CN107283326B - 液氮与冰粒磨料射流方法及其发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种液氮与冰粒磨料射流方法及其发生装置，所述射流方法是自顶部向发生装置内注入液氮流体，同时在所述发生装置的顶部下方通过雾化喷嘴向所述发生装置内注入雾化水滴，雾化水滴与液氮流体接触形成冰粒，冰粒与液氮流体在所述发生装置内混合后自所述发生装置的底部出口喷射流出形成液氮与冰粒射流，液氮与冰粒射流对处理对象进行射流作业。该射流方法及其发生装置能够实现磨料浓度的自由控制，作业效率高，且清洁无污染。

Description

液氮与冰粒磨料射流方法及其发生装置

技术领域

本发明涉及磨料射流技术领域，尤其涉及一种液氮与冰粒磨料射流方法及其发生装置。

背景技术

磨料水射流是在纯水射流加工的基础上发展起来的一种新的加工技术。磨料水射流具有高压水射流的无磨损、无尘、冷加工等特点，同时其冲击力和磨削力要比高压水射流大得多，系统工作压力低，作业效率高。因此，磨料射流广泛的应用于清洗、切割、破岩、机械加工、套管开窗等领域。但目前的磨料射流往往存在磨料添加困难，浓度难以控制，特别是在油气井领域大型化应用时；此外，地面切割时磨料后处理较为麻烦，会对环境有一定的污染；另外，磨料射流冲击力较大，在清洗、除垢等过程中往往会对作业对象造成一定的伤害，比如在管道结垢清洗中往往仅能使用高压水射流技术，而不能采用效率更高的磨料射流。

冰射流技术是20世纪60年代发展起来的一种磨料射流，以冰粒替代传统磨料，在高速流体带动下形成的高速冰粒粒子流。由于冰粒硬度较低，莫氏硬度在2～4之间，因此其磨蚀性能低，对作业对象具有一定的保护作用；冰粒在撞击靶件后，将融化为水，因此不需要后处理。该技术出现以来，在表面清洗及脱漆行业就表现出巨大的应用潜力和优势。但是冰粒的制取与保存，以及冰粒添加困难等问题限制了冰粒射流的发展。

近年来，液氮射流技术逐渐进入人们的视野，目前多用于破岩。液氮是一种无色无味、清洁无污染的“绿色”流体，来源广泛，温度极低(-195.8℃)。在喷射过程中会在岩石表面形成一定范围的低温冲击区，该区域内的岩石温度急剧降低并收缩，从而在岩石内部和冲击面上产生较大的拉应力，促使微裂缝的产生和扩展，辅助破碎岩石。对于含水岩石，岩石孔隙内流体冻结膨胀，在岩石颗粒间形成较大的拉应力，破坏岩石颗粒间基质胶结并形成裂隙损伤，从而大幅降低岩石强度。此外，根据气体状态方程，标准状态下液氮气化体积将膨胀近700倍。液氮进入岩石裂缝孔隙后气化膨胀，将在裂缝尖端形成较大张力作用，有效促使裂缝扩展延伸，提高液氮射流破岩效果。但液氮射流其冲击效果较差，作业往往需要较高的压力，对设备要求高，同时增大成本与危险性。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种液氮与冰粒磨料射流方法及其发生装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液氮与冰粒磨料射流方法及其发生装置，克服现有技术中存在的传统磨料射流磨料添加困难、表面射流时易损坏靶件和作用后磨料回收困难且污染环境的缺陷，解决冰粒射流冰粒的制取与保存难题，同时能克服纯液氮射流打击力弱的缺点。该射流方法能够实现磨料浓度的自由控制，作业效率高，且清洁无污染。

本发明的目的是这样实现的，一种液氮与冰粒磨料射流方法，所述射流方法是自顶部向发生装置内注入液氮流体，同时在所述发生装置的顶部下方通过雾化喷嘴向所述发生装置内注入雾化水滴，雾化水滴与液氮流体接触形成冰粒，冰粒与液氮流体在所述发生装置内混合后自所述发生装置的底部出口喷射流出形成液氮与冰粒射流，液氮与冰粒射流对处理对象进行射流作业。

在本发明的一较佳实施方式中，该射流方法包括以下步骤：

步骤a、在所述发生装置的顶部连通液氮泵，在所述发生装置的顶部下方连通雾化喷嘴，所述雾化喷嘴的外侧连通水泵；

步骤b、通过所述液氮泵对液氮流体进行加压，加压后的液氮流体注入所述发生装置内，同时通过所述水泵对水加压形成水射流，水射流通过所述雾化喷嘴形成雾化水滴，雾化水滴喷射进入所述发生装置内；

