数据分析：冰浆清洗供水管道影响因素
导读Abstract
供水管网为城市供水系统的重要一环，但由于部分供水管道使用时间较长，其内部滋生沉淀了大量的管道垢物，从而影响了供水水质。冰浆清洗供水管道技术操作简便、安全高效，可进行长距离的管道清洗，已成熟应用于供水管道清洗作业中。基于400多个实际供水管道清洗作业数据，探究了其对不同管长以及不同管径的管道清洗效果，讨论了不同推动水流速度以及不同水温对冰浆清管效果的影响。同时对管道清洗效果以及性价比进行综合评价，提出冰浆的最佳注入策略，以期为冰浆清洗供水管道作业提供技术指导。
引用本文：胡佳敏,信昆仑,王嘉莹，等. 冰浆清洗供水管道影响因素分析及效果评估［J］. 给水排水，2023，49（12）：93-99.
本文通过实际清洗作业中冰浆注入参数以及采集的清管废水数据，对管道清洗效果进行评估，同时探究了不同管长、不同管径的清洗效果，分析推动水流速度对清管效果的影响以及计算冰浆在不同水温下的融化情况，最终通过清管废水浑浊度最大值、单位面积管道内壁的清管垢物以及单位体积冰可清洗的管道垢物分析不同冰浆注入情况的管道最大清洗效果、管段整体清洗效果以及清管性价比，并综合以上因素获得最佳的冰浆注入参数。
01、冰浆清洗供水管道技术
1.1 冰浆清洗供水管道过程
冰浆清洗管道包括冰浆制备、清洗前准备、管道清洗以及恢复供水等4个过程（见图1）。确定待清洗管道的位置后，根据管道长度以及管道管径计算所需冰浆量，并预先制备所需冰浆，利用冰浆运输车将冰浆运输到管道清洗入口点。在管道清洗前，使用胶管连接待清洗管道出口至数据采集小车以及附近排水口，检查待清洗管道的阀门启闭情况，关闭待清洗管道起点的阀门，并打开待清洗管道下游的所有阀门排空管道内的水。进行管道清洗时，利用待清洗管道起点附近的消火栓将冰浆泵入管道内，冰浆注入完毕后，打开上游阀门进行管道清洗。管道清洗完毕后，待电导率降为零时，可恢复供水。
图1 冰浆清洗供水管道
1.2 清洗作业数据采集及处理
在冰浆清洗供水管道作业中，进行了三个方面的数据记录，包括清洗管段的基本情况，注入冰浆参数，以及清洗管道出口处的废水数据。管段基本情况记录了清洗管段的管径、管长、管材、建设年份；注入冰浆参数包括了注入冰浆的体积以及注入浓度。管道出口处的废水采用数据采集小车进行在线数据采集，包括单位时间清洗管道的流量、水流温度、浑浊度、悬浮物。
单次清管作业中，总沉积物可由式(1)进行计算，总沉积物为整段清洗时间流量与浑浊度相乘的总和：
式中 S——单次管道清洗垢物，kg；
F——流量，m³/h；
Turb——浑浊度，NTU；
T——时间，s。
为了更好地体现冰浆的清管效果，采用单位面积垢物Sa计算冰浆在单次管道清洗作业中清洗出每平方米管壁的垢物重量，量化冰浆在清洗整段管道的平均清洗效果，采用单次管道清洗作业废水排出口浑浊度最大值Turb衡量冰浆在清管作业中的最大效果。
单位面积清管垢物Sa见式（2）：
式中 S——单次管道清洗垢物，kg；
D——清管管道的管径，m；
L——清洗管道长度，m。
1.3 清洗管道实际工程
冰浆清洗供水管道作业主要在S市L区，在2020年至2022年期间进行了410次冰浆清洗作业，清洗管道长度累计287 km。在410个管道清洗案例中，清洗管道建设年份分布如图2a所示，建设年份为2011-2015年的管道占比最大，清洗管道建设年份最早的管道为1999年。清洗供水管道的管材主要为球墨铸铁管（89.3%）。清洗供水管道管径分布如图2b所示，占比最大的管径为DN300，其次是DN200的管道，清洗管道最大的管径为DN600。清洗供水管道的长度主要为500~1 000 m的管道，其次是管长为500 m以下的管道，清洗管道最长距离为3900 m，其清管长度分布如图2c所示。
图2 管道清洗建设年份、管径、长度情况
