A3：科技智慧
●海通管道清洗服务有限公司 谭 冰
摘要：自来水管网长期深埋于地下，自改革开放以来，已有47年之久。期间，因管道内部产生的油污锈垢而造成的水质问题数不胜数，居民也经常投诉举报此类现象。因此，迫切需要针对于市政管道的清洗工作。然而传统的化学手段不仅会污染管道，更会危害居民的身体健康。所以，物理脉冲清洗技术应运而生。本文以物理脉冲清洗技术为研究对象，系统分析了其技术原理、工程应用场景及环保效益等问题。研究证明了物理脉冲清洗技术的大力推广与应用是十分必要且有效的，研究成果也为市政管道清洗领域的技术转型问题提供了理论支撑与实践参考。
关键词：物理脉冲清洗技术；市政管道；技术转型
0 引言
近年来，市政管网的清洁问题日益凸显。其作为能源输送、水资源分配和人民生产生活的关键载体，清洁维护需求日益增长。传统的清洗技术以化学清洗和机械刮削为主，但化学清洗依赖强酸强碱药剂，产生的毒废液容易导致引起土壤酸化等问题，清洁过后的水质也会危害居民身体健康；机械清洗则存在效率低、容易损伤管道内壁等缺点。据国际能源署（IEA）统计，全球有30%的管道泄漏事故都源自于“清洗不当”问题，引发了腐蚀或结构损伤。在此背景下，物理脉冲清洗技术应运而生。其通过高压气水脉冲的物理冲击方式，成功实现了非接触式清洗：不用开挖路面、不截断原有管道，提供了破解行业痛点的新思路。
物理脉冲清洗技术的全方位推广，是契合于我国提出的可持续发展目标的。一方面，在物理清洗过程中，是不添加化学药剂的。如此一来，每年就可以减少掉约120万吨二氧化碳当量的碳排放，助力“双碳”目标的实现；另一方面，该技术对于复杂管网（如多弯头、变径管道）的清洁覆盖率可达95%以上，且不受其复杂程度的影响，能够显著提升能源输送效率。此外相比于化学清洗，物理脉冲清洗技术对于保障水质安全、保护人民身体不受伤害、降低卫生风险具有战略价值。
基于以上对于同行工作的综合述评，本文旨在通过介绍物理脉冲清洗技术的工作原理与优势、分析具体工程场景的技术应用、评估其产生的环保效益，进而得出大力发展此技术的必要性。最后给予物理脉冲清洗技术在未来发展的期望与改进方法，力图助力实现行业的可持续发展。
1 技术原理与优势
1.1 技术原理
物理脉冲清洗技术对于市政管道清洗工作来说，是一项革新性的清洗方案。此技术的运行方式是，利用高压水和压缩空气的混合介质来进行清洗、除垢等作业。在施工作业中，通过高压脉冲波的动态冲击与多物理场的协同作用，能够实现更高效、环保的污垢剥离。其工作原理主要涉及气液二相流的流态变化。在水平管气液二相流中，一般存在层状流、波状流、塞状流、弹状流等多种流态。其中，弹状流在高压水气脉冲管道清洗过程中起主要作用。高速高压气体阻隔形成的液弹能够到达管道顶端，在管内压力作用下产生很强的冲洗作用，可使液弹加速，增加液体的紊动程度，将密度较大的管底沉积物搅动起来，通过冲击剥离、剪切剥离与振动共振三重机制，快速分解铁锈、水垢、生物膜等污染物，从而达到更好的冲洗效果。而其它如蒸汽吹洗、气体吹扫、喷砂、喷丸处理、机械清理的物理冲洗法，成本高、适应性差，对管网有破坏作用[1]。应运而生的气水脉冲清洗方法不使用任何化学试剂，系纯物理清洗，对水质无污染[2]。相比于其他旧式笨拙的物理冲洗方法和具有污染性的化学清洗方法，物理脉冲清洗似乎是一个优质的方法选择。
图1 管道装置
在管道清洗作业中，脉冲压力波主要是通过压缩空气或高压水流，从而在瞬间能够释放出能量才形成的。将高压的气体和水同时输送入脉冲振荡系统中，通过快速关闭装置形成介质流速的突变，而后产生共振，水气流才得以通过脉冲的方式喷入充满水流的管道中。（如图1）随着管道内部气体的急速膨胀，造成水流加速，通过猛烈地冲刷管道内壁，最后运用强劲的剪切推搡力作用，使得陈旧的油污垢层松动、脱落，全部都被水气脉冲冲刷出管网外部。
