高壓水射流及磨料射流切割技術(shù)介紹.ppt

1、高壓水射流及磨料射流切割技術(shù)介紹周衛(wèi)中國(guó)石油大學(xué)（華東）高壓水射流研究中心中國(guó)高壓水射流專(zhuān)業(yè)委員會(huì)油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室中石油鉆井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山東省高壓水射流新技術(shù)研究推廣中心,一、高壓水射流基本概念與原理 二、磨料射流基本理論 三、磨料射流切割技術(shù),主 要 內(nèi) 容,一、水射流基本概念與原理,1.基本概念 高壓水射流，是以水為介質(zhì)，通過(guò)高壓發(fā)生設(shè)備增壓獲得巨大能量，經(jīng)一定形狀的噴嘴噴出的一股能量集中的高速水流。,壓力等級(jí) 壓力范圍 (MPa) 泵類(lèi)型 低壓 0.520 離心泵, 柱塞泵 中壓 2070 柱塞泵, 增壓器 高壓 70140 柱塞泵, 增壓器 超高壓 1

2、40400 增壓器, 水炮,一、水射流基本概念與原理,3.高壓水射流技術(shù)發(fā)展概況 60年代末70年代初，美國(guó)NSF資助了一項(xiàng)龐大的研究計(jì)劃，旨在尋求一種高效的切割破巖方法，提出并試驗(yàn)了25種新方法，如電火花、激光、火焰、等離子體、高壓水射流等，最后一致公認(rèn)最可行有效的是高壓水射流破巖方法。 高壓水射流技術(shù)是近三十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于煤炭、石油、化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工業(yè)部門(mén)，用以清洗、除垢、切割、破巖等，提高工效，降低成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境。 近年來(lái)，出現(xiàn)超高壓射流、空化射流、自振空化射流、磨料射流、旋轉(zhuǎn)射流等新型射流技術(shù)。,高壓水射流技術(shù)經(jīng)歷

3、了四個(gè)發(fā)展階段： 1）5060年代：探索和實(shí)驗(yàn)階段 人們從水力采煤和高速飛機(jī)的雨蝕現(xiàn)象中認(rèn)識(shí)到，提高射流壓力和速度能夠沖蝕較堅(jiān)硬物料，并顯著提高落煤效果，從而進(jìn)入了高壓射流的實(shí)驗(yàn)階段。 2）6070年代：設(shè)備研制階段 隨著射流壓力的提高，柱塞泵和增壓器等增壓設(shè)備進(jìn)入研制階段，開(kāi)始突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并出現(xiàn)了一些新型射流噴嘴。同時(shí)水力清洗受到重視。,一、水射流基本概念與原理,一、水射流基本概念與原理,3）7080年代：工業(yè)試驗(yàn)和應(yīng)用 進(jìn)入70年代，各國(guó)開(kāi)始大力研究高壓水射流技術(shù)，開(kāi)始出現(xiàn)了磨料射流、脈沖射流、空化射流、間斷射流等新型射流技術(shù)。研究的重點(diǎn)是水射流破巖機(jī)理、脈沖射流特性及水射流在切割、破

4、巖、清洗等工業(yè)中的試驗(yàn)。 4）80現(xiàn)在：新型高效射流，迅速發(fā)展 進(jìn)入80年代以來(lái)，開(kāi)始系統(tǒng)研究磨料射流、空化射流、脈沖射流、旋轉(zhuǎn)射流等新型射流的清洗、切割、水力破巖工藝技術(shù)和基礎(chǔ)理論，并出現(xiàn)了氣水射流、冰粒射流、液態(tài)氣（空氣、氮?dú)狻⒍趸細(xì)猓┥淞鞯忍胤N射流。 應(yīng)用范圍也由采礦、破巖、鉆孔、清洗、除垢發(fā)展到金屬和超硬材料切割、表面處理、研磨等方面。 應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)大到煤炭、石油、冶金、化工、船舶、航空、建筑、電力、紡織、交通、市政醫(yī)學(xué)等十幾個(gè)工業(yè)部門(mén)。,4.高壓水射流相關(guān)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu) 1）國(guó)際水射流技術(shù)協(xié)會(huì) 成立于1972年。 2）美國(guó)水射流技術(shù)協(xié)會(huì) 成立于1981年。 3）日本水射流技術(shù)學(xué)會(huì) 成

