高压水射流技术的发展与应用

林志立 卢钱杰 易新华 程晓民

（宁波工程学院机械工程学院）

高压水射流技术是利用增压设备，将液体压缩后经喷嘴高速喷出，形成高能量的微细射流的清洗技术。本文介绍了各种高压水射流及其在切割、清洗除锈等领域的应用情况，展望了高压水射流技术的发展趋势，对探索高压水射流技术的机理与应用研究具有重要的借鉴意义。

1 高压水射流的分类与工作原理

按水射流的技术特征可以分成：

1）纯水射流

纯水射流以纯水为能量介质，不加入磨粒等物质，借助高速射流的冲击能量进行清洗、切割等，主要用于金属板材、岩石、食品、橡胶、木头、皮革、碳纤维复合材料等物质的加工。

2）磨料射流

将固体磨粒加入纯水射流中，可以有效改善水射流的切割、破碎效果。固体磨粒将纯水射流的水介质的滞止动态冲击转变成磨粒的动态冲击，提高了高压冲击介质的磨削能力和冲击能力，相比纯水射流，磨料射流的切割效果获得极大的改善。

3）空化射流

空化射流利用“汽蚀”原理，水射流从喷嘴喷射出时含有空气的空泡，调整好喷嘴与加工表面的距离，使空泡在这个距离中持续存在，空泡浮着加工材料的表面，在射流冲击压力作业下破灭，汽蚀加工材料的表面，从而实现清洗、破碎加工材料表面的作用。空化射流的清洗效果优于普通的纯水射流，用于航空航天器、核反应堆等清洗。

4）脉冲射流

脉冲射流是一种非连续射流，利用专用设备，将动力源的能量传递给水，获得能量的水经过喷嘴射出，形似炮弹一样的小水团，打击在靶体上，切割、破碎目标材料。实际上，脉冲射流利用水锤原理，提高射流的打击能力，促使材料的裂纹快速扩散，其冲击力远大于连续纯水射流的迟滞力，从而提高了脉冲射流的加工能力。

高压水射流切割

高压水射流切割产品

高压水射流清洗

水射流激光复合加工

2 高压水射流的发展与应用

1）水射流清洗

水射流清洗可以用于人工或化学难易去除的油污、水垢、锈层、涂层、混凝土等清洗，相比传统的人工、机械或化学清洗，具备清洁效率较高、污染较少、经济性较好、不易损伤本体、便于自动控制等优势，不仅可用于清洗结构形状复杂的部件，而且可以在空间环境复杂、恶劣的地方开展清洗作业。

台州学院的高圆圆等人利用水射流清洁刀具表层附着物，找到压力60MPa、射流喷口直径1.4mm、作业时间60s的工作条件下，清洁表层附着物的效果较好，认为水射流技术可用于刀具表层附着物的清洗。中石油的孙德锋等人将高压水射流用于在地源水井的腐蚀物质层的清洗作业，实现水井的清洗修复，取得良好的清洁效果。兖矿集团的陆亚鹏等人将高压水射流用于煤矿机械金属件防锈处理设备，经该设备处理后的金属件，加上防腐处理，防锈能力增加了3倍，延长了金属件的使用寿命。如今，高压水射流清洗设备在城市清洁美化方面获得了广泛应用，可以用于城市水泥路面表层污渍的清洗作业，清洁美化城市道路。

2）水射流切割

水射流切割不会破坏零部件的机械力学性能与材料的晶间组织，属于冷切削加工，特别适合于碳纤维复合材料、金刚石等不适合机械加工的材料。

后勤工程学院的陈晓晨等人考虑到油库的应急抢修作业效率与安全性，开发了磨料水射流切割设备，通过X60管道的切割实验，表明该设备可以有效开展管道设备的抢修作业。合肥通用机械研究院的王永强等人认为高压水射流技术与数控技术相结合，开发高端水射流装备，可以用于航空器中复合材料的精密切割。解放军理工大学的孙义柯等人开发了在反恐中使用的前混合磨料高压水射流设备，可以实现防盗门、混凝土等结构的切割。天津理工大学的曹雷霆设计一种医用水刀的机械结构，该医用水刀在组织选择上高度灵活、手术中出血量少等优势，适用于创面的切割清洗。此外，高压水射流在采矿业、隧道岩石等都有广泛的应用。

3）水射流破岩粉碎

磨粒加入水射流中，磨粒通过水射流载体对磨粒加速，喷射到靶体表面，高能量的磨粒粉碎靶体，适用于破岩、钻井等。

石油大学的倪红坚等人借助非线性动力学与岩石损伤模型研究了水射流打孔过程，结果证实高压水射流具有较强的破岩能力，破岩效果优于聚能打孔。中国矿业大学的宫伟力等人比较水射流粉碎与传统球磨机粉碎工艺，结论证实高压水射流粉碎技术能耗是传统工艺的1/6，煤粉颗粒无粘结、表面质量好，易于分选。

高压水射流破岩效果

4）其他应用

高压水射流利用其带有高能量的连续高速射流，喷射到金属表面，促使表面产生塑性变形，提高金属表面的疲劳强度，起到喷丸强化作用。考虑到处理弹药的清洁、分离解体的作业效率与安全性，经常采用水射流清洗弹药表面的油污、切割废旧弹药等。

3 高压水射流技术的发展趋势

高压水射流技术是一项清洁、高效的加工技术，在机械、航空航天、建筑、采矿、石油等众多领域有着广泛的应用前景。综合国内外高压水射流技术的相关文献，相比西方发达国家，我国仍然有着不小的差距，其发展趋势为：

1）高压水射流装备的关键零部件的开发与应用。高压泵与电机的结构设计与开发以及小型化，将大大提高关键零部件的技术水平与应用前景，促进高压水射流装备的更新换代。

2）研究空化射流中空泡的产生、发展与溃灭过程。空泡产生的高压是纯水射流的8～124倍，如果能较好地用于钻井、破岩、油层处理等，将提高生产效率。

3）研究超高压射流和微射流技术，为未来新材料的加工、钻井工程等储备技术。

4）研究高压水射流装备的智能化、自动化，实现水射流装备与数控技术、视觉技术等相结合。

伴随着传统制造业的转型升级，人民对美好生活的需求，高压水射流技术由于其绿色环保、高效的特点，能产生显著的社会与经济效益，具有广阔的应用前景。