水射流导向激光技术（共7篇）
水射流导向激光技术 篇1
0 引言
高压水射流作为一项新技术, 在最近几十年得到迅速发展, 主要用于清洗、切割和破碎, 水射流具有独特的优越性。近年来, 随着高压水射流装备朝着大型化、智能化、专用化方向迅速发展, 该技术逐步向各领域渗透:从清洗一般的机械零件、建筑物到管道、管束、容器等工业清洗, 从机场跑道除胶到船舶除锈, 从金属、非金属板材切割到曲面仿形切割等都涉及到高压水射流技术。
1 水射流加工技术的概述
1.1 高压水射流的概念
所谓高压水射流, 就是通过高压泵将普通自来水进行加压, 使其达到数百甚至数千大气压, 然后通过孔径只有1-2毫米的特殊喷嘴, 以200-500米/秒极高的速度喷出一股高能量的水流, 该水流具有强大的打击能量, 能够对钢板进行切割、铸件清砂等, 同时能够除去管子内壁的各种堵塞物。
1.2 高压水射流的优点
采用高压水射流技术具有成本低、质量好、速度快、无环境污染、无金属腐蚀、应用面广等优点。在可持续发展占社会发展主导地位的今天, 具有很大的优势。
2 高压水射流工艺
2.1 高压水射流切割技术的工艺特点
(1) 在切割过程中, 由于高压水射流切割属于冷切割, 进而产生较少的热量, 并且产生的热量能够被水流带走, 在工件切口附近, 不会造成材料氧化、金相组织发生变化等, 进而不会造成工件变形。 (2) 高压水射流切割属于点切割, 在切割过程中, 作用到工件上的力非常小, 不会对工件产生额外的应力, 造成工件变形, 对于表面完整性要求较高的零部件, 以及补充加工来说, 该技术有着特殊的意义。 (3) 高压水射流不会产生粉尘, 在切割过程中, 随着水流切割碎屑进入收集器而排除, 该技术对石棉制品、玻璃钢制品等材料进行切割时具有重要的作用。 (4) 由于高压水射流使用很小孔径的喷嘴进行切割, 使得切割产生的切口间隙比较窄, 进一步提高了材料的利用率。 (5) 采用计算机或机器人控制的数控切割装置对高压水射流切割设备进行处理, 在一定程度上实现了多轴联动。
2.2 高压水射流清洗技术工艺特点
(1) 可以方便地调节水射流的压力和流量, 对清洗物的基体不会造成损伤。 (2) 二次污染不会出现在高压水射流清洗过程中, 清洗过后, 如果没有特殊要求, 不需进行相应的清洁处理。 (3) 对形状、结构比较复杂的物件进行清洗时, 清洗工作不受空间狭窄、环境恶劣的影响和制约。 (4) 通过高压水射流进行清洗, 具有速度快, 清洗彻底的优点。例如:下水管道清通率、清净率高达100%和90%;热交换器的清净率超过95%;锅炉除垢率超过95%。 (5) 清洗成本只有化学清洗费用的1/3, 在清洗过程中, 高压水射流的水流比较细, 进行连续喷射时, 耗水量为1.8~4.5m3/h, 功率为35~90k W, 节能效果非常理想。 (6) 高压水射流清洗应用范围广。不管是管道和容器内腔, 还是设备表面, 只要水射流能够直接射到的部位, 都可以使污染物迅速脱离粘结的母体。 (7) 高压水射流清洗与化学清洗相比, 不会产生有害物质, 同时不会对环境构成污染, 作业区的空气粉尘通过水射流物化后还能够进一步降低浓度, 对环境起到保护的作用。
2.3 高压水射流技术研究现状
人们在很早的时间就开始利用很高压力的水进行材料的加工和切割。1870年前后, 美国在加利福尼亚的金矿中用增压后的水流开采矿石, 俄国人也曾用水采煤。1971年第一台商用水切割试验机在杰克逊的阿尔顿纸品公司投入应用, 用于切割层压纸管, 其厚度达到12.7mln (0.sin) , 并且可以在纸管上切出各种形状。目前许多国外的公司用高压水切割各种材料, 甚至用于军舰制造。
高压水除用于切割之外, 还可用于除锈、清洗, 以及建筑与道路施工等方面, 涉及到造船、航空、汽车、机械制造、轻工、城建等许多行业。新型射流的应用和研究得到很快的发展, 在落煤、破岩、船舶除锈、喷射钻井、机场除胶和除漆等得到极为迅速的推广。
2.4 高压水射流技术未来的发展趋势
(1) 低价格。高压水射流清洗自上世纪八十年代引进以来在中国已有二十余年的发展。在技术引进之处, 高压水射流以明显的技术和成本优势占有了市场, 并取得了巨大的经济效益。然而, 二十余年的发展过程中, 随着技术的成熟与人们对这个领域的逐步了解, 各种各样的高压水清洗公司纷纷建立, 市场竞争越来越激烈。但是整体来看, 目前的竞争主要体现在价格战的低端竞争上, 在保证利润的情况下就要压缩成本就成了必然之选。 (2) 高技术。现有的高压水清洗企业良莠不齐, 许多厂家只是代理国外的清洗设备直接卖给需要的化工企业或者其他清洗目标企业, 结果往往由于设备与被清洗机械部匹配导致无法清洗或者清洗不达标。这就提醒国内的高压水清洗行业要提高自身的研发能力来面对国内各种各样不同的清洗状况制定不同的清洗方案。同时, 由于竞争的存在, 清洗目标企业对清洗的质量也越来越关心, 而且, 清洗目标企业在清洗期间往往要停用目标设备, 所以清洗的时间也是他们非常关心的, 而技术的提高往往有利于这两方面问题的解决, 于是能更好的提高市场占有率。 (3) 宽领域。高压水射流清洗一开始就只出现在工业清洗的领域, 由于其对环境无污染而且介质是水方便获得, 在工业清洗领域迅速的拓展, 从化工、煤炭到电力以及除锈、喷涂预处理。高压水射流技术的广泛适用性还应该在民用清洗领域继续拓展, 比如高层的建筑楼外清洗以及广场地面黏着物。 (4) 严规范。国外的清洗施工都有严格的规程控制清洗操作, 而国内由于市场规范还不严格, 往往不注重这方面的监管。而高压水是具有高能量的水流, 一旦直接接触人体, 极容易发生危险。而且由于清洗的目标设备往往比较大, 存在高处作业的可能, 如果是石化企业中的清洗项目则存在燃爆的隐患。与经济发展相比, 人身安全是要放在首位考虑的, 相信国家有关方面会进一步加大清洗行业的安全工作, 而相关的企业也要做好这方面的工作, 让工人, 目标企业都放心。 (5) 寻求多方面技术合作。高压水射流只是一个单一的技术手段, 也有其自身的局限性, 比如无法清洗复杂管路、易燃易爆品清洗流程过于复杂。从长远来讲, 由于以后清洗环境的多变, 以及新的清洗难题的产生, 各种技术必然要有一个组合使用的趋势, 才能努力使所有问题都有恰当的解决方案。
3 总结
高压水射流与激光束、电子束和等离子束统称为高能束加工技术, 其中高压水射流足唯一的冷切割加工技术。高压水射流不仅可以切割各类金属、非金属、塑性或脆性硬材料, 而且工艺简单, 工件材料的物理、机械性能不会破坏。在各种新材料与复合材料相继涌现的当今时代, 高压水射流的冷切割性能是无与伦比的。
参考文献
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磨料水射流除锈技术仿真研究 篇2
