高壓水射流技術在含能領域應用展望

賈士為 尚利輝

（1.武警工程大學研究生大隊，陜西 西安 710086；2.武警工程大學軍事基礎教育學院，陜西 西安 710086）

0 引言

高壓水射流技術是以水為主要工作介質，通過增壓設備（最高壓力可達620 MPa）將機械能轉換為壓力能，通過口徑很小的噴嘴（0.1 mm～0.3 mm）釋放壓力能產生高比能的高速射流束（200 m/s～800 m/s）對各類材料進行加工的一種技術，該技術與激光、離子束以及電子束一樣都屬于高能束加工范疇[1-3]。近年來，高壓及超高壓泵、增壓器、密封技術和噴嘴工藝等硬件的不斷優化發展以及射流理論研究、計算機模擬仿真等軟件的創新發展，拓寬了高壓水射流技術的應用領域，為加工工藝優化、產品測試檢驗以及技術改良改進提供了新方法和新思路。

1 高壓水射流技術分類以及基本原理

高壓水射流技術種類和分類方式繁多，根據實際應用中的廣泛程度和技術特征可分為連續射流、空化射流和脈沖射流。

1.1 連續射流

連續射流是應用最廣泛也是最常見的射流形式，包括純水射流和磨料射流，其速度可達到900 m/s，壓力達到400 MPa，多用于清洗切割作業，其作用原理是射流沖擊滯止壓力Pi，如公式（1）所示。

式中：Pi為射流沖擊滯止壓力，MPa；ρ為射流介質密度，g/cm3；v為射流速度，m/s。

純水射流初速一般為音速的2～3倍，這使射流束具有很大的能量，可以進行清洗、切割和粉碎作業。純水射流需求行業見表1。

表1 純水射流需求行業

磨料射流利用磨料集中射流動能，將純水滯止動壓沖蝕轉變為磨料沖擊動壓沖蝕，能夠有效增強對工件或靶體材料的磨削沖擊作用[4]，常見的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系和軟磨料系，根據加入磨料位置的不同，可以分為預混式和后混式。預混式是指純水與磨料顆粒充分混合后，由增壓裝置賦予一定的壓力和初速，再從噴嘴射出；后混式是指水增壓形成高速射流后再添加磨料，使磨料顆粒和水在出噴嘴前混合。磨料水射流需求行業見表2。

“你可以隨意化成人形嗎？”安潔西問，她以前在銀盾軍團撫養院只是聽說過蟲族的一些事，并沒有機會真正面對面去了解他們。

表2 磨料水射流需求行業

以磨料水射流切割金屬彈體為例，假設彈體內壁為圓柱面，可將其視為以圓柱直徑R2為半徑的球面，根據彈性理論，磨料顆粒與彈體接觸時產生的最大接觸剪應力如公式（2）所示[5]。

式中：τmax為最大接觸剪應力，N；R1為磨料顆粒粒度，mm；E1為磨料顆粒彈性模量，MPa；μ1為顆粒泊松比；R2為彈體金屬球半徑，mm；E2為彈體的彈性模量，MPa；μ2為彈體材質的泊松比；F為磨料顆粒與彈體接觸時的作用力，N；k1為磨料顆粒每單位應力的變形率；k2為彈體每單位應力的變形率。

只要求出顆粒與彈體接觸時的作用力F，就可以計算出最大接觸剪應力τmax。當τmax大于彈體的接觸剪應強度時，彈體發生破壞。如果射流中磨料流體與彈體接觸面為磨料顆粒的投影面積，由于單位面積顆粒磨料作用于彈體的力為ρsu2，因此可得單個磨料顆粒對彈體的作用力Fi，如公式（3）所示[5]。

式中：u為射流撞擊彈體時的速度，m/s；ρs為磨料顆粒密度，kg/m3。

假設前混合磨料水射流采用圓錐形噴嘴，噴嘴直徑為D。磨料水射流屬于固液兩相自由紊動射流，由于速度很高，因此可以認為軸向射流速度即為射流的初速度u0。當靶距x>6.2 mm時，u=6.2u0D/x；當x<6.2 mm時，u=u0。根據經驗公式，射流初速度u0如公式（4）所示。式中：p為出口壓力，MPa。

