裝有延長抗磨損時間和減緩壓力衰減的硬質合金噴嘴清洗管井工具

引用格式：李朝陽，陶立波，張躍，劉威，汲廣麟，王俊博. 裝有延長抗磨損時間和減緩壓力衰減的硬質合金噴嘴清洗管井工具［J］. 石油鉆采工藝，2024，46（3）：386-394.

摘要：為了提高管井射流清洗裝置噴嘴射流的工作效率，研究了噴嘴材質與結構對磨損時間和制造成本的影響。通過文獻調(diào)研，分析了不銹鋼、硬質合金、陶瓷等3 種材料噴嘴的綜合性能，硬質合金噴嘴最優(yōu)；設計出一種可自由裝配的新型耐磨結構硬質合金噴嘴，開展了不銹鋼噴嘴和硬質合金噴嘴的磨損性能對比試驗，不銹鋼噴嘴磨損時間12 h 時射流打擊力衰減40%，硬質合金噴嘴磨損100 h 后射流打擊力衰減8%。通過調(diào)整金屬鎢元素的比例提高了噴嘴耐磨性能，新型耐磨噴嘴的抗磨損時間比傳統(tǒng)不銹鋼噴嘴提升7 倍以上；重新設計噴嘴內(nèi)部結構降低了水射流的能量損失，壓力衰減相對傳統(tǒng)不銹鋼噴嘴降低8%；新型噴嘴采用分體式結構，可與通用噴頭組合為多種射流發(fā)生裝置，制作用料相對不銹鋼噴嘴減少87.6%。新型耐磨噴嘴為有效提高常規(guī)管井射流清洗效率提供了技術支撐。

關鍵詞：新能源；地熱能；工程技術；管井；洗井；噴嘴；抗磨損時間；壓力衰減

中圖分類號：TE358.5 文獻標識碼： A

0 引言

水源熱泵利用的淺層地熱能是可再生新能源，近年來獲得規(guī)模應用，全國已建成的供水水源地數(shù)量眾多且歷史久遠。在實際應用中，供水管井出現(xiàn)了因結垢物堵塞井內(nèi)過濾器縫隙，導致出水量減少和水質變差的情況。目前，針對該情況，主要采取定期清洗管井的措施，但常規(guī)清洗方法不能有效清除硬度較大的結垢物，在此基礎上改進的管井射流清洗技術是解決這一問題的有效措施。

管井射流清洗裝置由電氣控制裝備、射流泵站、輸送部件和執(zhí)行機構四部分組成。電氣控制裝備主要由電控柜和微機組成，射流泵站主要由高壓柱塞泵和電動機組成，輸送部件為高壓膠管，執(zhí)行機構包括紡錘形支架、噴射桿、自旋轉體、噴頭和噴嘴。紡錘形支架是執(zhí)行機構的載體和保護裝置，自旋轉體居中垂直安裝在紡錘形支架的上部，噴射桿為對稱結構，水平安裝于自旋轉體上，噴頭和噴嘴呈組合式結構，位于噴射桿末端。執(zhí)行機構運行時，紡錘形支架垂直放置于管井內(nèi)，自旋轉體繞支架豎軸線旋轉。執(zhí)行機構需要專門設計，其他部分只需對已有的一些設備或配件進行選型［1］。噴嘴作為管井清洗設備的關鍵部件，其性能直接決定了射流清洗技術的作用效果。在管井射流清洗作業(yè)的實際應用中，噴嘴作為射流的發(fā)生裝置，經(jīng)常因其內(nèi)部結構的磨損性擴徑，導致射流打擊力衰減，從而喪失清洗功能。減緩噴嘴磨損速度，提高噴嘴使用壽命是射流清洗技術革新的主要研究方向。

