李鵬軒，許根富，金浩哲

(1.杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江 杭州 310051；2. 浙江理工大學(xué) 流動(dòng)腐蝕研究所，浙江 杭州 310018)

0　引言

沖蝕磨損是多相流管道系統(tǒng)(管道、閥門)中典型的失效模式[1-4]，是制約設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要因素。管道、閥門等裝置是連接控制重要設(shè)備、重大裝置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而輸送流體介質(zhì)成分往往復(fù)雜多變，實(shí)際運(yùn)行工況與理論設(shè)計(jì)難以一致，故很難做出準(zhǔn)確沖蝕失效預(yù)測(cè)，極易導(dǎo)致穿孔、爆炸等危害人身及社會(huì)安全的重大安全事故。所以，有必要針對(duì)典型管道用材開(kāi)展氣固兩相流沖蝕問(wèn)題的研究。

考慮到?jīng)_蝕影響因素眾多，影響規(guī)律復(fù)雜多變，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)沖擊角度、環(huán)境溫度等沖蝕主要影響因素展開(kāi)試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到了特定材料在特定沖蝕環(huán)境下的沖蝕性能。如賈伯早[5]、劉炳[6]等人針對(duì)共晶成分鋁錳合金和顆粒增強(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料的抗沖蝕磨損規(guī)律進(jìn)行了研究；王光存[7]等人針對(duì)壓縮機(jī)葉輪材料FV520B的沖蝕規(guī)律與機(jī)理展開(kāi)研究，指導(dǎo)葉輪材料的選用；楊景周[8]等人研究了36#、90#SiC在1 000℃以上高溫時(shí)高鋁磚的沖蝕影響規(guī)律；Fang Minghao[9]等人針對(duì)5YSZ材料在90°正沖角下的沖蝕性能進(jìn)行了高溫試驗(yàn)研究。

10#、AISI304鋼是典型的煤化工管道材料，在工程上有廣泛的應(yīng)用，具備較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但目前為止缺乏對(duì)10#、AISI304這類典型煤化工管材的沖蝕磨損性能研究。本試驗(yàn)利用基于激波管原理的氣固兩相流沖蝕試驗(yàn)裝置[10]開(kāi)展對(duì)典型管材的沖蝕磨損性能研究，分析沖擊角度與溫度因素對(duì)沖蝕行為的影響規(guī)律，指導(dǎo)多相流管道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化選材及優(yōu)化防護(hù)。

1　試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1　試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)設(shè)備采用基于激波管原理驅(qū)動(dòng)的氣固兩相流沖蝕試驗(yàn)裝置，與目前常見(jiàn)的自由式[11]、真空落砂式、懸臂式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置均有所不同，具有運(yùn)行成本低，沖擊速度大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作穩(wěn)定等特點(diǎn)。可以針對(duì)不同試樣在150～200 m/s的顆粒沖擊速度、15°～90°的沖擊角度以及15～450 ℃的環(huán)境溫度下完成沖蝕磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.高壓氣瓶；2.固定支架；3.減壓閥；4.激波管驅(qū)動(dòng)段； 5.鋁片；6.被驅(qū)動(dòng)段；7.固體顆粒(SiO2)；8.錫箔紙； 9.加速段；10.顆粒收集箱；11.試樣；12.角度板； 13.試件臺(tái)；14.溫度控制儀。圖1　沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置組成Fig.1　Erosion experimental device composition diagram

本沖蝕試驗(yàn)裝置的基本工作原理為：控制減壓閥開(kāi)度，調(diào)節(jié)激波管驅(qū)動(dòng)段壓力；當(dāng)驅(qū)動(dòng)段壓力升高，鋁片兩側(cè)壓力差達(dá)到臨界值時(shí)，鋁片無(wú)法承受兩端壓力差而突然破裂，激波在鋁片破損后生成，并以極高的速度向管口處運(yùn)動(dòng)，此時(shí)波后氣體受激波擾動(dòng)而隨之高速運(yùn)動(dòng)；激波與高速氣流的雙重作用下，使固體顆粒在經(jīng)過(guò)加速段之后獲得所需的運(yùn)動(dòng)速度；高速運(yùn)動(dòng)的固體顆粒群瞬間沖擊固定與試件臺(tái)的試樣而引起材料變形與脫落，達(dá)到?jīng)_蝕的目的。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1試樣與顆粒

10#、AISI304鋼是典型的煤化工管道材料，在工程上有廣泛的應(yīng)用，具備較高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值。10#、AISI304鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能見(jiàn)表1。將材料制成規(guī)格為70 mm×100 mm×1 mm的試樣，并在邊角處加工出4個(gè)的孔，便于試樣的安裝與固定，如圖2所示。試樣測(cè)試前均用800#和1 200#砂紙對(duì)測(cè)試表面進(jìn)行打磨；通過(guò)堿液與流水進(jìn)行表面去污，隨后放入丙酮超聲波清洗機(jī)徹底清洗，吹干后放入干燥皿待用。

