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生態(tài)環(huán)保產(chǎn)業(yè)作為支撐生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵力量，正面臨著轉(zhuǎn)型升級的迫切需求。環(huán)保新質(zhì)生產(chǎn)力，正成為推動產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展的核心力量。本欄目將聚焦生態(tài)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的新技術(shù)、新裝備、新材料、新模式，深入宣傳推廣科技創(chuàng)新成果，及時發(fā)布環(huán)境技術(shù)進(jìn)步獎項，全面介紹行業(yè)內(nèi)的實(shí)用技術(shù)裝備和示范工程，引導(dǎo)行業(yè)持續(xù)創(chuàng)新，加快數(shù)字、智慧、科技的融合賦能，為經(jīng)濟(jì)社會全面綠色轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。
生態(tài)環(huán)境保護(hù)實(shí)用裝備
2023-Z-16
申報單位
南京中荷寰宇環(huán)境科技有限公司，溧陽市東南機(jī)械有限公司
推薦單位
生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心
一、技術(shù)簡介
適用范圍
經(jīng)9項應(yīng)用案例表明，本套高頻聲波鉆進(jìn)采樣裝備適用于生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理行業(yè)，包括建設(shè)用地土壤污染狀況調(diào)查、重點(diǎn)監(jiān)管單位自行監(jiān)測、地質(zhì)勘探采樣、土壤修復(fù)和效果評估等；適用于松軟、中等硬度、堅硬地層；適用于重金屬污染、有機(jī)污染、復(fù)合污染地塊；適用于土壤環(huán)境調(diào)查相關(guān)的不同類型地下水采樣工作，包括松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水；適用于小型、中型、大型地塊原位低擾動鉆探采樣調(diào)查。
技術(shù)原理
高頻聲波鉆進(jìn)采樣裝備技術(shù)原理如下：
1.高頻振動力、回轉(zhuǎn)力、下壓力三者為鉆機(jī)鉆進(jìn)主要動力，實(shí)現(xiàn)快速切入土層使土壤液化。動力頭運(yùn)行時，振動部分液壓馬達(dá)帶動轉(zhuǎn)動曲柄，以驅(qū)動偏心振子反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高頻振動力；動力頭系統(tǒng)主軸部分由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動，產(chǎn)生低速大扭矩回轉(zhuǎn)力；鉆機(jī)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生液壓力，通過立柱部分的滑動裝置使動力頭系統(tǒng)擁有下壓力。
2.智能化與自動化一體式鉆機(jī)主體采用智能化液電控制系統(tǒng)，智能控制鉆機(jī)總體液壓分配和調(diào)節(jié)，可提高操作和調(diào)控的精確性，解決主輔機(jī)一體化工作難題。
3.活塞式鉆具基于穩(wěn)定水壓技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)原狀土低擾動鉆進(jìn)取樣，解決松軟地層樣品取芯率低、連續(xù)采樣難等問題；單壁式鉆具采用切割式合金鉆頭工藝，可實(shí)現(xiàn)中等硬度地層的快速切割鉆進(jìn)；雙壁式鉆具運(yùn)用外護(hù)心管和內(nèi)取樣管聯(lián)合雙管式結(jié)構(gòu)，采用切割式合金鉆頭，可有效針對堅硬地層進(jìn)行鉆探采樣。
4.標(biāo)準(zhǔn)化地下水快速建井成套設(shè)備基于膨潤土遇水膨脹和石英砂過濾機(jī)理，簡化了繁瑣的建井步驟，可解決污染場地建井效率低和規(guī)范性差的問題。