噴嘴結構設計與射流打擊力、射流轉速和射流流量等參數(shù)的優(yōu)化密切相關，且多集中于噴嘴的數(shù)量、結構功能和應用場景等方面。趙金等模擬了連續(xù)管、噴嘴組合及泵車水力參數(shù)的匹配關系，分析了射流參數(shù)對油管清洗效果的影響，研制了新型多孔噴射清洗工具，并進行了清洗參數(shù)優(yōu)化［2］。曹海燕設計了用于旋轉噴槍上的2 種噴嘴，通過模擬井下套管內(nèi)的旋轉實驗優(yōu)選出最佳的噴嘴參數(shù)［3］。劉輝等設計了一款自旋轉射流除垢噴頭，包括可控速旋轉體和多孔噴頭體兩個部分，并利用Fluent 軟件和試驗測試優(yōu)化了噴射參數(shù)［4］。Xiong 等報道了低壓磨料水射流（Low pressure abrasive water jet）的清潔能力優(yōu)于純低壓水射流（Low pressure waterjet），并且在表面粗糙度、殘余應力和形態(tài)變化方面的殘余效應略大［5］。胡強法等開展了旋轉噴頭射流工具水力參數(shù)優(yōu)化，并利用計算流體力學方法對工具結構參數(shù)進行優(yōu)選［6］。張子威等以圓錐收斂型噴嘴為研究對象，利用Fluent 軟件對噴嘴內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，根據(jù)仿真結果對比分析，得出了最優(yōu)的噴嘴參數(shù)［7］。王常斌等通過建立噴嘴三維模型，采用Fluent 軟件進行模擬，測試了不同前后噴嘴直徑、前后噴嘴角度下的流場特性，最終得到了噴嘴的匹配方案［8］。姚利明等采用數(shù)值模擬計算了不同噴射孔結構的壓降，探討了噴射孔結構參數(shù)對流量系數(shù)的影響規(guī)律［9］。

研究噴嘴的破壞機制及材料性質，對提高噴嘴使用壽命、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。崔璐等根據(jù)噴射工具本體材料35CrMo 鋼的噴射式?jīng)_蝕實驗，結合DPM 數(shù)值模擬的方法，得到了噴嘴入口區(qū)域的沖蝕損傷更為嚴重，大排量、高黏度液體和大直徑、高密度顆粒的攜砂液會對噴射工具表面產(chǎn)生嚴重的沖蝕損傷［10］。噴嘴的損壞原因，主要是噴砂射孔過程中的高排量和高壓力導致的噴嘴憋掉、擴徑和射流液的回壓沖擊等。林琳等通過設置不同剪切模量來模擬不同材料硬度，當剪切模量增加到77GPa 時，噴嘴磨損量降低為0.018 4 μm，相比于剪切模量10 GPa 時，磨損量降低了約31%［11］。上述研究雖然揭示了噴嘴磨損程度與材料硬度和磨損時間的相關關系，但使用磨損深度和質量變化兩項指標表示磨損程度的方法有待進一步改進。噴嘴磨損深度一般為微米級或毫米級，測量誤差大，實驗數(shù)據(jù)獲取過程易受人為因素影響；噴嘴質量變化僅能代表磨損量，而無法判斷噴嘴內(nèi)部結構的磨損情況。而射流打擊力與噴嘴直徑直接相關，當噴嘴被磨損后射流通道擴大，流量一定時，噴嘴直徑越大射流打擊力越小。因此通過射流打擊力衰減百分比表征噴嘴磨損程度具有易觀測、誤差小、代表性強等優(yōu)點。

為研究傳統(tǒng)噴嘴耐磨性較差的原因，從噴嘴材料和結構特點入手，分析不銹鋼噴嘴、硬質合金噴嘴和陶瓷噴嘴的制作工藝和耐磨性能；根據(jù)射流理論和射流系統(tǒng)組成，得到高壓水射流參數(shù)間的關系；開展不銹鋼噴嘴的磨損試驗，通過增加清洗介質的含砂量，加快噴嘴的磨損速度，對得到的噴嘴磨損時間和壓力損失等實驗數(shù)據(jù)進行分析，結合噴嘴材料和結構設計特點對不銹鋼噴嘴進行改進，設計出一種可自由裝配的耐磨結構噴嘴，并對新型噴嘴進行了噴嘴耐磨性測試試驗。

