环保新质生产力丨污染场地高频声波式原位低扰动一体化钻进采样装备

　　生态环保产业作为支撑生态文明建设和高质量发展的关键力量，正面临着转型升级的迫切需求。环保新质生产力，正成为推动产业向前发展的核心力量。本栏目将聚焦生态环保产业的新技术、新装备、新材料、新模式，深入宣传推广科技创新成果，及时发布环境技术进步奖项，全面介绍行业内的实用技术装备和示范工程，引导行业持续创新，加快数字、智慧、科技的融合赋能，为经济社会全面绿色转型贡献力量。
 

　　生态环境保护实用装备
 

　　2023-Z-16
 

　　申报单位
 

　　南京中荷寰宇环境科技有限公司，溧阳市东南机械有限公司
 

　　推荐单位
 

　　生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心
 

　　一、技术简介
 

　　适用范围
 

　　经9项应用案例表明，本套高频声波钻进采样装备适用于生态保护和环境治理行业，包括建设用地土壤污染状况调查、重点监管单位自行监测、地质勘探采样、土壤修复和效果评估等；适用于松软、中等硬度、坚硬地层；适用于重金属污染、有机污染、复合污染地块；适用于土壤环境调查相关的不同类型地下水采样工作，包括松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水；适用于小型、中型、大型地块原位低扰动钻探采样调查。
 

　　技术原理
 

　　高频声波钻进采样装备技术原理如下：
 

　　1.高频振动力、回转力、下压力三者为钻机钻进主要动力，实现快速切入土层使土壤液化。动力头运行时，振动部分液压马达带动转动曲柄，以驱动偏心振子反向旋转，产生高频振动力；动力头系统主轴部分由液压马达直接驱动，产生低速大扭矩回转力；钻机液压系统产生液压力，通过立柱部分的滑动装置使动力头系统拥有下压力。
 

　　2.智能化与自动化一体式钻机主体采用智能化液电控制系统，智能控制钻机总体液压分配和调节，可提高操作和调控的精确性，解决主辅机一体化工作难题。
 

　　3.活塞式钻具基于稳定水压技术，可实现原状土低扰动钻进取样，解决松软地层样品取芯率低、连续采样难等问题；单壁式钻具采用切割式合金钻头工艺，可实现中等硬度地层的快速切割钻进；双壁式钻具运用外护心管和内取样管联合双管式结构，采用切割式合金钻头，可有效针对坚硬地层进行钻探采样。
 

　　4.标准化地下水快速建井成套设备基于膨润土遇水膨胀和石英砂过滤机理，简化了繁琐的建井步骤，可解决污染场地建井效率低和规范性差的问题。
 

　　5.声波水采样器基于线缆式定深采样和单向阀技术，提升地下水污染层位和深度的准确性，简化了建井洗井后采集水的繁琐工序，实现地下水低扰动采样。
 

　　工艺路线
 

　　本套设备采用负载敏感液压与电气综合控制系统，主要工艺路线如图1所示。
 

　　钻机工作时，控制手柄、开关及遥控器输入的信号经电控柜传输至负载敏感液压系统，在负载敏感比例多路阀的控制下动力头输出高频振动力、回转力和下压力，实现快速切入土层。
 

　　高频振动力是高频声波钻机运行的关键，由负载敏感比例多路换向阀控制。在钻探过程中，负载随钻探深度增加，变量泵的输出压力和流量在负载敏感液压系统的控制下可自动适应负载需求，使液压功率达到最佳匹配要求，从而输出稳定的高频振动力。
 

　　回转力通过动力头回转马达旋转产生。负载敏感阀控制低速大扭矩回转马达，驱动钻杆回转，通过负载敏感阀控制回转马达的转速与扭矩。回转马达工作时，旋转方向与钻杆螺纹旋紧方向相同，避免因振动导致钻杆脱落。
 

　　下压力通过动力头进给系统产生。进给回路采用换向阀控制进给液压缸，液压缸的压力则由比例液压阀控制，主要负责钻进时施加钻压、起钻、下钻、事故时的起拔操作等。
 

图 1  工艺路线示意图
 

　　根据地层性质，钻探时应选用不同类型的钻具：针对松软地层选用活塞式钻具，针对中等硬度地层选用单壁式钻具，针对坚硬地层选用双壁式钻具。
 

　　装备性能参数及执行标准
 

　　1.装备性能参数
 

　　创新型双振子结构动力头，声波频率最高可达165 Hz，可保障动力头持续高效动能输出；最大推进力为58.54 kN；最大起拔力为57.92 kN；最大输出扭矩为1860 N.m；转速范围为0~158 R/min。该高频声波动力头为完全国产化自主研发，性能达到国内领先国际先进水平。
 

