CN105234826A - 一种井下围压磨料射流模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下围压磨料射流模拟实验装置，其包括围压筒，围压筒的左端设置有喷嘴安装调节组件，围压筒的右端设置有试件夹持组件；围压筒的壁上设置有测量围压筒内压力的压力表和泄压用的安全阀，围压筒的顶部设置有中心孔与围压筒连通的可视管嘴和照明管嘴，可视管嘴的中心孔的底端密封安装有蓝宝石耐高压透镜，可视管嘴内设置有正对蓝宝石耐高压透镜的高速摄像头，照明管嘴的中心孔内密封安装有光纤光源；围压筒的底部连通有一储料罐，围压筒与储料罐构成一个密闭腔体，储料罐安装在一底座上。本发明还提供了一种井下围压磨料射流模拟实验方法。本方案解决了现有实验装置承压小、操作麻烦和实验过程观察不清晰的问题。

Description

一种井下围压磨料射流模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及水射流技术领域，具体是一种井下围压磨料射流模拟实验装置及方法。

背景技术

高压磨料水射流是上世纪八十年代初在纯水射流加工的基础上发展起来的一种新的加工技术。它是磨料与高压、高速流动的水相互混合而形成的液固两相介质射流，它的切削作用主要由磨料来完成，磨料在高压水的高速冲击下，速度急剧增加，形成高速磨料射流，并以极高的速度经磨料喷嘴冲击工作，使工件上局部应力场应力高速集中，并快速变化，因而产生冲蚀，剪切，直至材料被切除。

上世纪八十年代末，德国汉诺威大学利用淹没磨料射流对钢材进行了切割实验，以寻找淹没射流的有效参数；九十年代初，德法两国研究者用远程控制技术将磨料切割头放置于水下15米处进行实验，用于验证切割的控制技术、磨损的状态及切割的效果。

2009年，重庆大学将淹没射流装置与磨料射流系统融合形成淹没磨料射流系统，研究了淹没磨料射流空泡云的形成及淹没磨料射流对岩石的冲蚀性能。其公开号为CN102721525B的专利—一种淹没射流测试箱及测试方法，该测试箱能模拟一种淹没射流环境，具有结构简单、操作方便、喷嘴更换容易和多种测试功能等优点，但还存在以下不足：

1.视窗采用平面钢化玻璃，使得最大承压较小，磨料射流冲蚀实验时易损坏视窗；

2.不能直观控制靶距，需要夹持器和进给装置配合使用，较麻烦；

3.视窗采用平面钢化玻璃，表面会存在凹凸不平现象，且长期被射流冲蚀后会轻微的厚度变薄，透光率不高；

4.试件更换不方便。

上述不足不利于实验室开展磨料水射流的测试研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种井下围压磨料射流模拟实验装置及方法，其能够解决现有实验装置承压小、操作麻烦和实验过程观察不清晰的问题。

本发明的技术方案如下：

一种井下围压磨料射流模拟实验装置，包括围压筒，围压筒的左端设置有喷嘴安装调节组件，喷嘴安装调节组件包括出口在围压筒内的射流管和固定在射流管出口的喷嘴；围压筒的右端设置有试件夹持组件；围压筒的壁上设置有测量围压筒内压力的压力表和泄压用的安全阀，围压筒的顶部设置有中心孔与围压筒连通的可视管嘴和照明管嘴，可视管嘴的中心孔的底端密封安装有蓝宝石耐高压透镜，可视管嘴内设置有正对蓝宝石耐高压透镜的高速摄像头，照明管嘴的中心孔内密封安装有光纤光源；可视管嘴、照明管嘴和喷嘴的中心轴交于试件夹持组件夹持的试件的左端面所在位置的一点；围压筒的底部连通有一储料罐，围压筒与储料罐构成一个密闭腔体，储料罐安装在一底座上。

进一步的，所述可视管嘴的中心轴与围压筒的中心轴呈45度夹角，可视管嘴的两侧对称分部有两个照明管嘴，照明管嘴的中心轴与可视管嘴的中心轴呈60度夹角，可视管嘴、照明管嘴和喷嘴的中心轴交于试件左端面中心所在的位置。

