（油气井工程专业论文）磨料射流切割水下井口的实验研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d yo nr e m o v i n gs u b s e aw e l l h e a d u s i n ga b r a s i v ew a t e rj e tc u t t i n gt e c h n i q u e l ih u a z h o u ( 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 w a n gr u i h e a b s t r a c t t h ec u t t i n go fs u b s e aa b a n d o n e dw e l l h e a di st h em o s ti m p o r t a n ta n de x p e n s i v ej o b d u r i n gt h er e m o v a lo p e r a t i o no fo f f s h o r eo i lp l a t f o r m a b r a s i v ew a t e rj e tc u t t i n gt e c h n i q u e i ss a f ea n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ya p p r o a c hf o rc u t t i n go fo i lw e l l h e a dw i t hm u l t i l a y e r c a s i n g h o w e v e r ，d u r i n gt h ep r o c e s so fc u t t i n gs u b s e aw e l l h e a dw i t ha b r a s i v ew a t e rj e t t e c h n i q u e ，t h eg r a d u a li n c r e a s eo f j e ts t a n d o f fd i s t a n c el o w e r st h ec u t t i n ge f f i c i e n c y a i m i n g t o i m p r o v et h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo fc u t t i n gt o o l ，t h er e l e v a n tt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e sa r ec a r r i e do u t e x p e r i m e n t sa r ef i r s t l yc a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c to fv a r i o u sp a r a m e t e r so nt h e c u t t i n ge f f i c i e n c y e x p e r i m e n t a ls t u d ys h o w st h a tt h ed e p t ho fc u t t i n go fc a s i n gi n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo fp u m pp r e s s u r e ，n o z z l ed i a m e t e r , n u m b e ro fn o z z l e sa n dd u r a t i o no f c u t t i n g ，w h i l ed e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs t a n d o f fd i s t a n c e t h ee f f i c i e n c yo fc u t t i n go f c a s i n gi n i t i a l l yi n c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s eo fr o t a t i o ns p e e do fc u t t i n gt o o la n dt h e n d e c r e a s e sa f t e rt h er o t a t i o ns p e e dr e a c h e st h eo p t i m a lv a l u eo f7 8 9 5 r m i n t h es a m er u l ei s f o u n do nt h ee f f e c to fc o n c e n t r a t i o no fa b r a s i v eo nc u t t i n ge f f i c i e n c yw i t ht h eo p t i m a l c o n c e n t r