根據經驗公式，射流的密度如公式（5）所示。

式中：ρ0為混合流體的密度，kg/m3；αs為磨料的質量分數，%；ρw為水的密度，kg/m3。

整理得到磨料顆粒與彈體接觸時的最大接觸剪切應力如公式（6）所示。

1.2 空化射流

空化指當液體處于低壓強、高流速狀態時，液體中的空化泡（或稱氣核）開始出現爆發性膨脹生長，當空化泡到達高壓強、低流速區域時，出現爆裂、湮滅的現象。空化泡的形成與發展模型如圖1所示。空化射流的原理是利用空化腐蝕和機械作用原理進行作業，主要借助空化泡爆裂時產生的沖擊力來加強射流的效果，并利用空化泡湮滅時產生的微射流和沖擊波來解決實際問題。

圖1 空氣泡的形成與發展模型

式中：P為空化射流沖擊壓力，MPa；Pi為連續射流滯止壓力，MPa；α為射流介質中氣體含量。

當1/10<α<1/6時，P=（8.6～124）Pi，即在相同排量下，空化射流沖擊壓力是連續射流滯止壓力的8.6～124.0倍。

1.3 脈沖射流

脈沖射流屬于非連續射流，通過特定裝置以脈沖的形式將水射流作用于靶體上，形成能量很大的“水團”，該水錘射流技術充分利用了水錘效應，增大了靶體上的摩擦作用力，使對材料的損傷和破壞裂紋可以快速地擴散，其在靶體上的沖擊和阻擋壓力要遠高于單片機純水射流的滯止壓力，進而改善了射流的破碎和切割能力[6]。脈沖射流的性能主要由水擊發生形成的頻率、水擊長度和射流直徑的比及水擊產生的能量等因素所決定，一般由聚能驟放（俗稱“水炮”）、壓力擠出和流量調節（又叫“水擊”）3種方式產生，包括阻斷式脈沖射流、激勵式脈沖射流和擠壓沖擊式脈沖射流，其作用原理主要是水擊壓力P0，如公式（8）所示。

式中：P0為脈沖射流水擊壓力，MPa；ρ為射流介質密度，g/cm3；c為射流流體中的聲速，m/s，在水中c≈1500 m/s；v為射流速度，m/s。

由公式（8）可以得出，脈沖射流水擊壓力P0＞連續射流滯止壓力Pi。

2 國內含能領域應用現狀

高壓水射流作為一門新興的加工技術，屬于冷加工范疇，適用于切割、破碎各種壓敏、熱敏材料以及易燃和易爆等危險物品，在含能領域顯現出很高的應用價值。

2.1 切割理論方面

黃玉平等人[7]采用數值模擬的方法對高壓水射流破碎炸藥的安全性進行了研究。Hua等人[8]利用磨料水射流對不同類型的材料進行切割實驗，分析了磨料沖擊對材料內部結構損傷、溫度變化以及切割過程中的壓力和速度特性。韓啟龍等人[9]分析了高壓水射流技術在部分含能領域應用的國內外研究進展，并對發展趨勢進行了展望。王敬濤等人運用數學建模分析、軟件模擬仿真等方法，對預混式磨料水射流水下切割進行了仿真研究。Hsu等人采用數值模擬的方法對高速水射流沖擊特定材料進行仿真研究，通過實驗驗證了沖擊壓力和射流速度對材料結構的影響。

國內理論研究以仿真模擬、已有理論驗證、安全性以及可行性試驗分析為主，獨創性理論成果以及可用作實際工程應用的創新性研究成果較少，同國外同領域研究還存在一定的差距。下步理論研究的側重點應放在淹沒射流、射流水力學特性、射流沖擊力與基本參數及噴射距離變化之間的關系等，例如對于常見炸藥的沖洗回收，目前回收率大約為30%左，如果能突破研究瓶頸、提升回收率，將會有巨大的經濟軍事效益。

