高压水射流技术在含能领域应用展望

贾士为 尚利辉

（1.武警工程大学研究生大队，陕西 西安 710086；2.武警工程大学军事基础教育学院，陕西 西安 710086）

0 引言

高压水射流技术是以水为主要工作介质，通过增压设备（最高压力可达620 MPa）将机械能转换为压力能，通过口径很小的喷嘴（0.1 mm～0.3 mm）释放压力能产生高比能的高速射流束（200 m/s～800 m/s）对各类材料进行加工的一种技术，该技术与激光、离子束以及电子束一样都属于高能束加工范畴[1-3]。近年来，高压及超高压泵、增压器、密封技术和喷嘴工艺等硬件的不断优化发展以及射流理论研究、计算机模拟仿真等软件的创新发展，拓宽了高压水射流技术的应用领域，为加工工艺优化、产品测试检验以及技术改良改进提供了新方法和新思路。

1 高压水射流技术分类以及基本原理

高压水射流技术种类和分类方式繁多，根据实际应用中的广泛程度和技术特征可分为连续射流、空化射流和脉冲射流。

1.1 连续射流

连续射流是应用最广泛也是最常见的射流形式，包括纯水射流和磨料射流，其速度可达到900 m/s，压力达到400 MPa，多用于清洗切割作业，其作用原理是射流冲击滞止压力Pi，如公式（1）所示。

式中：Pi为射流冲击滞止压力，MPa；ρ为射流介质密度，g/cm3；v为射流速度，m/s。

纯水射流初速一般为音速的2～3倍，这使射流束具有很大的能量，可以进行清洗、切割和粉碎作业。纯水射流需求行业见表1。

表1 纯水射流需求行业

磨料射流利用磨料集中射流动能，将纯水滞止动压冲蚀转变为磨料冲击动压冲蚀，能够有效增强对工件或靶体材料的磨削冲击作用[4]，常见的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系和软磨料系，根据加入磨料位置的不同，可以分为预混式和后混式。预混式是指纯水与磨料颗粒充分混合后，由增压装置赋予一定的压力和初速，再从喷嘴射出；后混式是指水增压形成高速射流后再添加磨料，使磨料颗粒和水在出喷嘴前混合。磨料水射流需求行业见表2。

“你可以随意化成人形吗？”安洁西问，她以前在银盾军团抚养院只是听说过虫族的一些事，并没有机会真正面对面去了解他们。

表2 磨料水射流需求行业

以磨料水射流切割金属弹体为例，假设弹体内壁为圆柱面，可将其视为以圆柱直径R2为半径的球面，根据弹性理论，磨料颗粒与弹体接触时产生的最大接触剪应力如公式（2）所示[5]。

式中：τmax为最大接触剪应力，N；R1为磨料颗粒粒度，mm；E1为磨料颗粒弹性模量，MPa；μ1为颗粒泊松比；R2为弹体金属球半径，mm；E2为弹体的弹性模量，MPa；μ2为弹体材质的泊松比；F为磨料颗粒与弹体接触时的作用力，N；k1为磨料颗粒每单位应力的变形率；k2为弹体每单位应力的变形率。

只要求出颗粒与弹体接触时的作用力F，就可以计算出最大接触剪应力τmax。当τmax大于弹体的接触剪应强度时，弹体发生破坏。如果射流中磨料流体与弹体接触面为磨料颗粒的投影面积，由于单位面积颗粒磨料作用于弹体的力为ρsu2，因此可得单个磨料颗粒对弹体的作用力Fi，如公式（3）所示[5]。

式中：u为射流撞击弹体时的速度，m/s；ρs为磨料颗粒密度，kg/m3。

假设前混合磨料水射流采用圆锥形喷嘴，喷嘴直径为D。磨料水射流属于固液两相自由紊动射流，由于速度很高，因此可以认为轴向射流速度即为射流的初速度u0。当靶距x>6.2 mm时，u=6.2u0D/x；当x<6.2 mm时，u=u0。根据经验公式，射流初速度u0如公式（4）所示。式中：p为出口压力，MPa。

