管道除垢防垢研究.docx

1、管道除垢防垢研究管线电磁防垢除垢系统研究摘 要：在工业生产中，污垢的存在会影响设施的正常运转，给生产生活带来一定的损失和影响。传统的除垢方法会存在环境污染、效果差成本高等特点。本文阐述了管线污垢形成的原理，影响因素并在此基础上利用单片机等工具，设计出了利用电磁场作用来达到管线除垢防垢目的。该装置运用单片机产生扫频方波信号，再利用H电桥驱动产生电磁场，在电磁场作用下，结垢粒子受到电场和磁场作用会产生振动，当粒子固有频率和电磁场频率相同产生共振，污垢沉积量就会减少。通过实践证明，电磁场除垢能够有效防止污垢在管壁上的沉积，保证了管线的正常运行，降低了对生产生活的影响程度，除垢防垢效果明显，是一种成本

2、低、无污染的除垢方法，具有较好的应用前景。关键字：环境；管线；电磁场；共振；除垢The research of pipeline electromagnetic anti-fouling systemsAbstract: In industrial production, the presence of dirt can affect the normal operation of the facility, certain losses and consequences for production and living. Traditional descaling methods ther

3、e are environmental pollution, poor results cost higher.This paper describes the principle of line fouling formation, influencing factors and based on the use of single-chip computer tools such as design using electromagnetic fields to achieve the prevention and removal of pipeline scaling purposes.

4、 The device using monolithic integrated circuit frequency square-wave signal, again using h-bridge driver generate electromagnetic fields, in the presence of electromagnetic fields, scale particles are affected by the electric field and magnetic field to vibrate when the particles equal to the natur

5、al frequency and the frequency of the electromagnetic field resonance, dirt deposits will be reduced.Through practice, electromagnetic cleaning can help prevent dirt deposits on the pipe wall to ensure the normal operation of the pipeline, reducing the impact of production and life, obviously, is a

6、low cost, no pollution of anti-scaling method has good prospects.Keywords: The environment; Pipeline; Electromagnetic field; Resonance; Scale remova1 绪论1.1 研究背景污垢是一种极为普遍的现象，它的主要成分是碳酸钙、碳酸镁、硫酸钙等难溶盐类它存在于自然界、日常生活和在输油管道、供暖、供水系统以及热电厂煤灰排放系统等各种工业生产过程，特别是在各种传热过程中由于外界条件的变化，在管道内壁极易形成污垢，影响生产与生活的正常进行。所谓污垢是指在与流体相

7、接触的固体表面上慢慢积累而成的那层固态或软泥状物质，通常是以混合物的状态存在的，固体表面从洁净状态到被污垢覆盖的过程，即污垢的积聚过程，人们常常称之为结垢或污染。有关研究表明，在实际生活和工程等领域中大多数以上的换热设施都存在不同程度的污垢问题，其次它的危害性很大。换热外表结垢将形成污垢热阻，加大了传热热阻和流动阻力，管道直径的细微变化也会引起流速的降低或压力降的增大，甚至引起部分换热设施事故出现；而热阻的增加使换热过程中的热效率降低，从而又引起一系列的经济损失。1.1.1 污垢在管道中的危害 污垢是指与流体相接触的固体表面上逐步积累起来的固态或软泥态物质, 通常是以混合物的形式存在。比如管道

8、输送的油气等介质中含有大量的物质，比如有机物、 H 2S 和CO2、多种离子、细菌以及泥砂等杂质。因为有污垢成份的存在, 它就会有结垢的条件, 所以管道结垢所带来的危害有以下几个方面1: (1) 能源浪费 管道运送过程中需要使用大量的换热设备为原油升温、加热。而污垢的存在, 严重影响了换热设施发挥运行效能, 降低了换热效率, 使用于导热的相关能源大批浪费。而流体阻力的增加也造成了整体运行动力成本的上升。 (2) 环境污染 利用传统化学清洗后使酸液外排, 增加了污染源的排放, 给环境带来巨大的污染，对人们的生产与生活带来不可想象的后果。 (3) 影响设施运行 随着污垢的积累, 换热设施以及输送管

