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生態環保產業作為支撐生態文明建設和高質量發展的關鍵力量，正面臨著轉型升級的迫切需求。環保新質生產力，正成為推動產業向前發展的核心力量。本欄目將聚焦生態環保產業的新技術、新裝備、新材料、新模式，深入宣傳推廣科技創新成果，及時發布環境技術進步獎項，全面介紹行業內的實用技術裝備和示范工程，引導行業持續創新，加快數字、智慧、科技的融合賦能，為經濟社會全面綠色轉型貢獻力量。
生態環境保護實用裝備
2023-Z-16
申報單位
南京中荷寰宇環境科技有限公司，溧陽市東南機械有限公司
推薦單位
生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心
一、技術簡介
適用范圍
經9項應用案例表明，本套高頻聲波鉆進采樣裝備適用于生態保護和環境治理行業，包括建設用地土壤污染狀況調查、重點監管單位自行監測、地質勘探采樣、土壤修復和效果評估等；適用于松軟、中等硬度、堅硬地層；適用于重金屬污染、有機污染、復合污染地塊；適用于土壤環境調查相關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查。
技術原理
高頻聲波鉆進采樣裝備技術原理如下：
1.高頻振動力、回轉力、下壓力三者為鉆機鉆進主要動力，實現快速切入土層使土壤液化。動力頭運行時，振動部分液壓馬達帶動轉動曲柄，以驅動偏心振子反向旋轉，產生高頻振動力；動力頭系統主軸部分由液壓馬達直接驅動，產生低速大扭矩回轉力；鉆機液壓系統產生液壓力，通過立柱部分的滑動裝置使動力頭系統擁有下壓力。
2.智能化與自動化一體式鉆機主體采用智能化液電控制系統，智能控制鉆機總體液壓分配和調節，可提高操作和調控的精確性，解決主輔機一體化工作難題。
3.活塞式鉆具基于穩定水壓技術，可實現原狀土低擾動鉆進取樣，解決松軟地層樣品取芯率低、連續采樣難等問題；單壁式鉆具采用切割式合金鉆頭工藝，可實現中等硬度地層的快速切割鉆進；雙壁式鉆具運用外護心管和內取樣管聯合雙管式結構，采用切割式合金鉆頭，可有效針對堅硬地層進行鉆探采樣。
4.標準化地下水快速建井成套設備基于膨潤土遇水膨脹和石英砂過濾機理，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，提升地下水污染層位和深度的準確性，簡化了建井洗井后采集水的繁瑣工序，實現地下水低擾動采樣。
工藝路線
本套設備采用負載敏感液壓與電氣綜合控制系統，主要工藝路線如圖1所示。
鉆機工作時，控制手柄、開關及遙控器輸入的信號經電控柜傳輸至負載敏感液壓系統，在負載敏感比例多路閥的控制下動力頭輸出高頻振動力、回轉力和下壓力，實現快速切入土層。
高頻振動力是高頻聲波鉆機運行的關鍵，由負載敏感比例多路換向閥控制。在鉆探過程中，負載隨鉆探深度增加，變量泵的輸出壓力和流量在負載敏感液壓系統的控制下可自動適應負載需求，使液壓功率達到最佳匹配要求，從而輸出穩定的高頻振動力。
回轉力通過動力頭回轉馬達旋轉產生。負載敏感閥控制低速大扭矩回轉馬達，驅動鉆桿回轉，通過負載敏感閥控制回轉馬達的轉速與扭矩。回轉馬達工作時，旋轉方向與鉆桿螺紋旋緊方向相同，避免因振動導致鉆桿脫落。
下壓力通過動力頭進給系統產生。進給回路采用換向閥控制進給液壓缸，液壓缸的壓力則由比例液壓閥控制，主要負責鉆進時施加鉆壓、起鉆、下鉆、事故時的起拔操作等。
圖 1 工藝路線示意圖
根據地層性質，鉆探時應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。
裝備性能參數及執行標準
1.裝備性能參數
創新型雙振子結構動力頭，聲波頻率最高可達165 Hz，可保障動力頭持續高效動能輸出；最大推進力為58.54 kN；最大起拔力為57.92 kN；最大輸出扭矩為1860 N.m；轉速范圍為0~158 R/min。該高頻聲波動力頭為完全國產化自主研發，性能達到國內領先國際先進水平。
經第三方檢測結果表明，配套鉆具最大采樣深度達到35.3 m；不同地層取芯完整率大于95%；鉆機平均能耗為9.75 L/h；鉆機無故障運行時間107 h。
2.執行標準
DZ/T 0362 淺層取樣鉆探技術規程
