高壓水射流技術(shù)在含能領(lǐng)域應(yīng)用展望

賈士為 尚利輝

（1.武警工程大學(xué)研究生大隊(duì)，陜西 西安 710086；2.武警工程大學(xué)軍事基礎(chǔ)教育學(xué)院，陜西 西安 710086）

0 引言

高壓水射流技術(shù)是以水為主要工作介質(zhì)，通過(guò)增壓設(shè)備（最高壓力可達(dá)620 MPa）將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能，通過(guò)口徑很小的噴嘴（0.1 mm～0.3 mm）釋放壓力能產(chǎn)生高比能的高速射流束（200 m/s～800 m/s）對(duì)各類材料進(jìn)行加工的一種技術(shù)，該技術(shù)與激光、離子束以及電子束一樣都屬于高能束加工范疇[1-3]。近年來(lái)，高壓及超高壓泵、增壓器、密封技術(shù)和噴嘴工藝等硬件的不斷優(yōu)化發(fā)展以及射流理論研究、計(jì)算機(jī)模擬仿真等軟件的創(chuàng)新發(fā)展，拓寬了高壓水射流技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，為加工工藝優(yōu)化、產(chǎn)品測(cè)試檢驗(yàn)以及技術(shù)改良改進(jìn)提供了新方法和新思路。

1 高壓水射流技術(shù)分類以及基本原理

高壓水射流技術(shù)種類和分類方式繁多，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的廣泛程度和技術(shù)特征可分為連續(xù)射流、空化射流和脈沖射流。

1.1 連續(xù)射流

連續(xù)射流是應(yīng)用最廣泛也是最常見的射流形式，包括純水射流和磨料射流，其速度可達(dá)到900 m/s，壓力達(dá)到400 MPa，多用于清洗切割作業(yè)，其作用原理是射流沖擊滯止壓力Pi，如公式（1）所示。

式中：Pi為射流沖擊滯止壓力，MPa；ρ為射流介質(zhì)密度，g/cm3；v為射流速度，m/s。

純水射流初速一般為音速的2～3倍，這使射流束具有很大的能量，可以進(jìn)行清洗、切割和粉碎作業(yè)。純水射流需求行業(yè)見表1。

表1 純水射流需求行業(yè)

磨料射流利用磨料集中射流動(dòng)能，將純水滯止動(dòng)壓沖蝕轉(zhuǎn)變?yōu)槟チ蠜_擊動(dòng)壓沖蝕，能夠有效增強(qiáng)對(duì)工件或靶體材料的磨削沖擊作用[4]，常見的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系和軟磨料系，根據(jù)加入磨料位置的不同，可以分為預(yù)混式和后混式。預(yù)混式是指純水與磨料顆粒充分混合后，由增壓裝置賦予一定的壓力和初速，再?gòu)膰娮焐涑?；后混式是指水增壓形成高速射流后再添加磨料，使磨料顆粒和水在出噴嘴前混合。磨料水射流需求行業(yè)見表2。

“你可以隨意化成人形嗎？”安潔西問(wèn)，她以前在銀盾軍團(tuán)撫養(yǎng)院只是聽說(shuō)過(guò)蟲族的一些事，并沒有機(jī)會(huì)真正面對(duì)面去了解他們。

表2 磨料水射流需求行業(yè)

以磨料水射流切割金屬?gòu)楏w為例，假設(shè)彈體內(nèi)壁為圓柱面，可將其視為以圓柱直徑R2為半徑的球面，根據(jù)彈性理論，磨料顆粒與彈體接觸時(shí)產(chǎn)生的最大接觸剪應(yīng)力如公式（2）所示[5]。

式中：τmax為最大接觸剪應(yīng)力，N；R1為磨料顆粒粒度，mm；E1為磨料顆粒彈性模量，MPa；μ1為顆粒泊松比；R2為彈體金屬球半徑，mm；E2為彈體的彈性模量，MPa；μ2為彈體材質(zhì)的泊松比；F為磨料顆粒與彈體接觸時(shí)的作用力，N；k1為磨料顆粒每單位應(yīng)力的變形率；k2為彈體每單位應(yīng)力的變形率。