进一步的，根据权利要求1或2所述的一种井下围压磨料射流模拟实验装置，其特征在于：围压筒上还设置有一个可视窗口，可视窗口的直径为22mm，可视窗口安装有蓝宝石耐高压玻璃。

进一步的，喷嘴安装调节组件包括右端部位于围压筒内的射流管安装套，射流管安装套与围压筒间固定安装且与围压筒内壁间密封连接，射流管设置在射流管安装套的中心孔中，射流管的右端与射流管安装套中心孔的右端通过防尘密封环密封连接；射流管的左部固定连接于一位移调节套的中心孔中，所述位移调节套包括位于射流管与射流管安装套之间的衬套和位于射流管安装套外的刻度套，衬套与射流管安装套螺纹连接，衬套和刻度套的右端均开口，衬套和刻度套的左端封闭连接在一起，位移调节套的左端外壁沿径向设置有调节手柄，射流管安装套的外表面从右至左分布有表示长度的刻度线及读数，喷嘴的右端至试件的距离等于刻度套右端面所指刻度线的读数。

进一步的，射流管安装套的中心孔为内设一个台阶且左端内径较大的阶梯孔，射流管外壁设有与射流管安装套中心孔的台阶对应的限位台；射流管安装套与围压筒间连接有第二螺纹压环且右端与围压筒内壁间设有第二O型密封环。

进一步的，试件夹持组件包括位于围压筒内的试件安装套，试件安装套的左端开口，试件安装套的右端封闭且连接有端盖，端盖的左端部与围压筒的内壁密封连接，端盖的右端部与围压筒间连接有第一螺纹压环，第一螺纹压环的外螺纹与围压筒的内壁螺纹连接，所述端盖的左端部与围压筒的内壁间设置有第一O型密封环。

进一步的，所述试件安装套的壁上安装有数个试件固定螺栓，试件固定螺栓的尾部穿过试件安装套将安装在试件安装套内的试件压紧；端盖的右端面设有沿轴向的装卸螺纹孔；第一螺纹压环的右端部位于围压筒外且在外壁设有沿径向的装卸卡口。

进一步的，储料罐的侧壁设有围压调节孔，所述围压调节孔内安装有出料管嘴；储料罐的底部设有排料孔，所述排料孔中安装有排料螺塞堵头，排料螺塞堵头的头部朝下，排料螺塞堵头的尾部连接有一橡胶垫块，橡胶垫块覆盖在排料螺塞堵头的尾端上，储料罐与围压筒连通的孔与橡胶垫块对齐；围压筒和储料罐为304不锈钢材质。

本发明还提供了一种井下围压磨料射流模拟实验的方法，其包括如下步骤：

1)通过U型卡将进料管连接到射流进口上，将喷嘴安装到射流管上，出料管嘴安装到围压调节孔中，同时将压力表、安全阀连接到腔体上，压力表并与压力传感器连接。

2)通过试件固定螺栓将试件固定于试件安装套中，并使用装卸工具将试件安装套、端盖、第一螺纹压环安装固定在围压筒内，可视管嘴和照明管嘴中分别装入高速摄像头和光纤光源，通过调节手柄调节喷嘴与试件之间的距离。

3)射流管连通进料管与液压稳压源后，磨料射流从喷嘴喷出，在冲击试件后，在高压高速条件下进入储料罐，再由出料管嘴喷出，通过压力表观察记录围压筒内压力变化情况，通过可视窗口观察和记录磨料射流冲蚀、破坏试件的动态过程。

