[摘要]本文首先比较了工业生产应用中常用的几种不同的清垢方法，并对超声波防垢器的防垢机理、原理结构进行了分析和介绍，最后通过各种详实的使用案例资料，有效地证实了超声波防垢器在不同环境和用途中的防除结垢效果，其推广价值在环保节能、提高工效、降低成本等诸方面具有广泛的意义。
        [关键词]超声波；防垢器；防垢；除垢
        1引言
        在化工、石油、冶金、热电、制糖、食品等行业中，换热传热设备、蒸发冷却设备及金属管道内的结垢问题，一直长期困扰着这些企业的生产和效益。对此，不同的行业采取了不同的清垢方式。其方式主要有两类：在线连续清垢和离线停工清垢。在线连续清垢的传统方法有注入阻垢剂法、涂料法、永磁法、电磁法及高频法。其中阻垢剂需要连续注入，每次用量难以把握，清垢效果时好时坏；涂料法对涂料工艺要求高且价格昂贵，若达不到工艺要求，会造成涂料脱落，起不到防垢作用；而后三种方法因成本高或实施困难，因此不能有效地解决实际问题。离线停工清垢常常是在计划外停工、装置局部停工或各设备切换条件下进行，而传统采用的各种手段，如高压水喷射（机械清垢法）和化学清洗剂（化学清垢法）等，也只是治标不治本，不但给生产造成了影响，同时会增加计划外费用、磨损腐蚀设备、污染区域环境、损害工人健康等。
        目前，与传统清垢方法有着本质区别的超声波防垢器，因具有在线连续工作、自动化程度高、工作性能可靠、无环境污染、运行费用低等特点，已广泛用于众多行业的设备及管道中的防垢和除垢。
        2超声波防垢器的防垢机理
        超声波防垢器主要是利用超声波强声场处理流体，使流体中成垢物质在超声场作用下，其物理形态和化学性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢。超声波的防垢机理主要表现在：
        （1）"空化"效应
        超声波的辐射能对被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡，也就是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴，当这些空穴和气泡破裂或互相挤压时，产生一定范围的强大的压力峰，这一强压力峰能使成垢物质粉碎悬浮于液体介质中，并使已生成的垢层破碎使其易于脱落。根据理论和实践测算，用20KHz、50W/cm2的超声波对1cm3液体辐射时，其发生空化事件的气泡数为5×104/s，局部增压峰值可达数百甚至上千大气压。
        （2）"活化"效应
        超声波在液体介质中通过空化作用，可以使水分子裂解为H·自由基和HO·自由基，甚至H+和OH-等。而OH与成垢物质离子可形成诸如CaOH、MgOH等的配合物，从而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相对提高。也就是说，超声波能提高流动液体和成垢物质的活性，增大被水分子包裹着的成垢物质微晶核的释放，破坏垢类生成和在管壁沉积的条件，使成垢物质在液体中形成分散沉积体而不在管壁上形成硬垢。
        （3）"剪切"效应
        水分子裂解产生的活性H自由基的寿命比较长，它进入管道后将产生还原作用，可以使生成的积垢剥落下来。而且因超声波辐射在垢层和管壁上，加热管上的吸收和传播速度不同，产生速度差，形成垢层与管壁界面上的相对剪切力，从而导致垢层产生疲劳而松脱。
        （4）"抑制"效应
        通过超声波的作用，改变了液体主体的物理化学性质，缩短了成垢物质的成核诱导期，刺激了微小晶核的生成。新生成的这些微小晶核，由于体积小、质量轻、比表面积大，悬浮于液体中，生成比壁面大得多的界面，有很强的争夺水中离子的能力，能抑制离子在壁面处的成核和长大，让既定结构的晶粒长大，因此减少了粘附于换热面上成垢离子的数量，从而也就减小了积垢的沉积速率。实验研究表明，当液体的过饱和系数一定时，在同一超声波参数下，超声波作用时间越长，则成垢物质的成核诱导期越短。
        此外，超声波辐射压力、声学毛细管现象、科努瓦诺夫效应和声流对积垢生成也有直接的防除效应。
        3超声波防垢器的原理结构
        超声波防垢器主要由超声波电源发生器、超声波换能器、传输电缆组成。
        （1）发生器的工作原理
        超声波电源发生器将220V交流电经滤波、整流、电源激励波形控制等几个部分，产生20～30KHz的功率信号，经电缆传输到超声波换能器，换能器内采用居里点较高、换能效率高的压电材料，由换能器实现电、机、声的转换而发出超声波，超声波的频率相位实现自动跟踪，从而使发生器和换能器在最佳状态工作，且超声波的输出功率可根据不同的工况需求而进行无级调节。其工作原理如图1。
        （2）换能器的一般结构
        换能器按其超声波的发射方向相对于被处理液体介质的流动方向可分为：轴向发射结构和径向发射结构，其结构示意图分别如图2、3所示。