1.2 技术优势
近几年，在管道清洗方面兴起的气水脉冲技术在浙江、山东、上海等地已得到应用，特别在上海，有些自来水公司已经将其作为非开挖排管的配套冲洗规范[3]。相比于其它清洗技术，物理脉冲清洗技术可以同时清洗单条或者多条（主线带支线）管道，且清洗作业可以在管道正常运行时进行。在节约清洗时间的同时，还能够提高清洗效率，在短时间内就可以完成各种复杂管道内锈蚀结垢、沉积物和附着物的清洗（如图2）。同时作为民生服务项目，物理脉冲清洗的介质是清水和压缩空气的混合物。有利于环保，不会对环境造成污染，清洗后的垢质也容易排出管道外。
图2 多管道装置
不需要破坏原有管道。为减少甲方工程量，只需要将原有管道的阀门卸掉，装上公司专门制作的“管道连接器”，就能实现清洗管道与清洗工程车的连接，既快速密封又不会渗漏。且不受管道变径、弯头、交错等复杂布局的影响，适用于管径DN50-DN1400的各种类型管道，气水可以顺利通过（如图3），不会对管道内部造成卡阻或损坏，单次清洗长度可达10公里以上，对于复杂管网的清洗除垢效果更佳。
图3 复杂管道类型
2 应用场景与效果
2.1 典型场景案例
1998年，赵洪宾教授研究了高压水射流清洗方法以及形成的射流结构，通过大量的试验，得出了影响高压水射流的主要因素。2008年，杨国来等人利用计算流体力学方法，对射流流体进行数值模拟，得出高压水射流清洗方法中高压泵参数的选择是影响该技术的重要因素[4]。而在具体的清洗场景应用中，不同的管道类型需要适配相应的参数和计量。目前，市面上常见的管网清洗类型大致分为两类：自来水管道、热力管网。油田注水管线清洗工作虽也有涉及，但案例较少，本文不做过多赘述。
首先，市政自来水管道清洗工作一定是供水系统维护工作的核心。伴随着城市与工业的飞速进化，带来的负面影响是废水与化工排泄物，已经造成了严重的水质风险。由此也就引申出一项重要的民生服务项目——保障居民的用水安全。针对于管道内部的油污锈垢积累、水质劣化以及水力性能衰退等问题，通过物理脉冲清洗技术足以解决。类似于我司在2024年5月负责施工的青岛某处水库（如图4），管道型号为DN800，总共清洗长度为35公里。该次工采用分段式清洗法，单次清洗长度为2.5公里。为了不影响正常的生产生活用水，清洗时间段基本都处于深夜。同样，物理脉冲清洗技术在长距离清洗工作中效果更佳。在2024年6月进行的黑龙江省齐齐哈尔市下设县管道清洗工作中，管道型号从DN100-DN600不等，清洗总长度已经达到117公里。同样也是采用分段清洗法，单次清洗长度为2-5公里。
图4 青岛某处水库施工现场
其次，热力管网清洗工作是保障城市供暖系统能够稳定运行的重要维护工作，热力管网经过长时间的运行，无法避免的问题有污渍积累、热效率下降等。针对于热力管网进行的清洗工作能够有效应对能效衰减等安全风险，能够助力城市供暖系统的可持续发展。秉持此理念，2024年10月，我司在北京某热力站进行了管网清洗工作（如图5）。管道型号为DN80-DN600，采用分段清洗法，单次清洗长度为3-5公里，总共清洗长度达到267公里。
图5 北京某热力站管路图
2.2 工程应用效果
上文中所提及的三处代表性施工场地，早已全部圆满完成了清洗工作。《城镇供水管网运行维护技术标准》（CJJ/T 226-2021）规定：管网末梢水浊度>1NTU或铁含量>0.3mg/L时，必须启动管道清洗程序。我司运用物理脉冲清洗方式，最终各施工地区清洗后的管道无明显杂质，水的浊度也都处于1NTU以下。（如图6）
图6 浊度仪数字对比
