（油气井工程专业论文）前混合式磨料射流清洗试验及系统参数匹配研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dp a r a m e t e r sm a t c h i n ga n a l y s e so n s u r f a c ec l e a n i n gw i t hp r e m i x e da b r a s i v ew a t e rj e t w a n gs h e n g l e i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry a n gy o n g y i n a b s t r a c t a b r a s i v ej e th a sas t r o n gc a p a c i t yf o rc u t t i n ga n dp l a y sa l li r r e p l a c e a b l er o l e ，i ti sw i d e l y u s e di nv a r i o u si n d u s t r i e s i nt h e o r y , a b r a s i v ej e ta l s oh a sg r e a tf o r e g r o u n df o rc l e a n i n g s w i r l i n gj e th a sas t r o n g d i f f u s i b i l i t ya n dal a r g ei m p a c ta r e a s ow eh a v es t u d y e ds w i r l i n g a b r a s i v ej e tf o rc l e a n i n ga p p l i c a t i o n si nt h i sp a p e r i tt a k e san u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h ea b r a s i v ej e tu n d e rt h e c o n d i t i o n so f n o n s u b m e r g e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na d o p t st h es t a n d a r dk gt u r b u l e n tv i s c o s i t ym o d e la n dm i x t u r e m u l t i p h a s ee q u a t i o n sm i x t u r e i to b t a i n st h ee f f e c t st oj e tw h i c ha r ef r o ms w i r l i n gj e tn o z z l e v e l o c i t yd is t r i b u t i o na n dt h e t h en o z z l es t r u c t u r eu n d e rt h ec o n d i t i o n so fn o n s u b m e r g e d a n d t h e s ee f f e c t s p r o v i d eat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rc h o o s i n gc l e a n i n gn o z z l e g e n e r a l t o c o n s i d e rt h ee f f e c to nj e tf r o mn o z z l es h a p ea n dn o z z l es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，t h r o u g h p h o t o g r a p h i n gw e e v a l u a t et h ep r o l i f e r a t i o no fa v a r i e t yo f j e tn o z z l e s i tu s e st h ec o r r o s i o no f s t e e la st h ec h e c kb a r ，a n dt a k et h ea b r a s i v ew a t e r j e tc l e a n i n ge x p e r i m e n t i ts h o w st h a tt h e e f f e c tr u l e so nc l e a ne f f i c i e n c yf r o mt h en o z z l ee x i tl e n g t h 、s t a n d o f fd i s t a n c e 、i m p e l l e r l e n g t h 、i m p e l l e ro r i e n t e da n g l ee r