浅谈高压水射流清洗技术在地铁隧道清洗中的运用

2021-04-26王海涛

中国设备工程 2021年8期

关键词：水射流水箱高压

王海涛

（中铁十一局集团电务工程有限公司，湖北武汉 430074）

1 高压水射流清洗技术的应用优势

纵观行业发展趋势，美国、日本等发达国家的工业清洗发展水平较高，其中以高压水射流清洗技术颇具代表性，作为一种物理清洗方法，其普遍具备如下几点应用优势：

（1）无污染。在高压水射流清洗技术应用过程中，普遍采用的是自来水和工业用水，其洁净度较高，具有无味、无毒的特点，冲洗过程中不存在环境污染问题。

（2）无腐蚀。水射流的成分较为洁净，几乎不含酸、碱等物质，不会发生金属受腐蚀或管路受损等异常状况，有利于延长作业装置的耐久性。

（3）适用范围广。水射流的冲击作用较强，在管道、建筑物等结构的清洗中，可以有效挤碎杂物，使其发生剥落，几乎在各类工业清洗场景中都具有可行性。

（4）低价高效。高压水射流清洗技术所用介质为水，其使用成本较低，在合理选型以及控制好压力、流量后，便可以高效完成清洗作业。

（5）节能。高压水射流清洗采用的是更先进的高压细射流，绝大部分场景中的喷嘴喷头直径仅为0.5 ～2.5mm，仅通过细射流便可满足清洗要求，通常用水量仅为3 ～5m3/h，且经过使用后的水可被回收利用，缓解了水资源浪费的问题。

基于高压水射流清洗技术的种种应用优势，现阶段，其在工程、工业领域得到了广泛的应用，且实践表明，该项技术可以取得较好的应用效果，将其引入隧道清洗中也具有可行性。图1 为高压水射流清洗车。

2 隧道高压水射流清洗系统概述

在地铁隧道运维工作中，可应用到高压水射流清洗技术，通过配套装置的使用实现对水的加压处理，经特定的喷射装置（普遍具有直径较小的特点）后，形成高速、高压特性的水射流，冲击杂物并使其剥落。

硬件方面以隧道清洗车为主，其适用范围广，在混凝土道床、管路、隧道墙壁等结构的清洗中均可取得良好的应用效果，从而使地铁隧道维持洁净的状态，改善列车的通行环境，提高安全性。

地铁隧道工程建设及运营阶段，道床路面汇聚较多的灰尘、垃圾等，进而形成覆盖层，其与基体路面存在吸附力，而根据此类作用力的特点（为机械吸附形式），在合理的射流压力下便可以深度清理该覆盖层。施工中以高压泵为主体装置，实现常压水向高压水的转变，以水为介质，通过压力作用清洗轨道和隧道壁等部位，但其对水的压力提出特定的要求，不同清洗场景所需的压力各异，因此，适配两个子系统，高压水系统主要用于轨道的清洗作业。此外，配置中压水系统，两者在工作原理方面并无显著差异。此处以高压水系统为例，根据其水箱、加压泵、水泵、过滤器、蓄能器等基本组成单元，从功能和系统保护两个角度展开分析。

图1 高压水射流清洗车

3 功能设计

高压水系统的主要作用在于转换水箱内常压水的状态，经处理后形成高压水，再利用清洗装置以高压的形式喷出，水射流冲击轨道表面附着的杂物，使其恢复洁净的状态。在功能设计中，应根据各装置的特点展开针对性的设计。

3.1 水箱的设计

水箱是高压水系统得以正常运行的基础装置，其作为供水源而使用，需具有足够的储水量，同时，需优化整车布局，尽可能扩大水箱的容量。水箱水位的观测应具有直观与便捷的特点，因此，可以在水箱上适配可视液位仪，控制台的操作人员能够及时观察其实际情况。在水箱水位偏低时发出报警信号，告知工作人员，以便根据水箱的实际水位情况合理加水。此外，在水箱内部布设隔板可以达到稳流、加固的效果，提高水流的秩序性。于水箱顶部增设检查盖，以便检维修工作的顺利开展。

