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水卜鬲斥射流喷嘴仿真分析与搭载机具设计 摘要 使用高压水磨料射流切割海底管道配重层机具的研究对于海洋石油工业有着重要 的意义。与现有切割设备相比，磨料射流切割具有高效率、安全性好和故障率低等优势。 目前一些国家已经研制出系列化产品，并且已经应用在实际生产中十数年，但国内研究 较少，也没有相应的水下切割机具。 本文的主要目的是研究设计一种可以在海底使用高压水磨料射流切割海底管道混 凝土配重层的搭载机具，并对用于水下切割的磨料喷嘴进行了模拟仿真，对其内部构造 进行优化。课题研究的主要方法和过程如下： 分析了水下磨料射流切割混凝土和钢丝网的方法，并对影响射流切割的主要参数进 行了分析计算，包括流体参数、靶距和工作参数等，为设计机具提供了理论依据；通过 c f d 软件对l o o m 水深条件下，采用单因素法对喷嘴各个重要参数进行模拟仿真，综合 各个方面因素的影响，最终确定了淹没条件下磨料喷嘴的结构。 分析水下高压水磨料射流如何完成对海底管道混凝土配重层的切割。首先，在一定 参数条件下，破碎混凝土；然后改变参数，对钢丝网进行剪切。 高压射流机具的结构设计。射流机具上布置有各种液压控制和执行元件，主体结构 主要有三个部分组成：轴向行走机构、环向行走机构、高压喷头系统。综合考虑各种要 求的基础上设计了一种高压水切割用磨料喷头，并对一些尺寸参数进行了分析。根据水 下高压水磨料射流切割机具的设计要求，进行了总体方案研究，提出了切割机具的总体 设计方案，分析了工作原理。在总体方案的基础上对主机机械、液压系统进行了方案的 设计。 对高压水磨料射流切割机具的主体结构进行了研究，包括：系统的静力学分析和关 键部件的有限元分析( 喷头体、夹紧杆和环形导轨) 。为进一步优化设计结构提供了理 论依据。 关键词：高压水磨料射流；切割；磨料喷嘴；搭载机具；c f d 仿真。 哈尔滨i j 稃人学硕+ 学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣宣i i i i i i i i i i i i i i i i i - 一7 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i a b s t r a c t u s i n gh i g hp r e s s u r ew a t e rj e tc u t t i n ge q u i p m e n ts u b m a r i n ep i p e l i n eo fw e i g h tl a y e rf o r t h eo f f s h o r eo i li n d u s t r yh a sa l li m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gc u t t i n g e q u i p m e n t ，a b r a s i v ej e tc u t t i n gw i t hh i g he f f i c i e n c y ，g o o ds a f e t ya n dl o wf a i l u r er a t ea n d o t h e r a d v a n t a g e s a tp r e s e n t ，s o m ec o u n t r i e sh a v ed e v e l o p e das e r i e so fp r o d u c t s ，a n dh a s b e e nu s e di na c t u a lp r o d u c t i o no v e rad e c a d e ，b u tf e wd o m e s t i cr e s e a r c h , t h e r ei sn o c o r r e s p o n d i n gu n d e r w a t e rc u t t i n ge q u i p m e n t t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os t u d yt h es e af l o o rc a l lb eu s e dt od e s i g na h i g h p r e s s u r e 曙a t e rj e tc u t t i n gs u b m a r i n ep i p e l i n ee q u i p p e dw i t hl a y e r so fc o n c r e t ew i t h h e a v ye q u i p m e n t ，a n da b r a s i v ec u t t i n gn o z z l e sf o ru n d e r w a t e rs i m u l a t i o nc a r r i e do u ti t s i n t e r n a ls t r u c t u r ei so p t i m i z e d t h em a