后混式磨料射流破巖規(guī)律的實驗研究

(大慶油田有限責任公司測試技術(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行加速噴射[4]。后混合磨料水射流系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、無需高壓磨料注入環(huán)境等優(yōu)勢[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，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)，對其工作效率與經(jīng)濟效益有著決定性作用。本文利用混合式射流系統(tǒng)破巖實驗系統(tǒng)開展實驗，探究了不同水力參數(shù)變化對破巖效率的影響規(guī)律，以此對射流系統(tǒng)的水力參數(shù)進行優(yōu)化，達到提高后混合磨料射流工作效率的目的，對于石油行業(yè)中后混式磨料射流裝置的設(shè)計及應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1　實驗材料及裝置

1.1　實驗原理

實驗?zāi)チ蠂娮觳捎煤蠡旌鲜侥チ仙淞鲊娮?，即高壓射流通過水噴嘴時產(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輸而進入混合腔[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。

實驗流體采用清水，動力源為高壓泵。由于條件限制，實驗采用后混合式磨料噴嘴進行沖擊。實驗開始時，啟動高壓泵，高壓泵從水箱中將水吸入，泵出高壓流體，當高壓流體經(jīng)過磨料噴嘴時，根據(jù)伯努利原理，在噴嘴內(nèi)部形成負壓。在負壓作用和重力作用下，磨料從進料漏斗進入噴嘴內(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驗臺上，實驗開始前向?qū)嶒炏渲凶⑷肭逅骨逅好鏇]過噴嘴，達到淹沒條件。實驗過程中，改變泵壓、時間、噴距、噴嘴直徑等參數(shù)，研究各參數(shù)變化對磨料射流破巖效果的影響。實驗流程如圖1所示。

圖1　實驗流程圖

1.2　實驗材料及裝置

實驗用磨料噴嘴直徑為6、8、10、12、14 mm的5個磨料噴嘴，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噴嘴內(nèi)壁的沖擊磨損嚴重[13,14]，因此磨料噴嘴在加工時要選用強度高、耐磨性好及抗腐蝕性較好的材質(zhì)，同時對噴嘴內(nèi)壁進行耐磨處理(噴涂硬質(zhì)合金)?？紤]綜合因素，本實驗射流磨料噴嘴選用45#鋼，并進行噴涂硬質(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)計為3 mm?；旌锨婚L度一般為水噴嘴直徑的30～40倍，設(shè)計混合腔長度為135 mm。

實驗所用實驗裝置有高壓泵、水箱、后混合式磨料射流噴嘴、多功能實驗臺、實驗箱、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(實驗開始時會先對高壓泵泵壓及流量進行測量)。后混合式磨料射流噴嘴上裝有壓力表，以便實時檢測壓力。采用雙漏斗裝置，可以控制磨料的加入速度。實驗用鋼粒為球型硬質(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　實驗方法及步驟

實驗實施過程：

1)實驗開始前，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)將實驗臺放置于實驗箱中，并將磨料射流噴嘴固定在實驗臺上，連接加料漏斗與磨料射流噴嘴，將巖樣放置于實驗臺上，并調(diào)整噴嘴，使其與巖樣位置相對。

3)根據(jù)實驗條件，用量筒測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。打開計時器開始計時同時開啟加料漏斗閥門，使其均勻下落。

5)時間到，停止計時并關(guān)閉加料漏斗閥門，稍等片刻后停泵。

6)將巖樣取出，并用標簽記錄實驗條件，將新的巖樣放置于實驗臺上，進行下一組實驗。

2　實驗結(jié)果及分析

2.1　排量測定

實驗前，先測定不同壓力下磨料射流噴嘴的流量。測定實驗箱內(nèi)液位高度，打開進水閥門，打開高壓泵，當噴嘴射流噴出時開始計時，測量一段時間后停泵，并測量此時液位高度，根據(jù)實驗箱的尺寸，測出增加的液體體積，計算出通過磨料射流噴嘴的流量。實驗測得在不同壓力下，通過磨料射流噴嘴的流量。根據(jù)流量與沖擊時間，可計算得出不同磨料濃度時所需的磨料體積。射流參數(shù)見表1。

表1　射流參數(shù)

2.2　壓力對破巖效果的影響

在淹沒條件(實驗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，進行破巖實驗，得到不同沖擊時間下，射流壓力對破巖效果的影響規(guī)律[15]。

不同沖擊時間下磨料射流對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。當泵壓升高時，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，磨料由射流進行加速，磨料射流的速度增大，從而使磨料射流的動能增大，磨料射流在沖擊巖石沖擊壓力增大，所以磨料射流對巖石的侵入深度增大。

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

2.3　磨料濃度對破巖效果的影響

在淹沒條件(實驗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，在不同沖擊時間下，改變磨料濃度范圍為0.5%～6%，得出磨料濃度對破巖效果影響規(guī)律。

選取6組沖擊時間10、20、40、60、80、100 s ，分別進行不同沖擊時間條件下磨料濃度0.5%、1%、2%、3%、3.5%、6%對破巖效果的影響研究。不同時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，在磨料濃度為2%～4%之間時，磨料侵入巖石深度最大。此外還可以看出，在不同沖擊時間下，侵入深度隨磨料濃度變化的敏感度不同，沖擊時間越長，磨料濃度變化對侵入深度的影響越大。

磨料由加料漏斗進入混合腔，與水噴嘴噴出的射流進行摻混，并由水射流加速從磨料噴嘴噴出。當磨料濃度過小時，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；當磨料濃度過大時，磨料難以與水流充分混合，同時能耗增大，水射流無法使所有磨料進行加速，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，沖擊作用力也相對減弱。同時濃度的增加磨料對噴嘴的磨損，減小噴嘴的使用壽命。因此，在本實驗研究中磨料濃度2%～4%為宜。

2.4　沖擊時間對破巖效果的影響

在淹沒條件(實驗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間，探究沖擊時間對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間的增大而加深。隨著沖擊時間的加大，磨料射流不斷沖擊巖石，磨料侵入深度一般會增大。但是并不是沖擊時間越長越好，沖擊時間增加，巖石出現(xiàn)凹槽，磨料射流再次破碎時靶距會變長。另一方面，當沖擊時間過長時，先沖擊的磨料會堆積在巖坑中或隨射流往上返，磨料返回流會干涉后續(xù)射流，這會使后續(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間的比值，計算出磨料射流單位時間內(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間的關(guān)系曲線

從圖5中可以看出，破碎速度隨著沖擊時間的增加，呈變小趨勢。這就說明，雖然沖擊時間增加時，巖石破碎體積會增加，但是巖石破碎速度會下降，磨料射流破碎巖石的效率會下降。因此，在實際應(yīng)用中，磨料射流沖擊單位體積內(nèi)巖石的時間應(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，沖擊時間對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驗裝置，開展了在淹沒條件下磨料射流的壓力、時間、磨料濃度等參數(shù)對磨料射流破巖效果的實驗研究，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)計及應(yīng)用提供重要的依據(jù)。

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