竇艷濤，蔡曉君，樊恒明，張洪偉

(北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102617)

引言

聚合釜內(nèi)物料的沉積容易造成粘釜問題，從而影響設備的高效、有序運轉(zhuǎn)，降低生產(chǎn)效率，因此，定期清釜十分必要[1-2]。粘釜物一般為高聚物，具有難溶解、易堆積、結塊大等特性，傳統(tǒng)化學清洗方式清洗效果差且廢液難以回收[3]，相對而言高壓水射流機械清洗技術應該更為廣泛。Stoneage和Scanjet等國外公司均開發(fā)了相關成套裝置，但具體應用僅提供較為粗糙的工況表來確定清洗參數(shù)選用值。眾多學者也開展了理論與應用研究；如袁聰?shù)萚4]數(shù)值模擬分析得出一次霧化效應對高壓清洗效果具有促進作用；王啟博等[5]驗證了在超高壓水射流盤式清洗過程中影響清洗效率的參數(shù)優(yōu)選結果；王麗萍等[6]研究證明了射流打擊力隨靶距增加呈先增后減的規(guī)律；郭琦等[7]分析了高壓水射流清洗油漆過程中移動速度、壓力及靶距等不同參數(shù)對清洗率的影響規(guī)律，并確定了最優(yōu)清洗參數(shù)；張尚先等[8]研究了噴嘴直徑與射流切割能力的關系，確定普通材料切割的較佳噴嘴直徑為0.6～1.0 mm；施紅健等[9]研究確定道路斑馬線清洗過程中的最優(yōu)入射角為30°；李俊辰等[10]采用DOE方法研究了高壓水射流在去除航空發(fā)動機AHB封嚴涂層過程中，噴射距離、掃描速度、噴射角度、噴射壓力等工藝參數(shù)對涂層去除效果及基體損傷的影響，獲得了較優(yōu)的工藝參數(shù)范圍。

上述研究表明，高壓水射流清洗過程中的參數(shù)優(yōu)化是一種有效的技術手段，但目前應用對象以鐵銹等硬質(zhì)材料或油泥等軟黏材質(zhì)為主，而針對粘釜物等黏彈性材料的清除研究較少。因此本研究以聚丙烯反應釜內(nèi)粘釜物為研究對象，以非淹沒水射流技術切割理論為基礎，開展了粘釜物切割清除效果的高壓水射流相關研究，分析高壓水射流參數(shù)對清除效果的影響規(guī)律，并優(yōu)化射流參數(shù)選擇，此研究結果可直接或稍加修正后指導工業(yè)現(xiàn)場清釜作業(yè)。

1 切割清除效果的影響因素分析

聚合釜清洗用高壓水射流屬于非淹沒式水射流，通過射流中的水滴和空氣間隙帶產(chǎn)生作用力，持續(xù)不斷的打擊、切割粘釜物表面，將粘釜物清除、剝離[11]。理論分析與實驗研究表明：切割清除效果與噴嘴直徑、射流沖擊角度、靶距、射流流量、射流出口壓力以及射流作用時間等工況參數(shù)相關。這其中,噴嘴直徑通常由系統(tǒng)要求進行提前選定，射流流量與出口壓力及噴嘴直徑相關，而作用時間取決于射流的橫移速度。本研究射流工況參數(shù)選擇入射角度a、出口壓力p、靶距h、橫移速度v4個因素，如圖1所示。

圖1 工況參數(shù)圖示Fig.1 Diagram of working condition parameters

1.水箱 2.壓力表1 3.壓力表2 4.高壓泵 5.電控箱 6.卸荷閥 7.柴油機 8.工作壓力表 9.調(diào)壓分流閥10.二級過濾器 11.一級過濾器 12.前置泵 13.靶料板 14.電機 15.噴頭 16.壓力傳感器圖2 實驗裝置工作原理圖Fig.2 Principle diagram of experimental device

