裝有延長(zhǎng)抗磨損時(shí)間和減緩壓力衰減的硬質(zhì)合金噴嘴清洗管井工具

引用格式：李朝陽(yáng)，陶立波，張躍，劉威，汲廣麟，王俊博. 裝有延長(zhǎng)抗磨損時(shí)間和減緩壓力衰減的硬質(zhì)合金噴嘴清洗管井工具［J］. 石油鉆采工藝，2024，46（3）：386-394.

摘要：為了提高管井射流清洗裝置噴嘴射流的工作效率，研究了噴嘴材質(zhì)與結(jié)構(gòu)對(duì)磨損時(shí)間和制造成本的影響。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，分析了不銹鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷等3 種材料噴嘴的綜合性能，硬質(zhì)合金噴嘴最優(yōu)；設(shè)計(jì)出一種可自由裝配的新型耐磨結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金噴嘴，開(kāi)展了不銹鋼噴嘴和硬質(zhì)合金噴嘴的磨損性能對(duì)比試驗(yàn)，不銹鋼噴嘴磨損時(shí)間12 h 時(shí)射流打擊力衰減40%，硬質(zhì)合金噴嘴磨損100 h 后射流打擊力衰減8%。通過(guò)調(diào)整金屬鎢元素的比例提高了噴嘴耐磨性能，新型耐磨噴嘴的抗磨損時(shí)間比傳統(tǒng)不銹鋼噴嘴提升7 倍以上；重新設(shè)計(jì)噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低了水射流的能量損失，壓力衰減相對(duì)傳統(tǒng)不銹鋼噴嘴降低8%；新型噴嘴采用分體式結(jié)構(gòu)，可與通用噴頭組合為多種射流發(fā)生裝置，制作用料相對(duì)不銹鋼噴嘴減少87.6%。新型耐磨噴嘴為有效提高常規(guī)管井射流清洗效率提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：新能源；地?zé)崮埽还こ碳夹g(shù)；管井；洗井；噴嘴；抗磨損時(shí)間；壓力衰減

中圖分類號(hào)：TE358.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

0 引言

水源熱泵利用的淺層地?zé)崮苁强稍偕履茉矗陙?lái)獲得規(guī)模應(yīng)用，全國(guó)已建成的供水水源地?cái)?shù)量眾多且歷史久遠(yuǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，供水管井出現(xiàn)了因結(jié)垢物堵塞井內(nèi)過(guò)濾器縫隙，導(dǎo)致出水量減少和水質(zhì)變差的情況。目前，針對(duì)該情況，主要采取定期清洗管井的措施，但常規(guī)清洗方法不能有效清除硬度較大的結(jié)垢物，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的管井射流清洗技術(shù)是解決這一問(wèn)題的有效措施。

管井射流清洗裝置由電氣控制裝備、射流泵站、輸送部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分組成。電氣控制裝備主要由電控柜和微機(jī)組成，射流泵站主要由高壓柱塞泵和電動(dòng)機(jī)組成，輸送部件為高壓膠管，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括紡錘形支架、噴射桿、自旋轉(zhuǎn)體、噴頭和噴嘴。紡錘形支架是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的載體和保護(hù)裝置，自旋轉(zhuǎn)體居中垂直安裝在紡錘形支架的上部，噴射桿為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，水平安裝于自旋轉(zhuǎn)體上，噴頭和噴嘴呈組合式結(jié)構(gòu)，位于噴射桿末端。執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，紡錘形支架垂直放置于管井內(nèi)，自旋轉(zhuǎn)體繞支架豎軸線旋轉(zhuǎn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要專門設(shè)計(jì)，其他部分只需對(duì)已有的一些設(shè)備或配件進(jìn)行選型［1］。噴嘴作為管井清洗設(shè)備的關(guān)鍵部件，其性能直接決定了射流清洗技術(shù)的作用效果。在管井射流清洗作業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中，噴嘴作為射流的發(fā)生裝置，經(jīng)常因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的磨損性擴(kuò)徑，導(dǎo)致射流打擊力衰減，從而喪失清洗功能。減緩噴嘴磨損速度，提高噴嘴使用壽命是射流清洗技術(shù)革新的主要研究方向。

噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與射流打擊力、射流轉(zhuǎn)速和射流流量等參數(shù)的優(yōu)化密切相關(guān)，且多集中于噴嘴的數(shù)量、結(jié)構(gòu)功能和應(yīng)用場(chǎng)景等方面。趙金等模擬了連續(xù)管、噴嘴組合及泵車水力參數(shù)的匹配關(guān)系，分析了射流參數(shù)對(duì)油管清洗效果的影響，研制了新型多孔噴射清洗工具，并進(jìn)行了清洗參數(shù)優(yōu)化［2］。曹海燕設(shè)計(jì)了用于旋轉(zhuǎn)噴槍上的2 種噴嘴，通過(guò)模擬井下套管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出最佳的噴嘴參數(shù)［3］。劉輝等設(shè)計(jì)了一款自旋轉(zhuǎn)射流除垢噴頭，包括可控速旋轉(zhuǎn)體和多孔噴頭體兩個(gè)部分，并利用Fluent 軟件和試驗(yàn)測(cè)試優(yōu)化了噴射參數(shù)［4］。Xiong 等報(bào)道了低壓磨料水射流（Low pressure abrasive water jet）的清潔能力優(yōu)于純低壓水射流（Low pressure waterjet），并且在表面粗糙度、殘余應(yīng)力和形態(tài)變化方面的殘余效應(yīng)略大［5］。胡強(qiáng)法等開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)噴頭射流工具水力參數(shù)優(yōu)化，并利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)工具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選［6］。張子威等以圓錐收斂型噴嘴為研究對(duì)象，利用Fluent 軟件對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)比分析，得出了最優(yōu)的噴嘴參數(shù)［7］。王常斌等通過(guò)建立噴嘴三維模型，采用Fluent 軟件進(jìn)行模擬，測(cè)試了不同前后噴嘴直徑、前后噴嘴角度下的流場(chǎng)特性，最終得到了噴嘴的匹配方案［8］。姚利明等采用數(shù)值模擬計(jì)算了不同噴射孔結(jié)構(gòu)的壓降，探討了噴射孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量系數(shù)的影響規(guī)律［9］。

研究噴嘴的破壞機(jī)制及材料性質(zhì)，對(duì)提高噴嘴使用壽命、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。崔璐等根據(jù)噴射工具本體材料35CrMo 鋼的噴射式?jīng)_蝕實(shí)驗(yàn)，結(jié)合DPM 數(shù)值模擬的方法，得到了噴嘴入口區(qū)域的沖蝕損傷更為嚴(yán)重，大排量、高黏度液體和大直徑、高密度顆粒的攜砂液會(huì)對(duì)噴射工具表面產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕損傷［10］。噴嘴的損壞原因，主要是噴砂射孔過(guò)程中的高排量和高壓力導(dǎo)致的噴嘴憋掉、擴(kuò)徑和射流液的回壓沖擊等。林琳等通過(guò)設(shè)置不同剪切模量來(lái)模擬不同材料硬度，當(dāng)剪切模量增加到77GPa 時(shí)，噴嘴磨損量降低為0.018 4 μm，相比于剪切模量10 GPa 時(shí)，磨損量降低了約31%［11］。上述研究雖然揭示了噴嘴磨損程度與材料硬度和磨損時(shí)間的相關(guān)關(guān)系，但使用磨損深度和質(zhì)量變化兩項(xiàng)指標(biāo)表示磨損程度的方法有待進(jìn)一步改進(jìn)。噴嘴磨損深度一般為微米級(jí)或毫米級(jí)，測(cè)量誤差大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取過(guò)程易受人為因素影響；噴嘴質(zhì)量變化僅能代表磨損量，而無(wú)法判斷噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的磨損情況。而射流打擊力與噴嘴直徑直接相關(guān)，當(dāng)噴嘴被磨損后射流通道擴(kuò)大，流量一定時(shí)，噴嘴直徑越大射流打擊力越小。因此通過(guò)射流打擊力衰減百分比表征噴嘴磨損程度具有易觀測(cè)、誤差小、代表性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

為研究傳統(tǒng)噴嘴耐磨性較差的原因，從噴嘴材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，分析不銹鋼噴嘴、硬質(zhì)合金噴嘴和陶瓷噴嘴的制作工藝和耐磨性能；根據(jù)射流理論和射流系統(tǒng)組成，得到高壓水射流參數(shù)間的關(guān)系；開(kāi)展不銹鋼噴嘴的磨損試驗(yàn)，通過(guò)增加清洗介質(zhì)的含砂量，加快噴嘴的磨損速度，對(duì)得到的噴嘴磨損時(shí)間和壓力損失等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合噴嘴材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)不銹鋼噴嘴進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種可自由裝配的耐磨結(jié)構(gòu)噴嘴，并對(duì)新型噴嘴進(jìn)行了噴嘴耐磨性測(cè)試試驗(yàn)。

