海上清潔切割核心技術
——高壓磨料射流切割噴嘴研究

馬認琦，鞠少棟，王超

(中海油能源發展工程技術公司 天津300452)

海上清潔切割核心技術
——高壓磨料射流切割噴嘴研究

馬認琦，鞠少棟，王超

(中海油能源發展工程技術公司 天津300452)

為實現海上廢棄結構物的安全高效切割回收，保障海上絲綢之路戰略構想的順利實施，同時做大做強中海油海上清潔環保切割技術服務產業，針對公司現有的磨料射流切割技術，通過理論研究與試驗測試的方法，設計并自主研制高壓磨料射流切割噴嘴，重點解決了噴嘴內部磨料加速受力研究、噴嘴結構型式優選及內部流道設計、噴嘴選材及燒結工藝優選等關鍵技術。最終，研發出高性能納米級耐磨噴嘴并成功完成了現場切割應用，該成果顯著提高了中海油海上結構物棄置作業效率和整體技術服務水平。

海上絲綢之路 清潔環保 磨料射流切割 超高壓 耐磨噴嘴

0 引 言

根據國家法律法規要求，已達到使用壽命和拆除期的海上油氣生產設施需要及時棄置回收，以防其成為障礙物影響海上航路。目前渤海灣僅生產類平臺就近200座，到2020年，44個平臺及408口油氣井將進入廢棄階段。天津港作為北方重港，每年均有數萬艘次船舶進出港口，為實現海上絲綢之路航線的暢通無阻，保障國家“一帶一路”戰略構想的順利實施，結束生產的海上設施必須盡快拆除。而結構設施的切割拆除，不但要考慮相應的技術、成本、安全性、可靠性以及必須遵守的法律法規等，更為重要的是必須考慮環境保護問題。磨料射流切割作為一種新興切割技術，可通過高速固體顆粒的沖蝕切削作用切除結構物，具有作業安全高效且清潔環保的優勢。

噴嘴作為高速磨料射流最終形成的發生元件，對切割系統的正常作業及切割效率起著決定性作用。[1]磨料顆粒出口流速和噴嘴硬度分別制約著噴嘴的切割效率和耐沖蝕壽命，[2]而影響磨料顆粒出口流速和噴嘴硬度的關鍵因素為噴嘴內部流道結構和噴嘴材質。國內對噴嘴結構和材質做了大量的研究，[3-5]但國內噴嘴仍存在耐壓低、壽命短、易磨損等缺點，不滿足磨料射流切割作業需要。本文利用理論研究和試驗測試方法對超高壓磨料射流噴嘴進行結構設計和材質優選，研發新型納米級耐磨噴嘴，為中海油海上棄置業務的發展提供技術支持。

1 噴嘴內固液兩相流理論分析

1.1 前混式切割磨料射流混合運動過程

對于前混合磨料射流系統，磨料顆粒與高壓水先在混合罐內初步混合，之后混合液進入高壓管線與高壓水再次混合，此時磨料顆粒第1次加速，并在短時間內兩相速度達到平衡。進入噴嘴后，兩相同時被加速，磨料加速較慢導致兩相之間出現速度差，水在高速向前運動時推動磨料顆粒繼續加速，且水速度一直大于磨料速度，隨著流動距離增加，磨料和水進一步混合加速，直到充分混合后從出口噴出，形成前混式磨料水射流，噴嘴內兩相流示意如圖1所示。

圖1 噴嘴內部兩相流示意圖Fig.1 Schematic of two phase flow in the nozzle

1.2 噴嘴內磨料顆粒受力加速分析

磨料顆粒在水流作用下加速運動，可表示為歐拉兩相流微分方程：[6]

式中：dp為磨料顆粒的當量直徑，ρp、ρ分別為磨料和水的密度，p為入口壓力，up和u分別為磨料和水的速度，τ為積分變量，t為時間，X為質量力(重力、離心力和線加速慣性力等)，Fm為馬格努斯升力，FS為沙夫曼升力。

磨料顆粒的加速過程主要在噴嘴的收縮段和圓柱段內完成，磨料顆粒的加速越充分，粒子的最終速度就越接近流體的最終速度，射流的傳輸效率也就越高。隨著收縮段內徑急劇縮小，高壓水首先完成加速，磨料顆粒之間劇烈碰撞并通過收縮段進入圓柱段，圓柱段內高速水流充分加速磨料顆粒，最終磨料顆粒穩定流動且以接近水流速度從出口噴出切割結構物。