物理脉冲清洗技术作为非侵入式作业的代表，无需挖开道路、无需断开原有管道，只需将管道与清洗设备连接，就可以实现高效清洗作业，适合深埋于深层地下的管网。和传统冲洗方式相比，也无需消耗更多水量。气水脉冲冲洗技术用气体代替了大部分的水，节约了水量，冲洗水量一般为管道容积的2.5倍，是理想状态下传统冲洗的25%[5]。在清洗中无需添加任何化学药剂，能够代替化学清洗，达到每年减少含有危害性污染废水产量120万吨。同时，水资源消耗程度大大减少，每公里仅30-50吨；管道损伤率也从以前的每公里1.2次下降至0.05次；清洗效率却提升至每小时15-20平方米。以上数据均来源于《中国工业清洗协会2023年度技术报告》。据住建部测算，若在全国范围内推广物理脉冲清洗技术，每年能够减少水资源浪费1.2亿吨；官网的维护成本也将降低37亿元；还能够避免因水质问题产生的公共医疗支出成本约84亿元。
基于以上的真实工程案例以及数据支撑，物理脉冲清洗技术确实在提升清洗效率、保障水质安全方面具有一定优势，且具有环保性，符合国家制定的环境标准。
3 环保效益评估
3.1 纯物理清洗的环境优势
物理脉冲清洗技术作为一种绿色环保的清洗方法，在减少污染物排放、节约资源消耗、保护生态环境等方面展现出了显著的环境友好特性。市政管道清洗工程作为民生服务项目，本身就具有严格的环保指标。相较于化学清洗、高压水射流等传统技术，纯物理清洗技术通过代替化学药剂的使用、水资源的高效利用和废弃物的循环排放，将全生命周期内的环境损害成本从传统技术的隐性负担转化为了可量化、可管控的内部成本，已经逐步成为管道清洗领域实现“双碳”目标的关键技术路径。为了凸显纯物理清洗的具体环境优势，本节将运用对比的行文方式，体现出化学清洗、高压水射流及物理脉冲清洗三者之间的区别。
（一）核心技术原理对比
物理脉冲：通过输送高压气体或水流瞬间释放能量，生成超音速压力波（1000 m/s以上）冲击管道内壁，利用冲击力、剪切力与振动共振协同剥离污垢。尤其适用于复杂管网。
化学清洗：依赖强酸、强碱等化学试剂溶解污垢，通过氧化还原或络合反应分解污染物。期间，化学药剂可能损伤管道材质并引发金属腐蚀。若长期使用，将降低管道寿命。
高压水射流：通过柱塞泵或增压器提升水流压力，经特制喷嘴形成超音速水射流，依靠动能冲击和空化效应剥离污垢。
（二）环保性与安全性对比
物理脉冲：全程无需添加化学药剂，能够有效避免水质污染与管道的二次腐蚀风险。进行清洗作业时，设备通过远程控制，人员无需进入管道，能够降低安全风险。
化学清洗：化学废液若处理不当则容易造成土壤与水体的污染，需要额外的环保成本。而且部分药剂易燃易挥发，残留在大环境中，存在中毒或爆炸风险。
高压水射流：导致土壤的扰动面积大；易引发重金属扩散；周边水体的TP浓度也会随之升高。同时在作业中需要防范高压水的穿透伤害，若操作失误，还可能导致人员受伤。
适用场景与局限性对比
由于三种清洗方式的适用场景不同，将使用场景详细分为了管道适应性与清洗对象两大类，其中管道适应性包括材质适应性与复杂管网适应性。具体对比内容见表1。
表1 适用场景对比
3.2 资源节约与人身安全
随着“环保”的呼声愈发强烈，传统的化学清洗与高压水射流清洗方法自然是行不通的。因此，物理脉冲清洗技术才会频上热搜。它解决了小管冲大管、冲洗水量不足及被冲管段地形变化较大等问题，以经济环保的优势成为当今供水企业解决管网二次污染，提高供水效率和供水水质的重要手段[6]，已经成为了管道清洗领域实现“双碳”目标的关键技术路径。表2对比了三种技术的碳排放因子水平，并标明了主要来源，表中数据均源自于《中国工业清洗碳排放核算指南（2023）》。
表2 碳排放因子对比
从清洗效率来看，物理脉冲清洗与化学清洗相比，单次清洗耗时缩短50%以上，效率提升了3-5倍。因为相较于化学清洗，物理清洗不需要用水冲刷掉残留在管道内部的药剂。同时，物理清洗的管道适应度比高压水射流高。后者在清洗型号DN800管道时需要进行停水才能作业，易导致停工问题，期间综合成本可高达每公里12万元。