5.聲波水采樣器基于線纜式定深采樣和單向閥技術(shù)，提升地下水污染層位和深度的準(zhǔn)確性，簡化了建井洗井后采集水的繁瑣工序，實(shí)現(xiàn)地下水低擾動采樣。
工藝路線
本套設(shè)備采用負(fù)載敏感液壓與電氣綜合控制系統(tǒng)，主要工藝路線如圖1所示。
鉆機(jī)工作時，控制手柄、開關(guān)及遙控器輸入的信號經(jīng)電控柜傳輸至負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，在負(fù)載敏感比例多路閥的控制下動力頭輸出高頻振動力、回轉(zhuǎn)力和下壓力，實(shí)現(xiàn)快速切入土層。
高頻振動力是高頻聲波鉆機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵，由負(fù)載敏感比例多路換向閥控制。在鉆探過程中，負(fù)載隨鉆探深度增加，變量泵的輸出壓力和流量在負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的控制下可自動適應(yīng)負(fù)載需求，使液壓功率達(dá)到最佳匹配要求，從而輸出穩(wěn)定的高頻振動力。
回轉(zhuǎn)力通過動力頭回轉(zhuǎn)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。負(fù)載敏感閥控制低速大扭矩回轉(zhuǎn)馬達(dá)，驅(qū)動鉆桿回轉(zhuǎn)，通過負(fù)載敏感閥控制回轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與扭矩?；剞D(zhuǎn)馬達(dá)工作時，旋轉(zhuǎn)方向與鉆桿螺紋旋緊方向相同，避免因振動導(dǎo)致鉆桿脫落。
下壓力通過動力頭進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生。進(jìn)給回路采用換向閥控制進(jìn)給液壓缸，液壓缸的壓力則由比例液壓閥控制，主要負(fù)責(zé)鉆進(jìn)時施加鉆壓、起鉆、下鉆、事故時的起拔操作等。
圖 1 工藝路線示意圖
根據(jù)地層性質(zhì)，鉆探時應(yīng)選用不同類型的鉆具：針對松軟地層選用活塞式鉆具，針對中等硬度地層選用單壁式鉆具，針對堅硬地層選用雙壁式鉆具。
裝備性能參數(shù)及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)
1.裝備性能參數(shù)
創(chuàng)新型雙振子結(jié)構(gòu)動力頭，聲波頻率最高可達(dá)165 Hz，可保障動力頭持續(xù)高效動能輸出；最大推進(jìn)力為58.54 kN；最大起拔力為57.92 kN；最大輸出扭矩為1860 N.m；轉(zhuǎn)速范圍為0~158 R/min。該高頻聲波動力頭為完全國產(chǎn)化自主研發(fā)，性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先國際先進(jìn)水平。
經(jīng)第三方檢測結(jié)果表明，配套鉆具最大采樣深度達(dá)到35.3 m；不同地層取芯完整率大于95%；鉆機(jī)平均能耗為9.75 L/h；鉆機(jī)無故障運(yùn)行時間107 h。
2.執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)
DZ/T 0362 淺層取樣鉆探技術(shù)規(guī)程
DZ/T 0420 地下水采樣技術(shù)規(guī)程
QB/ZHDN-SDR-2020 ZHDN-SDR 150A高頻聲波鉆機(jī)
應(yīng)用效果
本套原位低擾動高頻聲波鉆進(jìn)采樣裝備開展了9項不同地層及污染物類型地塊的案例示范，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明鉆機(jī)振頻可達(dá)165 Hz，達(dá)到《ZHDN-SDR 150A高頻聲波鉆機(jī)》(QB/ZHDN-SDR-2020)中規(guī)定的振頻150 Hz的要求；采樣取芯率均>95%，滿足《淺層取樣鉆探技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0362)中規(guī)定的取芯率應(yīng)在85%以上的要求 。