金属的锈蚀在日常生活和工业领域中是不可避免的问题, 锈蚀一旦发生, 会对金属工件产生极大的损害, 锈蚀程度会随着时间的推移由轻变重, 同时锈蚀范围也会由工件表面向工件内部蔓延, 直至使整个工件彻底锈蚀[1]。因此, 研究一种高效的除锈方法是十分有必要的。除锈的方法种类繁多, 侯玟, 张传俊[2]针对应用比较广泛的诸如高压水射流、酸洗、喷砂等几种除锈方法进行了概述, 说明了各种除锈方法的优缺点。常用的手工除锈、气动喷砂除锈、化学方法除锈等存在着效率低、污染环境等缺点, 磨料水射流技术便是针对于这些问题在近20年来发展起来的一种高效环保除锈方法[3]。
磨料水射流冲蚀靶板, 去除靶板表面材料起主要作用的是磨粒, 水的作用主要是将其动能传递给磨粒, 使磨粒保持一个很高的速度[4,5]。侵蚀是一个非常复杂的过程, 它取决于磨粒的冲击速度、冲击角度、形状以及尺寸[6]。针对固体磨粒侵蚀的研究很多。谢文伟, 邓建新[7]等人分别对Finnie微切削理论、Bitter变形磨损理论、弹塑性压痕破裂理论这3种常见的冲蚀磨损理论进行了分析, 认为没有一个模型能准确的预测材料的抗侵蚀能力。王明波, 王瑞和等人[8]基于有限元理论, 对单个磨粒冲击岩石过程进行了数值模拟, 得到了不同冲击速度, 冲击角度情况下, 岩石冲蚀体积的变化。吴晶华, 汤文成等人[9]运用LS-DYNA求解器数值模拟了单粒子冲蚀过程, 发现冲蚀角度、冲蚀速度不同时, 冲蚀后冲蚀坑的形状也不同, 通过比较不同工况下冲蚀结果, 以得出最优冲蚀条件。M.Junkar等人[10]运用有限元软件对磨料水射流加工工艺中单粒子冲击不锈钢的过程进行了数值模拟, 得到了冲击角度以及磨粒速度对侵蚀作用的影响, 数值模拟的结果跟实验验证的结果也能得到很好的吻合。大多数文献都停留在单粒子冲蚀作用的研究上, 没有考虑冲蚀实际上是多粒子连续作用的过程。
针对这一问题, 本研究采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件, 模拟多粒子连续冲击目标靶板过程, 分析研究材料去除机理。
1 多粒子连续冲击靶板有限元模型
1.1 控制方程
(1) 质量守恒方程:
式中:V—相对体积。
式中:ρ0—磨粒初始密度, ρ—磨粒当前密度。
(2) 动量守恒方程:
式中:σij—柯西应力, fi—单位质量介质体积力, ẍi—磨粒加速度。
(3) 能量守恒方程:
Ė=Vsijε̇ij- (p+q) V̇ (4)
式中:sij—偏应力张量。
且:
式中:p—流体压力。
且:
式中:ε̇ij—应变率张量, q—粘性力, δij—Kronecker记号。
1.2 物理模型的建立及网格的划分
因为所研究的问题是轴对称的, 为了节省计算时间, 本研究建立的半个物理模型如图1所示。这里首先建立了3个粒子以30°冲击角侵蚀靶板的物理模型, 之后以同样的方法建立不同粒子数目、不同冲击角度的物理模型。目标靶板的尺寸分别为:长0.6 mm, 宽0.3 mm, 高0.25 mm;磨粒的直径为0.1 mm。
本研究采用SOLID164实体单元, 划分六面体网格, 小球和靶板单元大小都设置为0.01 mm, 网格划分后模型单元总数为48 072, 其中每个小球单元数为1 024, 靶板的单元数为45 000;模型节点总数为52 889, 其中每个小球节点数为1 241, 靶板的节点数为49 166。
1.3 磨粒和靶板材料模型及参数的确定
目标靶板选用材料为45#钢, 由于粒子高速侵彻靶板过程会引起目标靶板产生很大变形, 以及很高的应变率, 笔者选用能描述这些材料特性的JohnsonCook材料模型, 该材料模型可以用来描述大部分金属材料。其材料模型参数如表1所示。本研究磨粒选用Si C, 材料模型选用线弹性模型, 其材料参数如表2所示。
1.4 接触算法及边界条件的设定
在定义磨粒与钢板接触之前, 本研究首先将每个小球都设置为独立的Part, 然后将各个小球分别与靶板定义接触。Si C磨粒与钢板之间接触设为面面侵蚀接触。
考虑到几何模型的对称性, 在对称面上设定对称约束。本研究利用一个有限的几何体模拟一个比较大的空间, 在靶板外壁面上设置非反射边界条件, 用于阻止在边界上产生的人造应力波反射, 阻止其重新进入模型并影响模拟结果。
2 仿真结果与分析
2.1 磨粒个数对冲蚀的影响
笔者取磨粒冲击速度130 m/s, 冲击角度90°为例, 研究其对目标靶板同一位置连续冲击6次的情况。
多次冲击后塑性应变图如图2所示。由图2可以看出, 磨粒以一个很高的速度在极短的时间内冲击目标靶板, 磨粒冲击靶板后, 动能迅速转换为压能, 产生极大的塑性应变, 使得靶板表面产生变形, 形成如图所示的凹坑。从图2中不难发现, 靶板受冲击后, 凹坑最深处塑性应变极大。锈层是一种松脆多孔的物质, 其在钢材表面的附着力也不是很大, 所以在如此大的冲击压力下, 钢材表面的锈层一定会被除去, 并且冲击压力还会对钢材表面产生一定的塑性强化作用。
观察对比粒子多次冲击后的靶板塑性应变可以发现, 在粒子与靶板接触的地方, 应变比较大, 随后呈半球型向外扩散, 并且越来越小。刚开始, 随着冲击次数的增加, 塑性应变区域逐渐增大, 到了第5、6次冲击后, 几乎就没有变化了, 这表明经过一定次数冲击后, 目标靶板去除量达到了一种稳定的状态。
冲击角为60°情况下, 磨粒速度以及个数对冲蚀磨损率的影响如图3所示。这里为了描述磨粒对目标靶板冲蚀磨损情况, 笔者引入冲蚀率的概念。冲蚀率是指单位冲击质量下材料的体积去除大小, 其数值上等于材料的去除体积除以冲击磨粒的总质量。从图3中可以看出, 随着冲击次数的增加, 冲蚀率的分布规律具有一定的相似性。侵蚀率随着磨粒速度的增加而增大, 这是因为高速度的磨粒具有很高的动能, 对靶板的冲蚀磨损必然增加。在前几次冲击中, 随着冲击次数的增加, 侵蚀率呈逐渐增大的趋势, 到了第5、6次冲击之后, 侵蚀率逐渐减低。这也能够说明经过一定次数冲击后, 目标靶板去除量达到了一种稳定的状态。
冲击角为60°情况下, 磨粒速度以及个数对冲蚀深度的影响如图4所示。从图4中可以看出, 随着冲击次数的增加, 冲蚀深度的分布规律具有一定的相似性。冲蚀深度随着磨粒速度的增加而增大。在开始的5、6个磨粒冲击情况下, 随着冲击次数的增加, 侵蚀深度急剧增加, 随后曲线变得平缓, 增加速率开始降低。这再一次说明经过一定次数冲击后, 目标靶板去除量达到了一种稳定的状态。接下来, 本研究都取磨粒个数为6的情况加以研究。
2.2 磨粒冲击角对冲蚀的影响