a t i o no f2 6 10 t h em a x i m u mc u t t i n ge f f i c i e n c yi so b t a i n e dw h e nu s i n gt h e a b r a s i v eo fi r o ns a n d ，w h i c hi sf o l l o w e db ys i l i c o nc a r b i d e ，g a r n e ta n dq u a r t zs a n di nt u m s i n c em a n yp a r a m e t e r si nc o n v e n t i o n a lm o d e l sf o rc a l c u l a t i n gd e p t ho fc u t t i n go f c a s i n ga r ed i f f i c u l tt ob ed e t e r m i n e d ，t h eu n i v e r s a l i t yo ft h e s em o d e l si sc o m p r o m i s e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a ，an e wm o d e lf o rp r e d i c t i n gd e p t ho fc u t t i n gi s d e v e l o p e dw i t ht h ec o m b i n a t i o no fs u p p o r tv e c t o rm a c h i n et e c h n i q u ea n dp a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ( p s o s v m ) n u m e r i c a le x p e r i m e n t i n d i c a t e st h a tp s o - s v m m o d e lc a np r e d i c t sc u t t i n gd e p t ho fc a s i n gu n d e rc e r t a i nw o r kc o n d i t i o n sw i t hs a t i s f y i n g a c c u r a c yo fa v e r a g ep e r c e n t a g ee r r o r3 2 0 s u p p o r tv e c t o rm a c h i n ei sp r o v e nt ob ea n o v e la p p r o a c ht om o d e lt h ec u t t i n gd e p t ho fa b r a s i v ew a t e r j e t i no r d e rt or e d u c et h es t a n d o f fd i s t a n c ei nt h ep r o c e s so fc u t t i n go fs u b s e aw e l l h e a d ，a b r a n d n e wc u t t i n gt o o lw i t hf l e x i b l en o z z l e sa r ep r o p o s e da n dd e s i g n e d t h ei n d o o r e x p e r i m e n to ff l e x i b l en o z z l e ss h o w st h a tt h ef l e x i b l en o z z l ec a r le x t e n do u t ，w o r ks t a b l y w h e np r e s s u r ek e e p sc o n s t a n ta n db er e t r i e v e ds u c c e s s f u l l y t h e r e f o r e ，t h ed e s i g np r o p o s a l o ft h ef l e x i b l en o z z l ei sf e a s i b l ea n di sa l s oa ni m p o r t a n ti n n o v a t i o no fc o n v e n t i o n a lj e t n o z z l e t h ec o m p a r i s o no fc u t t i n ge f f i c i e n c yb e t w e e nn e wc u t t i n gt o o la n dn o r m a lc u t t i n g t o o li sm a d e ，w h i c hs h o w st h a tt h en e w l yd e s i g n e dc u t t i n gt o o lc a ng r e a t l yi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fc