高压水射流关键技术

2018年度提名国家科技进步奖项目公示容一、项目名称高压水射流关键技术、成套装备研发及其工程应用二、提位意见该项目立足于工业领域中众多高危险、高难度的水力破碎、钢质表面除层和特种材料切割工程需求，在国首次建立定量化射流模型和装备评价体系，突破了超高压旋转水射流技术难题，研发了系列超高压发生设备并开发了工程化成套装备，实现了特定工程目标的新工艺，项目成果成功应用于高压泵、喷嘴、水切割破碎设备、高压清洗机等产品设计制造单位，以及国家石油储备基地、中国石油、国际机场、天津市政、船舶重工等工程应用单位。

项目成果促进了我国超高压水射流领域的技术进步。

成果形成的新技术装备体系完整，在破碎、除层和切割三类工程领域适应围广泛，取得了突出的经济效益与社会效益。

项目材料填写规，容真实，经公示无异议。

对照国家科学技术进步奖授奖条件，提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。

三、项目简介许多高危险、高难度的工程长期依赖落后工艺，如人工在油罐清除油泥、高空船舶除锈、钢构件化学和喷砂除层、航空航天特种材料成型等，频发恶性安全事故，环境污染严重，危害人身健康，效率极度低下。

水射流技术以其集束打击、湿式清洁、冷态作业和适应性强等特点可以成为上述难题的新工艺。

而上世纪90年代我国乃至国际上水射流技术还限于初期阶段，由于缺失超高压水射流技术体系和喷嘴、旋转体、往复密封、阀组等关键技术，国高压泵在70MPa、110kW以，射流部件限于手持喷枪，应用停留在简单的清洗作业。

本项目自2004年始，针对工业清洗、除层(除磷、除锈、破碎)和水切割三大类工程需求，以100～420MPa超高压大流量水射流技术为核心，集泵、阀、密封、液压、真空、自动化等多学科为一体，开发了大流量高难度工业清洗、超高压表面除层和超高压智能化水切割等功能的多种成套装备，在石化、冶金、机场、船舶、铝业、路桥和材料成型等领域广泛应用，安全、环保、高效。

在此基础上创建了以技术专著、产品标准、发明专利等形式的高压水射流技术体系。

项目填补国空白，达到国际先进水平，某些指标国际领先。

项目作为通用技术，淘汰大批落后工艺，打破国外垄断，使我国的水射流技术、产品和产业从无到有，到大规模生产。

主要创新点如下：1、建立量化射流模型和装备技术与标准体系。

揭示射流现象和机理，建立射流压力、磨料量、喷嘴直径、材料特性、靶距、打击力、横移速度、材料破坏量等参数的量化模型，提出了射流参量的经验公式与数据，形成射流核心技术的工程系统设计方法和技术专著；提出喷嘴与泵优化匹配的高压初始工况指标、易损件运行寿命期及其失效点指标，三者构成产品运行可靠性的通用评价方法，形成3项国标为基础的装备标准体系。

2、创新超高压旋转水射流技术。

研制宝石、钻石等材料喷嘴总成实现不同参数超高压大流量工况；以弹簧预压非接触端面镜面间隙实现高压射流旋转体，采用粘性工质阻尼旋转体稳定在最佳转速，不超速、不卡死。

超高压旋转射流保证了高难度作业的打击力，将点击变为面击，开发出二维、三维旋转射流喷头，极大提高工效。

3、研发多种超高压发生设备。

设计间隙套筒与填料间置的预压式组合密封形式，利用锥形套筒弹性变形创造难以加工的压力降间隙将超高压降为高压，再由芳纶填料密封，可靠地解决纯水介质大围参数和速度的超高压往复密封；针对进出水阀组研制组合式平衡阀组，保证多种超高压泵和增压器的可靠运行。

4、研发工程化应用的成套装备。

创造多种射流形式与工况，优化组构多学科技术，实现特定工程目标的新工艺和全压力围的分级应用，形成超高压水射流爬壁除锈、储油罐油泥破碎回收、特殊材料多功能水切割、机场跑道除胶、高压除磷生产线、路桥道面破碎、高温清洗机等全新成套装备，并达到产业化能力。