2 噴嘴射流特性數值模擬與內部流道優化

2.1 流場模型建立

2.1.1 不同型式噴嘴內部流道結構

研究不同型式噴嘴內部流道結構如圖2所示，噴嘴內部流道結構參數主要包括入口段直徑、收縮段長度、圓柱段長度、嘴出口直徑和收縮角等。

圖2 噴嘴內部流道形式Fig.2 Internal structure of the nozzle

2.1.2 噴嘴流場模型求解控制

建立不同噴嘴內部流道二維流場分析模型，選用二維穩定隱式求解器和歐拉兩相流模型，湍流方程采用標準k-ε模型、SIMPLE算法，動量方程采用二階迎風格式進行離散。其中，k和ε的運輸方程為：

式中：ρ為流體密度，ui為流體速度，μ為動力粘度，μt＝ρCuk2/ε，Gk為平均速度梯度引起的湍動能，Gb為浮力引起的湍動能，C1z、C2z、C3z、σz、σk為常數。

模型邊界條件及參數設置為：[7]

①入口邊界條件，入口壓力為250,MPa，磨料體積分數為10%,；②出口邊界條件，出口壓力為1個標準大氣壓；③壁面邊界條件，近壁區采用壁面函數處理，考慮壁面粗糙度的影響；④噴嘴入口內徑為8,mm，出口內徑為1,mm；⑤液相參數，水的密度為998.2,kg/m3，水的動力粘度為0.001,003,kg/s；⑥固相參數，顆粒粒徑為0.2,mm，密度為2,650,kg/m3，動力粘度為8e-4,kg/s。

磨料顆粒在噴嘴內加速分為兩個階段，即收縮段內的加速和圓柱段內的加速。對比分析噴嘴內部水流和磨料顆粒速度理論計算與仿真模擬結果，如圖3所示，兩者變化曲線很吻合。

圖3 理論計算與仿真結果對比Fig.3 Comparison of theoretical and realistic results

2.2 噴嘴型式優選及內部流道優化

磨料顆粒出口流速是衡量噴嘴切割效率的最關鍵指標，基于噴嘴內部流場特性分析進行不同內部流道形式噴嘴的結構優選。如圖4所示，錐直型和流線型噴嘴射流特性基本一致且出口流速較大，表明其射流特性較好。圓柱段長度和收縮角度對射流性能有較大的影響，通過對噴嘴內部流場的特性分析，出口最大速度隨著圓柱段增長而增大，隨收縮角增大而減小，推薦噴嘴圓柱段長度范圍為30～35,mm，收縮角范圍為12～13 °。

圖4 不同型式噴嘴中軸線上磨料速度變化Fig.4Abrasive speed distribution in axial line for different structural nozzles

3 噴嘴選材與燒結工藝

超高壓磨料射流噴嘴在切割過程中除了要保證切割效率外，還要有足夠耐沖蝕壽命以保證切割作業時間。國外對于超硬材質結構耐磨性評價的經驗公式為：

式中：WRP為超硬材質耐磨系數，FT為結構斷裂韌性，H為結構硬度，E為結構彈性模量。

近年來，新型納米級高硬度、高韌性、高強度超細碳化鎢(WC)硬質合金材料的研制與開發逐漸得到重視，納米級與非納米級WC材料微觀組織如圖5所示。圖中，納米級材料的晶粒度和致密性明顯優于非納米級材料。

圖5 10,000倍掃描電鏡下WC材料微觀組織Fig.5Micro textures of WC materials under 10,000 times scanning electron microscope

無粘結相納米級WC硬質合金(Co含量低于0.2%,)具有更好的硬度、強度及耐磨性。然而，Co含量小于1%,時，燒結過程中WC顆粒很難被產生的Co液相完全浸潤，合金致密化過程較為困難；而且無粘結相WC硬質合金的燒結溫度極高，燒結過程中易出現晶粒的異常長大現象。SPS放電等離子體燒結作為全新的材料燒結技術，其燒結速度快、溫度高，可實現無粘結相WC硬質合金的快速完全致密化。

