水射流技术

水射流:以柔克刚的技术

日前，第8届环太平洋国际水射流会议暨第12届中国水射流技术研讨会，在中国石油大学(华东)召开。来自美国、日本、韩国、澳大利亚、俄罗斯等国的近50位国际水射流专家学者和70名国内专家学者，围绕水射流技术的发展与应用这一主题，共同探讨了水射流的基础理论研究进展、水射流技术的发展趋势等。

水在人们的概念里往往是“柔”、“软”的代表，但是现代人依靠科技，赋予了水以神奇的力量和性能，它可以采煤、钻井、切割等。无论是坚硬的地下岩石还是合金，当水流达到一定压力和频率的时候，坚硬的物体可以被切割、破碎。人们称这项技术为水射流技术。

水射流技术是近30年来发展起来的一门新技术，应用日益广泛，目前已经在煤炭、石油、冶金、化工、机械、水利等部门应用。主要用来对物料进行切割、破碎和清洗。

新兴的水射流技术

19世纪中叶，在北美洲，人类第一次使用水射流开采非固结矿床。20世纪50年代初，苏联和中国利用水射流进行采煤(即水力采煤)。

随着水力采煤技术的推广，人们认识到，提高水的压力、适当减小喷嘴直径，可以显著提高水射流的击穿效果。于是人们开始研究较高压力的压力源(高压泵和增压器)及高压脉冲射流。

20世纪60年代以前，人们主要研究低压水射流采矿，水射流技术还处于探索试验阶段；至20世纪70年代初，主要研究制高压泵、增压器、高压管件，推广水射流清洗技术，处在设备研制阶段；至20世纪80年代，水射流技术的应用领域从采矿发展到其他领域，大量的水射流采煤机、切割机、清洗机相继问世，并进行了广泛的推广应用；之后，水射流进入了快速发展阶段，水射流技术研究进一步深化，磨料射流、空化射流、自激振动射流等新型射流技术发展很快。

20世纪60年代，大批高压柱塞泵和增压器的问世，大大推动了水射流技术的研究工作。当时，部分学者认为水射流的压力越高越好。日本研究出1700兆帕的增压器，苏联和美国研制出5600兆帕的脉冲射流发生器。

到20世纪70年代末。水射流技术出现了一个新的动向，即从单一提高水射流压力，转向研究如何提高水射流的威力。开始出现了高频冲击射流、共振射流和磨料射流，这些射流的水压并不算太高，但它们的威力却大大高于同样压力下的普通连续水射流。

进入20世纪80年代，磨料射流、空化射流、气水射流和自振射流的发展，把水射流技术推向一个新的发展阶段。同时，各国学者也开始对各种射流的基础理论和切割机理等进行研究。水射流技术的应用范围也由采矿工业扩大到航空、建筑、市政建设、化工、机械、医学等领域。水射流作为一种良好的切割、破碎和清洗除垢工具，逐步被人们认可。一大批水射流切割机、采煤机、打桩机和不同用途、不同形式的清洗机被陆续投放市场。

1972年，英国流体力学研究协会(BHRA)组织了第一次国际水射流切割技术会；1981年，美国水射流技术协会成立，此次技术会议也是国际性的；1983年日本水射流协会成立。定期召开水射流技术研讨会和展览会，邀请国外水射流专家参会；1987年，国际水射流协会成立，定期出版《国际水射流》杂志，多次召开环太平洋国际水射流会议，大大推动了世界各国水射流技术的发展。

我国的水射流技术研究从20世纪70年代开始，最初主要是在煤炭部门研究和应用，以后逐渐发展到石油、冶金、航空等领域。经过多年的研究实践，取得很大进展，开发出了

一批新技术和新产品，有的在国际上还处于先进水平。我国从1979年开始，每两年召开一次全国水射流技术研讨会，并出版了《高压水射流》杂志。

水射流优点及分类

水射流技术之所以能得到这样高速的发展，主要是这种技术与其他加工方法相比具有一系列优点。

一是工作介质成本低廉。水射流工作介质是水，不仅易取而且成本低廉。如果用于切割加工，由于喷嘴小(直径一般在0．5毫米以下)，用水量很少，而且对水一般无污染。

二是切割时切口窄且整齐。用水射流切割物料时，水射流对切割物的作用力集中在射流喷射方向上，其横向分力很小。因此。切口窄而整齐，可以对物料进行精密切割和成形加工。

三是工作机件易于实现自动控制。由于水射流机构具有喷头体积小、后坐力小、移动方便，便于实现光控、数控或机械手控制。利用机械手可以在人不能靠近的危险环境下工作。如拆除废核反应堆的混凝土掩体和清洗有毒、易爆的容器等。

