng)的過(guò)程中截面突然變大,使高壓低流速的水轉(zhuǎn)換為低壓高流速的射流[6]。

由于工作井內(nèi)空間狹小，為保證其他模塊的功能不受高壓水清洗模塊的影響，整個(gè)裝置設(shè)計(jì)的十分緊湊。因電動(dòng)推桿較粗，將電動(dòng)推桿置于中段中心后，為保證合理的間隙和外殼厚度，裝置內(nèi)部空間不足以再并列放置一根高壓防爆水管。所以，將電動(dòng)推桿置于實(shí)心鋼管一側(cè)，鉆取一條與高壓防爆水管內(nèi)徑相同的通孔作為水路，通過(guò)管接頭與上段高壓防爆水管連接起來(lái)，以該通孔代替水管，節(jié)約了內(nèi)部空間。當(dāng)高壓水從中段水路通孔流出后，接下來(lái)的空間較為充足，通過(guò)管接頭與下段高壓防爆水管相連，下段高壓防爆水管另一端繼續(xù)向下延伸至末端實(shí)心鋼管內(nèi)的通孔。高壓防爆水管在裝置內(nèi)一直偏向一側(cè)，但高壓水噴嘴需在中心布置，以發(fā)揮最佳的清洗效果和平衡工作時(shí)的震動(dòng)。故通過(guò)在末端實(shí)心鋼管內(nèi)鉆取三段與高壓水防爆水管內(nèi)徑相同的通孔，使之相通，形成“Z”字型的水路。由一側(cè)進(jìn)入的高壓水經(jīng)過(guò)該水路，引入置于中間的噴嘴，使噴嘴可以正常工作。其中末端水路通孔在側(cè)面有堵頭密封，防止高壓水滲漏。

1.3 側(cè)向支撐模塊

高壓水清洗裝置在清洗時(shí)，位于管道中心有利于旋轉(zhuǎn)噴嘴對(duì)井壁均勻沖洗，保證一致的清洗效果；在遇到頑固污漬和著重清洗的部位時(shí)，需要牢牢地卡在該位置，與井壁保持相對(duì)靜止，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間沖洗。為了便于收放，高壓水清洗裝置主體外徑約70 mm，小于井口內(nèi)徑，所以，設(shè)計(jì)側(cè)向支撐模塊，實(shí)現(xiàn)清洗時(shí)的對(duì)心和固定，同時(shí)也減小了高壓水清洗裝置工作時(shí)的震動(dòng)對(duì)井壁的破壞。

側(cè)向支撐模塊主要由電動(dòng)推桿、推盤(pán)、固定推桿、推桿彈簧、連桿、固定滑塊等組成。電動(dòng)推桿向外推出，推動(dòng)三個(gè)呈120°均勻分布的固定推桿向下運(yùn)動(dòng)，與固定推桿相連的連桿帶動(dòng)固定滑塊向外滑動(dòng)，并抵住井壁。電動(dòng)推桿采用JF-TGE-35:2000型大推力筆形推桿，帶可編程系統(tǒng)，可以精確控制行程，最大推力達(dá)2 000 N，滑塊端部有膠墊，可以增大與井壁接觸的摩擦力，緩沖工作時(shí)的震動(dòng)。由于推桿行程較長(zhǎng)，側(cè)向支撐模塊向外伸出的距離較大，可以適應(yīng)多種口徑的工作井，本文分析伸出4 mm時(shí)，正好與井壁壓緊的情況。側(cè)向支撐模塊受力分析如圖2。

圖2 側(cè)向支撐模塊受力分析

單獨(dú)對(duì)一側(cè)進(jìn)行受力分析，如圖3。連桿ab長(zhǎng)為40 mm，在收縮狀態(tài)下，連桿與水平方向的夾角為66.42°，當(dāng)電動(dòng)推桿推出，將固定滑塊壓在井壁上，此時(shí)連桿與水平方向的夾角為60°。

單側(cè)推力為：

查表得橡膠與PVC-U的摩擦系數(shù)μ約為0.2，則單側(cè)摩擦力為：

三邊最大可以提供約173 N的靜摩擦力，據(jù)估算，整個(gè)裝置質(zhì)量約為15.5 kg，顯然可以牢牢地卡在工作井中。

圖3 單獨(dú)一側(cè)受力分析

在單側(cè)推力等于288 N的情況下，通過(guò)ANSYS進(jìn)行有限元分析[7]，模擬實(shí)際工況。圖4和圖5為水壓達(dá)到3 MPa、無(wú)側(cè)向支撐時(shí)，井壁的情況。此時(shí)，井壁最大形變量約為0.148 mm，形變不明顯，承受的最大壓強(qiáng)約為12.88 MPa。圖6和圖7為有側(cè)向支撐抵住并壓緊井壁時(shí)，井壁的情況。此時(shí)，井壁承受的最大壓強(qiáng)約為13.28 MPa,僅比無(wú)側(cè)向支撐時(shí)增加約0.4 MPa，低于井壁材料PVC-U的拉伸屈服應(yīng)力國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8]；最大形變量約為0.163 mm，僅比無(wú)側(cè)向支撐時(shí)增加約0.015 mm，形變量也很小，不會(huì)對(duì)井壁造成破壞，達(dá)到了實(shí)際使用要求。

