專利名稱：基于激光沖擊波技術的金屬管道內壁除垢方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光加工技術領域，具體涉及ー種基于激光沖擊波技術的金屬管道內壁除去污垢方法和裝置，該方法特別適合于清除固結在管道內壁的污垢等附著物。
背景技術：
金屬管道作為ー種輸送流體的部件已得到廣泛應用，然而由于流體中含有雜質和外部因素的影響，管道在使用過程中容易在其內壁形成ー層垢體，如石油冶金化工的熱交換管、冷卻管等。管道內壁結垢后，內徑收縮，通流面積減小，導致流量變小，運送效率降低，運輸成本増加，甚至還會使管道堵塞，引發安全事故，因此管道內壁的污垢必須要及時清除。目前常用的金屬管道除垢方法主要有機械除垢、高壓水射流除垢、化學除垢和火藥沖擊波除垢等。機械除垢是使用刀具或其它機械裝置除去管壁污垢，通常使用人工手持刀具刮削去除污垢；或者在管道內放置刀具，向管道輸送流動介質作為推動刀具向前運動的動力，利用刀具對內壁的刮削作用以達到清除管內污垢。機械除垢的方法具有使用設備簡單、操作簡單、無污染等優點，但該方法一般適用于口徑較大的管道除垢，對于小口徑管、變徑管等管道內壁的污垢，該方法除垢的效率較低，甚至難以奏效。高壓水射流法是以水為介質，通過高壓裝置，形成高壓水，將壓カ能轉化為水射流動能，通過專用噴頭直接沖刷在金屬管道內壁的垢體上，使之發生破裂，脫落，達到清洗除垢的目的。該方法的特點是以水為介質，不損壞和腐蝕金屬管道，不污染環境，但對于粘結カ很強的污垢難以清除干凈，如熱交換管道內壁固結的CaCo3之類的污垢，而且高壓系統設備較為復雜，制造成本高，維修困難。化學除垢是根據垢層的化學成分，選擇合適的化學試劑將其注入到管道內，存放一段時間，使化學試劑和污垢充分反應，使垢體軟化、溶解、脫落，再用水把管道沖洗干凈。該方法在除垢過程中，由于化學試劑劑量難以精確控制，垢體的厚薄不均勻，化學試劑對污垢產生作用的同時，必然對管道有一定的腐蝕作用，而且垢層的化學成分不同，化學除垢劑成分不同，導致化學除垢エ藝復雜，容易對環境造成污染。火藥沖擊波除垢方法是利用火藥產生的沖擊波及高壓氣體直接傳輸給管道或容器，沖擊波及高壓氣體作用于管道或容器壁，從而使垢體剝落。火藥爆炸產生沖擊波除垢的效率高，但該裝置產生沖擊波的作用的范圍有限，且火藥的藥量難以精確控制，安全性較差。
發明內容
本發明針對現有除垢方法存在的上述技術問題，提供ー種基于激光沖擊波技術的金屬管道內壁除垢方法和裝置。本發明所提供的ー種基于激光沖擊波技術的金屬管道內壁除垢方法具體如下 先在反射座13的端面涂上有效吸收激光能量的黒漆作為能量吸收層12，再將反射座13插入待除垢的金屬管7內，根據待除垢體8的主要成分、金屬管7的力學性能、金屬管7的管壁厚度對激光脈沖參數進行優化，激光脈沖束3的功率密度為GW/cm2量級，激光脈沖束3直接輻照在反射座13的能量吸收層12上，能量吸收層12的材料氣化形成高溫高壓高密度的等離子體11，高壓等離子體11迅速膨脹而產生高壓沖擊波作用在管道內壁的垢體8上，形成了向其內部傳播的應カ波，當應カ波壓カ峰值超過垢體材料的斷裂極限時，垢體8碎裂并剝落，剝落后的垢體8隨約束層水10從反射座13和金屬管7內壁之間的間隙及時排出管外。本發明所提供的ー種基于激光 沖擊波技術的金屬管道除垢裝置包括激光器發生器I、導光系統、エ件夾具系統和控制系統；其中所述導光系統包括導光管2、全反鏡4、沖擊頭5，所述導光管2的一端連著激光發生器1，依次把激光發生器I、全反鏡4和沖擊頭5連接起來，所述導光管2的另一端連接沖擊頭5并對著工件夾具系統；エ件夾具系統包括水龍頭6、金屬管7、約束層水10、能量吸收層12、反射座13、管件夾持器9、導向支架16、水槽15、工作臺14，水龍頭6位于金屬管7上方，反射座13插入待除垢的金屬管7的內部，所述反射座13的直徑要比金屬管7的內徑小，反射座13和金屬管7內壁之間留有間隙，反射座13的端面上涂有黑漆作為能量吸收層12，約束層水10覆蓋著能量吸收層12，反射座13的下端固定在水槽15底部，水槽15放置在工作臺14上，金屬管7通過管件夾持器9裝夾在導向支架16上，導向支架16固定在工作臺14上；控制系統包括計算機18和控制器17，計算機18通過控制器17控制管件夾持器9和工作臺14的運動，計算機18通過控制器17控制激光發生器I發出的激光脈沖束3。本發明的實施過程如下
