磨料水射流仿真分析與試驗(yàn)研究

田家林，胡志超，劉 松，葛桐旭

（1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500；2.中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，成都 610052）

0 引言

目前，磨料水射流切割設(shè)備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展逐漸在加工制造業(yè)得到認(rèn)可與應(yīng)用，水流攜帶磨料作為一種新型加工用“刀具”被各國(guó)研究機(jī)構(gòu)關(guān)注。該設(shè)備可在較低壓力下切割鋼材等堅(jiān)硬物體。因此，針對(duì)磨料水射流切割機(jī)理及相關(guān)特性的研究變得尤為重要。前混式磨料水射流切割，即在高壓水射流形成之前，將磨料粒子與水在高壓管路中均勻混合，然后通過(guò)噴嘴進(jìn)一步的加速，形成磨料水射流，沖擊到被切割物表面，利用磨料顆粒對(duì)材料的沖蝕作用實(shí)現(xiàn)切割。在前混式磨料水射流切割設(shè)備中，噴嘴是一個(gè)非常關(guān)鍵的部件。噴嘴是形成水射流工況的直接元件，一旦出現(xiàn)故障，將直接影響系統(tǒng)的正常工作。因此，研究出性能良好、材料適宜又與主機(jī)匹配的噴嘴，將極大地提高射流切割的效率。噴嘴的形狀、幾何參數(shù)以及噴嘴的材質(zhì)是影響磨料水射流噴嘴磨損程度和使用壽命的主要因素。采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，利用仿真軟件，對(duì)不同噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同工作條件的磨料水射流切割設(shè)備射流流場(chǎng)及工作情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，以及結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試等方法對(duì)射流切割過(guò)程進(jìn)行研究；對(duì)于其中的關(guān)鍵參數(shù)包括射流壓力、橫移速度、切割靶徑對(duì)切割性能的影響進(jìn)行研究。研究模型與結(jié)論對(duì)于油氣井生產(chǎn)中的磨料水射流切割具有參考價(jià)值，同時(shí)對(duì)于控制失控井的安全性可提供重要依據(jù)。

1 基本原理及射流結(jié)構(gòu)

磨料水射流對(duì)金屬的切割，實(shí)質(zhì)上是金屬材料在磨料的磨削作用下的破壞。一般金屬材料抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗拉、抗壓強(qiáng)度。磨料水射流切割金屬的機(jī)理［1-2］：在磨料水射流中的磨料顆粒在水射流的挾持下，以數(shù)百米每秒的速度沖擊材料，并且磨料顆粒一般近似為球形，與材料表面的接觸面積很小，因而在接觸區(qū)域產(chǎn)生的接觸應(yīng)力很大，當(dāng)磨料顆粒與材料接觸產(chǎn)生的接觸剪切應(yīng)力超過(guò)材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，微粒從材料本體上剝落下來(lái)，水流會(huì)帶著磨料隨著工件材料的去除［3］，逐漸深入工件內(nèi)部進(jìn)一步去除材料，從而使工件在磨料水射流作用下切割成縫。但由于水流動(dòng)能的損 失［4］，攜帶磨料去除材料的能力逐步減弱，水流攜帶磨料顆粒在加工切平面上出現(xiàn)與原先噴射方向上的偏移，形成“擺尾”的現(xiàn)象，如圖1 所示。

圖1 射流磨料軌跡示意Fig.1 Schematic diagram of trajectory of water jet abrasive

射流是指流體從小孔急速流出的流動(dòng)現(xiàn)象，其運(yùn)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。如圖2 示出水射流特征［5］，其射流結(jié)構(gòu)分為射流初始段、射流轉(zhuǎn)折段、射流基本段和射流消散段。在射流的不同階段，具有不同的速度，射流各段在工程應(yīng)用中具有不同的功能。射流初始段是指由射流噴嘴出口處至轉(zhuǎn)折面的區(qū)域組成，也就是等速射流核心區(qū)域，該區(qū)域流線為平行直線，速度相等、具有的能量最大，而且軸向動(dòng)壓力及密度基本保持不變，所以在工業(yè)中該區(qū)域常用于材料的切割加工，基本段適用于清洗、除銹、表面加工等。