e o b t a i n i n gs c o p eo fa p p l i c a t i o no fp r e s u r e so ft h es w i r l i n g a b r a s i v ew a t e rj e tc l e a n i n gs u r f a c ei s1 5 m p a - 8m p a t h ee x p e r i m e n tc o m p a r e st h ec l e a n e f f e c t so ft h es w i r l i n gj e tn o z z l e ，t ot h eo t h e rn o z z l e ，a n di ts h o w st h a tt h ec l e a n i n ge f f i c i e n c y o ft h es w i r l i n ga b r a s i v ej e tn o z z l ei so v e r10t i m e sh i g h e rt h a nt h eo fo t h e rj e tn o z z l e b y a n a l y z i n gt h et h e o r ya n da p p l i c a t i o n so fa b r a s i v ew a t ej e t ，i ts u m m a r i z e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ns y s t e mp a r a m e t e r sa n dh y d r a u l i cp a r a m e t e r s ，a n db u i l d su pt h em a t c h i n gp r i n c i p l eo f a b r a s i v ew a t e rj e tc l e a n i n gs y s t e m i tc o m p i l e s “a b r a s i v ew a t e rj e tc l e a n i n gs y s t e mp a r a m e t e r s m a t c h i n g ”s o f t w a r eb yt h eu s eo fv b i tc a l c u l a t e ss o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r si n c l u d i n g n o z z l ee x i tj e tv e l o c i t y 、a b r a s i v et a n ku p s t r e a mp i p ep r e s s u r ed r o p 、a n dp u m pp r e s s u r e b y m e a n so fa n a l y z i n gt h es o f t w a r ec a l c u l a t i o nr e s u l t si tc a no p t i m i z ee v e r yh a r d w a r ea n d h y d r a u l i cp a r a m e t e r si nt h ec l e a n i n gs y s t e ma n dp e r f e c tt h ed e s i g no fa b r a s i v ew a t e rj e t c l e a n i n gs y s t e m k e yw o r d s ：p r e m i x e d a b r a s i v es w i r l i n gj e t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c l e a n i n g ，e x p e r i m e n t 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：至兰磊日期：沙口节年箩月可e t 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 王主磊 指导教师签名：奎翌基雯卜 日期：汐p 印年厂月巧日 日期：必叩年j 月彩日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究意义及目的 我国清洗行业长期以来有5 0 是采用化学方法以及手工清洗和机械清洗方法，成本 高、效率低、污染环境等，远远不能满足现代社会日益增长的要求。目前国内常用的清 洗方法如手工清除、化学清除和机械清除( 干喷砂、喷丸) 等工艺均难于达到s a 3 级高质 量表面水平，又存在环境污染、效率低、能耗高、设备庞大及劳动条件恶劣等弊端。探索 和开发高效的清洗方法十分必要的。 高压水射流清洗是第一个应用于清洗行业的新型技术，而且已经形成了一个独立的 行业。在石油、化工、电力、冶金等工业部门中得到了广泛的应用，可用于清洗容器， 如高压釜、反应器、冷却塔、贮罐、槽车等；也可用于清洗各种设备、管道、煤气管线 及换热器；还可用于清洗船舶上积附的海洋生物和铁锈、钢铁铸件上的清砂等。