監(jiān)測效果：基于揚(yáng)州精細(xì)化工企業(yè)松軟地層VOCs污染、鹽城化工園區(qū)松軟地層復(fù)雜有機(jī)污染及溧水金屬制品加工松軟地層重金屬污染地塊鉆探采樣結(jié)果表明，本高頻聲波鉆機(jī)于松軟地層平均鉆探速度介于20.07~25.43 cm/min、取芯率介于95.11%～95.41%；基于溧水電鍍企業(yè)中等硬度地層重金屬污染、徐州焦化聯(lián)合企業(yè)中等硬度地層復(fù)合污染及南京合金加工中等硬度地層無機(jī)物污染地塊鉆探采樣結(jié)果表明，鉆機(jī)于中等硬度地層平均鉆探速度介于18.09~20.31 cm/min、取芯率介于95.99%～96.25%；基于六合金屬礦采選堅硬地層重金屬污染、南京垃圾填埋場堅硬地層重金屬及徐州煤制氣企業(yè)堅硬地層復(fù)合污染地塊鉆探采樣結(jié)果表明，于堅硬地層鉆探速度介于13.66~16.33 cm/min、取芯率介于95.18%～95.50%。
二次污染控制：針對鉆探時地塊內(nèi)尾氣和噪聲情況開展第三方二次污染控制效果監(jiān)測。監(jiān)測報告(附件四)分析表明，現(xiàn)場鉆探采樣作業(yè)時地塊內(nèi)空氣質(zhì)量NOx、SO2、CO、PM2.5等指標(biāo)一小時平均值均未超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)中規(guī)定的二級濃度限值，達(dá)到環(huán)境功能區(qū)中二類區(qū)的質(zhì)量要求；現(xiàn)場鉆探采樣作業(yè)時地塊邊界噪聲值均<60 dB，未超過《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 12348-2008)中晝間2類功能區(qū)廠界環(huán)境噪聲排放限值。
研發(fā)背景
國內(nèi)土壤污染狀況形勢嚴(yán)峻，土壤污染狀況調(diào)查工作迫在眉睫。2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%。為保障農(nóng)產(chǎn)品和人居環(huán)境安全，2016年國務(wù)院要求開展農(nóng)用地和重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)用地土壤污染狀況調(diào)查，整體市場規(guī)模約1000億。
傳統(tǒng)鉆進(jìn)采樣裝備取芯率低問題突出，而高頻聲波鉆進(jìn)采樣裝備取芯完整可靠。目前傳統(tǒng)鉆進(jìn)采樣裝備包括回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)和直推鉆機(jī)等，存在樣品壓縮比大、取芯率低等問題；高頻聲波鉆機(jī)通過高頻聲波振動傳導(dǎo)快速鉆進(jìn)切割土層使土壤液化，可實(shí)現(xiàn)原位低擾動采樣，可滿足土壤污染狀況調(diào)查采樣需求。目前國外高頻聲波鉆機(jī)較為成熟，在土壤調(diào)查相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；國內(nèi)高頻聲波鉆機(jī)尚處于初步發(fā)展階段，主要以引進(jìn)國外成熟技術(shù)為主，已于土壤污染狀況調(diào)查領(lǐng)域開展初步應(yīng)用。
目前國內(nèi)高頻聲波鉆機(jī)存在動力頭振動頻率低不穩(wěn)定、智能化自動化水平落后、配套鉆具強(qiáng)度低適用性差、隨鉆建井采水規(guī)范差干擾大等裝備難點(diǎn)。
本團(tuán)隊自主研發(fā)的污染場地高頻聲波式原位低擾動一體化鉆進(jìn)采樣裝備可解決三大關(guān)鍵問題：①不同地層和污染類型場地適用性差，土壤采樣擾動大；②松軟及堅硬地層采樣效果差，取芯率低；③監(jiān)測井建井效率低、規(guī)范差，地下水采樣擾動大。
技術(shù)/裝備特點(diǎn)
對標(biāo)荷蘭SRS-PL高頻聲波鉆機(jī)，ZHDN-SDR 150A型高頻聲波鉆機(jī)具有如下3項技術(shù)特點(diǎn)：