冲击角分别为30°、45°、60°、90°情况下, 冲蚀坑的形状图如图5所示。从图5中可以看出, 随着冲击角度的增加, 冲蚀坑的深度不断增加, 但是面积却不断减小。这是因为, 随着角度的增加, 磨粒垂直方向的速度分量增加, 从而侵彻的深度也就增大。磨料速度和冲击角度对侵蚀深度的影响如图6所示。从图6中可以看出, 冲蚀坑的深度随着磨料速度和冲击角度的增加而增大。在30°~60°内, 侵蚀深度几乎呈线性增加, 随后增加比较缓慢, 到90°时达到峰值。这是因为磨料的冲击角度、速度越大, 具有的能量越大, 对靶板的冲击作用越大, 自然侵蚀深度也就越大。
磨粒冲击角度对冲蚀率的影响如图7所示。从图7中可以看出, 侵蚀率在60°的时候达到峰值。
2.3 磨粒直径对冲蚀的影响
磨粒直径大小对靶板侵蚀体积的影响如图8所示。从图8中可以看出, 侵蚀体积随着磨粒直径的增加呈非线性增长趋势。因为随着磨粒直径的增加, 动能相应增加, 造成靶板去除量增加。
磨粒直径大小对靶板侵蚀深度的影响如图9所示。从图9中可以看出, 侵蚀深度随着磨粒直径的增加几乎呈线性增长趋势。同样是因为磨粒动能随着直径的增加而增加, 对靶板的冲击作用加大, 从而造成侵蚀深度增加。但是实际情况中由于受到喷嘴出口直径的限制, 磨粒的直径也不能太大, 否则会对喷嘴造成磨损, 反而得不到预期的效果。
3 结束语
笔者研究了磨粒不同入射参数下对靶板的侵蚀作用, 并得出了如下结论:
(1) 材料侵蚀率随着冲击次数的增加而增加, 但是一定次数冲击后, 目标靶板去除量达到了一种稳定的状态;
(2) 随着冲击角度的增加, 侵蚀深度增加但是侵蚀面积减小, 冲击角为60°时侵蚀率最大;
(3) 随着磨粒直径的增加, 侵蚀深度及侵蚀体积逐渐增加。
参考文献
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水射流导向激光技术 篇3
随着现代社会对清洗行业提出的效率、洁净率及环保要求的不断提高, 高压水射流清洗技术的普及应用成为工业清洗的必然趋势。
一、高压水射流清洗技术的特点
美国、德国、日本、英国、法国、澳大利亚等发达国家利用高压水射流进行清洗已占到工业清洗80%~90%的市场份额。作为一种先进的物理清洗方法, 高压水射流清洗具有多方面的优势:
(1) 无环境污染。高压水射流以自来水或工业用水为介质, 无味、无色、无臭、无毒, 对环境没有任何污染, 属于环保型清洗方法。
(2) 不腐蚀金属。水射流中没有任何酸、碱药剂等添加剂, 既不腐蚀金属, 又不损坏管路及设备, 延长了设备的使用寿命。
(3) 应用范围广泛。凡是水射流直接射到的部位, 不论是管道、容器罐体的内外壁、建筑物的表面, 还是坚硬结垢物、致密堵塞物, 皆可迅即被击碎剥落, 脱离粘结母体, 清洗干净。对设备、设施大小、形状、材质及垢物种类均无特殊要求, 故其应用范围极其广泛。
(4) 打击效率高、清洗成本低。以廉价的水为介质, 对任何结垢物及堵塞物, 只要水射流的压力、流量选择合适, 喷射枪具选型合理, 就能进行高速有效清洗, 获得低成本、高效率的双重效果。
(5) 节水又节能。水射流清洗属于高压细射流清洗。喷嘴喷头的孔径只有0.5~2.5mm, 射流直径也以毫米计算, 每小时只消耗3~5m3的水, 用过的水还可以回收。故高压水射流清洗机属节水节能设备。
由于上述高压水射流清洗的特性, 高压水射流清洗在国内外, 无论是在工矿企业还是在市政工程, 无论在服务行业还是在机关单位, 都能获得广泛的应用。
二、高压水射流清洗技术在发达国家中的发展状况
高压水射流清洗技术在发达国家中广泛应用, 应用最普遍的是美国、德国和日本, 他们的热交换器、工业锅炉、大型容器和罐体、物料输送管道、设备表面等清洗作业几乎全部使用高压水射流技术。在很多特种清洗作业中, 诸如轮船船体的除焦除藻、飞机跑道的除漆除胶、核电反应堆的除垢除污、特殊钢厂的铸件清砂、轧件除磷等, 也多采用高压水射流技术。
经过多年的发展和进步, 这些国家的高压水射流清洗工艺水平都比较高。借助很多先进的周边设备, 使高压水射流清洗作业中的喷射枪具的旋转和推进实现了机械化和自动化。他们采用的高压柱塞水泵, 单级压缩可达到300MPa, 即使不加磨料也可实现设备除鳞除锈、除氧化皮的要求。重要的清洗参数, 如清洗机的压力、流量和功率, 也可根据清洗对象的要求随时调节至最合适的状态。并且高压水泵的质量比较高、易损件的寿命也比较长, 在国际上受到普遍欢迎。
高压水射流清洗中配套使用的高压胶管, 最小外径可达到6~8mm, 通常可承压100~300MPa, 有的甚至可达到300~600MPa。
他们使用的喷嘴、喷头和喷枪就有数百种之多, 分别编辑成册, 可根据清洗对象优化选用, 以便获得最佳的使用效果。这些喷射枪具都由专业厂家生产、供应。为了提高清净率, 多用二维或三维旋转的喷头、喷嘴, 喷嘴、喷头的推进形式有喷射反力自进、液压旋转推进及外力牵引推进等。另外, 还有各式各样的空间辅助变位机构、清洗罐体的多维空间变幅机构、清洗排污管道的纵向牵引机构等。当前, 在美国最先进的送进机构是爬壁机器人, 它可以在大型金属构件及建筑物表面纵向、横向自由地爬移, 以便顺利和灵活地在这些平面上除漆、除锈和清除各种结合物及粘结物。
三、高压水射流清洗技术在我国工业中的应用现状
在我国, 使用高压水射流技术做工业清洗的单位也有很多。我国高压水射流柱塞泵大型生产企业有十几家, 分布在天津、辽宁、江苏、四川和陕西等地。高压水射流清洗机的生产厂家多为大型柱塞泵的制造厂家。
目前在我国正常服役的大型高压水射流清洗机有上万台, 每年投入生产使用的也有上千台。一级压缩最高压力可达280MPa, 高压水流量由每分钟几十升到几百升不等。我国高压水泵厂的生产潜力很大, 随着清洗机用户的增加, 他们可以提供大量的水泵。与之配套的柴油机、电机、配电柜等设备, 也都能满足生产与使用要求。
清洗机主要用户分布在石油、化工、发电、炼油、动力、酿造、造纸、橡胶、冶金、制药及市政工程等行业或部门。若我国大中城市及大中型企业都使用大型高压水射流清洗机, 需要量将成倍增加, 因此, 其在我国清洗机制造及使用潜在市场都很巨大。
我国大型高压水射流清洗机重量多在2~3t, 主要用来清洗城市上下水管道、工矿企业排污及物料运输管道、各类热交换器、工业锅炉、大型容器和罐体、大型设备表面和建筑物外墙等。高压水射流工业清洗在我国已初步形成产业, 并且每年大约以10%~20%的速度增长。
四、我国高压水射流清洗存在的问题
高压水射流清洗机在我国应用已有二、三十年的历史, 在很多大中型企业中起着骨干清洗作用。但目前毕竟高压水射流清洗技术还处于发展阶段, 还不够成熟, 存在下列一些问题。
1. 整机设计问题
整机由动力机械 (柴油、电机) 、高压泵组、水箱、配电柜、高压胶管、电缆、低压水管、脚控阀、机械室、底盘行走机构、喷枪喷头等部件所组成。就整机而言, 目前尚存在以下几个问题。