圖2 水射流特征Fig.2 Water jet characteristics

2 基本方程及仿真分析

2.1 連續(xù)性方程及控制方程

連續(xù)性方程即質(zhì)量守恒方程，任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿足質(zhì)量守恒定律［6］。連續(xù)性方程被表示為：

式中 ux，uy，uz—— 流體速度矢量在x，y，z 方向上的分量。

為使流動(dòng)符合湍流的物理定律，需要對(duì)正應(yīng)力采取某種的數(shù)學(xué)約束。實(shí)現(xiàn)這種約束，湍動(dòng)黏度Cμ不為常數(shù)，需與應(yīng)變率聯(lián)系起來(lái)，由此提出可實(shí)現(xiàn)k-ε模型［6］。在可實(shí)現(xiàn)k-ε模型中，湍動(dòng)能k 和耗散率ε的運(yùn)輸方程為：

式中 ρ——流體密度；

t——時(shí)間；

ui——速度；

xi，xj——坐標(biāo)；

μ——分子黏性；

μt——湍流黏性；

Gk——由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；

Gb——由浮力影響引起的湍動(dòng)能；

YM—— 可壓縮的流體的脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；

Sk，Sε——參數(shù)；

C1ε，C2ε，C3ε—— 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C1ε=1.44、C2ε=1.92、

C3ε=0.09；

σk，σε—— 湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，σk=1.3、σε=1.0。

可實(shí)現(xiàn)模型能夠有效的適應(yīng)各種類型流動(dòng)的流場(chǎng)的數(shù)值模擬，比如：射流的自由流動(dòng)、混合流的自由流動(dòng)、均勻的旋轉(zhuǎn)剪切流、有分離的流動(dòng)、管道流動(dòng)以及邊界層流流動(dòng)等。本文水力噴砂射流的流場(chǎng)模擬采用Realizable k-ε模型。由于沙粒為顆粒狀固體，選擇歐拉模型，基本相水的密度為998.2 kg/m3，第二相為砂粒。壓力入口，自由流出口，壁面無(wú)滑動(dòng)。前混式水力噴砂切割設(shè)備的部分基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 磨料水射流切割設(shè)備部分基礎(chǔ)參數(shù)Tab.1 Basic parameters of abrasive water jet cutting equipment

2.2 噴嘴流場(chǎng)仿真分析

磨料水射流切割噴頭是設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，不同噴頭結(jié)構(gòu)將會(huì)對(duì)射流的流體速度、壓力產(chǎn)生影響，為更好地了解噴嘴射流高速運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，便于設(shè)計(jì)出既能形成良好出流條件又能減少流動(dòng)損失的噴嘴［7-12］，擬對(duì)噴嘴流體流動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算。

噴嘴結(jié)構(gòu)類型影響分析：文章選擇3 種具有代表性的噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，即平頂形噴嘴、錐直形噴嘴以及錐形噴嘴。設(shè)計(jì)噴嘴出口直徑為0.8 mm，噴嘴總長(zhǎng)度為20 mm，噴嘴入口直徑為 6.2 mm，錐直形噴嘴錐段的錐角為60°，壓力入口為60 MPa。數(shù)值模擬得到流體速度規(guī)律如圖3，4 所示。采用磨料水射流對(duì)金屬進(jìn)行切割，其磨料的速度對(duì)切割效果至關(guān)重要。從圖3，4 可看出，錐形噴嘴在出口處水流速度是3 種結(jié)構(gòu)中最大的，其次是錐直形噴嘴，平頂形噴嘴最低。但是在射流核心區(qū)磨料速度錐直形噴嘴比錐形噴嘴大，而平頂形噴嘴在核心射流區(qū)磨料速度最小。綜上錐直形噴嘴效果相對(duì) 較好。