高压水 射流清洗可除去下列污垢层：水垢、铁垢、油类等烃类残渣结焦各种涂层、混凝土、树 脂层、颜料、橡胶、石膏、塑料等，其清洗效果好。高压水射流清洗工艺是目前较快捷、 方便、经济、高效且没有污染的清洗方法。 高压水射流是一种新的清洗方法。与化学清洗及手工、机械清洗相比，具有清洗质 量好、无污染、效率高、适应性强、成本低等一系列优点，但是用高压纯水射流清洗一 些强度比较高的杂质时，射流压力比较高，对设备要求高，增大了清洗成本及危险性。 磨料射流作为新型高效射流的一种，特别是前混合式磨料射流，清洗压力比纯水射流低 的多。清洗通常要求一定的流量携带清洗掉的杂质，在设备一定的情况下，如果压力高， 流量就小，前混合式磨料射流用于清洗可以采用低压力和大流量，比较容易解决高能耗 问题。所以研究磨料射流清洗技术具有十分重要的经济意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 磨料射流研究进展 到了上世纪7 0 年代末，高压水射流技术领域出现了一个引人注目的新动向，即从 单一提高水射流压力的观点开始转向研究如何提高和充分发挥水射流的潜力这方面来 了。这就有了脉冲射流、高温射流、磨料射流和摆振射流。这些水射流与同等压力下的 普通连续射流相比，显然大大提高了作业效率。进入上世纪8 0 年代，磨料射流、空化 射流、气水射流和旋转射流的进一步发展，将高压水射流技术推向一个新的阶段。与此 同时，各国研究人员也开始对各种射流的基础理论和切割破碎机理进行系统的研究，随 第一章绪论 着科学技术的发展，水射流技术日益完善。作为新型切割、破碎工具，水射流独特的优 点( 无磨损、无火花降尘、能量集中等) 正逐渐被大众所接受，水射流技术的应用范围也 从单纯的采矿工业扩大到航空、航天、建筑、煤炭、交通运输、船舶、市政工程、石油 化工、机械、冶金、有色金属电力、电子、铁道、林业、纺织、轻工业、环保及医学等 领域，越来越受到人们的重视1 1 2 1 。磨料射流技术是以高压水射流为载体，将磨料粒子 与水射流混合加速后实现对物料的作用，因此它对物料的冲击力和磨削力要比高压纯水 射流大得多，在同等工作条件下，系统需要的工作压力也远远小于纯水射流的工作压力。 因此磨料射流备受青睐。 根据文献记载【3j ，最早使用磨料射流的是美国b o b o ，6 0 年代初他首先利用磨料射流 钻油井，这种方法大幅度提高了钻井速度，1 9 6 3 年b o b o 以这项技术获得美国专利。但 大规模磨料射流研究和应用是在七十年代后期，在八十年代得到了迅速的发展。 七十年代后期，八十年代初期1 4 】，对磨料射流的研究已经大规模展开，这一时期主 要是对后混合式磨料射流的一些影响因素和切割性能进大量的试验研究，并且得到了大 量的试验数据，而且在美国、英国、日本等国，由于已经出现了高压发生设备一增压器， 使最高压力达到上千兆帕，故出现了磨料水射流切割装置，以切割各种金属板材和其它 坚硬物料，如硬岩、混凝土、玻璃和陶瓷、塑料和复合材料。而在我国，高压发生设备 研究相对落后，对前混合式磨料射流用于清洗，除锈的研究相对较早。 磨料射流按水与磨料的混合方式可分为后混合式磨料射流和前混合式磨料射流两 种类型。后混合式磨料射流系统原理：高压水从喷嘴喷出，其轴向速度很高，靠抽吸作 用吸入的磨料，经混合加速形成磨料射流。后混合式磨料射流中，磨料得不到很好的加 速，且与水的混合效果较差。因此使用压力很高。例如在切割金属需要2 0 0 m p a 以上的 压力，这就增加了其应用技术难度。 根据后混合磨料射流技术的工作原理，美国首先研制了第一台商业用途的磨料射流 切割机器。目前国内外己有许多生产厂家利用后混合磨料射流技术、数控技术和 c a d c a m 技术成功地开发出磨料射流数控车床、数控磨床及加工中心。国外的厂家包 括英国的b h r 有限责任公司、美国的t e c h n i c u t 公司和j e t e d g e 公司1 5 1 ；国内的生 产厂家有广州华臻机械设备有限公司和南京大地水刀有限公司等。为了推广后混合磨料 射流技术的应用，研究人员对磨料粒子的加速机理、喷嘴结构对射流的影响、各种参数 ( 如工作压力、流量、靶距、进给速度、磨料) 对切割或清洗性能的影响、不同材质的切 割机理进行研究，井获得了不少成果。 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 研究后混合式磨料射流的同时为了提高切割效率，降低泵压，人们提出了前混合式 磨料射流。1 9 8 2 年安徽理工大学高压水射流研究所刘木立教授等人【6 】，首先设计出了前 混合式磨料射流试验台，其工作特点是：从泵站出来的高压水，一股通往磨料罐的上部， 一股通往混合室。，由于磨料向下流的速度很慢，到达磨料罐上部的高压水基本上以静 压形式作用在磨料上，磨料在静水压力和自重的联合作用下通过供料阀进入混合室。经 节流阀流入混合室的高压水流，在混合室与磨料均匀混合后，经管路中进一步混合加速， 磨料和水的混合浆体一同由嘴喷喷出，形成具有极高速度的磨料射流1 7 朋j 。