浅谈PCCP接口环磨料水射流除锈除锈技术研究与应用

浅谈 PCCP接口环磨料水射流除锈除锈技术研究与应用

刘广中

中国电建集团山东电力管道工程有限公司 271200 山东新泰

【摘要】磨料水射流除锈原理是从高压泵泵出的水介质经过水喷嘴而形成高速流束，由于水射流束对周围空气的卷吸作用，在混合腔内将形成一定的真空度，从而使磨料与混合腔之间的供料管内产生了一定的压力差，磨料在此压力差的作用下，被抽吸到混合腔内，并与水射流束发生强烈的紊动扩散和掺混，再通过磨料喷嘴喷出而形成磨料射流。

【关键词】磨料射流、除锈、磨料

1. 设计背景

预应力钢筒混凝土管( Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简写PCCP)是指在带有钢筒的高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，再在其上喷制致密的水泥砂浆保护层而制成的输水管。目前广东分公司的主要产品是PCCP及管配件，而PCCP的接口环在出厂前需要除锈和防腐。传统的方法有打磨除锈法、喷砂除锈法，但这两种方法均有明显的缺陷。打磨除锈法对磨光机的损耗很快、成本高、效率低，且容易产生粉尘；喷砂除锈法会扬起大量粉尘，危害人体健康，严重影响环境。而且随着国家环保政策的趋紧，国内部分地区已经禁止露天喷砂，由于PCCP体积和重量都很大，倒运困难，建设专用的喷砂房集中喷砂需要占用龙门吊，造成生产效率下降，而且浪费大量电能。在此情况下，急需研究一种无扬尘、工作灵活可靠的除锈方式，解决生产中的实际问题。

二、国内外发展现状

目前国内外PCCP接口环除锈普遍采用打磨除锈和喷砂除锈，其中打磨除锈效率很低，除锈质量不高，容易对接口环造成损伤。而喷砂除锈对环境污染严重。目前还没有一种环保且可靠的除锈技术应用在PCCP接口环除锈领域。

在PCCP接口环除锈领域应用此方法的难点是插口环的除锈，原因在于水枪枪杆较长、且后推力较大，插口环插口槽立面很难喷到，且高压水枪的压力非常大，容易对临边的混凝土造成损伤。

所以说，高压水除锈技术虽然比较成熟，但是在国内、外的PCCP行业尚未涉及，如果要应用到该领域，还需要一些深入的研究，做好相应的技术配套研发工作。

三、创新内容

基于纯水射流技术的基础提出的磨料水射流除锈技术，其实质就是在高压纯水射流中添加一定数量且具有一定质量和粒度的磨料离子而形成的液固两相射流。磨料常为石榴石、石英砂、铁渣以及河沙等。因为磨料硬度比较大，而且都是带有棱角的细小颗粒，因此与水混合后对锈层的冲击力和磨削力要比纯水射流大得多，从而大大提高了除锈效果和效率，并且相应的水压也要低得多。

采用磨料水射流除锈方式进行PCCP接口环除锈，从而实现除锈过程的无尘化。磨料水射流除锈原理是从高压泵泵出的水介质经过水喷嘴而形成高速流束，由于水射流束对周围空气的卷吸作用，在混合腔内将形成一定的真空度，从而使磨料与混合腔之间的供料管内产生了一定的压力差，磨料在此压力差的作用下，被抽吸到混合腔内，并与水射流束发生强烈的紊动扩散和掺混，再通过磨料喷嘴喷出而形成磨料射流。由于水的湿润作用，磨料与钢板接触后，磨料粉碎而不产生扬尘。

三、除锈原理

磨料水射流除锈的机理是利用射流的打击力作用于锈层表面，同时高速切向流产生水楔作用，楔入微隙，扩展锈层裂纹。在水射流中均匀加入磨料后，使这种正向打击和切向楔击的作用得到明显加大，加之水射流的连续性和集束性，达到了传统方法难以实现的均匀粗糙度和光泽。