(1) 整机配置不够完善。整机供给用户应当接水接电即可工作, 但很多清洗机厂家提供的部件种类不全、数量不足, 随带枪具不能满足用户多种用途的需要。
(2) 系统参数缺乏优化设计。系统参数优化的目的是在额定压力、额定流量、额定功率的前提下, 获得最大打击效果和清洗效率。这就要求清洗机在额定状态下工作。但在实际上, 由于高压胶管规格使用不当, 清洗结垢物对象与清洗机主要参数不符合, 喷嘴、喷头的孔径、孔向与主参数不一致等情况, 整机工作经常事倍功半, 甚至在很小的功率下作业, 使整机功能白白浪费。
2. 高压泵质量问题
高压泵是高压水射流的发生装置, 是清洁机整机的作业核心。工作时高压泵作业正常, 则整机工作基本正常。但在实际工作中经常出现高压泵部件的质量问题, 如运动件耐磨性差、高压胶管非正常破损等问题, 以及喷射枪具性能问题、寿命问题、种类欠缺问题等, 都会影响清洁机的工作效能。
3. 操作维修人员作业资格问题
高压水射流设备是高风险作业装置。高压水射流象高速子弹一样, 能击穿坚硬结垢物和堵塞物, 也能击穿和截断人体和设备, 作业人员应当像防范子弹一样防范水弹, 避免高压水射流伤人和损坏设备。因此, 作业人员必需经过正规、严格的培训并在完全合格之后再持证上岗。但在目前, 我国上万台清洗机的操作者和维护者大部分是无证上岗, 存在着严重的安全隐患, 这已成为相关企业和管理机构必须解决的安全问题。
五、我国高压水射流工业清洗的发展前景
工业厂房的维护、设备的运行与维修都离不开工业清洗。采用高压水射流的方法进行清洗, 目前在国际和国内都处于主导地位, 清洗所占比重约为整体清洗的80%~90%。因此, 高压水射流技术的进一步研究、高压水射流理论深入发展都显得十分重要。
水射流导向激光技术 篇4
关键词：油泵壳,高压水射流,清洗,工艺参数
0 引言
DQ380油泵壳是汽车直接换挡变速器的关键零件, 其清洁度直接影响直接换挡变速器的可靠性和使用寿命。由于其复杂的油路通道、厚薄不均的壁厚布局、型腔较多的结构特点及较高的尺寸精度要求和极高的清洁度质量要求, 所以对清洗方式及工艺也提出了严格要求。
鉴于传统清洗方法的缺点与限制, 针对DQ380油泵壳零件较高的清洁度质量要求, 结合产品结构特点和生产工艺流程, 开展高压水射流清洗技术及工艺研究, 以满足产品大批量生产条件下高清洁度质量要求。
1 油泵壳结构及质量要求
1.1 结构特点
材质为FC250, 外形尺寸 (长×宽×高) 约160 mm×130mm×120 mm。外表面为铸造面、精加工的平面和孔端面, 内腔为精加工的平面、孔和铸造孔腔组合而成, 具有复杂的油路通道、较多型腔和壁厚厚薄不均的结构特点。结构示意如图1所示。
1.2 清洁度质量要求
内腔颗粒度≤0.3 mm;外表面颗粒度0.3~0.6 mm的数量≤5个, 没有0.6 mm以上的颗粒;颗粒总重量<1.0mg (内腔+外表面) 。
2 油泵壳清洗技术现状
DQ380油泵壳结构及内外表面形状复杂, 其在装配前要经过铸造、孔和面的机械加工、清洗、干燥等工序。油泵壳铸造过程中复杂的型腔和孔腔表面会形成粘砂和毛刺等缺陷, 机械加工后内外表面特别是孔腔内部会残留有难以去除的油污、碎屑和毛刺。
2.1 油泵壳清洗技术现状
常用的工业清洗方法主要有超声波法、水处理法、化学法、干冰法和饱和蒸汽法等, 每种清洗方法都有其特点及各自适用领域[1]。目前对像油泵壳此类表面形状复杂且多孔腔零件的清洗工艺和清洗设备研究的不多, 实际清洗过程中存在如下问题:
1) 浸渍振动清洗时, 因油泵壳表面上孔、腔数目较多且有的孔径较小, 故在浸入清洗过程中, 部分孔腔中的空气来不及排出, 造成清洗液不能与这些孔腔的内表面充分接触, 同时清洗液对工件表面的冲刷力也较小, 从而导致清洗时不能完全清除工件表面及其上孔腔中的碎屑和油污[1]。如果延长浸泡和清洗时间或使用具有较强去污能力的有机清洗剂, 则会降低效率或增加清洗成本。
2) 超声波清洗时, 因超声波能量传递的衰减原理, 再加上波的折射和反射等影响因素, 真正到达并进入工件孔、腔内的能量就很少, 同时清洗液流动时产生的冲刷力也较小, 从而会导致油泵壳零件孔、腔内的油污及碎屑不易清洗出, 效果不理想。
3) 低压喷淋清冼时, 因压力较小, 导致喷淋液流不能有效地对油泵壳孔、腔内有较强粘附力的油污和碎屑进行有效的剥离去除, 清洗效果较差, 同时去除毛刺的效果也较差。
4) 油泵壳弯曲孔、腔内毛刺的去除比较困难, 人工去除毛刺费时费力, 自动化程度极低, 严重影响生产效率, 且质量极不稳定。为提高生产效率, 需在工件清洗的同时去除毛刺, 但是采用浸渍振动清洗、超声波清洗和低压喷淋清冼均不能满足产品质量要求。
2.2 高压水射流清洗技术发展及现状
高压水射流清洗技术是将携带高能的水射流喷射到被清洗物体 (基体) 上, 使一种或多种材料 (附着层) 从另一种物体 (基体) 表面上脱离下来, 完成清洗作业的技术。与传统的人工清洗、机械清洗、化学清洗等方法相比, 具有效率高、无污染、综合费用低、节能、不腐蚀损伤基体, 易于实现自动化和智能化控制等诸多优点, 可清洗形状和结构复杂的零部件[2]。
鉴于国内多个专业清洗厂家对油泵壳清洗后清洁度检测结果均未满足要求, 所以目前还没有能够满足批量生产和高清洁度质量要求的集清洗、去毛刺一体化的清洗设备。
3 油泵壳高压水射流清洗技术研究
油泵壳高压水射流清洗技术研究内容主要包含:1) 确定清洗方式并制定清洗工艺流程;2) 确定高压水射流清洗的压力、流量、喷嘴直径、靶距等主要技术参数。
3.1 清洗方式及工艺
鉴于高压水射流技术的清洗优点, 根据油泵壳零件的结构特点和清洁度质量要求, 清洗方式选用高压水射流清洗。清洗工艺分为表面清洗和内腔部位定位清洗, 对应所用喷嘴为平面喷嘴和L型喷嘴。由于平面喷嘴清洗时喷射出的高压水射流束覆盖面积限制, 需要设定合理的清洗工艺路线, 以便实现对外表面全方位的高效快速清洗;同时, 内腔部位包含有深孔表面和多型腔复杂弯曲孔道表面, 清洗时需要采用L型喷嘴首先对应每个内腔部位进行定位, 然后做圆周运动或同时做包含旋转和伸缩进给运动的定位清洗。
平面喷嘴进行表面清洗和L型喷嘴进行内腔清洗的原理示意图如图2、图3所示。
根据研制开发的五轴 (X、Y、Z轴移动, Z、A轴旋转) 联动高压水射流清洗专用设备, 采用加工中心数控系统, 具有自动更换喷嘴功能, 清洗工艺路线如下:
1) 表面清洗。通过定位夹持工件的A轴0°、90°、180°、270°4个旋转工位及平面清洗喷嘴沿X、Y、Z三轴移动和同时沿Z轴旋转, 即可完成油泵壳零件表面的高压清洗作业。
