磨料水射流在安全方面的應(yīng)用

黃剛雷　李芳兵　尤新宇

【摘 要】磨料水射流技術(shù)是八十年代發(fā)展起來(lái)的新型、高效的水射流技術(shù)，具有切割溫度效應(yīng)小、切割能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在安全 切割和清洗領(lǐng)域，本文主要針對(duì)這兩個(gè)領(lǐng)域?qū)ζ鋬?yōu)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

【關(guān)鍵詞】水射流；安全切割；清洗

0.前言

水射流技術(shù)作為近幾十年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)嶄新的行業(yè)，自從出現(xiàn)以來(lái)，就倍受各國(guó)研究者的關(guān)注。隨著研究與應(yīng)用的不斷深入和發(fā)展，這門技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于安全切割、清洗、破碎、表面處理及加工等作業(yè)。但由于純水射流主要用于清洗，并且工作效率低、耗能大，研究學(xué)者們便進(jìn)一步著眼于其他的特殊射流，比如脈沖射流、空化射流、磨料射流等等。

自從80年代新興起的磨料水射流技術(shù)，由于具有切割能力，破碎能力都比較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，逐漸吸引了各國(guó)科學(xué)家的眼球。1983年第一臺(tái)磨料水射流切割機(jī)在美國(guó)橫空出世，同時(shí)這也標(biāo)志著磨料水射流技術(shù)正式投入使用，以前純水射流主要局限于非金屬物質(zhì)，而磨料水射流可以以很小的噴射壓力就可以輕松的穿透像鋼材、巖石等堅(jiān)硬的材料，大大的擴(kuò)展了切割材料的范圍。

磨料水射流是以磨料為主要介質(zhì)，將磨料和高壓水射流混合并且同時(shí)加速而形成的液固兩相射流。根據(jù)水與磨料射流的混合點(diǎn)是在水噴嘴之前還是之后，將其分為前混合磨料水射流和后混合磨料水射流兩種。但根據(jù)郭楚文等人的計(jì)算[1]，由于后混合磨料水射流沖蝕能力有一定的局限性，并且又存在很明顯的三次能量損失、成本較高，所以前混合磨料水射流漸漸的被廣泛應(yīng)用。

前混合磨料水射流技術(shù)具有高能、冷態(tài)、按點(diǎn)切割的特點(diǎn)，對(duì)材料有極強(qiáng)的沖蝕作用，幾乎可以切割所有的金屬、非金屬以及復(fù)合材料。而且由于其破碎能力比較強(qiáng)，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于煤礦井下安全切割、清洗、切割炮彈、排雷掃雷、核電站切割等方面。本文將根據(jù)磨料水射流技術(shù)的切割原理和相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)其在安全切割方面的作用展開詳細(xì)的論述。

1.前混合式磨料水射流在煤礦開采方面的應(yīng)用

磨料水射流技術(shù)是八十年代發(fā)展起來(lái)的新型射流技術(shù)，自從高壓水射流技術(shù)在我國(guó)礦業(yè)方面應(yīng)用以來(lái)，人們就不斷探索，爭(zhēng)取更好的將該項(xiàng)技術(shù)與礦業(yè)開采相結(jié)合，現(xiàn)在水射流技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用在我國(guó)的礦業(yè)開采各個(gè)方面，其中主要用在煤礦井下危險(xiǎn)環(huán)境的切割。磨料水射流切割技術(shù)是一種新的冷切割技術(shù)，廣泛應(yīng)用在金屬，玻璃，巖石切割方面。研究表明，磨料水射流在切割過(guò)程中溫度不會(huì)超過(guò)100攝氏度，低于瓦斯著火點(diǎn)，大大提高了煤礦井下切割的安全性。磨料水射流技術(shù)在煤礦開采方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

磨料水射流掘巷，高壓水射流掘進(jìn)機(jī)是利用高壓水射流輔助技術(shù)對(duì)巖石進(jìn)行切割，以往的切割技術(shù)，刀具容易破壞，更換頻率高，影響工作進(jìn)度。研究表明，在磨料水射流輔助掘進(jìn)時(shí)，材料耗能成本每平米比以往降低34.5%，大大降低了運(yùn)行成本，增加了產(chǎn)品效益。

除塵，傳統(tǒng)的炮式巷道掘進(jìn)會(huì)產(chǎn)生很多煙塵，使工人作業(yè)的環(huán)境粉塵濃度極高，這不僅加大了開采的難度，阻礙開采進(jìn)度，更重要的是威脅著工人的健康。研究表明工作面采用磨料水射流輔助掘進(jìn)大大減少了環(huán)境中粉塵濃度，僅為普通鑿巖的18.5%。因此，磨料水射流技術(shù)在改善環(huán)境，保障工人的健康等方面具有其突出的功效。