5、立于1987年。 4）中國(guó)水射流技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì) 成立于1979年。,一、水射流基本概念與原理,5.淹沒(méi)射流的基本結(jié)構(gòu),初始段：軸心速度保持初始速度，Um = U0 基本段：軸心速度小于初始速度，Um U0 等速核：各點(diǎn)速度等于初始速度的區(qū)域，Ui = U0 內(nèi)邊界：射流速度保持初始速度的界限，Ux邊 = U0 外邊界：速度等于零的邊界，Ux邊 = 0 混合區(qū)：內(nèi)外邊界之間的區(qū)域。 極 點(diǎn)：射流外邊界延伸線(xiàn)的交點(diǎn)，虛擬射流源。,6.水射流特性 優(yōu)點(diǎn)：（1）水源豐富，成本低； （2）精密切割、切口平整； （3）工作參數(shù)（P、Q）易調(diào)； （4）遙控：危險(xiǎn)惡劣環(huán)境； （5）冷卻、滅塵、潤(rùn)滑。 缺點(diǎn)：（

6、1）功率消耗大； （2）水濺、潮濕； （3）高壓部件: 泵、密封、噴嘴、管、閥壽命短。,一、水射流基本概念與原理,一、水射流基本概念與原理,7.高壓水射流系統(tǒng)組成 1） 壓力源: 高壓泵、增壓器、水炮等； 2） 執(zhí)行和控制機(jī)構(gòu): 閥、管路、噴嘴、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓力控制機(jī)構(gòu)； 3） 工件（靶物）。,8.射流基本參數(shù),流體參數(shù) 射流壓力 噴嘴直徑 噴嘴型式 射流功率 流速流量 流體性質(zhì) 射流反沖力 磨料射流參數(shù) 磨料類(lèi)型 磨料流量 磨料粒度 混合管直徑,工況參數(shù) 進(jìn)給速度 靶距（噴距） 流道數(shù) 入射角 切深或切寬 切割體積 比能 靶件參數(shù) 靶件強(qiáng)度 靶件硬度 靶件孔隙度 靶件滲透率,一、水射流基本概念

7、與原理,9.水射流動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式 1）基本方程式 （1）伯努利方程 其中，P - 壓力，V- 速度。 （2）連續(xù)方程 2）射流速度 V = C (2P/)1/2 其中，V - 射流速度，m/s； C - 流速系數(shù)； P - 射流壓力，MPa； - 射流介質(zhì)密度，g/cm3,一、水射流基本概念與原理,3）射流流量 Q = VA = (d2 /4) V 其中， Q - 射流流量， cm3 /s； V - 射流速度，cm/s； A - 噴嘴出口截面積，cm2 ； d - 噴嘴出口直徑，cm。 4）噴嘴直徑 當(dāng)P Mpa，Q - cm3 /s，- g/cm3 時(shí)，噴嘴直徑為： 此時(shí)噴嘴直徑 d 單位為

8、 cm。,一、水射流基本概念與原理,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 - 射流壓力，MPa。 6）射流沖擊力 F = 102Q2/A 其中， F -射流沖擊力，KN； Q - 射流流量， cm3 /s； - 射流介質(zhì)密度，g/cm3； A - 噴嘴出口截面積，cm2。,一、水射流基本概念與原理,7）射流反推力 T = 0.0445 Q P1/2 其中，T - 射流反推力，N； Q - 射流流量，cm3/s； P - 射流壓力，MPa。 8）管路壓力損失 P = 71.24 Q2 /D5R1/4 其中，P -管路壓力損失，MPa

9、/m； Q - 射流流量，cm3/s； D - 管路內(nèi)徑，mm； R - 雷諾數(shù)，R=21115(Q/D)。 管路壓力損失與流量平方成正比，與管路內(nèi)徑5次方成反比。,一、水射流基本概念與原理,一、水射流基本概念與原理,主要五個(gè)方面： 1. 工業(yè)切割，加工； 2. 挖掘, 開(kāi)采, 鉆探； 3. 巖石切割，掘進(jìn)； 4. 表面處理，除垢； 5. 材料粉碎，除塵。,十多工業(yè)部門(mén)： 煤炭 石油 礦業(yè) 煉油 化工 電力 交通 鐵道 船舶 冶金 機(jī)械 輕工 土木 建筑 民用 軍工 航天 核工 醫(yī)療 醫(yī)學(xué),10.主要應(yīng)用,二、磨料射流基本理論,1.磨料射流的基本概念 磨料射流是在純水射流中混入石英砂、金剛砂、