圖3 不同噴嘴水力速度Fig.3 Hydraulic velocity diagram of different nozzles

圖4 不同噴嘴磨料速度Fig.4 Abrasive velocity for different nozzles

噴嘴使噴射出的磨料粒子得到加速，最大限度使磨料的速度接近水射流的速度。分析噴嘴長(zhǎng)度（直徑為0.8 mm 處的長(zhǎng)度）對(duì)磨料粒子加速的具體影響規(guī)律，以便對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)對(duì)錐直形噴嘴的長(zhǎng)度分別取10，6，2 mm 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。噴嘴總長(zhǎng)度為20 mm，錐角為60°，噴嘴入口直徑為6.2 mm，噴嘴出口直徑為0.8 mm。入口壓力條件為60 MPa，數(shù)值模擬得到流體速度規(guī)律如圖5，6 所示。從圖可看出，在2～10 mm 范圍內(nèi)，隨著噴嘴長(zhǎng)度的增加，磨料粒子在核心射流區(qū)的最大速度越大。噴嘴太短，磨料粒子得不到充分的加速；噴嘴太長(zhǎng)，噴射出口水流速度下降。經(jīng)計(jì)算分析噴嘴長(zhǎng)度取8 mm 最優(yōu)。

圖5 不同噴嘴長(zhǎng)度水流速度結(jié)果Fig.5 Hydraulic velocity results with different nozzle lengths

圖6 不同噴嘴長(zhǎng)度磨料速度結(jié)果Fig.6 Abrasive velocity results for different nozzle lengths

根據(jù)前面的研究結(jié)果，現(xiàn)研究錐直形噴嘴錐段的錐角對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的影響規(guī)律。對(duì)噴嘴長(zhǎng)度8 mm、噴嘴入口的直徑6.2 mm，噴嘴總長(zhǎng)度 20 mm，噴嘴出口的直徑0.8 mm；分別取錐角角度為30°，40°，50°，60°進(jìn)行建模仿真計(jì)算。設(shè)置入口壓力為60 MPa，得到的流體速度規(guī)律如圖7，8所示。

圖7 不同錐角噴頭水速度結(jié)果Fig.7 Water velocity results for different cone angle nozzles

圖8 不同錐角噴頭磨料速度結(jié)果Fig.8 Abrasive velocity results for different cone angle nozzles

從圖中可看出，在30°～60°范圍內(nèi)，隨著錐角角度的增加，磨料粒子在核心射流區(qū)達(dá)到的最大速度越小，并且水射流速度也會(huì)越小。綜合分析錐段的錐角為30°較為適宜。

3 試驗(yàn)研究

根據(jù)噴嘴的結(jié)構(gòu)類型、長(zhǎng)度、錐段錐角的仿真結(jié)果可知錐形噴嘴與錐直形噴嘴射流效果較優(yōu)良，故而根據(jù)仿真結(jié)果的最優(yōu)數(shù)據(jù)對(duì)錐形與錐直形2 種結(jié)構(gòu)噴嘴再進(jìn)行試驗(yàn)研究，觀察其切割效果。具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

首先利用錐形噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)，磨料水射流切割的對(duì)象是井口四通。噴嘴入口直徑為6.2mm，噴嘴出口直徑為0.8 mm，錐角為30°，噴嘴長(zhǎng)度為8 mm。在安裝完成磨料水射流切割試驗(yàn)設(shè)備后，確定好現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)，開(kāi)始進(jìn)行切割井口四通 試驗(yàn)。

完成錐形噴嘴切割試驗(yàn)以后，更換錐直形噴頭，再次以相同的條件參數(shù)進(jìn)行切割試驗(yàn)。在安裝完成切割試驗(yàn)設(shè)備后，調(diào)整好工作參數(shù)，開(kāi)始進(jìn)行切割試驗(yàn)。

分析兩次試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，錐形噴嘴噴射切割15 次后的測(cè)量得切割深度為50 mm；錐直形噴嘴噴射切割15 次后的測(cè)量得切割深度為65 mm；相同條件下，錐直形噴嘴的切割效率更高。錐直形噴嘴的切口更整齊，切口更小。綜合2 次試驗(yàn)可以看出錐直形噴嘴在相同條件下切割深度更深，切割效果更好。