i nr e s e a r c hm e t h o d sa n dp r o c e s s e sa l ea sf o l l o w s ： a n a l y s i so ft h eu n d e r w a t e rj e tc u t t i n gm e t h o do fc o n c r e t ea n ds t e e lm e s h ，a n dt h em a i n p a r a m e t e r so fj e tc u t t i n gi sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d ，i n c l u d i n gt h ef l u i dp a r a m e t e r s ，s u c ha s t a r g e td i s t a n c ea n do p e r a t i n gp a r a m e t e r sf o rt h ed e s i g no fe q u i p m e n tt op r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s i s ；b yc f ds o f t w a r el o o mw a t e rd e p t hc o n d i t i o n s ，t h es i n g l ef a c t o r m e t h o di na l l i m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h en o z z l ei s s i m u l a t e di na l la s p e c t so fi n t e g r a t e df a c t o r s ，a n d u l t i m a t e l yd e t e r m i n e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fa b r a s i v en o z z l es u b m e r g e ds t r u c t u r e a n a l y s i so fu n d e r w a t e rh i g h - p r e s s u r ew a t e ra b r a s i v ej e ts u b m a r i n ep i p e l i n et oc o m p l e t e t h el a y e ro fc o n c r e t ec u t t i n gw e i g h t f i r s to fa l l ，i nac e r t a i np a r a m e t e rc o n d i t i o n s ，t h eb r o k e n c o n c r e t e ；t h e nc h a n g et h ep a r a m e t e r so ft h es h e a r i n go fs t e e lm e s h t h es t r u c t u r a ld e s i g no f h i g h - p r e s s u r ej e te q u i p m e n t j e to nt h el a y o u to fe q u i p m e n ta n d i m p l e m e n t a t i o no fav a r i e t yo fh y d r a u l i cc o n t r o lc o m p o n e n t s ，t h em a i ns t r u c t u r eh a st h r e e m a i nc o m p o n e n t s ：a x i a lt r o v e la g e n c i e s ，t r a v e la g e n c i e sr i n g ，h i g hp r e s s u r es p r i n k l e rs y s t e m t a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o na l lt h er e q u i r e m e n t sb a s e do nt h ed e s i g no fah i g hp r e s s u r ew a t e r a b r a s i v ec u t t i n gn o z z l e ，a n dan u m b e ro fd i m e n s i o n si sa n a l y z e d w a t e ru n d e rh i g hp r e s s u r e a b r a s i v ew a t e rj e tc u r i n ge q u i p m e n td e s i g nr e q u i r e m e n t sf o r t h eo v e r a l lp r o g r a mo