用清管器對因膠致堵細長管清理的實踐

韓建魁 ，楊勝強 ，李文輝 ，李 飛

（1.太原理工大學 機械工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3.太原理工大學 水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

卷煙廠過濾嘴發(fā)射管道因膠致堵后的清理是生產(chǎn)過程中的一個實際難題。嘴棒是由嘴棒發(fā)射機輸出，由嘴棒接收機接收，嘴棒發(fā)射機與嘴棒接收機之間由多根內(nèi)徑10mm左右、單根長6m的銅管連接成（150～200）m長的空間布置的管線輸送煙嘴通道。嘴棒由發(fā)射機輸送到接收機是通過高壓氣流推動的[1]。在連續(xù)的生產(chǎn)作業(yè)之后，管道壁上會附著加工過濾嘴所用的中線膠，膠垢呈細條狀，由于過濾嘴發(fā)射速度較快，層層堆積、粘連，堆積速度較快，不斷累積致使管道堵塞，中斷生產(chǎn)。為此，如何清理過濾嘴發(fā)射管道中殘留的中線膠是生產(chǎn)過程中必須及時處理的實際難題。

2 目前現(xiàn)場使用的梭標法

圖1 梭標實物圖Fig.1 Factual Picture of Spear

目前卷煙廠中的普遍解決辦法是在管道某處的接頭處拆開管道，使用煙廠現(xiàn)有的高壓氣裝置發(fā)射塑料梭標，如圖1所示。利用梭標上固定的銅環(huán)對管道的刮削作用刮走管壁粘結的膠，并在另一端接收梭標。隨后由出口處發(fā)射梭標，而由進口處接受。通過重復上述步驟，使管壁粘結的膠越來越少直至接收到的梭標刮不出膠為止，清理過程結束。

該方法的缺點是：梭標對管壁的作用力較大，因管道中接有用于觀察煙嘴的玻璃管，梭標會對玻璃管造成破壞，損壞管道，故不可實現(xiàn)整根管道的一次性清理，只能逐段清理。由于梭標的直徑小于管道直徑，所以銅環(huán)對膠的刮擦作用有限，需要反復發(fā)射梭標，清理過程中梭標帶出的膠會越來越少，直至幾乎沒有才停止。清理之后管壁仍會附著一層殘余的膠，并不能全部清理干凈，清理后管道過濾嘴的通過性較差。由于高壓氣的壓力有限，故當管道堵塞嚴重時，梭標可能會在管道內(nèi)堵塞甚至卡死，需要更大的氣壓才能把堵塞的過濾嘴和梭標清理出來。如果仍然不能解決，只能更換一段新管。

3 各種管道清理方法及選擇

3.1 高壓水射流法

高壓水射流是通過高壓水發(fā)生裝置將水加壓，高壓水經(jīng)高壓軟管到達噴嘴，高壓水通過噴嘴轉化為高速的射流沖擊被清洗物達到清洗作用[2]。由于卷煙廠中管道內(nèi)徑為10.4mm，軟管與噴嘴難以進入，該種方法難以實施。

3.2 蒸汽法

飽和蒸汽清洗是利用飽和蒸汽的高溫，清洗零件表面的油漬污物，并將其汽化蒸發(fā)[3]。將蒸汽通入管道，使膠從管壁剝落下來，汽化，隨氣流帶出管道。由于蒸汽會使膠氣化之后固化，可能會使膠的分布更加分散，加大膠的去除難度。

3.3 化學試劑法

明礬和白乳膠會發(fā)生反應。明礬溶液的溶質為KAl（SO4）2，在水中電離出Al3+，它水解生成Al（OH）3膠體，其水解化學式如下所示：

式中：H+可以吸附白乳膠中帶負電的膠體粒子并使之聚沉并化解。由于卷煙廠生產(chǎn)過程中需要考慮食品安全問題，化學試劑會污染管道，故化學試劑法不建議采用。

3.4 清管器法

依靠被清洗管道內(nèi)流體的壓力，依靠前后壓差驅動清管器在管道內(nèi)移動，利用清管器上的皮碗和刀具的刮削作用，去除管壁污垢，被刮削下的污垢及雜物被清管器推出管外[4-5]。由于卷煙生產(chǎn)中嘴棒的輸送用的就是高壓氣，使用清管器清理膠垢無需其他動力設備，使用廠區(qū)里的高壓氣系統(tǒng)即可，使清理更加方便，易于推廣。故采用清管器法進行膠垢的清理。

