王 晨， 趙大軍， 王美艷， 張書磊， 王 雨， 李政陽

(吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026)

0 引言

極地冰層淡水儲量巨大、海洋生物資源豐富，蘊含著煤、石油、天然氣及鐵礦等優(yōu)質(zhì)豐富的礦產(chǎn)資源，是人類世界的巨大寶庫，同時也是研究世界氣候問題、冰下湖生命和冰蓋運動規(guī)律的重要場所[1-2]。進行極地資源開采和科學研究需要采用高效、環(huán)保的冰層鉆探技術。但是極地惡劣的氣候條件給冰層鉆探帶來了巨大的挑戰(zhàn)，鉆探系統(tǒng)需要克服海拔高、溫度低、風速大等問題，鉆具必須滿足耐低溫、能耗少、輕便、環(huán)保等要求[3]。

經(jīng)過世界各國不斷的完善與改進，目前極地冰層的鉆探方法主要有機械法、熱水鉆與熱熔鉆。機械鉆進是極地勘探最早使用的方法，已由拆裝繁瑣的常規(guī)回轉鉆具逐漸發(fā)展到電動機械鉆具，存在孔底電機功率小，鉆壓、轉速較低的問題，并且在鉆進冰巖夾層與暖冰層時會嚴重磨損鉆頭，難以進行深部鉆進[4-5]。熱水鉆是目前最有效的冰架探測技術，該技術利用鉆頭噴嘴噴射出的高速熱水射流沖擊并融化冰雪層進行鉆進，具有鉆進速度快、無污染的特點，但是在回次結束后殘留在軟管中的熱水易結冰膨脹、破壞軟管，并且鉆進過程中存在熱水漏失的問題[6-7]，都會造成巨大的經(jīng)濟損失。熱熔法能夠有效解決熱水漏失問題。該方法將特制加熱鉆頭直接接觸冰層，通過鉆頭與冰層之間的融水將熱量傳遞給周圍的冰層進行熔化鉆進[8]。由于熱熔法鉆進時鉆頭與冰層之間存在薄膜水層，鉆頭的一部分熱量橫向傳遞，在水平方向擴寬孔徑，加之與周圍環(huán)境的熱交換損失，導致熱熔鉆進方法的實際熱效率較低。為解決上述問題，本文提出對冰層施加超聲波頻率振動進行鉆進的方法，通過鉆進機理分析、室內(nèi)試驗及效率分析驗證其可行性。

1 超聲波冰層鉆進機理

在廣義上，超聲波是指振動頻率在20kHz以上的機械波。超聲波冰層鉆進是通過壓電陶瓷轉換器的逆壓電作用將高頻電流轉換為彈性機械振動能，通過變幅桿與工具頭輸出，作用在冰層上的方法。冰具有低密度、低強度的開放架構，可看作為一種低熔點的特殊“巖石”。

目前，超聲波已被應用在覆冰高壓輸電線路除冰、道路除冰等方面[9]，其除冰原理是超聲波的機械效應、熱效應和空化效應，故以此三個方面為理論基礎，研究超聲波冰層鉆進機理。

(1)機械效應引起的疲勞破壞。微觀上，冰層內(nèi)部微裂紋在超聲波振動作用下會逐漸擴展、貫通，裂紋數(shù)量增加、尺寸變大[10]。這種不斷積累的內(nèi)部損傷使冰層強度降低，當達到疲勞破壞極限時，宏觀上表現(xiàn)為冰層快速發(fā)生大面積的不可逆變形與破碎，其過程分為三個發(fā)展階段[11]：第一階段為起裂階段，在超聲波振動初期，冰層內(nèi)部原始的穩(wěn)定微裂紋在交變應力作用下延伸發(fā)展，部分冰層發(fā)生彈性變形，此時若卸載則部分裂紋會閉合；第二階段為裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段，此時由于應變累積，冰層內(nèi)部出現(xiàn)新裂紋，并會隨著交變載荷穩(wěn)定擴展；第三階段為裂紋不穩(wěn)定發(fā)展階段，此時應變積累達到一定程度，裂紋開始發(fā)生快速延伸、連接、貫通，直至冰層發(fā)生宏觀大面積斷裂、破碎。