前混合磨料 射流与后混合磨料射流相比，因磨料与水混合的均匀、充分、磨料粒子的加速时间长、 获得的能量高、对物料的作用效果更加突出，故其工作压力可以大大降低。试验表明1 9 1 ， 对同样的物体进行切割或除锈，前混合磨料射流所需的工作压力仅为后混合磨料射流工 作压力的1 7 1 l o ，如表1 1 所示。 表1 - 1前混合式磨料射流与纯水射流和后混合式磨料射流切割压力的对比表 t a b l e l - - 1t h et a b l eo fc o m p a r i s o nb e t w e e np r e m i x e da b r u s i v ew a t ej e ta n dw a t ej e ta n dp o s t - - m i x e d a b r a s i v ew a t e rj e to nc u t t i n gp r e s s u r e 一 纯水射流后混合磨料射流前混合磨料射流 用途 切割钢板 7 0 0 m p a3 5 0 m p a3 5 m p a ( 切深2 0 r a m ) 钢板除锈1 5 0 m p a7 5 m p a 1 0 m p a 1 9 8 2 年，英国b h r a ( 英国流体力学研究协会) 也同时研制出了引射注入式i j 混合磨 料射流系统。供磨料装置主要由高压磨料罐、引射器、控制阀和供水系统等组成。从高 压泵出来的高压水分为三股：一股水经闸阀后再经节流阀通到高压磨料罐的顶端，对磨 料产生一个向下压注的正压力；一股水到闸阀后经节流阀通往高压磨料罐的锥底部，使 磨料流态化，以便注入到高压水管路去；另一股水经节流阀至引射器。三股水的流量由 各支路的节流阀来调节。高压水从引射器喷出时、导致混合室的压力降低，同时，磨料 罐锥底处被流态化的磨料，在上面的压力作用下注入引射器的混合室，并被卷入到高速 水流中，与水均匀混合，夹带着磨料的高速水经输送管道至磨料喷嘴，经磨料喷嘴喷出， 形成前混合磨料射流【l o 】。 1 9 8 3 年，我国淮南矿业学院液压试验室组建我国第一台磨料水射流试验台。几乎同 时与英国的流体工业协会各自独立地进行前混合式磨料射流的试验研究( 中国称 p r e m a j e t 英国称d i a j e t ) 。 1 第一章绪论 八十年代中期以来，国际上的水射流科研工作者不仅对前、后混合磨料射流进行大 量的试验，获取大量的试验数据，而且对磨料射流的切割、清洗机理进行了深入的探索， 许多学者通过试验，建立了许多的切割数学模型。美国科学家m 哈希斯，通过大量的 试验以及精密的分析，提出了射流切割的最佳及临界横移速度的计算公式，与试验结果 相当符合，他还建立了物体在磨料水射流颗粒冲击下的冲蚀模型以及磨料射流切的数学 模型。焦作矿业学院的崔漠慎教授分析了高压水射流切割物料的原理。我国中国矿业学 院的尤明庆对磨料射流混合机理进行过详细研究。郭楚文提出过前混合式磨料射流加速 机理的理论分析。南京水泥工业设计研究院的徐建对磨料射流切割脆性材料机理的理论 进行过分析。北京科技大学的方帽和美国肯得基大学的r k o v a c e v i 。提出了磨料射流切 削参数选择的模糊方法等。杨永印、沈忠厚等人研究旋转磨料水射流破岩钻孔技术，改 进径向水平井技术中旋转射流在硬地层和深井中破岩能力的不足，利用磨料水射流破岩 能力强的优势，对旋转磨料水射流进形试验研究。1 9 9 5 年中国石油大学( 华东) 高压水射 流研究中心与胜利油田孤岛采油厂合作，用前混合式磨料射流1 2 m p a 条件下，可以将 油管涂层完全清除。中国石油大学( 华东) 高压水射流研究中心在磨料射流切割方面做了 大量的工作，在国内处于领先地位，但是磨料射流清洗方面的研究不多。对前混合式磨 料射流，我国北京科技大学，中国矿业学院，焦作矿业学院，淮南矿业学院等研究单位 作了不少的工作，使其得到了较快的发展所有这些学者的理论研究使磨料射流理论逐 步成熟起来了。 磨料射流在应用方面，自从其开始被人们认识以来到现在，己取得了丰硕的成果。 磨料射流已经应用到几乎整个工业系统和农业系统的各个方面，包括清洗、切割、除锈、 钻、采、掘、加工等。因而可以这样说，由于磨料的加入，使得高压水射流技术得到了 迅速的发展，使其达到了一个崭新的阶段，成为现代化建设中非常重要的- f - j 高新技术， 并且可以预料它将在国民经济的发展中起到无可估量的作用。 1 2 2 水射流清洗现状 世界清洗技术发展迅速，新的清洗方法清洗技术不断出现。特别值得注意的是：从 世界清洗技术专利统计来看，化学清洗只占1 4 ，而大部分是物理清洗方法。另外，由 于世界各国对环境保护日益重视也使化学清洗的发展受到限制。例如，美国已不使用酸 性清洗剂，在美国石油化工企业的换热设备清洗中，除了1 0 不需要清洗外，采用高压 水射流清洗的占8 0 ，而采用化学清洗的只占5 。近几年，国内有许多单位还在使用 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 以酸剂为主的化学清洗。化学清洗每年排放大量的酸、盐等化学物质，严重污染周边环 境，而且使地下水的硬度增加。此外，化学清洗只能适用于有限的清洗对象。通过多年 的研究与实践，越来越多的用户开始寻找和转向物理清洗方法。