1 方法過程

1.1 室內(nèi)研究

噴嘴被破壞的狀態(tài)主要是強度破壞和疲勞破壞，超過材料極限強度的射流打擊力可瞬間對噴嘴結構造成破壞，低于材料抗壓強度的射流打擊力在長時間的持續(xù)作用下也會產(chǎn)生較大磨損。因此，需要綜合考慮噴嘴材質的強度、耐磨性、加工難度和成本等因素。硬質合金、不銹鋼和陶瓷材料因其各自獨特的物理和化學性質，選擇作為噴嘴材料的研究重點。

為深入了解清洗射流時噴嘴的破壞機制，優(yōu)化噴嘴材質選擇與加工工藝，采取了文獻分析、理論研究和現(xiàn)場試驗三種方法，研究內(nèi)容主要包括不同噴嘴的材料特性分析、射流原理的研究和影響噴嘴磨損的因素分析。通過相關文獻和資料分析，發(fā)現(xiàn)不同材質噴嘴加工難度不一，使用壽命也各不相同。長慶鉆井工藝研究所研制了鎢鐵硬質合金噴嘴，用來代替鎢鈷硬質合金噴嘴。丁青山等采用了國產(chǎn)硬質合金噴嘴（YG6X） 和美國噴嘴（ROCTEC500） 進行了磨損試驗，結果表明YG6X 噴嘴出口端直徑變化和質量變化量均大于ROCTEC500 噴嘴［12］。朱學超等指出了不銹鋼噴嘴加工效率低、容易損壞刀具和難以保證加工質量的問題，研究出基于B0326-Ⅱ精密自動車床不銹鋼噴嘴零件的加工技術，解決了該類零件加工時刀具易損壞、質量不易控制、難以批量化的難題［13］。不同噴嘴材質特性見表1。

從表1 中可以看出，不銹鋼雖然強度高，但耐磨性相對較差，特別是在磨料射流的作用下容易出現(xiàn)擴徑的現(xiàn)象，加工難度較大，成本較高；硬質合金耐磨性好，但因其硬度較大，不適于做精細復雜結構的噴嘴，若由粉末冶金法制造時則具有大批量、速度快、誤差小和成本低的優(yōu)點，且其抵抗沖擊的能力較強；陶瓷材料耐磨性好，但受到振動或沖擊作用時易發(fā)生破壞。在深入探討了不同噴嘴材質的性能和破壞機制后，以高壓水射流原理為基礎，設計具有針對性的試驗，驗證和比較不同噴嘴材質的耐磨性。影響噴嘴磨損的因素除了清洗介質中的雜質含量外，還與射流打擊力、射流流量、噴嘴直徑和噴嘴數(shù)量等相關。影響射流打擊力的因素有施加壓力、噴嘴數(shù)量和噴嘴直徑；射流流量是一個受噴嘴直徑和施加壓力影響的因變量，以射流流速代替射流流量更有實際意義，因此，直接影響噴嘴磨損的因素僅有施加壓力、射流流速、噴嘴直徑和噴嘴數(shù)量。

根據(jù)射流理論和射流系統(tǒng)組成分析，得到高壓水射流參數(shù)間的關系。通過調(diào)整水射流的水壓、流量、沖擊角度、旋轉速度、靶距、噴嘴結構以及孔徑可實現(xiàn)不同的功能［14］。噴嘴直徑、數(shù)量、施加壓力、功率、射流打擊力和射流流量間的關系見表2。