2) 内腔清洗。通过定位夹持工件的A轴0°、90°、180°3个旋转工位及L型清洗喷嘴沿X、Y、Z三轴移动, 同时结合对应较大孔腔时Z轴 (即L型喷嘴) 旋转清洗和较小孔腔时Z轴 (即L型喷嘴) 定位清洗的设定程序, 即可完成油泵壳零件内腔的高压清洗作业。
图4、图5分别为油泵壳工件单个工位表面清洗和内腔清洗的典型工艺路线。
3.2 主要技术参数
1) 压力。清洗压力的大小直接影响清洗效果, 需根据工件结构复杂程度、被清洗表面污物的粘附强度、工件毛刺的厚度和位置而定。油泵壳加工精度较高, 毛刺厚度从几十微米到一百微米之间, 根据文献[3], 确定清洗压力为35 MPa, 则型腔和孔道表面上的粘砂和毛刺, 机械加工过程中内外表面上的油脂油污、碎屑和毛刺均可以完全清洗去除。
2) 流量。流量的确定与清洗对象的大小、压力的大小、喷头是否要求旋转、工作内容等因素有关。由于表面清洗时清洗对象面积较大, 喷头旋转, 且为了提高清洗效率, 故选用大流量, 确定为35 L/min。内腔清洗为定位清洗, 清洗对象面积小, 喷头不旋转, 故选用小流量, 确定为20 L/min。
3) 喷嘴直径。为保证高压水射流发生系统达到最佳工作状态, 使清洗效果最好, 喷嘴直径必须根据清洗时的射流压力和流量进行精确计算, 其经验表达式为[4]:
式中:d为喷嘴内径, mm;Q为流量, L/min;P为射流压力, MPa;n为喷嘴孔数;μ为喷嘴结构系数, 0.6~0.7。
由于表面清洗喷嘴数有2个, 内腔清洗喷嘴数有4个, 通过计算, 并根据实际加工工艺要求及应用经验, 确定平面清洗喷嘴和内腔清洗喷嘴的内径分别为1.5 mm和0.8 mm。
4) 靶距。研究发现, 存在一个最佳距离可使高压水射流清洗的效果达到最佳。根据实际应用经验, 当靶距大小约为喷嘴直径的100倍时, 高压水射流对污物的打击作用最强, 清洗效果也最好。故确定平面清洗和内腔清洗时的靶距分别为150 mm和80 mm。
3.3 清洁度检测
采用上述确定的高压水射流清洗工艺路线及技术参数对DQ380油泵壳零件进行高清洁度清洗后, 经过G-Kem公司的PCC-80S零件清洁度检测设备检测, 清洁度检测结果完全符合正规设计图样规定的清洁度质量要求。
4 结论
技术研究和检测结果表明, 高压水射流技术应用于DQ380油泵壳清洗, 较好地解决了产品零件的高清洁度质量要求问题。
目前高压水射流清洗技术正朝着高效、多功能、智能化、精细化方向发展, 开展高压水射流高效应用机理及流体、数控、机器人等多方面综合技术研究, 进行船舶、石油、铁路、工程机械、汽车等多领域应用的高压水射流清洗集成化专业设备的开发, 将具有广泛的应用前景。
参考文献
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水射流导向激光技术 篇5
自古以来，人们把水比做柔软的物质，而大雨过后田地间由雨水冲击山的水沟，河道山口久而久之便冲积成了三角洲，由河水长期冲击，形成的鹅卵石等现象使人们认识到水流能使材料破裂、流动、去除、抛光等。随着科学技术的发展，人们赋予比雨水和河水更为强大的冲击力使持之以恒才能观察到的现象在瞬间便可完成，这便是水射流。高压水射流技术是近几十年来发展起来的一项新技术，是以水为介质，经高压发生装置使水获得巨大的动能，通过特定形状的喷嘴喷射出具有极高能级密度的射流。具有清洁、无热效应、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全方便等优点。目前，在机械制造业中高压水射流技术多见于切割、清洗、抛光及喷丸等领域。
2 高压水射流技术的发展
高压水射流技术这一概念发源于二十世纪五十年代的前苏联，到20世纪60年代初，美国、美国、英国、日本等国加大科研投入力度研究开发超高压水射流技术。历经多年科研攻关，1971年美国设计制造出了世界上第一台超高压纯水射流切割机，由于采用纯水射切割，切割能力受到很大的制约，其切割范围仅限于木材、泡沫、布匹、塑料、橡胶等软材质材料[1]。鉴于此，为提高高压水射流的切割能力、扩展应用范围，1982年美国设计制造出了超高压磨料水射流切割机，随后英国和意大利等国也相继制造出了磨料水射流切割机。这样高压水射流的应用范围从先前的软质材料切割拓展到了各种硬质材料，如各种金属、玻璃、陶瓷、硬质合金、大理石及花岗岩等几乎所有材料，并且成功地应用到抛光砖的切割过程中。
回顾水射流技术的发展历程，大体上可以分为5个阶段[2]。
第一阶段：20世纪60年代初，受当时纯水射流切割能力的限制，主要研究低压水射流采矿。60年代初，我国和前苏联将其应用于水力采煤，其中我国在开滦唐家庄矿成功地运用水射流的冲击和输送作用进行水枪落煤。
第二阶段：20世纪60年代至20世纪70年代初，高压泵、增压器和高压管件的研制得到了极大的发展，当时可生产400MPa以上的柱塞泵、1700MPa以上的增压器和与之相配套的高压管件。与此同时，高压水射流清洗技术得到了推广应用。
第三阶段：20世纪70年代至20世纪80年代初，由于高压水射流技术的突飞猛进，其应用领域由采矿、清洗发展到除锈、切割、抛光、喷丸等其它行业，大量利用高压水射流技术的切割机、抛光机、清洗机相继问世。
第四阶段：20世纪80年代至20世纪90年代中，为提高高压水射流的喷嘴出口压力及拓展应用范围，先后出现了前混合磨料水射流、后混合磨料水射流、空化水射流及自激振荡水射流技术，并研制成产出以高压水射流为核心技术成套设备，如前混合磨料水射流切割机、高压水射流钢管内磨机等。
第五阶段：20世纪90年代后机器人多维切割、井喷管口切割、干冰切割技术问世，更重要的是，此种方法能够进行计算机控制，实现切割的智能化和精准化，满足各种复杂的工况条件，实现了钛合金、复合材料等的高效切割。此外高压水射流技术在材料表面加工上的优势凸显，如水射流喷丸和水射流抛光等技术。
3 高压水射流在机械制造行业中的应用
3.1 水射流切割技术
水射流切割的可能性来源于苏联，但第一项切割专利技术却在美国产生[3]，即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼弗二兹博士获得，并用于麦卡特尼制造公司，第一台商用水射流切割装置产生于1971年，后来卖给田纳西州阿尔顿纸箱公司纸管车间，用于切割12mm厚的家具用压层纸管。1974年美国流体工业公司山售了第一套工业用水射流切割系统[4]，并于1983年率先研制成功磨料水射流切割技术及设备。目前已有3000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业得到应用，尤其在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术领域更显优势。尤其新材料(如陶瓷、复合纤维材料)的发展促使了水射流技术和设备的不断进步，已可切割500余种材料，其设备年增长率超过20%[5]。我国上世纪八十年代航空航天部引进了超高压水射流设备，仿制与研究相结合，用于加工航空复合材料及铁板等，上世纪八十年代后期和九十年代初国内自行研制成功了超高压水射流切割系统。
