王 晨， 趙大軍， 王美艷， 張書磊， 王 雨， 李政陽

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)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(jìn)行極地資源開采和科學(xué)研究需要采用高效、環(huán)保的冰層鉆探技術(shù)。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(fēng)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(jìn)，目前極地冰層的鉆探方法主要有機(jī)械法、熱水鉆與熱熔鉆。機(jī)械鉆進(jìn)是極地勘探最早使用的方法，已由拆裝繁瑣的常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆具逐漸發(fā)展到電動機(jī)械鉆具，存在孔底電機(jī)功率小，鉆壓、轉(zhuǎn)速較低的問題，并且在鉆進(jìn)冰巖夾層與暖冰層時會嚴(yán)重磨損鉆頭，難以進(jìn)行深部鉆進(jìn)[4-5]。熱水鉆是目前最有效的冰架探測技術(shù)，該技術(shù)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(jìn)行鉆進(jìn)，具有鉆進(jìn)速度快、無污染的特點，但是在回次結(jié)束后殘留在軟管中的熱水易結(jié)冰膨脹、破壞軟管，并且鉆進(jìn)過程中存在熱水漏失的問題[6-7]，都會造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行熔化鉆進(jìn)[8]。由于熱熔法鉆進(jìn)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(kuò)寬孔徑，加之與周圍環(huán)境的熱交換損失，導(dǎo)致熱熔鉆進(jìn)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(jìn)行鉆進(jìn)的方法，通過鉆進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)理

在廣義上，超聲波是指振動頻率在20kHz以上的機(jī)械波。超聲波冰層鉆進(jìn)是通過壓電陶瓷轉(zhuǎn)換器的逆壓電作用將高頻電流轉(zhuǎn)換為彈性機(jī)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(qiáng)度的開放架構(gòu)，可看作為一種低熔點的特殊“巖石”。

目前，超聲波已被應(yīng)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(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和空化效應(yīng)，故以此三個方面為理論基礎(chǔ)，研究超聲波冰層鉆進(jìn)機(jī)理。

(1)機(jī)械效應(yīng)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(kuò)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(qiáng)度降低，當(dāng)達(dá)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(yīng)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(yīng)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(kuò)展；第三階段為裂紋不穩(wěn)定發(fā)展階段，此時應(yīng)變積累達(dá)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(yīng)熔冰。由超聲波焊接原理可知，工具頭發(fā)出的高頻機(jī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)能量累積到一定程度時會破壞水分子之間作用力，進(jìn)而讓有序排列的水分子向無序化轉(zhuǎn)變，宏觀表現(xiàn)為固體冰向液態(tài)水轉(zhuǎn)變。高頻機(jī)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(zhuǎn)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(dá)到一定值時崩潰的動力學(xué)過程?？栈?yīng)產(chǎn)生的空穴現(xiàn)象會在液體中產(chǎn)生暫時負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)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(yīng)力[15]，加速對周圍冰層的侵蝕與剝離。因此，空化效應(yīng)能夠輔助冰層的破碎，進(jìn)一步提高了冰層鉆進(jìn)速度。

2 超聲波冰層鉆進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)槌曨l機(jī)械振動[17]；變幅桿放大機(jī)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(jìn)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(shè)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(qiáng)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(jìn)行無回轉(zhuǎn)振動鉆進(jìn)，鉆壓為鉆頭自重(0.0256 kN)，見圖3。在全部鉆進(jìn)冰樣后停止試驗，由錄像機(jī)從側(cè)面拍攝記錄，全過程在試驗箱里進(jìn)行。

圖3 超聲波鉆進(jìn)試驗

在鉆進(jìn)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(jìn)后，測量冰樣的質(zhì)量m2以及鉆孔直徑d、深度h，讀取鉆進(jìn)時間T，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 超聲波鉆進(jìn)試驗數(shù)據(jù)

3 數(shù)學(xué)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(yīng)和熱效應(yīng)作用下熔化鉆進(jìn)。

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(shè)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(jìn)前、鉆進(jìn)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(dǎo)，得出超聲波鉆進(jìn)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(jìn)速度

平均功率密度是鉆進(jìn)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(jìn)速度是鉆進(jìn)深度與鉆進(jìn)時間之比：

V=3.6h/T

(6)

式中：V——鉆進(jìn)速度，m/h；h——鉆進(jìn)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(dǎo)，得到在30 kHz的頻率下超聲波冰層鉆進(jìn)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(jìn)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(jìn)方法在平均功率密度為25.85 W/cm2時，鉆進(jìn)速度可達(dá)到2.29 m/h，熔冰效率η可達(dá)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(jìn)速度高于熱熔鉆(相同功率密度下鉆進(jìn)速度為2.18 m/h)，說明超聲波鉆進(jìn)方法在理論上具有可行性，能夠有效改進(jìn)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(jié)論

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

(2)建立了超聲波振動鉆進(jìn)冰層的試驗裝置，進(jìn)行了超聲波冰層鉆進(jìn)試驗，并對超聲波振動鉆進(jìn)冰層的效率進(jìn)行了理論分析與計算公式的推導(dǎo)。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(jìn)方法的熱效率高于熱水鉆與熱熔鉆，鉆進(jìn)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(jìn)冰層具有可行性，建議進(jìn)一步深入研究其鉆進(jìn)機(jī)理，為鉆具的研制及應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。