步骤c、雾化水滴在所述发生装置内与液氮流体接触形成冰粒，冰粒与液氮流体均匀混合；

步骤d、液氮与冰粒自所述发生装置的底部出口喷射流出，形成液氮与冰粒射流，液氮与冰粒射流对处理对象进行射流作业。

本发明的目的还可以这样实现，一种用于液氮与冰粒磨料射流方法的发生装置，所述发生装置包括本体，所述本体的中心处设置轴向贯通的本体内腔，所述本体内腔的顶部构成液氮入口，所述本体内腔的中部及下部构成混合腔，所述本体内腔的底部构成射流出口；所述本体位于所述液氮入口下方的侧壁上连通设置有侧接口，所述侧接口的中心处设置轴向贯通的水通道，所述水通道与所述混合腔连通设置，所述水通道内设置雾化喷嘴。

在本发明的一较佳实施方式中，所述发生装置为后混式发生装置，所述本体内腔位于所述水通道出口的上方固定设置有液氮喷嘴，所述本体内腔的底部自外向内穿设有混砂管，所述混砂管的内腔顶部与所述混合腔连通，所述混砂管的底部构成所述射流出口。

在本发明的一较佳实施方式中，所述本体内腔位于所述水通道出口的上方设置有直径减小的台阶部，所述台阶部的中心处设置有轴向贯通的喷嘴安装孔，所述液氮喷嘴的底部设置有向下延伸设置的凸柱部，所述凸柱部穿设于所述喷嘴安装孔内，所述液氮喷嘴的底部端面抵靠于所述台阶部的顶面上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述本体的侧壁上穿设有至少一个紧固螺钉，所述紧固螺钉的一端顶抵于所述混砂管的侧壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述混砂管的内腔顶部设置有直径向下渐缩的第一过渡锥面。

在本发明的一较佳实施方式中，所述发生装置为前混式发生装置，所述本体内腔的下部直径减小构成射流通孔，所述射流通孔的底部构成所述射流出口。

在本发明的一较佳实施方式中，所述射流通孔的顶部与所述混合腔之间形成直径向下渐缩的第二过渡锥面。

由上所述，本发明的液氮与冰粒磨料射流方法及其发生装置具有如下有益效果：

(1)本发明的液氮与冰粒磨料射流方法通过雾化水滴接触液氮流体制取冰粒，冰粒与液氮流体均匀混合形成射流，液氮与水的来源广泛，无需顾虑原材料的来源、制取和保存问题；

(2)本发明的液氮与冰粒磨料射流方法能够通过调节向雾化喷嘴供应的水的流量控制雾化水滴的流量，从而实现冰粒浓度的自由控制，作业效率高，便于实现不同的作业强度需求；

(3)本发明的液氮与冰粒磨料射流方法中采用液氮与冰粒射流，处理对象是需要清理表面杂物的金属靶件时，经液氮流体射流加速后的冰粒具有磨料的作用，对于处理对象表面的杂物有很强的清洗效果，同时冰粒硬度低、打击力弱，有助于保护处理对象，拓宽磨料射流的应用领域；处理对象是需要使用液氮射流破碎的岩石时，混合了冰粒的液氮射流冲击效果较好，无需较高的压力的情况下即可实现射流破岩；

(4)本发明射流方法和发生装置在实际应用过程中，可以结合具体的施工目的与要求，选择使用不同的水射流参数(压力、温度、排量等)、液氮射流参数(射流压力、排量、温度等)、喷嘴参数(直径、结构、喷距等)、喷嘴横移速度等工作参数，从而实现不同的作业要求；

(5)本发明的液氮与冰粒磨料射流方法中射流作业结束后，在周围环境温度下，液氮迅速挥发为氮气，而冰粒也重新融化为液态水，整个作业过程不存在磨料的回收问题，不会产生任何环境污染的产物，清洁环保；

(6)本发明的用于液氮与冰粒磨料射流方法的发生装置结构简单，便于推广使用。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的后混式发生装置外观示意图。