u t t i n go fm u l t i l a y e rw e l l h e a d k e yw o r d s ：a b r a s i v ew a t e rj e t ，m u l t i l a y e rc a s i n g ，c u t t i n g ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ， f l e x i b l en o z z l e 关于学位论文的独创性声明 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，本论文不包含其他入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： 吼刁年、月比同 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f - j ( 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：熟! 蜀 指导教师签名：弛匀2 2 吼叩年小新 嗍唧年卜月髫同 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 选题依据及研究意义 第一章绪论 近五十年来，世界海洋石油工业得到了飞速发展，发现和开发了许多海上油气田， 建成了上万座海洋石油平台。随着油藏开发时间的增长，很多油田都进入了衰竭期， 这些海洋平台也将逐渐进入到退役阶段。如在墨西哥湾地区，自1 9 6 7 年以来，海洋平 台的退役和拆除活动就很频繁。过去的十几年中，每年都会拆除1 0 0 多座海洋石油平 台，比新建的平台数量都要多，每年的拆除费用也达到数十亿美元( 1 】。 据统计，目前我国海域已经有1 0 0 多座石油设施，每年也都有一些海洋平台进入 退役阶段，废弃处置费用将达数1o 亿元。这种需求要求我们要尽早进行与海洋平台退 役、拆除相关的技术研究和储备，有助于今后降低拆除的难度，进而降低拆除费用。 目前国外已经进行了10 0 0 余座石油设施的废弃处置，形成了一套成熟的做法，并开 发出了配套的专用设备和工具。国内在这方面起步较晚，仅在渤海拆除过小型简易平 台及勘探井的废弃设施，缺乏在深水拆除大型复杂平台作业上的经验，尚未形成一套 成熟的做法( 2 】【3 】。 海洋平台退役工程的基本目标是安全地废弃油并并移除大部分( 如果不能全部的 话) 水上和水下生产设施，这个过程常常需要切割作业，例如桩基，管线，立管，控 制管线，管汇，导管架，链条，导向杆，甲板上的设备和模块。打入海底的多层套管 ( 废弃井口) 、桩腿、裙桩及它们的残根更需要采用切割方法，并且要求至少在位于 泥线以下一定深度( 4 5 m ) 进行切割，然后将割下的部分拽出并运走。其中平台废弃 井口的切除是整个平台拆除过程中最重要和最昂贵的。并且随着人们环保意识、安全 意识以及成本意识的提高，废弃井口的拆除作业要达到高效、优质、安全、环保等各 项要求。 进行水下切割废弃井口时，水下压力的变化、水下高压影响以及水下工作环境的 不同，使得传统的切割方法在水下工况应用时变得越来越困难以至于不能适应实际需 求了，因此，研究水下切割机理、寻找新型的水下成型加工工具是许多研究人员目前 所面临的重要课题。磨料射流技术自2 0 世纪8 0 年代以来，得到了飞速发展，尤其是 在切割方面的应用也越来越广 4 】。磨料射流用于海洋废弃井口多层套管的切割具有得 第一章绪论 天独厚的优势，对海洋环境和海洋生物基本投有影响作业时无需人员下水操作，相 对比较安全。本课题就是在这样的背景下开展研究的，目前中国石油大学( 华东) 水 射流研究中心已经对磨料射流切割水下井口技术开展了研究，研制出了水下磨料射流 切割工具，并进行了初步的室内试验和现场试验取得了良好的效果。但也存在一些 问题，最主要的是切割效率较低，因此如何进一步提高磨料水射流的切割效率，设计 出更加高效的切割工具就成为本研究的主要任务。 12 国内外研究现状 1 2 1 传统的水下废弃井口切割技术 在平台切割作业中，海洋废弃井口的切割是最关键，也是最昂贵的。油井套管是 油气开采的流通通道，连接着油藏和井口。套管的物理特性决定了切割作业的可行性， 因此有必要了解套管的尺寸、层数等特征。多层套管是由不同直径、不同壁厚的单层 套管组合而成的，有多层同心和多层偏心套管之分，分别如图1 - 1 和图1 - 2 所示。在 各层套管之间的环空内会有水泥充填或者没有，有水泥充填的环空套管比中空豹环空 套管更易于切割，这是因为套管间的空隙会耗散磨料射流或聚能爆破等的部分能量。 磨料射流的切割方式有内切割和外切割，由于内切割不需要潜水员下水作业，作业者 通常会优先选择内切割方式四。 图1 - 1 多层同心套管 f i 9 1 1m u l t l l a y c rc o n c e n t r i cc a s i n g s 图1 - 2 多层偏心套管 f i g 1 - 2m u l t i - l a y e re c c e n t r i cc a s l n g s 水下切割技术大体上可分为热切割和冷切割两大类。