(2)熱效應熔冰。由超聲波焊接原理可知，工具頭發(fā)出的高頻機械振動波在冰介質(zhì)中傳播時能夠引起冰內(nèi)水分子劇烈振動，此物理振動彈性能量轉換為水分子之間的內(nèi)摩擦功和形變能[12]，超聲波的能量會部分轉化為分子內(nèi)熱能，并隨工作載荷的增加而增大[13]。這種熱量轉化過程能夠使冰溫度上升，熱運動體系混亂程度大，連接水分子的氫鍵會逐漸減少，分子之間晶格能升高并累積。當能量累積到一定程度時會破壞水分子之間作用力，進而讓有序排列的水分子向無序化轉變，宏觀表現(xiàn)為固體冰向液態(tài)水轉變。高頻機械振動使得工具頭除以上述方式使水分子內(nèi)部摩擦生熱外，還會與周圍冰層發(fā)生接觸摩擦，產(chǎn)生的熱能會加速冰的融化。

(3)空化作用引起的破壞。冰在超聲波振動作用下會部分轉化為液態(tài)水，這部分液態(tài)水在超聲波振動作用下產(chǎn)生空化現(xiàn)象?？栈F(xiàn)象是指液體中存在的微氣核空化泡在外界作用下發(fā)生振動，并在氣壓達到一定值時崩潰的動力學過程?？栈a(chǎn)生的空穴現(xiàn)象會在液體中產(chǎn)生暫時負壓區(qū)，導致氣壓不平衡，液態(tài)水內(nèi)產(chǎn)生非線性振動的氣泡，這些氣泡破滅時會產(chǎn)生瞬時的高溫(>5000 K)與高壓(>500 GPa)，對周圍的冰層造成破壞[14]。同時，在振動過程中，空化氣泡使液體產(chǎn)生環(huán)流，使振動著的氣泡表面具有較高的速度梯度和粘滯應力[15]，加速對周圍冰層的侵蝕與剝離。因此，空化效應能夠輔助冰層的破碎，進一步提高了冰層鉆進速度。

2 超聲波冰層鉆進試驗

2.1 試驗儀器

試驗采用壓電陶瓷式超聲波振動發(fā)生器，主要由驅(qū)動電源、換能器、變幅桿與工具頭等組成，見圖1。

圖1 超聲波振動發(fā)生器示意圖

驅(qū)動電源把220V、50Hz的交流電信號轉換為超聲波頻率電振蕩信號，為換能器提供電能[16]；壓電陶瓷換能器將電能轉變?yōu)槌曨l機械振動[17]；變幅桿放大機械振幅、位移或速度以聚集能量；工具頭上部與變幅桿連接，下部通過熔冰的方法鉆進冰層。試驗使用的超聲波發(fā)生器如圖2所示，可自動追蹤頻率，在30 kHz下?lián)Q能器自動追蹤頻率范圍在29.75～30.10 kHz，發(fā)生器額定功率為1200 W。工具頭直徑為27 mm，振動頭質(zhì)量為2.56 kg(即為施加在樣品上的壓力)。

2.2 制取冰樣

使用TN/GDW-010D型高低溫試驗箱凍制冰樣。該試驗箱溫度范圍為-70～130 ℃，總功率為12 kW。設定試驗箱內(nèi)為-10 ℃，用圓臺狀模具灌入自來水制取冰樣品。樣品上端直徑為52 mm，下端直徑為70 mm，高度為70 mm，體積約為180 mL。凍制完成的冰樣內(nèi)部存在少量氣泡，溫度為-10 ℃，抗壓強度為3 MPa[18]。

2.3 試驗數(shù)據(jù)

試驗前測量冰樣的質(zhì)量m1，將冰樣下端固定在底座上，工具頭壓在冰樣表面上后開始進行無回轉振動鉆進，鉆壓為鉆頭自重(0.0256 kN)，見圖3。在全部鉆進冰樣后停止試驗，由錄像機從側面拍攝記錄，全過程在試驗箱里進行。