2.2 切割技術方面

蔣大勇等人[6]通過實驗驗證了預混式磨料水射流切割防暴彈的安全可靠度不低于98.57%。鐘樹良等人通過對幾種不同類型炸藥的切割試驗，驗證了水射流切割炸藥的安全性。蔣大勇等人使用高壓純水射流和磨料水射流對某型強光爆震彈和防暴彈進行切割實驗研究，全程安全、無意外情況發生。Zhang等人利用淹沒空化水射流對裝有A-IX-2型炸藥的報廢彈藥進行破碎試驗，并對其作用機理進行了探討。Guan等人介紹了磨料水射流技術用于切割、分離日本遺棄在華化學武器炸藥和化學試劑的應用。

高壓水射流技術在火炸藥含量較少、處理風險較小或已知危爆材料結構的含能領域的應用較為成熟，但相關技術對大裝藥量、化學物理性質不穩定或者不明確內部結構和具體裝藥量的靶體材料的研究應用仍有很大的缺口。下步研究可以聚焦其他類型的切割介質、調整磨料濃度以及基本參數等，提升切割能力和普遍適用性，最大限度地發揮射流技術的優勢。

2.3 切割裝置方面

李鑫勇等人設計了水射流切割裝置，能夠實現炸藥和彈體的沖洗分離。張世林等人設計了一種新型排爆裝置，通過數值模擬分析驗證實際操作的可行性。紀新剛根據爆炸物的種類和大小，發明了一種水射流處理方法，有效提升了排爆過程的安全性。孫義柯等人研究設計了適用于反恐行動的預混式磨料高壓水射流裝置。呼延曹婧等人設計研制了一款新型排爆機器人，在試驗和實踐操作中驗證了該機器人的實用價值。李其祥設計了一種簡便實用的無后坐力爆炸物銷毀器。

現有發生操作裝置的組成部件數量多、體積龐大、系統較為復雜且不便于運輸，在處理工件數量較少的情況下具有一定的優勢。但受制于裝置本身的靈活性，在處理不便轉移、數量較多的靶體材料時有一定的局限性，因此加強新材料新工藝的研究創新、進行裝置結構的簡化改造以及提升裝置自身的簡便性和可操作性，能夠有效提升處理效率。

3 國外含能領域應用現狀

總結分析所查閱的資料和文獻，美國和歐洲在技術研究和應用方面都處于領先地位。

3.1 切割理論方面

Borkowski等人研究得出了高壓水射流炸藥沖蝕機理。Nambiath等人通過磨料水射流切割炮彈實驗以及對操作參數的優化，確定了最佳切削工藝。Koschiniski等人介紹磨料懸浮水射流技術處理含能材料的基本情況，通過切割試驗驗證了該技術具有廣泛的適用性和廣闊的發展前景。Kang等人從理論和實驗2個方面研究了流體射流去除材料的基本機理，在實驗的基礎上總結得出射流的最優噴射距離。Jamali等人提出了一種新的算法，并用實驗數據對爆炸切割過程進行建模，驗證了該算法的有效性。

國外在射流基礎理論研究方面起步較早，能夠結合實踐應用加以補充完善，數據來源較為準確可靠，參考價值高，可以在相同類型的含能領域中推廣應用。近年來，國內相關院校和研究機構也加強了對射流基礎理論的研究和應用，部分理論取得了突破性進展，已經在煤礦、石油工程等領域得到了應用。

3.2 切割技術方面

Summers等人對11種爆炸物進行了高壓水射流沖擊試驗，驗證了高壓水射流沖洗炸藥的安全性。Fossey等人通過實驗，分析了高壓磨料水射流系統的切割性能，設計了一種遠程切割炮彈的裝置。Campos等人分析了磨料水射流系統水壓、磨料種類和濃度了使用射流入射角和轉速等切割影響因素，證實了使用該系統切割彈藥的可行性。?uri?等人通過實驗驗證了磨料水射流切割技術對彈丸進行拆卸和破壞的可行性。Rodionov等人研究發現水射流技術可以有效降低對環境的污染，可以對硝銨類炸藥進行清洗，提升對金屬的回收利用率。