氧化切割、熔化切割和熔化 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 一氧化碳切割等属于热切割，爆破式切割和机械切割等非爆破式切割属于冷切割，这 些技术在实际应用中还存在许多技术问题1 4 】，如安全性、切e l 质量和对海洋生态环境 的影响等。从保护环境及人身安全的角度考虑，目前的切割作业趋势倾向于非爆破式 切割方法。为了满足海洋建设事业的需要，人们正在探索安全、高效和实用的水下切 割方法。 目前国际上流行的非爆破切割方法有机械切割( m e c h a n i c a lm e t h o d s ) ，钻粒缆切 割( d i a m o n dw i r em e t h o d s ) ，钻石锯切割( d i a m o n ds a w i n gm e t h o d ) ，潜水员气割法( d i v e r t o r c h ) 等。在过去的几十年当中，上述大部分非爆破切割技术都得到了巨大发展。但 机械切割方法和潜水员气割法当前的技术手段大体上和十年前差别不大。 ( 1 ) 机械切割法【5j 。如图1 3 所示，这种切割方式使用了碳化钨割刀，割刀连到 钢管上并可以实现液压控制。套管机械割刀是切割油井套管的最原始的方法。不工作 时，机械割刀的三个刀片贴在钻杆上，工作时钻机通过钻杆将其下入井内。给割刀施 加液压并使其旋转，这时刀片就会展开而切割套管。同时稳定器会保证工具与套管同 心。司钻通过观察钻井液的回压而确定切割是否完成。将工具起出后，可观察刀片的 磨损情况以验证切割效果。机械切割有许多不足之处。该技术对于单层管柱的切割效 益是比较明显的，而对于多层管柱不同心，且各层管柱间充有水泥环的情况，切割效 益很低，容易发生机械故障。在对多层未胶结套管切割时，套管管柱的水平移动会导 致下一根套管的不均匀切割。如果割完一根套管后就将其拉出，这就会增加设备的作 业时间。对于水泥胶结管柱来说，就需要起下钻以更换刀片，这也会增加总的切割时 间。如果重新下入刀具时套管出现偏心，这时可能最终不得不派遣潜水员完成最后的 切割。 图1 - 3 机械切割示意图 f i g 1 - 3 s c h e m a t i co fm e c h a n i c a lc u t t i n g 第一章绪论 ( 2 ) 钻粒缆切割法1 6 j 。钻粒缆切割系统利用内嵌有钻石颗粒的钢丝绳切割水线上 下的钢材、水泥及复合材料。类似于环形锯，钻粒缆安装在液压驱动的滑轮上，图1 4 为其切割原理。系统经过设置后可切割任何结构，只要能够固定到被切割件上，就不 受尺寸、材料和水深的限制。钻粒缆已被用于切割沉箱、导管和管线。可用液压钳将 钻粒缆切割工具固定到待切割结构上，或者手工绑上。然后用地面( 平台) 马达启动 工具。钻粒缆工作时转速很高，即使在很大的轴向压缩应力作用下，管件也能被钻粒 缆切断。工作这可在平台上观察切割进程以作出调整来提高切割效率。该技术要求在 锯口闭合之前能迅速的切割完成，否则就会卡住钻粒缆，从而导致切割工作的失败， 并且只适用于从外表面开始的切割。 图1 - 4 钻粒缆切割不总图 f i g 1 4 s c h e m a t i co fd i a m o n dl i n ec u t t i n g ( 3 ) 钻石锯切割法【7 1 。由于在切割时采用了夹具、导轨和附加固定设备进行位置 控制和支撑，钻石锯是一种精确可控制的切割方法。根据锯片的最大尺寸，切割深度 大约是6 0 0 r a m 。若在水下切割，由于周围水的冷却，切割深度可以达到1 0 0 0 m m 。由 于该技术需要采用夹具、导轨、以及其它的附加固定装置，所以进行水下切割难度大， 并且只能用来从管柱外表面切割，也不能深入到泥面以下工作。 ( 4 ) 水下潜水员气割法【5 】 7 1 。实际上，水下潜水员气割法和陆地上的作业大同小 异，只是使用的焊枪不同。如图1 5 所示。在水下电弧切割作业中，需要在焊枪外缘 利用氧气和压缩空气射流以使水与待切割金属隔离。焊枪头部的管子利用气体压力产 生气包。由于水比空气散热快，这会在工作区域内诱发产生高速热流。随着水深增加， 要求更高的气体压力以形成气包。浅水中，对于简单结构的切除有时可采用气割方法。 但在深水中，考虑到潜水员的承受能力，经常利用水下机器人代替潜水员实施气割作 业。潜水员气割的成本要比其它切割方法大的多，并且潜水员有安全风险( 尤其在深 中国石油，：学( 华东) 硕士学位论文 水中) ，这些缺陷都使其相比其它切割方法，缺少吸引力。 图1 - 5 潜水员气割不意图 f i g 1 5 s c h e m a t i co fd i v e r t o r c hc u t t i n g ( 5 ) 其它非爆破切割技术。除了上述4 种技术，在使用的切割技术还有液压剪切 割。图1 - 6 为液压剪切割的工作原理图。类似于一般的剪刀，液压剪的上下牙口可以 咬住被切割件进行切割。但与一般剪刀又有所不同，它的上牙口不动，液压杆驱动下 牙口与上牙口配合以夹住被切割物实施切割作业。目前，液压剪切割所能切割的管柱 直径有限。另外，激光切割是一项比较有前景的切割技术。其原理是将受激辐射所产 生的相干光束聚焦后照射到被切割物上，在很小的区域内产生高温使材料气化，从而 达到切割的目的。