海上清洁切割核心技术——高压磨料射流切割喷嘴研究

马认琦，鞠少栋，王超

(中海油能源发展工程技术公司 天津300452)

海上清洁切割核心技术
——高压磨料射流切割喷嘴研究

马认琦，鞠少栋，王超

(中海油能源发展工程技术公司 天津300452)

为实现海上废弃结构物的安全高效切割回收，保障海上丝绸之路战略构想的顺利实施，同时做大做强中海油海上清洁环保切割技术服务产业，针对公司现有的磨料射流切割技术，通过理论研究与试验测试的方法，设计并自主研制高压磨料射流切割喷嘴，重点解决了喷嘴内部磨料加速受力研究、喷嘴结构型式优选及内部流道设计、喷嘴选材及烧结工艺优选等关键技术。最终，研发出高性能纳米级耐磨喷嘴并成功完成了现场切割应用，该成果显著提高了中海油海上结构物弃置作业效率和整体技术服务水平。

海上丝绸之路 清洁环保 磨料射流切割 超高压 耐磨喷嘴

0 引 言

根据国家法律法规要求，已达到使用寿命和拆除期的海上油气生产设施需要及时弃置回收，以防其成为障碍物影响海上航路。目前渤海湾仅生产类平台就近200座，到2020年，44个平台及408口油气井将进入废弃阶段。天津港作为北方重港，每年均有数万艘次船舶进出港口，为实现海上丝绸之路航线的畅通无阻，保障国家“一带一路”战略构想的顺利实施，结束生产的海上设施必须尽快拆除。而结构设施的切割拆除，不但要考虑相应的技术、成本、安全性、可靠性以及必须遵守的法律法规等，更为重要的是必须考虑环境保护问题。磨料射流切割作为一种新兴切割技术，可通过高速固体颗粒的冲蚀切削作用切除结构物，具有作业安全高效且清洁环保的优势。

喷嘴作为高速磨料射流最终形成的发生元件，对切割系统的正常作业及切割效率起着决定性作用。[1]磨料颗粒出口流速和喷嘴硬度分别制约着喷嘴的切割效率和耐冲蚀寿命，[2]而影响磨料颗粒出口流速和喷嘴硬度的关键因素为喷嘴内部流道结构和喷嘴材质。国内对喷嘴结构和材质做了大量的研究，[3-5]但国内喷嘴仍存在耐压低、寿命短、易磨损等缺点，不满足磨料射流切割作业需要。本文利用理论研究和试验测试方法对超高压磨料射流喷嘴进行结构设计和材质优选，研发新型纳米级耐磨喷嘴，为中海油海上弃置业务的发展提供技术支持。

1 喷嘴内固液两相流理论分析

1.1 前混式切割磨料射流混合运动过程

对于前混合磨料射流系统，磨料颗粒与高压水先在混合罐内初步混合，之后混合液进入高压管线与高压水再次混合，此时磨料颗粒第1次加速，并在短时间内两相速度达到平衡。进入喷嘴后，两相同时被加速，磨料加速较慢导致两相之间出现速度差，水在高速向前运动时推动磨料颗粒继续加速，且水速度一直大于磨料速度，随着流动距离增加，磨料和水进一步混合加速，直到充分混合后从出口喷出，形成前混式磨料水射流，喷嘴内两相流示意如图1所示。

图1 喷嘴内部两相流示意图Fig.1 Schematic of two phase flow in the nozzle

1.2 喷嘴内磨料颗粒受力加速分析

磨料颗粒在水流作用下加速运动，可表示为欧拉两相流微分方程：[6]

式中：dp为磨料颗粒的当量直径，ρp、ρ分别为磨料和水的密度，p为入口压力，up和u分别为磨料和水的速度，τ为积分变量，t为时间，X为质量力(重力、离心力和线加速惯性力等)，Fm为马格努斯升力，FS为沙夫曼升力。

磨料颗粒的加速过程主要在喷嘴的收缩段和圆柱段内完成，磨料颗粒的加速越充分，粒子的最终速度就越接近流体的最终速度，射流的传输效率也就越高。随着收缩段内径急剧缩小，高压水首先完成加速，磨料颗粒之间剧烈碰撞并通过收缩段进入圆柱段，圆柱段内高速水流充分加速磨料颗粒，最终磨料颗粒稳定流动且以接近水流速度从出口喷出切割结构物。

2 喷嘴射流特性数值模拟与内部流道优化

2.1 流场模型建立

2.1.1 不同型式喷嘴内部流道结构

研究不同型式喷嘴内部流道结构如图2所示，喷嘴内部流道结构参数主要包括入口段直径、收缩段长度、圆柱段长度、嘴出口直径和收缩角等。

图2 喷嘴内部流道形式Fig.2 Internal structure of the nozzle

2.1.2 喷嘴流场模型求解控制

建立不同喷嘴内部流道二维流场分析模型，选用二维稳定隐式求解器和欧拉两相流模型，湍流方程采用标准k-ε模型、SIMPLE算法，动量方程采用二阶迎风格式进行离散。其中，k和ε的运输方程为：

式中：ρ为流体密度，ui为流体速度，μ为动力粘度，μt＝ρCuk2/ε，Gk为平均速度梯度引起的湍动能，Gb为浮力引起的湍动能，C1z、C2z、C3z、σz、σk为常数。

模型边界条件及参数设置为：[7]