4 清管器的設計與試制

4.1 清管器類型選擇及初步設計

圖2 清管器設計圖Fig.2 Design Drawing of Pig

清管器的種類很多，清管器按實現(xiàn)功能分為普通型清管器和智能型清管器，普通型清管器又分為球型清管器和皮碗型清管器[6]。根據(jù)實際情況需要，選擇錐形皮碗型清管器。清管器的初步設計，如圖2所示。清管器由橡膠皮碗、鋼制軸心主體和刀具組成。

由于卷煙廠管道直徑小、距離長，為防止清管器在清理過程中發(fā)生卡塞，需要對清管器的尺寸進行設計計算。

4.2 清管器幾何參數(shù)設計

清管器的直徑與管道的內(nèi)徑、垢厚、垢的硬度等有關。清管器的直徑即皮碗的外徑，清管器的直徑需控制在一定的范圍，其直徑太大會因為阻力太大造成清管器卡塞，而太小會因為刮擦作用太小造成清管效果不好[7]。根據(jù)對實際生產(chǎn)中管道的觀察，初步認為膠的厚度為1mm。

清管器的最小直徑為：

清管器的最大直徑為：

式中：m—外徑；n—壁厚；δ—垢厚。

清管器最大長度由管道曲率半徑與清管器直徑?jīng)Q定[8]。根據(jù)測量情況，卷煙廠中管道的最小曲率半徑為1m。根據(jù)上一步計算，取清管器直徑為11mm。

式中：L—清管器的最大長度；R—卷煙廠中管道的最小曲率半徑；D—清管器直徑，故清管器的長度只要小于0.208m就能順利通過，滿足要求。

4.3 理論分析

清管器以一定的力和相對運動作用于管壁上附著的膠，清管器的速度和力是影響清管效果的關鍵因素，因此需要研究清管時清管器的切削力的情況。對清管器進行簡化，去除刀具，簡化后的受力模型，如圖3所示。

圖3 清管器受力簡圖Fig.3 Forced Diagram of Pig

清管器受到動力流體的推力和管壁的摩擦阻力和剪切力。摩擦阻力與過盈量、皮碗和管道接觸面積、皮碗材料有關。因此需要研究上述物理量之間的關系以便得到最優(yōu)的參數(shù)使得清管效果最佳。

由于清管器與管道之間是過盈接觸，故管壁對皮碗存在擠壓力。當清管器放入管中后管壁對皮碗的擠壓力會使皮碗向軸中心線移動。

皮碗徑向位移量幾何方程：圖中：fw—管內(nèi)壁對清管器的摩擦阻力；fj—清管器受到的剪切力；P—通過清管器的壓降[9]。

皮碗徑向位移量物理方程：

聯(lián)立式（4）和式（5）得皮碗和管內(nèi)壁之間的擠壓力為：

令：k1=D/d，k2=de/d

管壁對清管器摩擦阻力：

式中：d—管道內(nèi)徑；de—皮碗等效內(nèi)徑；s—皮碗徑向位移量；μ—皮碗材料的泊松系數(shù)；E—皮碗材料的彈性模量；Pj—皮碗和管內(nèi)壁之間的擠壓力；A1—清管器截面面積；l—皮碗與管壁的接觸長度；f—清管器與管道內(nèi)壁的滑動摩擦系數(shù)；n—皮碗個數(shù)[10-11]。

管壁對清管器摩擦阻力即可視為清管器對管壁中的膠的切削力，根據(jù)式（8）可知，清管器對管壁中的膠的切削力與皮碗個數(shù)、皮碗與管壁的接觸長度、皮碗外徑、管道壓力有關，式（8）用定量的方式表示出上述物理量之間的關系，通過改善上述參數(shù)可使切削力增大，提高清管器的去除效率。

4.4 清管器總體結構確定與試制

根據(jù)初步設計與計算，確定清管器的總體結構，皮碗數(shù)選擇3個，皮碗外徑選擇11mm，清管器長度110mm。試制的清管器，如圖4所示。由于該清管器直徑較小，常規(guī)的皮碗安裝方式并不適用，故采用套的形式固定皮碗，通過套頂住皮碗，最后通過螺母實現(xiàn)皮碗的全部固定。為了減輕清管器的整體重量，套采用尼龍材料。

