高压水射流技术

高压水射流种类很多，分类方法也多种多样，常用的以下几种：
2、按射流介质 牛 顿 流 体: 水, 空气； 非牛顿流体: 聚合物 (CMC, PAM), 泥浆。 3、按环境介质 淹 没 射 流: 在水中或其他液体中喷射； 非淹没射流: 水在空气中喷射。
4、按射流水力学特性 稳 定 射 流: 各断面流力特性不随时间变化，仅随位置变化；
石油工程高压水射流技术
Water Jet Technology in Petroleum Engineering
李 根 生
石油大学（华东）石油工程学院
主要内容
第一章 射流动力学基础和计算
第二章 石油工程水射流技术
第三章 水射流技术工业应用
第四章 结论和前景展望
第一章 射流动力学基础和计算
§1-1 绪论 §1-2 淹没水射流结构特性 §1-3 水射流类型与作用机理 §1-4 水射流动力学计算
Pi =ρ V2/2
(1-1)
其中， Pi -- 射流冲击滞止压力，MPa； ρ -- 射流介质密度，g/cm3； V -- 射流速度，m/s。
2. 脉冲射流
非连续射流，产生方式：聚能骤放，或称“水炮”； 压力挤出； 流量调节，又叫“水击”。 射流性能取决于：脉冲频率，水击长度/直径，水击能量。 脉冲射流作用机理：水击压力, P0： P0 = ρ CV 其中， P0 -ρ -C -V -(1-2) 脉冲射流水击压力，MPa； 射流介质密度，g/cm3； 射流流体中的声速，在水中 C≈1500m/s； 射流速度，m/s。
2. 发展概况 50’s～60 ’s: 探索和实验阶段
50年代，人们从水力采煤和高速飞机的雨蚀现象 中认识到，提高射流压力和速度能够冲蚀较坚硬物料， 并显著提高落煤效果，从而开始了较高压力设备的研 制和较高压射流的实验。
60’s～70 ’s: 基础设备研制和水力清洗
60年代初，随着较高压力柱塞泵和增压器的问世， 开始研究射流动力学特性和喷嘴结构。 水力清洗受到重视。
二、组合喷嘴改善井底流场
§2-2 新型高效射流
根据瞬态流和水声学理论建立了流体自激振动调制机理和喷 嘴设计理论模型，研究成功了新型高效自振空化射流，研究得出
了各参数影响规律，脉动幅度高24%-37%，破岩效果高1-3倍。
D0
D0
L KN * d MSd
Ds 2 D 2 KN＝F N , D , d
四、水射流系统与参数
1. 系统组成
（1） 压力源: 高压泵、增压器、水炮等; （2） 执行和控制机构: 阀、管路、喷嘴、传动机构 （3） 工件（靶物)。
2. 射流基本参数
• 流体参数 – 射流压力
– – – – – – 喷嘴直径 喷嘴型式 射流功率 流速 流量 流体性质 射流反冲力
• 工况参数
– 进给速度
– – – – – –
靶距（喷距） 流道数 入射角 切深或切宽 切割体积 比能
• 磨料参数
– 磨料类型
• 靶件参数 – 靶件强度
– 靶件硬度 – 靶件孔隙度 – 靶件渗透率
– 磨料流量 – 磨料粒度 – 混合管直径
§1-2 淹没射流结构特性
初始段：轴心速度保持初始速度，Um = U0 基本段：轴心速度小于初始速度，Um < U0 等速核：各点速度等于初始速度的区域，Ui = U0 内边界：射流速度保持初始速度的界限，Ux边 = U0 外边界：速度等于零的边界，Ux边 = 0 混合区：内外边界之间的区域。 极 点：射流外边界延伸线的交点，虚拟射流源。
第二章 石油工程水射流技术
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4 §2-5 §2-6 §2-7 §2-8 提高射流井底效率 新型高效射流研究 水力和机械联合破岩 超高压射流基础研究 旋转射流钻径向水平井 旋转射流处理近井地层 高压水射流深穿透射孔 高压水射流清洗油管除垢
§2-1
提高射流在井底工作效率
80’s～现在: 新型高效射流，迅速发展