①入口边界条件，入口压力为250,MPa，磨料体积分数为10%,；②出口边界条件，出口压力为1个标准大气压；③壁面边界条件，近壁区采用壁面函数处理，考虑壁面粗糙度的影响；④喷嘴入口内径为8,mm，出口内径为1,mm；⑤液相参数，水的密度为998.2,kg/m3，水的动力粘度为0.001,003,kg/s；⑥固相参数，颗粒粒径为0.2,mm，密度为2,650,kg/m3，动力粘度为8e-4,kg/s。

磨料颗粒在喷嘴内加速分为两个阶段，即收缩段内的加速和圆柱段内的加速。对比分析喷嘴内部水流和磨料颗粒速度理论计算与仿真模拟结果，如图3所示，两者变化曲线很吻合。

图3 理论计算与仿真结果对比Fig.3 Comparison of theoretical and realistic results

2.2 喷嘴型式优选及内部流道优化

磨料颗粒出口流速是衡量喷嘴切割效率的最关键指标，基于喷嘴内部流场特性分析进行不同内部流道形式喷嘴的结构优选。如图4所示，锥直型和流线型喷嘴射流特性基本一致且出口流速较大，表明其射流特性较好。圆柱段长度和收缩角度对射流性能有较大的影响，通过对喷嘴内部流场的特性分析，出口最大速度随着圆柱段增长而增大，随收缩角增大而减小，推荐喷嘴圆柱段长度范围为30～35,mm，收缩角范围为12～13 °。

图4 不同型式喷嘴中轴线上磨料速度变化Fig.4Abrasive speed distribution in axial line for different structural nozzles

3 喷嘴选材与烧结工艺

超高压磨料射流喷嘴在切割过程中除了要保证切割效率外，还要有足够耐冲蚀寿命以保证切割作业时间。国外对于超硬材质结构耐磨性评价的经验公式为：

式中：WRP为超硬材质耐磨系数，FT为结构断裂韧性，H为结构硬度，E为结构弹性模量。

近年来，新型纳米级高硬度、高韧性、高强度超细碳化钨(WC)硬质合金材料的研制与开发逐渐得到重视，纳米级与非纳米级WC材料微观组织如图5所示。图中，纳米级材料的晶粒度和致密性明显优于非纳米级材料。

图5 10,000倍扫描电镜下WC材料微观组织Fig.5Micro textures of WC materials under 10,000 times scanning electron microscope

无粘结相纳米级WC硬质合金(Co含量低于0.2%,)具有更好的硬度、强度及耐磨性。然而，Co含量小于1%,时，烧结过程中WC颗粒很难被产生的Co液相完全浸润，合金致密化过程较为困难；而且无粘结相WC硬质合金的烧结温度极高，烧结过程中易出现晶粒的异常长大现象。SPS放电等离子体烧结作为全新的材料烧结技术，其烧结速度快、温度高，可实现无粘结相WC硬质合金的快速完全致密化。

4 纳米级喷嘴产品性能

自主研发成功的超高压磨料射流耐磨切割喷嘴如图6所示，该喷嘴采用纳米级WC粉末，SPS放电等离子烧结工艺成型，烧结参数见表1，该烧结工艺最高温度达到1,700 °C，压力为50,MPa，烧结时间仅为5,min。

图6 自主研发高耐磨喷嘴Fig.6 High performance anti-abrasive nozzles

表1 放电等离子烧结的工艺参数Tab.1 SPS process parameters

表2 纳米级喷嘴力学性能Tab.2 Mechanical properties of nanometer material nozzle

通过现场试验测试，纳米级喷嘴在250,MPa工作压力下，耐冲蚀寿命已超过6,h，其力学性能见表2，通过耐磨系数计算，国内喷嘴耐磨系数为611，而纳米级喷嘴耐磨系数达到755，耐磨性能显著提高，喷嘴技术的突破提高了中海油现有切割设备的作业能力，有效支撑了海上弃置业务产业的发展。

5 结 论

纳米级喷嘴已在曹妃甸1-6油田、锦州20-2和锦州21-1油田成功应用，完成了海底泥面下多层套管切割回收作业，有效清除了废弃的障碍物。采用纳米级喷嘴的高压磨料射流切割技术，作业时间短、成功率高，喷出的磨料量少且沉入海底对海洋渔业和海洋生物无影响，即对海洋环境无污染，是海上丝绸之路清障的有效保障。通过纳米级喷嘴研究，其流道优化和超硬材质技术可应用于超硬钻头、压裂喷嘴及井下耐磨工具等其他技术领域，推动纳米级材料技术在石油工业的蓬勃发展。■

［1］ 王洪伦，龚烈航，武光华. 前混合磨料高压水射流切割喷嘴的数值模拟[J]. 解放军理工大学学报：自然科学版，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］ 杨国来，周文会，刘肥. 基于FLUENT的高压水射流喷嘴的流场仿真[J]. 兰州理工大学学报，2008，34(2)：49-52.

［5］ 王明波，王瑞和. 喷嘴内液固两相射流流场的数值模拟[J]. 石油大学学报，2005，29(5)：46-49

［6］ 杨国来，李强，陈俊远，等. 磨料喷嘴内磨料颗粒加速机理分析[J]. 机床与液压，2011，39(19)：54-57.

［7］ 王明波. 磨料水射流结构特性与破岩机理研究[D]. 东营：中国石油大学(华东)，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

中国海洋石油总公司项目“高压磨料射流井下切割机具研制”(CNOOC-KJ125ZDXM12LTD03NFGC2014-06)。

2016-09-03