從表2 中可以看出，射流打擊力最小為39 N，最大為559 N。當噴嘴直徑為1.7 mm、噴嘴數(shù)量2個時，射流打擊力從39 N 增大到194 N，與施加壓力呈正相關；當噴嘴數(shù)量2 個、施加壓力10 MPa 時，射流打擊力從39 N 增大到62 N，與噴嘴直徑呈正相關；當噴嘴直徑和施加壓力不變時，噴嘴數(shù)量由2個變?yōu)? 個時，射流打擊力均增大。增大施加壓力會帶動射流流量增長，將加快清洗介質的流動速度，清洗介質中雜質與射流通道的高速碰撞與摩擦則加劇噴嘴的磨損速度。若保持施加壓力和射流泵站功率不變，僅增大噴嘴直徑和增加噴嘴數(shù)量并不會加劇噴嘴的磨損速度，這是因為射流的速度決定噴嘴磨損速度；清洗介質通過射流通道的橫截面積隨噴嘴直徑同步增大，射流流量的提升與射流速度無關。在眾多射流參數(shù)中，延緩噴嘴磨損的方式僅有通過降低施加壓力和控制清洗介質中雜質的含量，而降低施加壓力則直接導致射流打擊力降低，清洗效果則會大打折扣，且野外清洗工作時，清洗介質中大都含有雜質。受制于各種限制條件，無法從射流參數(shù)上有效延緩噴嘴磨損速度，而只能從噴嘴材質和結構設計兩方面進行研究。通過設定不同的施加壓力、射流時間等參數(shù)，模擬不同工況下噴嘴的工作狀態(tài)，同時采用射流打擊力衰減值、噴嘴出口端直徑和質量變化等指標進行實時監(jiān)測，以評估噴嘴的耐磨性和使用壽命。

1.2 現(xiàn)場試驗

試驗地點在沈陽某建材城，商場的冬季供暖和夏季空調(diào)采用水源熱泵系統(tǒng)。該水源熱泵系統(tǒng)共有水源井28 眼，其中取水井9 眼、回灌井19 眼，井深25～33 m，井間距30 m，過濾器全部采用橋式過濾器。場地內(nèi)所有水源井橋式過濾器堵塞嚴重，取水井出水量和回灌井回水量均達不到正常需求。借助該項目對堵塞的水源井進行射流洗井時測試噴嘴的耐磨性。

試驗過程中通過增壓機構的壓力反饋示數(shù)監(jiān)測壓力變化情況，并做好試驗時長和射流打擊力的記錄。對于不同的過濾器材料種類選擇不同施加壓力進行試驗，一般常見的過濾器材料有橋式過濾器、鋼管鉆孔過濾器、割條過濾器、包網(wǎng)過濾器和纏絲過濾器等。橋式過濾器具有良好的抵抗破壞能力，是優(yōu)選的實驗對象。通過收集資料，該項目全部采用橋式過濾器作為管井濾水管，測量井徑為529 mm。

橋式過濾器結構特殊、材質硬度大，其抗壓性和耐磨性好，最大施加壓力可達100 MPa。增壓機構由高壓柱塞泵和三相電機組成，高壓柱塞泵現(xiàn)有GS30/100、GS50/80 兩種規(guī)格，見表3。

從表3 中可以看出，兩種高壓柱塞泵的額定壓力達到30 MPa 和50 MPa， 額定流量分別為100L/min 和80 L/min，其額定壓力、額定功率和流量可以作為選擇清洗參數(shù)的依據(jù)。

針對該項目選用直徑為1.3 mm 的雙噴嘴一體式結構噴頭作為試驗對象進行耐磨性研究，噴嘴材質為不銹鋼。噴頭結構見圖1，可以看出，雙噴嘴一體式結構，即一個噴頭上2 個噴嘴，噴頭側壁上設置有錐形面，錐形面上傾斜設置有2 個噴嘴，噴嘴的開設傾角為45°。這種噴嘴結構能夠與橋式過濾器的橋縫匹配，射流發(fā)生時，清洗介質從通道內(nèi)進入噴嘴分為左右兩路，射流流向與中心線呈45°夾角，指向橋式過濾器的橋縫。為模擬野外條件下的射流清洗環(huán)境和加快試驗進度，采用含有粉細砂的水作為清洗介質，含砂量0.1 kg/m3，施加壓力25 MPa。試驗期間射流連續(xù)進行，當噴嘴因磨損程度較大時過水斷面面積增大，射流打擊力會隨之減小。保持其他條件不變時，噴嘴磨損程度界定為射流打擊力衰減40%，此時射流打擊力衰減過大，無法達到有效的清洗效果，停止試驗。