4)通过更换喷嘴，测试不同结构的喷嘴的射流结构和流场，优化喷嘴结构参数，通过采用不同直径的喷嘴和出料管嘴，拟合出不同喷嘴和出料管嘴组合的泵压围压关系曲线。

5)通过调节手柄带动喷嘴改变至试件的距离，测试磨料射流在不同靶距下的冲蚀能力，优化喷嘴结构。

6)通过试件安装套夹持不同的岩石试件，配合高速摄像头拍摄微观状态下磨料射流冲蚀试件瞬间的变化特性。

通过本方案的实验装置，不仅可以模拟不同围压下磨料冲蚀破碎岩石的过程，还可以针对相同条件下不同强度的岩石进行模拟，同时该装置还可以精确调节和控制靶距以及对磨料射流冲蚀过程进行观察。在测试淹没磨料射流过程中，能够更好的记录磨料颗粒的运动轨迹，同时防止磨料颗粒飞出射流边界，更加安全；具有多种测试功能，与其他射流测试装置相比，不仅能够测试淹没条件下射流的流场结构，同时可以多次重复利用，简便且效率较高，实用性较强，节约实验经费。本发明解决了模拟井下围压下不同类型射流冲蚀岩石试件的可视化测试问题，其不仅能够提供一种淹没条件下的射流，而且同时可以采用非接触式方法测试射流结构，能够更加真实的反映射流的原始结构。同时，结合其他测试仪器，本实验装置既能用于测试淹没条件下不同喷嘴的射流结构，借助影像设备记录磨料射流与试件被冲蚀的实时变化情况，优化喷嘴。

附图说明

图1是井下围压磨料射流模拟实验装置的剖面结构图；

图2是图1所示井下围压下磨料射流模拟实验装置的左视结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

见图1～2所示的一种井下围压磨料射流模拟实验装置，其围压筒1为磨料射流实验的实验舱，用于模拟实验所需的环境；其试件夹持组件用于将试件3在实验舱中定位；其喷嘴安装调节组件用于引入磨料射流，使磨料射流对试件3进行冲蚀；其采用蓝宝石耐高压透镜121和高速摄像头用于图像记录磨料射流对试件3的冲蚀过程；其光纤光源用于照明，提高图像记录的质量。此外，本方案的模拟实验装置还设置储料罐4进行磨料射流的收集，还设置压力表显示压力环境，设置安全阀保证设备安全。

具体来讲，喷嘴安装调节组件设置在围压筒1的左端，其射流管20的左端为射流的入口201，射流管20的右端为射流的出口，喷嘴21固定在出口端，射流管20的右端部及喷嘴21处于围压筒1内对试件3进行磨料射流冲蚀。射流管20的左部位于围压筒1外，以连接磨料射流源和调节射流管20伸入围压筒1的长度(即调节喷嘴21距试件3的距离)。射流管20通过射流管安装套21支撑，射流管安装套21定位的右端部与围压筒1内壁接触，射流管安装套21的右端外壁与围压筒1内壁贴合且两者间设第二O型密封环22来密封，第二螺纹压环27实现两者的刚性固定，防止实验过程中射流管安装套21抖动移位和泄漏。射流管20在射流管安装套21中轴向调节时通过防尘密封环23来防止泄漏，防尘密封环23设置在射流管安装套21中心孔的右端口，与射流管20外壁和射流管安装套21中心孔内壁紧密接触。射流管20的轴向调节通过围压筒1外的位移调节套实现，射流管20的左部固定连接在位移调节套的中心孔中，位移调节套的衬套24和刻度套25间限位成开口朝右的深度槽，在带动射流管20移动时，射流管安装套21的左部在这个深度槽中相对左右移动，在起导向作用的同时，结合外表面带刻度线的射流管安装套21和带参考线的刻度套25，从而直观得知射流管20调节的位移。位移调节套左端外壁的调节手柄26沿径向设置，拨动调节手柄26，转动位移调节套，衬套24与射流管安装套21的中心孔通过螺纹相对移动，磨料射流对射流管20向外的推力受衬套24与射流管安装套21的中心孔间的螺纹结构阻止，射流管20不会自动退出围压筒1。

