高压水射流技术的应用及展望

摘 要：介绍高压水射流技术的工作原理及特点，阐述高压水射流技术在多个领域的具体应用。

关键词：高压水射流 加工 清洗 应用

中图分类号：TQ050 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）007-040-02

1 引言

高压水射流是最近几十年发展起来的一门新技术，如今它已渗透到多个领域，发挥着独特的作用。射流是指工作介质从喷嘴中流动的现象，它是一种在工程中十分常见的流动形态。人们通过提高射流的工作压力，从而可以得到高速流动的射流。高压射流有很大的能量密度，当工作压力提高到1000MPa以上之后，高压水射流的能量束密度就和激光束相当。目前，高压水射流在煤矿开采，加工制造以及清洗除垢等领域得到了比较广泛的应用。

2 高压水射流技术简介

20世纪60年代，随着大量柱塞泵和增压器的出现，射流装置的工作压力得到了很大提高。随着人们对射流认识的加深，为了充分发挥出高压水射流的潜力，从单纯的纯水射流开始又出现了添加剂射流，磨料射流，空化射流，脉冲射流以及调质射流。

添加剂射流在精密切割中比较常见，在消防水枪中也有应用，它是在纯水中加入微量特殊添加剂（高分子长键型聚合物），达到抑制射流的紊动强度，从而可以降低射流的流动损失，提高射流的品质。

磨料水射流是上世纪80年展起来的技术，在高压水射流中加入合适的磨料，射流的切割能力将大幅度提高，可以在不提高工作压力的前提下有效地切割钢筋混凝土以及钢板。流体中添加的磨料将对射流的特性有很大的影响，常用的磨料有硅砂、金刚砂、铁渣、铁砂以及氧化铝等，磨料的颗粒大小以及硬度和密度等也都对射流品质有影响。在工程实际中，常常根据不同的施工要求选择加入不同磨料的水射流。

空化射流是充分利用空化破坏威力的又一种射流技术。在流体机械中，空蚀普遍存在，很过水力机械的叶片都会遭到空蚀破坏，这会造成巨大的经济损失。空化射流通过诱发溶解在水中的空气产生气泡，通过适当调节射流参数，可以让空泡充分成长，当射流作用于工件表面时压力会突然增大，从而导致空泡溃灭，在局部产生破坏作用。

脉冲射流是让压力能间断地释放，产生不连续的射流。这些技术都有自己的特长，它们将高压水射流的应用范围扩大到了很多领域，许多高压水射流产品已经实现商业化。

3 高压水射流技术的应用

3.1 水射流加工

水射流加工，又称水刀加工，它是利用高压水射流或则磨料射流对各种材料进行切割、穿孔和表层材料去除等加工。由于高压水射流的工作介质是流体，故其在加工时可以带走加工时产生的热量，因而不会引起工件温度的大幅升高，属于冷加工范畴，可以不破坏金属的结构，不会引起金属表层组织的改变，也不会产生温度应力及变形。高压水射流工作时还具有灭尘、冲运切屑的功能。上世纪70年代，美国首先将高压水射流应用到飞机和汽车制造行业中，由于水射流流束细小，能量密度高，加工缝隙较窄，故而可以节约材料降低加工费用。

目前，日本丰田汽车公司和美国福特汽车公司均已将水射流切割机用于生产。在制造业中，采用高压水射流切割复合材料板、蜂窝状夹层板、钛合金等材料，效率可以得到提高，同时加工精度也能得到保证，值得一提的是美国Huffman公司生产的六轴数控磨料射流切割机，它能够切割任何复杂形状的物体，而且切割精度可达025mm。用机械方式加工的工件表面和小孔中会存在松散的毛刺，可以采用高压水射流有效地去除这些毛刺。高压水射流冲击表面强化技术作为近10年才提出来的一种新的表面强化方法，在航空领域已经得到了实际应用，能够有效提高零件的疲劳强度，从而达到有效延长零件使用寿命的目的。随着光学工业以及微电子光学技术的发展，光学零件的表面精度要求越来越高，磨料水射流抛光技术将具有巨大应用潜力。在钢材生产中，采用高压水射流去除热轧钢材生产过程中产生的氧化铁（即鳞皮），可以解决用酸性化学剂除鳞皮带来的环境污染问题。