激光切割用于海上结构物拆除的技术可行性和经济有效性还需要进 一步论证，距离现实应用还有一段距离。 谬。磷拶 定位 切割 图1 - 6 液压剪切割示意图 f i g 1 - 6 s c h e m a t i co fh y d r a u l i cc u t t i n g 1 2 2 磨料射流切割水下废弃井口技术 磨料水射流技术的出现给予研究水下切割技术提供更为广泛的前景。磨料射流切 割的原理是将高硬度的磨料粒子( 石英砂、石榴石、碳化硅等) 混合到水射流当中， 利用高速磨料颗粒的硬度和动能冲蚀材料表面。磨料射流技术应用于材料制造和加工 行业已经有了很长的历史。造船业也很早就利用磨料射流进行清洗作业。国外已经研 制出磨料水射流水下切割废气井口的工具，并已用于切割海上废气井口及部分桩腿【8 】。 人们相继在淹没水射流、淹没空化射流切割、破岩和清洗等方面进行了大量的研 究，并在实验室条件下模拟水下高围压工况下进行了水射流冲蚀试验研究。最近有人 第章绪论 开始对前混合磨料射流在淹没条件下切割特性进行了研究，为了满足水下切割技术发 展的需要，对水下磨料射流的研究，特别是在实验室条件下模拟水下高围压工况下的 磨料射流切割，这对于水下切割，乃至未来的海洋开发工程，都具有重要的战略意义。 磨料射流切割可有两种切割方式，外部切割和内部切割。外部切割需由潜水员下 水操作和回收工具。内部切割喷头由井下马达带动旋转，旋转速度依赖于切割厚度。 对泥线以下结构进行切割时，应优先考虑使用内切割方式。切割多层套管时，各层环 空被水泥胶结的情况比未胶结的情况更易于切割。环空部分完全被水泥胶结时，射流 能量会被分散，从而降低了切割效率。据报道，切割完全胶结的多层套管需要1 5 2 小时。小直径桩腿( 4 2 i n ) 的切割时间是上述时间的一半左右。磨料射流在水下2 0 0 2 5 0 f t 的水域内所能切割的最小管柱内径为7 i n 6 1 。 磨料射流切割也存在许多问题。采用内部切割方式时，操作者可以监听水中声级 大小。声级发生改变就表明管柱完全被切穿，但现实中利用这种方法难以判断切割是 否完成。割缝较窄，再加上割缝内存在泥土、磨料，因此一般来说也无法从视觉上观 察切割的情况。现场一般是利用平台吊车或者液压起重机提住导管，提升力必须克服 导管重量和周围淤泥的摩擦力。如果提升力达到导管重量的两倍还不能提起时，则认 为切割失败。失败后，或者重新定位切割工具再次切割，或者利用爆破方法完成切割。 另外，磨料射流切割成本也较高，是爆破式切割的2 到5 倍，还可能有额外的起重驳 船租借费用。不足之处还有，如果中途发生机械故障或更换喷嘴时，准确找到切口继 续切割的难度较大。此外还要保持待切割管柱的表面清洁以获得理想的喷距并减小噪 声。尽管如此，由于磨料射流切割方法具有对海洋环境无害、作业安全的优点，近年 来得到了越来越广泛的应用。 1 2 3 磨料射流切割方法与其他切割方法的比较 海洋废弃井口的切割方法的选择要考虑到法规、成本、环境及安全、技术等各种 因素。法律方面，美国矿务管理局规定在领海以内海域进行全部拆除的平台，其残留 海底的桩腿等应当切割至海底表面1 5 英尺米以下，在领海以外残留的桩腿等设施，不 得妨碍其它海洋主导功能的使用。中国国家海洋局2 0 0 2 颁发的海洋石油平台弃置管 理暂行办法也做出了类似规定，但不同的是要求残留海底的桩腿等切割至海底表面 4 m 以下【2 1 。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 下面着重在环境和安全方面比较一下各种切割方法的优缺点。 ( 1 ) 环境。爆破方法用于还上结构物的拆除已经有了相当长的历史。美国在1 9 8 6 年以前尚没有相关法规来约束海上拆除作业中爆破方法的使用。1 9 8 6 年，美得克萨斯 州很多海龟搁浅，这才引起了相关部门的注意，相继出台了几项法规以约束爆破活动 以免对海洋生物造成伤害。中国也相继在1 9 9 9 年制定了中华人民共和国海洋环境保 护法，2 0 0 2 年颁布了海洋石油平台弃置管理暂行办法，虽然没有明文规定不需 使用炸药，但一些条款要求要以保护海洋环境和海洋生物为基本出发点进行海上拆除 活动。基于以上考虑，海上拆除作业应尽量避免爆破方法。 非爆破切割方法被认为是环境友好型的切割手段，它不会带来爆破切割时产生的 冲击波。机械切割、磨料射流切割、钻粒缆切割都会用到柴油机，工作时会产生振动， 排放二氧化碳等气体，还会在发出低频声波。但这些问题程度小，对海上环境没有很 大的影响。磨料射流会用到水、各种磨料颗粒，切割后会产生铁屑，所幸的是这些物 质都是惰性的，对海洋环境基本没有不良影响。另外射流产生的噪声对于潜水员和海 洋生物来说也是安全的。但也存在一个问题，这些沉淀在水底的物质重新悬浮时会对 水质造成影响，如增加水的混浊度，导致残留钻井液形成的泥饼、钻屑等的扩散，但 影响区域也仅限于切割现场所处的水域。若从外部切割泥线以下的桩腿，桩腿周围的 淤积物必须被清走。从内部切割时，就不存在这个问题了。 ( 2 ) 安全。各种切割方法都存在一定的危险性。进行机械式切割时，由于作业内 容与钻井类似( 如起下作业管柱) ，作业者面临的危险情况和钻井工作人员面对的情 况相近。