从资源消耗方面看，物理脉冲技术采用闭式循环方法运用定量的水进行冲洗工作，每公里仅消耗30-50吨水。而高压水射流却是开放系统，每公里消耗水量可高达120-180吨。且前者依靠电力，运营成本相对较低；后者消耗的是柴油能源，不仅耗量高，成本也高。针对于末端处理问题，物理清洗过后剩余的碳酸钙、氧化铁等无机污泥可以直接用于建材生产工作中，能够实现资源的可持续发展，不会产生类似于化学污泥、油污处理等额外费用。同时，用模块化设计的脉冲发生器可以实现85%以上部件的重复使用，能够延长零件的生命周期。
从人身安全风险方面看，作为民生服务项目，物理脉冲清洗不添加任何化学药剂，不仅有效避免了因药剂操作不当引起的皮肤灼伤问题，且清洗过的管道中没有化学残留，保障了居民的生产生活用水安全，降低了公共医疗风险。同时，物理脉冲清洗采用非接触式清洗，施工人员无需进入管道内部。在施工作业中，工人无需穿戴防化服等容易造成操作失误等问题的笨拙用具，只需正确穿戴劳动保护用具即可，大大降低了施工风险。
从环境保护方面看，物理脉冲清洗技术能够有效避免因使用传统技术清洗而排放出的含磷缓蚀剂，从而导致的水体富营养化。其次缺失了化学药剂的添加物，周边土壤的污染问题也将大大减少。周围的动植物也不会受到药剂影响，有利于生物多样性的维护。
4 技术发展建议
4.1 设备的小型化改进
就目前来看，清洗设备大型化是物理脉冲清洗技术的不足之处之一。同时，清洗服务的成本也会大大增加。为了效益的最大化，最优的办法就是改进设备，升级零部件的工作性能。与专业零件工厂合作，研发升级脉冲装置，提升其蓄能能力，提高单次脉冲输出能量，压缩其体积。舍去部分高能耗零件，替换成轻便易安装的小型零部件，使其更加紧凑。优化布局，将相近功能整合为统一单元，缩小其占地面积。在此基础上，适当进行设备的小型化改进工作，合理分配空间，做好车载移动平台内部设备摆放的规划管理。
4.2 参数的智能化调控
未来已来，各行各业都在尝试运用智能化机器去协助个体更高效率完成工作，可清洗设备目前还缺乏一些能力，比如实时的污垢数据监测以及自适应调节能力。由此得出，缺失的数据智能化调控，是物理脉冲清洗技术的另一个不足之处。若要填补这一漏洞，则需要借助AI来进行动态调整。利用管道材质、水质数据等现有内容，允许其自动匹配相应频次数据，利用其进行智能化调整参数。同时设置在线监测，加入超声波检测模块，实时监测污垢剥离厚度数据，自动优化清洗路径。运用3D建模手段，建立出专属于管道清洗的三维仿真模型。在模型中提前预演清洗过程的同时，提出因操作失误而产生的风险预警措施。
5 结论
由以上研究得出结论，在可持续发展的大环境背景下，物理脉冲清洗技术能够成为市政管网清洗工作的必要首选。作为民生服务项目，在具体的工程应用场景中，其通过纯物理的方式进行高压气水脉冲清洗，不仅有效避免了因化学清洗而产生的药剂残留问题，保护了广大人民的健康与安全；更降低了资源的消耗，实现了资源的可持续发展。未来可拓宽管道清洗市场，推动行业向绿色环保、智能化方向转型。
参考文献
[1]张俊．管道清洗技术的现状及应用[J]．化工施工技术，199，21(3)：36—39．
[2]邱迪,纪振栋,刘振.气水脉冲清洗技术在自来水管道中的应用[J].供水技术,2015,9(01):46-48.
[3]诸国土,周荣.气水脉冲技术在非开挖供水管道冲洗中的应用[J].给水排水,2015,51(01):94-96.
[4]陈广勇.基于气水脉冲技术的户用管道清洗装置的研制[D].哈尔滨工业大学,2018.
[5]诸国土,周荣.气水脉冲技术在非开挖供水管道冲洗中的应用[J].给水排水,2015,51(01):94-96.
[6]韩晓曦.浅析给水管网几种清洗技术的原理及应用[J].城市道桥与防洪,2013,(07):153-154+159+15.