四、结构和使用说明

磨料水射流除锈系统结构相对简单，主要组成部分有高压泵、磨料斗、水喷嘴、混合腔以及磨料喷嘴。利用的原理是水射流束对周围空气的卷吸作用，因此本装置对高压泵的压力有一定的要求。

除锈作业时，高压泵将水从水箱中抽出，水流经过高压胶管到达水喷嘴处，随后经过磨料喷嘴高速喷出。此时由于水流速度极快，导致混合腔内的压强减小。在外界大气压的作用下，磨料斗内的磨料通过供料管达到混合腔，在混合腔内与水射流束发生强烈的紊动扩散和掺混，随后被高速喷射的水流带出磨料喷嘴。

磨料水射流除锈系统图

1-压力泵 2-水喷嘴 3-砂水集束 4-混合腔

5-磨料喷嘴 6-磨料 7-磨料斗 8-水箱

四、应用及成效

通过实验和对比，当选用适当的压力等级和喷嘴时，除锈过程不会对被清洗的部位造成损伤。并且冲刷所用的水可以用普通的自来水和地下水，所以它不污染环境，不腐蚀设备，不会造成任何机械损伤，还可除去用化学清洗难溶或不能溶的特殊垢，除锈完毕后无需清洁。设备除锈效率高，成本低，节约了能源，易于实现自动化。并且在除锈方面相对传统除锈方法也有明显优势，目前工业喷射或抛射除锈等级用Sa表示，可以分为四个等级：

1、Sa1级

轻度喷砂除锈：表面应该没有可见的污物、油脂和附着不牢的氧化皮、油漆涂层、铁锈、和杂质等。

2. Sa2级

彻底的喷砂除锈：表面应无可见的油脂、污物、氧化皮、铁锈、油漆涂层和杂质基本清除，残留物附着牢固。

2. Sa2.5级

非常彻底的喷砂除锈：表面没有可见的油脂、氧化皮、污物、油漆涂层和杂质，残留物痕迹仅显示条纹状或点状的轻微色斑。

2. Sa3级

喷砂除锈至钢材表面洁净：表面没有可见的油脂、污物、氧化皮、铁锈、油漆涂层和杂质，具有均匀的金属色泽。

利用磨料水射流除锈装置除锈等级能够达到Sa2.5，完全满足PCCP接口环的除锈防腐要求。并且由于高压水本身具有很强的冲蚀作用，磨料水射流除锈比普通喷砂效率要高一倍左右，清理的表面质量比普通喷砂效率的质量要好很多，无油、锈、盐等任何附着物。在将该技术投入使用后，相比喷砂除锈，每组作业人员减少1人，每公里管道可节约河砂约4吨。因为无需考虑扬尘影响，能够节约场地占用50%，大大降低了生产成本。

5. 操作注意事项
   磨料水射流具有很大的冲击力，直接喷射到人体上将造成很大的伤害。即使是只采用水射流进行冲洗或剥离加工，压力为25MPa左右的水射流也能贯穿人体；另外，如果反冲飞散出的水珠进入眼睛，也会使眼睛受到损伤。因此，必须防止高压水射喷射到人体上，可以采取以下安全措施：
   ①在磨料水射流除锈的周围应设置隔离屏，以防止加工过程中人体遭受喷出的水射流及飞散的水珠冲击作用；
   ②检查或更换切割喷嘴时，必须把高压水的压力释放到安全程度，否则不可进行操作，以免发生事故；
   ③操作人员至少要戴防护镜，最好戴防护面罩。

6. 结论

磨料水射流除锈在国、内外很多行业已有涉及，技术相对成熟。但是市场上能够采购的设备一般为通用设备，没有针对特殊工件、特殊工况的专用设计，一些具体的工作参数也需要自行研究。现在研究的高压水加砂除锈方法，在PCCP行业内来说是一种全新的除锈方法，该方法效率高、除锈效果好，没有环境污染，可以广泛应用于PCCP接口环除锈、PCCP配件衬砌前的管体除锈。

参考文献：

[1]崔谟慎、孙家俊主编，高压水射流技术，北京煤炭工业出版社.
[2]水射流切割技术，中国矿业大学出版社.