第1页：水射流技术课程封面
- 课程名称
- Water Jet Technology——Fundamentals and Applications（水射流技术——基础与应用）
- 学时
- 32 学时
- 授课对象
- 石油工程、机械工程及其他采矿工程专业的研究生、本科生与高级工程师
第2页：为什么要学习水射流技术
水射流技术与石油工程密切相关：钻井用射流，采油用射流，日常生活中也在利用水射流。除此之外还有两点理由：
- 水射流技术已发展出一个面向清洗与切割的独立产业部门，涵盖化工清洗、采矿与筑路中的岩石破碎、机械加工中的切割。
- 近年来在石油工程中不断获得新应用，如在地层中钻孔、清洗射孔孔眼以恢复油井产能。
第3页：课程教学目标
- 提供水射流技术的基础力学与原理。
- 通过应用实例认识水射流的做功能力。
- 了解水射流技术的当前发展动态。
- 营造英语表达环境，并提供水射流领域的专业词汇。
第4页：教材与参考书目
- 先修基础
- 学完《工程流体力学》
- 教材
- Fluid Jet Technology—Fundamentals and Applications
- 参考资料
- 沈忠厚等《水射流技术与应用》；相关网站资源
- 工具书
- 朗曼当代英语词典；英汉技术词典
第5页：学习方法与考核方式
- 听课并记笔记，重点关注主要理论与原理。
- 阅读教材并学习课文中出现的新词。
- 课堂口头报告——可得 20 分。
- 完成作业（共 4 次，合计 20 分）。
- 期末测试（60 分）。
第6页：课程教学时间安排表
教学时间分配：下表列出各次讲座的学时与主要内容。
课程时间分配表| 讲座 | 学时 | 内容 |
|---|
| 第1讲 | 3 | 流体射流技术导论 |
|---|
| 第2讲 | 4 | 射流系统流体力学 |
|---|
| 第3讲 | 6 | 先进射流技术 |
|---|
| 第4讲 | 4 | 水射流切割机理——基本射流参数的影响 |
|---|
| 第5讲 | 5 | 磨料水射流 |
|---|
| 第6讲 | 4 | 在油井钻井工程中的应用 |
|---|
| 第7讲 | 4 | 在石油工程中的应用 |
|---|
| 第8讲 | 2 | 讨论与复习 |
|---|
| 期末测试 | — | 结课考试 |
|---|
第7页：第一章内容导览
第一章 水射流技术导论，计划 3～4 学时，内容路线如下：
- 水射流技术及其基本组成
- 历史发展
- 水射流分类
- 水射流技术的特点
- 环境影响与水的预处理
- 应用实例
- 复习
第8页：射流的定义
- 射流（Jet）
- 从孔口、切缝或喷嘴射入较大空间的一种流体流动。
- 在压力作用下从小直径开口或喷嘴强制射出的高速流体流股。
思考：日常生活中有哪些射流的例子？
第9页：水射流技术的定义
水射流技术是一门正在发展的技术分支，涉及射流切割、清洗与采矿等，涵盖相当广泛的知识体系：
- 高压水的产生；
- 所需射流的形成；
- 作业效率与安全性的改进等。
第10页：水射流系统的组成
一个水射流系统通常由以下部分构成：
- 泵或增压器；
- 管件与接头；
- 控制阀；
- 射流喷嘴／喷枪；
- 其他辅助与控制部件，如运动系统、捕集器与工作台、安全防护装置等。
系统设计包括压力与流量的计算、喷嘴选型、管路接头与阀门的选择，以保证系统安全高效运行。
第11页：柱塞泵的性能参数
- 类型
- 三缸柱塞泵，电机或柴油机驱动
- 压力范围
- 小于 210 MPa
- 流量范围
- 约 10～240 gpm（1 加仑 = 3.785 升）
- 功率范围
- 30～1800 hp
- 典型用途
- 清洗与采矿
2006 年美国已出现 330 MPa 的柱塞泵。
第12页：增压器的性能参数
- 驱动方式
- 电机驱动
- 压力范围
- 210～414 MPa
- 流量范围
- 1～10 gpm
- 功率
- 较小，一般小于 50 kW
- 典型用途
- 切割、钻孔与机加工
迄今美国应用中已出现 522 MPa 的增压器。
第13页：增压器工作原理示意图
增压器工作原理：低压水流进入后，由液压驱动推动活塞与柱塞，将低压水转换为高压水流输出。
第14页：自动切割系统的构成
自动切割系统包括：
第15页：泄压阀与射流喷枪喷嘴
- 泄压阀
- 用于管路与表面清洗作业的压力释放。
- 射流喷枪与喷嘴
- 一般由不锈钢、蓝宝石与硬质合金制成。
第16页：系统部件的质量与维护要求
系统部件包括泄压阀、手持喷枪或喷杆、软管以及必要的防护装置。