2 高壓水射流切割清除實驗

2.1 實驗系統(tǒng)組成

本研究采用的實驗裝置工作原理如圖2所示，主要由高壓清洗機與自主設計的實驗平臺兩大部分構成。高壓清洗機泵源選用200TJ3型高壓柱塞泵，實驗平臺通過高壓軟管與高壓清洗機連接，選擇的噴頭噴嘴直徑為0.3 mm。通過分析粘釜物成分發(fā)現(xiàn)其主要為聚合反應物、生成物及少量催化劑的混合物，其硬度與相應生成物近似，因此本研究采用工業(yè)聚丙烯模擬垢樣，并采用螺栓將其固定在靶料板上，如圖3所示。

圖3 垢樣及其固定方式Fig.3 Scale sample and fixation method

2.2 實驗方案設計

研究表明，高壓水射流清洗過程中起切割分離效果的是初始段[12](包括核心段和部分過渡段)，且當雷諾數(shù)大于0.2×106時，初始段長度一般為噴嘴直徑的65～135倍，據(jù)此計算可確定靶距水平取值為10，15，20，25 mm； 入射角所取水平值分別為0°，30°，45°，60°；結合國外設備的運行參數(shù)取出口壓力為90，100，110，120 MPa；取橫移速度為7.5，12.5，17.5，22.5 mm/s。采用單因素控制變量法探究各射流參數(shù)對切割清除效果的影響規(guī)律，并通過正交實驗方法確定最優(yōu)切割清除效果下的射流參數(shù)值，表1為正交實驗的項目表(4因素4水平)。

表1 L16(44) 正交實驗項目表Tab.1 L16 (44) orthogonal experiment items

3 實驗結果分析

3.1 切割清除效果表征參數(shù)確定

對射流作用后的試件表面形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)切割面形狀規(guī)則，如圖4所示，其切割截面為底部寬度略小于頂部的梯形結構，分析原因，應該與射流切割后試件殘渣從底部隨流體反濺形成對槽壁的持續(xù)沖刷磨蝕作用有關[13-14]。當射流參數(shù)不變時，每次實驗切割深度S及試件表面切痕寬度W相對均勻，具有較好的可重復性，因此確定采用此2個參數(shù)評價切割清除效果[15-17]。為減少隨機誤差，每次實驗后均沿切痕斷面任意測量10次并取其均值作為最終結果。

圖4 清洗痕跡測量照片F(xiàn)ig.4 Photos of cleaning trace measurement

3.2 各因素對切割清除效果的影響

1) 出口壓力

圖5a為不同出口壓力下切割寬度W與切割深度S的變化規(guī)律，由圖可知切割寬度總體增加幅度并不明顯，其數(shù)值未超過6%；而切割深度在出口壓力從80 MPa 增加到100 MPa時增加了30.2%，從100 MPa增加到120 MPa過程中增速放緩，增加幅度為11.3%，從120 MPa 到130 MPa僅增加了0.7%。這是由于射流壓力增加則射流能量增加，切割效果提高，同時有效作用半徑增加，因此其切割深度及寬度均有所增加，相對而言切割深度增加幅度更為明顯，但同時由理論分析及現(xiàn)場實踐可知提高出口壓力，會增加能耗、水耗，設備性能要求也有提高，因此應結合現(xiàn)有設備性能適當選擇出口壓力大小。

2) 靶距

圖5b為不同靶距下切割寬度與切割深度的變化規(guī)律，由圖可知靶距從5 mm增加到15 mm時，切割深度及切割寬度均單調(diào)增加，增加幅度分別為42.5%和18.7%。但從15 mm增加到30 mm時，切割深度及切割寬度均減小，減小幅度分別為33.5%和23.2%，即此時有一最佳靶距15 mm。由射流原理可知，其在初始段的能量最為集中，沖擊力最高，當靶距大于初始段后，由于射流集束效應降低會削弱其沖蝕動能，從而降低其切割能力，所以調(diào)節(jié)靶距使射流達到初始段長度能夠顯著提高清除效果。

