CIĘCIE STRUMIENIEM WODY
(Water Jest Cutting)

Jerzy Remisz Ph.D., P.Eng.

Od kilkunastu lat rozwija się dynamicznie i zdobywa coraz to nowe dziedziny zastosowania technologia cięcia różnych materiałów strumieniem wody pod wysokim ciśnieniem - "water jest cutting" (WJC).

Lista aktualnych zastosowań technologii jest dość długa, aczkolwiek nie wszystkie z nich są w pełni opanowane na skalę przemysłową. Można powiedzieć, że potrafimy przeciąć wodą prawie każdy materiał naturalny i sztuczny. Nie w każdym jednak przypadku jest to ekonomicznie i technicznie uzasadnione. Z drugiej strony są przypadki, w których cięcie wodą jest najlepszym ze znanych rozwiązań.

Od lat rozwinięty na skalę przemysłową jest tzw. hydrodemolition: usuwanie zniszczonego betonu za pomocą wody zamiast młotków udarowych, powodujących wibracje i hałas, uciążliwych nie tylko dla otoczenia, ale również szkodliwych dla zdrowych części budowli.

Intensywnie pracuje się nad zastosowaniem tej techniki w kamieniołomach. Tradycyjne metody, np. użycie materiałów wybuchowych, działają destrukcyjnie na wydobyty blok i na materiał pozostawiony w złożu, powodując w nim szereg mikropęknięć. Strumień wody tnie "czysto" i nie daje tych ubocznych efektów.

W inżynierii kosmicznej strumień wody - z dodatkiem materiału ściernego - obrabia części pewnych stopów, które przy obróbce tradycyjnymi narzędziami mechanicznymi straciłyby swe własności wytrzymałościowe na skutek wywiązującego się przy obróbce ciepła.

Ta technologia jest niemal idealna do wykonywania skomplikowanych napisów i logo firmowych ze stali, szkła, granitu itp. Strumień wody o średnicy kilku dziesiątych części milimetra można komputerowo prowadzić po dowolnym konturze. W podobny sposób można wycinać np. tzw. puzzle - strumień wody pozostawia szczelinę równą swojej średnicy, a więc zaledwie ułamka milimetra.

Inne przykłady to cięcie drobiu, ryb, tortów, wycinanie elementów składowych obuwia, przeciąganie kabli pod ziemią bez zniszczenia jej zagospodarowania powierzchniowego i szereg innych zastosowań. Czyniono próby z rozdrabnianiem kamieni żółciowych i nerkowych za pomocą mikroskopijnego strumienia, bez otwierania jamy brzusznej, jak również ostatnio usunięcia guza na mózgu.

Olbrzymią dziedziną jest czyszczenie obiektów publicznych i przemysłowych np. budynków, nawierzchni lotnisk, zbiorników, wymienników ciepła itp.

W latach 60-tych Polska miała znaczący - w skali światowej - udział w rozwoju badań i praktycznym zastosowaniu tej technologii przy eksploatacji węgla kamiennego. Pod koniec lat 60-tych Polska zaprojektowała i zbudowała w Chinach całkowicie zhydromechanizowaną kopalnię o nazwie Lu-Tia-To, która potem stała się wzorem do samodzielnej już budowy kilku innych kopalni hydromechanicznych. W tego typu kopalniach cały proces eksploatacji, a więc odspojenia węgla od złoża, transport pod ziemia i na powierzchnię, a często nawet i transport powierzchniowy aż do odbiorcy masowego takiego jak np. elektrownia, odbywa się przy użyciu wody.

Obecnie Polska jako kraj praktycznie nie jest widoczna, ale Polacy stanowią sporą grupę specjalistów aktywnych w dziedzinie badań. Profesor Adam Klich z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie jest członkiem władz międzynarodowego stowarzyszenia WJC. W Kanadzie jest nas trzech (dwóch w Ottawie, jeden w Toronto), kilku w USA i w Anglii jeden z tytułem profesorskim.