9、线出现严重的堵塞。停止输送，接着除垢, 更换设备、管道, 造成运送无法连续运行, 严重影响到了企业的整体利润。(4) 运行成功本增加 结垢所引起的运行设施、管道更换带来巨大的经济损失, 防除垢处理所引起的动力耗费、水资源浪费、人工费用等都使得运行维护成本增加。1.2 国内外研究现状目前国内外的防垢、除垢方法主要分为以下几个方法：（1）化学法防垢 化学法在工业防垢中长期以来处于主导地位, 化学法主要是离子交换、化学试剂等等, 这些化学方法尽管曾被广泛应用, 有着较好的防垢效果, 但是它的代价也是非常大的, 比如加阻垢剂等, 许多阻垢剂常常又是微生物的养分, 所以, 通常在加阻垢剂的同时, 还需要

10、添加大量的杀菌剂、灭藻剂、平衡剂等等, 另外化学试剂对设施、管道的腐蚀也是非常严重的，这必然就会对生产生活带来隐患。化学除垢是依据管道垢层的化学成分来选用合适的化学试剂溶解来对其进行除垢的。它是将一种或多种化学药剂用于设施工艺侧或水侧的外表来进行去除污垢的方法, 借助清洗剂对物体表面覆盖物进行化学转化、溶解、剥离来达到脱脂、除锈和去污的目的。酸洗这个方法虽然比较容易, 但需要设备停止工作,这样不仅影响生产,还麻烦费力,再加上酸洗还存在其他的缺点,主要表现在: 酸洗加速了侵蚀的进程, 降低了管道和设备的寿命年限;清洗完的残液会造成环境的大量污染; 可能在地层中发生二次沉淀而导致污染。总之, 在越

11、来越重视环境保护与强调可持续发展的今天, 化学除垢及防垢就表现出来越来越明显的局限性。（2）机械除垢 机械除垢主要是借助各种机械工具，将其深入管道，利用其与管道结垢面进行挤压、摩擦等等力的作用使水垢硬物粉碎、脱落。刮刀、撬棒、扁铲，金属刷子等就成为一些管道除垢的小型工具。而对于大型管道和结垢严重的情况时，就必须采用强力清管器。国内现在比较常用的是用炮弹式钢针清管器的方法，其结构是将钢针安插在用聚氨酯泡沫塑料制成的弹体周围。使用时要配备一些不同直径尺寸的弹体，先用小直径的弹体对管道进行除垢，然后每次根据前一次器械除垢的情况，经过管道介质压力及流量的变化来算出当时状况下的最佳除垢器尺寸数据，并以此

12、作为除垢器下一次除垢的依据。国外大多数使用的强力清管器2 主要仪器有钉轮清管器、刷轮清管器和磁力清管器等。它们的共同特点是刮削力都比较强劲，而且刮削力可由低到高进行简易调控，逐步增强刮削力，避免发生管道的“过清理”现象，进而损坏管道。（3）超声波除垢 超声波除垢，是近代才发展起来的一项新技术。所谓超声波指的是频率超过 20kHz 的声波，它具有穿透力强，方向性好，能量相对集中，在水中传播距离远等优点，已广泛由于医疗、化工、军事、检测等行业。超声波之所以能除垢是因为超声波在传播过程中发生的高速微涡效应、 剪切应力效应、 超声凝聚效应, 它是一种纯物理方式防垢、除垢技术, 能基本使工业生产中的设施

13、在污垢状态下运转超声波除垢技术能够节约能源, 减少污染排放; 提高生产效率和产品质量; 降低维护清洗成本等所以发展潜力巨大。但目前对除垢器设计也存在诸多问题，比如不同管道和换热设备的结垢速度和程度都不一样，这对于超声设备的安装方法和位置提出了很高要求。而且每次除垢都要拆卸管道，需停工停产。另外，有的管道表面声波不能波及，这种情况下就不能用超声来除垢了。（4）电磁场法除垢3 利用电磁场能量进行水处理是一个相当复杂的过程，在整个处理过程中伴随着各种物理反应，化学反应和生物反应。实验证明，各种在水中产生的反应和作用都不是在同一频率的电磁场驱动下产生的，为此提出将直流脉冲技术与变频原理相结合，从而产生

14、了变频电磁场处理技术，该技术是在静电阻垢和磁场软化水基础上发展起来的一种新型的物理法水处理技术变频电磁场水处理器在水处理中可集防垢、除垢、缓蚀、杀菌增注等多功能于一体。1.3 本课题主要研究内容由于各类除垢方法所表现出来的局限性，比如成本高、环境污染等，故本文设计了一款电磁除垢系统。使用电磁除垢、防垢技术可以克服这些缺点。本课题主要研究内容包括：（1）了解污垢形成的基本原理及影响因素。（2）掌握电磁场除垢防垢相关理论。（3）设计除垢防垢装置。（4）实验验证装置的除垢防垢效果。2 电磁场除垢防垢相关理论2.1 污垢形成基本理论管道污垢在管道内部形成大致有以下几个方面的原因： (1) 在输油管道中