1、將金屬管裝夾在管件夾持器上，管件夾持器裝夾在導向支架上，導向支架固定在エ作臺上；
2、把端部涂有黑漆作為能量吸收層的反射座插入金屬管中，并調節反射座端部與金屬管的相對位置；
3、打開水龍頭，向金屬管中注入水，根據管壁和反射座的間隙，調節水的流量大小，使水覆蓋反射座表面的能量吸收層；
4、優化后的激光脈沖由激光發生器發出，經過導光系統輻照在吸收層上，產生的高壓沖擊波作用在金屬管內壁的垢體上，使垢體破裂、剝落；
5、改變反射座與金屬管的相對位置，在新位置上實行激光沖擊波沖擊，從而可實現較長金屬管內壁整體除垢；
6、關閉水龍頭,打開管件夾持器，取出金屬管。本發明的優點為
I、由于脈沖激光參數受控可調，脈沖能量可從幾焦耳調至幾百焦耳，且精確可控，因而激光誘導的沖擊波壓力峰值精確可控，其最大值可高達幾十個GPa，遠超過垢體材料的斷裂極限，因此可以對固結在管壁表面的任何堅硬的垢體實施沖擊，使其剝落。2、由于激光光斑尺寸可根據金屬管內徑的大小來調整，操作簡單方便，因此可以對大小不同的金屬管進行除垢，具有較大柔性；水作為約束層，既增加了沖擊波的峰值壓力，延長了沖擊波的作用時間，又可帶走沖擊后剝落的垢體，提高了除垢效率。3、本發明采用脈寬為ns量級、功率密度為GW/cm2量級的強激光沿金屬管的軸線輻照在反射座的能量吸收層上，誘導激光沖擊波除垢，不會對管壁的內表面產生機械損傷，激光沖擊波在除垢的同時，也對金屬管內表面進行了沖擊強化，提高了金屬管內表面的抗應カ腐蝕能力。4、本發明裝置結構簡單，剝落的垢體隨著流水從反射座和金屬管內壁之間的間隙排出。除垢所需的時間短，效率高，不使用化學試劑，是ー種節能環保型無污染的新技木。
圖I :本發明裝置結構示意圖。圖中1 :激光發生器；2 :導光管；3:激光脈沖束；4:全反鏡；5:沖擊頭；6:水龍頭；7:金屬管；8:垢體；9:管件夾持器；10:約束層水；11:高壓等離子體；12:能量吸收層；13:反射座； 14:工作臺；15:水槽；16:導向支架；17:控制器18:計算機。
具體實施例方式本發明裝置主要包括激光器發生 器I、導光系統、エ件夾具系統和控制系統。其中導光系統包括導光管2、全反鏡4和沖擊頭5 ;エ件夾具系統包括水龍頭6、金屬管7、約束層水10、能量吸收層12、工作臺14、管件夾持器9、導向支架16、反射座13組成；控制系統包括計算機18和控制器17。激光發生器I發出經過優化的激光脈沖束3，激光脈沖束3的參數由金屬管7的垢體8的材料的成分、厚度，以及金屬管7的內徑大小及壁厚等因素共同決定。激光脈沖束3的模式可以是基模、多模等多種模式，由控制器17調節和控制。由激光發生器I產生的激光脈沖束3經導光管2和全反境4以及沖擊頭5和約束層水10,福照在反射座13端面的能量吸收層12上。沖擊頭5內有聚焦鏡，可以通過工作臺14在豎直方向上的上下移動，改變沖擊頭5與反射座13的端面距離，從而可改變光斑直徑大小。金屬管7用管件夾持器9固定在導向支架16上，管件夾持器9的位置受控制器17控制，能夠沿導向支架16上下移動，從而改變金屬管7和反射座13的相對位置，導向支架16固定在工作臺14上，反射座13固定于水槽15底部。工作臺14可實現沿三個軸向移動，使激光脈沖束3的軸線和金屬管7的軸線重合。經導光系統輸出的激光脈沖束3穿過約束層水10，輻照在覆蓋在反射座13端面的能量吸收層12上，能量吸收層12吸收了激光脈沖束3的能量后，迅速氣化、電離，形成高壓等離子體11，高壓等離子體11急速膨脹，產生高壓沖擊波，形成了向垢體8和金屬管7內壁傳播的應カ波，當應カ波的強度超過垢體8的斷裂極限吋，垢體8將會碎裂，并在拉伸應カ波的作用下，從金屬管內壁上脫落下來。當金屬管7內壁某一位置的污垢被清除干凈后，管件夾持器9接受控制器17的指令，帶動金屬管件7移動，改變與反射座13的位置關系，在新的位置再進行激光沖擊波除垢，直至整個金屬管7內壁的污垢皆被清除干凈。