硬質合金、不銹鋼和陶瓷材料在使用中均存在不同缺點，或加工難度大、或磨損速度快、或振動后破碎。為了解決噴嘴磨損較快和制造成本較高的問題，重新設計的新型耐磨型噴嘴在選材上需滿足兩個基本原則：一是耐磨性好、加工難度小或成本較低；二是噴嘴結構設計應符合流體力學原理，降低水射流的局部水頭損失，發(fā)揮噴嘴最大能效比。結合以上原則，設計了分體式噴頭，由噴嘴嵌槽和噴嘴兩部分組成。新型噴嘴使用耐磨性更好的硬質合金材料制作而成，并減小了噴嘴的尺寸，節(jié)約了制造成本；噴嘴嵌槽使用普通不銹鋼材質。新型耐磨分體式噴頭結構如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，新型噴頭同軸開設有噴嘴嵌槽，用以裝配一個噴嘴；新型噴嘴為流線型設計，內(nèi)部射流通道采用漸變式設計；噴嘴整體嵌入噴頭后呈組合結構。新型噴嘴采用粉末合金一體壓鑄成型，具有硬度高、耐磨性強、成本低、制造簡單、拆裝方便等優(yōu)勢；新型噴嘴從內(nèi)側裝配至噴嘴嵌槽處，噴嘴嵌槽和新型噴嘴呈漏斗狀，且漏斗狀的擴口朝向噴頭的內(nèi)部，當內(nèi)部給壓時，噴嘴在噴嘴嵌槽內(nèi)受壓自鎖，這種內(nèi)嵌式組合結構在射流時由于內(nèi)部極高的壓力而保證了噴嘴的密封性能。新型噴嘴完全嵌入噴頭，射流時磨料作用于可快速拆卸并替換的噴嘴，能很好地保護噴頭。新型噴嘴的測試地點不變，為更接近管井射流工程應用的實際條件，選取的噴嘴直徑為2.0 mm，采用旋轉射流，施加壓力為25MPa，試驗中采用含有粉細砂的水作為清洗介質，含砂量2 kg/m3。

2 結果現(xiàn)象討論

2.1 抗磨損時間討論

噴嘴磨損試驗結果見表4，可以看出，施加壓力25 MPa 條件下，隨著磨損時間的增加，2 種噴嘴的射流打擊力均不斷減小。不銹鋼噴嘴磨損時間為5h 時，壓力衰減達到25%，磨損時間12 h 時，射流打擊力衰減40%。不銹鋼噴嘴在磨損時間較短的情況下出現(xiàn)了較大的壓力衰減，射流速度也迅速下降，盡管射流流量不變，降低后的射流打擊力將低于被清洗物體的附著強度，此時噴嘴已不能支持繼續(xù)射流清洗工作。噴嘴磨損試驗數(shù)據(jù)反映出了不銹鋼噴嘴存在抗磨時間短和壓力衰減快的問題。

張明鯤等采用對比試驗的方式，開展了液固兩相流的沖蝕實驗研究，發(fā)現(xiàn)射流沖擊角度、流速、砂粒直徑和砂的質量分數(shù)均對不銹鋼有明顯的沖蝕現(xiàn)象［15］。胡波等開展了鈦合金試塊-不銹鋼試環(huán)摩擦副的摩擦磨損性能測試，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)處理的鈦合金試塊與不銹鋼試環(huán)發(fā)生了嚴重的黏著摩擦，摩擦系數(shù)為0.82，磨損率達到1.34×10?4 mm3/（N·m）［16］。普通不銹鋼受多種因素影響容易產(chǎn)生磨損，磨損后的噴嘴照片如圖3 所示。