圖4 清管器Fig.4 Pig

由于皮碗難以對堅硬物產(chǎn)生刮擦作用，故清管器頭部安裝銅質刀具實現(xiàn)對凝固后表面堅硬的中線膠的刮削，刀具的外徑小于管道內(nèi)徑以便于清管器順利通過管道。清管器頭部設計成階梯軸以便于安裝不同尺寸的刀具，根據(jù)不同情況選擇不同的刀具。刀具與清管器主體是間隙配合，兩者之間涂抹白乳膠用于刀具的固定。

5 實驗與分析

5.1 實驗條件

實驗采用空氣壓縮機（型號W-1.0/8，額定排氣壓力0.8MPa，排量1.0m3/min，轉速760r/min）提供高壓氣體，與被清洗管道連接，控制高壓氣體的壓力。使用卷煙廠實際生產(chǎn)時采用的6m長的銅管作為清理對象進行實驗，向管中涂覆一定量的中線膠，實驗采用牌號為S3038的中線膠。

給兩根銅管中分三次加入同樣重量的中線膠，每根管共60g，由于中線膠在管中固化較慢，每次加入膠之后將管連接到空氣壓縮機，通入高壓氣加速膠固化，A根管中放入清管器，發(fā)射，收集清管器及清理出的中線膠，控制發(fā)射次數(shù)，稱重。B管中放入梭標，發(fā)射，收集清管器及清理出的中線膠，控制發(fā)射次數(shù)，稱重。當收集到的膠量變少直至幾乎沒有膠清理出來停止清理。

由于中線膠是一種水溶性膠粘劑，是由醋酸乙烯單體在引發(fā)劑作用下經(jīng)聚合反應而制得的一種熱塑性粘合劑，固化后其重量降低較大[12]。通過實驗確定，白乳膠處于液態(tài)時和固化后的重量比為3.491：1。根據(jù)白乳膠處于液態(tài)時和固化后的重量比得出加入管道中的60g膠固化之后的重量為17.187g。

5.2 實驗結果與分析

發(fā)射30次清管器，A管中清理出的膠為8.350g，占總膠量的48.58%；發(fā)射30次梭標，B管中清理出的膠為1.419g，占總膠量的8.25%。清理出的膠，如圖5所示。繪制這兩根管每次清理膠量的曲線圖，如圖6所示。由圖可以看出，清管器在前幾次清理出的膠較多，而在后幾次清理時去除的膠較少，由于每次清理出的膠有隨機性，故該曲線波動較大，但總體趨勢是降低最后趨于穩(wěn)定；而梭標清理出的膠量從第一次開始就相差不大，一直很少，清理效果較差。清管器的清理效果明顯，當清理到25次時清管器每次清理的膠已和梭標清理的膠相當，都很微量。分析清管器的膠去除量占總膠量的百分比仍然低于50%的原因是管道長，膠分布分散，管內(nèi)壁有一層膠較薄，附著于內(nèi)壁難以被清管器清理。

圖5 去除的膠Fig.5 Removed Glue

圖6 每次去除膠量圖Fig.6 Graph of Each Time Removed Glue

用清理后的兩根銅管做過濾嘴通過試驗，發(fā)現(xiàn)清管器清理后的A管過濾嘴通過性良好，而梭標清理后的B管過濾嘴有時會出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，進而發(fā)生過濾嘴堵塞。在生產(chǎn)現(xiàn)場使用清管器分別對50m、100m、150m組合聯(lián)接管進行試驗，均能一次性有效通過。

6 結論

（1）研究清管器在細長管道中的應用，并開發(fā)一種適用于內(nèi)徑為11mm的空間細長管內(nèi)表面清理的新型清管器。

（2）對比現(xiàn)有解決辦法，清管器清理出的中線膠占總膠量的48.58%；梭標清理出的中線膠占總膠量的8.25%。由此易知，清管器法去除膠的效率遠高于梭標法，此方法能夠改善梭標法而有效清理細長管中的中線膠，清理效果有明顯提升。

（3）該清管器可通過變徑適用于一系列直徑的管道，也適用于管道中其他雜物的清理，具有廣泛的適用性。