这些部件含有大量能量，且通常暴露在外、无其他防护物覆盖，因此良好的制造质量与正确维护极为关键。
第17页：作业人员安全须知
水射流本质上具有潜在危险：
- 作业人员必须经过系统培训，仅让学员跟随有经验的操作员一段时间是不够的。
- 必须牢记并遵守各项安全规则与预防措施。
- 要意识到系统侧与人员侧的任何潜在危险。
第18页：工程师的安全设计职责
- 针对具体作业精心设计射流系统，包括射流与泵的压力流量、管径与喷嘴直径的计算。
- 按规格正确选择泵、管路、阀门与喷嘴，确保系统能承受预期最高压力。
- 妥善维护，定期检查，有缺陷或磨损的部件不得在满压下使用。
- 保持作业现场整齐，清除无关人员。
第19页：水射流技术发展历史
水射流技术发展历程：下表按时期列出各阶段的发展特征。
水射流技术发展历史分期| 时期 | 发展特征 |
|---|
| 1860年代～1940年代 | 矿业中的起源 |
|---|
| 1950年代～1960年代 | 调查与实验探索 |
|---|
| 1960年代～1970年代 | 高压水射流清洗的发展 |
|---|
| 1970年代～1980年代 | 工业性试验与应用 |
|---|
| 1980年代至今 | 高度发展，新射流理论与新应用 |
|---|
第20页：
第21页：国际学术组织与活动（一）
- 英国流体力学研究协会（BHRA）：自 1972 年起每两年举办一次射流切割技术国际研讨会。
- 美国水射流技术协会：自 1981 年起每两年举办美国水射流会议，出版会议录与《Jet News》，第 13 届会议于 2005 年 8 月 21—23 日举行。
- 国际水射流技术学会：出版《International Journal of Water Jet Technology》。
第22页：国际学术组织与活动（二）
- 日本水射流技术学会：自 1987 年起举办太平洋沿岸水射流技术国际会议，出版会刊。
- 中国水射流技术专业委员会：自 1979 年起每两年举办全国水射流技术会议。
- 相关网站：www.waterjets.org、www.wjta.org 等。
第23页：水射流的分类依据
水射流通常按以下因素分类：
- 压力等级
- 射流流动形态
- 周围流体
- 射流水动力特性
- 射流约束条件
- 射流流体的类型
第24页：按压力等级划分的射流类型
按压力等级分类：下表列出各档射流的参数与用途。
射流压力等级划分与应用| 压力等级 | 压力范围(MPa) | 流量(l/min) | 动力源 | 应用示例 |
|---|
| 低压 | 0.5～35 | 18～38 | 离心泵或柱塞泵 | 工业清洗、水力采矿 |
|---|
| 中压 | 35～70 | 38～150 | 柱塞泵 | 管道清洗、采矿作业 |
|---|
| 高压 | 70～140 | 10～120 | 柱塞泵、增压器 | 管道清洗、切割、采矿作业 |
|---|
| 甚高压 | 140～420 | 4～10 | 增压器 | 工业切割与机加工 |
|---|
| 超高压 | >420 | 40～70 | 水炮 | 矿山破碎 |
|---|
说明：源文低压档位中另有一处数值「>100」未能确定所对应的列，表中按流量 18～38 L/min 列出，建议对照原图核对。
第25页：按流动形态划分的射流
- 连续射流
- 流动参数不随时间间断的射流。
- 脉冲射流
- 以脉冲方式间断作用的射流。
- 空化射流
- 人为引入空化以增强冲蚀能力的射流。
- 炮射流
- 以水炮形式瞬间释放的射流。
- 旋流射流
- 带旋转速度的射流。
第26页：按介质与动力学特性分类
- 按周围流体
- 淹没射流；非淹没射流。
- 按水动力特性
- 稳态射流（参数不随时间变化）；非稳态射流（参数随时间变化）。
第27页：按约束条件与流体性质分类
- 按约束条件
- 自由射流；非自由射流。
- 按射流流体性质
- 纯水射流；超水射流；磨料水射流；磨料悬浮射流。
第28页：水射流技术的优点（一）
- 水易于获取、成本低廉。
- 具有冷却与润滑作用，无灰、无尘，不产生有害物质，没有热影响与火灾隐患。
- 可通过调节压力实现选择性切割。
第29页：水射流技术的优点（二）
- 设备轻便、便于携带，压力与流量参数易于调节。
- 对某些材料，切割效率高于常规方法。
- 具备多层切割能力，适用的材料范围广，且系统改动最小。
第30页：水射流技术的优点（三）
- 作用于目标的反作用力小，因而易于与自动化设备集成。
- 属于非接触加工，刀具不会变钝。
