(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司　黑龍江　大慶　163000)

0　引　言

后混合磨料水射流是石油行業(yè)管道表面處理和材料切割處理的重要方法之一[1,2]。其是將磨料在噴嘴處加入至高壓泵出的高速水流中，高速水流將磨料加速并通過噴嘴噴出，形成具有一定能量的高速水射流[3]。后混合磨料射流系統(tǒng)為磨料射流系統(tǒng)中的一種，后混合磨料射流系統(tǒng)的磨料在噴嘴處加入，磨料與流體在噴嘴處混合并在流體的作用下進(jìn)行加速噴射[4]。后混合磨料水射流系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、無需高壓磨料注入環(huán)境等優(yōu)勢(shì)[5,6]，切削效率是同條件下純水射流的8～10倍[7,8]。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，其在石油行業(yè)中取得了較為廣泛的應(yīng)用，如油管污垢清洗、鉆具除銹、金屬及材料切割以及巖石破碎作業(yè)[9,10]等。

后混合磨料射流在應(yīng)用中，如切割、沖擊、清洗油垢等，其壓力、時(shí)間、磨料濃度等參數(shù)直接影響著磨料射流的沖擊能量，使用合適的水力參數(shù)可以在相同的工況及成本下使磨料射流的工作效率發(fā)揮到最優(yōu)，對(duì)其工作效率與經(jīng)濟(jì)效益有著決定性作用。本文利用混合式射流系統(tǒng)破巖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)，探究了不同水力參數(shù)變化對(duì)破巖效率的影響規(guī)律，以此對(duì)射流系統(tǒng)的水力參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到提高后混合磨料射流工作效率的目的，對(duì)于石油行業(yè)中后混式磨料射流裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1　實(shí)驗(yàn)材料及裝置

1.1　實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)?zāi)チ蠂娮觳捎煤蠡旌鲜侥チ仙淞鲊娮欤锤邏荷淞魍ㄟ^水噴嘴時(shí)產(chǎn)生高速射流，并在混合腔內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度。由于磨料箱與混合腔之間形成一定的壓力差，使磨料在自重和壓力差的共同作用下通過氣力運(yùn)輸而進(jìn)入混合腔[11,12]，磨料在腔內(nèi)與水射流混合，經(jīng)噴嘴加速后形成磨料水射流。

實(shí)驗(yàn)流體采用清水，動(dòng)力源為高壓泵。由于條件限制，實(shí)驗(yàn)采用后混合式磨料噴嘴進(jìn)行沖擊。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，啟動(dòng)高壓泵，高壓泵從水箱中將水吸入，泵出高壓流體，當(dāng)高壓流體經(jīng)過磨料噴嘴時(shí)，根據(jù)伯努利原理，在噴嘴內(nèi)部形成負(fù)壓。在負(fù)壓作用和重力作用下，磨料從進(jìn)料漏斗進(jìn)入噴嘴內(nèi)部，與清水混合后噴出，以此破碎巖石。巖樣及磨料噴嘴被固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)開始前向?qū)嶒?yàn)箱中注入清水，使清水液面沒過噴嘴，達(dá)到淹沒條件。實(shí)驗(yàn)過程中，改變泵壓、時(shí)間、噴距、噴嘴直徑等參數(shù)，研究各參數(shù)變化對(duì)磨料射流破巖效果的影響。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)流程圖

1.2　實(shí)驗(yàn)材料及裝置

實(shí)驗(yàn)用磨料噴嘴直徑為6、8、10、12、14 mm的5個(gè)磨料噴嘴，與混合腔采用螺紋連接，便于快速更換噴嘴。由于高速磨料射流對(duì)噴嘴內(nèi)壁的沖擊磨損嚴(yán)重[13,14]，因此磨料噴嘴在加工時(shí)要選用強(qiáng)度高、耐磨性好及抗腐蝕性較好的材質(zhì)，同時(shí)對(duì)噴嘴內(nèi)壁進(jìn)行耐磨處理(噴涂硬質(zhì)合金)?？紤]綜合因素，本實(shí)驗(yàn)射流磨料噴嘴選用45#鋼，并進(jìn)行噴涂硬質(zhì)合金處理。水噴嘴采用圓錐段與圓柱出口結(jié)合的結(jié)構(gòu)，圓錐段收縮角為45°。經(jīng)驗(yàn)表明，磨料噴嘴直徑約為水噴嘴直徑的3～5倍為宜，因此水噴嘴直徑設(shè)計(jì)為3 mm?；旌锨婚L(zhǎng)度一般為水噴嘴直徑的30～40倍，設(shè)計(jì)混合腔長(zhǎng)度為135 mm。