只要求出顆粒與彈體接觸時(shí)的作用力F，就可以計(jì)算出最大接觸剪應(yīng)力τmax。當(dāng)τmax大于彈體的接觸剪應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，彈體發(fā)生破壞。如果射流中磨料流體與彈體接觸面為磨料顆粒的投影面積，由于單位面積顆粒磨料作用于彈體的力為ρsu2，因此可得單個(gè)磨料顆粒對(duì)彈體的作用力Fi，如公式（3）所示[5]。

式中：u為射流撞擊彈體時(shí)的速度，m/s；ρs為磨料顆粒密度，kg/m3。

假設(shè)前混合磨料水射流采用圓錐形噴嘴，噴嘴直徑為D。磨料水射流屬于固液兩相自由紊動(dòng)射流，由于速度很高，因此可以認(rèn)為軸向射流速度即為射流的初速度u0。當(dāng)靶距x>6.2 mm時(shí)，u=6.2u0D/x；當(dāng)x<6.2 mm時(shí)，u=u0。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，射流初速度u0如公式（4）所示。式中：p為出口壓力，MPa。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，射流的密度如公式（5）所示。

式中：ρ0為混合流體的密度，kg/m3；αs為磨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ρw為水的密度，kg/m3。

整理得到磨料顆粒與彈體接觸時(shí)的最大接觸剪切應(yīng)力如公式（6）所示。

1.2 空化射流

空化指當(dāng)液體處于低壓強(qiáng)、高流速狀態(tài)時(shí)，液體中的空化泡（或稱氣核）開始出現(xiàn)爆發(fā)性膨脹生長(zhǎng)，當(dāng)空化泡到達(dá)高壓強(qiáng)、低流速區(qū)域時(shí)，出現(xiàn)爆裂、湮滅的現(xiàn)象?？栈莸男纬膳c發(fā)展模型如圖1所示?？栈淞鞯脑硎抢每栈g和機(jī)械作用原理進(jìn)行作業(yè)，主要借助空化泡爆裂時(shí)產(chǎn)生的沖擊力來(lái)加強(qiáng)射流的效果，并利用空化泡湮滅時(shí)產(chǎn)生的微射流和沖擊波來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

圖1 空氣泡的形成與發(fā)展模型

式中：P為空化射流沖擊壓力，MPa；Pi為連續(xù)射流滯止壓力，MPa；α為射流介質(zhì)中氣體含量。

當(dāng)1/10<α<1/6時(shí)，P=（8.6～124）Pi，即在相同排量下，空化射流沖擊壓力是連續(xù)射流滯止壓力的8.6～124.0倍。

1.3 脈沖射流

脈沖射流屬于非連續(xù)射流，通過(guò)特定裝置以脈沖的形式將水射流作用于靶體上，形成能量很大的“水團(tuán)”，該水錘射流技術(shù)充分利用了水錘效應(yīng)，增大了靶體上的摩擦作用力，使對(duì)材料的損傷和破壞裂紋可以快速地?cái)U(kuò)散，其在靶體上的沖擊和阻擋壓力要遠(yuǎn)高于單片機(jī)純水射流的滯止壓力，進(jìn)而改善了射流的破碎和切割能力[6]。脈沖射流的性能主要由水擊發(fā)生形成的頻率、水擊長(zhǎng)度和射流直徑的比及水擊產(chǎn)生的能量等因素所決定，一般由聚能驟放（俗稱“水炮”）、壓力擠出和流量調(diào)節(jié)（又叫“水擊”）3種方式產(chǎn)生，包括阻斷式脈沖射流、激勵(lì)式脈沖射流和擠壓沖擊式脈沖射流，其作用原理主要是水擊壓力P0，如公式（8）所示。

式中：P0為脈沖射流水擊壓力，MPa；ρ為射流介質(zhì)密度，g/cm3；c為射流流體中的聲速，m/s，在水中c≈1500 m/s；v為射流速度，m/s。

由公式（8）可以得出，脈沖射流水擊壓力P0＞連續(xù)射流滯止壓力Pi。

2 國(guó)內(nèi)含能領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

高壓水射流作為一門新興的加工技術(shù)，屬于冷加工范疇，適用于切割、破碎各種壓敏、熱敏材料以及易燃和易爆等危險(xiǎn)物品，在含能領(lǐng)域顯現(xiàn)出很高的應(yīng)用價(jià)值。

