1、高压水射流及磨料射流高压水射流及磨料射流切割技术介绍切割技术介绍周卫东周卫东1395460218213954602182，中国石油大学（华东）高压水射流研究中心中国石油大学（华东）高压水射流研究中心中国高压水射流专业委员会中国高压水射流专业委员会油气钻井技术国家工程实验室油气钻井技术国家工程实验室中石油钻井重点实验室中石油钻井重点实验室山东省高压水射流新技术研究推广中心山东省高压水射流新技术研究推广中心一、高压水射流基本概念与原理二、磨料射流基本理论三、磨料射流切割技术主主 要要 内内 容容一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理1.1.基本概念基本概念 高压水射流，是以水为介质，通过
2、高压发生设备增高压水射流，是以水为介质，通过高压发生设备增压获得巨大能量，经一定形状的喷嘴喷出的一股能量集压获得巨大能量，经一定形状的喷嘴喷出的一股能量集中的高速水流。中的高速水流。压力等级压力等级 压力范围压力范围 (MPa)(MPa)泵类型泵类型 低压 0.520 离心泵,柱塞泵 中压 2070 柱塞泵,增压器 高压 70140 柱塞泵,增压器 超高压 140400 增压器,水炮2.2.射流分类射流分类（按压力等级分）（按压力等级分）一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理3.3.高压水射流技术发展概况高压水射流技术发展概况 60年代末70年代初，美国NSF资助了一项庞大的研究计划
3、，旨在寻求一种高效的切割破岩方法，提出并试验了25种新方法，如电火花、激光、火焰、等离子体、高压水射流等，最后一致公认最可行有效的是高压水射流破岩方法。高压水射流技术是近三十年来发展起来的一门新技术，正越来越广泛地应用于煤炭、石油、化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工业部门，用以清洗、除垢、切割、破岩等，提高工效，降低成本，减轻劳动强度，改善工作环境。近年来，出现超高压射流、空化射流、自振空化射流、磨料射流、旋转射流等新型射流技术。高压水射流技术经历了四个发展阶段：高压水射流技术经历了四个发展阶段：1 1）50506060年代：探索和实验阶段年代：探索和实验阶段 人们从水力采煤和高速飞机的雨
4、蚀现象中认识到，提高射流压力和速度能够冲蚀较坚硬物料，并显著提高落煤效果，从而进入了高压射流的实验阶段。2 2）60607070年代：设备研制阶段年代：设备研制阶段 随着射流压力的提高，柱塞泵和增压器等增压设备进入研制阶段，开始突飞猛进的发展，并出现了一些新型射流喷嘴。同时水力清洗受到重视。一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理 3 3）70708080年代：工业试验和应用年代：工业试验和应用 进入70年代，各国开始大力研究高压水射流技术，开始出现了磨料射流、脉冲射流、空化射流、间断射流等新型射流技术。研究的重点是水射流破岩机理、脉冲射
5、流特性及水射流在切割、破岩、清洗等工业中的试验。4 4）8080现在：新型高效射流，迅速发展现在：新型高效射流，迅速发展 进入80年代以来，开始系统研究磨料射流、空化射流、脉冲射流、旋转射流等新型射流的清洗、切割、水力破岩工艺技术和基础理论，并出现了气水射流、冰粒射流、液态气（空气、氮气、二氧化碳气）射流等特种射流。应用范围也由采矿、破岩、钻孔、清洗、除垢发展到金属和超硬材料切割、表面处理、研磨等方面。应用领域也扩大到煤炭、石油、冶金、化工、船舶、航空、建筑、电力、纺织、交通、市政医学等十几个工业部门。4.4.高压水射流相关的学术机构高压水射流相关的学术机构 1）国际水射流技术协会 成立于19