圖3 超聲波鉆進試驗

在鉆進過程中，工具頭在冰樣中穩(wěn)定下降，停振后冰樣形成規(guī)則的圓形孔。振動鉆進后，測量冰樣的質(zhì)量m2以及鉆孔直徑d、深度h，讀取鉆進時間T，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 超聲波鉆進試驗數(shù)據(jù)

3 數(shù)學模型建立及試驗數(shù)據(jù)分析

由上述試驗現(xiàn)象可知，鉆孔直徑與鉆頭直徑幾乎相同，鉆孔周圍有液態(tài)水流出，說明超聲波振動主要是在空化效應和熱效應作用下熔化鉆進。

3.1 超聲波熔冰效率分析

超聲波換能器振子的輸入功率為變量，在工作時間段T內(nèi)，總功率的計算如公式(1)所示，平均功率為總功率除以此段時間，如公式(2)所示：

(1)

(2)

設在時間T內(nèi)熔冰有效功為Q，包括了冰升溫到熔點所吸收的熱量Q1和處于熔點的冰融化為同溫度水所吸收的熱量Q2，可得到如下公式：

Q=Q1+Q2= (m1-m2)L×10-3+(m1-m2)CΔT×10-3

(3)

式中：Q、Q1、Q2單位均為J；m1、m2——鉆進前、鉆進后冰的質(zhì)量，g；L——冰的液化潛熱，取3.36×105J/kg；C——冰的比熱容，取2100 J/(kg·K)；ΔT——冰融化前后的溫度差，在本試驗中為10 K，即冰的融化溫度273.15 K(0 ℃)與凍制冰樣溫度263.15 K(-10 ℃)的差值。

根據(jù)以上推導，得出超聲波鉆進熔冰效率η計算公式：

(4)

3.2 超聲波熔冰平均功率密度與鉆進速度

平均功率密度是鉆進時間內(nèi)的平均輸入功率與鉆孔橫截面積之比：

(5)

式中：A——鉆孔橫截面積，cm2；d——鉆孔直徑，mm；I——平均功率密度，W/cm2。

鉆進速度是鉆進深度與鉆進時間之比：

V=3.6h/T

(6)

式中：V——鉆進速度，m/h；h——鉆進深度，mm。

3.3 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)以上計算公式的推導，得到在30 kHz的頻率下超聲波冰層鉆進試驗數(shù)據(jù)如表2所示。輸入功Pa由origin軟件通過積分計算得到。

表2 超聲波冰層鉆進試驗數(shù)據(jù)計算

將以上3組數(shù)據(jù)計算平均值可知，頻率為30 kHz的超聲波振動鉆進方法在平均功率密度為25.85 W/cm2時，鉆進速度可達到2.29 m/h，熔冰效率η可達到74.9%。其熔冰效率高于熱水鉆熱效率(58.9%～72.4%)及熱熔鉆熱效率(59%)，鉆進速度高于熱熔鉆(相同功率密度下鉆進速度為2.18 m/h)，說明超聲波鉆進方法在理論上具有可行性，能夠有效改進熱熔鉆與熱水鉆效率較低的問題并提升熱熔鉆的鉆速。

4 結論

(1)在對超聲波冰層鉆進機理進行了理論分析的基礎上，提出采用超聲波振動鉆進冰層的方法。該方法在超聲波振動作用下，主要通過熱效應產(chǎn)生的熔冰作用、空化作用與機械效應引起的疲勞破壞鉆進冰層。

(2)建立了超聲波振動鉆進冰層的試驗裝置，進行了超聲波冰層鉆進試驗，并對超聲波振動鉆進冰層的效率進行了理論分析與計算公式的推導。通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)分析可知，在純冰層條件下，超聲波鉆進方法的熱效率高于熱水鉆與熱熔鉆，鉆進速度高于熱熔鉆。

(3)由理論分析以及試驗驗證可知，超聲波振動鉆進冰層具有可行性，建議進一步深入研究其鉆進機理，為鉆具的研制及應用奠定理論基礎。