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磨料水射流除銹

為提高高壓水射流的沖蝕性能，將各類固體磨料 顆粒( 石榴石、石英砂、碳化硅等) 加入高壓水射流中， 高壓水的一部分動能傳遞給磨料顆粒，使其獲得速度， 從而形成高速液固兩相射流。磨料水射流技術興起于 20 世紀 80 年代，1982 年美國制造出了第 1 臺高壓磨料 水射流切割機，此后因其優異的沖蝕性能，極大地提高 了除銹質量和效率，迅速推廣至除銹行業。根據磨料 添加的方式可將磨料水射流分為前混合磨料水射流和后混合磨料水射流 2 類。后混合磨料水射流是指在高壓水射流形成之后，高壓水射流經過混合腔形成負壓，從而將固體磨料顆粒吸入( 見圖 1) 。

由于液、固 2 相速度的差異，所以混合過程為水射流的減速與固體顆粒的加速過程，通常固體顆粒很難進入水射流的核心部分，達到與水射流同速的狀態。Hashish 等、Kvietkov 等將相同壓力下的 2 種磨料水射流進行了對比試驗，發現后混合磨料水射流的沖蝕效果較差。后混合磨料水射流的磨料混合過程十分復雜，涉及到湍流、霧化、速度松弛等現象。Galecki 等通過試驗發現后混合磨料水射流的磨料混合過程中，出現了磨料顆粒碰撞變細的現象，導致磨料的沖蝕性能在一定程度上降低。前混合磨料水射流是一個相對后混合磨料水射流的概念，其磨料是在高壓水射流形成之前就已加入水中，形成磨料漿，然后對磨料漿加壓使其從磨料噴嘴噴出，形成磨料水射流。前混合磨料水射流存在磨料粒子的沉降問題，另外，由于前混合磨料水射流中含有大量高速的磨料顆粒，經過噴嘴時與噴嘴壁面發生刮擦，對噴嘴磨損十分嚴重。丁宇等通過對比試驗發現，后混合磨料水射流的磨料與水的混合效果較差，不能充分發揮磨料的作用，而前混合磨料水射流沒有類似缺陷，磨料具有很高的動能，極大地提高了磨料水射流的沖蝕效果。前混合磨料水射流的關鍵技術是如何保持磨料與水的均勻混合。許多學者對磨料水射流的除銹機理進行了研究，并取得了很多成果。Deris 等、Wibowo 提出了 1種將橫移速度、水射流壓力、靶距、磨料粒度和磨料流量關聯的方法，對磨料水射流加工中的表面粗糙度進行預測。Long 等采用歐拉-拉格朗日方法對磨料水射流噴嘴中內部流場和磨粒的移動進行了模擬分析，并使用離散顆粒模型計算磨粒軌跡。研究發現，較長的收縮管可以減小顆粒圓周運動，從而確保顆粒離開噴嘴時沒有大的圓周速率，其研究結果為磨料水射流的應用和噴嘴的設計提供了指導。陳玄研究了磨料水射流除銹機理，通過對射流靶距、射流橫移速率、射流壓力、磨料流量參數的分析，建立了磨料水射流除銹效率的預測模型，為后續磨料水射流除銹作業提供了理論指導。磨料水射流技術以其獨有的特點在除銹領域得到廣泛應用。薛勝雄等針對石化行業，將變速超高壓泵用于不同難度的清洗工程，具有除銹效率高、靈活可靠的特點，尤其在輸送管道的除銹方面表現良好。高巖等將該技術應用于彈藥除銹作業中，并對其除銹機理進行了分析，驗證了磨料水射流除銹技術在彈藥除銹作業中的優異效率和效果。Xue 等分析了高壓水射流在除銹過程中的關鍵問題，進而設計制造了一套 70 MPa 高壓水射流除銹設備，通過對生銹鋼板和船體表面除銹后的表面質量對比，優化了設備參數，并總結了性能參數與除銹速率的關系。丁宇等將磨料水射流除銹方法與其他除銹方法進行了對比，并且通過設計磨料水射流除銹試驗，得出了磨料水射流除銹效率高、質量好的結論磨料水射流除銹技術效率高、質量好，因而得以大規模應用。