超强水枪机器人：去除污垢本领高，成本低，更环保！

传统的化学除垢和机械除垢方法除垢成本高、效率低、污染环境。在该研究中，提出了一种水射流来去除管道垢，可以解决传统方法的不足。对水射流和除鳞喷嘴的参数优化进行了分析。

首先，通过单轴压缩试验和巴西圆盘劈裂试验，首次获得了水垢材料的力学性能。其次，利用AUTODYN软件研究了水管结垢在水射流作用下的破碎机理和破碎效果。利用Fluent软件分析了喷管关键结构参数与喷管内流场轴向静压和速度的关系。本文以“Numerical Simulation and Experimental Study on High-Pressure Water Jet Descaling in Coal Mine Drainage Pipeline”为题于2020年11月10日发布于《Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Mechanical Engineering》杂志上。

研究背景与实验

煤矿主排水系统对煤矿安全生产起着至关重要的作用。由于矿井水中含有矿泥等悬浮物质和一些不溶性盐类，矿井排水管容易结垢。管道结垢增加了管道阻力，降低了排水效率，增加了电力消耗，影响了煤矿的安全生产。除鳞是延长管道使用寿命、保证管道正常运行的重要手段。目前，化学除垢和机械除垢在煤矿广泛应用，取代排水管。

更换排水管的方法是用新的水管代替人工的鳞片管。化学除垢方法使用特殊配置的化学溶液软化管道垢。管道内壁需要长时间浸泡在化学溶液中，然后化学溶液和水垢一起排放到环境中。但当垢厚时，化学除垢法的除垢效果不佳。

因此，整个除垢过程涉及到机械方法。经常使用的清管装置是进入管道并作往复运动。用锋利的牙齿或附加的器械刮除、压碎，最后从管道上脱落。然而，上述除垢方法存在一些不足之处。更换排水管的方法成本高，耗时长，劳动密集。它经常导致停产和巨大的经济损失。

而化学除垢法，化学溶液排放到环境中会对管道内壁产生腐蚀，造成很大的污染。机械除垢方法容易划伤管道内壁，对生产造成隐患。目前，还没有一种环保、经济、高效的煤矿主排水管道除垢技术。

高压水射流技术已广泛应用于石油、化工、造船等行业的容器、热交换器、冷凝器、管道等的除垢除锈等清洗作业中。高压水由高压泵形成，经高压胶管输送至专用喷嘴。然后将能量集中、速度快的水射流喷射到物体上，以完成除垢、除锈或其他清洗作业。与其他清洗技术相比，高压水射流清洗技术具有成本低、清洗质量好、无环境污染、清洗速度快等优点。

然而，在应用高压水射流清洗技术时，操作人员往往依靠经验来简单地通过增加工作压力和流量来实现清洗功能，从而导致射流清洗系统成本高、可靠性低、能耗高、耗水量大。因此，研究了水射流和喷嘴的尺度与关键参数之间的关系。

许多研究集中在水射流过程动力学的数值模拟上。采用有限元法对水射流冲击下材料的断裂过程进行了数值模拟。

该研究以河南能源化工集团公司燕马庄煤矿主排水管为样本，结垢严重。为了获得鳞片的密度、弹性模量、抗压强度和抗拉强度，进行了单轴压缩试验和巴西圆盘劈裂试验。为了获得合适的水射流压力和流量，利用ANSYS软件的AUTODYN模块，在测定水垢力学性能的基础上，研究了水射流作用下管道鳞的破碎机理和破碎效果。

为了获得合适的水射流和喷管参数，需要对管秤的力学性能进行研究，为数值模拟提供真实的数据。然而，目前还没有对煤矿排水管道中鳞片力学性能的研究。在对我国主要煤矿进行调查后，对河南能源化工集团公司延马庄煤矿主排水系统的管道规模进行了抽样调查，由于管道规模大，排水效率明显降低，吨排水能耗大。

图为煤矿结垢管

图为制造比例尺试样的工艺：(a)切割；(b)第一次研磨；(c)第二次磨削；(d)最后研磨

管道鳞是多孔的。因此，在试件的制作过程中采取了四个步骤。首先，用酒精擦拭试样，去除应变计粘贴表面的杂质。粘贴位置如图所示。第二，将一层薄的AB胶均匀涂抹在该位置，并在室温下保存24小时。第三，AB胶层固化彻底后，用砂纸打磨。第四，用502胶粘贴应变仪。最后，将应变计线与连接端焊接。

图为用应变计粘贴的鳞片试样

图为测试中使用的设备：(a)DNS 100电子万能试验机；(b)电子应变测量仪

通过单轴拉伸试验得到。在加载初期，由于鳞片试样孔隙的闭合，应力与应变的关系是非线性的。塑性变形占主导地位。在加载的中间阶段，应力与应变之间存在良好的线性关系，尤其是在AB截面。