fr e s e a r c h ， t h eo v e r a l ld e s i g no fc u t t i n gm a c h i n e s ，a n da n a l y z e dt h ew o r k s i nt h eo v e r a l ls c h e m eb a s e d o nt h eh o s tm a c h i n e ，h y d r a u l i cs y s t e md e s i g no ft h ep r o g r a m h i g hp r e s s u r ew a t e rj e tc u t t i n gm a c h i n e so ft h em a i ns t r u c t u r ew e r es t u d i e d ，i n c l u d i n g ： 水下高压射流喷嘴仿寅分析与搭载机具设计 s t a t i ca n a l y s i so ft h es y s t e ma n dk e yc o m p o n e n t so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( n o z z l eb o d y ， t h ec l a m p i n gr o da n dr i n gg u i d e ) t of u r t h e ro p t i m i z et h ed e s i g no ft h es t r u c t u r et op r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i s k e y w o r d s ：h i g hp r e s s u r e a b r a s i v ew a t e rj e t ；c u t t i n g ；a b r a s i v e n o z z l e ；c a r r y i n g e q u i p m e n t ；c f ds i m u l a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源、研究背景及意义 1 1 1 我国海底石油管道维修现状 2 0 世纪5 0 年代起，人们开始在浅海水域中寻找石油和天然气。随着海洋油气田的 开发，首先出现了海洋输气管道。7 0 年代，在海域中开发了大型油气田以后，开始建设 了大型海洋油气管道，通过海底管道把开采的油气直接输往陆上油气库站。截止2 0 0 4 年，我国海洋石油总公司铺设的海底管道就长达2 0 0 0 千米1 2 l 。 经过多年的使用，海底管道长时间暴露海水中，易受水的外压力、海底洋流的冲刷， 浅海段的波浪、潮汐、海水的腐蚀，船锚和渔网对管道的影响等，导致管道表面涂层被 大量锈蚀，这时需要将被锈蚀的涂层清除掉，然后更换新涂层。需要清除的涂层主要是 指混凝十配重层【2 l 。图1 1 为工人更换海底管道涂层。 图1 1 更换海底管道涂层 传统的切割方式主要有水下电弧一氧切割、水下机械切割法和金刚石串珠曲线锯 法。还有近些年国外新兴的水下高压水切割法，利用高水压，除去海底管道涂层，它利 用射流很高的冲击动能，连续不断地对管道涂层进行打击、冲蚀、剥离、切除以达到清 除涂层目的。 哈尔滨t 稗大学硕十号：何论文 1 1 2 切割方法对比选择 水下切割技术并不是陆地切割的延续，水下的特殊环境决定了水下工程的困难性和 复杂性，有其独特的理论基础和使用方法，许多在陆地上应用的技术不适于水下使用 4 1 。 传统的切割方式主要有水下电弧一氧切割、水下机械切割法和金刚石串珠绳锯法。 还有近些年国外新兴的水下高压水切割法，利用高水压，除去海底管道涂层，它利用射 流很高的冲击动能，连续不断地对管道涂层进行打击、冲蚀、剥离、切除以达到清除涂 层目的。下面根据查阅各种资料进行总结，来对比一下以上四种水下切割方法的优劣之 处( 表1 1 ) 。表1 1 是四种水下切割方法的比较，由此可以看出电弧氧切割、水下机 械切割法、金刚石串珠曲线锯法和高压水切割法这四种方法都可以进行水下切割，但是 由于维修海底石油管道的特殊性，对切割的方法的要求不但要切割清除混凝土配重层， 还不可以伤害到管道的本体。显然电弧氧切割、水下机械切割法和金刚石串珠曲线锯 法这三种方法不能很好的上述要求的工作。再结合效率、成本、适用水深、安全性和故 障率等参数的综合考虑，无疑，高压水切割法是维修海底管道时，切割清除混凝土配重 层最佳选择。 表1 1 几种水下切割方式的比较 方法适用性 成本效率水深m安全性故障率混凝土钢丝网 水下电切速快， 弧一氧适用性较高高1 5 0 m 以内好较低可可 切割低 水下机 可剪、 低低要求高一般 较高 可可 械切割锯、铣 金刚石 适用广， 对水深无 串珠曲操作复高较高好较高可可 要求 线锯杂 高压水应用极可达数千 高 高 好低可可 切割广米 2 第1 章绪论 i 置i 宣宣宣i 旨一 一 i 一一i l l i 宣 1 1 3 研究意义 随着我国在7 0 年代投入使用的海底管道的不断老化，事故频出，海底管道维修技 术也越发显得重要起来。