超高压水射流切割系统在切割过程中，水经增压装置加压后在喷嘴处出口速度可达音速的2倍～3倍，可切割各种金属材料、陶瓷、大理石等。与传统金属切割、火焰切割、线切割及等离子弧切割工艺相比，具有以下优点[6]：
(1)高压水射流切割效率高，切割材料范围广，可切割各种软、硬、韧、脆性材料，如加配软件可实现数控切割，切割精度高；
(2)高压水射流切割表面质量高，高压水射流切割为无接触的冷切割，被切割材料切口处组织结构性能不发生改变，切割表面光滑且切缝窄；
(3)高压水射流切割具有“冷、软”加工特性，由于高压水射流切割其切割介质为水，切割过程中无机械切削力，切割温度低，无热影响区和热变形；
(4)高压水射流切割易于实现数字化控制，高压水射流切割喷头质量小，便于实现数字控制，且水射流切割是全方位点切割器，无预制孔，控制系统简单，数控操作便利；
(5)高压水射流切割易于实现远距离独立操作，由于水射流切割最终执行机构是喷头，可利用高压管线与辅助设备相连，操作灵活；
(6)可实现绿色无污染切割，由于高压水射流切割介质为水，来源充足且对环境无污染、安全、绿色、环保。
正是由于高压水射流切割具有以上优势，目前其广泛应用于航空航天、汽车制造、军工、电子行业中，主要用于切割难加工材料、复合材料、层叠金属等常规切割工艺无法实现材料，另外还应用于切割炸药和废旧核设施的拆除。
3.2 水射流清洗技术
高压水射流清洗技术是20世纪70年代在高压水射流技术上发展起来的一项新的清洗技术，是将携带高能的水射流喷射到被清洗物体基体上，使一种或多种材料(表层附着物)从另一种物体(基体)表面上脱离下来，完成清洗作业的技术。水射流清洗技术属物理清洗方法，可去除用化学方法不能或难以清洗的特殊垢层，也可根据不同清洗对象和要求，采用不同的射流形式和执行机构，利用高压水射流的冲击动能，连续不断地将污垢从基体表面剥离、切除，达到清洗基体的目的。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、微生物污垢、高分子聚合物污垢等。
与传统清洗方式相比其优势为：
(1)当选择适当的水射流喷射压力时，不会损伤被清洗基体；
(2)由于所使用的介质为不添加任何化学物质的常温水，被清洗基体不会产生腐蚀现象，清洗过后被清洗基体无需采用化学清洗后的二次清洗处理；
(3)能清洗形状和结构复杂的零件，由于水射流喷头质量小，可实现机械化、自动化和智能控制，易于清洗异形件和复杂结构件；
(4)清洗效果好、能耗比低、噪音小、不污染环境；
(5)清洗速度比传统的化学方法及机械方法高出5倍～10倍[7]；
(6)可在狭窄空间、环境复杂、恶劣有害的场所方便地完成常规清洗难以完成的清洗作业，如较长管道的内壁清洗除垢，小口径大容器的内部清洗以及有发生爆炸危险物的清洗等。
由于水射流清洗技术在工业清洗领域的独特优势，使其一经问世，便得到了高速发展，目前，在工业发达国家高压水射流清洗已经成为主要清洗技术，在清洗业市场上占据了主要份额。如美国石化企业在换热设备时，采用高压水射流清洗的占80%以上，而化学清洗的比例仅仅不足5%[1]，其在机械制造业中的应用主要有：机械加工设备及模具的清洗、发动机燃烧室壳体的清理、金属构件除锈、各种管路的清洗、铸件清砂、去毛刺及钢厂除鳞等。
3.3 水射流抛光技术
抛光技术又称镜面加工，是制造平坦而且加工变形层很小、无表面擦痕的平面加工工艺，抛光不仅增加工件的美观，而且能够改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特殊性能。传统的抛光技术在抛光工具头无法触及的异形曲面、细长管件或者特殊材料的工件时，实行抛光加工的难度极大，甚至无法加工，水射流抛光技术便因此孕育而生。水射流抛光技术多见于磨料水射流，其基本工作原理是混有细小磨料颗粒的抛光液通过喷头高速喷向工件表面，利用高速磨料颗粒的剪切作用，通过控制喷头喷射时的喷射压力、喷射角度、靶距及作用时间等工艺参数来完成工件表面的抛光。
与传统抛光工艺相比，水射流抛光技术具有以下特点：
(1)水射流抛光的磨具为液态磨具，不存在磨具磨损的问题，去除函数保持恒定，面形精度易于控制，可不破坏零件原有的尺寸精度，而达到较高的表面光度；
(2)由于水射流抛光头为液体住，容易对存在狭窄部位、深凹槽部位及特殊复杂表面进行抛光，抛光特性不受工件位置的影响，应用范围较广，既可用来加工金属材料，也可以加工非金属材料；
(3)水射流抛光属于冷加工范畴，加工时对材料无热影响，抛光时无火花，工件不会产生热变形和热影响区，对抛光热敏感材料尤为有利，同时由于在抛光过程中抛光液不断循环流动，可自动清除加工下来的碎屑[8];
(4)抛光时噪声低、无尘、无毒、无味、安全、卫生，有利于环境保护和操作者的健康，抛光液基本不损耗，可重复使用，实现了绿色抛光；
(5)抛光“磨具”为高速高压液体，抛光过程中不会磨损，减少了磨具准备、刃磨等辅助时间，提高了抛光效率；
(6)设备维护简单，操作方便，可以灵活地选择抛光起点和部位，易于实现光控、数控及机械手控制，容易实现对复杂形状工件自动抛光，喷嘴与抛光表面无机械接触，可实现高速抛光。
3.4 水射流喷丸强化技术
水射流喷丸强化技术是20世纪80年代末由Zafred提出，之后各国水射流学者便纷纷开始研究，其中美国、日本、俄罗斯在此领域研究尤为突出。我国对水射流喷丸强化技术研究起步较晚，主要以纯水射流喷丸强化、前混合水射流喷丸强化，另有空化水射流口喷丸强化和后混合水射流喷丸强化，并以逐步形成体系。
高压水射流喷丸强化的基本原理，就是将携带巨大能量的高压水射流以特定方式高速喷射到金属工件表面上，使表层金属材料表层在再结晶温度下产生塑性变形(冷作硬化层)，呈现理想的组织结构(组织强化)和残余应力分布(应力强化)，从而有效控制了疲劳裂纹的萌生和扩展，达到提高金属零部件周期疲劳强度的目的。
高压水射流喷丸强化与传统喷丸强化相比具有以下优势[9]：
(1)受喷表面粗糙度值增加很小，减少了应力集中现象，提高了强化增益效果；
(2)容易对存在狭窄部位、深凹槽部位的金属零部件表面及微小金属零部件表面等进行喷丸强化；
(3)喷头体积小，反作用力小，移动方便，易于实现光控、数控及机械手控制，提高喷丸强化质量；
(4)纯水射流喷丸强化时，工作介质为水，无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择原则，同时，可以实现全覆盖率，且不会由于固体弹丸的破损而降低强化表面的可靠性；