1 方法過(guò)程

1.1 室內(nèi)研究

噴嘴被破壞的狀態(tài)主要是強(qiáng)度破壞和疲勞破壞，超過(guò)材料極限強(qiáng)度的射流打擊力可瞬間對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)造成破壞，低于材料抗壓強(qiáng)度的射流打擊力在長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)作用下也會(huì)產(chǎn)生較大磨損。因此，需要綜合考慮噴嘴材質(zhì)的強(qiáng)度、耐磨性、加工難度和成本等因素。硬質(zhì)合金、不銹鋼和陶瓷材料因其各自獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，選擇作為噴嘴材料的研究重點(diǎn)。

為深入了解清洗射流時(shí)噴嘴的破壞機(jī)制，優(yōu)化噴嘴材質(zhì)選擇與加工工藝，采取了文獻(xiàn)分析、理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)三種方法，研究?jī)?nèi)容主要包括不同噴嘴的材料特性分析、射流原理的研究和影響噴嘴磨損的因素分析。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)和資料分析，發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)噴嘴加工難度不一，使用壽命也各不相同。長(zhǎng)慶鉆井工藝研究所研制了鎢鐵硬質(zhì)合金噴嘴，用來(lái)代替鎢鈷硬質(zhì)合金噴嘴。丁青山等采用了國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)合金噴嘴（YG6X） 和美國(guó)噴嘴（ROCTEC500） 進(jìn)行了磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明YG6X 噴嘴出口端直徑變化和質(zhì)量變化量均大于ROCTEC500 噴嘴［12］。朱學(xué)超等指出了不銹鋼噴嘴加工效率低、容易損壞刀具和難以保證加工質(zhì)量的問(wèn)題，研究出基于B0326-Ⅱ精密自動(dòng)車床不銹鋼噴嘴零件的加工技術(shù)，解決了該類零件加工時(shí)刀具易損壞、質(zhì)量不易控制、難以批量化的難題［13］。不同噴嘴材質(zhì)特性見(jiàn)表1。

從表1 中可以看出，不銹鋼雖然強(qiáng)度高，但耐磨性相對(duì)較差，特別是在磨料射流的作用下容易出現(xiàn)擴(kuò)徑的現(xiàn)象，加工難度較大，成本較高；硬質(zhì)合金耐磨性好，但因其硬度較大，不適于做精細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的噴嘴，若由粉末冶金法制造時(shí)則具有大批量、速度快、誤差小和成本低的優(yōu)點(diǎn)，且其抵抗沖擊的能力較強(qiáng)；陶瓷材料耐磨性好，但受到振動(dòng)或沖擊作用時(shí)易發(fā)生破壞。在深入探討了不同噴嘴材質(zhì)的性能和破壞機(jī)制后，以高壓水射流原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的試驗(yàn)，驗(yàn)證和比較不同噴嘴材質(zhì)的耐磨性。影響噴嘴磨損的因素除了清洗介質(zhì)中的雜質(zhì)含量外，還與射流打擊力、射流流量、噴嘴直徑和噴嘴數(shù)量等相關(guān)。影響射流打擊力的因素有施加壓力、噴嘴數(shù)量和噴嘴直徑；射流流量是一個(gè)受噴嘴直徑和施加壓力影響的因變量，以射流流速代替射流流量更有實(shí)際意義，因此，直接影響噴嘴磨損的因素僅有施加壓力、射流流速、噴嘴直徑和噴嘴數(shù)量。

根據(jù)射流理論和射流系統(tǒng)組成分析，得到高壓水射流參數(shù)間的關(guān)系。通過(guò)調(diào)整水射流的水壓、流量、沖擊角度、旋轉(zhuǎn)速度、靶距、噴嘴結(jié)構(gòu)以及孔徑可實(shí)現(xiàn)不同的功能［14］。噴嘴直徑、數(shù)量、施加壓力、功率、射流打擊力和射流流量間的關(guān)系見(jiàn)表2。