從圖3 中可以看出，噴嘴磨損后射流通道呈豁口狀，雖然兩個噴嘴的磨損程度不同，但噴嘴射流直徑均變大。噴嘴的損壞原因主要是磨料射流過程中的高排量和高壓力導致噴嘴擴徑現(xiàn)象，隨噴嘴直徑變大，水射流面積變大，噴射流速變低，射流打擊力減小，已不適于繼續(xù)使用，達到了不銹鋼噴嘴的更換周期。根據(jù)前人研究成果，低壓磨料水射流在殘余應力和形態(tài)變化方面的殘余效應略大于低壓水射流，這是因為清洗介質中增加的磨料與噴嘴射流通道產(chǎn)生碰撞和摩擦造成的；此外，噴嘴的流動時間與磨損量成正相關，200 s 的磨損量比100 s 的磨損量增加50%，當射流持續(xù)一段時間，在磨料作用下的噴嘴磨損量不斷累積，最終因射流通道被破壞后造成了射流打擊力的快速衰減［17］。

將清洗介質含砂量提高至2 kg/m3，施加壓力25MPa，在磨損10 h 時，新型噴嘴射流打擊力衰減僅為1%，磨損100 h 后射流打擊力衰減8%（表4），不會從根本上影響射流清洗工作，且若清洗介質含砂量較低或不含砂時，在同樣的磨損時間下壓力衰減將更低。在磨料射流或含砂的清洗介質射流條件下，100 h 的磨損時間遠未達到新型噴嘴的使用壽命。段春爭等在碳纖維增強復合材料切削試驗中使用了金屬陶瓷、涂層、硬質合金與金剛石等4 種刀具，硬質合金刀具切削130 次時磨損量為 0.122 mm，僅次于金剛石刀具切削140 次時磨損量0.065 mm，而金屬陶瓷刀具在切削60 次時磨損量達到0.244mm［18］。硬質合金材料制作而成的新型噴嘴，其抗磨損時間高于普通不銹鋼噴嘴。

新型噴嘴磨損后的照片見圖4，可以看出，試驗后噴嘴外觀沒有磨損，射流通道未被破壞，磨損100h 后整體結構完好，未達到使用壽命期限，可以繼續(xù)使用。在加大水中含砂量的情況下，硬質合金噴嘴的抗磨損時間仍遠高于不銹鋼噴嘴，表明硬質合金材質和分體式設計的新型噴嘴具有良好的抗磨性。

高溫滲碳和高溫氧化腐蝕是不銹鋼噴嘴腐蝕開裂的失效模式，但在實驗中清洗介質為常溫水體，與不銹鋼的高溫滲碳和腐蝕無關。材料硬度是噴嘴抗磨性的重要指標，用剪切模量來模擬不同材料硬度時，當剪切模量由10 GPa 增加到77 GPa 時，噴嘴磨損量降低了約31%；有學者研究了可用于噴射磨料混合漿的氮化硅陶瓷噴嘴，因其超高的硬度，有效提高了噴嘴耐磨損的性能，降低了噴嘴的更換周期。射流清洗工藝應用于工程項目時，一般射流打擊力越大清洗效果越好，傳統(tǒng)噴嘴通常采用不銹鋼材料，雖然具有一定的耐磨性，但在高排量、高壓力和含雜質的射流清洗過程中，噴嘴結構往往容易受到破壞，導致磨損加劇、壽命縮短；另外，野外清洗作業(yè)時因條件限制而使用的清洗介質一般含有粉砂、固體顆粒物等雜質，該類雜質隨清洗液高速運動時會對噴嘴造成有形磨損。此外，傳統(tǒng)噴嘴的設計也缺乏針對性，無法高效地應對復雜多變的清洗環(huán)境，進一步加劇了耐磨性問題的嚴重性。傳統(tǒng)噴嘴存在耐磨性差、壽命短和結構設計單一的問題，噴嘴材料和結構設計是其耐磨性的主控因素。