6、72年。2）美国水射流技术协会 成立于1981年。3）日本水射流技术学会 成立于1987年。4）中国水射流技术专业委员会 成立于1979年。一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理5.5.淹没射流的基本结构淹没射流的基本结构 初始段：轴心速度保持初始速度，Um=U0基本段：轴心速度小于初始速度，Um U0等速核：各点速度等于初始速度的区域，Ui=U0内边界：射流速度保持初始速度的界限，Ux边=U0 外边界：速度等于零的边界，Ux边=0混合区：内外边界之间的区域。极 点：射流外边界延伸线的交点，虚拟射流源。6.6.水射流特性水射流特性 优点：（1）水源丰富，成本低；（2）精密切割、切口平
7、整；（3）工作参数（P、Q）易调；（4）遥控：危险恶劣环境；（5）冷却、灭尘、润滑。缺点：（1）功率消耗大；（2）水溅、潮湿；（3）高压部件:泵、密封、喷嘴、管、阀寿命短。一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理7.7.高压水射流系统组成高压水射流系统组成 1）压力源:高压泵、增压器、水炮等；2）执行和控制机构:阀、管路、喷嘴、传动机构、压力控制机构；3）工件（靶物）。8.8.射流基本参数射流基本参数流体参数流体参数 射流压力 喷嘴直径 喷嘴型式 射流功率 流速流量 流体性质 射流反冲力磨料射流参数磨料射流参数 磨料类型 磨料流量 磨料粒
8、度 混合管直径工况参数工况参数 进给速度 靶距（喷距）流道数入射角切深或切宽 切割体积 比能靶件参数靶件参数 靶件强度 靶件硬度 靶件孔隙度 靶件渗透率一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理9.9.水射流动力学计算公式水射流动力学计算公式1 1）基本方程式基本方程式 （1）伯努利方程 其中，P-压力，V-速度。（2）连续方程 2 2）射流速度）射流速度 V=C(2P/)1/2 其中，V-射流速度，m/s；C-流速系数；P-射流压力，MPa；-射流介质密度，g/cm3一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理3）射流流量 Q=VA=(d2/4)V 其中，Q-射流流量，cm3/s；
9、V-射流速度，cm/s；A-喷嘴出口截面积，cm2；d-喷嘴出口直径，cm。4）喷嘴直径 当P Mpa，Q-cm3/s，-g/cm3 时，喷嘴直径为：此时喷嘴直径 d 单位为 cm。一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理5）射流水功率 W=PQ 其中，W-射流水功率，w；Q-射流流量，cm3/s；P-射流压力，MPa。6）射流冲击力 F=102Q2/A 其中，F-射流冲击力，KN；Q-射流流量，cm3/s；-射流介质密度，g/cm3；A-喷嘴出口截面积，cm2。一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理7）射流反推力 T=0.0445 Q P1/2 其中，T-射流反推力，N；Q
10、-射流流量，cm3/s；P-射流压力，MPa。8）管路压力损失 P=71.24 Q2/D5R1/4 其中，P-管路压力损失，MPa/m；Q-射流流量，cm3/s；D-管路内径，mm；R-雷诺数，R=21115(Q/D)。管路压力损失与流量平方成正比，与管路内径5次方成反比。一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理一、一、水水射流基本概念与原理射流基本概念与原理主要五个方面：主要五个方面：1.工业切割，加工；工业切割，加工；2.挖掘挖掘,开采开采,钻探；钻探；3.岩石切割，掘进；岩石切割，掘进；4.表面处理，除垢；表面处理，除垢；5.材料粉碎，除尘。材料粉碎，除尘。十多工业部门：十多工业
11、部门：煤炭煤炭 石油石油 矿业矿业炼油炼油 化工化工 电力电力交通交通 铁道铁道 船舶船舶冶金冶金 机械机械 轻工轻工土木土木 建筑建筑 民用民用军工军工 航天航天 核工核工医疗医疗 医学医学10.10.主要应用主要应用二、磨料射流基本理论二、磨料射流基本理论1.1.磨料射流的基本概念磨料射流的基本概念 磨料射流是在纯水射流中混入石英砂、金刚砂、石榴石、陶粒等等非常硬的固体颗粒而形成的一类高压射流。其切割原理是通过喷嘴加速后冲击到被切割物表面，利用磨料颗粒对材料的冲蚀作用冲蚀作用实现切割。同等压力条件下磨料射流的切割能力大大超过纯水射流。2.2.磨料射流的分类磨料射流的分类 磨料射流分为前混式
