高壓水射流噴嘴磨損成因及對策研究

劉玉香

（中石化齊魯石化分公司，山東 淄博 255411）

0 引言

高壓水射流洗車設施由高壓水射流清洗系統、清洗機等組成。本研究以苯類、醇類、劇毒類槽車為清洗對象。首先用蒸汽將1#工業水進行加熱，在經過高壓泵加壓后，經高壓水射流清洗管路系統供給三維洗罐器，從三維洗罐器的噴嘴噴射到鐵路罐車內壁上，對罐車內壁進行清洗。如何優化三維洗罐器噴嘴的結構和重要參數，是國內外學術研究的熱點和難點。在對噴嘴結構進行研究的過程中，找到延長其使用壽命和耐磨性的方法，從而節約清洗成本。在實際應用中，受到工作環境的影響以及過濾精度的限制，高速水射流對噴嘴造成的磨損是比較嚴重的，容易縮短噴嘴壽命。且頻繁更換噴嘴既降低了生產效率，又增加了生產成本。因此，對噴嘴磨損問題展開研究，并提出行之有效的解決策略，具有重要意義。

1 原因分析

1.1 高壓水射流清洗系統原理

高壓清洗機（見圖1）通過動力裝置使高壓柱塞泵產生高壓水，并用其沖洗物體表面的設備。三維洗罐器安裝在高壓清洗機的彎管下端，高壓清洗機通過連接架安裝在三維定位機上。當需要清洗罐車時，移動三維定位機，將高壓清洗機的底盤對準罐口，并慢慢下降，直至其準確地落在罐口上，三維洗罐器隨之進入罐口。

圖1 高壓清洗機結構圖

清洗時，旋轉電機通過齒輪傳動使旋轉架旋轉90°。進退電機通過鋼絲繩拉動彎管伸進，將掛在彎管端頭的三維洗罐器送入罐車一端深處。當高壓水從三維洗罐器上兩偏心設置的噴嘴噴出時形成力偶，從而帶動噴嘴旋轉。通過固定在噴嘴軸上的齒輪傳動使三維洗罐器殼體做回轉運動，因此，噴出的水柱能在罐車內包絡各個方向。

1.2 噴嘴磨損原因分析

噴嘴磨損是由雜質粒子與噴嘴壁面碰撞導致的。在碰撞過程中，粒子運動方向可分為垂直于壁面的方向，以及與壁面相切的方向。假設雜質粒子為剛性小球，那么其垂直于噴嘴表面，并以一定的速度進行垂直沖撞，沖撞將導致壁面出現變形，最終導致磨料顆粒在噴嘴表面碰撞。

1.2.1 噴嘴內表面粗糙度。噴嘴的磨損是由高速水射流與噴嘴內壁發生碰撞造成的。在噴嘴射流時，雜質粒子必然對噴嘴產生磨損，這種磨損是沖蝕磨損，包括微切削、應力疲勞、脆性斷裂三種類型。在硬度高的材料中，雜質粒子顆粒對微切削易造成磨蝕，容易產生應力斷裂和脆性斷裂［1］。

1.2.2 材料制造缺陷。在內表面凸起的噴嘴結構中，由于其粗糙表面容易對射流產生較大阻力，導致雜質粒子對凸起的部位進行沖擊，容易產生裂紋。因此，需要很高的加工精度，才能起到降低磨損、延長噴嘴壽命的作用。

1.2.3 偏析影響。在磨損發生時，如何保證射流形狀和特性，可根據噴嘴噴孔結構來加厚噴孔頸部的邊緣厚度，從而增強噴口抗雜質粒子沖擊的能力。在保證噴孔內側和外側形狀不變的前提下，使噴孔內側在受到沖蝕磨損時，保持射流特性，能有效提高噴孔頸部的耐磨性。

1.2.4 噴嘴材料性能。在選擇水射流清洗噴嘴材料時，比較常用材料有金屬、硬質合金和陶瓷材料。金屬材料主要有鑄鐵和剛性材料，應用較多的是特種噴嘴。相對早期的噴嘴，金屬材料的噴嘴對雜質粒子有較強的抗擊能力，但金屬材料的噴嘴使用壽命比較短，因此需要不斷完善技術工藝。硬質合金材料的性能介于金屬材料和陶瓷材料之間。在硬度方面，硬質合金材料高于金屬材料，在韌性方面，硬質合金材料高于陶瓷材料。高壓扇形噴嘴可選用硬質合金鋼材料。在特定環境中，硬質合金噴嘴的硬度高、耐磨性好；陶瓷材料的硬度高，但韌性最差。磨料射流噴嘴多采用陶瓷材料，可滿足磨料射流噴嘴的抗沖蝕要求，在沖蝕磨損嚴重的場景中，陶瓷是比較理想的材料。但陶瓷噴嘴的可加工性差，加工工藝也比較復雜。近年來，納米材料的出現，使得陶瓷材料的噴嘴獲得更廣泛的應用。納米材料改善了陶瓷材料的韌性、耐磨性。

1.2.5 磨料水壓力。在水射流清洗時，由于噴嘴材料的不同，導致其抗擊壓力也有所不同。例如，高壓水射流的噴嘴選用高硬度的材料時，扇形噴嘴的出口處邊緣比較薄，使得抗沖擊能力比較弱，在高壓水射流和雜質顆粒的作用下，噴嘴磨損非常快，且容易出現脆性斷裂［2］。

1.2.6 水質原因。目前，4 套自動化洗車系統的供水都由同一個30 m3的熱水罐提供，當進行連續性洗車作業時，系統要自動供水及加熱才能保證自動化洗車作業的正常進行。運行一段時間后，發現前置過濾器出現堵塞，并導致高壓泵出現異常，使噴嘴在運動時出現震動且噪聲大，甚至損壞噴頭。