在维修或维护海底管道的时候，不管采用什么方法，第一步都 必须要切割清除混凝土配重层，由于大多数国内现有的设备在清除海底管道的混凝土配 重层方面效果都不是很好，技术也不完善，而且很少地专门真对海底管道涂层的。高压 水射流技术在使用不同的压力进行射流时，可以轻易切割清除混凝土配重层，还包括可 以切断混凝土中的钢丝网，所以高压水磨料射流技术在这方面有着其他技术不可比拟的 优势，研究开发水下高压水磨料射流切割的搭载机具具有重要的理论和经济意义。 1 2 水下高压水射流搭载机具综述 t 2 ，1 国外概况 随着陆地能源的过度消耗和日益减少，迫使人们越来越重视海洋的开发。和陆地相 比，水下的工作环境相对复杂的多，主要体现在高围压方面。水下高压水磨料射流切割 作为- 1 7 新型的水下切割技术，正不断得到研究和发展，成为未来海洋油气工程关键核 心技术之一忉。 2 0 世纪7 0 年代前期，国外就开始了水射流在深海应用的理论和实验研究，目前已 有部分水下切割和清洗机器人产品开发完成并投入使用1 1 i 。 f l o w 公司的d o u g l a sc ec h e r t 等人作了磨料射流在深水下切割钢板的实验，随 着围压和靶距的增加，切割性能有非线性减小的趋势。澳大利亚超高压水射流技术集团 ( u l t r ah i g hp r e s s u f e - 叫却p l i e dt e c h n o l o g yl p 一一卸的其中一个研究方向就是海底切割，该 集团也开发了一套超高压水射流海底切割机具，用于海底切割。 除此之外，美国的p r o s e r vo f f s h o r e 公司设计研发的一系列海底管道涂层清洗机具 具有很高的清洗效率和功能。该套海底涂层清洗机具采取磨料射流方式可以清洗海底石 油管道的涂层和附属在上面的海生物层，适用于直径8 ”棚“的海底石油管道，如图1 2 所示。 3 哈尔滨l ：样人! 学硕十学化论文 图1 2p r o s e r vo f f s h o r e 公司的海底管道涂层切割机具 除了在清洗一些表面装有加强钢筋的海底管道时，可以在没有潜水员和水下机器人 的帮助下熟练地进行圆周切割和直线切割。切割海底管道涂层的效果如图1 3 所示。 图1 3 切普4 海底旨道涂层的效果 水下工作时，这个高压水清洗机具是通过电气、液压系统远程操作控制来实现的， 它可以通过船只的起重机或绞车线来进行工作。而且可以将清洗后的管道夹出，方便更 换新的管道。 p r o s e r vo f f s h o r e 公司的海底管道涂层清洗机具为我国自行研制海底管道涂层切割 装置提供了重要参考。 4 第1 章绪论 嗣i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i 嗣 1 2 2 国内概况 2 0 世纪9 0 年代中后期，国内的一些学者对水射流在水下的切割及冲蚀性能开展了 一定的研究。1 9 9 4 年，沈忠厚院士、艾池等人在模拟石油钻井围压条件下，对纯水水射 流动压力进行了测量，得到了围压状态下射流动压力分布规律和计算模式，讨论了围压 对射流紊动特性的影响m 。 2 0 0 0 年，胡寿根教授等人设计制造了水下环境模拟试验装置，以混凝土块作为试样， 利用水下环境模拟试验装置进行了高围压空化水射流冲蚀试验，研究了靶距、冲蚀时问、 射流压力及模拟水深对水下射流性能的影响。其实验装置的工作原理是利用空压机对密 闭容器进行注气，使得密闭容器内的压力升高，通过压力变化模拟水深的变化，但该实 验装置只能模拟2 0 0 米以内的水深1 5 6 7 1 。 2 0 0 2 年，宁原林等人提出水下高围压磨料射流切割模拟试验装置，并对其进行了试 验，得到了冲蚀深度与靶距、模拟水深、射流管长度及冲蚀时间的关系，揭示了水下磨 料射流的冲蚀性能，不足的是其高围压模拟实验装置只能模拟1 0 0 米以内的水深。1 1 7 ，a s l 。 目前，国内没有完善超高压水射流切割机系统配套的研制和开发，形成系列化体系。 尤其是水喷嘴和磨料喷嘴未进行专项开发、国内无专门生产厂家、试制的质量和批量难 以保证、寿命偏低的状况必须改变。除此之外，高压零部件、密封件及易损件的专项研 究，专业生产也势在必行。否则，难以形成系列化体系，产品成本居高不下i l l 。尽管国 外的水下磨料射流机具已经在工程实际中应用了十数年，但国内在水下磨料射流切割机 具领域还基本处于空白状态，只是停留在理论试验研究阶段。 综上所述，国外对深海高围压磨料射流切割技术的研究起步较早，在这方面的理论 和实验研究也较多，并且已经研发出各种水下切割清洗机具，在实际海洋工作中得到了 广泛的应用；国内近十几年才开始水射流在水下工作的研究，而针对磨料射流在水下工 作的研究甚少，更没有自行研发用于水下的磨料射流切割机具。 1 3 水下磨料射流切割搭载机具的技术要求 本设计为了完成海底石油管道混凝土配重层的切割，其主要技术要求： 1 ) 能在水下1 0 0 米以浅的条件下进行工作； 2 ) 可以在水质混浊的情况下工作； 3 ) 能满足对1 2 ”单层海底管道的切割； 4 ) 控制系统可以根据混凝土配重层和钢丝网的分布调整高压水磨料射流参数，已 5 哈尔滨。