高壓水射流技術的發(fā)展與應用

林志立 盧錢杰 易新華 程曉民

（寧波工程學院機械工程學院）

高壓水射流技術是利用增壓設備，將液體壓縮后經(jīng)噴嘴高速噴出，形成高能量的微細射流的清洗技術。本文介紹了各種高壓水射流及其在切割、清洗除銹等領域的應用情況，展望了高壓水射流技術的發(fā)展趨勢，對探索高壓水射流技術的機理與應用研究具有重要的借鑒意義。

1 高壓水射流的分類與工作原理

按水射流的技術特征可以分成：

1）純水射流

純水射流以純水為能量介質(zhì)，不加入磨粒等物質(zhì)，借助高速射流的沖擊能量進行清洗、切割等，主要用于金屬板材、巖石、食品、橡膠、木頭、皮革、碳纖維復合材料等物質(zhì)的加工。

2）磨料射流

將固體磨粒加入純水射流中，可以有效改善水射流的切割、破碎效果。固體磨粒將純水射流的水介質(zhì)的滯止動態(tài)沖擊轉(zhuǎn)變成磨粒的動態(tài)沖擊，提高了高壓沖擊介質(zhì)的磨削能力和沖擊能力，相比純水射流，磨料射流的切割效果獲得極大的改善。

3）空化射流

空化射流利用“汽蝕”原理，水射流從噴嘴噴射出時含有空氣的空泡，調(diào)整好噴嘴與加工表面的距離，使空泡在這個距離中持續(xù)存在，空泡浮著加工材料的表面，在射流沖擊壓力作業(yè)下破滅，汽蝕加工材料的表面，從而實現(xiàn)清洗、破碎加工材料表面的作用。空化射流的清洗效果優(yōu)于普通的純水射流，用于航空航天器、核反應堆等清洗。

4）脈沖射流

脈沖射流是一種非連續(xù)射流，利用專用設備，將動力源的能量傳遞給水，獲得能量的水經(jīng)過噴嘴射出，形似炮彈一樣的小水團，打擊在靶體上，切割、破碎目標材料。實際上，脈沖射流利用水錘原理，提高射流的打擊能力，促使材料的裂紋快速擴散，其沖擊力遠大于連續(xù)純水射流的遲滯力，從而提高了脈沖射流的加工能力。

高壓水射流切割

高壓水射流切割產(chǎn)品

高壓水射流清洗

水射流激光復合加工

2 高壓水射流的發(fā)展與應用

1）水射流清洗

水射流清洗可以用于人工或化學難易去除的油污、水垢、銹層、涂層、混凝土等清洗，相比傳統(tǒng)的人工、機械或化學清洗，具備清潔效率較高、污染較少、經(jīng)濟性較好、不易損傷本體、便于自動控制等優(yōu)勢，不僅可用于清洗結(jié)構形狀復雜的部件，而且可以在空間環(huán)境復雜、惡劣的地方開展清洗作業(yè)。

臺州學院的高圓圓等人利用水射流清潔刀具表層附著物，找到壓力60MPa、射流噴口直徑1.4mm、作業(yè)時間60s的工作條件下，清潔表層附著物的效果較好，認為水射流技術可用于刀具表層附著物的清洗。中石油的孫德鋒等人將高壓水射流用于在地源水井的腐蝕物質(zhì)層的清洗作業(yè)，實現(xiàn)水井的清洗修復，取得良好的清潔效果。兗礦集團的陸亞鵬等人將高壓水射流用于煤礦機械金屬件防銹處理設備，經(jīng)該設備處理后的金屬件，加上防腐處理，防銹能力增加了3倍，延長了金屬件的使用壽命。如今，高壓水射流清洗設備在城市清潔美化方面獲得了廣泛應用，可以用于城市水泥路面表層污漬的清洗作業(yè)，清潔美化城市道路。

2）水射流切割

水射流切割不會破壞零部件的機械力學性能與材料的晶間組織，屬于冷切削加工，特別適合于碳纖維復合材料、金剛石等不適合機械加工的材料。

后勤工程學院的陳曉晨等人考慮到油庫的應急搶修作業(yè)效率與安全性，開發(fā)了磨料水射流切割設備，通過X60管道的切割實驗，表明該設備可以有效開展管道設備的搶修作業(yè)。合肥通用機械研究院的王永強等人認為高壓水射流技術與數(shù)控技術相結(jié)合，開發(fā)高端水射流裝備，可以用于航空器中復合材料的精密切割。解放軍理工大學的孫義柯等人開發(fā)了在反恐中使用的前混合磨料高壓水射流設備，可以實現(xiàn)防盜門、混凝土等結(jié)構的切割。天津理工大學的曹雷霆設計一種醫(yī)用水刀的機械結(jié)構，該醫(yī)用水刀在組織選擇上高度靈活、手術中出血量少等優(yōu)勢，適用于創(chuàng)面的切割清洗。此外，高壓水射流在采礦業(yè)、隧道巖石等都有廣泛的應用。

3）水射流破巖粉碎

磨粒加入水射流中，磨粒通過水射流載體對磨粒加速，噴射到靶體表面，高能量的磨粒粉碎靶體，適用于破巖、鉆井等。

石油大學的倪紅堅等人借助非線性動力學與巖石損傷模型研究了水射流打孔過程，結(jié)果證實高壓水射流具有較強的破巖能力，破巖效果優(yōu)于聚能打孔。中國礦業(yè)大學的宮偉力等人比較水射流粉碎與傳統(tǒng)球磨機粉碎工藝，結(jié)論證實高壓水射流粉碎技術能耗是傳統(tǒng)工藝的1/6，煤粉顆粒無粘結(jié)、表面質(zhì)量好，易于分選。

高壓水射流破巖效果

4）其他應用

高壓水射流利用其帶有高能量的連續(xù)高速射流，噴射到金屬表面，促使表面產(chǎn)生塑性變形，提高金屬表面的疲勞強度，起到噴丸強化作用?？紤]到處理彈藥的清潔、分離解體的作業(yè)效率與安全性，經(jīng)常采用水射流清洗彈藥表面的油污、切割廢舊彈藥等。

3 高壓水射流技術的發(fā)展趨勢

高壓水射流技術是一項清潔、高效的加工技術，在機械、航空航天、建筑、采礦、石油等眾多領域有著廣泛的應用前景。綜合國內(nèi)外高壓水射流技術的相關文獻，相比西方發(fā)達國家，我國仍然有著不小的差距，其發(fā)展趨勢為：

1）高壓水射流裝備的關鍵零部件的開發(fā)與應用。高壓泵與電機的結(jié)構設計與開發(fā)以及小型化，將大大提高關鍵零部件的技術水平與應用前景，促進高壓水射流裝備的更新?lián)Q代。

2）研究空化射流中空泡的產(chǎn)生、發(fā)展與潰滅過程?？张莓a(chǎn)生的高壓是純水射流的8～124倍，如果能較好地用于鉆井、破巖、油層處理等，將提高生產(chǎn)效率。

3）研究超高壓射流和微射流技術，為未來新材料的加工、鉆井工程等儲備技術。

4）研究高壓水射流裝備的智能化、自動化，實現(xiàn)水射流裝備與數(shù)控技術、視覺技術等相結(jié)合。

伴隨著傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，人民對美好生活的需求，高壓水射流技術由于其綠色環(huán)保、高效的特點，能產(chǎn)生顯著的社會與經(jīng)濟效益，具有廣闊的應用前景。