10、石榴石、陶粒等等非常硬的固體顆粒而形成的一類(lèi)高壓射流。其切割原理是通過(guò)噴嘴加速后沖擊到被切割物表面，利用磨料顆粒對(duì)材料的沖蝕作用實(shí)現(xiàn)切割。同等壓力條件下磨料射流的切割能力大大超過(guò)純水射流。 2.磨料射流的分類(lèi) 磨料射流分為前混式和后混式磨料射流兩類(lèi)。 1）后混式磨料射流原理及缺陷 在驅(qū)動(dòng)壓力作用下，水介質(zhì)通過(guò)第一個(gè)噴嘴形成高速水射流，并在混合腔內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，使磨料箱與混合腔之間形成一定的壓力差，磨料在自重和壓力差的共同作用下通過(guò)氣力運(yùn)輸而進(jìn)入混合腔，并與水射流發(fā)生劇烈紊動(dòng)擴(kuò)散與摻混。再通過(guò)第二個(gè)噴嘴（磨料噴嘴）而形成磨料水射流。,后混式磨料射流原理與缺陷,1.水噴嘴2.混合腔 3.磨料噴

11、嘴4.磨料箱5.高壓水管,磨料以很低的初始速度與高速水射流隨機(jī)接觸，這種后混式結(jié)構(gòu)不能使磨料與高速流動(dòng)的水進(jìn)行充分的紊動(dòng)混合，并且明顯的降低了水介質(zhì)對(duì)于磨料的能量傳輸效率，導(dǎo)致液固兩相介質(zhì)混合效果不夠理想。 采用后混式磨料射流切割金屬所需的工作壓力仍然很高。,二、磨料射流基本理論,2）前混式磨料射流原理 在高壓水射流形成之前，將磨料粒子先與水在高壓輸水管路中均勻混合，然后通過(guò)水噴嘴進(jìn)一步混合和加速，形成磨料水射流。磨料與水在磨料箱內(nèi)初步混合，使磨料在磨料箱內(nèi)處于似液體流化狀態(tài)。前混合式磨料射流具有巨大潛力的切割能力，可以在較低壓力下切割鋼材和鋼筋混凝土等堅(jiān)硬物料。在相同的切割能力下，前混式磨料

12、射流所需壓力比后混式磨料射流要低得多。,二、磨料射流基本理論,1.噴嘴2.混合室3.磨料閥4.磨料罐 5.單向閥6.調(diào)節(jié)閥7.水閥8.高壓泵,它的缺點(diǎn)是對(duì)管路和噴嘴的磨損大。,3.磨料射流切割技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 由于相對(duì)純水射流來(lái)說(shuō)，磨料射流大大降低了同等切割目的下所需的壓力而突出的表現(xiàn)了安全可靠的優(yōu)勢(shì)； 使用磨料射流切割金屬時(shí)，一般不會(huì)產(chǎn)生火花，避免了著火或切割區(qū)附近有害氣體的爆炸事故； 切割時(shí)不發(fā)熱或產(chǎn)生的少量熱量能很快地被水射流所帶走，在切割面上幾乎不產(chǎn)生熱影響區(qū)； 切割面上受力小，即使切割薄板成型材，切口也不會(huì)被破壞；,二、磨料射流基本理論,切縫窄，被切割材料損耗小，切面光滑，無(wú)毛邊（切割速度

13、太快會(huì)產(chǎn)生少量毛刺）； 切割時(shí)幾乎無(wú)粉塵，也不產(chǎn)生有毒氣體，工作條件相對(duì)來(lái)說(shuō)較清潔； 切割反作用力小，所以機(jī)械手容易移動(dòng)噴嘴； 可以全方位進(jìn)行切割，三維曲面的切割也很容易，能切割各種形狀的工件； 切割條件容易控制，便于使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。,二、磨料射流基本理論,4.磨料射流發(fā)生系統(tǒng)組成 磨料射流系統(tǒng)主要包括高壓泵或者增壓系統(tǒng)、磨料供應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。 5.磨料射流技術(shù)發(fā)展概況 磨料射流切割技術(shù)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)60年代的美國(guó)，國(guó)際上對(duì)磨料射流大規(guī)模的研究和應(yīng)用始于70年代末，在80年代得到迅速發(fā)展。國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始研究磨料射流技術(shù)的單位有：淮南礦業(yè)學(xué)院、焦作礦業(yè)學(xué)院、中國(guó)石油大