冰浆使用情况如图3所示，在清管作业中，使用三种浓度的冰浆：低浓度冰浆（冰体积分数为40%~50%）、中浓度冰浆（冰体积分数为51%~60%）以及高浓度冰浆（冰体积分数为61%~70%）。为了更好地比较不同冰浆注入体积对清管效果的影响，采用冰浆注入体积比表示冰浆的注入情况，冰浆注入体积比为注入冰浆体积与待清洗管段的体积之比。在冰浆清洗管道作业中，根据管道情况以及操作环境，所使用冰浆的浓度与冰浆的注入体积比有所差异，最常使用的冰浆浓度为高浓度冰浆，最常使用的冰浆注入体积比为0.21~0.40。
图3 管道清洗冰浆注入情况
02、清洗结果分析
2.1 不同管径的清洗结果
为了更好地分析不同管径的冰浆清管效果，需剔除建设年份以及冰浆注入体积比的影响因素，同时保证不同管径组别有足够的清洗案例，选用占比最大的建设年份管道以及最常用的冰浆注入体积比的清管案例进行分析，即建设年份处于2011-2020年以及冰浆注入体积比为0.2~0.4的清管案例。
如图4所示，随着管道管径的增加，累计清管垢物以及管道内壁单位面积清管垢物增加，当清洗管道管径小于150 mm时，其累计清管垢物体以及管道内壁单位面积清管垢物都处于较低水平；管径大于等于300 mm时，清管效果较佳，其中管径为400 mm管道清洗的累计清管垢污可达到30 kg以上，管道内壁单位面积清管垢物体达到0.05 kg/m²以上。管径大于等于400 mm的管道清洗案例较少，其样本数据不具有较强的代表性。当管道管径小于等于300 mm时，管道管径越大，冰浆清管的效果越好，更大管径管道的清洗分析仍然需要更多的清洗案例进行补充说明。
图4 不同管径管道的清洗效果
2.2 不同管道长度的清洗效果
为了更好地分析不同管道长度管道的冰浆清管效果，同样选用建设年份处于2011-2020年以及冰浆注入体积比为0.2~0.4的清洗案例进行分析。
如图5所示，清管作业中管道长度小于1.5 km的管道清洗出的管道垢物较少，而管道长度大于1.5 km清理出的管道垢物较多，达到了40 kg以上，可以看出，当管道长度较长时其累计的清管垢物较多。此外，当清管长度小于1 km时，其管道内壁单位面积清管垢物较多，说明其即使累计清管垢物较少，但管段的平均效果较好；而当清管长度大于2.0 km时，其单位面积清管垢物较少，说明其即使累计清管垢物较多，但其管段平均清管效果不佳。清洗管道长度大于等于1.5 km时，清洗案例较少，样本代表性较弱。综合累计清管垢物情况以及单位面积清管垢物情况，可以看出，当清管长度处于0.5~1.0 km时，其清洗效果最佳。
图5 不同管长管道的清洗效果
2.3 不同流速的清洗效果
在冰浆进行供水管道清洗作业中，推动水流的速度会影响管道的清洗效果。如图6所示，当增加推动水流速度，清管废水浑浊度最大值减小，其中当推动水流速度小于0.2 m/s时，清管废水浑浊度最大值达到4 500 NTU以上，而当推动水流速度大于0.4 m/s时，清管废水浑浊度最大值在2 000 NTU左右，可以看出，增加推动水流速度减弱了冰浆对管道内壁的最大冲刷作用。同时，当流速处于0.2~0.6 m/s时，管道内壁单位面积清管垢物处在较高水平，该推动水流流速下管段的平均清洗效果较好，其中推动水流流速处于0.2~0.4 m/s时，管道内壁单位面积清管垢物达到0.04 kg/m²以上。综合冰浆对管道内壁的最大冲刷效果以及管段的平均清洗效果的分析，推动水流速度为0.2~0.4 m/s 时冰浆对管道清洗作用最佳。
图6 不同流速管道的清洗效果
2.4 不同水温的清洗效果
在不同水温下，注入的冰浆会与推动水流进行热量交换而融化。由于清洗管道的冰浆由一定浓度的NaCl溶液制成，可根据管道出口清管废水电导率计算出混合溶液中盐的浓度，从而计算出管道出口冰浆溶液的浓度，当清管废水的电导率越高时，说明排出管道的冰浆浓度较高。结合初始注入冰浆浓度可以计算出该清洗作业冰浆的融化程度。