可以说，物理清洗技术 是世界清洗技术发展的方向。 所谓水射流清洗【l ，就是用水射流冲击作用使一种或多种材料( 附着层) 从另外一种 物体( 基体) 表面上脱离下来。如常见的洗清、去垢、除锈、打毛刺等都属于清洗的范畴。 高压水射流清洗根据不同的清洗对象和要求，采用适合的射流形式和执行机构，利用射 流很高的冲击动能，连续不断地作用对被清洗基体进行打击、冲蚀、剥离、切除、疏通 以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 要用于水垢、尘垢、锈层、油垢、烃类残渣、各种涂层、混凝土、结焦、树脂层、颜料、 橡胶、石膏、塑料、微生物污泥、高分子聚合垢等的清除。其效果较之传统的人工清洗、 机械清洗、化学清洗方法具有效率高、无污染、综合费用低、节能、不腐蚀损伤基体、 易于实现机械化、自动化和智能控制等诸多优点，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。水射流清洗自六十多年前开始出现， 最初采用的是低压大流量的水射流清洗，它通常使用的工作参数：压力是7 0 m p a 左右、 水流量是2 0 l m i n 。由于它的压力比较低，通常为冷水，对于坚硬的水垢及油污、油垢 的清洗无能为力，所以这种清洗方法有很大的局限性。随着机械制造水平的提高，从二 十世纪七十年代高压水射流清洗技术迅速发展起来。1 9 7 2 年在英国召开了第一届国际水 射流会议，以后每两年一届。在会上，高压水射流技术的研讨占了很大的比重。国际上， 如美国、德国等发达国家，在高压水射流技术和应用上都已达到了很高的水平，美国 n l b 公司生产的超高压清洗机的压力已经达到了2 5 0 m p a 。 七十年代，我国成功地制造了高压水射流清洗机，到八十年代中期已从国外成系列 引进了高压水射流的技术，广泛应用于各行业的清洗作业。清洗范围从灰尘到坚硬的水 垢，从地面的清洗到锅炉、热交换器管道内部的清洗，可以说涵盖了各行各业。 市场销售资料表明，二十世纪八十年代，我国小型清洗机市场是一个缓慢发展的 时期。进入九十年代以后，处于线性增长阶段，按目前情况分析，这一增长时期会延续 很长一段时间。根据1 9 9 5 年的资料，美国水射流行业每年的营业额已达十亿美元，并 迅速发展成为拥有众多大公司的尖端工业，不仅制造厂使用高压水射流清洗，而且大规 模的工业清洗承包业也已发展起来。随着新设备的完善及应用推广，水射流清洗将不断 取得新进展。 5 第一章绪论 1 3 本文的研究目标及研究内容 1 3 1 研究目标 通过理论计算分析，设计出用于清洗的前混合式磨料射流喷嘴，通过试验评价喷嘴 结构、射流参数等因素对清洗效果的影响。优化出能在较低压力下具有较好的清洗效果 的前混合式磨料射流用喷嘴，并建立前混合式磨料射流清洗系统参数匹配方法，编制系 统参数匹配软件。 1 3 2 研究内容 本论文研究内容包括以下几部分： ( 1 ) 调研前混合式磨料射流基本理论。 ( 2 ) 前混合式磨料射流清洗喷嘴设计及评价。 通过理论研究的方法，分析前混合式磨料射流清洗喷嘴的设计方法和原则，针对表 面清洗以提高清洗面积为目标，设计射流喷嘴，对射流扩散性进行评价。 ( 3 ) f i 仃混合式磨料射流清洗试验研究。 对设计的喷嘴进行清洗试验，研究工艺参数即靶距、喷射倾角、射流压力等参数对 清洗效果的影响。 ( 4 ) 建立前混合是磨料射流清洗系参数匹配原则和匹配关系，编制清洗系统参数匹配 软件。 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第二章前混合式磨料射流理论 本章主要是介绍前混合式磨料射和流旋转射流的一些基本理论、射流清洗的机理及 影响因素，为下一步试验研究提供理论基础。 2 1 前混合式磨料射流理论 磨料射流有两种类型：一是磨料水射流( a b r a s i v ew a t e rj e t ，缩写为a w j ) ，二是磨料 浆体射流( a b r a s i v es u p e n s i o nj e t ，缩写为a s j ) 。磨料水射流( a w j ) 是磨料与高压水相互混 合而形成的固液两相介质流，这种两相介质流仍属于牛顿流体。而磨料浆体射流( a s j ) 是预先将磨料和各种添加剂与水配成为浆体，利用高压泵增压，通过喷嘴形成磨料浆体 射流，这种射流属非牛顿流体。磨料水射流( a w j ) 根据混合方式不同，可分为后混合式 磨料水射流和前混合式磨料水射流。 磨料浆体射流是预先将磨料、各种添加剂和水调配成浆体，利用高压泵增压，通过 喷嘴形成磨料浆体射流，这种射流属于非牛顿流体，具有比牛顿流体射流更好的动力特 性，但磨料对高压泵等机械设备的磨损非常严重，目前这一问题还没找到较好的解决方 案。磨料水射流是磨料与高速流动的水互相混合而形成的液固两相介质射流，这种两相 介质射流属于牛顿流体。它根据磨料和水的混合方式分为前混合磨料水射流和后混合磨 料水射流。磨料先和水高压管路中均匀混合成磨料浆水，然后经磨料喷嘴喷射形成的射 流称为前混合磨料射流，这种混合效果好，所需的压力低但装置复杂，且喷嘴磨损严重。 