4 納米級噴嘴產品性能

自主研發成功的超高壓磨料射流耐磨切割噴嘴如圖6所示，該噴嘴采用納米級WC粉末，SPS放電等離子燒結工藝成型，燒結參數見表1，該燒結工藝最高溫度達到1,700 °C，壓力為50,MPa，燒結時間僅為5,min。

圖6 自主研發高耐磨噴嘴Fig.6 High performance anti-abrasive nozzles

表1 放電等離子燒結的工藝參數Tab.1 SPS process parameters

表2 納米級噴嘴力學性能Tab.2 Mechanical properties of nanometer material nozzle

通過現場試驗測試，納米級噴嘴在250,MPa工作壓力下，耐沖蝕壽命已超過6,h，其力學性能見表2，通過耐磨系數計算，國內噴嘴耐磨系數為611，而納米級噴嘴耐磨系數達到755，耐磨性能顯著提高，噴嘴技術的突破提高了中海油現有切割設備的作業能力，有效支撐了海上棄置業務產業的發展。

5 結 論

納米級噴嘴已在曹妃甸1-6油田、錦州20-2和錦州21-1油田成功應用，完成了海底泥面下多層套管切割回收作業，有效清除了廢棄的障礙物。采用納米級噴嘴的高壓磨料射流切割技術，作業時間短、成功率高，噴出的磨料量少且沉入海底對海洋漁業和海洋生物無影響，即對海洋環境無污染，是海上絲綢之路清障的有效保障。通過納米級噴嘴研究，其流道優化和超硬材質技術可應用于超硬鉆頭、壓裂噴嘴及井下耐磨工具等其他技術領域，推動納米級材料技術在石油工業的蓬勃發展。■

［1］ 王洪倫，龔烈航，武光華. 前混合磨料高壓水射流切割噴嘴的數值模擬[J]. 解放軍理工大學學報：自然科學版，2007，8(4)：387-390.

［2］ Osman A H. Experimental analysis of high-speed airwater jet flow in an abrasive water jet mixing tube [J]. Flow Measurement and Instrumentation，2004(15)：37-48.

［3］ Babets K E，Geskin E S. Numerical study of the turbulent flow inside a pure water jet [C]. Proc 11th US Water Jet Conference，Minneapolis，2001.

［4］ 楊國來，周文會，劉肥. 基于FLUENT的高壓水射流噴嘴的流場仿真[J]. 蘭州理工大學學報，2008，34(2)：49-52.

［5］ 王明波，王瑞和. 噴嘴內液固兩相射流流場的數值模擬[J]. 石油大學學報，2005，29(5)：46-49

［6］ 楊國來，李強，陳俊遠，等. 磨料噴嘴內磨料顆粒加速機理分析[J]. 機床與液壓，2011，39(19)：54-57.

［7］ 王明波. 磨料水射流結構特性與破巖機理研究[D]. 東營：中國石油大學(華東)，2006.

Research on High Pressure Abrasive Water Jet Nozzle，an Offshore Clean Cutting Core Technology

MA Renqi，JU Shaodong，WANG Chao
(CNOOC Ener Tech Drilling & Production Company，Tianjin 300452，China)

In order to realize the safety and high efficiency of cutting and recovery operations for abandoned offshore production facilities to guarantee the implementation of Maritime Silk Road Strategy and the expansion of CNOOC’s offshore clean and environmental friendly cutting technical services, a high pressure abrasive water jet cutting nozzle was designed and optimized through theoretical research and experimental tests, which can be used for available abrasive water jet technology. Its key techniques include abrasive acceleration in the nozzle, optimization of nozzle structure, design of inner flow path, material and sintering process selection. The nanometer anti-abrasive nozzles were developed and field cutting operations have been completed. This achievement has improved the operating efficiency and service level for abandoned CNOOC offshore production facilities.

maritime silk road；clean and environmental friendly；abrasive water jet cutting；ultra high pressure；antiabrasive nozzle

TE54

：A

：1006-8945(2016)10-0050-04

中國海洋石油總公司項目“高壓磨料射流井下切割機具研制”(CNOOC-KJ125ZDXM12LTD03NFGC2014-06)。

2016-09-03