进入80年代以来，随着激光测速、高速摄影、流 体显形、数值模拟等先进测试和研究手段的进步，高 压水射流技术研究和应用得到更迅速发展。磨料射流、 空化射流、脉冲射流、水力辅助机械破岩技术和基础 理论、切割机理、影响因素研究和分析进一步深入， 并出现了气水射流、液态金属射流、液态气（空气、 氮气、二氧化碳气）射流、冰粒射流等特种射流，其 应用范围也由当初的采矿、破岩、钻孔、清洗、除垢 发展到金属和超硬材料切割、表面处理、研磨等应用 领域涉及煤炭、石油、冶金、化工、船舶、航空、建 筑、电力、纺织、交通、市政医学等十几个工业部门 及核废料、海洋等危险恶劣工作环境，自动化程度切 和切割精度有了显著提高。
§1-3 水射流类型及作用机理
一、射流类型 实际射流可分为三种类型：连续射流（纯水或磨料） 脉冲射流（振动、冲击、水炮） 空化射流（Cavitating Jet) 1. 连续射流 最常见型式，连续射流束速度可达900m/s，压力400MPa. 大多用于清洗切割，作用原理是射流冲击滞止压力，Pi :
§1-1 绪 论
一、水射流技术原理与发展概况
高压水射流技术是近二、三十年来发展起来的一 门新技术，目前正越来越广泛地应用于煤炭、石油、 化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工业部门， 用以清洗、除垢、切割、破岩等，显著提高工效，降 低成本，减轻劳动强度，改善工作环境。
1. 基本原理
高压水射流，是以水为介质，通过高压发生设备 增压获得巨大能量，经一定形状的喷嘴喷出的一股能 量集中的高速水流。
三、水射流特性与应用
1. 特点（Feature)
优点：1. 水源丰富，成本低； 2. 冷却、灭尘、润滑； 3. 精密切割、切口平整； 4. 水切削、排屑； 5. 工作参数（P、Q）易调； 6. 遥控：危险恶劣环境； 7. 可移动。 缺点：1. 功率消耗大； 2. 水溅、 潮湿; 3. 高压部件: 泵、密封、喷嘴、管、阀寿命.
4. 中国劳动保护学会水射流技术专业委员会： 全国水射流技术研讨会，1979--1999，10届。
二、水射流分类
1、按驱动压力 压力等级 低压 中压 高压 超高压 压力范围 (Mpa) 0.5 ~ 20 20 ~ 70 70 ~ 140 140 ~ 400 泵类型 离心泵, 柱塞泵 柱塞泵, 增压器 柱塞泵, 增压器 增压器, 水炮
• 学术机构和活动
1. 国际水射流技术协会 (International Society of Water Jet Technology)： International Symposium on Jet Cutting Technology, BHRA, 1972--2000, 15届。 2. 美国水射流技术协会பைடு நூலகம்(Water Jet Technology Associ.)： American Waterjet Conference, 1981-99, 10届。 3. 日本水射流技术学会 (Water Jet Technology Society of Japan)： Pacific Rim International Conference on Water jet Technology, 1987--2000，6届。
(1 6)
三、射流流量
Q = VA = (d2 /4) V (1-8) 其中， Q -- 射流流量， cm3 /s； V -- 射流速度，cm/s； A -- 喷嘴出口截面积，cm2 ； d -- 喷嘴出口直径，cm. 四、喷嘴直径
d 4Q 4Q V C 2 P (1 9)
一、加长喷嘴牙轮钻头 研究淹没非自由钻井射流动力学 和井底能量衰减规律，建立了优 选井底水力参数的新模式和新程 序，解决了喷射钻井长期未解决 的一个重要理论问题。
根据该理论成果研 制成功加长喷嘴牙 轮钻头(第一代钻头)， 在相同泵压条件下， 井底水功率提高30-40%，井底动压力提 高90--110%，压力 梯度提高1.5 倍。推 广应用3000多只， 平均提高钻速20-30%，提高进尺40-50%。