第31页：水射流技术的优点（四）
- 可遥控操作，能够在危险环境中作业。
- 切割介质中可加入多种材料。
第32页：水射流技术的缺点
- 初期投资成本高（大于 100,000 美元）。
- 功率需求大，从数十到数百千瓦。
- 存在环境影响。
- 需要对水进行处理。
第33页：环境影响与后处理原则
后处理原则：
- 依据环境要求确定；
- 依据作业性质确定。
- 露天射流采矿或清洗存在环境影响，耗水量可达 420 gpm，喷嘴直径大于 10 cm。
- 与喷砂机加工和清洗相比，水射流具有环保优势。
第34页：射流用水的预处理方法
- 预处理目的
- 去除溶解性固体或有害物质，以保证喷嘴的长寿命。
- 处理方法
- 重力沉淀；机械过滤（滤芯过滤或离心分离）；加药软化；去离子；渗透。
第35页：水质预处理标准限值
射流用水预处理标准：下表列出各项物质的允许浓度。
射流用水预处理允许浓度| 物质 | 允许浓度(mg/L) |
|---|
| 二氧化硅 | 1.0 |
|---|
| 钙 | 0.5 |
|---|
| 镁 | 0.5 |
|---|
| 铁 | 0.1 |
|---|
| 锰 | 0.1 |
|---|
| 氯化物 | 5.0 |
|---|
| 硝酸盐 | 25.0 |
|---|
| 硫酸盐 | 25.0 |
|---|
| 二氧化碳 | 0.0 |
|---|
| 总溶解固形物 | 50.0 |
|---|
pH 值要求：6.8～7.5；比电导率：50 micro-20,000 mhos-cm。
说明：源文写作「Carbide dioxide」，按标准术语修正为二氧化碳（carbon dioxide）。
第36页：水射流应用范围概览
第37页：鱼肉射流切割
- 作业压力
- 35～70 MPa
- 优点
- 废料极少；不会对肉质造成污染。
第38页：板材射流切割参数
- 压力
- 140～300 MPa
- 流量
- 1～2 gpm
- 切割喷嘴材质
- 人造晶体，最典型为蓝宝石或红宝石
- 射流直径
- 通常 0.1～0.3 mm
第39页：金刚石选形切割
第40页：岩石切割与千年拱门
美国密苏里大学罗拉分校（UMR）的花岗岩「千年拱门」由水射流切割而成。
- 刀具永不钝化
- 有时在水射流中加入磨料，体积占比 5%～10%
第41页：
第42页：涡轮叶片射流切割
在计算机控制下，水射流切割涡轮叶片或导向叶片可获得很高的加工精度。
第43页：复杂轮廓射流加工
第44页：有害材料加工无粉尘危害
由于无粉尘，水射流在有害材料的加工制造中不会产生危害。
第45页：车削、去毛刺与表面精整
第46页：特殊零件射流制造
制造特殊零件时，不需要专用刀具或模具。
第47页：水射流雕刻
水射流可用于雕刻加工。
第48页：地面射流雕刻
水射流可用于地面雕刻。
第49页：瓷砖几何图形切割
水射流用于瓷砖切割，可制成各种几何形状。
第50页：玻璃射流磨削
水射流可用于玻璃的磨削加工。
第51页：冰粒磨料射流清洗
- 冰粒可在管线中生成
- 不对被切割材料造成污染
- 无需对磨料进行后续处理
第52页：射流钻井参数
- 压力
- 50 MPa
- 流量
- 10 L/s
第53页：船体表面清洗
- 作业内容
- 清除海生物附着与锈蚀
- 作业压力
- 35～70 MPa
第54页：管道射流清洗参数
- 压力
- 35～140 MPa
- 流量
- 10～40 gpm
第55页：第一次作业要求
第一次讲座的总结作业（约 500 词，英文），需包含以下要点：
- 水射流技术的定义是什么？
- 水射流系统的组成部件。
- 按不同因素列出水射流的类型及其主要应用。
- 水射流技术的优点与不足。
第56页：第一章判断题复习
- 目前实际应用中的射流可归为连续、脉冲与空化三类。（ ）
- 对多数工业应用，水与添加剂的混合液明显优于纯水射流。（ ）
- 在安全与培训方面，让学员跟随有经验的操作员一段时间就已足够。（ ）
第57页：第一章填空题复习
- 按压力与流量能力，高压泵主要有两种类型：1) 柱塞泵（plunger pump）；2) 增压器（intensifier）。
- 用于切割、钻孔或清洗的典型系统由以下部件组成：1) 泵或增压器；2) 软管与接头；3) 阀与泄压阀；4) 喷嘴；有时还包括 5) 防护装置与 6) 捕集器。
第58页：第一章口头报告题
- 水射流在工业中可用于哪些方面？
- 水射流用于清洗与切割时，压力与流量如何？
- 为什么切割作业中通常使用增压器？
- 为什么水射流清洗时流量一般要足够大？请举例说明。
