危险环境下安全切割技术

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  [摘 要]高压水射流切割是一项高新特技术,本文主要论述了高压水射流加工技术的特性分类、切割机理,并介绍了获得高压水射流的基本原理和技术应用范围,提出了在危险环境下安全生产切割技术的重要性。
  [关键词]高压水射流切割 高新特技术 技术分类 应用范围
  中图分类号:TD431 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)16-0225-02
  一、高压水射流切割应用范围
  水射流是近几十年来得以迅速发展的一项新技术。水射流是以水为工作介质,通过增压设备和特定形状的喷嘴产生高速射流束,具有极高的能级密度。一些新型射流如脉冲射流、空化射流和磨料射流的相继出现,大大提高了其切割、剥离和破碎能力,更进一步拓宽了水射流技术的应用范围,可用于清洗、清理、切割、注水钻孔、采掘、破碎、喷雾以及研磨等作业。具有清洁、无热效应、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全、使用方便等特点,广泛应用于轻工、机械、建筑、采矿、石油、冶金、化工、核能、军工、航天、航空、汽车、铁道、船舶、市政工程以及医学等部门。特别适宜于自然环境恶劣,以及防火、防爆、防瓦斯等危险上作场合作业,能大大减轻劳动强度,改善劳动环境,降低和防止危险事故的发生。
  高压水射流与激光束、电子束和等离子束统称为高能束加工技术,其中高压水射流是唯一的冷切割加工技术。高压水射流不仅可以切割各类金属、非金属、塑性软质材料和脆性硬质材料,而且加工工艺简单,加工后工件材料的物理、机械性能不会改变。在各种新材料与复合材料相继涌现的当今时代,高压水射流的冷切割性能是无与伦比的。
  高压水射流切割作为一门高新技术,涉及的学科领域较多。如超高压理沦、流体动力学、特种材料、材料力学、弹性力学、制造工艺学、高压密封技术、自动控制理论等现代技术,是一种典型的机电液一体化的高新技术。水射流类型众多,分类方法也不相同。现介绍几种常用的分类方法。
  二、水射流分类
  1.按驱动压力分类
  驱动压力等级是设计任何射流工艺系统的主要参数,它不但确定工艺系统经济技术的合理性,而且对工艺设备技术复杂性的影响也很大。国际水射流技术界一般采用的压力等级分类:低压0.5~10、中压10~35、35~140高压、超高压>140MPa。
  2.按工作的环境介质分类
  在射流工艺系统中的流体介质应包括射流工作介质和环境介质。由于切割能力的增强,射流工作介质涉及水、水与磨料组成的液固两相流体、高聚物稀溶液、水与磨料及高聚物配置而成的浆体等。在某些场合下,工作介质有时采用空气。在这些工作介质中,水与空气属于牛顿流体,而高聚物稀溶液、浆体等属于非牛顿流体。在当前,流体射流的工作介质主要是工业用水。
  环境介质取决于射流的工作条件。一般情况下,环境介质是大气,在某些场合下如射流的水下切割或清洗,那么环境介质就是水。
  按环境介质性质的不同,射流可划分为淹没射流和非淹没射流两类。射流的工作介质与环境介质相同时,这种射流称为淹没射流。例如在水中喷射的水射流和在空气中喷射的气体射流,都属于淹没射流。若环境介质与工作介质不同时,这种射流称为非淹没射流。而大气中的水射流就是最常见的非淹没射流。这样划分类型主要是从射流的流体动力学结构和动力特性考虑。
  3.按固壁条件分类:在流体射流的作业环境内有没有固体壁面的限制,对射流的形成以及流休的动力特性有显著的影响。因此,在有固壁约束条件下的射流称为非自由射流;当无固壁约束时,则称为自由射流。另外,在有些文献中认为自由射流是指没有固壁的限制,而且环境介质的流速极小的射流。