3.2 水射流粉碎

高压水射流冲击煤矿以及岩石等脆性材料，从而导致其破碎，这在煤矿开采中得到了充分应用。目前，较为公认的破岩理论是拉伸-水楔破岩理论和密实核-劈拉破岩理论。在矿山机械中，水射流与机械刀具联合使用，不仅能够降低粉尘消除火花提高采矿安全，还能够显著地降低能耗。目前，已经研制出了多种水射流辅助的矿山机械。

在粉末冶金行业，高压水射流粉碎技术用来制备超细粉体，不仅可以提高效率节约能源，还可以保证粉碎颗粒的纯度，不破坏颗粒的原有结晶结构。在土木建筑行业中，采用高压水射流技术对建筑物某一部分进行抢险加固，根据工程实际选择适当的水压和参数，能够在不损伤钢筋的前提下完全去除混凝土部分，该技术具有安全、节能环保、高效等特点，文献[6]提供了一个工程实例应用。

3.3 水射流清洗

高压水射流清洗技术在国外很多国家已经得到普遍应用，很多发达国家的高压水射流清洗已经占到工业清洗的80%以上，在诸多清洗方法中占绝对优势。据估计，我国工业清洗目前还是多采用化学清洗方法。随着国际上对环境保护越来越重视，很多国家已近杜绝使用酸性化学清洗液，从某种意义上讲，这也促进了高压水射流清洗技术的发展。高压水射流清洗具有清洗质量高、速度快、适用范围广、清洁环保无污染、成本低的优点，所清洗的对象可以为各种规格的管道、换热器、冷凝器、建筑物、电厂锅炉、大型船舶、机场和赛车跑道等。文献[4]给出了大量实例，比较充分地说明了高压水射流清洗的优越性。

值得注意的是，在使用高压水射流进行清洗时，应该由专业人员进行操作，应特别强调安全规范。一些试验表明，当射流压力超过25MPa就可以击穿人的皮肤和肌肉组织，超过100MPa便可以切断骨骼。国外已经研制出高压水射流清洗技术与机器人技术相结合的产品，自动化程度得到大幅提高。

3.4 水射流在其他领域的应用

从上世纪70年代开始，医学界便进行了动物实验，验证了将水射流作为手术刀的可行性。1986年到1987年期间，Hokkaido University School of Medicine（日本北海道医科大学）利用水射流手术刀对35名患者成功进行了肝切除手术。如果选择合适的射流参数，在手术中可以不切段血管，这样便可以大大减少出血和手术创伤，病人的术后恢复时间也将大幅缩短。如今，医用水射流技术是一个研究热点，“水刀”也将逐渐成为一种实用的手术工具。

在军事领域，水射流作为一种冷加工方式，可以安全切割易燃易爆物品。目前，高压水射流已经能够可靠地拆解炸弹，美国早已研制出以脉冲射流结合机器人技术的扫雷装置，这项技术已经在安哥拉得到了实战应用。深水环境下的水射流切割技术一方面对海洋开发起到促进作用，另一方面也让在水下维修潜水艇、大型船舰和水下拆弹成为了可能。

4 总结和展望

高压水射流技术在煤矿开采，航空航天，机械制造，国防，交通，建筑以及医疗领域得到了应用。在一些领域，由于高压水射流技术的投资大，技术不成熟，产品种类少，大大限制了其应用和推广。加深对射流理论的认识和研究，大力发展先进射流技术，将有助于研发出高端的高压射流产品，这将产生巨大的经济效益和社会效益。高压水射流技术必将在国民经济中发挥出更大地作用。

参考文献：

[1] 孙大涌.先进制造技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 冯衍霞，黄传真，侯荣国，等.磨料水射流加工技术的研究现状[J].机械工程师，2005（6）.

[3] 薛胜雄，黄汪平，黄得胜.1999年美国水射流技术扫描[J].流体机械，2000，28（6）.

[4] 秦国治，田志明.高压水射流清洗技术及其应用[J].管道技术与设备，2001（1）.

[5] Yoshie Une，Junichi Uchino，Takashi Horie.Liver resection using a water jet[J].Cancer Chemotherapy and Pharmacology，1989，23（1）：74-77.

[6] 孙平.水射流施工技术在抢险拆除加固工程中的应用[J].山西建筑，2012，38（24）.