從表2 中可以看出，射流打擊力最小為39 N，最大為559 N。當(dāng)噴嘴直徑為1.7 mm、噴嘴數(shù)量2個(gè)時(shí)，射流打擊力從39 N 增大到194 N，與施加壓力呈正相關(guān)；當(dāng)噴嘴數(shù)量2 個(gè)、施加壓力10 MPa 時(shí)，射流打擊力從39 N 增大到62 N，與噴嘴直徑呈正相關(guān)；當(dāng)噴嘴直徑和施加壓力不變時(shí)，噴嘴數(shù)量由2個(gè)變?yōu)? 個(gè)時(shí)，射流打擊力均增大。增大施加壓力會(huì)帶動(dòng)射流流量增長(zhǎng)，將加快清洗介質(zhì)的流動(dòng)速度，清洗介質(zhì)中雜質(zhì)與射流通道的高速碰撞與摩擦則加劇噴嘴的磨損速度。若保持施加壓力和射流泵站功率不變，僅增大噴嘴直徑和增加噴嘴數(shù)量并不會(huì)加劇噴嘴的磨損速度，這是因?yàn)樯淞鞯乃俣葲Q定噴嘴磨損速度；清洗介質(zhì)通過(guò)射流通道的橫截面積隨噴嘴直徑同步增大，射流流量的提升與射流速度無(wú)關(guān)。在眾多射流參數(shù)中，延緩噴嘴磨損的方式僅有通過(guò)降低施加壓力和控制清洗介質(zhì)中雜質(zhì)的含量，而降低施加壓力則直接導(dǎo)致射流打擊力降低，清洗效果則會(huì)大打折扣，且野外清洗工作時(shí)，清洗介質(zhì)中大都含有雜質(zhì)。受制于各種限制條件，無(wú)法從射流參數(shù)上有效延緩噴嘴磨損速度，而只能從噴嘴材質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行研究。通過(guò)設(shè)定不同的施加壓力、射流時(shí)間等參數(shù)，模擬不同工況下噴嘴的工作狀態(tài)，同時(shí)采用射流打擊力衰減值、噴嘴出口端直徑和質(zhì)量變化等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以評(píng)估噴嘴的耐磨性和使用壽命。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)在沈陽(yáng)某建材城，商場(chǎng)的冬季供暖和夏季空調(diào)采用水源熱泵系統(tǒng)。該水源熱泵系統(tǒng)共有水源井28 眼，其中取水井9 眼、回灌井19 眼，井深25～33 m，井間距30 m，過(guò)濾器全部采用橋式過(guò)濾器。場(chǎng)地內(nèi)所有水源井橋式過(guò)濾器堵塞嚴(yán)重，取水井出水量和回灌井回水量均達(dá)不到正常需求。借助該項(xiàng)目對(duì)堵塞的水源井進(jìn)行射流洗井時(shí)測(cè)試噴嘴的耐磨性。

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)增壓機(jī)構(gòu)的壓力反饋示數(shù)監(jiān)測(cè)壓力變化情況，并做好試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)和射流打擊力的記錄。對(duì)于不同的過(guò)濾器材料種類選擇不同施加壓力進(jìn)行試驗(yàn)，一般常見(jiàn)的過(guò)濾器材料有橋式過(guò)濾器、鋼管鉆孔過(guò)濾器、割條過(guò)濾器、包網(wǎng)過(guò)濾器和纏絲過(guò)濾器等。橋式過(guò)濾器具有良好的抵抗破壞能力，是優(yōu)選的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。通過(guò)收集資料，該項(xiàng)目全部采用橋式過(guò)濾器作為管井濾水管，測(cè)量井徑為529 mm。

橋式過(guò)濾器結(jié)構(gòu)特殊、材質(zhì)硬度大，其抗壓性和耐磨性好，最大施加壓力可達(dá)100 MPa。增壓機(jī)構(gòu)由高壓柱塞泵和三相電機(jī)組成，高壓柱塞泵現(xiàn)有GS30/100、GS50/80 兩種規(guī)格，見(jiàn)表3。

從表3 中可以看出，兩種高壓柱塞泵的額定壓力達(dá)到30 MPa 和50 MPa， 額定流量分別為100L/min 和80 L/min，其額定壓力、額定功率和流量可以作為選擇清洗參數(shù)的依據(jù)。

針對(duì)該項(xiàng)目選用直徑為1.3 mm 的雙噴嘴一體式結(jié)構(gòu)噴頭作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行耐磨性研究，噴嘴材質(zhì)為不銹鋼。噴頭結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，可以看出，雙噴嘴一體式結(jié)構(gòu)，即一個(gè)噴頭上2 個(gè)噴嘴，噴頭側(cè)壁上設(shè)置有錐形面，錐形面上傾斜設(shè)置有2 個(gè)噴嘴，噴嘴的開(kāi)設(shè)傾角為45°。這種噴嘴結(jié)構(gòu)能夠與橋式過(guò)濾器的橋縫匹配，射流發(fā)生時(shí)，清洗介質(zhì)從通道內(nèi)進(jìn)入噴嘴分為左右兩路，射流流向與中心線呈45°夾角，指向橋式過(guò)濾器的橋縫。為模擬野外條件下的射流清洗環(huán)境和加快試驗(yàn)進(jìn)度，采用含有粉細(xì)砂的水作為清洗介質(zhì)，含砂量0.1 kg/m3，施加壓力25 MPa。試驗(yàn)期間射流連續(xù)進(jìn)行，當(dāng)噴嘴因磨損程度較大時(shí)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e增大，射流打擊力會(huì)隨之減小。保持其他條件不變時(shí)，噴嘴磨損程度界定為射流打擊力衰減40%，此時(shí)射流打擊力衰減過(guò)大，無(wú)法達(dá)到有效的清洗效果，停止試驗(yàn)。