        在轴向发射结构中，因其压电材料随结构外壳直接处于被处理液体介质的环境温度中，因此仅适用于液体介质温度在80℃以下的工况条件。增加总装机功率的一般方式有：串联安装和矩阵安装，而矩阵安装方式仅适合于管道外管直径大于377mm的设备装置中。
        在径向发射结构中，因其压电材料随结构外壳处于被处理液体介质的外部，因此，若附加上换能器的冷却系统装置，该结构可适用于液体介质温度高达360℃左右的工况条件。
        4超声波防垢器的应用案例
        超声波防垢器除了大量应用在防止和清除水质结垢的管线中，另外在流体物料结垢的管线中也取得了成功的应用，有的甚至还应用在流体物料温度高达360℃的条件下，以下仅以"九洲牌"TC系列型超声波防垢器在不同环境和用途中的使用情况，作为本文应用案例的引用资料，从而验证超声波防垢器的防除结垢效果。
        （1）用于化工厂的冷却器水质结垢
        北京燕山石化化工一厂高压车间，由于该厂二循供给高压装置的循环水杂质较多，造成高压装置的冷却器走水管道内壁附着较多的水垢，严重影响冷却效果，尤其夏季水温较高，物料冷却效果更差，极大地影响着装置产量及部分设备的安全运转。为此，在2000年高压装置大检修期间，在一线最重要的冷却器E-14、E-15上水总管线加装了2台TC-4-10型超声波防垢器，使用后不仅减少了走水管道内壁的水垢，而且一线的单位产量还有所提高。表1为该车间使用超声波防垢器前后三个月的生产情况（产品牌号为112A-1）对比。
        表1：超声波防垢器使用前后对比
        使用情况
        （N/Y）日期
        （y.m）产量
        （t）累积时间
        （h）单位产量
        （t/h）提高量
        （t/h）使用前/后1999.12/2000.124760.5/4800.8550/5298.66/9.07＋0.41使用前/后2000.01/2001.011182.0/6619.5146/7448.08/8.90＋0.82使用前/后2000.02/2001.025422.3/1298.5645/1458.40/8.92+0.52
        （2）用于糖厂的蒸发罐糖浆结垢
        内蒙古赤峰糖厂因原用轮洗罐和高压清洗机一直未能从根本上解决一至四效蒸发罐的积垢问题，后又辅以使用"8501"防垢剂，虽然防垢剂对一、二效罐有一定缓解作用效果，但由于后面的三、四效罐的温度比前两效罐高（四效罐出口温度约为135℃），积垢问题却更为严重，生产成本也大大增加。通过使用TC-2-10型超声波防垢器后，一至四效蒸发罐连续工作一个榨期（120d）无积垢生成，并且停止使用了"8501"防垢剂。整个榨期由于蒸发罐无积垢使蒸发效率始终处于最佳状态，未发生过去因蒸发罐积垢而轮洗蒸发罐，还克服了蒸发效率锯齿状波动的不良影响。主要表现为：蒸发糖浆锤度合格率比原来提高12%；因蒸发效率得到改善，用正汽压力比原来平均降低0.02Mpa，减少了"高温汽"对糖浆色值、纯度、PH值的影响；因减少了部分正汽耗用量，每百吨甜菜耗标煤比原来下降0.21t；节约了轮洗蒸发罐、"8501"防垢剂等大量费用的支出。
        （3）用于炼油厂的换热器重油结垢
        金陵石化南京炼油厂重油催化车间的两台油浆换热器（E206、E207）因换热温度高（油温为360℃），油浆成份复杂，其管程结垢非常严重，经常需要六个月左右的时间就停机切换工作。原来采用高压射流清除管程油垢，每次切换清洗一台换热器需耗时3～5d，耗资20万元左右，除了直接影响生产和经济效益外，同时还造成因每次清出的油垢和污水而严重污染环境。自从2001年5月份在油浆换热器E206管线上，安装了一套为此进行专门特殊设计和制造的ExTC-6-20型超声波防垢器后，设备至今还未下线进行切换清洗，使该设备的清洗间隔和维护保养周期延长了3倍以上，同时对换热系数K值提高了8%左右，节约资金80多万元。
        5结语
        据现场使用情况和研究结果表明，超声波功率一定时，频率低、作用时间长，防垢效果较好；超声波频率一定时，功率大、作用时间长，防垢效果较好。同时，超声波防垢效果还与流体的流量与压力、液体的粘度与温度、超声波电源发生器与超声波换能器的距离（即传输电缆长度）、原已生成积垢的程度等因素有很大的关系。总之，超声波防垢器具有既能防止积垢的形成，又能破坏已有积垢的双重作用，其推广价值在环保节能、提高工效、降低成本等诸方面具有广泛的意义。
        参考文献
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        [2]袁易全等.近代超声原理与应用[M].南京：南京大学出版社，1996
        [3]丘泰球等.超声波防除积垢节能技术及设备开发[J].应用声学，2002，（2）（3）
        [4]罗多.功率超声在石化工业中的应用[J].声学技术，2002，增刊