(5)水介质和动力源来源广泛，可实现全强度喷丸和同时加工几个表面，比能耗和成本低、生产效率高；
(6)整套喷丸装置体积不大，可以装在机动车上进行远距离操作和外场作业；
(7)噪声低、无尘、无毒、无味、安全、卫生，有利于环境保护和操作者的健康，实现绿色喷丸强化。
4 结语
高压水射流技术正向着高效、多功能、智能化、精细化方向发展，研究和开发这项技术的前景十分广阔。高压水射流技术在机械制造业的应用领域还很多，新的应用手段也很多，如最近利用高压水射流进行去毛刺、打孔、开槽、细微雕刻、清焊根及清除焊接缺陷等，这说明高压水射流这项新技术在机械制造业具有广阔的应用前景。
摘要：高压水射流技术是一项迅速崛起的新技术、新工艺,采用高压、高速水(纯水或带有磨料)进行机械加工,在纯水(或纯水和磨料)的作下可进行切割、清洗、抛光、喷丸、或表面材料去除等机械加工。本文主要介绍了高压水射流技术的发展、分类及在机械制造业中应用现状。
关键词：高压水射流,应用,发展
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水射流导向激光技术 篇6
1 高压水射流技术在石化设备清洗中的具体应用情况
1.1 高压水射流在对石化设备进行清洗时的主要特点
高压水射流技术将水作为其发挥作用的主要介质, 有效通过射流的作用, 将高压泵、阀以及相关的自控系统等有机的融为一体, 利用高压发生装置, 增强水流的能量, 通过采用特定的流体运动方法将水流从小口径孔喷嘴当中高速喷射出来, 以此来产生具有高能量的水流。该技术之所以能够广泛的应用于各大领域中, 就是因为其具有多种优点, 在水固有的性质基础上, 通过高压水发挥出来的力学作用, 产生的清洗以及除锈效果相对比传统的人工、化学以及机械等各种方法更好, 不会对周围环境造成污染, 成本较低, 可以大量的节约能源的消耗, 对石化设备的腐蚀损伤程度较小, 并且实现了自动化与智能化的控制, 可以在一些环境恶劣、空间复杂的场合有效完成石化设备的清洗以及除锈作业。此外, 对于那些结构相对复杂的石化设备来说, 该技术的清洗和除锈效果更为明显。
1.2 高压水射流技术清洗的主要作用原理
在物理清洗技术中高压水射流清洗技术作为一种新型的石化设备清洗技术, 能够按照设备的具体构造情况采取最有效的射流方法, 通过高压水产生的巨大能量进行冲击, 持续稳定的对石化设备进行冲击清洗, 以达到清除污垢的目的。高压水射流技术主要按照下述原理完成设备清洗工作:当高压水射流冲洗到石化设备的表面时, 由于水流本身速度的大小以及方向都会出现一定程度的变化, 因此动量的大小也会随之改变, 这主要是由于射流和石化设备之间产生的相互作用造成的, 通过把一部分的动量转换成作用力传递到石化设备的表面上, 在水射流对设备表面进行连续稳定的冲击时, 就可以产生冲击力, 以此来除去过去采用化学方法无法有效清除的顽固污垢, 例如锈层、油渍、橡胶、混凝土涂层、水垢、微生物污染物以及石膏等物质。
1.3 高压水射流技术清洗的主要优势
该技术清洗设备的主要优势在于下述七个方面: (1) 首先在使用高压水射流技术清洗石化设备时, 在压力等级选择合适的情况下, 对石化设备本身并不会产生损害。 (2) 其次该技术不会造成污染, 而且也不会腐蚀到设备本身:高压水射流技术主要是将干净的自来水作为其发挥效用的介质, 不会对周围的环境产生任何的污染破坏, 射流在经过高压设备喷射出去并经过雾化以后还可以有效降低清洗设备粉尘浓度, 在清洗完成之后不需要进行进一步处理, 是一种非常环保的清洗技术。而且由于自来水当中没有添加任何化学物质, 不会对设备的零部件产生腐蚀。因此相比于化学清洗方法来说, 通过该方法不需要在清洗完成后采取相应的防腐蚀措施进行处理。 (3) 可以对形状各异、结构相对复杂的石化设备进行有效清洗, 并且在清洗的过程中具有自动化以及智能化控制的特点。 (4) 清洗成本相对较低:高压水射流技术主要是将清洁的自来水作为介质, 通过使用具有较高强度、良好耐磨性的喷头作为水流喷射的主要枪具, 对石化设备造成的磨损可以忽略不计, 其产生的综合成本还没有达到化学清洁方法的一半, 而且该技术主要是进行细射流喷射, 每小时所消耗的水量在3～8 m3之间, 不需要太大直径的喷咀, 因此该技术方法的清洗成本更加低廉。 (5) 具有较高的清洗效率:不管是什么类型的结垢物, 污垢程度有多严重, 只要在采用高压水射流技术的过程中能够确保水射流参数的合理性, 保证压力等级、水的流量功率以及喷头的直径大小都合适, 就能够对石化设备进行高效的清洗[2]。 (6) 对于其他常规清洗方式来说, 如果遇到了清洗空间较为狭小、环境条件较为恶劣的情况, 是很难顺利完成石化设备的清洗工作的。但是高压水射流技术由于具有一定的优越性, 即使在小口径大容器设备的内部进行清理时也能发挥出良好的清洗效果。
2 高压水射流技术在石化设备除锈中的具体应用情况
2.1 高压水射流技术除锈的主要作用原理
高压水射流技术对石化设备进行除锈时的主要作用原理为:在锈层的表面通过利用射流具有的打击力产生水楔作用, 进一步扩大锈层出现的裂纹, 然后利用水流进行冲刷来完成锈蚀的清除工作。由于该方法主要是湿法除锈, 并不会产生粉尘, 对环境造成的污染较小, 所以已经在石化设备的除锈领域得到了广泛的应用。
2.2 磨料射流技术
在有效提高石化设备除锈效果的同时, 还需要进一步降低高压系统的压力等级, 这就需要用到磨料射流技术。对于一些比较大型的石化设备来说, 由于其很容易受到空气的氧化作用而出现生锈问题, 因此在涂装工作之前一定要做好除锈工作。一般除锈处理包括两种情况:一种是对钢结构件通过人工砂纸打磨的方式进行除锈;另一种是对容器以及球罐等进行无损害检测, 确保焊缝表面的锈垢完全清除。到目前为止, 这类型的除锈作业一般都是通过人工砂纸打磨的方法完成的, 无法有效的避免轻微火化的问题, 所以在除锈范围内需要通过建设隔离墙来预防隐患, 这种方法成本过高, 而且处理效果也较差。因此针对上述两种除锈情况, 采用人工手持喷枪进行磨料水射流的方法完成除锈, 能够提高除锈效果, 加快除锈速度, 降低劳动强度。在采用磨料射流技术的时候主要选择了石英砂作为磨料, 而且磨料水射流技术在钢制表面进行打击的过程中并不会出现火花。因此该技术方法的优势之处主要体现在:采用的射流工况参数相对较低, 通常只需要将压力控制在70 MPa、机组的功率保持在55～110 kW之间即可, 但是该方法也存在一定的弊端, 在采用该原理进行除锈之前一定要保证磨料是干燥的, 而且为了供料时候能够保持均匀, 在砂桶距操作的过程中工作人员需要近距离工作, 因此远距离除锈作业将会受到极大的限制[3]。不过在喷枪上换上磨料喷头, 也可以达到良好的除锈效果。所以对于上述两种场合的除锈情况, 磨料射流技术具有较高的实用性。如下图1所示为磨料水射流技术的工作原理图。 (如图1)