D
D
2N 1 4 ＝ N 2
2 Ds 2 1 和 D 1 D d 2 Ds 2 1 但 D c D d
脉冲射流水击压力 P0 > 连续射流滞止压力 Pi。
3. 空化射流 在流体中形成一个压力低于当地蒸汽压力的区域，从而在 射流流束中产生空化气泡的连续射流。 1972年，Conn推导出空化射流冲击压力： P = Pi /6.35 [ exp ( 2/3α )] 其中, P -- 空化射流冲击压力，MPa； Pi -- 连续射流滞止压力，MPa； α -- 射流介质中气体含量。 (-3)
2. 应用 (Applications)
主要五个方面: 1. 工业切割; 2. 挖掘, 开采, 钻探; 3. 岩石切割掘进; 4. 表面清洗，除垢; 5. 材料破碎。 十多工业部门： 煤炭 炼油 交通 冶金 土木 军工 医疗 石油 化工 铁道 机械 建筑 航天 医学 矿业 电力 船舶 轻工 民用 核工
不稳定射流: 各断面流力特性不仅随时间变化，且随位置变化。 5、按固壁条件 自 由 射 流: 无固壁限制； 非自由射流: 有固壁约束。
6、按施载方式 连续射流: 开始峰值，后稳低； 冲击射流: 短时峰值； 混合射流：二者之间。
7、按介质相 单相射流：水，PAM+Water；
多相射流：Gas-Liquid, Solid-Liquid.
当α = 1/6 ∼1/10 时，P = (8.6 ∼ 124) Pi
即在相同排量下，空化射流冲击压力是连续射流滞止压力 的8.6 ∼ 124倍。
§1-4 水射流动力学计算
一、基本方程式 （1）伯努利方程
V12 P2 V22 1 2 2 2 P 1 (1 5)
其中，P -- 压力，V-- 速度。 （2）连续方程 1V1 A1 2V2 A2 二、射流速度 V = C (2P/)1/2 其中，V -- 射流速度，m/s； C -- 流速系数； P -- 射流压力，MPa； ρ -- 射流介质密度，g/cm3 （1-7）
七、射流反推力 T = 0.0445 Q P1/2 其中，T -- 射流反推力，N； (1-13)
Q -- 射流流量， cm3 /s； P -- 射流压力，MPa。
八、管路压力损失 Δ P = 71.24 Q2 / D5 R1/4 其中，Δ P --管路压力损失，MPa/m； (1-14)
Q -- 射流流量， cm3 /s； D -- 管路内径，mm； R -- 雷诺数，R = 21115 ( Q/D )。 管路压力损失与流量平方成正比，与管路内径5次方成反比。
当 P -- MPa,Q -- cm3 /s, ρ -- g/cm3 时，喷嘴直径为：
d
4
2.22 * 10 10 Q 2 2C 2 P
(1 10 )
此时喷嘴直径 d 单位为 cm。
五、射流水功率
W = PQ 其中，W -- 射流水功率，w； Q -- 射流流量， cm3 /s； P -- 射流压力，MPa。 六、射流冲击力 F = 102Q2/A 其中， F --射流冲击力，KN； Q -- 射流流量， cm3 /s； ρ -- 射流介质密度，g/cm3； A -- 喷嘴出口截面积，cm2。 (1-12) (1-11)
70’s～80 ’s: 工业试验和应用
60年代末70年代初，美国国家科学基金资助了 一项庞大的研究计划，旨在寻求一种高效的切割破 岩方法（Maurer,1980），研究人员提出并试验了25 种新方法，如电火花、电子束、激光、火焰、等离 子体、高压水射流等，最后专家们一致公认最可行 有效的是高压水射流破岩方法，后来也只有这种方 法得到了实际应用。进入70年代，各国开始大力研 究高压水射流技术，使该技术进入了迅速发展的新 阶段。这期间，研究的重点是水射流破岩机理、脉 冲射流特性及水射流在切割、破岩、清洗上的应用， 开始出现了水力辅助机械破岩、空化射流、磨料射 流、间断射流等新型射流技术。