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高压磨料射流水下切割技术研究

摘要

高压磨料射流（AWJ）水下切割技术是一种新型的水下管道切割技术，具有安全环

保、效率高等优点，被越来越多的海洋工程公司应用于切割各种管道，如水下井口、桩

腿等。目前，高压磨料射流水下切割的核心技术被国外垄断，国内对于该技术的研究

还处于初期阶段。掌握高压磨料射流水下切割技术，实现高压磨料射流水下切割系统

国产化，对我国发展绿色海洋经济具有重要意义。

本文以国产高压磨料射流水下切割系统样机为基础，提出了前混式磨料射流系统

设计方案。通过混砂单元模型试验研究了磨料混合的过程。针对高压磨料射流样机存在

的问题，做出相应改进。针对磨料射流混合的特点，分析了磨料颗粒的加速过程和磨料

颗粒对管道内部磨损的机理；研究相关理论，为模拟磨料射流流场建立了计算流体力学

仿真模型。

针对磨料堵塞、磨料混合不均匀的问题，提出一种新型的混合腔结构。基于文丘里

效应，设计混合腔结构模型模型，并建立混合腔流场仿真模型。利用仿真软件模拟分析

了混合腔内部磨料浆液的混合过程。利用正交试验设计对混合腔结构参数进行优化，得

到较为优异的混合腔结构参数。研究了磨料质量流量和颗粒目数对混优化混合腔的影响。

根据优化的结构参数，加工混合腔，并进安全测试。

针对喷嘴的切割能力不足、寿命短的问题，提出了提出了一种优化的喷嘴结构。建

立喷嘴淹没流场二维仿真模型，确定喷嘴的结构参数。以锥直型喷嘴为对照组，利用单

一变量法研究喷嘴结构参数的变化对射流的速度和喷嘴使用寿命的影响。利用正交试

验设计，以喷嘴性能优异指数为优化目标，对喷嘴几何结构参数进行优化，并对结果

进行数学分析，得到了性能较为优异的喷嘴。

针对实际作业过程中操作参数缺乏理论指导的问题，本文基于人工神经网络理论，

建立磨料射流BP神经网络切缝宽度预测模型。设计钢板切割试验，使用AWJ水下切割

装备切割不同厚度的钢板，记录切割时的操作参数以及切割缝宽。将实验数据随机分为

训练集和检验集，导入模型进行训练和检验，得到了精度较高的切缝宽度预测模型，为

后续的工程应用提供了理论指导。

关键词：磨料射流；水下切割；喷嘴；混合腔；切割预测模型

高压磨料射流水下切割技术研究

Abstract

High-pressureabrasivejet(AWJ)underwatercuttingtechnologyisanewtypeof

underwaterpipecuttingtechnology,withtheadvantagesofsafetyandenvironmentalprotection,

highefficiency,moreandmoremarineengineeringcompaniesareusedinunderwaterpipe

cutting.Atpresent,thecoretechnologyofhigh-pressureabrasivejetunderwatercutting

technologyismonopolizedbyforeigncountries,andthedomesticresearchonthistechnology

isstillintheearlystage.Themasteryofhigh-pressureabrasivejetunderwatercutting

technologyandthelocalizationofhigh-pressureabrasivejetunderwatercuttingsystemareof

greatsignificancetothedevelopmentofgreenmarineeconomyinChina.

Inthispaper,thedesignofapre-mixedabrasivejetsystemisproposed