磨料水射流切割技术起步较晚但发展非常迅速，现已在许多工业切割领域取代传统切割方式[1-2]。因 其具有高效、卫生、安全的特点，在石油天然气行业应用日益广泛[3-4]。与前混磨料水射流相比，后混磨料 水射流切割设备在应急抢修切割作业中独具优势，如操作简单、可连续供砂切割[5-6]等。应用磨料水射流 切割油气储存和运输设备，切割深度受多种工艺参数的影响。为正确选择切割工艺参数，达到快速高效 应急切割的目的，需要对油气设备主要材料进行切割试验研究。本文选择油气设备常用的Q235钢，设计 磨料水射流切割性能基础试验，探究各种工艺参数对Q235钢切割深度的影响规律

试验部分

1.1 试验设备

采用HSQ4020S五轴龙门水切割机。高压水发生器产生高压水， 通过极细口径的宝石水喷嘴进入混合腔，产生负压吸入磨料[7]，混合之后由砂管喷出，对材料进行切割。后混喷嘴结构如图1所示，试验切割平台如图2所示，利用数控工作台可以精确改变横移速度、靶距和泵 压等参数。

1.2 试验参数  

选用工业上常用的石榴石作磨料，主要粒径有60，80，120目3种。莫氏硬度为 7.5，努氏硬度为 1 350， 磨料密度为3.5 g/cm3。后混喷嘴砂管为标准配件，选用3种不同直径的砂管，分别为 0.8，1.0，1.5 mm。选用 油气储存运输常用的Q235钢作为切割材料，其力学性能如表1所示。试验过程中，保持磨料阀开度不变，调 节泵压、横移速度、靶距和入射角等参数，另外可以实现手动更换砂管以及磨料。

1.3 切槽样件

 图3为Q235钢切割后的样件。用游标卡尺精确测量切缝深度，每个切缝测量3次取平均值。

2 试验结果与分析

2.1 泵压对切割深度的影响

在泵机组常用压力范围内，选择150，200，250，300 MPa共4个泵压值进行试验。磨料为80目石榴石， 砂管直径为1.0 mm，靶距为4 mm，横移速度为100 mm/min。绘制切割深度与泵压关系散点图，并用线性 关系式进行拟合，如图4所示。 由图4可以看出，切割深度与泵压之间存在非常明显的线性关系。随泵压增大，水流速度和磨料速度 相应增大[8-9]，对材料的磨削作用增强，因此切割深度增大。泵压为300 MPa时切割深度约为20 mm，能够 满足大部分油气设备的切割要求。

2.2 入射角对切割深度的影响

五轴联动后混磨料水射流切割设备可以实现对材料的倾角切割。为探究不同入射角下的切割性能， 将垂直切割时的入射角定为90°，取喷嘴前进方向与喷嘴出口射流的夹角为入射角，如图5所示。根据设 备性能，在60°～125°内每隔5°进行一次试验。靶距为4 mm，磨料为80目石榴石，砂管直径为1.0 mm，横移速度为100 mm/min，切割深度与入射角关系如图6所示。

由图6可以看出，在60°～125°随入射角的增大切割深度先增大后减小，即存在一个最佳入射角使得 切割深度最大，试验条件下最佳入射角为105°。入射角小于90°时，切缝里的水和磨料不能及时排除，堆 积在切缝中，抵消了后续磨料射流的能量，水垫作用明显，切割效果减弱；入射角度大于90°时，适当的角 度倾斜使得水垫作用减弱，消弱了反击冲击波和膨胀波的影响[10]，提高了切割深度，到105°时切割深度达 到最大。继续增大入射角，高速射流束对材料垂直方向的撞击磨削作用减弱[11]，能量顺切缝流失变多，切 割深度开始减小。

2.3 磨料粒径对切割深度的影响

横移速度为100 mm/min，靶距为4 mm，砂管直径为1.0 mm，依次选用60，80，120目石榴石作磨料，研 究磨料粒径对切割深度的影响。绘制不同磨料粒径切割深度与泵压关系曲线，如图7所示。

对比3种不同粒径磨料切割深度可以看出，80目磨料切割效果最佳，其次为120目，再次为60目。磨 料被卷吸入混合腔后，在混合腔内与水混合，一方面受水的牵引加速，一方面又在不断地相互碰撞消耗能 量。磨料粒径过小，相应磨料动能小，而磨料水射流冲蚀作用主要靠磨料，故导致其冲蚀材料的性能下 降；磨料粒径过大，粒子在混合腔内发生碰撞和磨损的几率增加，容易使粒子的能量发生损耗，导致切割 性能下降。试验条件下存在最佳磨料粒径，即80目。

2.4 砂管直径对切割深度的影响

横移速度为100 mm/min，靶距为4 mm，磨料为80目石榴石，依次选用直径为0.8，1.0，1.5 mm的砂管， 研究砂管直径对切割深度的影响。绘制不同砂管直径切割深度与泵压关系曲线，如图8所示。 对比3种不同直径砂管切割深度可以看出，1.0 mm直径砂管切割效果最佳，其次为1.5 mm，再次为 0.8 mm。1.5 mm直径砂管切缝明显大于其他2种砂管的切缝，从而大大分散了能量，降低了切割深度；0.8 mm 砂管由于空间狭小，磨料在砂管中运动时相互碰撞几率大大增加，导致磨料的速度下降，影响了切割效 果。试验条件下存在最佳砂管直径，即1.0 mm。

2.5 横移速度对切割深度的影响 靶距为4 mm，磨料为80目石榴石，砂管直径为1.0 mm，横移速度依次选择100，150，200，250 mm/min， 绘制不同泵压切割深度与横移速度关系曲线，如图9所示。

2.6 靶距对切割深度的影响

横移速度为100 mm/min，磨料为80目石榴石，砂管直径为1.0 mm，依次选择切割靶距为1，2，4，6，10， 15 mm。绘制不同泵压切割深度与靶距关系曲线，如图10所示。 由图10可以看出，随靶距增大切割深度先在一个范围内微弱增大，存在一个最佳靶距使得切割深度 最大，且最佳靶距不随压力的变化而变化，约为4 mm。当靶距超过最佳靶后，切割深度急剧减小，进一步 增大靶距，减小趋于缓慢。磨料被高速水流裹挟，在喷嘴出口处仍在继续加速[12]，一定的靶距使得磨料水 射流达到最佳切割效果。在切割实践中发现，随靶距增大切缝宽度增加，使得射流能量更多的用来增加 缝宽，分散了增加切深的能量，故切割深度减小。

3 结 论 本文通过大量试验得到了高压磨料水射流切割Q235钢过程中各工艺参数对切割深度的影响规律， 主要有以下结论： 1）其他参数一定，切割深度随泵压增大而增大，且大体呈线性关系；切割深度随横移速度增大而减 小，且减小趋于缓慢。 2）试验条件下，靶距、磨料粒径和砂管直径均分别存在最佳选择使得切割深度最大，其中靶距为4 mm， 磨料为80目，砂管直径为1.0 mm。 3）一定的角度倾斜可以增大切割深度，试验条件下入射角为105°左右时，切割深度达到最大。