高壓水射流及磨料射流切割技術介紹.ppt

1、高壓水射流及磨料射流切割技術介紹周衛(wèi)中國石油大學（華東）高壓水射流研究中心中國高壓水射流專業(yè)委員會油氣鉆井技術國家工程實驗室中石油鉆井重點實驗室山東省高壓水射流新技術研究推廣中心,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,主 要 內 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，通過高壓發(fā)生設備增壓獲得巨大能量，經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 壓力范圍 (MPa) 泵類型 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.高壓水射流技術發(fā)展概況 60年代末70年代初，美國NSF資助了一項龐大的研究計劃，旨在尋求一種高效的切割破巖方法，提出并試驗了25種新方法，如電火花、激光、火焰、等離子體、高壓水射流等，最后一致公認最可行有效的是高壓水射流破巖方法。 高壓水射流技術是近三十年來發(fā)展起來的一門新技術，正越來越廣泛地應用于煤炭、石油、化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工業(yè)部門，用以清洗、除垢、切割、破巖等，提高工效，降低成本，減輕勞動強度，改善工作環(huán)境。 近年來，出現超高壓射流、空化射流、自振空化射流、磨料射流、旋轉射流等新型射流技術。,高壓水射流技術經歷

3、了四個發(fā)展階段： 1）5060年代：探索和實驗階段 人們從水力采煤和高速飛機的雨蝕現象中認識到，提高射流壓力和速度能夠沖蝕較堅硬物料，并顯著提高落煤效果，從而進入了高壓射流的實驗階段。 2）6070年代：設備研制階段 隨著射流壓力的提高，柱塞泵和增壓器等增壓設備進入研制階段，開始突飛猛進的發(fā)展，并出現了一些新型射流噴嘴。同時水力清洗受到重視。,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)試驗和應用 進入70年代，各國開始大力研究高壓水射流技術，開始出現了磨料射流、脈沖射流、空化射流、間斷射流等新型射流技術。研究的重點是水射流破巖機理、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。 4）80現在：新型高效射流，迅速發(fā)展 進入80年代以來，開始系統(tǒng)研究磨料射流、空化射流、脈沖射流、旋轉射流等新型射流的清洗、切割、水力破巖工藝技術和基礎理論，并出現了氣水射流、冰粒射流、液態(tài)氣（空氣、氮氣、二氧化碳氣）射流等特種射流。 應用范圍也由采礦、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。 應用領域也擴大到煤炭、石油、冶金、化工、船舶、航空、建筑、電力、紡織、交通、市政醫(yī)學等十幾個工業(yè)部門。,4.高壓水射流相關的學術機構 1）國際水射流技術協(xié)會 成立于1972年。 2）美國水射流技術協(xié)會 成立于1981年。 3）日本水射流技術學會 成

5、立于1987年。 4）中國水射流技術專業(yè)委員會 成立于1979年。,一、水射流基本概念與原理,5.淹沒射流的基本結構,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：各點速度等于初始速度的區(qū)域，Ui = U0 內邊界：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)：內外邊界之間的區(qū)域。 極 點：射流外邊界延伸線的交點，虛擬射流源。,6.水射流特性 優(yōu)點：（1）水源豐富，成本低； （2）精密切割、切口平整； （3）工作參數（P、Q）易調； （4）遙控：危險惡劣環(huán)境； （5）冷卻、滅塵、潤滑。 缺點：（

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)行和控制機構: 閥、管路、噴嘴、傳動機構、壓力控制機構； 3） 工件（靶物）。,8.射流基本參數,流體參數 射流壓力 噴嘴直徑 噴嘴型式 射流功率 流速流量 流體性質 射流反沖力 磨料射流參數 磨料類型 磨料流量 磨料粒度 混合管直徑,工況參數 進給速度 靶距（噴距） 流道數 入射角 切深或切寬 切割體積 比能 靶件參數 靶件強度 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.水射流動力學計算公式 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； P - 射流壓力，MPa； - 射流介質密度，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P Mpa，Q - cm3 /s，- g/cm3 時，噴嘴直徑為： 此時噴嘴直徑 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 - 管路內徑，mm； R - 雷諾數，R=21115(Q/D)。 管路壓力損失與流量平方成正比，與管路內徑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,主要五個方面： 1. 工業(yè)切割，加工； 2. 挖掘, 開采, 鉆探； 3. 巖石切割，掘進； 4. 表面處理，除垢； 5. 材料粉碎，除塵。,十多工業(yè)部門： 煤炭 石油 礦業(yè) 煉油 化工 電力 交通 鐵道 船舶 冶金 機械 輕工 土木 建筑 民用 軍工 航天 核工 醫(yī)療 醫(yī)學,10.主要應用,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高壓射流。其切割原理是通過噴嘴加速后沖擊到被切割物表面，利用磨料顆粒對材料的沖蝕作用實現切割。同等壓力條件下磨料射流的切割能力大大超過純水射流。 2.磨料射流的分類 磨料射流分為前混式和后混式磨料射流兩類。 1）后混式磨料射流原理及缺陷 在驅動壓力作用下，水介質通過第一個噴嘴形成高速水射流，并在混合腔內產生一定的真空度，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氣力運輸而進入混合腔，并與水射流發(fā)生劇烈紊動擴散與摻混。再通過第二個噴嘴（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接觸，這種后混式結構不能使磨料與高速流動的水進行充分的紊動混合，并且明顯的降低了水介質對于磨料的能量傳輸效率，導致液固兩相介質混合效果不夠理想。 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，然后通過水噴嘴進一步混合和加速，形成磨料水射流。磨料與水在磨料箱內初步混合，使磨料在磨料箱內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.調節(jié)閥7.水閥8.高壓泵,它的缺點是對管路和噴嘴的磨損大。,3.磨料射流切割技術的優(yōu)點 由于相對純水射流來說，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了安全可靠的優(yōu)勢； 使用磨料射流切割金屬時，一般不會產生火花，避免了著火或切割區(qū)附近有害氣體的爆炸事故； 切割時不發(fā)熱或產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，無毛邊（切割速度