3) 橫移速度

橫移速度與射流單點切割時間成反比，橫移速度越大，單點切割時間越少，則切割效果越差。圖5c為不同橫移速度下切割寬度與切割深度的變化規(guī)律，從7.5～20 mm/s，切割寬度減少了16.9%，而切割深度減少了43.6%，即隨橫移速度增加，切割深度和寬度均單調(diào)減小，且橫移速度對切割深度的影響更大，所以為提高清除效果應適當降低橫移速度，但同時應考慮橫移速度降低會延長清洗周期，增加能耗、水耗，因此在滿足切割清除效果前提下應選擇盡量大的橫移速度。

圖5 切割深度及切割寬度隨射流參數(shù)的變化Fig.5 Variation of cutting depth and width with jet parameters

4) 入射角

選取合適的入射角可產(chǎn)生射流剪切作用，從而提高清洗效果。圖5d為不同入射角度下的切割寬度及切割深度變化曲線。由圖可知切割寬度隨入射角度增加而減小，但其總變化量未超過10%，而切割深度則變化較為明顯，其中當入射角度從0°增加到30°時切割深度始終增加，且增幅為23.1%，當入射角從30°增加到60°過程中，切割深度反而降低，其減小幅度為61.1%，因此應根據(jù)實際條件適當選擇合適的入射角度。同時由作用機理可知，合理的入射角還可以在切割清除中對粘釜物產(chǎn)生剝離效應，從而提高清除效果，所以粘釜物清除施工中可考慮采用適當?shù)娜肷浣嵌葋硖岣咦鳂I(yè)效果。

3.3 正交實現(xiàn)射流參數(shù)的優(yōu)化

通過單因素分析可知，出口壓力、橫移速度及入射角度等對切割寬度的影響相對較小，并且只需將靶距調(diào)整至接近初始段長度即可得到較大的切割寬度值，因此正交實驗分析中可僅考慮射流參數(shù)對切割深度的影響。由表2中統(tǒng)計結果，極差值Rv>Rα>Rp>Rh，即對切割深度影響最大的是橫移速度，入射角和出口壓力次之，靶距影響最小。為得到最大的切割深度，其最優(yōu)工況組合條件為C1D2A4B2，射流參數(shù)為：橫移速度7.5 mm/s，入射角30°，出口壓力值120 MPa，靶距15 mm，即較低的橫移速度增加射流在材料上的作用時間，較高的射流壓力值會增加射流的能量值，從而改善切割清除效果，因此切割清除過程中應盡量采用較小的橫移速度及較大的射流壓力值，但同時應注意橫移速度下降及射流壓力增加會造成的能耗、水耗增加及設備成本的提高；而合適的入射角度會提高射流的水楔作用及材料從釜體表面的剝離效果；同時水射流切割過程中，理想射流靶距值與初始段長度接近，因此水射流切割除黏過程中存在較為理想的入射角度及靶距大小，需要提前根據(jù)清釜設備及工況條件進行設定。

表2 L16(44)正交實驗分析結果Tab.2 Results and analysis of L16 (44) orthogonal experiment

4 結論

本研究利用高壓水射流開展了粘釜物切割清除實驗研究，對比了不同射流參數(shù)對切割清除效果的影響規(guī)律，得出結論如下：

(1) 粘釜物切割清除效果可以采用切割深度和寬度進行表征，射流參數(shù)包括出口壓力、靶距、入射角度及橫移速度等。單因素實驗結果表明：切割寬度和深度均隨出口壓力增加而增大，隨橫移速度增加而減小；切割清除參數(shù)在靶距達到15 mm左右(即初始段長度)時達到最大值；切割寬度隨入射角度增大緩慢減小，而切割深度在其值達到30°時達到最大，選取適當?shù)娜肷浣侵悼梢栽黾诱掣锏膭冸x從而改善清除效果。

(2) 通過正交實驗分析發(fā)現(xiàn)：射流參數(shù)對切割深度影響程度排序為橫移速度、入射角、出口壓力、靶距，以切割深度為優(yōu)化目標的最佳射流參數(shù)組合為：橫移速度7.5 mm/s，入射角30°，出口壓力值120 MPa，靶距15 mm，為得到最優(yōu)的切割清除效果，可降低橫移速度，選擇合適的入射角度及靶距，增加出口壓力值，但同時應考慮橫移速度下降及射流壓力增加會造成設備及運行成本的增加。