DZ/T 0420 地下水采樣技術規程
QB/ZHDN-SDR-2020 ZHDN-SDR 150A高頻聲波鉆機
應用效果
本套原位低擾動高頻聲波鉆進采樣裝備開展了9項不同地層及污染物類型地塊的案例示范，現場監測結果表明鉆機振頻可達165 Hz，達到《ZHDN-SDR 150A高頻聲波鉆機》(QB/ZHDN-SDR-2020)中規定的振頻150 Hz的要求；采樣取芯率均>95%，滿足《淺層取樣鉆探技術規程》(DZ/T 0362)中規定的取芯率應在85%以上的要求 。
監測效果：基于揚州精細化工企業松軟地層VOCs污染、鹽城化工園區松軟地層復雜有機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果表明，本高頻聲波鉆機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%；基于溧水電鍍企業中等硬度地層重金屬污染、徐州焦化聯合企業中等硬度地層復合污染及南京合金加工中等硬度地層無機物污染地塊鉆探采樣結果表明，鉆機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堅硬地層復合污染地塊鉆探采樣結果表明，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：針對鉆探時地塊內尾氣和噪聲情況開展第三方二次污染控制效果監測。監測報告(附件四)分析表明，現場鉆探采樣作業時地塊內空氣質量NOx、SO2、CO、PM2.5等指標一小時平均值均未超過《環境空氣質量標準》(GB 3095-2012)中規定的二級濃度限值，達到環境功能區中二類區的質量要求；現場鉆探采樣作業時地塊邊界噪聲值均<60 dB，未超過《工業企業廠界環境噪聲排放標準》(GB 12348-2008)中晝間2類功能區廠界環境噪聲排放限值。
研發背景
國內土壤污染狀況形勢嚴峻，土壤污染狀況調查工作迫在眉睫。2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤點位超標率為16.1%。為保障農產品和人居環境安全，2016年國務院要求開展農用地和重點行業企業用地土壤污染狀況調查，整體市場規模約1000億。
傳統鉆進采樣裝備取芯率低問題突出，而高頻聲波鉆進采樣裝備取芯完整可靠。目前傳統鉆進采樣裝備包括回轉鉆機、沖擊鉆機和直推鉆機等，存在樣品壓縮比大、取芯率低等問題；高頻聲波鉆機通過高頻聲波振動傳導快速鉆進切割土層使土壤液化，可實現原位低擾動采樣，可滿足土壤污染狀況調查采樣需求。目前國外高頻聲波鉆機較為成熟，在土壤調查相關領域應用廣泛；國內高頻聲波鉆機尚處于初步發展階段，主要以引進國外成熟技術為主，已于土壤污染狀況調查領域開展初步應用。
目前國內高頻聲波鉆機存在動力頭振動頻率低不穩定、智能化自動化水平落后、配套鉆具強度低適用性差、隨鉆建井采水規范差干擾大等裝備難點。
本團隊自主研發的污染場地高頻聲波式原位低擾動一體化鉆進采樣裝備可解決三大關鍵問題：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監測井建井效率低、規范差，地下水采樣擾動大。
技術/裝備特點
對標荷蘭SRS-PL高頻聲波鉆機，ZHDN-SDR 150A型高頻聲波鉆機具有如下3項技術特點：
1.首創雙振子結構高頻聲波動力頭，具有振頻高(165 Hz)、持續性好和穩定性強等優勢，提高了高頻聲波鉆機鉆進地層的切割速度和效率；配備的軸承冷卻潤滑系統與柱狀橡膠減震材料，提高了聲波動力頭使用壽命與穩定性，解決了高頻聲波動力頭運行過程中工作效率低、結構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態位移及應力響應，計算了不同材質鉆柱疲勞壽命及損傷區段，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、鉆進難度大和土壤樣品取芯率低關鍵問題；
3.智能反饋負載敏感液電控制系統，具有觸摸功能豐富、信號傳導迅速的特點，可根據地層變化精準控制聲波振頻，實現鉆機自動行走取樣與大數據互聯，提高了操作和調控的精確性，解決了鉆機智能化水平差、工作效率低的關鍵技術問題。
二、典型應用案例