图2：为本发明的后混式发生装置剖视图。

图3：为本发明的前混式发生装置外观示意图

图4：为本发明的前混式发生装置剖视图。

图中：

100、发生装置；

1、本体；

10、本体内腔；101、液氮入口；102、混合腔；103、射流出口；

11、侧接口；111、水通道；

12、液氮喷嘴；121、凸柱部；

13、混砂管；131、第一过渡锥面；

14、台阶部；141、喷嘴安装孔；

15、紧固螺钉；

16、射流通孔；161、第二过渡锥面；

2、雾化喷嘴。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明提供一种液氮与冰粒磨料射流方法，该射流方法是自顶部向发生装置100内注入液氮流体，同时在发生装置100的顶部下方通过雾化喷嘴向发生装置100内注入雾化水滴，雾化水滴与液氮流体接触形成冰粒，冰粒与液氮流体在发生装置100内混合后自发生装置100的底部出口喷射流出形成液氮与冰粒射流，液氮与冰粒射流对处理对象(处理对象可以是需要清理表面杂物的金属靶件或者需要使用液氮射流破碎的岩石，现有技术，图中未示出)进行射流作业。

进一步，液氮与冰粒磨料射流方法包括以下步骤：

步骤a、在发生装置100的顶部连通液氮泵(现有技术，图中未示出)，在发生装置100的顶部下方连通雾化喷嘴2，雾化喷嘴2由外而内的斜向下或水平地连通于发生装置100，雾化喷嘴2的外侧连通水泵(现有技术，图中未示出)；

步骤b、通过液氮泵对液氮流体进行加压，加压后的液氮流体注入发生装置100内，同时通过水泵对水加压形成水射流，水射流通过雾化喷嘴2形成雾化水滴，雾化水滴喷射进入发生装置100内；

步骤c、雾化水滴在发生装置100内与液氮流体接触形成冰粒(由于液氮温度极低(-196℃)，雾化水滴与液氮接触后在极短的时间内凝结形成固态冰粒)，冰粒与液氮流体均匀混合；

步骤d、液氮与冰粒自发生装置100的底部出口喷射流出，形成液氮与冰粒射流，液氮与冰粒射流对处理对象进行射流作业。

如图1至图4所示，本发明提供一种用于液氮与冰粒磨料射流方法的发生装置100(射流装置)，该发生装置100包括本体1，本体1的中心处设置轴向贯通的本体内腔10，本体内腔10的顶部构成液氮入口101，本体内腔10的中部及下部构成混合腔102，本体内腔10的底部构成射流出口103；本体1位于液氮入口101下方的侧壁上连通设置有侧接口11，侧接口11自外而内地斜向下设置或者水平设置，侧接口11斜向下设置时效果较佳，侧接口11与本体1的侧壁之间的夹角可以适当调整，以实现最好的雾化水滴添加效果；侧接口11的中心处设置轴向贯通的水通道111，水通道111与混合腔102连通设置，水通道111内设置雾化喷嘴2。水泵将水加压形成水射流进入侧接口11内，液态水流经雾化喷嘴2形成极小的雾化水滴，雾化水滴与液氮流体在混合腔内部混合，同时通过控制向雾化喷嘴2供应的水的流量控制加入水的流量(浓度)，便于实现不同的作业强度需求。考虑到用水量小，且形成雾化水滴需要的压力较低，选用常规的水泵即可满足工作要求。本发明的用于液氮与冰粒磨料射流方法的发生装置100结构简单，便于推广使用。

本发明的用于液氮与冰粒磨料射流方法的发生装置100可以分为后混式发生装置和前混式发生装置。

实施例一、后混式发生装置：如图1、图2所示，本体内腔10位于水通道111出口的上方固定设置有液氮喷嘴12，本体内腔10的底部自外向内穿设有混砂管13，本体1侧壁上穿设有至少一个紧固螺钉15，紧固螺钉15的一端顶抵于混砂管13的侧壁上，混砂管13由耐磨材料制成，且硬度较大，以保证能够承受冰粒较强的磨削能力；紧固螺钉15起到固定混砂管13的作用，保证混砂管13居中，以使液氮与冰粒射流处于最佳位置，防止偏磨。混砂管13的内腔顶部与混合腔102连通，为了使混合磨料流动顺畅，混砂管13的内腔顶部设置有直径向下渐缩的第一过渡锥面131，混砂管13的底部构成射流出口103。