3.2 高压水泵的设计

现阶段，我国在高压水射流清洗技术应用领域依然存在有待改进之处，在参数的配置中尚未形成可靠的理论依据，以经验主导型的设计方法为主。但根据既有工程经验可知，在高压水泵的选型中有必要充分考虑压力和流量两个方面。

污垢自身具有特定的耐压强度极限应力，若产生的高压水射流的应力超过该值，便可以破坏污垢的稳定性，使其脱离物体，完成清洗作业。在展开清洗系统的设计时，应当以洁净度要求为导向，结合污垢在结构上的附着特性，合理控制工作压力，需摆脱压力越大则效果越好的误区，且在合理控制系统压力的同时考虑密封件、连接件等装置。在压力偏高时，虽然可以有效清理杂物，但也容易对结构带来冲击，使其缺乏足够的稳定性，耐久性也将随之下降。在系统压力与喷射装置难以形成适配的关系时，还易出现“雾化”的情况，实际取得的清洗效果欠佳。通常，射流压力以抗压强度的1倍为宜。污垢耐压强度极限应力难以被精准确定，因此，需组织大量的试验，再结合设备设计参数，在此基础上合理选型。根据工程经验，系统压力约为10MPa 时可以较为有效地清理轨道垃圾。既有试验结果表明，若采用直径2.4mm 的扇形喷嘴，系统压力应当维持在12MPa 左右，在条件下在1.5m以内所取得的喷射效果较好。在设计中可以考虑喷嘴的数量和流量值，由此展开计算，得到高压泵流量的具体参数。

泵装置的形式多样，其中以柱塞泵的应用效果更佳，其在高压环境中的稳定性较强，无明显的泄漏问题，可以作为首选形式。

3.3 清洗装置的设计

清洗装置的主要作用在于清洗排水槽、钢轨、防护罩等。综合考虑各部位的清洗需求，可以在轨道外侧布设2 个喷嘴，于底部设10 个喷嘴，喷射角度为40°。为提高清洗作业的灵活性，为各喷嘴分别配套手动控制阀，可以根据需求单独采取控制措施，避免相互干扰的情况。喷嘴为固定式安装的形式，设置于钢板上（布设适量的安装孔），冲洗期间，可以根据实际效果灵活调整喷嘴的角度。

3.4 其他装置的设计

柱塞泵的自吸能力不足，鉴于此特点可以加装加压泵，以便保证供水的可靠性。通过蓄能器的应用，有利于维持系统压力的稳定性，避免压力大范围波动的情况。考虑到高压泵的降载启动要求，还增添了卸载电磁阀。

4 系统保护设计

在系统保护设计工作中，兼顾的是水箱缺水、管路堵塞等方面的问题，以此为立足点合理优化。

在设计安全阀和溢流阀时，以水系统工作压力为主要参考依据合理控制其开启压力值；对于高、低压压力开关，在两者的联动关系下具有应急的作用，系统发生故障后可以有效启用，从而实现对水泵的全面保护。若存在水箱缺水、粗滤器堵塞等异常情况，可随即暂停高压泵的运行进程，减小不良影响，以免出现泵体受损等异常情况。

目前，国内主要有两种清洗地铁隧道的方式：一种方式是工人手工清洗，这种清洗方式可以除掉部分固体废弃物，但是，使清洗工人长期处在恶劣的工作环境下进行高强度作业，不但影响身体健康，而且效率低；另一种是采用地铁隧道清洗车，该车作业范围主要是隧道墙壁、轨道、路基等，另外，布设喷嘴对隧道内各个死角进行清洗。该种设备能对地铁隧道的粉尘等垃圾覆层进行清洗，清洗后的污水最终由排水沟排出隧道，大大提高了工作效率，改善了工人的工作环境。