  4.按射流流体力学特性分类:水射流按流休力学特性可分为定常射流与非定常射流两种。定常射流的特点是射流的各个断面上的流体力学特性,不随时间而变化,仅为其所处位置的函数。非定常射流是指射流各个断面上的流体力学特性不仅随位置变化而变化,而且随时间变化而变化。但定常射流一定是连续射流,而非定常射流可以是连续射流,也可以是非连续射流。
  5.按射流对物料的施载特性分类:水射流按射流对物料的施载特性可分为连续射流、冲击射流和混合射流3种。
  5.1连续射流:连续射流对物料施载开始时有一个瞬时的冲击峰值压力,以后便趋于稳定的较低压力。连续射流只有在冲击峰值压力之后才具有代表性。这种射流常用于切割的情况。
  5.2脉冲射流 :脉冲水射流是以脉冲的形式将水射流作用在靶体上。其施载特点是产生持续极短的压力峰值,随着时间的变化,连续不断地作用在靶体上。因而脉冲射流在靶物表面产生的冲击力大大超过了一般连续射流的滞止压力,使材料的破坏裂纹迅速扩展,从而显著地提高了水射流的切割与破碎能力。脉冲水射流主要有阻断式、激励式和挤压冲击式脉冲水射流。
  阻断式脉冲射流是用一种脉冲间断器(机械间断器是一个周边带孔、槽或链状导孔的旋转圆盘)周期地切割射流,将连续射流隔断成一连串不连续的射流段。
  激励式脉冲射流是利用流体力学的瞬变流理论,通过调整连续射流的内部结构,使射流流量发生周期性变化而产生的脉冲射流。
  挤压冲击式脉冲射流是利用电能、爆炸能、特殊化合物爆燃能和气体压缩能等作为动力源,通过一定装置在极短时间内将能量传输给工作介质而获得的脉冲射流。
  5.3空化射流 :空化射流是20世纪80年代发展起来的一种高效射流。当水在高速流动中某处的局部绝对压力降到当地温度下的饱和蒸汽压时,溶在水中的空气会释出,形成许多空泡。空泡溃灭将引起巨大的水力冲击,空化射流就是用空泡溃灭引起的极大冲击力来加强其清洗和破碎能力。
  5.4磨料射流 :磨料射流就是将一定数量的磨料(如碳化硅、石榴子石、金刚砂以及石英砂等砂类),与高压水互相混合而形成的液固两相射流。高压水的部分动能传递给磨料,从而改变了射流对靶体的作用方式。将水射流对靶体的持续作用时间改变为磨料对靶体的冲击、磨削作用,从而大大提高了射流的品质和工作效率。根据加入磨料方式的不同分为后混合磨料射流和前混合磨料射流。   三、水射流技术独特的优点
  1.水射流清洗
  水射流的清洗是根据不同的清洗对象和要求,选用适合的射流形式和执行机构。利用水射流很高的冲击动能,连续不断地对被清洗基体进行冲击、冲蚀、剥离、切除和疏通,从而达到清除基体污垢的目的。水射流可除去用化学方法不能或难以清洗的特殊垢层,主要用于清洗水垢、尘垢、锈层、油垢、烃类残渣、各种涂层、混凝土、结焦、树枝层、颜料、橡胶、石膏、塑料、微生物污泥、高分子聚合垢等。由于所使用的介质为不添加任何化学物质的常温水,其效果较人工清洗、机械清洗、化学清洗等方法具有效率高、无污染、综合费用低、不腐蚀损伤基体、易于实现机械化、白动化和智能控制等优点。可清洗形状和结构复杂的零部件,能在空间狭窄、复杂环境、恶劣有害的场合进行作业。因此,国外在清洗作业中都倾向于采用水射流清洗技术,其应用较多的领域有石油、化工、医药、轻工、食品 、冶金、电力等工业部门的各种生产线、管道、换热器、反应器、高压釜、冷却塔、锅炉、汽轮机,交通部门的各类车辆、船舶、高速路面及机场跑道等,机械加工设备及模具的清洗,金属构件除锈、铸件清砂、去毛刺,消除机加工件的残余应力,提高疲劳强度;军事工程中防化洗消、弹药清除,火箭发动机燃烧室壳体的清理等。
  2.水射流切割
  水射流切割技术因其特有的清洁、冷态加工优势得到越来越多的关注和使用。在医学上将纯水射流作为手术刀,进行多项外科手术,切除病体器官,不损伤血管与纤维,可大大降低手术中的出血量。磨料水射流对材料具有极强的冲蚀和磨削作用而不改变材料的物理、力学和化学性质,而且切割作用力小、噪声小、无尘、适应性广。据不完全统计,水射流可以切割材料达500种以上,几乎包括所有应用中的材料。