采用钻粒缆切割法、钻石锯切割法、潜水员气割法时，都需要潜水员下水作 业，这对潜水员的人身安全造成了威胁，无疑增加了作业风险。磨料水射流切割要求 射流压力较高，一般在几十个兆帕左右，如果高压管线、接头、或者动力部件出现问 题或者工作人员操作不当，都可能造成人身伤害。但现场工作中，磨料射流作业区周 围一般有安全警戒线和警示牌，在警戒线以外，受到伤害的可行性很小。磨料射流切 割不需要潜水员下水工作，也不存在给切割工具施加钻压和大的扭矩，因此，相比其 他切割方法，磨料射流切割是比较安全的。 从以上分析可以看出，从环境和安全角度考虑，目前国际和国内最常用的水下废 弃井口切割技术应该是磨料水射流切割方法、钻粒缆切割法、机械切割法。表1 一】比 第一章绪论 较了这三种主流切割方法的优缺点【9 1 。从表中可以看出，综合考虑，磨料射流切割方 法是切割水下废弃井口的首选方案。 表1 - 1 三种主流切割技术的比较 t a b 1 1 c o m p a r i s o no ft h r e em a j o rc u t t i n gt e c h n o l o g y 切割方法初始投资适用范围工作环境效率安全性故障率成本 磨料射流高 钻粒缆高 单多层钢水中、泥 高好较低高 管、水泥面下 单多层钢水中、泥 较高好较高高 管、水泥面下 机械切割低钢水中高好低低 1 3 本文的主要研究内容 ( 1 ) 本文将首先开展磨料射流切割套管的实验研究，主要研究磨料射流水力参数、 工作参数和磨料参数分别对磨料射流切割水下井口套管深度的影响规律，为水下废弃 井口的磨料射流切割工具设计和现场作业参数优选提供理论依据。磨料射流水力参数 主要是泵压和喷嘴直径两个参数。工作参数主要包括喷嘴的个数、横移速度、靶距和 切割时间。其中本文中喷嘴的横移速度是由切割头的旋转速度决定的。磨料参数指的 是磨料种类、磨料的重量百分比浓度。 ( 2 ) 针对磨料射流切割深度的非线性建模问题，在磨料射流切割套管深度实验研 究的基础上，利用非线性回归估计的支持向量机方法，建立起磨料射流切割深度预测 模型，用以指导工具设计和切割施工。 ( 3 ) 以提高大尺寸、多层套管结构的磨料射流切割效率为目的，依据各种因素对 切割效率的影响实验研究结果，设计出新型高效切割头，以期能大幅提高磨料射流切 割多层套管的效率。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章前混合磨料射流的切割机理 2 1 前混合磨料射流系统 作为机械刀具的辅助切割或切割较软的材料，纯水射流很有应用前景，但要切割 金属、花岗岩之类硬及特硬材料时，所需压力一般要求在7 0 0 1 0 0 0 m p a 以上，要获得 和使用如此高的压力是很困难的【1 0 】，应对该问题，出现了磨料射流。磨料射流是磨料 与高速流动的水，或者与高压水互相混合而形成的液固两相介质射流。磨料射流中水 为载体，磨料微粒被高压水流加速，由于磨料微粒的质量比水大且具有锋利的棱角， 所以磨料射流对物料的冲击力和磨削力要比相同条件下的高压水射流大得多。另外， 磨料在水射流中是不连续的，由磨料组成的高速粒子柬对物料产生高频冲击作用，从 而大大地提高了射流的品质和工作效率。 磨料射流根据磨料的供给方式不同可分为后混合式磨料射流和前混合式磨料射 流。对于后混合式磨料射流，磨料以很低的初始速度进入混合腔，由于混合腔内围绕 高速水流体表面的微细波面运动速度快，表面张力大，其周围分散的水滴群之间碰撞 面形成一个密实的表面，磨料难以进入水射流的中心部分。磨料与高速的水射流互相 接触，发生的情况是随机的。有些磨料被水射流直接带走；有些磨料飞溅到混合腔的 壁面，再反弹回到水射流的表面，其中的一些磨料还可能被偶然的冲刷作用而重新返 回水射流中【1 0 】。总的来说，后混合式磨料水射流不能使磨料与高速流动的水进行充分 的紊动混合，明显地降低了水介质对磨料的能量传输效率，致使其所需要的泵压偏高， 有效切割钢材时的工作压力一般为2 0 0 m p a 以上【1 1 1 。为解决后混合式磨料射流的不足， 又提出了前混合式磨料射流。 前混合磨料水射流是把磨料先与水在磨料罐中混合，再加压送至喷嘴，采用这种 方式一方面使水和磨料混合得最均匀，磨料颗粒获得的能量也就最高，只需较小的压 力就能切割同样的物体，作业效果最好。在相同条件下，其切割能力比后混合式磨料 水射流高3 倍以上。 图2 1 是前混式磨料水射流混合原理图。它是将磨料箱设置在高压泵和喷嘴之间， 高压泵输送出的高压水经水阀，一部分输送至磨料箱的顶部和底部。磨料与水在磨料 箱内初步混合，使磨料在磨料箱内处于似液体流化状态。然后流态磨料经磨料阀进入 第二章前混合磨料射流的切割机理 混合腔与高压水均匀混合，再通过喷嘴加速使磨料获得更大的动能，从而使前混式磨 料水射流的能量传输效率显著提高。 图2 - 1 前混式磨料射流原理图如 1 一喷嘴；2 一混合室；3 一磨料阀；4 - - 磨料罐；5 一单向阀；6 - - 调节阀；7 一水阀：8 一高压泵 f i g 2 1 s c h e m a t i co fp r e m i x e da b r a s i v ew a t e rj e ts y s t e m 2 2 磨料射流磨料颗粒运动的分析 磨料射流两相流动的特点是磨料与水通常有不同的运动速度。