大型热交换器清洁度试验杂质萃取方法的研究

尉武杰 蒋平灶 陈渭伟

关键词：清洁度试验;热交换器;萃取;测量

0 前言

清洁度检测是1个原理简单而操作复杂的试验方法。原理简单是因为只要测出杂质的质量，依据一定要求进行百分比计算即可;操作复杂是因为试验一方面会受到样件本身结构的受限，另一方面会受限于测试环境，很难得到准确的杂质污染物数值。

关于清洁度检测的国际标准有《Roadvehicles—Cleanliness ofcomponents offluid circuits》（ISO16232-2018）[1]和《InspectionofTechnicalCleanliness》（VDA19.1—2015）[2]，国内标准有《中小功率内燃机清洁度限值和测定方法》（GB/T3821—2015）[3]等。

1 试验方法

1.1 清洁度试验过程

清洁度试验的常规流程为：样件及滤纸预处理—冲洗试样—过滤杂质—烘干滤纸—干燥滤纸—称重及尺寸分析。对于大型或者内部结构复杂的试样，冲洗过程的有效性最难以控制。

1.2 常规清洗方法

1.2.1 高压冲洗法

喷洗主要是通過自由射流到试样上的清洗液来实现的。清洁效果主要受到射流的动量传递影响。一般最后还有1个清洗液流净后的冲洗过程。该方法适用于试样外部和可接触的内部结构的清洁。

1.2.2 超声波清洗法

经由液体介质传导的超声波在20～400kHz的范围内，通过机械振动作用到测试对象的表面上。清洁过程需要将试样浸入清洗液，并在配有超声振动设备的清洗设备内进行。超声波的清洗方式特别适用于难以被单独处理的散装小零件。

1.2.3 灌洗法

灌洗法可对试样进行贯通冲洗内表面的清洗。为了保证杂质颗粒的有效分离，测样内部的清洗液流动应该是湍流而不是分层流动，亦可通过有目的的脉冲流动来实现。该方法适用于管道、软管、过滤器或者热交换器。

1.2.4 晃动法

检测样件按比例加注检测液并密闭开口。通过晃动提供辅助，颗粒从内部检测表面上剥离并进入到液体中。另外，晃动还会从各个方向对附着的颗粒产生液体作用力。

2 试验过程

2.1 试验方案

以某水箱为例，研究人员采用常规清洗方法进行逐一论证，并观察其对大型热交换器清洁度测试的适用性。

首先，研究人员选取了同一批次的3 个水箱。按照历史检测结果，其质量水平大概在3～4mg之间。为了尽可能减少试验偏差，研究人员使用清洁溶剂分别对其内部进行1次冲洗，然后分别往每个水箱内部加入50mg的铝屑，并分别选用高压冲洗法、灌洗法、晃动法对其进行清洗，然后按照流程对清洗杂质进行称重。清洁度测试结果及过程参数如表1所示。

2.2 结果分析

测试结果表明，3类测试结果都不太理想，杂质冲洗物与初始值偏差较大。具体原因分析如下。

（1）高压冲洗。由于水箱内部结构复杂，翅片较密，只在入口处有压力。清洗液无法对其内部杂质进行有效冲刷，导致杂质颗粒粘附在试件内壁无法流出。测试结果的可控性较差。

（2）灌洗。为了保证水箱内部清洗液为湍流状态，测试需要采用高流速、大流量的冲洗方式。实际溶液冲洗量高达150L。在杂质过滤过程中，由于误差过多，导致测试结果失真。该方法的可操作性较差。

（3）晃动清洗。水箱内大部分的杂质能够被过滤出来，但是与高压冲洗法类似，也出现了无法避免残留杂质的现象。另外，在倾倒过程中，由于出水口略高于下水室内壁，导致部分颗粒物无法倾倒出来，造成测试结果的偏差。该方法可操作性较强，但须优化实施方案。

综上分析，针对大型热交换器等这类体积大、内部结构复杂的试样，晃动萃取法为最切实可行的方案，但需要优化测试方案。

2.3 试验方案的选择与优化

2.3.1 杂质提取有效性评价方法

研究人员使用同一方法，先后对同一试样进行多]次萃取。如图1所示，采用方法为：后一次萃取结果除以前几次萃取结果的总和，如果该数值小于或等于10%，则该数值即为最后一次，同时也表示萃取完成。试验以所有萃取杂质的总和来计算部件的清洁度等级。

2.3.2 试验操作步骤设计

结合上述试验结果，研究人员对上述同型号水箱，采用晃动法，对试验方案进行优化。如图2所示，第1步，在水箱内倒入30%～40%水箱容积的清洗液。由于过高或过低的填充度均不会产生充分的机械效果，所以无法实现有效的清洗效果。在清洗液加注完后，通过前后、左右、扭转等几种方式，开始晃动水箱，晃动幅度约30cm，频率约1Hz，时间约15s。晃动可采用手动方式进行，或者采用自动化装置进行辅助。第2步，竖直试件倾倒清洗液，同时通过软管向试件中注入清洗液，冲淋内壁持续约15s。第3步，将软管插入出水口冲入清洗液，使下水室中的大部分较大颗粒能随水流翻动而流出。在整个试验过程中，应避免由于部分出水口不在最低位无法将清洁液倾倒完全的情况。

以上3个步骤为1次有效冲洗。在试验过程中，研究人员应对同一试件先后进行6次冲洗，分别收集每次的杂质，然后结合国际标准《道路车辆液压管路部件清洁度第2部分：搅拌萃取污染物的方法》（ISO16232-2-2007）中杂质萃取方法进行有效性评价。如果每次清洗后得到的杂质质量是递减的，则可认为该冲洗方法有效。

2.3.3 优化后的实测结果

如图3所示，为了验证该方法的有效性，研究人员同样在试件中加入50mg铝屑，作为杂质的初始值。然后按照段落2.3.2中的试验操作步骤，逐步完成验证清洗。

在试验过程中，杂质的过滤、烘干、干燥、称重均须按照上述标准要求来进行，在此不再详细阐述。试验最后得到的过滤杂质分布如图4所示。杂质的萃取数值如表2所示。

3 试验评价

通过表2中的测试数据可以看出，6次杂质萃取的结果呈递减趋势，如图5所示。在完成第4次萃取时，萃取的有效性评价指标已经达到了10%以内，且杂质冲洗完成度达到了94%，该方法被证明实际有效。

4 总结

通过上述试验测试，研究人员得到相关测试结果如下：针对大型换热器，高压冲洗法无法得到准确结果，不建议使用;灌流法冲洗效果较为明显，如果能克服后续的过滤效率问题，基本适用;优化后的多次晃动法具备较强的可操作性，过滤结果误差较小，可推荐使用。

在晃动萃取法的实际操作过程中，对于部分人力无法完成晃动的试件，可以通过旋转机构、吊机、振动台等辅助机构完成晃动步骤，但必须确保每次振幅的一致性，以避免晃动方式的改变引起测试结果的偏差。

对于样件进出口端的多样性，可适当增加清洗步骤以达到排除杂质的目的。本文选用的试件一方面因为内部结构复杂，存在翅片;另一方面因为出水口低于内壁底面，导致大的杂质容易沉淀而无法流出，所以研究人员额外增加了进水口和出水口加注清洗液的步骤，以达到排出杂质的目的。

该文仅探索大型热交换器的清洗方法，由于没有合适的设备来比较超声波萃取结果，下一步研究人员】将针对小型板换油冷器，对各类萃取方法的优缺点及适用性进行分析。