1.首創(chuàng)雙振子結(jié)構(gòu)高頻聲波動力頭，具有振頻高(165 Hz)、持續(xù)性好和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢，提高了高頻聲波鉆機(jī)鉆進(jìn)地層的切割速度和效率；配備的軸承冷卻潤滑系統(tǒng)與柱狀橡膠減震材料，提高了聲波動力頭使用壽命與穩(wěn)定性，解決了高頻聲波動力頭運(yùn)行過程中工作效率低、結(jié)構(gòu)易損壞和能量損耗大等突出問題；
2.新型抗疲勞抗沖擊鉻鉬鈦合金材料鉆具，綜合考慮了鉆具慣性邊界聲波鉆柱的穩(wěn)態(tài)位移及應(yīng)力響應(yīng)，計算了不同材質(zhì)鉆柱疲勞壽命及損傷區(qū)段，可有效延長鉆具使用壽命，適用于松軟地層、中等硬度地層和堅硬地層，解決了不同地層采樣鉆具適用性差、鉆進(jìn)難度大和土壤樣品取芯率低關(guān)鍵問題；
3.智能反饋負(fù)載敏感液電控制系統(tǒng)，具有觸摸功能豐富、信號傳導(dǎo)迅速的特點(diǎn)，可根據(jù)地層變化精準(zhǔn)控制聲波振頻，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)自動行走取樣與大數(shù)據(jù)互聯(lián)，提高了操作和調(diào)控的精確性，解決了鉆機(jī)智能化水平差、工作效率低的關(guān)鍵技術(shù)問題。
二、典型應(yīng)用案例
案例名稱
圣戈班徐州基地21.8萬m2退役地塊土壤污染狀況調(diào)查高頻聲波鉆探采樣示范工程
案例簡介
本案例為圣戈班徐州基地退役地塊土壤污染狀況調(diào)查高頻聲波鉆探采樣示范工程。該退役地塊由原圣戈班(徐州)管道有限公司、原圣戈班(徐州)鑄管有限公司和原徐州光大鑄管有限公司組成，總占地面積為116.84萬m2，現(xiàn)歸屬于南京滿源科技有限公司。該焦化聯(lián)合企業(yè)屬于《重點(diǎn)排污單位名錄管理規(guī)定》中的土壤污染重點(diǎn)監(jiān)管單位。地塊內(nèi)企業(yè)主要從事焦炭、焦油、煤氣、硫銨、粗苯、供熱、球墨鑄鐵管的生產(chǎn)與銷售，屬于典型的焦化和煉鐵行業(yè)，其煉焦和煉鐵區(qū)域會對土壤造成重金屬和有機(jī)物等復(fù)合污染。
示范工程總承包方(乙方)為江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院；鉆探采樣承擔(dān)單位(丙方)為南京中荷寰宇環(huán)境科技有限公司(本次實(shí)用裝備申報單位)，本單位負(fù)責(zé)該地塊所有現(xiàn)場土壤及地下水鉆探采樣工作。
南京中荷寰宇環(huán)境科技有限公司選取地塊總面積的21.8萬m2采用ZHDN-SDR 150A型高頻聲波鉆機(jī)進(jìn)行鉆探采樣案例示范。該案例施工時間30天，共鉆探土壤點(diǎn)位209個，地下水點(diǎn)位52個，累計鉆探深度1254 m，共采集土壤樣品1018個，地下水樣品61個。施工結(jié)果表明，本套原位低擾動高頻聲波鉆進(jìn)采樣裝備可實(shí)現(xiàn)最大聲波振動頻率165 Hz、主軸最大回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速158 R/min、平均能耗約9.75 L/h，相較于主要性能指標(biāo)(見下表“主要設(shè)備”內(nèi)容)分別提升了10.0%、31.7%；平均能耗約9.75 L/h，相較于主要性能指標(biāo)降低了35.0%；整個地層平均取芯率>95%，實(shí)現(xiàn)了完整、高效、原位、低擾動鉆探采樣。
達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)或性能要求
本套原位低擾動高頻聲波鉆進(jìn)采樣裝備于圣戈班徐州基地退役地塊內(nèi)鉆探采樣結(jié)果表明，鉆機(jī)振頻可達(dá)165 Hz，達(dá)到《ZHDN-SDR 150A高頻聲波鉆機(jī)》(QB/ZHDN-SDR-2020)中規(guī)定的振頻150 Hz的要求；土壤樣品取芯率>95%，達(dá)到《淺層取樣鉆探技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0362)中規(guī)定的取芯率應(yīng)在85%以上的要求。