本项目获国家发明专利18项，制修订国家和行业标准9项，发表论文91篇，出版技术专著1部，获省部级一等奖2项。

产业化近三年新增销售额31.3亿元，新增利润36042万元，新增税收18256万元，出口创汇4172万美元。

四、客观评价本项目由射流技术理论、科技成果鉴定和产品工程应用三部分构成，第三方评价亦即对这三部分成果的评价。

1) 科技成果鉴定本项目针对射流除层、水力破碎和水刀切割三类应用，对“超高压水射流爬壁除锈成套设备”、超高压旋转水射流技术及其表面处理工程应用”、“大型储罐罐底油泥清洗与回收成套设备”、“机场跑道除胶设备”、“超高压水切割工艺和设备的研究”省部级项目技术成果进行专家会议鉴定。

鉴定专家组评价认为：这些系列成套装备具有自主知识产权核心技术，整体功能达到了同类产品国际先进水平，填补了我国工程应用的空白。

2) 技术体系评价中国工程院院士、中国石油钻井和水射流技术专家忠厚先生的评价：“在高压水射流理论、应用研究及产品研制中，结合我国国情，逐步发展了具有中国特色的高压水射流设备和具有自主知识产权的核心技术”。

行业企业的应用证明：本项目的国家、行业标准系列极大促进了全国喷射设备行业的技术进步，对其产品的经济效益和社会效益产生了巨大影响。

3) 社会学术团体评价中国机械工程学会流体工程分会评价：以工程应用为目标，建立起射流参数之间的多种应用量化模型，用以指导产品开发和工程应用。

该团队先后开发的多种成套装备其技术水平达到国际先进水平。

该团队相继出版的两部技术专著，成为我国喷射设备行业的工具书，并为专业论文广泛引用。

项目团队的研究成果及推广应用，引领了我国喷射设备行业的发展，使我国高压水射流技术与国际先进水平保持同步。

五、推广应用情况项目成果成功应用于镇海国家石油储备基地的大罐油泥破碎回收、国际机场跑道除胶、天津市政道桥桥面破碎、船舶重工的船舶除锈、中科院光机所的复合材料切割、贵铝的氧化铝管道除疤等工程。

高压泵、水切割机及高压清洗机等产业化成套装备已出口至美国、欧洲、东南亚、尼日利亚等国家和地区。

成果形成的新技术装备体系完整，在破碎、除层和切割三类工程领域得到广泛应用。

六、主要知识产权目录. .. .c. .. .c. .. .c. ... ..七、主要完成单位及创新推广贡献1) 第一完成单位：通用机械研究院。

作为项目的牵头单位，负责项目的组织、协调、管理工作，在项目实施过程中提供了技术和人员等保障措施。

主要创新贡献如下：(1) 创建射流技术理论，提出射流破碎的基础模型，定量解析射流现象及其特征；(2) 以工程为导向，提出了工业清洗破碎、除层、切割的三大应用方向并全程实施。

(3) 承担各种型式射流执行机构的产品开发、试制工作，先后研发出大型储油罐油泥破碎、水力破碎混凝土、机场跑道除胶、钢质表面除锈除漆除磷、高端超高压水切割机等工程化成套设备，并引导工程应用和指导企业产业化；(4) 制修定多项高压水射流行业相关国家及行业标准。