  纯水型水射流设备主要适用于切割橡胶、布匹、卷纸、木板、织革、泡沫塑料、玻璃、毛织品、地毯、碳纤维织物、纤维增强材料和其他层压材料等。
  磨料射流型主要用于切割热敏、压敏、坚硬脆性以及复合型材料,诸如硬质合金、高速钢、淬火钢、白口铸铁、钨钼钴合金、不锈钢、陶器、大理岩等,钢筋混凝土以及表面堆焊硬化层的零件、外包或内衬一种金属和非金属材料的钢质容器等。
  水射流切割技术多用于以下行业:如汽车制造与修理业、航天航空制造业及其加工业、国防、军工、兵器、电子电力工业、石油、采矿、冶金、轻工业、建材、化工、船舶、食品、医疗、林业、市政工程等。
  四、采矿工业的煤岩破碎与掘进
  目前,国内外利用高压水射流进行煤岩破碎与巷道掘进进行了大量研究,并取得了一定成果。而水射流与采煤、掘进及钻孔机械的结合,一种是水射流直接切割或破碎煤岩的采掘机械,如水射流钻杆钻机、脉冲射流的半煤岩巷道(或煤巷)掘进机等;另一种是以刀具(截齿、刨刀及钻头等)破碎煤岩为主,以水射流冲蚀为辅的采掘机械,如水射流气动凿岩机、巷道掘进机以及连续采煤机等。试验研究认为水射流辅助刀具切割岩石与普通切削相比,切削力可降低30%以上,刀具寿命可提高1~2倍,非常适合于采煤作业,尤其是高瓦斯矿井和中厚煤层的开采更为适用。因此,水射流辅助刀具破煤岩,特别是破碎较硬的煤岩是一种非常有效的破碎方法。
  重庆大学水射流研究所利用自激振荡脉冲水射流破碎器与气举相结合,开发出了新型的水下采矿、开挖技术。海南文昌开采滨海砂矿的工业实践表明该设备不仅具有水射流砂浆泵的优点,即无运动件、密封容易、不污染水质、结构简单、工作可靠、生产能力大、吃水浅、不受水深限制,制造、安装、拆卸方便等优点,而且自激振荡脉冲射流器大大提高了破碎能力。因而运用于水下开采和海洋采矿。
  结合当前煤层的地下赋存条件与煤质的特点,高压水射流技术将是煤层开采的主要技术手段。但是,这一技术目前在我国的采煤工作方面尚未获得广泛的应用与推广。其主要原因是原材料质量不过关、喷嘴堵塞及高压元件的锈蚀和密封等问题没有彻底解决,另一个原因是对水射流与刀具的配合参数及联合破煤的理论研究不够。
  五、水射流技术在石油工业中的应用
  随着高压水射流基础理论和应用技术的发展,它在石油钻采中的研究和应用也取得了很大的进展。
  喷射钻井技术是高压水射流技术在石油钻井中的具体应用。泥浆射流的作用,不仅能使岩屑冲离井底,而且在一定条件下可直接破碎岩石,这就是喷射钻井能够大幅度提高钻速的主要原因之一。在相同地层和井深条件下,喷射钻井比普通钻井速度提高一倍以上,钻井成本明显降低,而且随泵压的增加,效果更加明显。
  为了降低能量损失,提高射流能量利用率,在理论和实验研究的基础上,研制成功了新型加长喷嘴钻头,将喷距由140 mm减少到40mm左右,在不增加地面泵压和泵功率的条件下,大大提高射流到达井底的冲击力和水功率。中国石油大学自行研制与设计的中硬地层射流辅助机械破碎的新型钻头预计进尺可达到PDC(多晶体钻石)钻头的进尺,而钻速会明显高于PDC钻头,成本相当于PDC钻头的1/10左右,这种钻头适用于我国中深井钻井。其钻速高、成本低,可以缩短深井钻井周期、降低钻井成本。另外,高压水射流射孔和水力冲击解堵,可大大提高产能,提高原油采收率。
  参考文献
  [1] 薛胜雄,美国的高压水射流切割技术,《流体机械》,1996,No.5.
  [2] 华林等,激光切割与水射流切割技术,《机械制造》,1996,No.3.
  作者介绍
  史建霞,女,籍贯:河南省邓州市,出生日期:1975年6月,职称:助工,专业:机电一体化专业,1995年6月毕业于平顶山工业学校,2010年6月毕业于河南机电高等专科学校。现工作于平煤六矿机电科。
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