2.1 切割理論方面

黃玉平等人[7]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)高壓水射流破碎炸藥的安全性進(jìn)行了研究。Hua等人[8]利用磨料水射流對(duì)不同類型的材料進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，分析了磨料沖擊對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷、溫度變化以及切割過(guò)程中的壓力和速度特性。韓啟龍等人[9]分析了高壓水射流技術(shù)在部分含能領(lǐng)域應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，并對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。王敬濤等人運(yùn)用數(shù)學(xué)建模分析、軟件模擬仿真等方法，對(duì)預(yù)混式磨料水射流水下切割進(jìn)行了仿真研究。Hsu等人采用數(shù)值模擬的方法對(duì)高速水射流沖擊特定材料進(jìn)行仿真研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了沖擊壓力和射流速度對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響。

國(guó)內(nèi)理論研究以仿真模擬、已有理論驗(yàn)證、安全性以及可行性試驗(yàn)分析為主，獨(dú)創(chuàng)性理論成果以及可用作實(shí)際工程應(yīng)用的創(chuàng)新性研究成果較少，同國(guó)外同領(lǐng)域研究還存在一定的差距。下步理論研究的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)放在淹沒射流、射流水力學(xué)特性、射流沖擊力與基本參數(shù)及噴射距離變化之間的關(guān)系等，例如對(duì)于常見炸藥的沖洗回收，目前回收率大約為30%左，如果能突破研究瓶頸、提升回收率，將會(huì)有巨大的經(jīng)濟(jì)軍事效益。

2.2 切割技術(shù)方面

蔣大勇等人[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)混式磨料水射流切割防暴彈的安全可靠度不低于98.57%。鐘樹良等人通過(guò)對(duì)幾種不同類型炸藥的切割試驗(yàn)，驗(yàn)證了水射流切割炸藥的安全性。蔣大勇等人使用高壓純水射流和磨料水射流對(duì)某型強(qiáng)光爆震彈和防暴彈進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)研究，全程安全、無(wú)意外情況發(fā)生。Zhang等人利用淹沒空化水射流對(duì)裝有A-IX-2型炸藥的報(bào)廢彈藥進(jìn)行破碎試驗(yàn)，并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了探討。Guan等人介紹了磨料水射流技術(shù)用于切割、分離日本遺棄在華化學(xué)武器炸藥和化學(xué)試劑的應(yīng)用。

高壓水射流技術(shù)在火炸藥含量較少、處理風(fēng)險(xiǎn)較小或已知危爆材料結(jié)構(gòu)的含能領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟，但相關(guān)技術(shù)對(duì)大裝藥量、化學(xué)物理性質(zhì)不穩(wěn)定或者不明確內(nèi)部結(jié)構(gòu)和具體裝藥量的靶體材料的研究應(yīng)用仍有很大的缺口。下步研究可以聚焦其他類型的切割介質(zhì)、調(diào)整磨料濃度以及基本參數(shù)等，提升切割能力和普遍適用性，最大限度地發(fā)揮射流技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

2.3 切割裝置方面

李鑫勇等人設(shè)計(jì)了水射流切割裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)炸藥和彈體的沖洗分離。張世林等人設(shè)計(jì)了一種新型排爆裝置，通過(guò)數(shù)值模擬分析驗(yàn)證實(shí)際操作的可行性。紀(jì)新剛根據(jù)爆炸物的種類和大小，發(fā)明了一種水射流處理方法，有效提升了排爆過(guò)程的安全性。孫義柯等人研究設(shè)計(jì)了適用于反恐行動(dòng)的預(yù)混式磨料高壓水射流裝置。呼延曹婧等人設(shè)計(jì)研制了一款新型排爆機(jī)器人，在試驗(yàn)和實(shí)踐操作中驗(yàn)證了該機(jī)器人的實(shí)用價(jià)值。李其祥設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)便實(shí)用的無(wú)后坐力爆炸物銷毀器。