實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)裝置有高壓泵、水箱、后混合式磨料射流噴嘴、多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)箱、巖樣、加料漏斗及高壓管線等。高壓泵最高壓力為100 MPa，高壓泵的排量最大值為60 L/min(實(shí)驗(yàn)開始時(shí)會(huì)先對(duì)高壓泵泵壓及流量進(jìn)行測(cè)量)。后混合式磨料射流噴嘴上裝有壓力表，以便實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力。采用雙漏斗裝置，可以控制磨料的加入速度。實(shí)驗(yàn)用鋼粒為球型硬質(zhì)顆粒，直徑為1 mm，密度為7.8 g/cm3，堆積密度為4.2 g /cm3，硬度在40～51HRC，巖石類型為花崗巖，硬度為24 MPa，密度2.6～2.8 g/m3。

1.3　實(shí)驗(yàn)方法及步驟

實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程：

1)實(shí)驗(yàn)開始前，按照流程圖順序，將水箱與高壓泵、高壓泵與磨料射流噴嘴之間管線連接好，并確保連接牢固、密封性好。

2)將實(shí)驗(yàn)臺(tái)放置于實(shí)驗(yàn)箱中，并將磨料射流噴嘴固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，連接加料漏斗與磨料射流噴嘴，將巖樣放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，并調(diào)整噴嘴，使其與巖樣位置相對(duì)。

3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，用量筒測(cè)量出所需的磨料體積，并加入至加料漏斗中。通過控制漏斗球閥大小來控制磨料加入速度，精確控制時(shí)間，保證磨料加入的濃度。

4)打開水箱出口閥門，打開高壓泵，調(diào)節(jié)泵壓，待磨料射流噴嘴上壓力表顯示至指定壓力。打開計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)同時(shí)開啟加料漏斗閥門，使其均勻下落。

5)時(shí)間到，停止計(jì)時(shí)并關(guān)閉加料漏斗閥門，稍等片刻后停泵。

6)將巖樣取出，并用標(biāo)簽記錄實(shí)驗(yàn)條件，將新的巖樣放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　排量測(cè)定

實(shí)驗(yàn)前，先測(cè)定不同壓力下磨料射流噴嘴的流量。測(cè)定實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)液位高度，打開進(jìn)水閥門，打開高壓泵，當(dāng)噴嘴射流噴出時(shí)開始計(jì)時(shí)，測(cè)量一段時(shí)間后停泵，并測(cè)量此時(shí)液位高度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱的尺寸，測(cè)出增加的液體體積，計(jì)算出通過磨料射流噴嘴的流量。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在不同壓力下，通過磨料射流噴嘴的流量。根據(jù)流量與沖擊時(shí)間，可計(jì)算得出不同磨料濃度時(shí)所需的磨料體積。射流參數(shù)見表1。

表1　射流參數(shù)

2.2　壓力對(duì)破巖效果的影響

在淹沒條件(實(shí)驗(yàn)箱中清水液面沒過噴嘴)下，保持噴距2 cm、磨料噴嘴直徑6 mm、磨料濃度1%，改變壓力分別為6、10、14、18 MPa，進(jìn)行破巖實(shí)驗(yàn)，得到不同沖擊時(shí)間下，射流壓力對(duì)破巖效果的影響規(guī)律[15]。

不同沖擊時(shí)間下磨料射流對(duì)巖石侵入深度隨壓力變化曲線如圖2所示。

圖2　不同沖擊時(shí)間條件下侵入深度與壓力的關(guān)系曲線

由圖2可以看出，磨料射流侵入巖石的深度隨壓力加大而加深，基本上呈線性增加。當(dāng)泵壓升高時(shí)，通過磨料射流噴嘴的流量增大，由于水噴嘴與磨料的直徑不變，因此射流速度增大，磨料由射流進(jìn)行加速，磨料射流的速度增大，從而使磨料射流的動(dòng)能增大，磨料射流在沖擊巖石沖擊壓力增大，所以磨料射流對(duì)巖石的侵入深度增大。

同時(shí)，由圖2還可以看出，在不同沖擊時(shí)間下，破巖侵入深度隨壓力改變而出現(xiàn)的變化幅度不同；沖擊時(shí)間為10 s時(shí)，侵入深度隨壓力變化而出現(xiàn)的變化幅度較小，沖擊時(shí)間為100 s時(shí)，侵入深度隨壓力變化而出現(xiàn)的變化幅度較大。因此，沖擊時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，壓力對(duì)磨料射流破巖侵入深度的影響越大。

2.3　磨料濃度對(duì)破巖效果的影響

在淹沒條件(實(shí)驗(yàn)箱中清水液面沒過噴嘴)下，保持壓力為6 MPa，噴距為20 mm，磨料噴嘴直徑為6 mm，在不同沖擊時(shí)間下，改變磨料濃度范圍為0.5%～6%，得出磨料濃度對(duì)破巖效果影響規(guī)律。