12、和后混式磨料射流两类。1 1）后混式磨料射流原理及缺陷）后混式磨料射流原理及缺陷 在驱动压力作用下，水介质通过第一个喷嘴形成高速水射流，并在混合腔内产生一定的真空度，使磨料箱与混合腔之间形成一定的压力差，磨料在自重和压力差的共同作用下通过气力运输而进入混合腔，并与水射流发生剧烈紊动扩散与掺混。再通过第二个喷嘴（磨料喷嘴）而形成磨料水射流。后混式磨料射流原理与缺陷后混式磨料射流原理与缺陷1.水喷嘴2.混合腔3.磨料喷嘴4.磨料箱5.高压水管 磨料以很低的初始速度与高速水射流随机接触，这种后混式结构不能使磨料与高速流动的水进行充分的紊动混合，并且明显的降低了水介质对于磨料的能量传输效率，导致液固两
13、相介质混合效果不够理想。采用后混式磨料射流切割金属所需的工作压力仍然很高。二、磨料射流基本理论二、磨料射流基本理论2）前混式磨料射流原理 在高压水射流形成之前，将磨料粒子先与水在高压输水管路中均匀混合，然后通过水喷嘴进一步混合和加速，形成磨料水射流。磨料与水在磨料箱内初步混合，使磨料在磨料箱内处于似液体流化状态。前混合式磨料射流具有巨大潜力的切割能力，可以在较低压力下切割钢材和钢筋混凝土等坚硬物料。在相同的切割能力下，前混式磨料射流所需压力比后混式在相同的切割能力下，前混式磨料射流所需压力比后混式磨料射流要低得多磨料射流要低得多。二、磨料射流基本理论二、磨料射流基本理论1.喷嘴2.混合室3.磨
14、料阀4.磨料罐5.单向阀6.调节阀7.水阀8.高压泵 它的缺点是对管路和喷嘴的磨损大。3.3.磨料射流切割技术的优点磨料射流切割技术的优点 由于相对纯水射流来说，磨料射流大大降低了同等切割目的下所需的压力而突出的表现了安全可靠的优势；使用磨料射流切割金属时，一般不会产生火花，避免了着火或切割区附近有害气体的爆炸事故；切割时不发热或产生的少量热量能很快地被水射流所带走，在切割面上几乎不产生热影响区；切割面上受力小，即使切割薄板成型材，切口也不会被破坏；二、磨料射流基本理论二、磨料射流基本理论 切缝窄，被切割材料损耗小，切面光滑，无毛边（切割速度太快会产生少量毛刺）；切割时几乎无粉尘，也不产生有毒
15、气体，工作条件相对来说较清洁；切割反作用力小，所以机械手容易移动喷嘴；可以全方位进行切割，三维曲面的切割也很容易，能切割各种形状的工件；切割条件容易控制，便于使用计算机实现自动调节和控制。二、磨料射流基本理论二、磨料射流基本理论4.4.磨料射流发生系统组成磨料射流发生系统组成 磨料射流系统主要包括高压泵或者增压系统、磨料供应系统、控制系统及辅助系统等。5.5.磨料射流技术发展概况磨料射流技术发展概况 磨料射流切割技术最早出现在上世纪60年代的美国，国际上对磨料射流大规模的研究和应用始于70年代末，在80年代得到迅速发展。国内最早开始研究磨料射流技术的单位有：淮南矿业学院、焦作矿业学院、中国石油
16、大学（华东）、中国矿业大学等等。从80年代末开始，中国石油大学（华东）一直致力于将磨料射流技术运用于石油行业的管材除锈、除垢，提高钻井速度，增产增注，海洋弃井及废弃采油平台桩腿切割拆除等方面的研究工作。二、磨料射流基本理论二、磨料射流基本理论1.1.磨料射流切割技术开发的目的磨料射流切割技术开发的目的 60年代以来世界上掀起的海上石油开发高潮，在海上钻成了成千上万口的油气井，建起了千百座导管架采油平台和其它海上结构物。随着开采时间的增加以及当地油气资源的枯竭，如何处置这些海上油气井以及采油平台，就提到油田开发者的面前。与海洋开发初期相比，现在更加重视海洋生态环境的保护，要求海上建筑物的开发者在开发了海洋资源以后，不能把这些废弃物置于海上不管，要还海洋原来的面貌。这不但要考虑可供使用的技术、成本、安全性、可靠性以及必须遵守的法律法规等等技术问题，更为重要的是必须重点考虑环境保护问题，不能因为经济等等原因而造成人类赖以生存的环境的破坏。因此，高效、优质、安全、环保型的废弃井口及采油平台桩腿处理技术是海上平台安全拆除的前提和保障。三、磨料射流切割技术三、磨料射流切割技术2.2.磨料射流喷嘴的