在本实施方式中，本体内腔10位于水通道111出口的上方设置有直径减小的台阶部14，台阶部14的中心处设置有轴向贯通的喷嘴安装孔141，液氮喷嘴12的底部设置有向下延伸设置的凸柱部121，凸柱部121穿设于喷嘴安装孔141内，液氮喷嘴12的底部端面抵靠于台阶部14的顶面上，液氮喷嘴12在上部液氮流体的作用下向下压紧于台阶部14上。液氮喷嘴12为蓝宝石喷嘴，具有极强的耐磨性，并且液氮喷嘴12的喷射腔直径尺寸很小，液氮流体自液氮入口101进入后通过液氮喷嘴12，液氮流体通过液氮喷嘴12后压力减小速度增大，形成液氮射流，由于混合腔102的内径远大于液氮喷嘴12直径的喷射腔直径尺寸，高速低压的液氮射流会在抽吸效应作用下于混合腔102内部形成负压空间(现有技术)，便于雾化水滴的添加。

使用本实施例的发生装置100进行射流时，液氮泵自液氮入口101注入加压的液氮流体，液氮流体经液氮喷嘴12后形成液氮射流，同时，水泵自侧接口11注入水射流，水射流经雾化喷嘴2形成极小的雾化水滴，雾化水滴与液氮射流在混合腔102内部混合，雾化水滴与液氮射流接触后在极短的时间内凝结为固体的冰粒。冰粒在液氮射流场中加速并与液氮射流均匀混合，液氮与冰粒经混砂管13喷出形成液氮与冰粒射流，液氮与冰粒射流对处理对象进行射流作业。处理对象是需要清理表面杂物的金属靶件时，射流加速后的冰粒具有磨料的作用，对于处理对象表面的杂物有很强的清洗效果，同时冰粒硬度低、打击力弱，有助于保护处理对象，拓宽磨料射流的应用领域；处理对象是需要使用液氮射流破碎的岩石时，混合了冰粒的液氮射流冲击效果较好，无需较高的压力的情况下即可实现射流破岩。处理对象不同时，其采用的液氮流体压力分别根据实际需要进行确定。液氮与冰粒射流作业结束后，在周围环境温度下，液氮迅速挥发为氮气，而冰粒也重新融化形成少量的液态水，整个作业过程不存在磨料的回收问题，不会产生任何环境污染的产物，清洁环保，同时液氮与水的来源广泛，无需顾虑原材料的来源、制取和保存问题。

实施例二、前混式发生装置：如图3、图4所示，本体内腔10的下部直径减小构成射流通孔16，射流通孔16的底部构成射流出口103。为了使混合磨料流动顺畅，射流通孔16的顶部与混合腔102之间形成直径向下渐缩的第二过渡锥面161。

使用本实施例的发生装置100进行射流时，液氮泵自液氮入口101注入加压的液氮流体，同时，水泵自侧接口11注入水射流，水射流经雾化喷嘴2形成极小的雾化水滴，雾化水滴与液氮流体在混合腔102内部混合，雾化水滴与液氮流体接触后在极短的时间内凝结为固体的冰粒。冰粒在液氮流场中加速并与液氮射流均匀混合，液氮与冰粒经下部的射流通孔16喷出形成液氮与冰粒射流，液氮与冰粒射流对处理对象进行射流作业。

本实施例的发生装置与实施例一中的发生装置相比，不同之处在于，射流通孔16由本体内腔10下部缩径构成，且混合腔102的上部未设置液氮喷嘴12形成高速的液氮射流，在本实施例中，冰粒具有更长的加速段和混合段，保证冰粒被充分加速并与液氮流体混合均匀。由于实施例一中负压效应的存在，在相同的作业要求中，本实施例所需的液氮泵压力比实施例一中所需的液氮泵压力更低。

由上所述，本发明的液氮与冰粒磨料射流方法及其发生装置具有如下有益效果：

(1)本发明的液氮与冰粒磨料射流方法通过雾化水滴接触液氮流体制取冰粒，冰粒与液氮流体均匀混合形成射流，液氮与水的来源广泛，无需顾虑原材料的来源、制取和保存问题；

(2)本发明的液氮与冰粒磨料射流方法能够通过调节向雾化喷嘴供应的水的流量控制雾化水滴的流量，从而实现冰粒浓度的自由控制，作业效率高，便于实现不同的作业强度需求；

(3)本发明的液氮与冰粒磨料射流方法中采用液氮与冰粒射流，处理对象是需要清理表面杂物的金属靶件时，经液氮流体射流加速后的冰粒具有磨料的作用，对于处理对象表面的杂物有很强的清洗效果，同时冰粒硬度低、打击力弱，有助于保护处理对象，拓宽磨料射流的应用领域；处理对象是需要使用液氮射流破碎的岩石时，混合了冰粒的液氮射流冲击效果较好，无需较高的压力的情况下即可实现射流破岩；