2.2 壓力衰減討論

不銹鋼噴嘴射流打擊力衰減40% 后無法正常進行清洗工作，為與新型噴嘴對比，將不銹鋼噴嘴后期壓力衰減數(shù)據(jù)進行指數(shù)延長，如圖5 所示?？梢钥闯?，新型噴嘴的射流打擊力隨磨損時間呈線性減小的趨勢，變化較為平緩；這是由于噴頭結構采用了分體式設計，噴嘴采用了硬質合金材質，內(nèi)部射流通道采用漸變式設計，射流時磨料沖擊噴嘴內(nèi)壁的力更小。不銹鋼噴嘴的射流打擊力隨磨損時間呈指數(shù)減小的趨勢，當磨損時間累計達到20 h，射流打擊力衰減至40%，磨損時間40 h 時，射流打擊力衰減至20%，磨損時間累計80 h，射流打擊力接近于0；這是由于不銹鋼噴嘴的射流通道在射流初期受磨損影響而極速擴大，噴嘴結構遭到破壞，流量一定時，噴嘴直徑越大射流打擊力越小。在射流初期，兩種噴嘴的射流打擊力衰減值差值急劇擴大。射流打擊力衰減分析中，噴嘴直徑、開口面積或表面粗糙度等因素都直接影響射流流量，直接表現(xiàn)為射流流量增大導致溢流增加和泄露，最終導致射流打擊力衰減。

通過對比實驗，發(fā)現(xiàn)新型噴嘴的耐磨性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)噴嘴。在相同的工作條件下，兩種噴嘴的射流打擊力均隨磨損時間增加而減小，但新型噴嘴的抗磨損時間相對傳統(tǒng)噴嘴提升7 倍以上，壓力衰減相對傳統(tǒng)噴嘴降低80%，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，能夠在高流量、高壓力的清洗環(huán)境下長時間穩(wěn)定工作，顯著延長了噴嘴的使用壽命。邵若男等采用不銹鋼、陶瓷和硬質合金三種材料進行了干摩擦磨損試驗，實驗數(shù)據(jù)顯示不銹鋼、陶瓷和硬質合金磨痕寬度分別為740 μm、280 μm 和160 μm，硬質合金相對其他兩種材料的磨痕寬度最窄，且磨痕深度小于陶瓷材料［19］。丁澤良等采用不銹鋼、硬質合金和陶瓷3 種材料制備了水煤漿噴嘴，測試了3 種噴嘴在磨損時間為120 h 下的沖蝕率，測試結果顯示不銹鋼噴嘴的沖蝕率最大為350×10?13 m/kg，硬質合金噴嘴的沖蝕率最大為2×10?13 m/kg；沖蝕率均隨沖蝕時間的增加而迅速增大，當沖蝕試驗時間達到48 h以后沖蝕率的變化趨于平穩(wěn)，由于在磨損過程進入穩(wěn)定階段之前存在明顯的快速磨損階段，在該階段沖蝕磨損率受到表面平整度及表層材料在沖擊載荷作用下發(fā)生調(diào)整等多種因素的顯著影響；低硬度的韌性材料在低角度沖蝕下的沖蝕率較高，而高硬度陶瓷和硬質合金材料在相同條件下的沖蝕率很?。?0］。不論是磨痕寬度、磨痕深度或沖蝕率都是判斷不同材料的一個耐磨性指標，相同條件下，不銹鋼噴嘴相對硬質合金噴嘴的磨損程度大，抗磨損時間短，壓力衰減快，多項指標均處于劣勢。

為適應多場景下的射流需求，眾多學者對各類型的噴嘴進行了研究。噴嘴結構的設計與噴嘴使用壽命密切相關，噴嘴結構好壞直接影響射流質量，噴嘴結構對射流流動特性、沖蝕性能、空化現(xiàn)象等產(chǎn)生重要影響［21］。新型噴嘴采用了硬質合金材料和分體式結構設計，噴嘴通道采用了獨特的流體力學設計和形狀優(yōu)化，能夠減少流體在噴嘴內(nèi)部的阻力，有效降低了水射流的壓力衰減。