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，現歸屬于南京滿源科技有限公司。該焦化聯合企業屬于《重點排污單位名錄管理規定》中的土壤污染重點監管單位。地塊內企業主要從事焦炭、焦油、煤氣、硫銨、粗苯、供熱、球墨鑄鐵管的生產與銷售，屬于典型的焦化和煉鐵行業，其煉焦和煉鐵區域會對土壤造成重金屬和有機物等復合污染。
示范工程總承包方(乙方)為江蘇省環境科學研究院；鉆探采樣承擔單位(丙方)為南京中荷寰宇環境科技有限公司(本次實用裝備申報單位)，本單位負責該地塊所有現場土壤及地下水鉆探采樣工作。
南京中荷寰宇環境科技有限公司選取地塊總面積的21.8萬m2采用ZHDN-SDR 150A型高頻聲波鉆機進行鉆探采樣案例示范。該案例施工時間30天，共鉆探土壤點位209個，地下水點位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。施工結果表明，本套原位低擾動高頻聲波鉆進采樣裝備可實現最大聲波振動頻率165 Hz、主軸最大回轉轉速158 R/min、平均能耗約9.75 L/h，相較于主要性能指標(見下表“主要設備”內容)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降低了35.0%；整個地層平均取芯率>95%，實現了完整、高效、原位、低擾動鉆探采樣。
達到的標準或性能要求
本套原位低擾動高頻聲波鉆進采樣裝備于圣戈班徐州基地退役地塊內鉆探采樣結果表明，鉆機振頻可達165 Hz，達到《ZHDN-SDR 150A高頻聲波鉆機》(QB/ZHDN-SDR-2020)中規定的振頻150 Hz的要求；土壤樣品取芯率>95%，達到《淺層取樣鉆探技術規程》(DZ/T 0362)中規定的取芯率應在85%以上的要求。
業主單位
南京滿源科技有限公司
投運時間
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速度慢、能耗高、連續作業效果不理想等問題，并考慮到重金屬和有機復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，鉆桿的上端與鉆機動力頭連接；
②鉆機工作開始下鉆，當第一桿鉆完后，鉆桿按順序連接上一鉆桿再次下鉆，直至達到目標深度為止；
③將丟棄錐脫離，然后上提鉆桿，依靠高頻聲波振動將儲存管內土壤樣品取出。
圖2 單壁式鉆具工作流程圖
運行情況
經第三方運行效果監測結果分析表明，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、主軸最大回轉轉速為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(見上表“主要設備”內容)，上述指標全部達標，且最大聲波振動頻率、主軸最大回轉轉速分別提升了10.0%、31.7%，能耗降低了35.0%。現場鉆探作業及采樣情況可見圖3。
針對鉆探時地塊內尾氣和噪聲情況開展第三方二次污染控制效果監測。監測報告(附件四)分析表明，現場鉆探采樣作業時地塊內空氣質量NOx、SO2、CO、PM2.5等指標一小時平均值均未超過《環境空氣質量標準》(GB 3095-2012)中規定的二級濃度限值，達到環境功能區中二類區的質量要求；現場鉆探采樣作業時地塊邊界噪聲值均<60 dB，未超過《工業企業廠界環境噪聲排放標準》(GB 12348-2008)中晝間2類功能區廠界環境噪聲排放限值。
圣戈班徐州基地退役地塊土壤污染狀況調查項目現場鉆探作業工期為30天，高頻聲波鉆機累計無故障工作時間達107 h，鉆機作業期間整體運行穩定性良好，運行過程中未發生過故障或事故。
技術應用產生的碳減排效果
高頻聲波鉆機鉆探采樣累計運行時間為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高頻聲波鉆機的能耗15 L/h，在完成同等鉆探作業量情況下，荷蘭對標鉆機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碳減排效果可達到35.0%。
原標題：環保新質生產力 | 污染場地高頻聲波式原位低擾動一體化鉆進采樣裝備
