CIECIE STRUMIENIEM WODY
(Water Jest Cutting)

Jerzy Remisz Ph.D., P.Eng.

Od kilkunastu lat rozwija sie dynamicznie i zdobywa coraz to nowe dziedziny zastosowania technologia ciecia roznych materialow strumieniem wody pod wysokim cisnieniem - "water jest cutting" (WJC).

Lista aktualnych zastosowan technologii jest dosc dluga, aczkolwiek nie wszystkie z nich sa w pelni opanowane na skale przemyslowa. Mozna powiedziec, ze potrafimy przeciac woda prawie kazdy material naturalny i sztuczny. Nie w kazdym jednak przypadku jest to ekonomicznie i technicznie uzasadnione. Z drugiej strony sa przypadki, w ktorych ciecie woda jest najlepszym ze znanych rozwiazan.

Od lat rozwiniety na skale przemyslowa jest tzw. hydrodemolition: usuwanie zniszczonego betonu za pomoca wody zamiast mlotkow udarowych, powodujacych wibracje i halas, uciazliwych nie tylko dla otoczenia, ale rowniez szkodliwych dla zdrowych czesci budowli.

Intensywnie pracuje sie nad zastosowaniem tej techniki w kamieniolomach. Tradycyjne metody, np. uzycie materialow wybuchowych, dzialaja destrukcyjnie na wydobyty blok i na material pozostawiony w zlozu, powodujac w nim szereg mikropekniec. Strumien wody tnie "czysto" i nie daje tych ubocznych efektow.

W inzynierii kosmicznej strumien wody - z dodatkiem materialu sciernego - obrabia czesci pewnych stopow, ktore przy obrobce tradycyjnymi narzedziami mechanicznymi stracilyby swe wlasnosci wytrzymalosciowe na skutek wywiazujacego sie przy obrobce ciepla.

Ta technologia jest niemal idealna do wykonywania skomplikowanych napisow i logo firmowych ze stali, szkla, granitu itp. Strumien wody o srednicy kilku dziesiatych czesci milimetra mozna komputerowo prowadzic po dowolnym konturze. W podobny sposob mozna wycinac np. tzw. puzzle - strumien wody pozostawia szczeline rowna swojej srednicy, a wiec zaledwie ulamka milimetra.

Inne przyklady to ciecie drobiu, ryb, tortow, wycinanie elementow skladowych obuwia, przeciaganie kabli pod ziemia bez zniszczenia jej zagospodarowania powierzchniowego i szereg innych zastosowan. Czyniono proby z rozdrabnianiem kamieni zolciowych i nerkowych za pomoca mikroskopijnego strumienia, bez otwierania jamy brzusznej, jak rowniez ostatnio usuniecia guza na mozgu.

Olbrzymia dziedzina jest czyszczenie obiektow publicznych i przemyslowych np. budynkow, nawierzchni lotnisk, zbiornikow, wymiennikow ciepla itp.

W latach 60-tych Polska miala znaczacy - w skali swiatowej - udzial w rozwoju badan i praktycznym zastosowaniu tej technologii przy eksploatacji wegla kamiennego. Pod koniec lat 60-tych Polska zaprojektowala i zbudowala w Chinach calkowicie zhydromechanizowana kopalnie o nazwie Lu-Tia-To, ktora potem stala sie wzorem do samodzielnej juz budowy kilku innych kopalni hydromechanicznych. W tego typu kopalniach caly proces eksploatacji, a wiec odspojenia wegla od zloza, transport pod ziemia i na powierzchnie, a czesto nawet i transport powierzchniowy az do odbiorcy masowego takiego jak np. elektrownia, odbywa sie przy uzyciu wody.

Obecnie Polska jako kraj praktycznie nie jest widoczna, ale Polacy stanowia spora grupe specjalistow aktywnych w dziedzinie badan. Profesor Adam Klich z Akademii Gorniczo-Hutniczej w Krakowie jest czlonkiem wladz miedzynarodowego stowarzyszenia WJC. W Kanadzie jest nas trzech (dwoch w Ottawie, jeden w Toronto), kilku w USA i w Anglii jeden z tytulem profesorskim.