硬質(zhì)合金、不銹鋼和陶瓷材料在使用中均存在不同缺點(diǎn)，或加工難度大、或磨損速度快、或振動(dòng)后破碎。為了解決噴嘴磨損較快和制造成本較高的問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)的新型耐磨型噴嘴在選材上需滿足兩個(gè)基本原則：一是耐磨性好、加工難度小或成本較低；二是噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合流體力學(xué)原理，降低水射流的局部水頭損失，發(fā)揮噴嘴最大能效比。結(jié)合以上原則，設(shè)計(jì)了分體式噴頭，由噴嘴嵌槽和噴嘴兩部分組成。新型噴嘴使用耐磨性更好的硬質(zhì)合金材料制作而成，并減小了噴嘴的尺寸，節(jié)約了制造成本；噴嘴嵌槽使用普通不銹鋼材質(zhì)。新型耐磨分體式噴頭結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，新型噴頭同軸開(kāi)設(shè)有噴嘴嵌槽，用以裝配一個(gè)噴嘴；新型噴嘴為流線型設(shè)計(jì)，內(nèi)部射流通道采用漸變式設(shè)計(jì)；噴嘴整體嵌入噴頭后呈組合結(jié)構(gòu)。新型噴嘴采用粉末合金一體壓鑄成型，具有硬度高、耐磨性強(qiáng)、成本低、制造簡(jiǎn)單、拆裝方便等優(yōu)勢(shì)；新型噴嘴從內(nèi)側(cè)裝配至噴嘴嵌槽處，噴嘴嵌槽和新型噴嘴呈漏斗狀，且漏斗狀的擴(kuò)口朝向噴頭的內(nèi)部，當(dāng)內(nèi)部給壓時(shí)，噴嘴在噴嘴嵌槽內(nèi)受壓自鎖，這種內(nèi)嵌式組合結(jié)構(gòu)在射流時(shí)由于內(nèi)部極高的壓力而保證了噴嘴的密封性能。新型噴嘴完全嵌入噴頭，射流時(shí)磨料作用于可快速拆卸并替換的噴嘴，能很好地保護(hù)噴頭。新型噴嘴的測(cè)試地點(diǎn)不變，為更接近管井射流工程應(yīng)用的實(shí)際條件，選取的噴嘴直徑為2.0 mm，采用旋轉(zhuǎn)射流，施加壓力為25MPa，試驗(yàn)中采用含有粉細(xì)砂的水作為清洗介質(zhì)，含砂量2 kg/m3。

2 結(jié)果現(xiàn)象討論

2.1 抗磨損時(shí)間討論

噴嘴磨損試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，可以看出，施加壓力25 MPa 條件下，隨著磨損時(shí)間的增加，2 種噴嘴的射流打擊力均不斷減小。不銹鋼噴嘴磨損時(shí)間為5h 時(shí)，壓力衰減達(dá)到25%，磨損時(shí)間12 h 時(shí)，射流打擊力衰減40%。不銹鋼噴嘴在磨損時(shí)間較短的情況下出現(xiàn)了較大的壓力衰減，射流速度也迅速下降，盡管射流流量不變，降低后的射流打擊力將低于被清洗物體的附著強(qiáng)度，此時(shí)噴嘴已不能支持繼續(xù)射流清洗工作。噴嘴磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映出了不銹鋼噴嘴存在抗磨時(shí)間短和壓力衰減快的問(wèn)題。

張明鯤等采用對(duì)比試驗(yàn)的方式，開(kāi)展了液固兩相流的沖蝕實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)射流沖擊角度、流速、砂粒直徑和砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均對(duì)不銹鋼有明顯的沖蝕現(xiàn)象［15］。胡波等開(kāi)展了鈦合金試塊-不銹鋼試環(huán)摩擦副的摩擦磨損性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)處理的鈦合金試塊與不銹鋼試環(huán)發(fā)生了嚴(yán)重的黏著摩擦，摩擦系數(shù)為0.82，磨損率達(dá)到1.34×10?4 mm3/（N·m）［16］。普通不銹鋼受多種因素影響容易產(chǎn)生磨損，磨損后的噴嘴照片如圖3 所示。