1 ：程大学硕十学位论文 达到更好、更高效的切割效果。 1 4 课题的主要研究内容 1 通过查阅国内外资料文献，了解我国海底管道维修现状；对各种海底管道切割、 清理方式进行对比，分析国内外水下高压水磨料射流切割搭载机具发展状况。 2 对高压水射流结构、基本参数、射流打击力与靶距之间的关系等进行研究，并据 此对海底管道切割、清理所需主要技术参数进行理论分析，以达到在水下高效切割清除 海底石油管道混凝土涂层的目的。 3 对水下磨料射流切割搭载机具进行总体设计，并进行力学分析。 4 使用c f d 软件对水下磨料射流喷嘴的相关参数进行分析，并结合现有经验和实 际作业条件来确定磨料高压水喷嘴的内部构造。 6 第2 章水下高压水磨料射流切割破碎原理 第2 章水下高压水磨料射流切割破碎原理 水下环境介质( 水的阻力大) 与喷出的射流产生强烈的能量交换和紊动扩散，必然 导致非淹没和淹没条件下的磨料射流切割破碎机理存在一定差别。本章结合海底油气管 道切割、清理作业的环境条件，在现有陆上高压水磨料射流切割、清理作业研究的基础 上，对磨料射流清理海底油气管道配重层的机理进行分析，选定切割清除作业的主要技 术参数，为高压水磨料射流切割搭载机具的结构设计奠定基础。 2 1 水下磨料射流切割混凝土的原理 水下磨料水射流切割混凝土整个过程是十分复杂的，涉及的因素非常多，目前还没 有相关文献资料对其切割机理作出明确的解释，因此，本文在磨料射流切割的基本理论 的基础上，从破碎方式上深入探讨水下磨料水射流切割清除混凝土的机理i ，t 9 1 。 2 1 1 磨料射流的切割原理 现有的大多数射流切割理论都是在试验的基础上得出的，并且许多都是以假设为前 提的。由于实验条件、方法和研究的侧重点不同，以及对实验结果的分析等方面的差异， 导致了许多不同结论的产生。虽然这些结论大多不是很全面准确，但是也是各具特点， 通过分析整理这些理论和方法，对加深理解在高压水磨料射流作用下材料失效过程和机 理大有益处i l l 。 磨料射流是以水为载体，水射流将磨料粒子加速，由于磨料粒子的密度比水大得多， 且具有锋利的棱角，所以磨料水射流切割物料主要是靠磨料粒子对物料的磨削作用。另 外磨料粒子在水射流中是不连续的，由磨料组成的高速粒子流对靶物还产生高频冲击作 用。因此磨料射流对靶物的冲击力和磨肖i j 力比相同条件下纯水射流大得多，具有比纯水 射流高的切割效率1 6 1 。 切割的基本过程分为三步。第一步，在一定的靶距和给进速度下，水射流的一部分 以恒定的速度射向靶件，另一部分则随着射入深度的增加切割效力减弱，于是切割面沿 射流横移相反方向出现弯曲，主要为平滑切割磨削，如图2 1 a 所示；第二步，在磨粒 的不断冲击下，切割面形成梯形状，主要是冲蚀变形磨削如图2 1 b 所示；第三步，随 着射流横移送进，切割面重新变为光滑切割磨削，如图2 1 c 所示。然后由平滑切割磨 削过程到变形冲蚀磨削的过程重新开始，即进入切割循环过程1 2 l 】。 7 哈尔滨下种人学硕十学位论文 i i 一 广 b 图2 1 磨料水射流切割过程模型：l 2 1 2 切割混凝土的原理 从混凝土破碎形式这个角度上来分析，水下磨料射流直接冲蚀混凝土，涉及到诸多 破坏形式，某些研究表明磨粒冲击混凝土的主要破坏形式是产生赫兹锥状裂纹、径向裂 纹和横向裂纫t l 。 在射流冲击的初始阶段，由强大的冲击力产生的强大的拉应力，在混凝土的表面产 生环状的赫兹锥状裂纹，也就是在射流的中心打击点上产生环状裂纹。然后随着冲击时 间的增长，磨粒冲击的正下方混凝土在凹坑处将产生塑性变形，切向应力分量引起一系 列垂直于冲击表面的径向裂纹。由于连续不断的射流冲击材料，又存在表面的冲刷和剪 切，破碎的材料不断地被带走，试块发生剥蚀，逐步深入，造成试块的切割和穿透。在冲击的 后期，残余应力也可以产生一些横向的裂纹。在高压下，当磨粒的冲击速度将远远的大 于使混凝土破碎的极限速度，因而能有效的破碎和切割混凝土。在磨粒冲击混凝土产生 裂纹的同时，水流在水楔作用下挤入裂纹之中，起到延伸和扩大裂纹的附加作用，从而 增强冲蚀破坏能力l - 1 2 1 3 磨料射流对金属的切割原理 磨料射流对金属的切割，实质上是金属材料在磨粒的磨削作用下的破坏。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的机理：在磨料射流中的磨料颗粒在水射流的挟持下与材料接触， 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 8 第2 章水。卜高乐水磨料射流切剩破碎原理 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，出现凹陷累积，从而使金属材料在磨料射流作用下破坏和被磨料射流切割成缝 1 1 2 1 0 2 2 影响切割效果的重要射流参数 影响水下切割混凝土的效果的主要因素有：流体参数、工作参数、水下压力、磨料 特性和混凝土的特性。 2 2 1 流体参数对切割的影响 流体参数的影响主要受射流压力p 和喷嘴直径d 控制。切割深度h 是随压力的增加 近似线性增加，而且存在一个临界压力，如小于临界压力就不能进行切割作业。