从图7可以看出，当清洗作业中水温越高，管道出口处废水电导率越低，说明水温越高，注入冰浆与其热量交换程度增加。当推动水流温度大于20℃时，冰浆的融化率超过了35%，当推动水流温度大于35℃时，冰浆的融化率接近50%。对不同温度的冰浆融化率进行拟合，可以得到冰浆的融化规律见式（3）：R′=0.009T+0.177(T≥5 ℃),R2=0.989(3)根据冰浆融化规律可得，当推动水流温度大于等于5℃时，水温每增加5℃时，冰浆融化率增加22.4%。在进行管道清洗作业时，水温每增加5℃时，建议冰浆注入体积应相应增加22.4%。
图7 不同水温下冰浆清管过程的融化率
03、冰浆清管有效性及性价比分析
3.1 冰浆对管道清洗的最大效果分析
清管废水浑浊度Turb可体现冰浆对管道环壁的清洗效果，同时，清管废水浑浊度最大值Turbmax可以体现出冰浆在整段清洗管段中的最大清洗效果。如图8所示为清管废水最大浑浊度箱形图，将冰浆注入体积比划分为0.1~0.3、0.3~0.5、0.5~0.7以及0.7~0.9四个区间，将冰浆注入浓度划分为低浓度（41%~50%）、中浓度（51%~60%）以及高浓度（61%~70%）。图中小实心方块为各个注入比区间各个浓度清管数据最大浊度值的平均值，阴影部分为清管数据的上下四分位数范围，代表了数据的集中情况，横线部分为清管数据的最大值以及最小值。
图8 不同冰浆注入情况清管废水的最大浑浊度
从图8可以看出，当冰浆浓度较高（60%~70%）时，清管废水浑浊度最大值较大，达到3 000 NTU以上，冰浆对管道环壁的清洗效果最佳；而中浓度冰浆αm（50%~60%）以及低浓度冰浆 αl（40%~50%）清管废水浑浊度最大值均低于3 000 NTU，可以看出，进行管道清洗时使用的冰浆浓度越大，对管道环壁的清洗效果越好。同时，使用高浓度冰浆以及中浓度冰浆进行管道清洗时，适当增加注入冰浆体积比可有效提高管道环壁清洗效果，而当冰浆注入比增加至0.7~0.9时，管壁最大清洗效果反而变差。在使用低浓度冰浆进行管道清洗时，增加冰浆注入体积比并不能提高对管道环壁的清洗效果。因此，考虑冰浆对管道环壁的清洗最大清洗效果，注入冰浆浓度应为60%~70%，注入冰浆体积比应为0.5~0.7。
3.2 冰浆对管道清洗的整体效果分析
图9为清管数据单位面积清管垢物的箱形图，从管段平均清洗效果看，高浓度冰浆αh（60%~70%）的清管效果最佳，冰浆对管段清洗的整体效果随着冰浆注入体积比的增加而大幅度提高，并在注入比为0.5~0.7时达到顶峰，管道单位面积清管垢物达到0.04 kg/m²以上。而中浓度冰浆αm（50%~60%）随着冰浆注入体积比的增大管段平均清洗效果变差，低浓度冰浆αl（40%~50%）对管段整体清洗效果最差。可以看出，使用不同冰浆浓度时，需要搭配不同的冰浆注入体积比策略。为达到最佳的管段整体清洗效果，应注入的冰浆体积应达到清洗管段体积的0.5~0.7，同时注入冰浆浓度应达到60%~70%。
图9 不同冰浆注入情况的清管效果
3.3 单位体积冰清管性价比分析
单位体积冰清管垢物Sm为清管过程累计垢物除以所使用的冰体积，其值表示了单位体积冰的清管性价比。
式中 Vis——注入冰浆体积，m³；
αis——注入冰浆浓度，%。
图10为单位体积冰浆清管垢物箱形图，对单位体积冰浆的清管效果进行分析，高浓度冰浆αh（60%~70%）在注入体积比为0.1~0.3时单位体积冰浆清管垢物达到最大，接近5 kg/m³，而随着冰浆注入体积比的增加，单位体积冰浆清管垢物降低，在冰浆体积比处于0.3~0.5时，低浓度冰浆αl（40%~50%）的单位体积冰浆清管垢物大于高浓度的冰浆。可以看出，在冰浆注入体积比为0.1~0.3时，高浓度冰浆（60%~70%）的清管性价比较高，而当冰浆注入体积为0.3~0.5时，低浓度冰浆（40%~50%）的清管性价比较高。因此，当制冰条件受到限制时，需考虑单位体积冰浆的清管效果，应选用注入体积比为0.1~0.3的高浓度的冰浆。
