《高压水射流关键技术、成套装备研发及其工程应用》

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中国许多高危险、高难度的工业清洗、表面除层(除鳞、除锈、破碎)、特种切割等工程作业长期依赖落后工艺,如人工进罐清除油泥、高空船舶喷砂除锈、钢结构件化学除层、复合材料切割成型等,效率极度低下、环境污染严重、安全事故频发。水射流技术具有集束打击、湿式清洁、冷态作业、适应性强等特点,成为解决上述难题的有效方法。该项目之前,中国和国际水射流技术均处于初级阶段,装备水平限于人工手持喷枪作业,严重制约了中国工业清洗、表面除层、特种切割等工艺的发展。

该项目自2001年始,通过国家科技部院所基金等项目支持,针对高难度工业清洗、高压表面除层和超高压水切割三大类工程需求,产学研联合攻关,建立了定量射流模型,创建了射流系统设计方法,并以此制定了系列国家及行业标准,攻克了100-420MPa高压/超高压发生源、超高压大流量旋转水射流核心部件等关键技术,开发出5种国产首台重大装备。创新成果主要包括:

建立射流模型与系统设计方法。揭示高速射流动力学特性和材料破碎机理,建立射流压力、流量、靶距、磨料量、材料特性与作业速度等参数的定量数学模型;创建了射流参量工程计算和装备系统设计方法,并以该为基础,在国际上首次制定了系列标准,提出了由高压/超高压泵与喷嘴优化匹配工况、易损件预期寿命、临界失效判据三者构成的产品运行可靠性评价方法。

研发系列超高压发生源。高压/超高压源关键在于往复密封、阀及自增强工艺。开发间隙套筒与填料间置的预压式组合密封,创造锥形套筒间隙,将超高压降为高压,再经芳纶填料密封,解决了100-420MPa水介质往复密封难题;研制组合式进出水阀组,开发高压缸自增强工艺,保障超高压发生源可靠运行。

创新超高压旋转水射流核心部件。研制宝石、钻石等高耐磨材料喷嘴部件,实现最大压力(420MPa)和最大流量(200L/min)的不同组合射流工况;通过预压端面间隙旋转密封,实现高压/超高压旋转水射流;利用粘性工质阻尼效应,保障旋转体稳定在最佳转速(100-300rpm),将点射流经旋转和横移变为面射流,开发出二维、三维系列旋转射流部件,极大提高作业效率。

开发5种国产首台重大装备。基于高压/超高压射流核心技术,集成泵、阀、密封、液压、真空、自动化多学科技术,开发了大型原油储罐油泥清洗回收、机场跑道除胶、钢材高压水除鳞、高空船舶爬壁除锈、多功能超高压水切割机等国产重大装备,形成产业化,打破国外垄断。

项目曾获省部级一等奖2项,授权发明专利25项,制修订国家和行业标准16项,发表论文86篇,出版专著1部。专家鉴定认为项目成果填补国内空白,达到国际先进水平,部分指标处于国际领先。研发的水射流成套装备在石化、冶金、航空、机场、市政及材料成型等领域广泛应用,高效、环保、安全,产品替代进口,超高压水切割机和商用高压高温清洗机大批量出口欧美20多个国家;近3年取得直接经济效益21.8亿元、间接效益5.9亿元,社会效益显著。

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