從圖3 中可以看出，噴嘴磨損后射流通道呈豁口狀，雖然兩個(gè)噴嘴的磨損程度不同，但噴嘴射流直徑均變大。噴嘴的損壞原因主要是磨料射流過(guò)程中的高排量和高壓力導(dǎo)致噴嘴擴(kuò)徑現(xiàn)象，隨噴嘴直徑變大，水射流面積變大，噴射流速變低，射流打擊力減小，已不適于繼續(xù)使用，達(dá)到了不銹鋼噴嘴的更換周期。根據(jù)前人研究成果，低壓磨料水射流在殘余應(yīng)力和形態(tài)變化方面的殘余效應(yīng)略大于低壓水射流，這是因?yàn)榍逑唇橘|(zhì)中增加的磨料與噴嘴射流通道產(chǎn)生碰撞和摩擦造成的；此外，噴嘴的流動(dòng)時(shí)間與磨損量成正相關(guān)，200 s 的磨損量比100 s 的磨損量增加50%，當(dāng)射流持續(xù)一段時(shí)間，在磨料作用下的噴嘴磨損量不斷累積，最終因射流通道被破壞后造成了射流打擊力的快速衰減［17］。

將清洗介質(zhì)含砂量提高至2 kg/m3，施加壓力25MPa，在磨損10 h 時(shí)，新型噴嘴射流打擊力衰減僅為1%，磨損100 h 后射流打擊力衰減8%（表4），不會(huì)從根本上影響射流清洗工作，且若清洗介質(zhì)含砂量較低或不含砂時(shí)，在同樣的磨損時(shí)間下壓力衰減將更低。在磨料射流或含砂的清洗介質(zhì)射流條件下，100 h 的磨損時(shí)間遠(yuǎn)未達(dá)到新型噴嘴的使用壽命。段春爭(zhēng)等在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料切削試驗(yàn)中使用了金屬陶瓷、涂層、硬質(zhì)合金與金剛石等4 種刀具，硬質(zhì)合金刀具切削130 次時(shí)磨損量為 0.122 mm，僅次于金剛石刀具切削140 次時(shí)磨損量0.065 mm，而金屬陶瓷刀具在切削60 次時(shí)磨損量達(dá)到0.244mm［18］。硬質(zhì)合金材料制作而成的新型噴嘴，其抗磨損時(shí)間高于普通不銹鋼噴嘴。

新型噴嘴磨損后的照片見(jiàn)圖4，可以看出，試驗(yàn)后噴嘴外觀沒(méi)有磨損，射流通道未被破壞，磨損100h 后整體結(jié)構(gòu)完好，未達(dá)到使用壽命期限，可以繼續(xù)使用。在加大水中含砂量的情況下，硬質(zhì)合金噴嘴的抗磨損時(shí)間仍遠(yuǎn)高于不銹鋼噴嘴，表明硬質(zhì)合金材質(zhì)和分體式設(shè)計(jì)的新型噴嘴具有良好的抗磨性。

高溫滲碳和高溫氧化腐蝕是不銹鋼噴嘴腐蝕開(kāi)裂的失效模式，但在實(shí)驗(yàn)中清洗介質(zhì)為常溫水體，與不銹鋼的高溫滲碳和腐蝕無(wú)關(guān)。材料硬度是噴嘴抗磨性的重要指標(biāo)，用剪切模量來(lái)模擬不同材料硬度時(shí)，當(dāng)剪切模量由10 GPa 增加到77 GPa 時(shí)，噴嘴磨損量降低了約31%；有學(xué)者研究了可用于噴射磨料混合漿的氮化硅陶瓷噴嘴，因其超高的硬度，有效提高了噴嘴耐磨損的性能，降低了噴嘴的更換周期。射流清洗工藝應(yīng)用于工程項(xiàng)目時(shí)，一般射流打擊力越大清洗效果越好，傳統(tǒng)噴嘴通常采用不銹鋼材料，雖然具有一定的耐磨性，但在高排量、高壓力和含雜質(zhì)的射流清洗過(guò)程中，噴嘴結(jié)構(gòu)往往容易受到破壞，導(dǎo)致磨損加劇、壽命縮短；另外，野外清洗作業(yè)時(shí)因條件限制而使用的清洗介質(zhì)一般含有粉砂、固體顆粒物等雜質(zhì)，該類雜質(zhì)隨清洗液高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)噴嘴造成有形磨損。此外，傳統(tǒng)噴嘴的設(shè)計(jì)也缺乏針對(duì)性，無(wú)法高效地應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的清洗環(huán)境，進(jìn)一步加劇了耐磨性問(wèn)題的嚴(yán)重性。傳統(tǒng)噴嘴存在耐磨性差、壽命短和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單一的問(wèn)題，噴嘴材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其耐磨性的主控因素。