图为单轴拉伸试验测得的压应力-应变曲线

图为巴西圆盘劈裂试验得出的力-位移曲线

结果表明，弹性变形占主导地位。在C点，应力达到峰值。之后，随着应变的增加，应力值逐渐减小。这意味着试样的内部结构在达到拉伸极限后已被破坏，但总体形状基本保持不变。通过巴西圆盘劈裂试验得到。随着位移的增加，力先增大后急剧减小。根据方程，峰值为25.7 N。

如果水射流的压力和流量很小，则无法清除管道中的结垢。但是，如果压力和流量最大，管道可能会损坏。为了取得良好的除垢效果，必须找到匹配的压力和流量。

图为水射流和水垢的颗粒化模型

图为观测点1-9的应力-时间曲线

图为观测点1-9的压缩-时间曲线

图为20 MPa水射流冲击管道结垢的破坏过程

上述分析表明，20 MPa压力和200 m/s冲击速度的水射流会在水垢中产生交替的压应力和拉应力。平均值超过了规模的强度。因此，可以取得良好的除垢效果。

图为锥形收敛喷嘴：(a)喷嘴的结构；(b)喷嘴的有限元模型

图为不同收缩角喷嘴轴线上的水射流速度曲线

图为不同收缩角喷嘴轴线上的水射流静压曲线

图为不同喷嘴轴线上水射流速度曲线l/d

图为不同喷嘴轴线上的水射流压力曲线l/d

仿真结果表明，收缩角和l/d喷嘴内的射流速度和压力有明显的影响。当收缩角为13°时l/d喷管内流场的速度和静压分布较好，喷嘴内部流场稳定性较好，出口射流速度较高。

为了缩短计算时间，提高计算效率，只对流体计算区域进行了建模。在ANSYS工作台上建立了喷嘴和外部空气的模型。

图为喷嘴和空气场模型

图为划分网格

图为水射流的轴向速度云

图为水射流轴向速度变化曲线

图为水射流轴向动压云

水射流进入空气后沿轴向扩散，呈喇叭状向两侧扩散。高速水射流与静止空气之间存在很大的速度差异，这导致了两相之间的动量交换。动量交换使水射流受到垂直轴力的作用，迫使水射流向外扩散。扩散可以降低水射流的速度和动态压力。

图为水射流轴向动态压力变化曲线

模拟结果表明，水射流的轴向速度和动压在距喷管出口约73.5mm的距离处开始衰减，可视为射流初始截面的长度。但是，如果选择的冲击目标距离太小，则尺度表面上的水射流作用区域太小。这也不利于提高除垢效果。因此，在20 MPa水射流作用下，所选择的冲击目标距离为50 mm。

图为实验台：a)高压水射流发生器；(b)水射流正在影响着水垢

图为实验台原理图

图为测试结果

上图中 ，(a)水射流压力为12 MPa；b)水射流压力为14 MPa；c)水射流压力为16 MPa；d)水射流压力为18 MPa；e)水射流压力为20 MPa；f)在20 MPa压力下，水射流冲击管道内壁1 min。

图为破碎坑深度与水射流压力的关系

研究结论

通过仿真和实验，得到了用于煤矿排水管道水射流除鳞的水射流和喷嘴的优化参数。对雁马庄煤矿主排水管的结垢进行了力学性能测试。结果表明:密度、切线弹性模量、正切弹性模量、抗压强度和抗拉强度分别为1225 kg/m3、1.6 GPa、1.8 GPa、1.02 MPa和0.2 MPa。

模拟了水射流作用下管道结垢的破碎机理和破碎效果。结果表明，当水射流压力为20 MPa，流量为40 L/min时，可获得良好的粉碎效果。喷嘴的关键结构参数之间的关系和流体的轴向压力和速度场分析了喷嘴内部获得出口直径、喷嘴收缩角和长径比,应该是2毫米,13和2,分别获得良好的打击力和除垢效果。并对喷嘴外流场的轴向速度和动压力进行了模拟，得到在20 MPa水射流压力下合适的靶距为50 mm。

利用上述优化后的水射流和喷嘴参数，在12 MPa、14 MPa、16 MPa、18 MPa和20 MPa不同的水射流压力下运行5 s进行实验。相应得到的切割深度分别为4 mm、17 mm、31 mm、44 mm和48 mm。结果表明，当水射流压力为20mpa时，管壁不受破坏，管壁能完全切结垢。

该研究对水射流除鳞系统的研制和煤矿排水管道除鳞方案的制定具有指导意义。虽然该研究获得的优化参数不一定适用于所有煤矿主要排水管道的喷水除垢，但对其他煤矿排水管道类似的喷水除垢研究具有指导意义。为了进一步研究，需要研制一种能够携带高压水射流喷嘴，在管道内部进行除鳞操作的机器人。

参考文献：Aiming Wang, Pengfei Sun, Ziwei Zhang, Baomei He, Guoying Meng, Jie Yang & Xiaohan Cheng Numerical Simulation and Experimental Study on High-Pressure Water Jet Descaling in Coal Mine Drainage Pipeline  Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Mechanical Engineering (2020)