　　经第三方检测结果表明，配套钻具最大采样深度达到35.3 m；不同地层取芯完整率大于95%；钻机平均能耗为9.75 L/h；钻机无故障运行时间107 h。
 

　　2.执行标准
 

　　DZ/T 0362  浅层取样钻探技术规程
 

　　DZ/T 0420  地下水采样技术规程
 

　　QB/ZHDN-SDR-2020  ZHDN-SDR 150A高频声波钻机
 

　　应用效果
 

　　本套原位低扰动高频声波钻进采样装备开展了9项不同地层及污染物类型地块的案例示范，现场监测结果表明钻机振频可达165 Hz，达到《ZHDN-SDR 150A高频声波钻机》(QB/ZHDN-SDR-2020)中规定的振频150 Hz的要求；采样取芯率均>95%，满足《浅层取样钻探技术规程》(DZ/T 0362)中规定的取芯率应在85%以上的要求 。
 

　　监测效果：基于扬州精细化工企业松软地层VOCs污染、盐城化工园区松软地层复杂有机污染及溧水金属制品加工松软地层重金属污染地块钻探采样结果表明，本高频声波钻机于松软地层平均钻探速度介于20.07~25.43 cm/min、取芯率介于95.11%～95.41%；基于溧水电镀企业中等硬度地层重金属污染、徐州焦化联合企业中等硬度地层复合污染及南京合金加工中等硬度地层无机物污染地块钻探采样结果表明，钻机于中等硬度地层平均钻探速度介于18.09~20.31 cm/min、取芯率介于95.99%～96.25%；基于六合金属矿采选坚硬地层重金属污染、南京垃圾填埋场坚硬地层重金属及徐州煤制气企业坚硬地层复合污染地块钻探采样结果表明，于坚硬地层钻探速度介于13.66~16.33 cm/min、取芯率介于95.18%～95.50%。
 

　　二次污染控制：针对钻探时地块内尾气和噪声情况开展第三方二次污染控制效果监测。监测报告(附件四)分析表明，现场钻探采样作业时地块内空气质量NOx、SO2、CO、PM2.5等指标一小时平均值均未超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)中规定的二级浓度限值，达到环境功能区中二类区的质量要求；现场钻探采样作业时地块边界噪声值均<60 dB，未超过《工业企业厂界环境噪声排放标准》(GB 12348-2008)中昼间2类功能区厂界环境噪声排放限值。
 

　　研发背景
 

　　国内土壤污染状况形势严峻，土壤污染状况调查工作迫在眉睫。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤点位超标率为16.1%。为保障农产品和人居环境安全，2016年国务院要求开展农用地和重点行业企业用地土壤污染状况调查，整体市场规模约1000亿。
 

　　传统钻进采样装备取芯率低问题突出，而高频声波钻进采样装备取芯完整可靠。目前传统钻进采样装备包括回转钻机、冲击钻机和直推钻机等，存在样品压缩比大、取芯率低等问题；高频声波钻机通过高频声波振动传导快速钻进切割土层使土壤液化，可实现原位低扰动采样，可满足土壤污染状况调查采样需求。目前国外高频声波钻机较为成熟，在土壤调查相关领域应用广泛；国内高频声波钻机尚处于初步发展阶段，主要以引进国外成熟技术为主，已于土壤污染状况调查领域开展初步应用。
 

　　目前国内高频声波钻机存在动力头振动频率低不稳定、智能化自动化水平落后、配套钻具强度低适用性差、随钻建井采水规范差干扰大等装备难点。
 

　　本团队自主研发的污染场地高频声波式原位低扰动一体化钻进采样装备可解决三大关键问题：①不同地层和污染类型场地适用性差，土壤采样扰动大；②松软及坚硬地层采样效果差，取芯率低；③监测井建井效率低、规范差，地下水采样扰动大。
 

　　技术/装备特点
 

　　对标荷兰SRS-PL高频声波钻机，ZHDN-SDR 150A型高频声波钻机具有如下3项技术特点：
 

　　1.首创双振子结构高频声波动力头，具有振频高(165 Hz)、持续性好和稳定性强等优势，提高了高频声波钻机钻进地层的切割速度和效率；配备的轴承冷却润滑系统与柱状橡胶减震材料，提高了声波动力头使用寿命与稳定性，解决了高频声波动力头运行过程中工作效率低、结构易损坏和能量损耗大等突出问题；
 

　　2.新型抗疲劳抗冲击铬钼钛合金材料钻具，综合考虑了钻具惯性边界声波钻柱的稳态位移及应力响应，计算了不同材质钻柱疲劳寿命及损伤区段，可有效延长钻具使用寿命，适用于松软地层、中等硬度地层和坚硬地层，解决了不同地层采样钻具适用性差、钻进难度大和土壤样品取芯率低关键问题；
 

　　3.智能反馈负载敏感液电控制系统，具有触摸功能丰富、信号传导迅速的特点，可根据地层变化精准控制声波振频，实现钻机自动行走取样与大数据互联，提高了操作和调控的精确性，解决了钻机智能化水平差、工作效率低的关键技术问题。
 