Trudno mówić o "typowej instalacji", jako że rozmaitość zastosowań jest ogromna. Jednak każda z nich zawiera następujące podstawowe elementy:

  • urządzenie do wytwarzania wysokiego ciśnienia
  • system przewodów wysokociśnieniowych
  • organ wykonawczy, którego istotną częścią jest dysza kształtująca strumień wody w użyteczne narzędzie i kierująca ten strumień ku obrabianej powierzchni.

Technologia operuje ciśnieniami w zakresie od kilkudziesięciu do kilkuset megapascali (od kilku tysięcy do około 60000 psi), zależnie od potrzeb. Dla porównania ciśnienie w sieci wodociągowej jest rzędu 0.6 - 0.7 MPa (80-100 psi). Ilości wody są na ogół odwrotnie proporcjonalne do ciśnienia. Przy bardzo niskich ciśnieniach rzędu 30 - 60 MPa, które np. stosowano w Polsce do eksploatacji węgla kamiennego, potrzeba było około 600 l/min wody, dysza miała średnicę rzędu 10 - 20 mm (do koło 3/4"). Przy ciśnieniach najwyższych, ilość wody wyraża się w liczbach ułamkowych, a średnice dysz są rzędu dziesiątych części milimetra (kilka tysięcznych cala). Organ roboczy w tym wypadku to często robot operujący w wielu płaszczyznach i sterowany komputerowo.

Sam strumień można rozmaicie kształtować: może on być ciągły, taki jak z węża ogrodniczego, może też być pulsujący, składający się z szeregu króciutkich strumieni - jak seria z karabinu maszynowego - dzięki czemu wykorzystuje się zwielokrotniony efekt uderzenia wodnego oddzielnie przez każdy z tych segmentów. Znane w technice zjawisko kawitacji, zwykle bardzo niepożądane gdyż działające destruktywnie na elementy maszyn hydraulicznych i budowli wodnych, w tym wypadku jest celowo wywoływane w strumieniu wysokociśnieniowym, aby zwiększyć jego aktywność. Dla pewnych celów do strumienia wody wprowadza się materiał ścierny, dzięki czemu można nim obrabiać tak twarde materiały jak stopy tytanowe, szkło, stal wysokostopową itp.

Niestety z uwagi na szczupłość miejsca można tu jedynie zasygnalizować niektóre zagadnienia bez wnikania w szczegóły.

Jakie są zalety i wady tej techniki? Zalety to kolosalna energia skoncentrowana na bardzo małej powierzchni przekroju strumienia. Coś jak laser. A przy tym "narzędzie", czyli strumień wody, nie ulega zniszczeniu, tak jakby to było z narzędziem mechanicznym, które przy takim obciążeniu nie wytrzymuje wytwarzanej temperatury. Odpada problem tępienia "narzędzia", jego częstej wymiany i związanych z tym przestojów maszyny, można uzyskać najbardziej skomplikowane kształty (np. puzzle) przy szerokości cięcia rzędu ułamka milimetra. Strumień wody działa jednocześnie tłumiąco na wytwarzany pył i w pewnym zakresie likwiduje niebezpieczeństwo wybuchu wskutek wytwarzanego iskrzenia (co jest np. ważne w górnictwie).

Ale są także ograniczenia i wady. Wadą jest np. wysoki koszt inwestycyjny, który często przesądza na korzyść technik mniej doskonałych, ale tańszych, jak np. młotków udarowych w budownictwie. W pewnych okolicznościach może być doprowadzenie, a zwłaszcza odprowadzenie wody z zanieczyszczeniami pozostałymi po operacji. Przy niskich temperaturach otoczenia konieczne są dodatkowe środki zapobiegające zamarzaniu instalacji.

Żadna metoda nie jest panaceum na wszystkie kłopoty technologiczne. Podobnie jest z "jet cutting". Ale strumień wody znalazł już swoje własne i chyba trwałe miejsce wśród technik obróbki materiałów i coraz więcej inżynierów sięga po to narzędzie.

Jerzy Remisz Ph.D., P.Eng.

9 grudnia 1993

Początek strony