13、太快會產生少量毛刺）； 切割時幾乎無粉塵，也不產生有毒氣體，工作條件相對來說較清潔； 切割反作用力小，所以機械手容易移動噴嘴； 可以全方位進行切割，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，便于使用計算機實現自動調節(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)、磨料供應系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。 5.磨料射流技術發(fā)展概況 磨料射流切割技術最早出現在上世紀60年代的美國，國際上對磨料射流大規(guī)模的研究和應用始于70年代末，在80年代得到迅速發(fā)展。國內最早開始研究磨料射流技術的單位有：淮南礦業(yè)學院、焦作礦業(yè)學院、中國石油大

14、學（華東）、中國礦業(yè)大學等等。 從80年代末開始，中國石油大學（華東）一直致力于將磨料射流技術運用于石油行業(yè)的管材除銹、除垢，提高鉆井速度，增產增注，海洋棄井及廢棄采油平臺樁腿切割拆除等方面的研究工作。,二、磨料射流基本理論,1.磨料射流切割技術開發(fā)的目的 60年代以來世界上掀起的海上石油開發(fā)高潮，在海上鉆成了成千上萬口的油氣井，建起了千百座導管架采油平臺和其它海上結構物。隨著開采時間的增加以及當地油氣資源的枯竭，如何處置這些海上油氣井以及采油平臺，就提到油田開發(fā)者的面前。與海洋開發(fā)初期相比，現在更加重視海洋生態(tài)環(huán)境的保護，要求海上建筑物的開發(fā)者在開發(fā)了海洋資源以后，不能把這些廢棄物置于海上不

15、管，要還海洋原來的面貌。這不但要考慮可供使用的技術、成本、安全性、可靠性以及必須遵守的法律法規(guī)等等技術問題，更為重要的是必須重點考慮環(huán)境保護問題，不能因為經濟等等原因而造成人類賴以生存的環(huán)境的破壞。因此，高效、優(yōu)質、安全、環(huán)保型的廢棄井口及采油平臺樁腿處理技術是海上平臺安全拆除的前提和保障。,三、磨料射流切割技術,2.磨料射流噴嘴的設計,切割用磨料射流噴嘴設計的一般原則： (1)能量轉換效率高； (2)噴嘴的耐磨性好，壽命長； (3)所產生的射流密集性好。,三、磨料射流切割技術,3.磨料射流切割工具的設計,磨料射流切割工具主要由以下幾部分組成：扶正器、速度控制機構、防砂機構、推力軸承、高壓旋轉

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,13-3/8、20、30套管切割工具,三、磨料射流切割技術,4.室內實驗裝置,三、磨料射流切割技術,5.實驗室實驗結果,實驗套管壁厚11.99mm，9-5/8 N80套管。 切割壓力為16MPa，轉速3rpm，砂比6.54左右（體積比），泵排量240L/min。 割斷套管花費時間1822分鐘。 左上圖為實驗設備圖。 左下圖為切割后的套管。,三、磨料射流切割技術,13-3/8套管固定在30套管內。實驗壓力20MPa，砂比6.54左右（體積比），泵排量350L/min左右。割斷套管花費時間大約22分鐘。,三、磨

17、料射流切割技術,實驗壓力20MPa，砂比6.54左右（體積比），泵排量350L/min左右。割斷20 套管花費時間大約33分鐘。,三、磨料射流切割技術,實驗壓力20MPa，砂比6.54左右（體積比），泵排量350L/min左右。割斷30 套管花費時間大約96分鐘。,三、磨料射流切割技術,三、磨料射流切割技術,6.地面綜合實驗,兩套實驗套管完全一樣，分別由9-5/8 、13-3/8 、20 以及30 隔水管通過固井水泥膠結在一起，而且內部套管傾斜著放置在外層套管內。,三、磨料射流切割技術,實驗套管,實驗設備,本次實驗所使用的設備主要有：兩輛2000型壓裂車、一輛管匯車、一輛混砂車、兩輛砂罐車、一輛控制車、四輛水罐車、一輛8噸卡車、一輛12噸吊車、高壓管匯車等共計13輛車。,三、磨料射流切割技術,實驗過程及實驗結果,磨料射流切割系統(tǒng)的純切割時間