圖2　試樣平面示意圖及安裝固定Fig.2　Sample plan and the installation of a fixed plane

SiO2是管道輸運(yùn)流體介質(zhì)中普遍存在的固體雜質(zhì)之一，從微觀形貌上看，SiO2為尖角顆粒，輸運(yùn)過(guò)程中對(duì)壁面材料的磨損不可輕視。本試驗(yàn)利用140 μm及160 μm篩網(wǎng)篩選平均粒徑為150 μm左右的SiO2顆粒，使用精度為0.1 mg的電子分析天平(上海上平，F(xiàn)A1004)稱量定量的顆粒備用。

1.2.2試驗(yàn)測(cè)試方法

根據(jù)沖蝕試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的試驗(yàn)測(cè)試方法如下：將清洗干燥后的試樣多次稱重后記錄平均質(zhì)量，緊固在試件臺(tái)上，利用角度板調(diào)節(jié)沖擊角度，溫度控制儀調(diào)節(jié)試件臺(tái)的溫度，而顆粒則按試驗(yàn)規(guī)定置于加速段上端。試樣與顆粒裝載完成后，嵌置鋁片，安裝激波管，控制減壓閥開(kāi)度，對(duì)激波管驅(qū)動(dòng)段加壓，直至鋁片被沖破，SiO2顆粒沖擊試樣表面。試樣經(jīng)過(guò)多次沖擊之后，取下試樣清洗干燥后再次稱重記錄平均質(zhì)量，根據(jù)試驗(yàn)前后質(zhì)量差計(jì)算沖蝕率。本次試驗(yàn)沖擊速度為175 m/s。

表1　10#、AISI304鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能Table1　10 #, AISI304 steel chemical composition and mechanical properties

1.2.3沖蝕評(píng)估方法

材料沖蝕性能評(píng)估利用沖蝕率表示，其定義如下：

(1)

式中：mt為試驗(yàn)前后試樣質(zhì)量差，mg；mp為沖蝕顆粒質(zhì)量，mg；mt1為試驗(yàn)前試樣質(zhì)量，mg；mt2為試驗(yàn)后試樣質(zhì)量，mg。

1.3　試驗(yàn)參數(shù)

1.3.1沖擊角度

試樣表面與沖擊顆粒軌跡的夾角稱作沖擊角度，沖蝕率與沖擊角度有密切的聯(lián)系。本次試驗(yàn)中將激波管軸線與試樣受沖蝕表面之間的夾角定義為沖擊角度θ；如圖3，通過(guò)變換角度板上不同的角，可實(shí)現(xiàn)15°～90°的沖擊角度變換；本試驗(yàn)針對(duì)15°，30°，45°，60°及90°沖擊角度的沖蝕率展開(kāi)研究。此外，試樣表面中心與管口中心的距離為沖擊距離；為控制實(shí)驗(yàn)單一變量原則，在不同沖擊角度實(shí)驗(yàn)時(shí)，需更改試件臺(tái)的高度以保證沖擊距離相同。

圖3　沖擊角度與沖擊距離變換Fig.3　Impact angle and impact distance transformation

1.3.2環(huán)境溫度

研究環(huán)境溫度對(duì)沖蝕性能的影響，其目的針對(duì)實(shí)際工況往往處于高溫的情況下，材料的物理性質(zhì)發(fā)生變化，與室溫時(shí)所表現(xiàn)的沖蝕磨損行為有所區(qū)別。若僅僅依靠室溫時(shí)材料的沖蝕性能測(cè)試成果指導(dǎo)處于高溫條件下作業(yè)的管道或閥門材料的設(shè)計(jì)和防腐，則極易造成重大的安全隱患。管道系統(tǒng)中流體溫度變化較大，溫度的變化對(duì)材料強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能均有直接影響，加大了沖蝕磨損行為的預(yù)測(cè)難度。本實(shí)驗(yàn)采用XMTD-8000系列智能溫控儀表對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)行控制，通過(guò)該控制儀表可控制與試件臺(tái)連接的電熱偶加熱功率，達(dá)到控制試樣表面溫度的目的；針對(duì)材料在15，100，200℃及400℃溫度條件下的沖蝕率展開(kāi)研究。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　沖擊角度對(duì)沖蝕率的影響

圖4展示了10#、AISI304鋼在室溫、粒徑為150 μm，顆粒沖擊速度為175 m/s時(shí)，沖蝕率與沖擊角度之間的變化關(guān)系，其中縱坐標(biāo)為沖蝕率，橫坐標(biāo)為沖擊角度。

圖4　10#、AISI304鋼在不同角度下的沖蝕率Fig.4　10 #, AISI304 steel erosion rate in different angles