(4)本发明射流方法和发生装置在实际应用过程中，可以结合具体的施工目的与要求，选择使用不同的水射流参数(压力、温度、排量等)、液氮射流参数(射流压力、排量、温度等)、喷嘴参数(直径、结构、喷距等)、喷嘴横移速度等工作参数，从而实现不同的作业要求；

(5)本发明的液氮与冰粒磨料射流方法中射流作业结束后，在周围环境温度下，液氮迅速挥发为氮气，而冰粒也重新融化为液态水，整个作业过程不存在磨料的回收问题，不会产生任何环境污染的产物，清洁环保，同时液氮与水的来源广泛，无需顾虑原材料的来源和制取问题；

(6)本发明的用于液氮与冰粒磨料射流方法的发生装置结构简单，便于推广使用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种液氮与冰粒磨料射流方法，其特征在于，所述射流方法是自顶部向发生装置内注入液氮流体，同时在所述发生装置的顶部下方通过雾化喷嘴向所述发生装置内注入雾化水滴，雾化水滴与液氮流体接触形成冰粒，冰粒与液氮流体在所述发生装置内混合后自所述发生装置的底部出口喷射流出形成液氮与冰粒射流，液氮与冰粒射流对处理对象进行射流作业；

该射流方法包括以下步骤：

步骤a、在所述发生装置的顶部连通液氮泵，在所述发生装置的顶部下方连通雾化喷嘴，所述雾化喷嘴的外侧连通水泵；

步骤b、通过所述液氮泵对液氮流体进行加压，加压后的液氮流体注入所述发生装置内，同时通过所述水泵对水加压形成水射流，水射流通过所述雾化喷嘴形成雾化水滴，雾化水滴喷射进入所述发生装置内；

步骤c、雾化水滴在所述发生装置内与液氮流体接触形成冰粒，冰粒与液氮流体均匀混合；

步骤d、液氮与冰粒自所述发生装置的底部出口喷射流出，形成液氮与冰粒射流，液氮与冰粒射流对处理对象进行射流作业。

2.一种用于如权利要求1所述的液氮与冰粒磨料射流方法的发生装置，其特征在于，所述发生装置包括本体，所述本体的中心处设置轴向贯通的本体内腔，所述本体内腔的顶部构成液氮入口，所述本体内腔的中部及下部构成混合腔，所述本体内腔的底部构成射流出口；所述本体位于所述液氮入口下方的侧壁上连通设置有侧接口，所述侧接口的中心处设置轴向贯通的水通道，所述水通道与所述混合腔连通设置，所述水通道内设置雾化喷嘴。

3.如权利要求2所述的发生装置，其特征在于，所述发生装置为后混式发生装置，所述本体内腔位于所述水通道出口的上方固定设置有液氮喷嘴，所述本体内腔的底部自外向内穿设有混砂管，所述混砂管的内腔顶部与所述混合腔连通，所述混砂管的底部构成所述射流出口。

4.如权利要求3所述的发生装置，其特征在于，所述本体内腔位于所述水通道出口的上方设置有直径减小的台阶部，所述台阶部的中心处设置有轴向贯通的喷嘴安装孔，所述液氮喷嘴的底部设置有向下延伸设置的凸柱部，所述凸柱部穿设于所述喷嘴安装孔内，所述液氮喷嘴的底部端面抵靠于所述台阶部的顶面上。

5.如权利要求3所述的发生装置，其特征在于，所述本体的侧壁上穿设有至少一个紧固螺钉，所述紧固螺钉的一端顶抵于所述混砂管的侧壁上。

6.如权利要求3所述的发生装置，其特征在于，所述混砂管的内腔顶部设置有直径向下渐缩的第一过渡锥面。

7.如权利要求2所述的发生装置，其特征在于，所述发生装置为前混式发生装置，所述本体内腔的下部直径减小构成射流通孔，所述射流通孔的底部构成所述射流出口。

8.如权利要求7所述的发生装置，其特征在于，所述射流通孔的顶部与所述混合腔之间形成直径向下渐缩的第二过渡锥面。