15、原油中的主要固态物质为包含碳原子数为 18- 64 的烷烃, 此物质统一被称为石蜡。石蜡的熔点约在40 - 60左右,在用管道长距离输送过程时,为了保障输送能力,避免原油固化,需要对原油进行系统的保温、加热等处理。但是,随着时间的转移,原油在输送中温度逐渐下降,石蜡逐步析出,凝固并依附在管壁的表面。导致管道内部阻力增大,输送难度加大。 (2)一些离子结合后在水中形成不溶、难溶和微溶的物质。这些物质都很容易积累而形成水垢，通常我们也把它们成为盐类垢。这类垢大多包括碳酸盐和硫酸盐，典型有CaCO3、MgCO3、BaSO4，管道污垢物还包括锶、镁、钙的硫酸盐或一些碳酸盐。一般情况下我们认为,这些污垢

16、的形成由以下4步组成49: 第一步, 水中的离子结合形成溶解度很小的盐类分子; 第二步, 分子结合和排列形成微晶体,然后产生晶粒化过程; 第三步, 这些粒子一般会经历成核长大的过程 ,先是少量垢核心在管道表面形成、附着,然后更多的其它成垢化合物在这些核心周围聚集,成为更大的垢团大量晶体堆积长大, 沉积成垢; 第四步, 在不同的管线条件下,随着水流的冲刷 ,一部分垢被冲掉 ,但其它的垢继续生成 ,最终可能阻塞管道 ,随着环境水温的升高 ,这些难溶或微溶盐的溶解度下降 ,就有更多的物质从水中析出 ,形成不同形状的结垢物。Ca2+CO32- CaCO3 （1-1）Mg2+CO32- MgCO3 （1

17、-2）Ca(HCO3)2=CaCO3+CO2+H2O （1-3）碳酸盐垢在水中的溶解度随温度的降低而升高,即水温高时产生碳酸盐垢的可能性更大。水中含盐量(不包括钙离子和碳酸根离子)越高,碳酸盐垢在水中的溶解度就越大, 则其结垢趋势也就会越小。当水中CO 2的含量低于碳酸盐垢溶解平衡所需要的含量时,可逆反应就发生右移, 输油管道中的碳酸盐垢就会容易结垢。相反,原有的碳酸盐垢则逐渐被溶解。当水中的pH 值较高时,产生碳酸盐垢的趋势就会变大;反之,则不易产生。高矿化度的盐水在一定程度上对碳酸盐垢的形成有一定抑制作用。 Ca2+SO42- CaSO4 （1-4） Ba2+SO42- BaSO4 （1-

18、5）Sr2+SO42- SrSO4 （1-6）温度一般情况下不影响硫酸盐垢的类型, 但是会影响其中CaSO4污垢的类型。水中含盐量(不包括Ba2+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、SO42-) 越大, 硫酸盐垢在水中的溶解度越大, 那么其结垢趋势也就变小。压力增加时, 硫酸盐垢在水中的溶解度就会变大,那么其结垢趋势也就变小。2.2 影响因素影响管道结垢的原因很多,除了介质中含有一定量的有机物、 H2 S、 CO2、 离子、细菌等内在因素外 ,还存在外在因素。1 温度对结垢的影响 温度对结垢的影响主要表现在结垢盐类的溶解度方面。图2-1为垢在水中的溶解度随温度变化的曲线。从图 2-1可以看出 ,除

19、了BaSO42 H2O溶解度有最大值外,其它物质溶解度均随温度的升高而降低。图2-1 垢在水中的溶解度与温度的关系盐类垢中以碳酸盐为主 ,当温度升高时 , Ca(HCO3)2分解 ,产生CaCO3结垢。Ca(HCO3)2CaCO3+ CO2 + H2O (1-7)该反应为吸热反应 ,温度升高时 ,反应平衡向右移动 ,有利于CaCO3 的析出10 对于以CaSO4 、BaSO4 和SrSO4为主的盐类垢 ,主要是因为介质中的SO42- 与Ca2+ 、Ba2+、Sr2+结合而生成难溶解沉淀物质。由于这些反应大部分也是吸热反应 ,随着温度的升高 ,沉淀就会变得更多。然而，温度也会影响细菌的繁殖速度以