对于磨 料射流来说，较大的喷嘴直径能增加切割深度，因为磨料射流的有效速度增加。根据杨 清文等人l u 的研究表明在基本参数相同的情况时，淹没和非淹没状态在压力变化相同 时，切割深度变化规律基本一致( 如图2 2 ) 。 p l 伊a 图2 2 系统压力与切深的关系1 1 习 根据现有磨料射流技术来对海底管道混凝土涂层进行水下切割，一般射流压力p 的 可以达到1 0 0 2 0 0 m p a ，相应的比纯水射流的压力要小很多。由于磨料射流磨粒会对喷 嘴产生很大的磨损，磨料喷嘴的直径要大于纯水射流的喷嘴，磨料喷嘴直径d 的大小可 以在0 6 2 4 m m 之间来选取。 在工程应用水射流中可以通过射流压力p 和喷嘴直径d 来确定射流速度，式( 2 1 ) 哈尔滨i ：群人学硕十学何论文 i i | 以及射流流量留式( 2 2 ) ： yt 4 4 7 p ( 2 1 ) 式中：1 k 射流速度，m s ； 产埘流压力，m p a 。 q = 2 1 d l a2 、肋 ( 2 - 2 ) 一= z 、p z 。z ， 式中：俨- 射流流量，l r a i n ； 出嘴出口直径，m r n l 矿一射流压力，1 v p a 。 当射流流量和压力确定后，可由式( 2 3 ) 计算出射流功率i 1 9 1 ： p 一1 6 6 7 p q ( 2 - 3 ) 式中：p i 埘流功率，w ； 矿_ 射流压力，m p a ； 俨射流流量，l m i n 。 另外，在实际工程中射流反冲力也是设计极具时一个重要的参数，对喷嘴出口截面 内外两点应用动量定理，得到作用力f ： f a t = m ，一m v ， ( 2 4 ) 式中各个参数都选取的是单位量，由作用力等于反作用力原理可知，式( 2 4 ) 中 的f 值即为射流反冲力值，经推导后可得： f p q v 1 - d 1 ) 2 】 ( 2 - 5 ) f r t ( d l d 。) 2 1 ，并将( 2 - 1 ) 式代入上式中，得： f - 0 7 4 5 q p ( 2 6 ) 式中：f - - 射流反冲力，n ； p - 射流压力，m p a ； 俨- 射流流量，l m i n 。 从式( 2 6 ) 可以看出，射流反冲力对于射流流量的变化反应的要比射流压力的变 化灵敏。如果将式( 2 2 ) 代入到式( 2 6 ) 中，可得到射流反冲力的另一种表达式： f - 1 5 6 d2p(2-7) 式中：f - - 射流反冲力，n ； 出棚嘴出口直径，m m ； p 射流压力，m p a 。 1 0 第2 章水一卜高压水磨料射流切割破砰原理 i i i i 葺置i i i i 置i 葺i i i i 萱i i 亩i 宣i i i r i i i i 葺| i 宣i i i i i i | i 置宣i i i i i 萱i i i i i i i i i i 宣i 宣i i i 酋i i i 置 经过以上的公式推导，得到射流的重要参数表达式，对于后续选取射流参数有着指 导意义。 2 2 2 靶距对切割的影响 水下压力是根据不同水深来确定的，水下压力对射流压力存在一定的削弱作用。大 量实验已经证明，在一定靶距内，由于射流压力十分大，切割深度和空气中切割区别不 大，随着靶距s 的增大，切割深度才会比在空气中切割的深度下降的多一些，如图2 3 。 上 s m m 图2 3 靶距与切深的关系i ”1 如图2 4 切割所需靶距s 则在初始段内来选取，初始段也叫做射流核心区，研究认 为在射流核心区内部不存在横向部分和纵向的速度梯度，各点的速度大小、方向均相同。 在工程应用中射流核心区就是用来进行切割作业的。而中间的射流基本段在工程实际中 多用来进行除锈和表面抛光等作业，射流消散段也有其应用价值，主要用来进行射流降 尘除尘。 转折蟊 初始段 一转折段 基本段消散段 扩散泷区 射流的速度 连续流区 一一一， 彗分布图 喷嘴 转折面， 尚 ，一 j ! 王= ，- (k u l ：，f ，7 罗 、。 罗 眇一叫匙 、 射流核心受_ 、1 射流内边界层j 荔卜 流区 图2 4 基于实践和理论的射流结构图【- 1 哈尔滨- - x r 3 犬学硕十学位论文 射流切割使用初始段用来切割的射流部分的表达式f ，如式( 2 8 ) ： ，一( 5 3 1 0 6 ) d ( 2 8 ) 式中：z r 初始段长度，m m ； 出_ 琐嘴直径，m m 。 靶距s 就在式( 2 8 ) 中来选取，根据切割靶物的特性以及要求达到的切割效果， 在射流参数固定的情况下一般存在一个最佳靶距。 2 2 3 工作参数对切割的影响 工作参数的影响主要表现为冲击角度和磨料的供给量。基本上水下的冲击角度可以 选择为垂直冲击，国外的一些成熟的水下磨料切割都选择的是垂直角度。而磨料的供给 量应该根据要求的最大切割深度、喷嘴磨损、成本等综合考虑。 大量试验已经证明，磨料射流切割时，当磨料浓度较小时，切割深度随着磨料浓度 的增加而增加；当磨料浓度达到一定值时，继续增加磨料浓度，切割深度反而下降，故存 在一最佳磨料浓度。并且，在淹没和非淹没状态下，磨料浓度对切割深度的影响规律基本 一致i t 3 l ，如图2 5 。 磨料本身的特性参数主要包括磨粒的硬度、粒度、类型、圆度等等。