2.3 原材料使用率討論

硬質合金噴嘴材料是以鎢為基體（鎢的質量分數(shù)85%～97%），添加微量鎳、鐵、鈷、銅或其他金屬元素，采用粉末冶金工藝方法制作的多相復合結構材料。由于鎢基合金具有高密度、高強度和高硬度、優(yōu)異的耐腐蝕性和抗氧化性能、極強的吸收射線能力，以及良好的機械加工等一系列優(yōu)異的綜合性能，在現(xiàn)代高科技領域、國防工業(yè)和民用工業(yè)中得到廣泛的應用。新型噴嘴采用了粉末合金一體壓鑄成型技術［22］，能夠確保噴嘴的精度和一致性，提高噴嘴的性能穩(wěn)定性。不銹鋼噴嘴采用原材料機械加工成型，為雙噴嘴一體式結構，工藝復雜。與傳統(tǒng)的機械加工或鑄造工藝相比，粉末合金一體壓鑄成型技術具有更高的材料利用率和更低的廢品率，從而降低了生產(chǎn)成本。兩種噴嘴規(guī)格不同，其制造加工所需材料用量見表5?？梢钥闯?，不銹鋼噴嘴的體積為15.39 cm3，用料質量為121 g，新型噴嘴用料質量為15 g，新型噴嘴的尺寸更小，制作用料相對于傳統(tǒng)不銹鋼噴嘴減少了87.6%。由于采用了分體式的設計結構，不僅降低了原材料成本，還使得噴嘴在使用中更加方便。

噴嘴作為一個射流發(fā)生重要部件，需要具備耐磨、抗腐蝕、高強度及高韌性等特點，因而采用普通切削加工的方式難度很大，主要表現(xiàn)在加工硬化現(xiàn)象十分嚴重、切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈、耐用度明顯下降等方面，在加工相對較大的孔時，由于工件壁薄受力大還會產(chǎn)生變形。因此采用粉末冶金工藝制作硬質合金噴嘴是最佳的方式。

新型噴嘴在適應性方面也表現(xiàn)出了強大的實力，其獨特的結構設計能夠適用于各種復雜的工作環(huán)境和工況條件。無論是高溫、高壓還是腐蝕性環(huán)境，新型噴嘴都能夠保持穩(wěn)定的性能，為用戶提供可靠的流體控制解決方案。此外，新型噴嘴的模塊化設計使得用戶可以根據(jù)實際需求進行靈活的組合和調(diào)整。例如，當出現(xiàn)情況復雜的工況時，用戶可以考慮結合不同規(guī)格噴頭的特征，制造復合型噴頭，以應對特定的清洗任務。

新型噴嘴在制造成本方面展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，其批量制造方式有效控制了單個噴嘴的生產(chǎn)成本，固定式模具的使用降低了生產(chǎn)過程中的模具更換和調(diào)試成本，提高了生產(chǎn)效率。新型噴嘴具有耐磨性高、磨損時間長和可自由裝配的特點，而不銹鋼噴嘴磨損時間短且磨損后不可重復利用。這一成本優(yōu)勢使得新型噴嘴在市場上具有更強的競爭力，為用戶提供了更加經(jīng)濟的選擇。

3 結論建議

（1） 通過對比分析不同材料噴嘴的耐磨性能，并結合射流理論，設計并制造了一種新型硬質合金噴嘴清洗管井工具，實現(xiàn)了提高噴嘴射流工作效率、延長噴嘴抗磨損時間和減緩壓力衰減的目標，為地熱能開采等工程技術領域提供了一種高效、耐磨、成本低的解決方案。

（2） 在新型噴嘴的磨損試驗中對磨損程度的研究以射流打擊力損失作為判斷標準，雖然可以直接反映出噴嘴的磨損情況，但判斷指標相對單一?？赏ㄟ^建立新型噴嘴的三維模型，構建磨料射流介質流體，利用Fluent 軟件模擬不同射流時間下噴嘴射流的壓力，作為對噴嘴磨損程度的補充。

（3） 為加快噴嘴磨損的速度，試驗中采用含有粉細砂的水作為清洗介質，在噴嘴磨損的同時也對柱塞泵造成了一定的磨損。后續(xù)研究可進一步選用符合要求的磨料，以盡量避免對柱塞泵造成磨損。