根据经验公式，射流的密度如公式（5）所示。

式中：ρ0为混合流体的密度，kg/m3；αs为磨料的质量分数，%；ρw为水的密度，kg/m3。

整理得到磨料颗粒与弹体接触时的最大接触剪切应力如公式（6）所示。

1.2 空化射流

空化指当液体处于低压强、高流速状态时，液体中的空化泡（或称气核）开始出现爆发性膨胀生长，当空化泡到达高压强、低流速区域时，出现爆裂、湮灭的现象。空化泡的形成与发展模型如图1所示。空化射流的原理是利用空化腐蚀和机械作用原理进行作业，主要借助空化泡爆裂时产生的冲击力来加强射流的效果，并利用空化泡湮灭时产生的微射流和冲击波来解决实际问题。

图1 空气泡的形成与发展模型

式中：P为空化射流冲击压力，MPa；Pi为连续射流滞止压力，MPa；α为射流介质中气体含量。

当1/10<α<1/6时，P=（8.6～124）Pi，即在相同排量下，空化射流冲击压力是连续射流滞止压力的8.6～124.0倍。

1.3 脉冲射流

脉冲射流属于非连续射流，通过特定装置以脉冲的形式将水射流作用于靶体上，形成能量很大的“水团”，该水锤射流技术充分利用了水锤效应，增大了靶体上的摩擦作用力，使对材料的损伤和破坏裂纹可以快速地扩散，其在靶体上的冲击和阻挡压力要远高于单片机纯水射流的滞止压力，进而改善了射流的破碎和切割能力[6]。脉冲射流的性能主要由水击发生形成的频率、水击长度和射流直径的比及水击产生的能量等因素所决定，一般由聚能骤放（俗称“水炮”）、压力挤出和流量调节（又叫“水击”）3种方式产生，包括阻断式脉冲射流、激励式脉冲射流和挤压冲击式脉冲射流，其作用原理主要是水击压力P0，如公式（8）所示。

式中：P0为脉冲射流水击压力，MPa；ρ为射流介质密度，g/cm3；c为射流流体中的声速，m/s，在水中c≈1500 m/s；v为射流速度，m/s。

由公式（8）可以得出，脉冲射流水击压力P0＞连续射流滞止压力Pi。

2 国内含能领域应用现状

高压水射流作为一门新兴的加工技术，属于冷加工范畴，适用于切割、破碎各种压敏、热敏材料以及易燃和易爆等危险物品，在含能领域显现出很高的应用价值。

2.1 切割理论方面

黄玉平等人[7]采用数值模拟的方法对高压水射流破碎炸药的安全性进行了研究。Hua等人[8]利用磨料水射流对不同类型的材料进行切割实验，分析了磨料冲击对材料内部结构损伤、温度变化以及切割过程中的压力和速度特性。韩启龙等人[9]分析了高压水射流技术在部分含能领域应用的国内外研究进展，并对发展趋势进行了展望。王敬涛等人运用数学建模分析、软件模拟仿真等方法，对预混式磨料水射流水下切割进行了仿真研究。Hsu等人采用数值模拟的方法对高速水射流冲击特定材料进行仿真研究，通过实验验证了冲击压力和射流速度对材料结构的影响。

国内理论研究以仿真模拟、已有理论验证、安全性以及可行性试验分析为主，独创性理论成果以及可用作实际工程应用的创新性研究成果较少，同国外同领域研究还存在一定的差距。下步理论研究的侧重点应放在淹没射流、射流水力学特性、射流冲击力与基本参数及喷射距离变化之间的关系等，例如对于常见炸药的冲洗回收，目前回收率大约为30%左，如果能突破研究瓶颈、提升回收率，将会有巨大的经济军事效益。