围压筒1右端的试件夹持组件提供支撑给试件3，牢固定位试件3的同时还应保证围压筒1端部的密封。试件安装套14位于围压筒1内，其左端开口用于放入试件3，其右端封闭固定到端盖15上，端盖15的右端部与围压筒1间设置第一螺纹压环13实现支撑固定，端盖15左端部的外壁与围压筒1的内壁贴合通过第一O型密封环150压在中间密封。试件3装入试件安装套14后，为避免其松动，在试件安装套14的顶部和底部各装入一排试件固定螺栓140，试件固定螺栓140的尾部穿入试件安装套14中将试件3压紧。当需要更换试件3时，为实现装卸方便，第一螺纹压环13右端部位于围压筒1外，在其外壁设有沿径向的装卸卡口152，装卸工具插入装卸卡口152将第一螺纹压环13卸载，端盖15的右端面设沿轴向的装卸螺纹孔151，装卸工具与装卸螺纹孔151连接固定后就能将试件安装套14拉出更换。

在试件3受磨料射流冲蚀时，采用高速摄像头记录。在围压筒1的顶部焊接可视管嘴12和照明管嘴16，可视管嘴12和照明管嘴16的中心孔连通围压筒1内部。可视管嘴12和照明管嘴16的外顶部塞入带中心小孔的塞子。可视管嘴12的中心孔120的底端镶嵌蓝宝石耐高压透镜121，保证透光率和耐高压，高速摄像头在可视管嘴12中正对蓝宝石耐高压透镜121并由塞子123固定，对准射流与试件3的冲蚀点进行记录。光纤光源伸入照明管嘴16中心孔处塞子160的中心小孔内，对围压筒1内的环境进行照明。可视管嘴12、照明管嘴16和喷嘴21的中心轴交于试件3被冲蚀端面的中心点A点。

在围压筒1的底部连通储料罐4，通过储料罐4及时将冲蚀后的磨料射流收集和排出，避免围压筒1中液体过多，剩余的冲蚀能量干扰实验结果，并且可实现回收再利用。围压筒1与储料罐4构成一个密闭腔体，通过储料罐4安装在底座5上支撑围压筒1。在储料罐4的侧壁设有围压调节孔来安装出料管嘴40，以泄流磨料射流。储料罐4底部的排料孔是用于排泄磨料射流，实验时用排料螺塞堵头41堵住排料孔，实验结束后，将排料螺塞堵头41卸掉排流。排料螺塞堵头41的尾部朝储料罐4内，为避免磨料射流对排料螺塞堵头41在造成冲蚀，在排料螺塞堵头41的尾端上用橡胶垫块42固定覆盖保护，橡胶具有缓冲作用，即使磨损，更换也方便。即便储料罐4与围压筒1连通的孔43与橡胶垫块42对齐，有了橡胶垫块42的保护，排料螺塞堵头41也不易损耗，也减小了磨料射流对实验装置的冲击。

围压筒1的壁上设安装压力传感器和安全阀的安装管嘴，压力传感器外接压力表，以显示围压筒1内的压力，压力过高时可通过安全阀泄压。本实验装置应能承受围压30MPa，围压筒1和储料罐4采用304不锈钢材质。

射流管安装套21的中心孔内设一个台阶，形成左端内径较大的阶梯孔；射流管20外壁设与射流管安装套21中心孔的台阶对应的限位台200。通常设计喷嘴21与试件3间距调节范围为0-100mm，对于小直径喷嘴21的射流实验而言，已经足够了，对应的，射流管安装套21上刻度线的步长为1mm，范围为0-100mm，刻度套25的右端面作为参考线，喷嘴21抵触到试件3时，参考线对应指向零刻度，喷嘴21与试件3的间距在上述范围内时，距离值为参考线指向的刻度读数。

为避免光线折射影响观察效果，可视管嘴12的中心轴与围压筒1的中心轴呈45度夹角，可使拍摄视线基本垂直穿过玻璃。可视管嘴12的两侧对称分部两个照明管嘴16，照明管嘴16的中心轴与可视管嘴12的中心轴呈60度夹角，光纤光源提供光源，可视管嘴12、照明管嘴16和喷嘴21的中心轴交于试件3左端面中心A点，通过窗口可清晰地观察和记录磨料射流冲蚀切割、破坏试件3的动态过程。