2.水射流技術(shù)在儲(chǔ)油罐清洗、切割等安全方面的應(yīng)用

目前，我國(guó)加油站總數(shù)大約在105座，埋在地面下的儲(chǔ)油罐近4×105個(gè)[2]，如此巨大數(shù)目?jī)?chǔ)油罐定期的清洗以及廢舊儲(chǔ)油罐的切割回收將是一份艱巨的工作。然而傳統(tǒng)工藝雖然耗費(fèi)了大量的人力、財(cái)力、物力，但是最終的清洗效果卻不盡讓人滿意，而且采用傳統(tǒng)方法如火焰、等離子切割等方法切割廢棄的儲(chǔ)油罐也是一件極其危險(xiǎn)的工作。

傳統(tǒng)方法儲(chǔ)油罐的清洗主要由人工承擔(dān)，主要方法有蒸汽熏蒸法，但是該法加熱時(shí)間比較長(zhǎng)，消耗的蒸汽量也比較大，；另外一種比較常用的就是化學(xué)清洗法，即利用化學(xué)反應(yīng)溶解罐壁上油污從而達(dá)到清洗目的的方法；綜合安全以及環(huán)保等因素，傳統(tǒng)清洗儲(chǔ)油罐方式的不足之處：①安全性差，油罐內(nèi)刺激性氣味比較大，勞動(dòng)人員容易出現(xiàn)中毒事故；②給周圍環(huán)境帶來(lái)污染，不利于環(huán)保；③清洗的效果不理想，易破壞油罐母材。而新興起的水射流技術(shù)則很好地解決了這些問(wèn)題。

水射流分為高壓水射流和低壓水射流，是一種已經(jīng)在國(guó)外如美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的清洗行業(yè)應(yīng)用比較廣泛的技術(shù)。例如，儲(chǔ)油罐內(nèi)壁的清洗、焦?fàn)t煤氣管道清洗、建筑物以及大型雕塑等方面的清洗。目前我國(guó)的水射流清洗技術(shù)發(fā)展十分迅速，對(duì)于儲(chǔ)油罐的清洗采用低壓水射流即可滿足要求，與傳統(tǒng)的清洗工藝相比其特點(diǎn)主要有[2]：①很大程度上減少了對(duì)勞動(dòng)工人身體的傷害；②清洗效果較傳統(tǒng)工藝好；③減少了清洗所用的時(shí)間；④操作的安全性較好，不會(huì)給油罐的母材帶來(lái)傷害，從而延長(zhǎng)了儲(chǔ)油罐的使用年限；⑤耗水量小，平均耗水<1t/罐，利于環(huán)保。

3.磨料水射流用于廢舊炮彈切割

近年來(lái)，由于維護(hù)國(guó)家安全的需要，炮彈制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)外飛速發(fā)展，各國(guó)的研究學(xué)者致力于發(fā)明一批批新型用途和型號(hào)的炮彈。但是也正是由于炮彈更新速度之快，隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的不斷超越，使得大量的廢舊炮彈在好多單位和工廠積壓。這些廢舊的炮彈，如果不經(jīng)過(guò)及時(shí)的處理，很可能會(huì)發(fā)生一些不可預(yù)知的危險(xiǎn)。

[3]相對(duì)以前的爆破切割破碎銷毀法、聚能切割銷毀法切割炮彈，磨料水射流切割炮彈時(shí)無(wú)火花也無(wú)切削熱，并且安全系數(shù)較高，因此這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。

利用磨料水射流技術(shù)切割炮彈安全可靠，而且對(duì)環(huán)境無(wú)污染?！俺邏核淞髑懈顝椝庝N毀系統(tǒng) ”利用高壓水射流這一高新技術(shù)將炮彈切開，并利用高壓水將彈藥和彈殼分離，再分別銷毀和提取所需要的鋼材和炸藥。采用這種方法不僅安全可靠，成本較低，而且對(duì)于拆下來(lái)的東西還可以重復(fù)利用，具有可觀的安全性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，磨料水射流作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高效冷切割工藝，其應(yīng)用已遍及工業(yè)生產(chǎn)和人們生活各個(gè)方面。由于具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、切割安全的優(yōu)勢(shì)，有效的擴(kuò)大了切割材料的范圍，使其被廣泛的應(yīng)用于危險(xiǎn)環(huán)境下的切割、清洗等作業(yè)。因此，磨料水射流技術(shù)在安全方面的特性與研究，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和生活具有廣泛的前景與實(shí)際意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭楚文，徐曉東.空化磨料水射流粉碎技術(shù)[M].北京：中國(guó)科學(xué)文化出版社，2002.

[2]崔凌.加油站埋地油罐清洗技術(shù)現(xiàn)狀及適用性分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011.

[3]宋擁政，趙曉利，郭芳筠.磨料水射流切割彈藥實(shí)驗(yàn)可行性研究[J].鍛壓機(jī)械，1998.