綜合分析發現，國外在技術研發方面的投入較大，經過長時間的使用和更新換代，已經形成了較為成熟的標準和使用規范，開始發揮巨大的經濟社會價值。國內水射流技術在民用行業的應用較為廣泛，在軍事領域的應用還處于研究推廣階段，主要以退役報廢武器彈藥的處理為主。處廢工作是軍隊后勤建設的重要內容，同時也是檢驗戰斗力的重要標準，如果能夠大規模應用水射流技術，那么就會產生巨大的生態價值和經濟價值。

3.3 切割裝置方面

從20世紀90年代初開始，德國已經采用高壓水射流裝置對流化床焚燒含能材料所需要的料漿進行分離和預處理，荷蘭、英國、法國以及葡萄牙等國家紛紛效仿。英國利用高壓水射流和超臨界流體切割含能材料，并對部件進行回收利用，已經有成功的先例。美國在實踐運用中已經形成較為完備的作業規程和適用范圍標準等。

國外在裝置設計應用方面已經積累了豐厚的經驗，研發的裝置的可靠性和穩定性都比較強，雖然國內相關研究的起步較晚，但是發展勢頭很好，在部分領域已經達到自主生產甚至領先的水平。2021年4月2日，《解放軍報》曾刊文介紹了我國自行研制的某新型排爆機器人搭載水炮槍成功銷毀爆炸物的案例，展現了該裝置應用的廣闊前景。隨著計算機技術和人工智能的發展，切割裝置發展的明顯趨勢就是智能化、無人化以及小型化，提升裝置的穩定性既能夠有效降低人員財產的損失，也能拓展應用市場，可以推動社會各領域的發展。

4 創新技術對高壓水射流技術的啟發

4.1 提升智能化水平

含能領域材料的處廢回收利用有一定的危險性，利用信息技術的發展成果，例如大數據、云計算以及智能機器人等，實現遠程無人化操控，可以有效降低成本，減少人員財產的損失。

4.2 加強產業集成化探索

由于含能領域較為寬泛，需要處理的含能材料從體量上來講比較大，因此可以建立類似工廠的流水處理線，提升產業集成化水平，同時也能大幅度提升處理效率，減輕環境壓力和負擔，符合國家綠色發展理念。

4.3 強化基礎理論研究

現階段很多工程的實際應用還需要參考以往經驗，基礎理論研究還未形成科學化、體系化的公認成果，也是遲滯高壓水射流技術多領域發展的重要因素。

4.4 突破關鍵部件技術

對于發生裝置關鍵部件的研究還有一定的上升空間，例如高壓或超高壓泵、噴嘴工藝以及磨料顆粒類型等，尤其是對照不同類型的介質和處理對象，分門別類地研究制定相應的標準化實施流程顯得尤為突出。

5 結語

綜合國內外高壓水射流技術含能領域的應用現狀，該技術的優越性主要體現在以下5個方面：1） 工作介質成本低，環境友好，屬于綠色加工技術范疇。2） 加工能力強，應用范圍廣，可以實現遠距離、無人操作，有效降低了風險。3） 切割時射流介質能夠發揮降溫、滅塵、潤滑和沖運切屑的作用，具有在含能領域應用的天然優勢。4） 切割壓力高，噴嘴直徑小，能量高度集中，具有很強的切割力。5） “水刀”切割時能夠形成規則的切口，有利于提升材料的利用率。6） 非接觸式切割對刀具無磨損，能夠降低成本。與此同時還存在一些需要重點解決的問題：1） 相較于機械切割，高壓水射流需要消耗更多的能量。2） 部分關鍵部件的性能不過關，例如噴嘴工藝、高壓輸送軟管和密封技術與國外還有較大差距。3） 系統整體費用較高，引進國外系統，平均花費10～50萬美元；按系統性能不同，在國內開發也需要十幾萬到百萬元人民幣，平均操作費用為50 元/h～150元/h。4） 噴嘴磨損仍待解決，磨料切割的碳化鎢噴嘴，每個60元，只能使用2 h～4 h。5） 耗水量較大，操作程序比較煩瑣。