2.2 壓力衰減討論

不銹鋼噴嘴射流打擊力衰減40% 后無(wú)法正常進(jìn)行清洗工作，為與新型噴嘴對(duì)比，將不銹鋼噴嘴后期壓力衰減數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)延長(zhǎng)，如圖5 所示。可以看出，新型噴嘴的射流打擊力隨磨損時(shí)間呈線性減小的趨勢(shì)，變化較為平緩；這是由于噴頭結(jié)構(gòu)采用了分體式設(shè)計(jì)，噴嘴采用了硬質(zhì)合金材質(zhì)，內(nèi)部射流通道采用漸變式設(shè)計(jì)，射流時(shí)磨料沖擊噴嘴內(nèi)壁的力更小。不銹鋼噴嘴的射流打擊力隨磨損時(shí)間呈指數(shù)減小的趨勢(shì)，當(dāng)磨損時(shí)間累計(jì)達(dá)到20 h，射流打擊力衰減至40%，磨損時(shí)間40 h 時(shí)，射流打擊力衰減至20%，磨損時(shí)間累計(jì)80 h，射流打擊力接近于0；這是由于不銹鋼噴嘴的射流通道在射流初期受磨損影響而極速擴(kuò)大，噴嘴結(jié)構(gòu)遭到破壞，流量一定時(shí)，噴嘴直徑越大射流打擊力越小。在射流初期，兩種噴嘴的射流打擊力衰減值差值急劇擴(kuò)大。射流打擊力衰減分析中，噴嘴直徑、開(kāi)口面積或表面粗糙度等因素都直接影響射流流量，直接表現(xiàn)為射流流量增大導(dǎo)致溢流增加和泄露，最終導(dǎo)致射流打擊力衰減。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新型噴嘴的耐磨性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)噴嘴。在相同的工作條件下，兩種噴嘴的射流打擊力均隨磨損時(shí)間增加而減小，但新型噴嘴的抗磨損時(shí)間相對(duì)傳統(tǒng)噴嘴提升7 倍以上，壓力衰減相對(duì)傳統(tǒng)噴嘴降低80%，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，能夠在高流量、高壓力的清洗環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，顯著延長(zhǎng)了噴嘴的使用壽命。邵若男等采用不銹鋼、陶瓷和硬質(zhì)合金三種材料進(jìn)行了干摩擦磨損試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示不銹鋼、陶瓷和硬質(zhì)合金磨痕寬度分別為740 μm、280 μm 和160 μm，硬質(zhì)合金相對(duì)其他兩種材料的磨痕寬度最窄，且磨痕深度小于陶瓷材料［19］。丁澤良等采用不銹鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷3 種材料制備了水煤漿噴嘴，測(cè)試了3 種噴嘴在磨損時(shí)間為120 h 下的沖蝕率，測(cè)試結(jié)果顯示不銹鋼噴嘴的沖蝕率最大為350×10?13 m/kg，硬質(zhì)合金噴嘴的沖蝕率最大為2×10?13 m/kg；沖蝕率均隨沖蝕時(shí)間的增加而迅速增大，當(dāng)沖蝕試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到48 h以后沖蝕率的變化趨于平穩(wěn)，由于在磨損過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)定階段之前存在明顯的快速磨損階段，在該階段沖蝕磨損率受到表面平整度及表層材料在沖擊載荷作用下發(fā)生調(diào)整等多種因素的顯著影響；低硬度的韌性材料在低角度沖蝕下的沖蝕率較高，而高硬度陶瓷和硬質(zhì)合金材料在相同條件下的沖蝕率很小［20］。不論是磨痕寬度、磨痕深度或沖蝕率都是判斷不同材料的一個(gè)耐磨性指標(biāo)，相同條件下，不銹鋼噴嘴相對(duì)硬質(zhì)合金噴嘴的磨損程度大，抗磨損時(shí)間短，壓力衰減快，多項(xiàng)指標(biāo)均處于劣勢(shì)。

為適應(yīng)多場(chǎng)景下的射流需求，眾多學(xué)者對(duì)各類型的噴嘴進(jìn)行了研究。噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與噴嘴使用壽命密切相關(guān)，噴嘴結(jié)構(gòu)好壞直接影響射流質(zhì)量，噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)射流流動(dòng)特性、沖蝕性能、空化現(xiàn)象等產(chǎn)生重要影響［21］。新型噴嘴采用了硬質(zhì)合金材料和分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，噴嘴通道采用了獨(dú)特的流體力學(xué)設(shè)計(jì)和形狀優(yōu)化，能夠減少流體在噴嘴內(nèi)部的阻力，有效降低了水射流的壓力衰減。

