龙璇 周江 刘傲然 饶烯予 莫佳宁 程小龙
重庆交通大学 河海学院 重庆 400074
摘要：城市排水管道存在一定程度的泥沙淤积是不可避免的问题，沉积物淤积在管道内，不仅对排水管道造成腐蚀，还会使管道水流输送能力降低。目前市场上管道主要以人工清洗为主，其安全性，经济效能都比较低，为了提高清洁效率，本团队研究了一种基于高压水射流技术的伞状清洗装置。利用高压水射流对管壁进行清理，并采用伞状结构骨架对污水进行搅拌，加速水流流动，提高水流输送能力，同时利用伞骨结构提供的支撑作用解决弯管处的清洗问题。有良好的实用价值。
关键词：高压水射流 管道清淤 管径自适应
1、研究背景及意义
1.1研究背景：
排水系统随着城市的发展而不断完善，是一座城市不可或缺的基础设施，发挥着收集输送雨水、城市生活污水及工业废水的重要作用，同时也肩负着水环境污染的防治以及城市防洪排涝等重要职责，排水系统运行的正常与否直接关系到城市的经济发展、生态环境防护及居民的正常生活。
1.2研究意义：
淤积可以导致排水容量的降低，水流阻力的增大，甚至造成严重堵塞。沉积物淤积在管道内，不仅对排水管道造成腐蚀，还会使管道水流输送能力降低。由于管道内的沉积物会受到雨水冲刷，会使受纳水体受到管内附着的污染物的二次污染，对水环境安全造成严重威胁。另外城市不透水表面增加，雨水汇流速度加大，在快速城镇化过程中，我国排水的基础设施滞后、标准偏低，地下的排水管道受制于有限的空间很难拓宽，再加上排水系统维护与管理不善，导致城市排洪防涝日趋紧张，给城市居民的生命财产安全构成了巨大的威胁。
1.3研究内容：
传统的排水管道的清淤方法（如绞车清淤法）需要人工地下操作，本装置利用高压水喷射向前推进，减少了人工操作部分，提高了管道清洗的安全性。
使用高速水流作为清洗介质对管道进行清洗，伞骨结构搅动管内水流，提高了泥沙等淤积物的移动速度，能有效增加清洗效率。
2、设计方案
2.1工作原理
通过增压泵对水进行加压，通过进水管进入钻头的水箱，从钻头上的喷嘴喷射出来，由于喷嘴设计有一定的角度，高速水流从喷嘴射出，为前进装置提供一个旋转的作用力，以及前进的反推力，水流对管壁进行清洗，装置旋转前进搅动水流提高水中杂质流动速度，利用管内水流将沉积物冲刷至下游。
2.1.1高压水产生及进入
通过增压泵对水进行加压，采用合金制高压软管作为高压水流进入清洗装置通道。由《室外排水设计规范》得知检查井最大间距，确定高压软管长度设计值大于等于150米。
2.1.2旋转接头连接工作
本产品旋转部分与高压软管的连接部分采用高速旋转接头，旋转接头主要由内侧自润滑滑动轴承，O型密封橡胶圈，PTFE直角密封构成，内侧自润滑滑动轴承作为径向自润滑轴承，有效的支撑转轴接头围绕轴心旋转，确保旋转轻快和密封可靠。填充的PTFE和O型密封圈形成U型组合密封，确保了高，低压密封的可靠性。
2.1.3伞骨的旋转工作
本产品伞骨部分采用铜基弹性合金，铜具有良好的导热性，可焊性，耐腐蚀性，铜基合金强度高，满足弹性要求。伞骨旋转产生搅拌作用，加速管道内淤积物泥沙等往下游的流动速度，实现预防堵塞的效果。
2.2参数设计
2.2.1高压水压力值设计
高压水射流冲洗到物体表面时，水流原有速度的大小和方向均发生改变，其动量也随之改变。动量的改变是由于射流与物体间的相互作用引起的，失去的一部分动量以作用力形式传递到物体表面上。当连续水射流连续冲击物体表面时，形成稳定冲击力，即为射流物体表面的总冲击力。
当污垢所受到的应力σ,大于污垢本身的极限应力,污垢就会破裂，从而达到清除污垢的目的。排水管中，主要污垢淤积物为物料（泥沙）堆积污垢以及水垢，清洗时需要水压大概30Mpa。从而要求加压装置提供大于30Mpa的压力。
2.2.2旋转喷头角度设计
水射流对清洗面(靶面)的打击力是影响清洗效果的关键因素，而高压水流从喷嘴射出来打到靶面上包含了2个变量：入射角及靶距，是打击力的关键定量参数。
水射流打击力可分解为水平和垂直分量。其中，水平分量对靶面污垢起切削作用，即为剪切力，决定着前行速度的快慢；垂直分量则为冲击力，对污垢起渗透、破碎作用，若垂直分量低于临界值，射流则只掠过垢层表面而不能起到清洗。因此需要得到使二者平衡的一个角度。
靶距一定时，安装角增大，打击力减小，清洗效果减弱。为了同时达到旋转以及清洗的效果，旋转喷头偏转角度设计值控制在10°左右。
2.2.3伞架尺寸设计
根据现有地下水排污管道尺寸，伞架直径选定在30cm-65cm，针对不同的管径相应选定较管径小10cm左右的伞架结构。
3、创新特色
1、设置的伞骨贴合管壁起支撑作用，保证钻头高压喷射部分基本维持沿管道中心轴前进，装置稳定性增强；
2、利用伞骨旋转搅拌，增大了水流流速，带动淤积物向下游，实现预防淤积的作用；
3、设计倾斜的喷头，使其在清洗管壁的同时能够提供后推力和旋转力，让装置旋转前进，清洁效率提高；
4、应用前景
水射流其本身有很多优势，其操作方式简单，运用范围广泛，且能达到高效环保的目的。对于本装置，采用旋转喷射清洗的方法，提高了管道清洗效率；在此基础上，增设伞骨结构，使装置能适应管道状况的变化，同时旋转的伞骨为增大水流内杂物的流动速度，预防堵塞，提高了管网的过流能力。
2014年，我国《海绵城市建设技术指南》试行，该指南倡导城市弹性适应环境变化，将自然途径与人工途径相结合，在确保城市排水防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，也是作为初期雨水治理的主要途径之一，该方法可有效减少排水管道内雨水径流造成的泥砂沉积。到2017年为止，我国城市排水管道长度已经超过63万公里，并且呈逐年递增的趋势。因此研究一种新型需要一个快捷高效并且安全的管道清淤疏通工具对城市排水系统实际运行过程具有重要的工程实践意义。
管道的淤积，其疏通将耗费大量的人力财力物力，可使用本装置进行管道清洗预疏通，能够使经济效益最大。本装置的清洗原材料为水，环境友好，顺应国家提出的青山绿水的发展战略。装置结构的设计也能够适应各种型号的管道和不同的管道情况，几乎所有的管道都可以使用本装置进行清洗。并且，目前我国加压技术发展迅速，水射流的运用将面向整个清洗市场。
5、结语
本文提出了一种新型的管道清洗装置，装置在自动前进方面做得比较好，但随着管网出现问题的越来越复杂，本装置在智能监控方面还有待提升。
6、参考文献：
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