現(xiàn)有發(fā)生操作裝置的組成部件數(shù)量多、體積龐大、系統(tǒng)較為復(fù)雜且不便于運(yùn)輸，在處理工件數(shù)量較少的情況下具有一定的優(yōu)勢(shì)。但受制于裝置本身的靈活性，在處理不便轉(zhuǎn)移、數(shù)量較多的靶體材料時(shí)有一定的局限性，因此加強(qiáng)新材料新工藝的研究創(chuàng)新、進(jìn)行裝置結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化改造以及提升裝置自身的簡(jiǎn)便性和可操作性，能夠有效提升處理效率。

3 國(guó)外含能領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

總結(jié)分析所查閱的資料和文獻(xiàn)，美國(guó)和歐洲在技術(shù)研究和應(yīng)用方面都處于領(lǐng)先地位。

3.1 切割理論方面

Borkowski等人研究得出了高壓水射流炸藥沖蝕機(jī)理。Nambiath等人通過(guò)磨料水射流切割炮彈實(shí)驗(yàn)以及對(duì)操作參數(shù)的優(yōu)化，確定了最佳切削工藝。Koschiniski等人介紹磨料懸浮水射流技術(shù)處理含能材料的基本情況，通過(guò)切割試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)具有廣泛的適用性和廣闊的發(fā)展前景。Kang等人從理論和實(shí)驗(yàn)2個(gè)方面研究了流體射流去除材料的基本機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)得出射流的最優(yōu)噴射距離。Jamali等人提出了一種新的算法，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)爆炸切割過(guò)程進(jìn)行建模，驗(yàn)證了該算法的有效性。

國(guó)外在射流基礎(chǔ)理論研究方面起步較早，能夠結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用加以補(bǔ)充完善，數(shù)據(jù)來(lái)源較為準(zhǔn)確可靠，參考價(jià)值高，可以在相同類型的含能領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)院校和研究機(jī)構(gòu)也加強(qiáng)了對(duì)射流基礎(chǔ)理論的研究和應(yīng)用，部分理論取得了突破性進(jìn)展，已經(jīng)在煤礦、石油工程等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

3.2 切割技術(shù)方面

Summers等人對(duì)11種爆炸物進(jìn)行了高壓水射流沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了高壓水射流沖洗炸藥的安全性。Fossey等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分析了高壓磨料水射流系統(tǒng)的切割性能，設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程切割炮彈的裝置。Campos等人分析了磨料水射流系統(tǒng)水壓、磨料種類和濃度了使用射流入射角和轉(zhuǎn)速等切割影響因素，證實(shí)了使用該系統(tǒng)切割彈藥的可行性。?uri?等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了磨料水射流切割技術(shù)對(duì)彈丸進(jìn)行拆卸和破壞的可行性。Rodionov等人研究發(fā)現(xiàn)水射流技術(shù)可以有效降低對(duì)環(huán)境的污染，可以對(duì)硝銨類炸藥進(jìn)行清洗，提升對(duì)金屬的回收利用率。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)外在技術(shù)研發(fā)方面的投入較大，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用和更新?lián)Q代，已經(jīng)形成了較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)和使用規(guī)范，開始發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值。國(guó)內(nèi)水射流技術(shù)在民用行業(yè)的應(yīng)用較為廣泛，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用還處于研究推廣階段，主要以退役報(bào)廢武器彈藥的處理為主。處廢工作是軍隊(duì)后勤建設(shè)的重要內(nèi)容，同時(shí)也是檢驗(yàn)戰(zhàn)斗力的重要標(biāo)準(zhǔn)，如果能夠大規(guī)模應(yīng)用水射流技術(shù)，那么就會(huì)產(chǎn)生巨大的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3.3 切割裝置方面

從20世紀(jì)90年代初開始，德國(guó)已經(jīng)采用高壓水射流裝置對(duì)流化床焚燒含能材料所需要的料漿進(jìn)行分離和預(yù)處理，荷蘭、英國(guó)、法國(guó)以及葡萄牙等國(guó)家紛紛效仿。英國(guó)利用高壓水射流和超臨界流體切割含能材料，并對(duì)部件進(jìn)行回收利用，已經(jīng)有成功的先例。美國(guó)在實(shí)踐運(yùn)用中已經(jīng)形成較為完備的作業(yè)規(guī)程和適用范圍標(biāo)準(zhǔn)等。