權利要求
1.基于激光沖擊波技術的金屬管道內壁除垢方法，其特征在于該方法具體如下 先在反射座(13)的端面涂上有效吸收激光能量的黑漆作為能量吸收層(12)，再將反射座(13)插入待除垢的金屬管(7)內，根據待除垢體(8)的主要成分、金屬管(7)的力學性能、金屬管(7)的管壁厚度對激光脈沖參數進行優化，激光脈沖束(3)的功率密度為GW/cm2量級，激光脈沖束(3)直接輻照在反射座(13)的能量吸收層(12)上，能量吸收層(12)的材料氣化形成高溫高壓高密度的等離子體(11)，高壓等離子體(11)迅速膨脹而產生高壓沖擊波作用在管道內壁的垢體(8)上，形成了向其內部傳播的應力波，當應力波壓力峰值超過垢體材料的斷裂極限時，垢體(8)碎裂并剝落，剝落后的垢體(8)隨約束層水(10)從反射座(13)和金屬管(7)內壁之間的間隙及時排出管外。
2.一種實現權利要求I所述金屬管道內壁除垢方法的除垢裝置，其特征在于該裝置包括激光器發生器(I)、導光系統、工件夾具系統和控制系統；其中所述導光系統包括導光管(2)、全反鏡(4)、沖擊頭(5)，所述導光管(2)的一端連著激光發生器(1)，依次把激光發生器(I)、全反鏡(4)和沖擊頭(5)連接起來，所述導光管(2)的另一端連接沖擊頭(5)對著工件夾具系統；所述工件夾具系統包括水龍頭(6)、金屬管(7)、約束層水(10)、能量吸收層(12)、反射座(13)、管件夾持器(9)、導向支架(16)、水槽(15)、工作臺(14)，水龍頭(6)位于金屬管(7)上方，反射座(13)插入待除垢的金屬管(7)的內部，所述反射座(13)的直徑要比金屬管(7)的內徑小，反射座(13)和金屬管(7)內壁之間留有間隙，所述反射座(13)的端面上涂有黑漆作為能量吸收層(12)，約束層水(10)覆蓋著能量吸收層(12)，反射座(13)的下端固定在水槽(15)底部，水槽(15)放置在工作臺(14)上，金屬管(7)通過管件夾持器(9)裝夾在導向支架(16)上，導向支架(16)固定在工作臺(14)上；所述控制系統包括計算機(18)和控制器(17)，計算機(18)通過控制器(17)控制管件夾持器(9)和工作臺(14)的運動，計算機(18 )通過控制器(17 )控制激光發生器(I)發出的激光脈沖束(3 )。
全文摘要
本發明提供基于激光沖擊波技術的金屬管道內壁除垢方法和裝置，屬于激光沖擊波加工技術領域。本發明采用激光能量吸收層涂覆在反射座表面，經優化激光脈沖束經導光系統沿著金屬管件的軸線方向輻照到反射座表面的能量吸收層上，吸收層吸收激光能量后氣化、電離，產生高壓等離子體，高壓等離子體在短時間內急速膨脹產生沖擊波，作用于粘附在管道內壁表面的垢體上，使其發生斷裂，并從金屬管內壁上脫落下來，脫落的垢體隨水及時排出。本發明不僅能對內徑較大的管道進行除垢，而且也可以對管徑較小的金屬管進行除垢，本發明裝置結構簡單、易于推廣使用，除垢過程所需的時間短，能耗少，并且具有效率高、無污染、節能環保的特點。
文檔編號B08B9/027GK102764747SQ20121022697
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月3日 優先權日2012年7月3日
發明者余曉流, 左立生, 張興權, 張標, 戚曉利, 李殿凱, 王會廷, 王海榮, 石寶玉, 黃志來 申請人:安徽工業大學