20、及钢铁电化学反应的速率。各类细菌对温度的要求不一样,大多数细菌的最佳适宜温度大概为 2040 左右 ,伴随着管道输送介质温度的变化 ,细菌的繁殖率也会相应的变化 ,对管道的腐蚀也就随之改变,从而影响污垢的生成速率。2 压力对结垢的影响 压力对CaCO3 、CaSO4 、BaSO4等结垢都有影响。 碳酸钙结垢有气体参加反应 ,压力对其影响相对较大。压力降低 ,式(1-7) 向右进行 ,可以促进结垢进程。在管道输送过程中,压力一般情况下都是降低的 ,所以结垢是呈上升的趋势。3流速对结垢的影响 对于各类污垢,污垢的增长趋势随着流体速度的增大而减小。这可以理解为,虽然流速增大使污垢沉积率增加,但是,流

21、速增大所导致的剥蚀率的增大更为明显 ,所以造成总的增长率减小。当流速降低时,介质中所携带的固体颗粒和微生物的排泄物沉积概率就会变大,管道结垢的概率就会明显加大 ,特别是在结构容易突变的地方。流速的突变也可以理解为压力的变化,假设流速突然加大,而引起局部脱气 ,导致CO2分压降低,式(1-7)平衡向右移动,引起CaCO3 结垢。4pH值对结垢的影响 研究表明,提高溶液的 pH 值 ,碳酸盐就会立即溶解然后结晶 ,导致渐进污垢热阻值增大,进而缩短污垢形成的诱导期,就会促进污垢的生长11。2.3 电磁场除垢防垢原理电磁场除垢就是向水中施加一个与其自然频率相同的频率，从而使得水分子发生生共振。共振的结

22、果就会使氢键断开，改变水分子的的存在形式，将原来结合形成各种链状、团状分子分解成为单个的极性水分子，进而提高了水的活化性，改变了水分子和其它结垢粒子的结合关系，从而改变对污垢的溶解度12。极其微小的水分子可以通过渗透、包围、疏松、溶解污垢，进而达到防垢的目的。在电磁场的作用下，粒子受到电场和磁场的共同作用会产生振动，当粒子固有频率与电磁场频率产生共振时，粒子的振动幅度会增大，特别是在粒子间的结合处，当振动幅度达到一定程度时就会将大团的粒子团振散，将长链的粒子振断为短链，从而减少垢的沉积量。由于管道在不同条件下内水的温度、硬度、pH值不同，造成具有不同的自然频率，那么其共振频率也不同。所以施加一

23、个频率变化的电磁场能够使不同条件下水分子或者结垢粒子发生共振，变化的频率覆盖了污垢的的自然频率，进而达到除垢防垢目的。2.4 电磁场除垢优越性和传统的除垢措施比较电磁场除垢的优越性有：安全性高，经济效益良好，社会效益巨大，对管道具有附加的保护作用。安全性方面：有很多生产部门，安全性要求比较高，如化工生产企业、油田生产部门等。由于电磁场处理技术采用的是低电压，能适用于一切危险场所，应用范围比较广泛，满足了特殊部门低电压的安全性要求。经济效益方面：避免了化学药剂对设施的侵蚀作用，延长了设备的使用寿命，耗费成本低进而减少了固定资产的无形损耗；安装时不需要停工停产，有助于提高企业的效益，修理方法简单，

24、人员管理方便，能够降低运行费用，也能节省一定的人力物力。社会效益方面：有效地避除了化学药剂对环境的污染以及避免了水资源的浪费；不需要停工停产，进而提高了生产效率。在其它方面的作用：通过电磁作用之后的水能够电离出活性氧，从而在管道的内壁上形成一层层氧化膜。这些氧化膜可以阻止管道发生电化学反应，进而减缓管道的腐蚀进程。与此同时，由于管道内产生了变频共振场以及活性氧，可以起到杀菌，灭藻的作用，这样就对管道有一定的保护作用。3 除垢防垢装置设计3.1 概述本课题装置首先要设计一个能够产生频率变化的扫频信号，再通过H电桥驱动，这样就形成一个简单的除垢防垢仪。这样将一根导线缠在管道上构成一个螺线管，两端导