　　二、典型应用案例
 

　　案例名称
 

　　圣戈班徐州基地21.8万m2退役地块土壤污染状况调查高频声波钻探采样示范工程
 

　　案例简介
 

　　本案例为圣戈班徐州基地退役地块土壤污染状况调查高频声波钻探采样示范工程。该退役地块由原圣戈班(徐州)管道有限公司、原圣戈班(徐州)铸管有限公司和原徐州光大铸管有限公司组成，总占地面积为116.84万m2，现归属于南京满源科技有限公司。该焦化联合企业属于《重点排污单位名录管理规定》中的土壤污染重点监管单位。地块内企业主要从事焦炭、焦油、煤气、硫铵、粗苯、供热、球墨铸铁管的生产与销售，属于典型的焦化和炼铁行业，其炼焦和炼铁区域会对土壤造成重金属和有机物等复合污染。
 

　　示范工程总承包方(乙方)为江苏省环境科学研究院；钻探采样承担单位(丙方)为南京中荷寰宇环境科技有限公司(本次实用装备申报单位)，本单位负责该地块所有现场土壤及地下水钻探采样工作。
 

　　南京中荷寰宇环境科技有限公司选取地块总面积的21.8万m2采用ZHDN-SDR 150A型高频声波钻机进行钻探采样案例示范。该案例施工时间30天，共钻探土壤点位209个，地下水点位52个，累计钻探深度1254 m，共采集土壤样品1018个，地下水样品61个。施工结果表明，本套原位低扰动高频声波钻进采样装备可实现最大声波振动频率165 Hz、主轴最大回转转速158 R/min、平均能耗约9.75 L/h，相较于主要性能指标(见下表“主要设备”内容)分别提升了10.0%、31.7%；平均能耗约9.75 L/h，相较于主要性能指标降低了35.0%；整个地层平均取芯率>95%，实现了完整、高效、原位、低扰动钻探采样。
 

　　达到的标准或性能要求
 

　　本套原位低扰动高频声波钻进采样装备于圣戈班徐州基地退役地块内钻探采样结果表明，钻机振频可达165 Hz，达到《ZHDN-SDR 150A高频声波钻机》(QB/ZHDN-SDR-2020)中规定的振频150 Hz的要求；土壤样品取芯率>95%，达到《浅层取样钻探技术规程》(DZ/T 0362)中规定的取芯率应在85%以上的要求。
 

　　业主单位
 

　　南京满源科技有限公司
 

　　投运时间
 

　　2022年10月27日—2022年11月25日
 

　　工艺流程
 

　　圣戈班徐州基地退役地块土层性状属于中等硬度地层。针对目前中等硬度地层钻探采样钻进速度慢、能耗高、连续作业效果不理想等问题，并考虑到重金属和有机复合污染土壤采样需满足原位低扰动、密闭性和高保真要求，选用单壁式钻具快速切割和钻进中等硬度地层。单壁式钻具钻探采样基本流程如下(图2)：
 

　　①根据土壤情况选择锥形或板形锥头，选择完毕后将丢弃锥插入丢弃器，钢管插入筒体内后由密封圈涨紧固定，再把丢弃器螺纹连接在钻杆的下端，钻杆的上端与钻机动力头连接；
 

　　②钻机工作开始下钻，当第一杆钻完后，钻杆按顺序连接上一钻杆再次下钻，直至达到目标深度为止；
 

　　③将丢弃锥脱离，然后上提钻杆，依靠高频声波振动将储存管内土壤样品取出。
 

图2  单壁式钻具工作流程图
 

　　运行情况
 

　　经第三方运行效果监测结果分析表明，圣戈班徐州基地退役地块整个地层平均钻探速度约19.53 cm/min、最大声波振动频率为165 Hz、主轴最大回转转速为158 R/min、取芯率均>95%、压缩比均<5%、平均能耗约9.75 L/h(附件四)；相较于主要性能指标(见上表“主要设备”内容)，上述指标全部达标，且最大声波振动频率、主轴最大回转转速分别提升了10.0%、31.7%，能耗降低了35.0%。现场钻探作业及采样情况可见图3。
 

　　针对钻探时地块内尾气和噪声情况开展第三方二次污染控制效果监测。监测报告(附件四)分析表明，现场钻探采样作业时地块内空气质量NOx、SO2、CO、PM2.5等指标一小时平均值均未超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)中规定的二级浓度限值，达到环境功能区中二类区的质量要求；现场钻探采样作业时地块边界噪声值均<60 dB，未超过《工业企业厂界环境噪声排放标准》(GB 12348-2008)中昼间2类功能区厂界环境噪声排放限值。
 

　　圣戈班徐州基地退役地块土壤污染状况调查项目现场钻探作业工期为30天，高频声波钻机累计无故障工作时间达107 h，钻机作业期间整体运行稳定性良好，运行过程中未发生过故障或事故。
 

　　技术应用产生的碳减排效果
 

　　高频声波钻机钻探采样累计运行时间为107 h，平均能耗约为9.75 L/h，共计消耗柴油1043.25 L，按照柴油二氧化碳排放因子(3.096)计算，共计排放二氧化碳3.23 t。对比荷兰SRS-PL高频声波钻机的能耗15 L/h，在完成同等钻探作业量情况下，荷兰对标钻机二氧化碳理论排放值为4.97 t。综上分析，本项目高频声波钻机碳减排效果可达到35.0%。
 

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