在流动过程中，如 果水介质的瞬时速度为终( r ) ，面颗粒在同瞬时的速度为毪( f ) 。一般是( ) u a t ) ， 这个速度差嘶( f ) 一( f ) 称为滑移速度【1 0 】。在这个速度差的作用下磨粒将加速运动，有 “。( f ) 接近u t ( t ) 的趋势。两相介质速度互相逼近的速率取决于滑移速度，即取决于运动 过程中存在的各种阻力。在两相流中，把上述的速度逼近过程称为松弛过程，并用松 弛时间来表示松弛过程的特性。 在任何一种磨料水射流系统中，水与磨粒的运动偏离平衡状态是不可避免的。特 别是在磨料喷嘴内的两相流动，水介质要加速，磨粒同时也进行加速运动。但是两者 不能同步，速度偏离平衡状态更加显著。液固两相介质通过异形管道和喷嘴时，属于 定常的变速运动或非定常流动，下面分析这种流动现象及各项作用力。对于单个磨料 颗粒来说，牛顿第二定律的表达式可写为欧拉形式的两相流体运动微分方程式【1 0 】： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 刀r3 从百d u s = 3 掣蜘，飞) 一詈刃罢+ 鲁肛( d 讲u 1 一翁d t d u 心) d u ，( f ) ( 2 - 1 ) + 挈p 厮卜铲西+ x + 巴+ 只 式中：p 为水流压力；t 为时间；下标，代表高压水流( 流体相) ；下标s 代表磨料颗粒 ( 固体相) ；岛和以分别为水、颗粒的密度；吐是磨料颗粒的直径；为流体的粘性 系数；“，为磨料颗粒的运动速度；是磨料颗粒周围流体的速度；z 为磨料颗粒所受 到的质量力( 重力、离心力、线加速惯力等；e 和只是磨料颗粒所受到的升力。 方程中各项的意义如下：等号左端表示磨料颗粒加速所需要的作用力；等号右端 第1 项是根据s t o k e s 定律得出的粘性阻力，称为斯托克斯粘性力；第2 项是管路纵向 压力梯度引起的作用力；第3 项是由于磨料颗粒加速过程中，其周围流体( 附加质量， 该部分流体体积占磨料颗粒体积的一半) 也随同加速而引起的附加力；第4 项是b a s s e t ( 贝塞特) 力，它是一种瞬时流动粘性阻力；第5 项为磨料颗粒所受到的质量力( 重 力、离心力、线加速惯性力等) ；第6 、7 两项作用力出现在流动的高剪切区内，分别 为m a g n u s 升力和s a f f m a n 升力。 定性分析颗粒速度和流体速度的逼近过程，还取决于流体本身的运动，可概括为 图2 2 的三种情况【10 1 。设水的流速变化为u t ( t ) = u 0 + b t ，则有b 0 、b = 0 及b = 0 三种 情况，分别对应图中的a 、b 、c 。a 相当于颗粒和流体在喷嘴内的两相流动，b 相当于 等截面管内( 高压管线) 的两相流动，这两种情况下滑移速度都是正值。c 中出现了 负的滑移速度，这在扩散型喷嘴内的两相流动中可能出现这种现象。 “ 图2 - 2 滑移速度随时问的变化 f i g 2 2 v a r i a t i o no f s l i pv e l o c i t yv s t i m e 在前混合磨料射流系统中，磨料颗粒经历了两次加速。在磨料颗粒在高压磨料罐 第二毒前混合磨料射流的切割机理 流态化后从控制阀经混合腔进入高压管路中的主流后，由于磨料颗粒与高压水的流速 不等，必将产生相互作用力，磨料颗粒受到第1 次加速。从理论上讲，磨料颗粒的速 度要达到高压水流速度，必须运动到无穷远的距离，但由于高压管路比较长，磨料颗 粒在流动过程中得到充分地加速，可以认为在到达喷嘴之前磨料颗粒与高压水流达到 速度平衡。 在高压管路中达到速度平衡的磨料颗粒与高压水的混合物进入喷嘴后，由于喷嘴 圆锥收敛段的作用，使水的能量由压力能转变为动能，水流得到不断加速。由于磨料 颗粒与高压水质量的不同，必然造成两者速度新的不平衡，因此磨料颗粒在高压水流 的作用下得到第2 次加速。 磨料颗粒经过喷嘴圆锥收敛段加速后，其速度并不能等于水流的速度，仍存在很 大的速度差。因此，磨料颗粒在喷嘴的圆柱段内得到第3 次加速。 由于喷嘴圆柱段长度有限，磨料颗粒在离开喷嘴时与水射流仍有速度差。因为喷 射后水射流的等速核是一个等速场，类似于喷嘴圆柱段，磨料颗粒在等速核内还将进 一步加速。但随着靶距的进一步增加，周围环境介质( 如空气) 对流场的作用加剧， 使磨料颗粒的运动受到干扰，其速度也相应减少。1 所以切割作业存在最佳靶距，使磨 料水射流具有最大的能量值，切割材料时能产生最有效的破碎和切割作用1 2 】 1 3 】。上述 三次主要的颗粒加速过程参见图2 3 。 图2 - 3 磨料颗粒的加速过程 f i g 2 3 a c c e l e r a t i o no fa b r a s i v ep a r t i c l e 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 磨料射流切割延性材料的机理与模型 从对磨料颗粒的运动分析知，颗粒在离开喷嘴后在一定的位置处具有最大的速度。 当磨料颗粒碰撞金属套管时，一般金属材料抗剪强度远低于抗拉、抗压强度，金属材 料的破坏形式是剪切破坏。