2.3 原材料使用率討論

硬質(zhì)合金噴嘴材料是以鎢為基體（鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%～97%），添加微量鎳、鐵、鈷、銅或其他金屬元素，采用粉末冶金工藝方法制作的多相復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。由于鎢基合金具有高密度、高強(qiáng)度和高硬度、優(yōu)異的耐腐蝕性和抗氧化性能、極強(qiáng)的吸收射線能力，以及良好的機(jī)械加工等一系列優(yōu)異的綜合性能，在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域、國(guó)防工業(yè)和民用工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。新型噴嘴采用了粉末合金一體壓鑄成型技術(shù)［22］，能夠確保噴嘴的精度和一致性，提高噴嘴的性能穩(wěn)定性。不銹鋼噴嘴采用原材料機(jī)械加工成型，為雙噴嘴一體式結(jié)構(gòu)，工藝復(fù)雜。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工或鑄造工藝相比，粉末合金一體壓鑄成型技術(shù)具有更高的材料利用率和更低的廢品率，從而降低了生產(chǎn)成本。兩種噴嘴規(guī)格不同，其制造加工所需材料用量見(jiàn)表5。可以看出，不銹鋼噴嘴的體積為15.39 cm3，用料質(zhì)量為121 g，新型噴嘴用料質(zhì)量為15 g，新型噴嘴的尺寸更小，制作用料相對(duì)于傳統(tǒng)不銹鋼噴嘴減少了87.6%。由于采用了分體式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，不僅降低了原材料成本，還使得噴嘴在使用中更加方便。

噴嘴作為一個(gè)射流發(fā)生重要部件，需要具備耐磨、抗腐蝕、高強(qiáng)度及高韌性等特點(diǎn)，因而采用普通切削加工的方式難度很大，主要表現(xiàn)在加工硬化現(xiàn)象十分嚴(yán)重、切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈、耐用度明顯下降等方面，在加工相對(duì)較大的孔時(shí)，由于工件壁薄受力大還會(huì)產(chǎn)生變形。因此采用粉末冶金工藝制作硬質(zhì)合金噴嘴是最佳的方式。

新型噴嘴在適應(yīng)性方面也表現(xiàn)出了強(qiáng)大的實(shí)力，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠適用于各種復(fù)雜的工作環(huán)境和工況條件。無(wú)論是高溫、高壓還是腐蝕性環(huán)境，新型噴嘴都能夠保持穩(wěn)定的性能，為用戶提供可靠的流體控制解決方案。此外，新型噴嘴的模塊化設(shè)計(jì)使得用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活的組合和調(diào)整。例如，當(dāng)出現(xiàn)情況復(fù)雜的工況時(shí)，用戶可以考慮結(jié)合不同規(guī)格噴頭的特征，制造復(fù)合型噴頭，以應(yīng)對(duì)特定的清洗任務(wù)。

新型噴嘴在制造成本方面展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)，其批量制造方式有效控制了單個(gè)噴嘴的生產(chǎn)成本，固定式模具的使用降低了生產(chǎn)過(guò)程中的模具更換和調(diào)試成本，提高了生產(chǎn)效率。新型噴嘴具有耐磨性高、磨損時(shí)間長(zhǎng)和可自由裝配的特點(diǎn)，而不銹鋼噴嘴磨損時(shí)間短且磨損后不可重復(fù)利用。這一成本優(yōu)勢(shì)使得新型噴嘴在市場(chǎng)上具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，為用戶提供了更加經(jīng)濟(jì)的選擇。

3 結(jié)論建議

（1） 通過(guò)對(duì)比分析不同材料噴嘴的耐磨性能，并結(jié)合射流理論，設(shè)計(jì)并制造了一種新型硬質(zhì)合金噴嘴清洗管井工具，實(shí)現(xiàn)了提高噴嘴射流工作效率、延長(zhǎng)噴嘴抗磨損時(shí)間和減緩壓力衰減的目標(biāo)，為地?zé)崮荛_(kāi)采等工程技術(shù)領(lǐng)域提供了一種高效、耐磨、成本低的解決方案。

（2） 在新型噴嘴的磨損試驗(yàn)中對(duì)磨損程度的研究以射流打擊力損失作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，雖然可以直接反映出噴嘴的磨損情況，但判斷指標(biāo)相對(duì)單一。可通過(guò)建立新型噴嘴的三維模型，構(gòu)建磨料射流介質(zhì)流體，利用Fluent 軟件模擬不同射流時(shí)間下噴嘴射流的壓力，作為對(duì)噴嘴磨損程度的補(bǔ)充。

（3） 為加快噴嘴磨損的速度，試驗(yàn)中采用含有粉細(xì)砂的水作為清洗介質(zhì)，在噴嘴磨損的同時(shí)也對(duì)柱塞泵造成了一定的磨損。后續(xù)研究可進(jìn)一步選用符合要求的磨料，以盡量避免對(duì)柱塞泵造成磨損。