高压水切割技术在海上平台拆除工程中的应用

摘要：本文主要针对高压水切割技术在海上平台拆除工程中的应用进行简要分析仅供参考。

关键词：高压水切割设备；设计；应用

中图分类号：S611 文献标识码： A

一、水射流理论基础

掌握一定的水射流理论知识，尤其高压水射流方面的理论知识对于将水射流技术应用到板材渐进成形工艺中是非常必要的。由于金属板材成形件的材料种类众多，各种材料成形时的成形力都不同，这就要求成形射流要有比较大的压力变化范围，成形设备中使用的喷嘴性能也各有不同。不过，对各种射流的现行试验研究已能对射流的形成及射流在空气中的传播过程（即非淹没自由射流）有一较全面地了解。

二、射流结构

水射流是指水从管口、孔口狭缝中射出，并同周围的环境介质掺混的一股流体流动。流体的运动状态主要分为两种形式：层流和湍流。层流是指流速较低，分层流动且互不混合的流体流动；湍流是指流速较高，已无明显分界层的流体流动，此时流场中会产生许多小漩涡。金属板材水射流渐进成形中使用的水射流属于湍流流动，其射流结构和运动机理比较复杂。1979年日本学者Yanaida和Ohashi首先使用几何图形来描述水射流结构，后经众多学者的试验与丰富，此特征图逐渐完善为学术界公认的射流结构图，如图1所示。

图一

图1中将射流分为初始段、基本段和消散段。射流初始段就是喷嘴出口到锥形末端结束的位置，也称为等速射流核心区。在这一阶段内，当水射流从喷嘴喷出后，射流与空气之间形成了一个很大的速度差，此时在射流周围的表面与空气不断发生巨大的动量交换，破坏了射流的连续性，然后射流向轴心延伸，至此就形成了一个射流初始段。在等速射流核心区里面，沿轴向的动压力基本保持不变，即此区域内轴向动压力与喷嘴出口的压力是相等的，其密度和流速也基本保持不变，其特点就是质密性好，不与空气产生雾化阶段，达到一个稳定的状态。射流初始段结束后，接下来的就是基本段。此段内的特点就是空气与水已经混合，随着出口距离的增加轴向动压力和射流速度逐渐减少，射流内部的连续状态遭到破坏会出现空穴现象，而轴向动压力和射流速度在径向方向是呈现的是高斯变化，随着径向方向的扩大，最终减为零。

射流基本段后即为射流消散段，此时空气与水已完全混合达到雾化状态，其特点是轴向动压和射流速度大幅度降低，在工业上没有很大的应用价值。基本段和消散两个阶段的压力损失比较大，不适合板料成形，因此水射流渐进成形工艺中通常通过控制射流出口距离板材表面的距离（靶距），用初始段内的射流对板材进行冲击成形，以充分利用射流初始段内轴向动压力基本不变这一特点。

三、装备设计分析

高压水切割设备原理图见图2所示。

图2高压水切割设备原理图

1、流程描述

海水被离心泵抽上来，加压后分为两路：一路直接到喷嘴提供动能，另一路去水/砂混合器，将水、砂混合后，进入高压水容器，带走水砂混合物后与榜首路集合，流向喷嘴。

2、高压泵选型

高压离心泵的动力参数流量、扬程依照上文给出的办法已推得，高压水泵应选用高扬程的柱塞泵，如BCY14-1B系列，由柴油机驱动。因工况条件约束，泵放在施工船上，施工船甲板与海平面有相应距离，为此需选用自吸式离心泵。泵的汽蚀余量因为工况不一样差别较大，因而选用较大的汽蚀余量；水砂混合器前的泵是压力提高泵，其主要作用是使砂子更简单被泵入高压水容器，因其介质中可能富含固体颗粒，因而选用气动隔膜泵。

3、工艺管径选取

根据切开需求（喷发力、切开头跋涉速度）、泵的参数，使用流体力学伯努利公式等校核管径所发生的压降是不是满意施工需求，如满足需求，即可选取此标准的管径。管路制作标准及原料的选取，应当选用耐磨、耐腐蚀的液压软管，如manuli的goldenblast系。

4、高压水容器

作为一个蓄压和贮存装置，高压水容器的操作压力应按泵输出压力的2倍摆布思考。由于操作压力太大，容器的选型规划制作应遵从JB4732-1995《钢制压力容器―剖析规划标准》履行。技术安全剖析思考：该设备是高压设备，应思考其高压也许形成的损害，因而有必要装置压力开释阀，为避免高压水容器液位过高形成溢流，需约束进入高压水容器的水流量，加装节流阀并对高压水容器加装溢流管路列。