图10 不同冰浆注入情况单位体积冰的清管垢物
04、冰浆注入策略
不同的冰浆注入情况对管道清洗效果的影响不一，为了综合冰浆对管道环壁的最大清洗效果Turbmax、冰浆对管道整体的清洗效果Sa以及冰浆的清管性价比Sm，对不同冰浆浓度以及冰浆注入体积的综合表现进行评分。在评价体系中，将冰浆浓度划分为三个等级，即高浓度冰浆（60%~70%）、中浓度冰浆（50%~60%）以及低浓度冰浆（40%~50%），同时将冰浆注入体积比划分成四个等级，即0.1~0.3、0.3~0.5、0.5~0.7以及0.7~0.9，总共有12种冰浆注入情况。其中，因低浓度冰浆在冰浆注入体积比为0.5~0.7以及0.7~0.9的案例数据较少，不足以统计分析，将其剔除，故冰浆注入情况共10种。
在不同的清管效果指标中，对不同冰浆注入情况进行排序并评分。当清管效果最佳时即排名第一时分数为10分，而清洗效果排序最低时分数为1分，单个指标的分数区间为1~10分。综合三个指标，综合分数的区间为3~30分。
式中 Mi——综合分数；
MTurb,i——清管环壁最大清洗效果分数；
MSa,i——管道整体清洗效果分数；
MSm,i——清管性价比分数。
结合冰浆对管道清洗的最大效果、冰浆对管道清洗的整体效果以及单位体积冰清管性价比，可以得到冰浆清管的综合分数。如图11所示，对比不同浓度的冰浆清管综合指标，高浓度冰浆αh（60%~70%）在不同冰浆注入体积比下综合分数都达到最大，而中浓度冰浆αm（50%~60%）以及低浓度冰浆αl（40%~50%）的综合分数随着冰浆注入体积比的增加而降低。结合实际冰浆清洗情况操作，可根据图11选用不同的注入冰浆浓度与注入体积比搭配，考虑实际清管操作，推荐使用冰浆注入体积比为0.1~0.3的高浓度冰浆（60%~70%）。
图11 不同冰浆情况的清管分数
05、结论与建议
本文通过实际清管案例对不同管道情况、不同操作环境以及不同冰浆注入参数进行讨论，由于管道情况差异较大、清管操作存在偏差，采集到的数据存在一定的不确定性。由于样本数据量较足，仍然存在一定的统计意义，分析结果具有较高的参考意义，结合管道清洗数据可以得到以下结论：
（1）综合分析不同冲洗长度的管道的清管总垢物和单位面积清管垢物，长度为0.5~1.0 km时清洗效果最佳，单位面积清管垢物可达到0.37 kg/m²。
（2）增加推动水流速度并不能有效提高管道清洗效果，反而会减弱冰浆对管道内壁的最大冲刷作用，推动水流速度为0.2~0.4 m/s 时冰浆对管道清洗作用最佳，管道内壁单位面积清管垢物达到0.04 kg/m²以上。
（3）清洗作业水温是冰浆冲洗效果的关键影响因素之一，温度越高由于冰浆融化，导致影响冲效果。当推动水流温度大于等于5℃时，水温每增加5℃时，建议冰浆注入体积应相应增加22.4%。
（4）在冰浆清洗作业中，若管段建设年份较早，内壁沉积物较多，或者清洗管段距离较长时，高浓度冰浆（60%~70%）在注入体积比为0.5~0.7时可达到管段环壁的最大清洗效果以及管段整体的平均清洗效果，清管废水浊度值达到4 000 NTU以上，管道单位面积清管垢物超过0.04 kg/m²。
（5）考虑单位体积冰浆清管性价比，结合冰浆对管道内壁的最大清洗效果以及对管段整体的清洗效果，冰浆浓度为60%~70%以及注入体积比为0.1~0.3时冰浆清管的综合分数达到最大，此时单位体积冰浆清管垢物接近5 kg/m³，同时清管废水浊度值达到3 000 NTU以上，管道单位面积清管垢物超过0.03 kg/m²。