14、學(xué)（華東）、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等等。 從80年代末開(kāi)始，中國(guó)石油大學(xué)（華東）一直致力于將磨料射流技術(shù)運(yùn)用于石油行業(yè)的管材除銹、除垢，提高鉆井速度，增產(chǎn)增注，海洋棄井及廢棄采油平臺(tái)樁腿切割拆除等方面的研究工作。,二、磨料射流基本理論,1.磨料射流切割技術(shù)開(kāi)發(fā)的目的 60年代以來(lái)世界上掀起的海上石油開(kāi)發(fā)高潮，在海上鉆成了成千上萬(wàn)口的油氣井，建起了千百座導(dǎo)管架采油平臺(tái)和其它海上結(jié)構(gòu)物。隨著開(kāi)采時(shí)間的增加以及當(dāng)?shù)赜蜌赓Y源的枯竭，如何處置這些海上油氣井以及采油平臺(tái)，就提到油田開(kāi)發(fā)者的面前。與海洋開(kāi)發(fā)初期相比，現(xiàn)在更加重視海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，要求海上建筑物的開(kāi)發(fā)者在開(kāi)發(fā)了海洋資源以后，不能把這些廢棄物置于海上不

15、管，要還海洋原來(lái)的面貌。這不但要考慮可供使用的技術(shù)、成本、安全性、可靠性以及必須遵守的法律法規(guī)等等技術(shù)問(wèn)題，更為重要的是必須重點(diǎn)考慮環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，不能因?yàn)榻?jīng)濟(jì)等等原因而造成人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境的破壞。因此，高效、優(yōu)質(zhì)、安全、環(huán)保型的廢棄井口及采油平臺(tái)樁腿處理技術(shù)是海上平臺(tái)安全拆除的前提和保障。,三、磨料射流切割技術(shù),2.磨料射流噴嘴的設(shè)計(jì),切割用磨料射流噴嘴設(shè)計(jì)的一般原則： (1)能量轉(zhuǎn)換效率高； (2)噴嘴的耐磨性好，壽命長(zhǎng)； (3)所產(chǎn)生的射流密集性好。,三、磨料射流切割技術(shù),3.磨料射流切割工具的設(shè)計(jì),磨料射流切割工具主要由以下幾部分組成：扶正器、速度控制機(jī)構(gòu)、防砂機(jī)構(gòu)、推力軸承、高壓旋轉(zhuǎn)

16、密封圈、噴頭以及磨料射流噴嘴等等。左圖為9-5/8套管切割工具。,三、磨料射流切割技術(shù),13-3/8、20、30套管切割工具,三、磨料射流切割技術(shù),4.室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置,三、磨料射流切割技術(shù),5.實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)套管壁厚11.99mm，9-5/8 N80套管。 切割壓力為16MPa，轉(zhuǎn)速3rpm，砂比6.54左右（體積比），泵排量240L/min。 割斷套管花費(fèi)時(shí)間1822分鐘。 左上圖為實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖。 左下圖為切割后的套管。,三、磨料射流切割技術(shù),13-3/8套管固定在30套管內(nèi)。實(shí)驗(yàn)壓力20MPa，砂比6.54左右（體積比），泵排量350L/min左右。割斷套管花費(fèi)時(shí)間大約22分鐘。,三、磨

17、料射流切割技術(shù),實(shí)驗(yàn)壓力20MPa，砂比6.54左右（體積比），泵排量350L/min左右。割斷20 套管花費(fèi)時(shí)間大約33分鐘。,三、磨料射流切割技術(shù),實(shí)驗(yàn)壓力20MPa，砂比6.54左右（體積比），泵排量350L/min左右。割斷30 套管花費(fèi)時(shí)間大約96分鐘。,三、磨料射流切割技術(shù),三、磨料射流切割技術(shù),6.地面綜合實(shí)驗(yàn),兩套實(shí)驗(yàn)套管完全一樣，分別由9-5/8 、13-3/8 、20 以及30 隔水管通過(guò)固井水泥膠結(jié)在一起，而且內(nèi)部套管傾斜著放置在外層套管內(nèi)。,三、磨料射流切割技術(shù),實(shí)驗(yàn)套管,實(shí)驗(yàn)設(shè)備,本次實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備主要有：兩輛2000型壓裂車(chē)、一輛管匯車(chē)、一輛混砂車(chē)、兩輛砂罐車(chē)、一輛控制車(chē)、四輛水罐車(chē)、一輛8噸卡車(chē)、一輛12噸吊車(chē)、高壓管匯車(chē)等共計(jì)13輛車(chē)。,三、磨料射流切割技術(shù),實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果,磨料射流切割系統(tǒng)的純切割時(shí)間