業(yè)主單位
南京滿源科技有限公司
投運(yùn)時間
2022年10月27日—2022年11月25日
工藝流程
圣戈班徐州基地退役地塊土層性狀屬于中等硬度地層。針對目前中等硬度地層鉆探采樣鉆進(jìn)速度慢、能耗高、連續(xù)作業(yè)效果不理想等問題，并考慮到重金屬和有機(jī)復(fù)合污染土壤采樣需滿足原位低擾動、密閉性和高保真要求，選用單壁式鉆具快速切割和鉆進(jìn)中等硬度地層。單壁式鉆具鉆探采樣基本流程如下(圖2)：
①根據(jù)土壤情況選擇錐形或板形錐頭，選擇完畢后將丟棄錐插入丟棄器，鋼管插入筒體內(nèi)后由密封圈漲緊固定，再把丟棄器螺紋連接在鉆桿的下端，鉆桿的上端與鉆機(jī)動力頭連接；
?、阢@機(jī)工作開始下鉆，當(dāng)?shù)谝粭U鉆完后，鉆桿按順序連接上一鉆桿再次下鉆，直至達(dá)到目標(biāo)深度為止；
?、蹖G棄錐脫離，然后上提鉆桿，依靠高頻聲波振動將儲存管內(nèi)土壤樣品取出。
圖2 單壁式鉆具工作流程圖
運(yùn)行情況
經(jīng)第三方運(yùn)行效果監(jiān)測結(jié)果分析表明，圣戈班徐州基地退役地塊整個地層平均鉆探速度約19.53 cm/min、最大聲波振動頻率為165 Hz、主軸最大回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為158 R/min、取芯率均>95%、壓縮比均<5%、平均能耗約9.75 L/h(附件四)；相較于主要性能指標(biāo)(見上表“主要設(shè)備”內(nèi)容)，上述指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)，且最大聲波振動頻率、主軸最大回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速分別提升了10.0%、31.7%，能耗降低了35.0%。現(xiàn)場鉆探作業(yè)及采樣情況可見圖3。
針對鉆探時地塊內(nèi)尾氣和噪聲情況開展第三方二次污染控制效果監(jiān)測。監(jiān)測報告(附件四)分析表明，現(xiàn)場鉆探采樣作業(yè)時地塊內(nèi)空氣質(zhì)量NOx、SO2、CO、PM2.5等指標(biāo)一小時平均值均未超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)中規(guī)定的二級濃度限值，達(dá)到環(huán)境功能區(qū)中二類區(qū)的質(zhì)量要求；現(xiàn)場鉆探采樣作業(yè)時地塊邊界噪聲值均<60 dB，未超過《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 12348-2008)中晝間2類功能區(qū)廠界環(huán)境噪聲排放限值。
圣戈班徐州基地退役地塊土壤污染狀況調(diào)查項目現(xiàn)場鉆探作業(yè)工期為30天，高頻聲波鉆機(jī)累計無故障工作時間達(dá)107 h，鉆機(jī)作業(yè)期間整體運(yùn)行穩(wěn)定性良好，運(yùn)行過程中未發(fā)生過故障或事故。
技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生的碳減排效果
高頻聲波鉆機(jī)鉆探采樣累計運(yùn)行時間為107 h，平均能耗約為9.75 L/h，共計消耗柴油1043.25 L，按照柴油二氧化碳排放因子(3.096)計算，共計排放二氧化碳3.23 t。對比荷蘭SRS-PL高頻聲波鉆機(jī)的能耗15 L/h，在完成同等鉆探作業(yè)量情況下，荷蘭對標(biāo)鉆機(jī)二氧化碳理論排放值為4.97 t。綜上分析，本項目高頻聲波鉆機(jī)碳減排效果可達(dá)到35.0%。
原標(biāo)題：環(huán)保新質(zhì)生產(chǎn)力 | 污染場地高頻聲波式原位低擾動一體化鉆進(jìn)采樣裝備
浙公網(wǎng)安備 33010602000006號
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