在水射流形成后加入磨料的称为后混合磨料水射流，混合效果稍差，所需的压力高，但 喷嘴磨损小一些。后混合磨料水射流的理论研究和应用技术都比较成熟，目前在工业许 多部门得到了广泛的应用。根据射流工作时的环境条件，可分为淹没式磨料水射流和非 淹没式磨料水射流。淹没式水射流是指射流从出口到工件是在水或它液体中，具有射流 扩散快速度和动压分布均匀等特点。非淹没式水射流指射流从出口到工件是在空气自然 状态下，与淹没式相比，其射程大，等速核长度长，但是基本段速度分布不均匀。 2 1 1 后混合式磨料射流 后混合式磨料射流【i2 1 ，如图2 1 ，是指依靠高速水射流的引射来供给磨料进行作业。 后混合式是早期出现的一种磨料射流。初期实现方式较为方便，仅依靠自然力的抽吸作 用，无需额外的设备，故在某种程度上，有利于降低投资。与前混合相比，管壁( 指混 合段) 磨损较小，且物件切割时的切缝较窄。但经研究发现由于磨粒附于水射流的边界， 未能进入其中心而引起水与磨粒动量交换较小，磨料加速有限，从而限制了其进一步的 7 第二章前混合式磨料射流理论 发展应用。因此，许多研究者通过探索改变喷嘴的结构来突破这一限制。其间，美国流 体公司，曾设计了会聚式引射磨料喷嘴，日本仙台大学设计了切向供料式磨料喷嘴，中 国淮南矿业学院设计了旋转引射式磨料喷嘴，均取得了一定的效果。在以后的研究中， 淮南工业学院王永铨硕士研究了混合腔内的真空度与射流打击效果的关系，为进一步的 后混合磨料射流喷嘴的设计提供了依据。后混合磨料射流中的另一个问题是回水问题。 回水易造成输料管的浸润产生磨料堵塞和输料不均匀，黄汪平等研究者提出积极的办法 是通过引流，即遇断点时停止磨料供给并将剩余磨料抽吸干净。目前，以上问题已基本 解决，后混合切割已定型。同时，后混合磨料的射流的压力也达到了。 l 2 图2 - 1 后混合磨料射流发生示意图 f i g 2 1 s k e t c ho fp o s t - m i x e da b r a s i v ew a t e rj e ts y s t e m 1 水箱2 过滤器3 高压泵4 阀5 磨料罐6 调节阀7 喷嘴 2 1 2 前混合式磨料射流 由于后混合磨料射流中磨粒加速度较小，必须依靠高速水来提高磨料速度。因此， 研究者们试图通过改变射流的形式来解决上述问题。前混合式磨料射流应运而生，如图 2 2 所示，它是指事先在磨料罐中将磨料与液体相混合，再通过管路中加速将磨料浆液 送至喷嘴进行作业。最先开展这方面研究的是英国流体协会和中国淮南矿业学院。前混 合磨料射流作为磨料射流的热点问题，国内外研究者进行了广泛研究。经研究发现，与 后混合磨料射流相比，它具有射流压力较低，能量消耗少，磨料获得的动能大等优点。 但这种系统还存在一些问题有待进一步研究解决：磨料的连续供应问题；喷嘴的磨损问 题；浆料混合装置均匀通畅地供应问题；切割的智能化问题等【i 3 1 。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 2 前混合磨料射流发生示意图 f i g 2 2 s k e t c ho fp r e m i x e da b r a s i v ew a t ej e ts y s t e m 1 水箱2 过滤器3 高压泵4 阀5 磨料罐6 调节阀7 喷嘴 2 2 旋转射流理论 所谓的旋转射流是指在射流喷嘴不旋转的条件下产生的具有三维速度，具有明显的 切向速度，扩散性很强的射流。 2 2 1 旋转射流的产生和旋流数 旋转射流的初始速度分布是决定旋转射流发展的根本。不同的旋流引入方式，产生 不同的初始速度分布。如仅考虑切向速度的分布，理论上可有两种截然不同的旋流产生： 一是类固旋转或叫强制旋转；二是自由涡旋或叫势流旋转。类固旋转中，切向速度随半 径呈正比增加，轴心处为零。自由涡旋中，切向速度随半径增加反比例减小。然而，在 粘性流体的动力学流动范畴内，旋转流动大都不同程度地表现为上述两个极端的综合或 共存，为r a n k i n e 复合涡流形式，即类固旋转位于内部，自由旋转在其外部。尽管初始 切向速度分布的不同决定着射流不同的发展形态，但在射流达到基本段后，流动都会表 现出明显的自相似性。 射流旋转的强弱程度可用无量纲特征参数s 表示，称着旋流数1 4 15 】： s ：旦 ( 2 1 ) g z 月 s ：竖 ( 2 2 ) u 嘲 其中：g m 为射流的角动量矩通量： g = 2 ，r p f f 2 丽协( 2 - 3 ) g z 为射流的轴向动量通量： 9 第二章前混合式磨料射流理论 g z ：2 矽c o 万2 一冬办( 2 - 4 ) 式中u 和分别为流体微团的轴向和切向时均速度；r 代表考查点对应的射流半 径；u 。躯和形。为射流断面上的最大切向时均速度和最大轴向时均速度。 在射流扩散运动中，随半径增加和切向速度的降低旋流数逐渐减小。射流的旋流强 度也可用出射点的初始旋流数表示，这时r 为喷嘴出口半径。一般认为s 0 6 时为强 旋，s 0 6 时为弱旋，s 0 2 时可以不考虑旋流的影响【1 6 】。 射流断面上的速度分布不同，按照( 2 1 ) 和( 2 2 ) 都有可能得到相同的旋流数，可见旋 流数不能完整表达旋流的所有信息。 