因此，可以得出磨料射流切割金属套管的机理：在磨料射 流中的磨料颗粒在水射流的携带下与材料接触，颗粒以每秒数百米的速度冲击材料而 突然停止，因而产生的冲击力很大，而磨料颗粒一般近似为圆形，与材料表面的接触 面积很小，因而在接触区域产生的接触应力很大，当磨料颗粒与材料接触产生的接触 剪应力超过接触剪强度时，发生破坏，微粒从材料本体上剥落，出现凹陷14 1 。当喷嘴 沿套管表面横向移动时，颗粒的连续冲击使金属材料在磨料射流作用下破坏，从而被 切割成缝。 磨料射流切割延性材料是一个复杂的物理过程。很长时间以来，一大批学者曾致 力于磨料射流切割的建模。早期人们从单个颗粒切割材料的角度出发，获得了一些很 有价值的研究成果。 从喷嘴喷出的磨料射流包括水、空气和磨料颗粒，当射流冲击固体材料时，每一 种射流组分都会对固体表面造成一定伤害。但是与颗粒的破坏能力相比，水和空气的 作用完全可以忽略。因此，可以认为，材料的破坏主要是由颗粒的冲蚀造成的。单个 磨料颗粒冲击材料模型主要有两种，分别是由f i n n i e 和b i t t e r 提出的。 f i n n i e 模型中，单个质量为m 的颗粒以冲击角口、速度y 冲击固体壁面，如图2 4 所示【15 1 。 xt 图2 - 4 磨料颗粒冲击延性材料的理想化二维模型 f i g 2 4 r e a l i s t i c2 一dm o d e lo f a b r a s i v ei m p i n g i n gd u c t i l em a t e r i a l f i n n i e 得到的材料冲蚀体积如下式所示： 第二章前混合磨料射流的切割机理 =嘉 s i n ( 2 妒卅 生p p k ( 驾6 i f t a n 口一k 6 ( 2 2 ) i f t a n a 一k 6 这里，p 是颗粒表面应力的水平分量，沙是z r , 的比值，k 是固体表面作用于颗粒的 垂直分力和水平分力的比值。通过实验发现，上述模型可以预测单个颗粒以一定角度 和速度冲击延性材料产生的冲蚀体积。 b i t t e r 也开展了上述问题的理论研究【1 6 】。他把f i n n i e 模型中描述的切割过程定义 为切割磨损( c u t t i n gw e a r ) 模式。他还定义了一种磨损模式：变形磨损( d e f o r m a t i o n w e a r ) ，即颗粒法向冲击材料表面产生的磨损。b i t t e r 推导出的切割磨损和变形磨损表 达式分别为： 呒= 2 m c ( v s i n a - v c ) fc o s ( z c ( v s i n a - i i , ) 2 户l i fa _ a o q 3 = 丢型半丑o o t 三 2 n 式中，是质量为m 的颗粒流产生的冲蚀体积。n e i l s o n 和g i l c h r i s t 进行实验研究后 认为，颗粒流的磨损特征和单个颗粒的磨损特征相同，因此颗粒流产生的实际磨料磨 损量可由单个颗粒的磨损量叠加求得。 h a s h i s h 在上述研究的基础上，得到了改进的水射流中颗粒磨损模型18 i 。h a s h i s h 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 模型用了一个材料性质来表征材料对颗粒抗冲蚀的能力。模型还考虑了颗粒的球度和 圆度，最适合于小角度冲击的情况。h a s h i s h 模型由下式表示： 易2 ：7 ( 乙v 足) 2 5s i n 2 口s i , n - 2 一g ，口( 2 6 ) 式中，易是延性材料冲蚀体积与颗粒体积的比值。上式中，吱是综合考虑颗粒和材 料性质后修正的特征速度： =( 2 - 7 ) 其中，仃为材料的流变应力，r ，为材料的圆度，纬为颗粒密度。 基于上述颗粒冲蚀固体材料的研究结果，很多学者都建立磨料射流切割延性材料 的数学模型，其中h a s h i s h 的研究被认为是最具代表性的。h a s h i s h 在对磨料射流割缝 大量摄像观察中，发现总的切割深度可被划分成两个不同的区域：一个是颗粒小角度 冲击时产生的上部区域( 即f i n n i e 定义的切割磨损区) ，另一个是颗粒大角度冲击产 生的下部变形磨损区，见图2 - 5 1 9 1 。从而h a s h i s h 得到了总的切割深度方程2 0 】： 忽= 忽+ 玩2一(voc,)dj ( 2 - 8 ) ”一 q 。8 2 面辆厂丐t 2 c l 尥( 虼一圪) 2d ，( - k ) 式中，g 如式( 2 - 7 ) 所示，么和分别为切割磨损深度、变形磨损深度，v o 为颗粒的 初始速度，圪为颗粒临界速度，q 为射流直径，伟为颗粒密度，仃为材料的流变应 力，吩为材料的圆度，c ，为切口壁面摩擦系数，m 。为磨料质量流量，c ，为引起材料 破坏的颗粒质量流量与总的质量流量的比值，己，为射流横移速度。 除了h a s h i s h 模型，许多学者还建立了些经验和半经验模型。如周卫东等利用 能量守恒原理得到磨料射流切割深度预测模型【2 l 】、j w a n g 等利用量纲分析的方法建 立的磨料射流切割深度模型 2 2 l 等，在此不再一一