25、线连接到H桥输出位置，这样就能够使管道内的污垢受到电磁场作用而得到处理，从而达到除垢防垢的作用。电磁场除垢防垢装置设计简易流程如下图3-1所示。图3-1 装置设计简易流程图3.2 扫频信号的生成3.2.1 扫频信号的选择 通常情况下信号有多种形式，我们平常接触到的信号有正弦信号、方波信号、锯齿波信号、脉冲信号等等。在本课题中具体选用怎样的信号能够有助于管道的除垢防垢，而且效果更明显。人们经过反复的试验，发现方波信号在除垢、防垢效果方面比较其它信号更为明显13，是由于方波信号含有的谐波成分比较多，使水分子团与外加电磁场达到共振的机会更大。鉴于以上原因，在本次课题中选择方波信号作为扫频信号对管线除

26、垢防垢进行更加深入的研究。3.2.2 信号产生方案研究方案一 用555定时器构成占空比可调的多谐振荡器555定时器是一种中规模的集成电路，它可以构成多谐振荡器，图3-2是占空比可调多谐振荡器原理图。图中数字对应的管脚如下所示：1脚表示外接电源负极或接地（GND）。 2脚代表TR触发输入。 3脚为输出端（OUT或Vo）。 4脚是RD复位端口，移步清零而且低电平有效，当接低电平时，不管TR、TH输入是什么电平，电路总是输出“0”。要想使电路正常工作，那么4管脚应该与电源相连接。5脚表示控制电压端CO(或VC)。如果此端外接电压，就可以改变内部两个比较器的基准电压，当这个端口不用时，应将该端串入一只

27、0.01F的电容接地，以防止引入干扰。 6脚表示TH高触发端。 7脚是放电端， 8脚代表外接电源VCC（VDD）图中有可调电位器Rp1和两个引导二极管，该电路放电管T截至时，电源通过RA、D1对电容C充电，当放电管T导通时，电容通过D2、Rb、T进行放电。只要调节Rp1,就会改变与的比值，从而改变输出脉冲的占空比。图中=0.693C =0.693，因此输出脉冲占空比14图3-2 占空比可调的多谐振荡器原理图可以得到方波周期则频率为通过滑动可调电位器Rp1就可以改变方波的频率。方案二 采用直接数字频率合成技术采用此种方法具有频率分辨率高、频率改变快捷、频率稳定性好、低相位噪声等优点。但是由于采用

28、大量倍频、分频、混频以及滤波环节，这就造成直接频率合成器的结构复杂、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，较高的频谱纯度就会难以达到。方案三 采用单片机编程的方法实现 采用这种方法能够用编程来控制信号的波形的频率，并且在硬件电路不变的情况下，通过改变频率的转换。此外，通过编程方法产生的是数字信号，所以可以提高信号精度。 鉴于方案一没有智能型，不能自动调节频率，而且电阻值稳定性容易受到外界温度的影响，方案二电路复杂，成本高等。所以决定采用方案三的方法，它不仅软硬件结合，使得能够保障信号频率的稳定性和精度准确性，而且使用的几个元器件都是很常见很常用的，容易得到并且价钱低廉，是个不错的选择。3.2.3

29、 基于MCS51单片机的设计 1 单片机简介AT89S51是一个低功耗，高性能的CMOS 8位单片机，下图3-3是单片机内部结构图。片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，该单片机采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造方法，兼容MCS-51指令系统及80C51引脚，芯片内集成了通用的8位处理器和ISP Flash存储单元，功能强大，可为许多嵌入式控制应用系统提供一个高性价比的解决方法。图3-3 AT89S51单片机内部结构图AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的RAM，32个外部

30、双向I/O口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。 此外，该单片机设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置的省电模式。在空闲模式下，CPU将会停止工作， RAM定时/计数器，串行口，外中断系统可以继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，暂停芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。该单片机PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。2主要特性： （1） 8031 CPU与MCS-51 兼容 （2） 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) （3） 全静态工作：0Hz-33MHz （4） 三级程

31、序存储器保密锁定 （5） 128*8位内部RAM （6） 32条可编程I/O线 （7） 两个16位定时器/计数器 （8） 6个中断源 （9） 可编程串行通道 （10）低功耗的闲置和掉电模式 （11）片内振荡器和时钟电路 3管脚说明：单片机管脚图如下图3-4所示 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口是一个8位漏级开路双向I/O口，每个引脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口

32、：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，