2.2 切割技术方面

蒋大勇等人[6]通过实验验证了预混式磨料水射流切割防暴弹的安全可靠度不低于98.57%。钟树良等人通过对几种不同类型炸药的切割试验，验证了水射流切割炸药的安全性。蒋大勇等人使用高压纯水射流和磨料水射流对某型强光爆震弹和防暴弹进行切割实验研究，全程安全、无意外情况发生。Zhang等人利用淹没空化水射流对装有A-IX-2型炸药的报废弹药进行破碎试验，并对其作用机理进行了探讨。Guan等人介绍了磨料水射流技术用于切割、分离日本遗弃在华化学武器炸药和化学试剂的应用。

高压水射流技术在火炸药含量较少、处理风险较小或已知危爆材料结构的含能领域的应用较为成熟，但相关技术对大装药量、化学物理性质不稳定或者不明确内部结构和具体装药量的靶体材料的研究应用仍有很大的缺口。下步研究可以聚焦其他类型的切割介质、调整磨料浓度以及基本参数等，提升切割能力和普遍适用性，最大限度地发挥射流技术的优势。

2.3 切割装置方面

李鑫勇等人设计了水射流切割装置，能够实现炸药和弹体的冲洗分离。张世林等人设计了一种新型排爆装置，通过数值模拟分析验证实际操作的可行性。纪新刚根据爆炸物的种类和大小，发明了一种水射流处理方法，有效提升了排爆过程的安全性。孙义柯等人研究设计了适用于反恐行动的预混式磨料高压水射流装置。呼延曹婧等人设计研制了一款新型排爆机器人，在试验和实践操作中验证了该机器人的实用价值。李其祥设计了一种简便实用的无后坐力爆炸物销毁器。

现有发生操作装置的组成部件数量多、体积庞大、系统较为复杂且不便于运输，在处理工件数量较少的情况下具有一定的优势。但受制于装置本身的灵活性，在处理不便转移、数量较多的靶体材料时有一定的局限性，因此加强新材料新工艺的研究创新、进行装置结构的简化改造以及提升装置自身的简便性和可操作性，能够有效提升处理效率。

3 国外含能领域应用现状

总结分析所查阅的资料和文献，美国和欧洲在技术研究和应用方面都处于领先地位。

3.1 切割理论方面

Borkowski等人研究得出了高压水射流炸药冲蚀机理。Nambiath等人通过磨料水射流切割炮弹实验以及对操作参数的优化，确定了最佳切削工艺。Koschiniski等人介绍磨料悬浮水射流技术处理含能材料的基本情况，通过切割试验验证了该技术具有广泛的适用性和广阔的发展前景。Kang等人从理论和实验2个方面研究了流体射流去除材料的基本机理，在实验的基础上总结得出射流的最优喷射距离。Jamali等人提出了一种新的算法，并用实验数据对爆炸切割过程进行建模，验证了该算法的有效性。

国外在射流基础理论研究方面起步较早，能够结合实践应用加以补充完善，数据来源较为准确可靠，参考价值高，可以在相同类型的含能领域中推广应用。近年来，国内相关院校和研究机构也加强了对射流基础理论的研究和应用，部分理论取得了突破性进展，已经在煤矿、石油工程等领域得到了应用。

3.2 切割技术方面

Summers等人对11种爆炸物进行了高压水射流冲击试验，验证了高压水射流冲洗炸药的安全性。Fossey等人通过实验，分析了高压磨料水射流系统的切割性能，设计了一种远程切割炮弹的装置。Campos等人分析了磨料水射流系统水压、磨料种类和浓度了使用射流入射角和转速等切割影响因素，证实了使用该系统切割弹药的可行性。Đurić等人通过实验验证了磨料水射流切割技术对弹丸进行拆卸和破坏的可行性。Rodionov等人研究发现水射流技术可以有效降低对环境的污染，可以对硝铵类炸药进行清洗，提升对金属的回收利用率。