四是能降温、除尘和延长截齿寿命。水射流用在煤矿采掘机上，除参与切割提高采掘能力外，还可以冷却和润滑截齿，减少磨损，提高截齿寿命。同时，还能降低采掘工作面的粉尘，实现无火花切割，从而为煤矿采掘工作提供一个安全、卫生的环境。

五是体积小。水射流整套装置体积小，方便运输、安装和拆卸。

水射流的种类很多，分类的方法也不一样。按驱动压力可分为低压水射流(0.5兆帕～35兆帕)，压力泵为多级离心泵、柱塞泵；高压水射流(35兆帕～140兆帕)。压力泵为柱塞泵、增压器；超高压水射流(大于140兆帕)，压力泵为增压器。

按工作和环境介质可分为淹没射流和非淹没射流两种。射流的介质与环境介质相同时，射流称为淹没射流，如在水中喷射的水射流或在空气中喷射气体射流，都属于淹没射流。如果环境介质与工作介质不同，则称为非淹没射流。

按固壁条件分类，流体射流的作业环境内有或没有固体壁面的限制，对射流的形成和动力特性有明显的影响。在有固壁约束下的射流称为非自由射流；反之，则为自由射流。

如果按射流流体力学特性，水射流又可分为定常射流和非定常射流两种。按射流对物料的施载特性，水射流还可以分为连续射流、冲击射流和混合射流三种。

水射流技术的应用

水射流技术的应用范围和领域十分广泛。一般包括工业切割、挖掘、开采和钻探、岩石切割和掘进、表面清洗、材料破碎等。

工业切割和加工是水射流技术应用的主要方面。它包括纯水射流切割和精密切割。水射流切割属于冷切割技术，切割过程中不产生火花，对切割材料不产生热影响，因此被广泛应用于航空航天器部件的切割加工。

目前的挖掘、开采和钻探系统，也开始推广应用水射流技术，在美国居领先地位的是高级采矿建筑系统公司、弗勒第尔公司和弗尔莫尔公司。

弗勒第尔公司为石油天然气工业研制水射流钻探系统；弗尔莫尔公司在城区地下公用设施的安装和更换中，提供水射流水平钻探系统。高级采矿建筑系统公司的第一件产品是射流锚杆钻机。这是一种用于地下矿山安装顶板锚杆的水射流钻机，可钻出直径为19毫米~25毫米的小口径锚杆孔。

高级采矿建筑系统公司用安装在卡车和拖车上的设备，为建筑工业提供切割和拆除服务，比如当只清除混凝土（无钢筋）时，可使用不加磨料的射流；如要切割有钢筋和钢板加

强的混凝土时，可使用磨料射流系统。

在岩石切割和掘进中，水射流技术很早就显示出一定的长处。1976年，美国在水射流辅助全断面掘进机上，首次进行了盘形滚刀破岩试验。试验证明，在花岗岩区使用315兆帕高压水射流，可提高掘进率。但由于高压泵组设备的长期可靠性问题，阻碍了该项技术被掘进机工业接受。

美国土力学研究所拥有一套良好的试验设施，可进行旋转滚筒截割头试验。从1983年起，美国矿业局就在水射流辅助切割岩石方面进行了广泛的研究。研究重点放在20兆帕~70兆帕中等压力的使用上。矿业局的研究工作在许多方面取得实际效果，如刀具利用泉流冷却和润滑，以降低刀具承受力，并从刀具路线上清除破碎材料，利用在采煤上，还可以降低煤系岩层瓦斯摩擦起火的发生率。