2 2 2 旋转射流的速度场和压力场 湍流射流中，旋流的影响主要取决于旋流数的大小和初始速度分布，影响结果表现 在射流速度场和压力场的同时变化1 引。 当射流中逐渐引入旋流时，小旋流强度下的轴向速度剖面与非旋射流相比无明显变 化，射流仅有扩散率和卷吸能力的增加。进一步增加旋流强度将导致螺旋流的产生，轴 向最大速度偏离射流中心，螺旋流具有稳定性【1 9 。2 1 】。只有当旋转强度达到某一程度时， 射流在离心力诱导下，流动形态才发生突然变化，螺旋流下游产生轴对称空泡等。宏观 上表现为横向扩散加剧，并伴随着轴向速度的降低和循环流的出现，该现象称为旋涡破 裂。 旋涡破裂可表现出不同的流动形态，如封闭或开放空泡型、锥形等。旋涡破裂以及 之后的流动形态等控制机理目前知道得很少。对于由单孔喷嘴产生的旋转射流，喷嘴出 口附近旋流数最大，同时切向速度急剧衰减，常常是产生漩涡破裂的位置。但随喷距增 加，切向速度及旋流数迅速降低，轴向速度分布趋同于非旋射流。某一喷距之后，轴向 速度逐渐呈现为高斯型分布，流动表现出自相似性。 旋转射流的径向流动相当复杂。特有的负径向流动是旋流在横断面上产生压力梯度 的直接结果，并且与旋流数沿喷距衰减的快慢有关。在强旋射流区，这种向内的流动可 能沿整个半径出现。动量向轴心的这种不断输运是导致下游射流中心低速核逐渐消失的 原因。当轴向速度在轴心出现最大值后，径向速度分布近似等同于非旋射流中的分布。 旋转射流中的压力场变化与旋流离心力有关。静压力场通过运动方程与切向速度相 关联，在强旋流动中起平衡主导作用。横断面上，射流中心低压程度强，沿半径出现正 的压力梯度。沿轴向，剪切和掺混促使旋流迅速衰减，射流中心低压程度也逐渐减弱， 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 轴向压力梯度也为正，并随喷距增加逐渐减小【2 2 】。 2 3 前混合式磨料射流清洗的影响因素 影响磨料射流清洗能力和效率的因素很多。大致可以分为磨料参数、水力参数、射 流工作参数、被切割材料参数等几个方面。其中磨料参数包括磨料的种类( 形状、密度、 硬度) 、粒径、磨料流量( 磨料浓度) 、磨料供料方式等。工作参数包括喷距、横移速度、 切割次数、射流喷射角度等。水力参数包括喷嘴直径、泵压、排量等。 2 3 1 磨料因素| 2 3 ，2 4 】 ( 1 ) 磨料的种类 磨料的种类很多，任何一种较细的微颗粒都可以作为磨料来使用，一般可分为普通 磨料和超硬磨料：按磨料的来源又可分为天然磨料和人造磨料；还可按化学成分分为氧 化物系，碳化物系和氮化物系磨料等。 影响射流清洗效果的磨料特性主要有硬度和强度，韧性和塑性等，硬度是指磨料抵 抗弹塑性变形的能力；而强度是指磨粒抵抗破坏的能力。正是由于磨粒具有这种不同于 水的抗变性抗破坏的能力，才使得磨料水射流的清洗能力较纯水射流有了很大提高。常 用的硬度指标有显微硬度和莫氏硬度。韧性是指磨粒受力时的抗破碎性；塑性是指磨粒 因受力而产生塑性变形的特性。 ( 2 ) 磨料的形状 磨料的形状是很不规则的。一般按磨粒的长宽高之间的比例关系，把磨料分为等积 状，片状和剑状等三种形状。较好的为有棱边棱角可形成锋利的切削刃的磨粒，清洗效 果较好。 ( 3 ) 磨粒的粒度 磨粒粒度所表示的磨料几何尺寸，是沿磨粒长轴的垂直方向测定的，用粒度号表示。 我国的磨料粒度标准，根据国际上通用的表达形式，大于6 3 9 m 的磨料用网目( 即基本磨 粒群能通过的每英寸长度上筛网的网格数) 表示，小于6 3 9 m 的微粉磨粒，直接用其几何 尺寸表示。对于某一粒度号的磨料，其实际尺寸基本上处在名义所规定的粒度尺寸和比 其细一号的粒度尺寸之间。 一般来说，小粒度范围内磨料粒度增加，清洗效果明显，但增大到一定的值以后， 效果平缓甚至开始衰减。对于不同的清洗对象，所选用的磨粒也不同，小粒度的磨料， 粒数多，效率高；大粒度的磨料，但每个磨料粒子的动能大，冲击能力强。 第二章前混合式磨料射流理论 ( 4 ) 磨料流量 磨料流量增大，清洗效果增加。由动量守恒可知，在压力，水流量一定的条件下， 磨料粒子的速度将随磨料流量的增加而减小。这样，随着磨料流量的增加，一方面磨料 粒子数量增多，清洗机会增加，提高了清洗能力：另一方面速度降低，单个磨料粒子的 清洗能力下降，进而影响磨料射流总的清洗能力，这种影响要看哪个因素起主导作用而 定。试验条件下磨料流量较低，第一因素起主导作用，清洗效果呈直线上升变化；如果 继续增加磨料则清洗效果到最佳后将呈下降趋势。 2 3 2 水力因素 一般通过相对独立的两个基本因素来反映水力因素，即压力和喷咀直径。 ( 1 ) 射流压力f 2 5 】 磨料射流压力升高，单位能耗加大，清洗能力增加，当压力超过某一i 临界值后，效 果趋于稳定，但对基体具有破坏作用。 ( 2 ) 喷嘴直径 喷嘴直径增大，单位能耗增大。一般而言，当压力和磨料流量定时，大直径的喷 嘴可使清洗效果明显增加，通常根据机泵条件设计喷咀直径。 2 3 3 工况因素 ( 1 ) 移动速度 移动速度加大，单位能耗出现最小值，在移动速度较低时，单位能耗随移动速度的 增加而减小。 ( 2 ) 靶距 随靶距的增加，清洗面积增加但清洗效果可能变差，当靶距为某一值时，清洗效果 清洗面积最好。 ( 3 ) 喷射角度 冲击角定义为射流喷射方向与横移速度方向的夹角。根据前人研究知磨料射流的最 佳喷射角度并不是在9 0 0 。 2 4 磨料射流的破碎机理 磨料颗粒的冲蚀机理主要包括上述切削，疲劳，脆裂和融化四个方面。一般为四种 机理共同作用。具体那种起主要作用，取决于冲击角度、颗粒动能、颗粒形状、靶物性 能，环境条件等。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 5 用于表面清洗的磨料射流喷嘴结构分析 磨料射流喷头可以由喷嘴等多个零件组成，喷嘴是形成射流工况的直接元件，是射 流系统中把高压能转变为动能的一种装置，通过喷嘴能将管路中高压而流速小的工作介 质转化成流速高的射流，因此喷头是射流技术中获得高能量利用率的关键因素之一。 2 5 1 喷嘴的结构形式 喷嘴结构形式，按截面分有锥形喷嘴、扇形喷嘴、异形喷嘴等2 6 2 7 1 。 ( 1 ) 锥形喷嘴 此类喷嘴是在圆锥收敛型喷嘴的基础上发展起来的，是目前最常用的一种连续水射 流喷嘴。图3 3 中所示为几种常见的圆柱形喷嘴，该类喷嘴可以通过调整锥角和出口段 长度来实现不同的集束性。多用于切割和清洗，但清洗面积一般不大。 b 】 c )d )e ) 图2 - 3 几种常见的圆柱形喷嘴 f i g 2 3 s e v e r a lc o m m o nc y l i n d r i c a ln o z z l e a ) 典型结构喷嘴b ) 分段式喷嘴c ) 孔板式喷嘴d ) 内螺纹直联喷嘴e ) 外螺纺纹直联喷嘴 ( 2 ) 扇形喷嘴 扇型射流喷嘴直接由喷嘴形状产生平坦均匀的扁平扇形射流，其射流致密性好，扇 形扩散角也可在较大范围内变化，其工业应用依据流量、流速、射流压力及覆盖面的不 同而不同。扇形喷嘴的清洗面积比锥形喷嘴大得多，成功应用于混凝土打毛作业中。由 于射流的极度扩散，射流的能量以及打击压力损失很大，因此在实际使用中常常需要较 高的压力。 1 3 o 神o 第二章前混合式磨料射流理论 a ) 一曰 1 i f黜 b )c ) 图2 - 4 几种典型的扇形喷嘴 f i g 2 - 4 s e v e r a lt y p i c a lf a n - s h a p e dn o z z l e a ) 外螺纺纹直联型b ) 普通型c ) 组合型 ( 3 ) 异形喷嘴 为了改变水射流的冲击特性，各种型式的异形喷嘴也开始由试验室走向商品化。图 2 - 5 所示为美国a q u t - d y n e 公司的异形喷嘴，其中2 、4 、5 号喷嘴可以产生横扫面积 大的射流。 图2 - 5 异形高压喷嘴 f i g 2 5s p e c i a lh i g h - p r e s s u r en o z z l e 2 5 2 喷嘴主要结构参数的选择 喷嘴的几何参数主要有喷嘴的收缩角，入口和出e l 的过渡形状( 尖角、圆角、特征 曲线) ，入口、出口直径，过渡段圆柱段长度和直径的比值1 d 。以下是喷嘴的主要结构 参数： ( 1 ) 喷嘴内径d 高压磨料水射流喷嘴内孔直径是喷嘴设计首先选定的重要水力参数之一，也是确定 其它参数的依据。对任一种喷嘴，最重要的先要确定其喷嘴尺寸的大小，喷嘴截面积可 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 根据下式计算： 彳：皂( 2 - 5 ) i t x 2 9 h 式中：a 射流元件喷嘴截面积，m 2 ； q 一喷嘴流量，m 3 h ： 流量系数； e 一重力加速度，m l s 2 ； h 喷嘴工作压力，m p a 。 一般情况下，喷嘴内径的大小主要是考虑水耗的大小和喷嘴是否有堵塞的危险。内 径越大，则水耗加大，但是磨料不容易阻塞喷嘴：反之，内径小，水耗减少，但是磨料 很容易堵塞喷嘴。同一喷嘴随着压力的逐渐增大，输出功率呈逐渐增大的趋势，而且变 化非常显著；不同的喷嘴随喷嘴直径的增加，在同样的压力情况下，喷嘴输出功率也是 呈逐渐增大的趋势。因此，设计喷嘴直径时，主要考虑工作压力和流量，兼顾磨料对流 道的堵塞。 ( 2 ) 喷嘴的长径比 喷嘴的长径比是影响射流动力特性的重要因素，它直接影响喷嘴的流动阻力、流量 系数等。它的大小决定了喷嘴是细长型还是薄壁型。根据流体力学原理，细长型喷嘴具 有较高的流量系数，因此具有较高的压力能一射流喷射速度能转换效率。对于锥形喷嘴 通常l d 在2 4 范围内。 ( 3 ) 喷嘴的收缩角和扩散角 喷嘴的收缩角，即入口角，决定着喷嘴流动阻力的主要因素。入口角较大的喷嘴其 入口流动阻力较小。喷嘴出口的扩散情况对射流的发展将有一定的影响。如果出口扩散 角过小，在喷嘴近出口处会有一定的附壁现象，对射流有一定程度的扰动，因而射流的 不稳定性增强，射流的破裂和卷吸都比较明显，使射流的连续长度减少，减弱了射流的 整体性能。对于锥形喷嘴，收缩角通常为8 。1 8 。对于旋转射流而言，因收缩角对扩 散性有明显的影响，通常在4 0 。6 0 。范围内。 ( 4 ) 过渡段的长度 收缩段和扩散段之间必定要有一段直线的过渡段，射流由收缩段进入喷嘴后会以高 度紊流状态的形式射出，水平的直线段可以使射流相对稳定下来，以相对小