综合分析发现，国外在技术研发方面的投入较大，经过长时间的使用和更新换代，已经形成了较为成熟的标准和使用规范，开始发挥巨大的经济社会价值。国内水射流技术在民用行业的应用较为广泛，在军事领域的应用还处于研究推广阶段，主要以退役报废武器弹药的处理为主。处废工作是军队后勤建设的重要内容，同时也是检验战斗力的重要标准，如果能够大规模应用水射流技术，那么就会产生巨大的生态价值和经济价值。

3.3 切割装置方面

从20世纪90年代初开始，德国已经采用高压水射流装置对流化床焚烧含能材料所需要的料浆进行分离和预处理，荷兰、英国、法国以及葡萄牙等国家纷纷效仿。英国利用高压水射流和超临界流体切割含能材料，并对部件进行回收利用，已经有成功的先例。美国在实践运用中已经形成较为完备的作业规程和适用范围标准等。

国外在装置设计应用方面已经积累了丰厚的经验，研发的装置的可靠性和稳定性都比较强，虽然国内相关研究的起步较晚，但是发展势头很好，在部分领域已经达到自主生产甚至领先的水平。2021年4月2日，《解放军报》曾刊文介绍了我国自行研制的某新型排爆机器人搭载水炮枪成功销毁爆炸物的案例，展现了该装置应用的广阔前景。随着计算机技术和人工智能的发展，切割装置发展的明显趋势就是智能化、无人化以及小型化，提升装置的稳定性既能够有效降低人员财产的损失，也能拓展应用市场，可以推动社会各领域的发展。

4 创新技术对高压水射流技术的启发

4.1 提升智能化水平

含能领域材料的处废回收利用有一定的危险性，利用信息技术的发展成果，例如大数据、云计算以及智能机器人等，实现远程无人化操控，可以有效降低成本，减少人员财产的损失。

4.2 加强产业集成化探索

由于含能领域较为宽泛，需要处理的含能材料从体量上来讲比较大，因此可以建立类似工厂的流水处理线，提升产业集成化水平，同时也能大幅度提升处理效率，减轻环境压力和负担，符合国家绿色发展理念。

4.3 强化基础理论研究

现阶段很多工程的实际应用还需要参考以往经验，基础理论研究还未形成科学化、体系化的公认成果，也是迟滞高压水射流技术多领域发展的重要因素。

4.4 突破关键部件技术

对于发生装置关键部件的研究还有一定的上升空间，例如高压或超高压泵、喷嘴工艺以及磨料颗粒类型等，尤其是对照不同类型的介质和处理对象，分门别类地研究制定相应的标准化实施流程显得尤为突出。

5 结语

综合国内外高压水射流技术含能领域的应用现状，该技术的优越性主要体现在以下5个方面：1） 工作介质成本低，环境友好，属于绿色加工技术范畴。2） 加工能力强，应用范围广，可以实现远距离、无人操作，有效降低了风险。3） 切割时射流介质能够发挥降温、灭尘、润滑和冲运切屑的作用，具有在含能领域应用的天然优势。4） 切割压力高，喷嘴直径小，能量高度集中，具有很强的切割力。5） “水刀”切割时能够形成规则的切口，有利于提升材料的利用率。6） 非接触式切割对刀具无磨损，能够降低成本。与此同时还存在一些需要重点解决的问题：1） 相较于机械切割，高压水射流需要消耗更多的能量。2） 部分关键部件的性能不过关，例如喷嘴工艺、高压输送软管和密封技术与国外还有较大差距。3） 系统整体费用较高，引进国外系统，平均花费10～50万美元；按系统性能不同，在国内开发也需要十几万到百万元人民币，平均操作费用为50 元/h～150元/h。4） 喷嘴磨损仍待解决，磨料切割的碳化钨喷嘴，每个60元，只能使用2 h～4 h。5） 耗水量较大，操作程序比较烦琐。