圖4 無(wú)側(cè)向支撐井壁 圖5 無(wú)側(cè)向支撐井壁 形變情況 應(yīng)力情況

圖6 有側(cè)向支撐井壁形變情況 圖7 有側(cè)向支撐井壁應(yīng)力情況

1.4 失效保護(hù)模塊

高壓水清洗裝置在井下工作時(shí)，水中充滿了泥沙、礦物結(jié)晶等污漬，還需承受最高約3 MPa的水壓和機(jī)械振動(dòng)，該環(huán)境對(duì)內(nèi)部關(guān)鍵的電器元件：電動(dòng)推桿提出了巨大的考驗(yàn)。一旦電動(dòng)推桿由于水滲漏或者自身故障等原因?qū)е率?，?cè)向支撐機(jī)構(gòu)無(wú)法收回卡死在井內(nèi)，堵塞生產(chǎn)井，將會(huì)對(duì)生產(chǎn)井造成破壞和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，采用將整個(gè)電動(dòng)推桿被塞入中段實(shí)心鋼管預(yù)留的孔內(nèi)的設(shè)計(jì)，保證其密封性；進(jìn)一步的，在電動(dòng)推桿前端推出的部分裝有密封圈，后端有密封圈和上下隔板，上下隔板焊接在設(shè)備外殼的內(nèi)壁上，上隔板與復(fù)位推桿之間使用密封圈密封，下隔板與復(fù)位導(dǎo)軸間采用密封圈密封，高壓防爆水管與上下隔板之間涂有密封膠防止水滲入。

通過(guò)以上方式確保了電動(dòng)推桿的密封性，降低了進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，還有一套機(jī)械裝置，使電動(dòng)推桿在失效時(shí)，順利收回側(cè)向支撐裝置。高壓水清洗裝置在正常工作前，電磁鐵通電，與復(fù)位推桿吸合并保持。高壓水清洗裝置在工作中，通過(guò)監(jiān)測(cè)電動(dòng)推桿電流變化，判斷其工作情況。如果電流變化不大，則電動(dòng)推桿順利伸縮，實(shí)現(xiàn)側(cè)向支撐固定裝置的支撐和收縮，使整個(gè)裝置正常運(yùn)行。如果電流突然波動(dòng)很大，則表示電動(dòng)推桿失效，不能使連桿滑塊機(jī)構(gòu)復(fù)位，這時(shí)斷開(kāi)電磁鐵電源。電磁鐵失電，復(fù)位推桿與電磁鐵脫離；在復(fù)位彈簧的作用下，推動(dòng)復(fù)位推桿向上移動(dòng)；復(fù)位推桿在上移同時(shí)，帶動(dòng)通過(guò)復(fù)位導(dǎo)軸與其相連的電動(dòng)推桿一起上移；隨著電動(dòng)推桿與固定推桿分離，在推桿彈簧的作用下，連桿滑塊機(jī)構(gòu)復(fù)位，側(cè)向支撐裝置順利收回。

1.5 輔助裝置

輔助裝置是為了方便高壓水清洗裝置的吊裝和井內(nèi)上下移動(dòng)。它包含兩部分，一是頂端的鋼絲繩和吊環(huán)；另一個(gè)是上下分別布置有橡膠材質(zhì)導(dǎo)輪，呈120°均布，使高壓水清洗裝置可以在井內(nèi)自由滑動(dòng)，也防止碰撞井壁，造成破壞。

2 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

現(xiàn)有管道專用清洗設(shè)備直徑較大，無(wú)法置入狹小的地浸采鈾工作井內(nèi)，此方案通過(guò)將電動(dòng)推桿置于實(shí)心鋼管一側(cè)，在另一側(cè)鉆取一條與高壓防爆水管內(nèi)徑相同的通孔作為水路，通過(guò)管接頭與上段高壓防爆水管連接起來(lái)，以該通孔代替水管等設(shè)計(jì)，節(jié)約了內(nèi)部空間，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于小口徑工作井的高壓水清洗工作；側(cè)向支撐模塊實(shí)現(xiàn)了清洗時(shí)的對(duì)心和工作井內(nèi)任意位置的固定，可以對(duì)工作井內(nèi)特殊位置進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的沖洗；失效保護(hù)模塊做到了較好的密封，并且機(jī)

械裝置的設(shè)置保證了在電動(dòng)推桿失效側(cè)向支撐裝置無(wú)法收回的情況下，依然可以回收清洗裝置，避免堵塞工作井，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，常用的洗井方法有：活塞洗井、空壓機(jī)洗井和化學(xué)洗井等，但這些方法一般清洗效率都不高，本裝置采用高壓水射流直接對(duì)井壁進(jìn)行沖洗，操作簡(jiǎn)單，清洗效果好。

3 結(jié) 語(yǔ)

該設(shè)計(jì)方案針對(duì)現(xiàn)有洗井方法的不足和現(xiàn)有管道清洗裝置難以滿足地浸采鈾工作井實(shí)際工況，而專門(mén)設(shè)計(jì)的一種清洗裝置。整個(gè)裝置功能齊全，模塊設(shè)置合理，較好的滿足了地浸采鈾工作井，尤其是小口徑工作井使用高壓水清洗的要求。同時(shí)，也為小口徑管道高壓水清洗裝置的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。