其中硬度指的 是磨粒抵抗因冲击力而破碎的能力，基本要求磨粒的硬度要超过被切割物的硬度。磨粒 的粒度一般选取中等粒度( 0 4 加8 r a m ) 为好。对于大多数的磨粒来说，有棱角的比球 状磨粒切割效果要好l t 3 l 。 岛 目 目 鼻 o 2 03 04 05 0 s m m 图2 5 磨料浓度与切深的关系1 1 3 1 第2 章水下高压水磨料射流切割破碎原理 另外，混凝土的材料力学指标对射流工作速度也是有很大影响的，是确定射流压力 等参数的重要依据。混凝土材料的抗拉强度、抗压强度、弹性模量及韧度等参数指标均 会对切割速度产生影响，但通过前面的分析可知，受到射流打击后从产生裂纹，到裂纹 的扩展，直至大块的材料被切除，均出现在拉伸应力的作用。也就是说，抗拉强度起的 作用最大，对切割的影响最大。混凝土抗拉强度，是指试件受拉力后断裂时所承受 的最大负荷载除以截面积所得的应力值。所以，在工程实际当中，一般都选取抗拉强 度作为材料的可切割工作的主要判据。 根据本文研究的水下切割1 2 ”海底管道混凝土配重层的混凝土厚度、抗拉强度和配 重层内钢丝网的抗剪强度等参数，在确定2 2 1 和2 2 2 节中的射流参数和靶距后，可以 找到一个合理的磨料浓度范围，而最佳磨料浓度存在于这个范围之内。 2 3 海底管道的结构 2 3 1 海底管道的基本结构 下面简单介绍一下单层海底管道的结构特点，本文研究的对象主要针对浅海使用的 单层钢管结构，如图2 6 。 混凝土加重的单层钢管结构则由内及外分别为钢管、防腐层、聚氨酯泡沫保温层、 聚乙烯防护层和混凝土加重层，采用这种单层钢管结构，用混凝土加重层代替双层管结构 的外套钢管，不仅可以节约2 3 的钢材，减少铺管焊接工作量，也不存在外套管的腐蚀和防 腐问题，从而提高铺管效率，降低管道造价。另外，用来输气的单层管道可以不使用保温 层，在浅水海域，混凝土加重的单层钢管结构形式具有很好的发展应用前景1 3 1 。 图2 6 单层钢管混凝j = 加重层海底管道示意图 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 2 3 2 混凝土配重层的结构强度 在海底管道上施加混凝土涂层，主要是钢筋混凝土或钢丝网水泥。主要是对管道提 供负浮力，以保持管道在海底位置稳定( 故称配重层) ，一般厚度不小于4 0 r a m ；其次是对 管道的外防腐层和钢管提供机械保护，以防止防腐涂层和钢管在吊装、运输、安装和运 行期间被损伤。混凝土涂层还能增加管道的热绝缘度，增加管道对屈曲稳定的抵抗能力。 混凝土主要由水泥、砂、石、水和外加剂组成，水泥的密度一般为3 1g 锄3 , 砂、石的密 度一般为2 6g c m 3 , 水的密度为1 0g c m 3 , 这些材料组成的混凝土密度一般约为2 4 0 0 k g m 3 。为了使混凝土获得较高密度，一般是通过掺加重骨料( 如铁矿石) 、降低水灰比、 适当提高水泥用量等措施来达到嘲。混凝土所需要的密度取决于实际工程要求的海底管 道水下重量1 3 l 。 本文研究选取的1 2 海底管道混凝土配重层的混凝土标号定为c 4 5 ，其抗压极限强 度为4 5 n m m 2 ，其厚度为4 7 r a m 。 海底管道混凝土配重层配有加强筋，加强筋可采用钢丝网的型式，如图2 7 ，或采 用光面或螺纹钢筋焊成骨架网笼，如图2 8 。 0 l _ 一 、矿圹一一圹厂 l ，o 0 i c = = 旷旷芎u 尸弋尸翟k 尸 = j 曩篇 黼乜尸k 尸黼v 户= k 尸；k 尸 = = 口篇 旷旷罱b 尸旷弋尸 = 篇 c = =旷 b 严 ；b 尸旷翟k 尸 = 篇 。羔7 弋尸 = = ， p旷旷 警旷沪 图2 7 混凝土加重层内的钢丝网结构图( 图中尺寸单位为m m ) 1 4 第2 章水卜- 高压水磨料射流切割破碎原理 萱i i i i i i i i i i i i i i i i 皇i i 宣i i i 宣置i i i ii i i i i i i i 自宣宣i 葺i i i i i i i i i 宣i i i 宣i 萱i i i i i i i i i i 宣| i 宣i i i _ 。 5 0 靠近管鞠或 阳极处两钢 环问的题离 图2 8 混凝土加重层内的钢筋焊成的骨架网笼 钢丝加固网金属丝直径选择按混凝土截面单位配筋率选用，使用标准采用d n v 海底管道系统( o s f 1 0 1 ) 中的规定，即加固网周向配筋率不小于0 5 ，加固网纵向 配筋率不小于o 0 8 。金属丝和钢筋的直径要求大于3 m m ，金属丝抗拉强度要求：纵 横钢丝均大于3 1 5m p a ；其剪切强度为抗拉强度的一半，不小于1 6 0m p a 。 管道本体钢管材料的根据a p l 5 l ( 2 0 0 7 版) 选取钢级x 6 5 u 5 0 ，屈服强度 ( m p a ) = 4 4 8 ，抗拉强度( m p a ) = 5 3 1 。 综上所诉，本文选取的研究对象的抗拉强度如表2 1 。 