2) 第二完成单位：华中科技大学。

协助项目总体技术路线的实施，从事射流理论的研究工作，为部分产品的研制提供了一定的理论支撑，在数控水切割机、射流技术的理论研究和数值模拟方法方面做出了贡献。

3) 第三完成单位：水泵厂有限责任公司。

协助项目总体技术路线的实施，参与国家标准的制定，配合项目不断研发高压泵系列产品，主要承担水射流成套设备的推广应用工作和高压泵大规模产业化。

4) 第四完成单位：水刀股份。

配合项目不断开发超高压增压器系列产品和数控水切割平台的升级换代，先后开发了通用型水刀和智能化水刀系列产品，成为我国水刀制造的第一大企业。

承担水切割平台产业化工作，参与国家标准的制定。

5) 第五完成单位：大农实业股份。

协助项目总体技术路线的实施。

协助促进高压清洗机技术成果的推广应用。

参与国家标准的制定。

6) 第六完成单位：博际喷雾系统股份。

协助项目总体技术路线的实施。

在应用研究方面，针对喷嘴喷射性能，开展了理论分析和试验研究，协助超高压喷嘴总成技术成果的推广应用。

7) 第七完成单位：通用环境控制技术有限责任公司。

参与项目技术方案的制定和实施，参与大型储罐罐底油泥清洗与回收成套设备、机场跑道除胶设备及高压清洗机等成套装备技术研究和推广应用。

八、主要完成人情况表1) 第一完成人：薛胜雄，通用机械研究院，教授级高工，博士学位。

负责总体技术路线制定与实施，对项目4个创新成果均作出贡献：揭示射流现象和机理，建立射流量化模型，形成射流核心技术的工程系统设计方法和技术专著。

创造多种射流形式，实现特定工况目标的新工艺和全压力围极端参数水射流的工程应用。

2) 第二完成人：成晓北，华中科技大学，教授，博士学位。

协助项目总体技术路线的实施，对创新点1做出贡献：参与高压喷射液体射流机理及其控制技术的研究，为部分产品的研制提供了一定的理论支撑。

3) 第三完成人：正文，通用机械研究院，研究员，硕士学位。

协助提出总体方案，对创新点1、2、4做出了贡献：参与高压水射流机理研究，提出射流参量的经验公式与数据；攻克超高压旋转水射流关键技术应用难题，开发出超高压水射流爬壁机器人、特殊材料多功能水切割机、机场跑道除胶车等国产首台套，参与国家标准制修订和成果推广应用。

4) 第四完成人：方忠，水泵厂有限责任公司，高级工程师，硕士学位。

协助项目总体技术路线的实施，对科技创新点3有贡献：参与项目的技术研发工作，对射流技术、产品进行了长期研究，配合项目不断研发高压泵系列产品，主要承担水射流成套设备的推广应用工作和高压泵大规模产业化，参与国家标准的制定和成果推广应用。

5) 第五完成人：王永强，通用环境控制技术有限责任公司，教授级高工，学士学位。

协助项目总体技术路线的实施，对创新点2、4做出了贡献：参与特定工程目标的新工艺应用研究，优化组构多学科技术，开发出超高压纯水射流除锈、大型储油罐油泥清洗回收、机场跑道除胶与路桥道面水射流破碎等成套技术装备，参与国家标准制修订和成果推广应用。

6) 第六完成人：王洪仁，大农实业股份，高级工程师，大学学历。

协助项目总体技术路线的实施，对创新点4有贡献：参与高压水主泵机组的研制，协助促进高压清洗机技术成果的推广应用，参与国家标准的制定。

7) 第七完成人：波，水刀股份有限责任公司，教授级高工，大学学历。

对创新点2有贡献：参加了超高压水切割设备的研制，配合项目开发系列超高压增压器产品和数控水切割平台。

承担水切割平台产业化工作，参与国家标准的制定。

8) 第八完成人：管序荣，博际喷雾系统股份，高级工程师，大学学历。

协助项目总体技术路线的实施，对创新点1、4 有贡献：参与射流机理研究与超高压喷嘴的研发，协助超高压喷嘴总成技术成果的推广应用。

9) 第九完成人：巴胜富，通用环境控制技术有限责任公司，高级工程师，学士学位。

对创新点3、4有贡献：参与大型储罐三维旋转喷枪空化射流技术研究，参与大型储罐罐底油泥清洗与回收成套设备、机场跑道除胶设备及高压清洗机等成套装备的国产化研制和推广应用。