2.3 爬壁机器人射流除锈技术
该技术适用于大面积钢制表面除锈工作。在除锈的过程中需要解决下述三个问题: (1) 行走:爬壁机器人在行走的过程中采用双回路电机进行驱动, 该机构可以把机器人的四个行走轮划分为两组, 确保其能够进行直线往复运动以及转向动作。 (2) 附壁:爬壁机器人主要依靠外来真空实现附壁, 确保真空吸力所产生的附壁扭矩比机器人本身的重量大, 在机器人拖带其他物体的时候能够和真空吸力所产生的摩擦力矩一起构成倾覆力矩, 以此来实现良好的附壁功能。通常机器人附壁真空腔都是采用橡胶材料制作而成的。 (3) 射流:爬壁机器人属于一种执行机构, 主要安装了超高压旋转接头, 并且其喷头是由四个喷嘴共同构成的。喷嘴射流产生的反冲力能够形成扭矩, 以此来实现喷头的旋转运动;而在平板间隙密封的作用下可以让喷头进行超高压自旋转, 提高了旋转接头的稳定可靠性。
3 结语
总而言之, 高压水射流技术正在不断的向着高效率、智能化的方向发展, 随着数字化以及机电一体化研究的不断深入, 该技术的应用前景将会更加光明。该技术的清洗以及除锈技术相比于传统的化学方法、机械方法以及人工方法来说具有多种优越性, 不仅可以对工业企业的石化设备进行有效的清洗和除锈, 还在多个领域中得到了广泛应用, 例如近几年来在水射流原理的基础上制造而成的新型牙刷以及医疗领域中无刀手术的成功推广等, 都说明高压水射流技术的高效性, 值得我们继续深入研发和推广应用。
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水射流导向激光技术 篇7
19世纪中叶, 出现了水射流开采技术。随着时间的推移, 水射流开采技术不断得到推广和应用。其发展历程共经历了三个主要阶段:60年代初期处于水射流技术探索试验阶段;70年代初, 研究出了增压器、制高压泵和高压管件等压力器械, 相关器械设备密集研制;到了80年代时, 水射流技术应用空前繁盛, 技术推广迅速, 应用广泛, 基本各类工程领域都有涉及。时至今日, 水射流技术发展步入了快车道行列, 技术的研究应用进一步深化, 与此同时, 一批新型射流技术也得到了快速发展, 如自激振动射流、空化射流以及水力喷砂射孔技术等。
时值1972年时英国流体力学研究协会广泛动员组织召开了全世界范围内第一次的国际水射流切割技术会;紧接着, 美国与日本也相继成立了水射流技术协会, 并定期邀请国外水射流专家组织召开水射流技术研讨会和展览会;在水射流技术国际化大潮的冲击下国际水射流协会终于与1987年成立, 多次召开环太平洋国际水射流会议, 定期出版《国际水射流》杂志, 这些都显著地加快着世界各国水射流技术的发展进步。
我国的水射流技术起步较晚但发展十分迅速, 于20世纪70年代研究产生, 但是最初的主要领域却是煤炭行业, 以后经过多年的研究实践, 应用范围逐步拓大到了包括石油工业、冶金工业、航空等行业领域, 也都取得了比较骄人的成绩, 一批新技术和新产品在此时产生, 部分技术水平甚至达到并超过国际上的先进水平。
二、高压水射流技术在油藏工程中的应用
1、径向水平钻头技术
自20世纪80年代末以来, 我囯研究人员全面系统地研究了破岩机理、旋转射流的结构特性和破岩效果后惊奇地发现旋转射流的破岩效率是普通圆射流效率的10倍左右;如果需要钻出足够大的连续孔眼只需要适当控制射流的扩散程度即可, 此方法能够满足钻径向水平井的要求。高效旋转射流的调制、井下转向器系统及钻进参数优选等关键技术也在持续努力的研究实验后取得了初步的成功, 在1997年成功地运用此类技术钻出了属于我囯的第一口产油量达8倍以上的径向水平井, 此后在数个油田相继打出了多口径向水平井眼。
2、自振空化射流技术理论的研究及其应用
20世纪末期研制成功了一种全新型的射流技术, 这种射流技术是利用瞬态流和水声学理论, 在不改变泵压和地面水功率的条件下, 将连续射流变更为断续涡环流, 大幅提高射流的井下辅助破岩作用, 由于涡环的中心压力较低, 因此容易引发空化, 从而显著提高射流清洗岩屑的能力, 这种射流技术就是自激振动空化射流技术, 其作用明显, 能够大幅提高破岩能力和表面清洗, 发展前景十分广阔。
3、水射流高压深穿透无污染射孔研究
现行的通用聚能弹可以打到400-700mm的射孔深度。而经长期研究实验发现, 如果射孔穿透钻井伤害带, 减少压实带厚度, 选择合适的射孔方位, 那么就可以大幅提高油井的产能。水射流的高压冲击对于压实带没有形成污染;近井筒地带应力集中减轻后, 其渗透率就会提高;一旦穿透了近井筒污染带, 泄油面积势必扩展, 生产压降就会降低, 渗流速度也会增加, 从而迫使未污染地层的油液大量流向与井筒, 油井产量就此得到提升。
4、水射流结合机械破岩技术的研究应用
由于石油钻井中各类钻头都是依靠机械来进行破碎岩石作业, 作业过程极其缓慢且钻头容易破损。为了弥补这一缺陷, 研究人员于1980年首次提出了水射流结合机械破碎岩石的新理念, 结合弹塑性力学、岩石力学和断裂力学等知识理论, 通过连续性实验研究揭示出了在钻井双向应力作用下, 岩石裂纹形成和发展的规律;还研究了射流冲击角、冲击位置和齿型、喷射距离等因素对破岩效果的影响规律。相关理论研究的顺利进行为新型钻头的诞生提供了可能, 后期提出了水力辅助机械破岩钻头设计理论, 研制出了新型辅助破岩钻头。新型破岩技术不仅可以在石油钻井中得到推广应用还可以广泛应用于煤炭, 金属等矿物质的开采, 地铁隧道工程建设等领域。
三、结语
我国已探明低渗透油藏储量十分巨大, 但无合适开采技术而得不到开采利用。自振空化射流技术、径向水平井和联合破岩技术的大幅推广应用为开采裂缝性油气藏、低渗油气藏和薄油层等劣质气藏提供了可能, 解决了这一重大难题。如高压水射流破岩技术等新型技术的应用不仅可以在石油钻井中得到很好的应用而且还可以广泛应用于煤炭, 金属等矿物质的开采, 地铁隧道工程建设等领域, 应用前景十分广阔, 推动了我国进程的发展进步。
摘要：20世纪以来新型高压水射流技术在油藏工程中的应用日趋广泛, 本文着重论述了高压水射流技术在我国油藏工程中的理论研究和实际应用情况, 主要有:径向水平钻井技术;自激波动注水技术和自振旋转射流处理近井地层解堵增产增注技术;水力喷砂射孔技术;高压水射流深穿透水力射孔及辅助压裂可行性研究;双射流理论及其特性。高度展望了高压水射流技术在稠油及低渗油藏开采、超商压射流钻井和提高采收卑等方面的应用前景。
关键词：高压水射流,石油钻井,研究应用
参考文献
[1]沈忠厚.水射流理论与技术[M].东营:石油大学出版社, 1998
[2]周总瑛, 张抗.中国油田开发现状与前景分析[J].石油勘探与开发2004