4 錐直形噴嘴工作參數(shù)分析

為了得到磨料水射流工作參數(shù)對(duì)切割深度的影響規(guī)律，進(jìn)而對(duì)磨料水射流切割設(shè)備工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到最優(yōu)的工作性能。本節(jié)將對(duì)磨料水射流工作參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)用的噴嘴為錐直形結(jié)構(gòu)，噴嘴長(zhǎng)度為8 mm，錐段錐角的角度為30°，切割材料為低碳鋼。

4.1 射流壓力

為了研究切割壓力對(duì)切割深度的具體影響規(guī)律，現(xiàn)取切割橫移速度為40 mm/min、切割靶距為4 mm，只進(jìn)行一次切割，不重復(fù)，調(diào)節(jié)切割壓力分別為45，50，55，60，65 MPa 進(jìn)行試驗(yàn)，在每條割縫上均勻取5 個(gè)點(diǎn)測(cè)量深度，取5 次測(cè)量的平均值作為該條割縫的切割深度。根據(jù)測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到切割深度與射流壓力的曲線，如圖9 所示。

圖9 切割深度與射流壓力關(guān)系曲線Fig.9 Relation curve between cutting depth and jet pressure

4.2 橫移速度

研究水力噴砂切割橫移速度對(duì)切割深度的影響規(guī)律，現(xiàn)選取射流壓力為55 MPa、切割靶距為 4 mm，只進(jìn)行一次切割，不重復(fù)，控制切割橫移速度分別為30，40，50，60，70 mm/min，進(jìn)行試驗(yàn)，在每條割縫上均勻取5 個(gè)點(diǎn)測(cè)量深度，取5 次測(cè)量結(jié)果的平均值作為該條割縫的切割深度。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到切割深度與橫移速度的曲線，如圖10 所示。

圖10 切割深度與橫移速度關(guān)系曲線Fig.10 Relation curve between cutting depth and traverse speed

4.3 切割靶距

研究切割靶距對(duì)切割深度的影響規(guī)律，現(xiàn)選取切割壓力55 MPa、切割橫移速度為40 mm/min，只進(jìn)行一次切割，不重復(fù)，調(diào)節(jié)切割靶距分別為1，4，7，10，13 mm 進(jìn)行試驗(yàn)，在每條割縫上均勻取5 個(gè)點(diǎn)測(cè)量深度，取5 次測(cè)量的平均值作為該條割縫的切割深度。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到切割深度與靶距的曲線，如圖11 所示。

圖11 切割深度與切割靶距關(guān)系曲線Fig.11 Relation curve between cutting depth and target distance

4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

移速度越大，切割效果越差；但速度過(guò)小，切割效率不高。由圖11 可知，隨著切割靶距的增大，切割深度逐漸減??；考慮到磨料在被噴出噴嘴后還會(huì)有一段距離加速，所以在切割時(shí)噴嘴不能緊靠工件，要保持一定靶距，且靠的太近沖擊回流的流體會(huì)對(duì)噴射來(lái)的流體造成影響，降低切割效率。

5 結(jié)論

（1）利用前混式磨料水射流切割設(shè)備切割井口裝置是可行的，能夠安全、高效、及時(shí)處理失控井井口，達(dá)到快速搶修的目的，對(duì)于確保失控井的安全提供重要保障。

（2）對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)、噴嘴長(zhǎng)度、錐段錐角進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析，并且結(jié)合試驗(yàn)研究，確定錐直形結(jié)構(gòu)射流效果較好，為切割設(shè)備關(guān)鍵工作參數(shù)的研究提供了重要基礎(chǔ)。

（3）試驗(yàn)得出錐直形噴嘴射流對(duì)低碳鋼的切割深度與射流壓力呈正相關(guān)，切割深度隨著切割靶距增大而減小，隨著橫移速度增大而減?。徊⑶以谳^大切割靶距和橫移速度條件下，切割深度的變化出現(xiàn)變緩的趨勢(shì)。