表2 1 研究对象的抗拉强度和切割情况( m p a ) 抗拉强度 抗剪强度 切割情况 混凝土 4 52 3 容易 钢丝网3 1 51 6 0 较难 管道钢材 5 3 12 7 0 困难 本文设计的切割机具要求首先设定好磨料射流切割参数，破碎掉混凝土加重层的混 凝土部分，待混凝土加重层的混凝土除去后，会裸露出混凝土加重层内部的钢丝网，再 重新设定磨料射流切割参数，要求切断钢丝网，同时，要求还不能对管体产生破坏。这 主要是通过控制磨料射流切割参数中的靶距、射流压力、喷嘴移动速度和磨料供给量来 哈尔溟r 枵入掌硕十学何论文 完成的。 2 4 切割参数的计算与喷嘴结构设计 对于高压磨料射流来说，淹没与非淹没条件下进行切割作业，基本的射流参数变化 不大，所以实际工程应用中，可以应用非淹没条件下得到的公式对参数进行计算，射流 冲击力、反冲击力、靶距、水深、打击时间、射流压力和磨料供给等都是在设计切割机 具时需要考虑的重要指标参数。 但是，无论是纯水射流还是磨料射流，高压水射流整体设备都是以喷嘴为中心的， 因为喷嘴是实现水射流工况的直接元件，这是由喷嘴的内部构造决定的，所以，对喷嘴 的设计完善对于整套设备工作效率提高有着重要的意义。 2 4 1 目的要求 为了达到切割海底管道混凝土配重层的目的： 第一步，先将混凝土破碎掉，这就要求混合磨料射流以数百米每秒的速度打击在混 凝土表面，通过冲蚀和磨料的磨削的双重打击，可以很容易地将混凝土破碎。 。 第二步，待混凝土加重层的混凝土除去后，会裸露出混凝土加重层内部的钢丝网， 由于钢丝网的钢丝直径很小，通过加大磨料流量，减小靶距能很好地完成切割。同时， 要求射流动压力对钢管本体不能产生破坏作用。这主要是通过控制调整磨料射流切割参 数中的靶距、射流压力、喷嘴移动速度和磨料流量来完成的。 要完成切割，首先对射流的基本参数进行选取计算；然后，重点对喷嘴的结构进行 设计，由于条件限制，目前无法进行试验，本文将在第五章应用c f d ( 计算流体力学) 对 喷嘴结构进行优化。 2 4 2 基本参数的分析计算 根据现有磨料射流技术来对海底管道混凝土涂层进行水下切割，一般磨料射流压力 p 的可以达到1 0 0 。2 0 0 m p a ，相应的比纯水射流的压力要小很多。由于磨料射流磨粒会 对喷嘴产生很大的磨损，磨料喷嘴的直径要大于纯水射流的喷嘴，磨料喷嘴直径d 的大 小可以在0 6 2 4 m m 之间来选取。这里选取庐1 2 m m 。 由式( 2 - 1 ) 可得喷嘴出口的速度y 范围： y 。如；4 4 7 1 0 0 4 4 7 x l o = 4 4 7 m s v n 。u c = 4 4 7 x 2 0 0 ；4 4 7 x1 4 1 4 = 6 3 2 m s 1 6 第2 章水下高压水磨料射流切割破碎原理 由此可得：喷嘴出口速度应该在4 4 7 6 3 2 m s 之间。 由式( 2 - 2 ) 可得喷嘴出口的流量9 范围如表2 2 ： 表2 2 喷嘴出口的流量口范围 喷嘴矗径d ( r a m ) 流量鼋范围( 1 m i n ) o 67 5 6 1 0 6 9 1 23 0 2 4 - 4 2 - _ 1 86 8 0 4 - 9 6 2 2 2 4 1 2 0 9 6 1 7 1 0 由表2 2 中计算结果可以看出压力对流量的影响效果不及喷嘴半径对流量的影响效 果显著。 由式( 2 - 3 ) 可得射流功率尸范围如表2 3 ： 表2 3 射流功率尸范围 喷嘴直径d ( n u n )射流功率p 范围( w ) l 0 6 1 2 6 0 2 5 2 v 3 5 6 4 0 4 6 1 25 0 4 1 0 0 8 - 1 4 2 5 9 5 1 1 8 1 1 3 4 2 2 6 8 - 3 2 0 7 9 7 4 - 一d 2 4 2 0 1 6 4 0 3 2 5 7 0 3 1 4 0 4 由表2 3 计算结果可以看出随着喷嘴半径的增大，压力和流量对射流功率的影响效 果同样显著。 由式( 2 - 7 ) 可得最大射流反冲力，如表2 4 ： 表2 4 最大射流反冲力， 喷嘴直径d ( 咖) ， 最大射流反冲力f ( n ) 0 61 1 2 3 2 1 24 4 9 2 8 1 81 0 1 0 8 8 2 41 7 9 7 1 2 1 7 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 由于射流压力和流量的限制，喷嘴直径也不能过大。由表2 4 计算结果可以看出随 着喷嘴半径在一定范围内的增大，最大射流反冲力尸明显增大。 以上技术参数对机具的设计有着重要意义。 2 4 3 喷嘴基本参数的设计 对于磨料射流，为喷嘴是实现水射流工况的直接元件，是最重要的部件，这是由喷 嘴的内部构造决定的，所以，对喷嘴的设计完善对于整套设备工作效率提高有着重要的 意义。根据现有经验，设计中喷嘴采用圆锥收敛性喷嘴。具体结构如图2 9 所示，参数 范围见表2 5 。 图2 9 喷嘴内部构造示意图 表2 5 喷嘴结构主要参数范围 部位名称可选取范围 喷嘴长度 2 0 5 0 m m 收缩角4 o 一6 0 0 半径d 0 3 - 1 2 m m 圆柱段长度z 2 4 - 8 m i l l 图2 1 0 中主要参数现在给出的都是范围， 参数进行模拟优化，得到具体数值。 2 5 本章小结 没有具体数值，本文将在第五章对以上 本章从分析水下磨料切割的