磨料水射流在安全方面的应用

黄刚雷　李芳兵　尤新宇

【摘 要】磨料水射流技术是八十年代发展起来的新型、高效的水射流技术，具有切割温度效应小、切割能力强等优点，被广泛应用在安全 切割和清洗领域，本文主要针对这两个领域对其优点进行了详细的阐述。

【关键词】水射流；安全切割；清洗

0.前言

水射流技术作为近几十年发展起来的一个崭新的行业，自从出现以来，就倍受各国研究者的关注。随着研究与应用的不断深入和发展，这门技术已经广泛的应用于安全切割、清洗、破碎、表面处理及加工等作业。但由于纯水射流主要用于清洗，并且工作效率低、耗能大，研究学者们便进一步着眼于其他的特殊射流，比如脉冲射流、空化射流、磨料射流等等。

自从80年代新兴起的磨料水射流技术，由于具有切割能力，破碎能力都比较强的优势，逐渐吸引了各国科学家的眼球。1983年第一台磨料水射流切割机在美国横空出世，同时这也标志着磨料水射流技术正式投入使用，以前纯水射流主要局限于非金属物质，而磨料水射流可以以很小的喷射压力就可以轻松的穿透像钢材、岩石等坚硬的材料，大大的扩展了切割材料的范围。

磨料水射流是以磨料为主要介质，将磨料和高压水射流混合并且同时加速而形成的液固两相射流。根据水与磨料射流的混合点是在水喷嘴之前还是之后，将其分为前混合磨料水射流和后混合磨料水射流两种。但根据郭楚文等人的计算[1]，由于后混合磨料水射流冲蚀能力有一定的局限性，并且又存在很明显的三次能量损失、成本较高，所以前混合磨料水射流渐渐的被广泛应用。

前混合磨料水射流技术具有高能、冷态、按点切割的特点，对材料有极强的冲蚀作用，几乎可以切割所有的金属、非金属以及复合材料。而且由于其破碎能力比较强，现在已经被广泛的应用于煤矿井下安全切割、清洗、切割炮弹、排雷扫雷、核电站切割等方面。本文将根据磨料水射流技术的切割原理和相关实验研究，对其在安全切割方面的作用展开详细的论述。

1.前混合式磨料水射流在煤矿开采方面的应用

磨料水射流技术是八十年代发展起来的新型射流技术，自从高压水射流技术在我国矿业方面应用以来，人们就不断探索，争取更好的将该项技术与矿业开采相结合，现在水射流技术已经成功的应用在我国的矿业开采各个方面，其中主要用在煤矿井下危险环境的切割。磨料水射流切割技术是一种新的冷切割技术，广泛应用在金属，玻璃，岩石切割方面。研究表明，磨料水射流在切割过程中温度不会超过100摄氏度，低于瓦斯着火点，大大提高了煤矿井下切割的安全性。磨料水射流技术在煤矿开采方面的应用主要体现在以下几个方面：

磨料水射流掘巷，高压水射流掘进机是利用高压水射流辅助技术对岩石进行切割，以往的切割技术，刀具容易破坏，更换频率高，影响工作进度。研究表明，在磨料水射流辅助掘进时，材料耗能成本每平米比以往降低34.5%，大大降低了运行成本，增加了产品效益。

除尘，传统的炮式巷道掘进会产生很多烟尘，使工人作业的环境粉尘浓度极高，这不仅加大了开采的难度，阻碍开采进度，更重要的是威胁着工人的健康。研究表明工作面采用磨料水射流辅助掘进大大减少了环境中粉尘浓度，仅为普通凿岩的18.5%。因此，磨料水射流技术在改善环境，保障工人的健康等方面具有其突出的功效。

2.水射流技术在储油罐清洗、切割等安全方面的应用

目前，我国加油站总数大约在105座，埋在地面下的储油罐近4×105个[2]，如此巨大数目储油罐定期的清洗以及废旧储油罐的切割回收将是一份艰巨的工作。然而传统工艺虽然耗费了大量的人力、财力、物力，但是最终的清洗效果却不尽让人满意，而且采用传统方法如火焰、等离子切割等方法切割废弃的储油罐也是一件极其危险的工作。

传统方法储油罐的清洗主要由人工承担，主要方法有蒸汽熏蒸法，但是该法加热时间比较长，消耗的蒸汽量也比较大，；另外一种比较常用的就是化学清洗法，即利用化学反应溶解罐壁上油污从而达到清洗目的的方法；综合安全以及环保等因素，传统清洗储油罐方式的不足之处：①安全性差，油罐内刺激性气味比较大，劳动人员容易出现中毒事故；②给周围环境带来污染，不利于环保；③清洗的效果不理想，易破坏油罐母材。而新兴起的水射流技术则很好地解决了这些问题。

水射流分为高压水射流和低压水射流，是一种已经在国外如美国、英国、德国、日本等国家的清洗行业应用比较广泛的技术。例如，储油罐内壁的清洗、焦炉煤气管道清洗、建筑物以及大型雕塑等方面的清洗。目前我国的水射流清洗技术发展十分迅速，对于储油罐的清洗采用低压水射流即可满足要求，与传统的清洗工艺相比其特点主要有[2]：①很大程度上减少了对劳动工人身体的伤害；②清洗效果较传统工艺好；③减少了清洗所用的时间；④操作的安全性较好，不会给油罐的母材带来伤害，从而延长了储油罐的使用年限；⑤耗水量小，平均耗水<1t/罐，利于环保。

3.磨料水射流用于废旧炮弹切割

近年来，由于维护国家安全的需要，炮弹制造技术在国内外飞速发展，各国的研究学者致力于发明一批批新型用途和型号的炮弹。但是也正是由于炮弹更新速度之快，随着时间的推移和技术的不断超越，使得大量的废旧炮弹在好多单位和工厂积压。这些废旧的炮弹，如果不经过及时的处理，很可能会发生一些不可预知的危险。

[3]相对以前的爆破切割破碎销毁法、聚能切割销毁法切割炮弹，磨料水射流切割炮弹时无火花也无切削热，并且安全系数较高，因此这项技术在我国得到了广泛的应用与推广。

利用磨料水射流技术切割炮弹安全可靠，而且对环境无污染。“超高压水射流切割弹药销毁系统 ”利用高压水射流这一高新技术将炮弹切开，并利用高压水将弹药和弹壳分离，再分别销毁和提取所需要的钢材和炸药。采用这种方法不仅安全可靠，成本较低，而且对于拆下来的东西还可以重复利用，具有可观的安全性和经济价值。

4.结束语

综上所述，磨料水射流作为近年来发展起来的一项高效冷切割工艺，其应用已遍及工业生产和人们生活各个方面。由于具有设备简单、操作方便、切割安全的优势，有效的扩大了切割材料的范围，使其被广泛的应用于危险环境下的切割、清洗等作业。因此，磨料水射流技术在安全方面的特性与研究，对于工业生产和生活具有广泛的前景与实际意义。

【参考文献】

[1]郭楚文，徐晓东.空化磨料水射流粉碎技术[M].北京：中国科学文化出版社，2002.

[2]崔凌.加油站埋地油罐清洗技术现状及适用性分析[J].石油矿场机械，2011.

[3]宋拥政，赵晓利，郭芳筠.磨料水射流切割弹药实验可行性研究[J].锻压机械，1998.