水射流可用来清洗汽车、高层建筑物、飞机场跑道、化工厂换热器等，近年来这类业务发展迅速。各种清洗机和清洗设施相继问世，并大量投放市场，各种清洗公司和服务公司也相继成立，为用户提供服务。

美国密苏里?罗拉大学的最新研究表明，高压水射流在使用上还有很大潜力，它可将煤粉碎成细小颗粒，以便进行清洗和生产清洁的燃料，还可用水力制浆法分离木纤维。

水射流的发展前景

在国内，中国石油大学（华东）一直走在高压水射流技术研究的前列，并成立了高压水射流研究中心。该中心目前重点面向石油工程领域，研究高压水射流切割、破碎和清洗等相关的理论问题和应用技术。

该中心的重点研究方向包括：通过各种新型高效射流理论研究，研发提高射流辅助机械破岩钻井速度应用技术；通过特种破岩钻孔射流理论研究，研发提高单井产量和油田采收率的新型开发钻井或钻孔应用技术；通过高效冲击或切割射流理论研究，研发恢复老井、老油田产量的相关射流清洗和切割技术。

在提高射流在井底工作效率的研究方面，该中心利用淹没非自由钻井射流动力学和井底能量衰减规律，建立了优选井底水力参数的新模式和新程序，解决了喷射钻井长期未解决的一个重要理论问题。该研究达到国际先进水平，获国家科技进步二等奖。根据该理论成果研制成功的加长喷嘴牙轮钻头（第一代钻头），在全国13个油田推广应用3000多只，平均提高钻速20%～30%，累计创经济效益2亿多元。该产品获美国发明专利和我国发明三等奖，被列入国家级新产品和国家“火炬计划”推广项目。

在自激空化射流理论及其在石油工程中的应用研究方面，该中心根据瞬态流和水声学理论，建立了流体自激振动调制机理和喷嘴设计理论模型，发展了新型高效自振空化射流，其冲击压力脉动幅度，比普通射流提高24%～37%，破岩效果提高1~3倍。该理论成果被国内外专家引用，受到高度评价。根据该理论成果研制成功的自振脉冲喷嘴钻头（第二代钻头），现场试验300多只，平均机械钻速提高20%～60%，创经济效益1.5亿多元。

在水力和机械联合破岩机理研究方面，该中心综合利用断裂力学、弹塑性力学和岩石力学的基本原理，建立了水力和机械联合破岩过程中裂纹形成和发展规律的数学模型，实验研究了齿型、射流冲击角和冲击位置、喷射距离等因素对破岩效果的影响规律。理论成果达到国际先进水平，研制出的新型水力—机械联合破岩钻头（第三代钻头），现场试验可提高机械钻速40%～50%，增加钻头进尺30%～40%。

高压旋转水射流处理近井地层增产增注技术，被列入国家“九五”重点推广项目指南。在辽河、胜利、中原等油田200多口油水井进行现场试验，取得良好效果，平均单井增油幅度20%~30%，单井增注幅度30%~130%，累计创经济效益2亿多元。该技术工艺简单、

成本低、无污染，效果显著，应用前景广阔。

高压水射流钻径向水平井技术，是通过旋转射流破岩钻孔的一项超短半径水平井技术。转向半径仅有0.3米，可直接在生产层向四周钻出多个水平分支井眼，实现产量的大幅度提升。中国石油大学（华东）已经在8口直井中钻出了十几个水平井眼，长度接近20米。现场应用表明，老井改造后可提高产量数倍。目前只有美国和中国等极少数国家拥有该技术。

据中国石油大学（华东）高压水射流研究中心有关负责人介绍，新型射流破岩理论和技术，近期有望在以下两个方面有所突破：一是在高压水射流破岩、辅助机械联合破岩提高深井钻井速度方面，通过超高压射流钻井、负压脉冲钻井等技术，可将我国深井钻速提高20%～50%；二是在高压水射流辅助开发各类油气藏方面，通过径向水平井技术、射流深穿透射孔和割缝等技术，可使我国低渗、薄油层等难开发油藏实现有效开发，使老井“复活”，油田采收率得以提高。（此文原刊登于《中国石化报》）