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水射流技术的工业应用
发布时间:2015-03-13  浏览次数:156

水射流技术具有独特的优点,其应用范围和领域十分广泛,主要有以下几个方面:

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,选用合适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,从而达到清楚基体污垢的目的。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、微生物泥垢、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、自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,国外在清洗工作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;军事工程中防化消除、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。纸革。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。

3)采矿工业的煤层破碎与掘进

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、掘进及钻孔机械的组合,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,非常适合于采矿作业,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层,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发的主要技术手段。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。

4)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,它他石油钻采中的研究和应用也取得了很大的进展。20世纪60年代初,国内开始研究射流结构和喷射钻井理论与技术。20世纪70年代末建立了较为完善的喷射钻井射流实验装置,以后系统研究了射流技术在石油工业中的应用。如喷射钻井技术、加长喷嘴组合提高射流在井底的工作效率、水射流钻径向水平井、水射流近井带解堵和射孔完井增产技术等。

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140mm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(多晶体钻头)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。