選取6組沖擊時(shí)間10、20、40、60、80、100 s ，分別進(jìn)行不同沖擊時(shí)間條件下磨料濃度0.5%、1%、2%、3%、3.5%、6%對(duì)破巖效果的影響研究。不同時(shí)間侵入深度與磨料濃度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3　不同沖擊時(shí)間條件下侵入深度與磨料濃度的關(guān)系曲線

從圖3可以看出磨料射流侵入巖石的深度隨著磨料濃度的增大，而呈現(xiàn)出拋物線變化趨勢(shì)，在磨料濃度為2%～4%之間時(shí)，磨料侵入巖石深度最大。此外還可以看出，在不同沖擊時(shí)間下，侵入深度隨磨料濃度變化的敏感度不同，沖擊時(shí)間越長(zhǎng)，磨料濃度變化對(duì)侵入深度的影響越大。

磨料由加料漏斗進(jìn)入混合腔，與水噴嘴噴出的射流進(jìn)行摻混，并由水射流加速?gòu)哪チ蠂娮靽姵?。?dāng)磨料濃度過小時(shí)，水力能量并未得到完全利用，水力能量還可以加速更多的磨料；當(dāng)磨料濃度過大時(shí)，磨料難以與水流充分混合，同時(shí)能耗增大，水射流無法使所有磨料進(jìn)行加速，大量磨料在噴嘴處發(fā)生則堵塞，導(dǎo)致顆粒之間相互產(chǎn)生干涉，磨料流速降低，沖擊作用力也相對(duì)減弱。同時(shí)濃度的增加磨料對(duì)噴嘴的磨損，減小噴嘴的使用壽命。因此，在本實(shí)驗(yàn)研究中磨料濃度2%～4%為宜。

2.4　沖擊時(shí)間對(duì)破巖效果的影響

在淹沒條件(實(shí)驗(yàn)箱中清水液面沒過噴嘴)下，噴距為20 mm，磨料濃度選為1%，磨料噴嘴直徑為6 mm。分別在6、10、14、18 MPa不同壓力下，改變磨料射流沖擊時(shí)間，探究沖擊時(shí)間對(duì)磨料射流破巖效果的影響規(guī)律。

不同壓力下浸入深度與沖擊時(shí)間的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4　不同壓力條件下侵入深度與沖擊時(shí)間的關(guān)系曲線

從圖4中可以看出，磨料射流侵入深度隨著沖擊時(shí)間的增大而加深。隨著沖擊時(shí)間的加大，磨料射流不斷沖擊巖石，磨料侵入深度一般會(huì)增大。但是并不是沖擊時(shí)間越長(zhǎng)越好，沖擊時(shí)間增加，巖石出現(xiàn)凹槽，磨料射流再次破碎時(shí)靶距會(huì)變長(zhǎng)。另一方面，當(dāng)沖擊時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，先沖擊的磨料會(huì)堆積在巖坑中或隨射流往上返，磨料返回流會(huì)干涉后續(xù)射流，這會(huì)使后續(xù)的磨料射流的沖擊能量降低，從而使破巖效率下降。

以破碎體積與破碎時(shí)間的比值，計(jì)算出磨料射流單位時(shí)間內(nèi)破碎巖石的體積，即破碎速度。將破碎速度作為因變量，作出其隨沖擊時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

圖5　不同壓力條件下破巖速度與沖擊時(shí)間的關(guān)系曲線

從圖5中可以看出，破碎速度隨著沖擊時(shí)間的增加，呈變小趨勢(shì)。這就說明，雖然沖擊時(shí)間增加時(shí)，巖石破碎體積會(huì)增加，但是巖石破碎速度會(huì)下降，磨料射流破碎巖石的效率會(huì)下降。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，磨料射流沖擊單位體積內(nèi)巖石的時(shí)間應(yīng)該保持越小越好，磨料射流破巖的效率越高。此外，由圖4、圖5還可以看出，壓力越高時(shí)，沖擊時(shí)間對(duì)侵入深度及破巖速度的影響越大。

3　結(jié)束語

后混式磨料射流在石油工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其射流參數(shù)對(duì)其沖擊能量具有較大影響。基于此，利用后混式磨料射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，開展了在淹沒條件下磨料射流的壓力、時(shí)間、磨料濃度等參數(shù)對(duì)磨料射流破巖效果的實(shí)驗(yàn)研究，得到了磨料射流沖擊能量的影響規(guī)律。研究得出的水力參數(shù)對(duì)后混合式磨料射流破巖的影響規(guī)律可為石油工業(yè)中后混合式磨料射流破巖、切割以及清洗裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供重要的依據(jù)。

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