1.2.7 現場工藝設備存在缺陷。熱水罐防腐效果不佳，導致水中含有大量的鐵銹。熱水罐供水管路的進水口位于熱水罐底部，供水時會將罐底的沉積物沖起，與熱水罐中的清水混合，影響供水質量。熱水罐的蒸汽加熱管線敷設于熱水罐底部，且加熱管線蒸汽出口過大，每次加熱清洗時，蒸汽對罐底產生較大的沖擊，將罐底的沉積物沖起，與罐內清水混合，影響供水質量。熱水罐的出水口位于罐底，因此當混有雜質的熱水直接供給高壓噴嘴時，會造成高壓噴嘴堵塞，直接影響噴嘴的使用效果及其使用壽命。

1.3 噴嘴磨損機理

1.3.1 磨料磨損。微切削磨損（見圖2）一般是雜質粒子對沖蝕材料表面產生的顆粒切削。在噴嘴中間段易發生微切削磨損，即噴嘴壁面上的粒子發生反彈，并沿著表面軸向方向運動。

圖2 微切削磨損模型圖

1.3.2 疲勞磨損。應力疲勞磨損是噴嘴材料在發生較大角度形變時，由于噴嘴材料比較硬，使得粒子在噴嘴表面上發生滾動、壓入和犁皺，導致表面材料產生很大變形。在雜質粒子反復作用下，壁面會不斷受到沖擊，裂紋發生擴展，在超過極限后產生脫落現象。微觀組織的表面在周期性荷載作用下，產生疲勞磨損和顆粒磨損。

1.3.3 擴散磨損。由于雜質粒子在材料表面產生應力狀態作用，大多數材料在發生塑性變形后，硬性較高的材料會發生斷裂，脆性材料則產生壓痕。壓頭形狀和材料的韌性受到影響，在雜質顆粒的影響下，材料表面產生橫向和徑向裂紋。高壓水射流在對裂紋不斷沖擊時，會夾雜著粒子沖擊，裂紋不斷碎片化，最終導致裂紋相交，使材料發生斷裂。如果斷裂正好發生在噴嘴的出口處，由于噴孔邊緣材料薄弱，導致噴嘴的抗沖擊能力進一步減弱，裂紋繼續擴展到噴孔的外表面，最終發生脆性斷裂［4］。

2 降低噴嘴磨損措施

影響噴嘴磨損的因素有很多，主要有粒子的運動速度、沖蝕角度、粒子噴嘴的角度、粒子大小硬度、被沖蝕材料的韌性、雜質粒子的含量等。可通過一些措施來降低磨損，延長噴嘴的使用壽命。

2.1 扇形噴嘴

扇形噴嘴出口的周邊多為刃狀（見圖3），這種結構對粒子的抗沖擊能力比較低。在受到高壓水射流和雜質顆粒沖擊時，容易受到磨損，并產生橫向和徑向裂紋。隨著裂紋的擴展，最終出現碎片或斷裂。通過對噴孔邊緣進行觀察，發現存在很多脆性斷裂的豁口，容易造成射流分布不均勻、清洗質量下降等，嚴重時要更換噴嘴［3］。

圖3 扇形噴嘴圖示

扇形噴口嘴喇叭口式的設計在材料的選擇上增加材料的耐磨性，改變脆性材料的磨損體積與材料硬度，將耐磨性與材料的硬度提升到可以抗擊雜質粒子的程度。微切削硬度和材料脆性斷裂率隨著材料韌性的提高而降低，從而提高噴嘴的耐磨性。

2.2 材料選擇

在選取噴嘴材料時，采用粉末冶金、電火花等工藝來完成。使用機床、專用夾具、去離子水冷卻排屑的方式，將內徑為1.2 mm 的噴嘴塑造成抗沖擊力強的噴嘴。提高過濾精度，可減少雜質粒子的含量，降低射流中雜質粒子的尺度。提高過濾精度需要慎重選擇系統的壓力等級。在噴嘴的入口處加裝穩流器，降低噴嘴內雜質粒子的橫向速度，使其處于層流狀態，來降低粒子的橫向沖擊，從而減小磨損。

2.3 現場工藝改進

對835 熱水罐進行清罐處理，檢查防腐層，內部進行噴砂處理，以便達到更好的防腐效果。更改熱水罐供水管進水口的位置，將供水管出口移至距離罐底40 mm 的位置。把管子底部焊接，讓其中的水通過立管孔流出，再將其管子底部與蒸汽管進行焊接，避免供水時對罐底沉積物的沖擊。更改熱水罐蒸汽加熱管線，距離罐底30 mm 處布置，將原有的帶孔橫管兩頭都加上彎頭，并將彎頭的出口處堵死，減少對罐內水的沖擊，減少對底部沉積物的擾動，避免堵塞過濾器濾芯，從而保證清洗用水的潔凈度。更改熱水罐出水口位置，先把其上的鐵板去掉，再將出口位置從罐底移至距離罐底20 mm 的位置，可有效避免堵塞過濾器濾芯，影響噴嘴的噴射效果。為了穩固蒸汽加熱管線，延長原有的支撐，并進行焊接加固，把液位計與熱水罐下部接管部位提高20 mm，防止液位計堵塞。熱水罐改造前后示意圖見圖4、圖5。

圖4 熱水罐改造前

圖5 熱水罐改造后

3 結語

本研究從噴嘴的磨損原因以及應對策略入手，對噴嘴結構、噴嘴射流壓力、射流速度、雜質粒子的沖撞力度等進行分析，提出降低噴嘴磨損的有效策略。