國(guó)外在裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用方面已經(jīng)積累了豐厚的經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)的裝置的可靠性和穩(wěn)定性都比較強(qiáng)，雖然國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的起步較晚，但是發(fā)展勢(shì)頭很好，在部分領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到自主生產(chǎn)甚至領(lǐng)先的水平。2021年4月2日，《解放軍報(bào)》曾刊文介紹了我國(guó)自行研制的某新型排爆機(jī)器人搭載水炮槍成功銷毀爆炸物的案例，展現(xiàn)了該裝置應(yīng)用的廣闊前景。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的發(fā)展，切割裝置發(fā)展的明顯趨勢(shì)就是智能化、無(wú)人化以及小型化，提升裝置的穩(wěn)定性既能夠有效降低人員財(cái)產(chǎn)的損失，也能拓展應(yīng)用市場(chǎng)，可以推動(dòng)社會(huì)各領(lǐng)域的發(fā)展。

4 創(chuàng)新技術(shù)對(duì)高壓水射流技術(shù)的啟發(fā)

4.1 提升智能化水平

含能領(lǐng)域材料的處廢回收利用有一定的危險(xiǎn)性，利用信息技術(shù)的發(fā)展成果，例如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及智能機(jī)器人等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)人化操控，可以有效降低成本，減少人員財(cái)產(chǎn)的損失。

4.2 加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)集成化探索

由于含能領(lǐng)域較為寬泛，需要處理的含能材料從體量上來(lái)講比較大，因此可以建立類似工廠的流水處理線，提升產(chǎn)業(yè)集成化水平，同時(shí)也能大幅度提升處理效率，減輕環(huán)境壓力和負(fù)擔(dān)，符合國(guó)家綠色發(fā)展理念。

4.3 強(qiáng)化基礎(chǔ)理論研究

現(xiàn)階段很多工程的實(shí)際應(yīng)用還需要參考以往經(jīng)驗(yàn)，基礎(chǔ)理論研究還未形成科學(xué)化、體系化的公認(rèn)成果，也是遲滯高壓水射流技術(shù)多領(lǐng)域發(fā)展的重要因素。

4.4 突破關(guān)鍵部件技術(shù)

對(duì)于發(fā)生裝置關(guān)鍵部件的研究還有一定的上升空間，例如高壓或超高壓泵、噴嘴工藝以及磨料顆粒類型等，尤其是對(duì)照不同類型的介質(zhì)和處理對(duì)象，分門別類地研究制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施流程顯得尤為突出。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合國(guó)內(nèi)外高壓水射流技術(shù)含能領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，該技術(shù)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：1） 工作介質(zhì)成本低，環(huán)境友好，屬于綠色加工技術(shù)范疇。2） 加工能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無(wú)人操作，有效降低了風(fēng)險(xiǎn)。3） 切割時(shí)射流介質(zhì)能夠發(fā)揮降溫、滅塵、潤(rùn)滑和沖運(yùn)切屑的作用，具有在含能領(lǐng)域應(yīng)用的天然優(yōu)勢(shì)。4） 切割壓力高，噴嘴直徑小，能量高度集中，具有很強(qiáng)的切割力。5） “水刀”切割時(shí)能夠形成規(guī)則的切口，有利于提升材料的利用率。6） 非接觸式切割對(duì)刀具無(wú)磨損，能夠降低成本。與此同時(shí)還存在一些需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題：1） 相較于機(jī)械切割，高壓水射流需要消耗更多的能量。2） 部分關(guān)鍵部件的性能不過(guò)關(guān)，例如噴嘴工藝、高壓輸送軟管和密封技術(shù)與國(guó)外還有較大差距。3） 系統(tǒng)整體費(fèi)用較高，引進(jìn)國(guó)外系統(tǒng)，平均花費(fèi)10～50萬(wàn)美元；按系統(tǒng)性能不同，在國(guó)內(nèi)開發(fā)也需要十幾萬(wàn)到百萬(wàn)元人民幣，平均操作費(fèi)用為50 元/h～150元/h。4） 噴嘴磨損仍待解決，磨料切割的碳化鎢噴嘴，每個(gè)60元，只能使用2 h～4 h。5） 耗水量較大，操作程序比較煩瑣。