四、高压水射流理论及其在石油工程中应用研究进展

1、自振空化射流理论应用研究进展

在石油工程的应用研究发展中，喷嘴式钻头和钻头水力学的结合，对钻井射流和射流清除岩屑等进行研究，对井底水利参数进行优化，使喷嘴钻井技术得到不断提高，大大提高钻井速度。因此，根据瞬态流和水声学理论，发展出了自振空化射流理论，使水射流技术的研究和应用领域得到不断扩展，从而研发了自振空化射流喷嘴钻头。

在井下作业中，自振空化射流喷嘴钻头可以起到很好的辅助破岩作业，使钻头在井底的流场得到改善，促进射流清洗岩屑能力的不断提高，从而提高机械钻速，给企业经济效益不断增长提供了可靠保障。与此同时，自振空化射流还没运用于油水井的解堵操作中，形成了水射流处理地层理论，并在油田注水生产中得到应用，研制出了自激波动注水的新技术，促进石油开采技术水平不断提升。

2、旋转射流钻井技术研究应用

根据流体力学基本理论、断裂力学和岩石力学等相关原理，分析旋转射流的机构特征、破岩机理等，研制出了旋转射流钻井技术，在径向水平井的石油开采中得到广泛应用。旋转射流钻井技术在石油工程中的应用，使破岩效率提高了八到十倍，可以对稠油油藏和薄层油藏等进行有效开发，大大提高井的产油量，促进径向水平井钻井技术不断提高。例如：我国1997年钻出的第一口径向水平井，产油量与平时相比，提高了八倍左右，使原油采收率得到大大提高。

3、机械水力联合破岩理论研究应用

在高压水射流技术的应用中，将机械破碎岩石的情况，结合断裂力学和岩石力学等，对水力辅助机械破岩过程中形成的裂纹情况进行研究，最终形成机械水力联合破岩理论。与此同时，对射流冲击角、齿型和喷射距离等进行研究，根据相关理论，最终研制出了新型辅助破岩钻头，促进石油开采技术水平不断提升。在石油工程中，机械水力联合破岩理论的应用，使钻头的磨损情况得到缓解，促进钻速不断提高，促进企业经济效益不断增长。

4、深穿透无污染研究应用

在石油工程中，运用高压水射流技术来提高渗穿透情况下的产量，可以有效减少环境污染，促进石油开采效率不断提高。高压水射流技术在高渗穿透情况下提高石油产量的原理是：高速高压水射流的冲击对压实带没有污染，可以减轻近井筒周围的应力集中，从而提高近井筒周围的渗透率，使未污染地层流向井筒的液量不断增多，最终达到提高石油产量的目的。一般情况下，高压水射流穿透射孔的钻井技术会运用于油层的改造，采用定向深穿透射孔的方式，使射孔与最大水平主应力的方向保持一致，从而使喷射孔道变得更深，起到很好的辅助作用。高压水射流深穿透无污染技术在石油工程中的应用，可以有效控制直井和水平井压裂裂缝的转向，起到重要导向作用；可以使井眼产生单条最大裂缝，从而降低井眼处的破裂压力和裂缝延伸压力，最终达到提高油田产量的目的。

5、磨料射流理论研究应用

在石油工程中，磨料射流是新型、高效的切割技术，从而形成了水力喷砂射孔技术，大大提高了油气的开采量。磨料射流射孔的原理是：将磨料射流射孔装置安装在井下制定位置，然后在水中混入适量磨料，通过高压泵将含磨料的流体泵送到井下喷嘴。当喷嘴进行喷射时，利用高速流体的高频冲蚀和磨削作用，可以有效进行岩石的切割，从而射开目的层，减少压实带周围的污染，使油流通道变得更加干净，达到射孔和解堵的双重目的，最终有效提高油田的油气产量。例如：在我国四川油田中，针对低渗透油层和因堵塞对油层造成伤害的低产井，进行挖掘潜力的改造时，运用水力喷砂射孔技术可以有效进行喷射，同时解除近井周围的污染，使油气产量得到不断提高。

结束语

水刀这种切割工具，作为油田地上产能建设中的新成员，它的呈现从某种程度上处理了油田中危险环境工作的难题，有效地确保了施工工作人员的人身安全，并提高了施工效率，减少了环境污染。便携式水刀因为其灵敏多变的操作方法，能够习惯油田地上产能建设的复杂性，能够在更多的范畴发挥作用。

参考文献

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