在围压筒1上还可设置一个可视窗口，用于肉眼观察、记录实验过程，其直径为22mm，窗口安装蓝宝石耐高压玻璃。

本实验装置能够实现任意围压井下切割环境的模拟，在此基础上进行冲蚀实验，系统地探索磨料射流在井下作业环境中，喷射距离、喷射压差、环境围压等因素对磨料射流的影响规律，客观真实地模拟在井下高围压下磨料射流对岩石的冲蚀作用。

采用上述井下围压磨料射流模拟实验装置进行实验的大致步骤为：

1)通过U型卡将进料管连接到射流进口上，将喷嘴安装到射流管上，出料管嘴安装到围压调节孔中，同时将压力表、安全阀连接到腔体上，压力表并与压力传感器连接。

2)通过试件固定螺栓将试件固定于试件安装套中，并使用装卸工具将试件安装套、端盖、第一螺纹压环安装固定在围压筒内，可视管嘴和照明管嘴中分别装入高速摄像头和光纤光源，通过调节手柄调节喷嘴与试件之间的距离。

3)射流管连通进料管与液压稳压源后，磨料射流从喷嘴喷出，在冲击试件后，在高压高速条件下进入储料罐，再由出料管嘴喷出，通过压力表观察记录围压筒内压力变化情况，通过可视窗口观察和记录磨料射流冲蚀、破坏试件的动态过程。

4)通过更换喷嘴，测试不同结构的喷嘴的射流结构和流场，优化喷嘴结构参数，通过采用不同直径的喷嘴和出料管嘴，拟合出不同喷嘴和出料管嘴组合的泵压围压关系曲线。

5)通过调节手柄带动喷嘴改变至试件的距离，测试磨料射流在不同靶距下的冲蚀能力，优化喷嘴结构。

6)通过试件安装套夹持不同的岩石试件，配合高速摄像头拍摄微观状态下磨料射流冲蚀试件瞬间的变化特性。

Claims (10)

1.一种井下围压磨料射流模拟实验装置，包括围压筒，围压筒的左端设置有喷嘴安装调节组件，喷嘴安装调节组件包括出口在围压筒内的射流管和固定在射流管出口的喷嘴；围压筒的右端设置有试件夹持组件；围压筒的壁上设置有测量围压筒内压力的压力表和泄压用的安全阀，其特征在于：围压筒的顶部设置有中心孔与围压筒连通的可视管嘴和照明管嘴，可视管嘴的中心孔的底端密封安装有蓝宝石耐高压透镜，可视管嘴内设置有正对蓝宝石耐高压透镜的高速摄像头，照明管嘴的中心孔内密封安装有光纤光源；可视管嘴、照明管嘴和喷嘴的中心轴交于试件夹持组件夹持的试件的左端面所在位置的一点；围压筒的底部连通有一储料罐，围压筒与储料罐构成一个密闭腔体，储料罐安装在一底座上。

2.根据权利要求1所述的一种井下围压磨料射流模拟实验装置，其特征在于：所述可视管嘴的中心轴与围压筒的中心轴呈45度夹角，可视管嘴的两侧对称分部有两个照明管嘴，照明管嘴的中心轴与可视管嘴的中心轴呈60度夹角，可视管嘴、照明管嘴和喷嘴的中心轴交于试件左端面中心所在的位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种井下围压磨料射流模拟实验装置，其特征在于：围压筒上还设置有一个可视窗口，可视窗口的直径为22mm，可视窗口安装有蓝宝石耐高压玻璃。