Trudno mowic o "typowej instalacji", jako ze rozmaitosc zastosowan jest ogromna. Jednak kazda z nich zawiera nastepujace podstawowe elementy:

  • urzadzenie do wytwarzania wysokiego cisnienia
  • system przewodow wysokocisnieniowych
  • organ wykonawczy, ktorego istotna czescia jest dysza ksztaltujaca strumien wody w uzyteczne narzedzie i kierujaca ten strumien ku obrabianej powierzchni.

Technologia operuje cisnieniami w zakresie od kilkudziesieciu do kilkuset megapascali (od kilku tysiecy do okolo 60000 psi), zaleznie od potrzeb. Dla porownania cisnienie w sieci wodociagowej jest rzedu 0.6 - 0.7 MPa (80-100 psi). Ilosci wody sa na ogol odwrotnie proporcjonalne do cisnienia. Przy bardzo niskich cisnieniach rzedu 30 - 60 MPa, ktore np. stosowano w Polsce do eksploatacji wegla kamiennego, potrzeba bylo okolo 600 l/min wody, dysza miala srednice rzedu 10 - 20 mm (do kolo 3/4"). Przy cisnieniach najwyzszych, ilosc wody wyraza sie w liczbach ulamkowych, a srednice dysz sa rzedu dziesiatych czesci milimetra (kilka tysiecznych cala). Organ roboczy w tym wypadku to czesto robot operujacy w wielu plaszczyznach i sterowany komputerowo.

Sam strumien mozna rozmaicie ksztaltowac: moze on byc ciagly, taki jak z weza ogrodniczego, moze tez byc pulsujacy, skladajacy sie z szeregu krociutkich strumieni - jak seria z karabinu maszynowego - dzieki czemu wykorzystuje sie zwielokrotniony efekt uderzenia wodnego oddzielnie przez kazdy z tych segmentow. Znane w technice zjawisko kawitacji, zwykle bardzo niepozadane gdyz dzialajace destruktywnie na elementy maszyn hydraulicznych i budowli wodnych, w tym wypadku jest celowo wywolywane w strumieniu wysokocisnieniowym, aby zwiekszyc jego aktywnosc. Dla pewnych celow do strumienia wody wprowadza sie material scierny, dzieki czemu mozna nim obrabiac tak twarde materialy jak stopy tytanowe, szklo, stal wysokostopowa itp.

Niestety z uwagi na szczuplosc miejsca mozna tu jedynie zasygnalizowac niektore zagadnienia bez wnikania w szczegoly.

Jakie sa zalety i wady tej techniki? Zalety to kolosalna energia skoncentrowana na bardzo malej powierzchni przekroju strumienia. Cos jak laser. A przy tym "narzedzie", czyli strumien wody, nie ulega zniszczeniu, tak jakby to bylo z narzedziem mechanicznym, ktore przy takim obciazeniu nie wytrzymuje wytwarzanej temperatury. Odpada problem tepienia "narzedzia", jego czestej wymiany i zwiazanych z tym przestojow maszyny, mozna uzyskac najbardziej skomplikowane ksztalty (np. puzzle) przy szerokosci ciecia rzedu ulamka milimetra. Strumien wody dziala jednoczesnie tlumiaco na wytwarzany pyl i w pewnym zakresie likwiduje niebezpieczenstwo wybuchu wskutek wytwarzanego iskrzenia (co jest np. wazne w gornictwie).

Ale sa takze ograniczenia i wady. Wada jest np. wysoki koszt inwestycyjny, ktory czesto przesadza na korzysc technik mniej doskonalych, ale tanszych, jak np. mlotkow udarowych w budownictwie. W pewnych okolicznosciach moze byc doprowadzenie, a zwlaszcza odprowadzenie wody z zanieczyszczeniami pozostalymi po operacji. Przy niskich temperaturach otoczenia konieczne sa dodatkowe srodki zapobiegajace zamarzaniu instalacji.

Zadna metoda nie jest panaceum na wszystkie klopoty technologiczne. Podobnie jest z "jet cutting". Ale strumien wody znalazl juz swoje wlasne i chyba trwale miejsce wsrod technik obrobki materialow i coraz wiecej inzynierow siega po to narzedzie.

Jerzy Remisz Ph.D., P.Eng.

9 grudnia 1993

Poczatek strony