4.根据权利要求1或2所述的一种井下围压磨料射流模拟实验装置，其特征在于：喷嘴安装调节组件包括右端部位于围压筒内的射流管安装套，射流管安装套与围压筒间固定安装且与围压筒内壁间密封连接，射流管设置在射流管安装套的中心孔中，射流管的右端与射流管安装套中心孔的右端通过防尘密封环密封连接；射流管的左部固定连接于一位移调节套的中心孔中，所述位移调节套包括位于射流管与射流管安装套之间的衬套和位于射流管安装套外的刻度套，衬套与射流管安装套螺纹连接，衬套和刻度套的右端均开口，衬套和刻度套的左端封闭连接在一起，位移调节套的左端外壁沿径向设置有调节手柄，射流管安装套的外表面从右至左分布有表示长度的刻度线及读数，喷嘴的右端至试件的距离等于刻度套右端面所指刻度线的读数。

5.根据权利要求4所述的一种井下围压磨料射流模拟实验装置，其特征在于：刻度线的步长为1mm，范围为0-100mm。

6.根据权利要求5所述的一种井下围压磨料射流模拟实验装置，其特征在于：射流管安装套的中心孔为内设一个台阶且左端内径较大的阶梯孔，射流管外壁设有与射流管安装套中心孔的台阶对应的限位台；射流管安装套与围压筒间连接有第二螺纹压环且右端与围压筒内壁间设有第二O型密封环。

7.根据权利要求1、2、5、6中任一项所述的一种井下围压磨料射流模拟实验装置，其特征在于：试件夹持组件包括位于围压筒内的试件安装套，试件安装套的左端开口，试件安装套的右端封闭且连接有端盖，端盖的左端部与围压筒的内壁密封连接，端盖的右端部与围压筒间连接有第一螺纹压环，第一螺纹压环的外螺纹与围压筒的内壁螺纹连接，所述端盖的左端部与围压筒的内壁间设置有第一O型密封环。

8.根据权利要求7所述的一种井下围压磨料射流模拟实验装置，其特征在于：所述试件安装套的壁上安装有数个试件固定螺栓，试件固定螺栓的尾部穿过试件安装套将安装在试件安装套内的试件压紧；端盖的右端面设有沿轴向的装卸螺纹孔；第一螺纹压环的右端部位于围压筒外且在外壁设有沿径向的装卸卡口。

9.根据权利要求1、2、5、6、8中任一项所述的一种井下围压磨料射流模拟实验装置，其特征在于：储料罐的侧壁设有围压调节孔，所述围压调节孔内安装有出料管嘴；储料罐的底部设有排料孔，所述排料孔中安装有排料螺塞堵头，排料螺塞堵头的头部朝下，排料螺塞堵头的尾部连接有一橡胶垫块，橡胶垫块覆盖在排料螺塞堵头的尾端上，储料罐与围压筒连通的孔与橡胶垫块对齐；围压筒和储料罐为304不锈钢材质。

10.一种利用权利要求9所述模拟实验装置进行井下围压磨料射流模拟实验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过U型卡将进料管连接到射流进口上，将喷嘴安装到射流管上，出料管嘴安装到围压调节孔中，同时将压力表、安全阀连接到腔体上，压力表并与压力传感器连接；

2)通过试件固定螺栓将试件固定于试件安装套中，并使用装卸工具将试件安装套、端盖、第一螺纹压环安装固定在围压筒内，可视管嘴和照明管嘴中分别装入高速摄像头和光纤光源，通过调节手柄调节喷嘴与试件之间的距离；

3)射流管连通进料管与液压稳压源后，磨料射流从喷嘴喷出，在冲击试件后，在高压高速条件下进入储料罐，再由出料管嘴喷出，通过压力表观察记录围压筒内压力变化情况，通过可视窗口观察和记录磨料射流冲蚀、破坏试件的动态过程；

4)通过更换喷嘴，测试不同结构的喷嘴的射流结构和流场，优化喷嘴结构参数，通过采用不同直径的喷嘴和出料管嘴，拟合出不同喷嘴和出料管嘴组合的泵压围压关系曲线；

5)通过调节手柄带动喷嘴改变至试件的距离，测试磨料射流在不同靶距下的冲蚀能力，优化喷嘴结构；

6)通过试件安装套夹持不同的岩石试件，配合高速摄像头拍摄微观状态下磨料射流冲蚀试件瞬间的变化特性。