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，2種材料的沖蝕率并未呈現(xiàn)出較大差別，隨著沖擊角度的增加，材料的沖蝕率先增大后減小，最大沖蝕磨損率出現(xiàn)在15°～30°之間，當(dāng)沖擊角度大于30°之后，沖蝕磨損率下降趨勢(shì)較為明顯。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，不同的材料性質(zhì)在不同的沖擊角度下所展現(xiàn)的沖蝕性能差異很大。Camacho[12]、周芳[13]等對(duì)AISI304，316，420鋼的沖蝕性能進(jìn)行研究，在沖擊速度為24 m/s，420～450 μm的SiC顆粒沖擊下，AISI304、316鋼在60°時(shí)沖蝕磨損率大，420鋼在30°時(shí)沖蝕磨損率大，這說(shuō)明沖擊角度與材料性質(zhì)對(duì)沖蝕性能有密切的影響，同時(shí)與顆粒的性質(zhì)無(wú)關(guān)。本試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)與上述文獻(xiàn)展示的AISI304鋼在沖蝕性能上確有差異，這說(shuō)明在高速?zèng)_擊的條件下，AISI304鋼的沖蝕性能發(fā)生了改變。

2.2　環(huán)境溫度對(duì)沖蝕率的影響

10#、AISI304鋼在多個(gè)角度不同溫度下沖蝕性的變化如圖5所示，不同角度下10#鋼的沖蝕性能隨溫度變化的情況有所差異。15°沖擊角度下，10#的沖蝕磨損率隨溫度升高略有下降；30°，45°沖擊角度下，10#的沖蝕磨損率隨溫度的升高均有明顯的增加，60°，90°沖擊角度下，10#的沖蝕磨損率隨溫度的升高均無(wú)明顯的增加。如圖6所示，在某特定溫度下10#管材的沖蝕磨損率隨沖擊角度的變化關(guān)系，當(dāng)溫度達(dá)到100℃以上時(shí)，10#的最大沖蝕磨損率出現(xiàn)在沖擊角度為30°～45°區(qū)間中，與室溫時(shí)有較大區(qū)別。60°～90°沖擊角度下，10#的沖蝕磨損率與室溫時(shí)變化不大。綜上所述，10#的沖蝕性能在溫度升高后發(fā)生了一定變化，特別是最大沖蝕磨損率峰值從15°～30°區(qū)間轉(zhuǎn)移至30°～45°區(qū)間。

圖5　特定角度下10#鋼沖蝕性能隨溫度的變化關(guān)系Fig.5　The corrosion behavior of 10 # steel with temperature changes at a certain angle

圖6　特定溫度下10#的沖蝕磨損率隨角度的變化關(guān)系Fig.6　The erosion wear rate of 10# with the angle changes at a certain temperature

如圖7所示，在某特定沖擊角度下AISI304管材的沖蝕磨損率隨溫度的變化關(guān)系，與10#呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。15°，30°，45°沖擊角度下AISI304鋼的沖蝕磨損率隨溫度增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中30°沖擊角度下，沖蝕磨損率上升最快；3個(gè)沖擊角度下200℃時(shí)的沖蝕磨損率較100℃均出現(xiàn)小幅度下降的情況。這與溫度升高，材料表面出現(xiàn)的高抗蝕性氧化膜有關(guān)，100℃時(shí)，氧化膜的形成厚度較小，在多次沖擊之后即脫落；在200℃時(shí)，氧化膜的形成厚度增加，但固體顆粒對(duì)材料的沖蝕磨損速率增加較小，使得固體顆粒對(duì)材料的沖蝕磨損率較100℃小；當(dāng)溫度上升到400℃時(shí)，氧化膜的形成厚度增加較小，固體顆粒對(duì)材料表面的沖蝕磨損率增加明顯，在氧化膜被沖擊脫落之后又進(jìn)一步增加了沖蝕磨損率。同時(shí)，AISI304鋼的最大沖蝕磨損率峰值同樣隨著溫度的升高出現(xiàn)偏移，室溫和100℃時(shí)，15°沖擊角度下AISI304鋼的沖蝕磨損率較大，當(dāng)溫度到達(dá)200℃之后，30°沖擊角度下AISI304鋼的沖蝕磨損率明顯增大，高于15°，45°沖擊角度下的沖蝕磨損率。

圖7　特定角度下AISI304鋼的沖蝕磨損率隨溫度變化Fig.7　The erosion wear rate of AISI304 steel with temperature changes at a certain angle

3　不同試樣沖蝕性能對(duì)比

綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)10#及AISI304鋼的沖蝕性能做出相應(yīng)評(píng)價(jià)，定義評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：

(2)

Q304=1-Q10

(3)

(4)

T304=1-T10

(5)

式中：Q稱為沖擊角度對(duì)比指標(biāo)，表示試驗(yàn)所測(cè)得的10#在同沖擊角度不同溫度時(shí)的沖蝕磨損量，mg；E2C表示試驗(yàn)測(cè)試得到的AISI304鋼在同沖擊角度不同溫度時(shí)的沖蝕磨損量，mg；T稱為沖蝕溫度對(duì)比指標(biāo)，K；E1A表示10#在同溫度不同沖擊角度時(shí)的沖蝕磨損量，mg；E2A則表示AISI304鋼的沖蝕磨損量，mg。根據(jù)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到2種材料的沖蝕性能對(duì)比如圖8所示。深色柱狀線表示10#，淺色柱狀線表示AISI304鋼，圖中柱狀線所占比例越小，則同一角度下不同溫度的沖蝕磨損量之和越小，說(shuō)明沖蝕性能越好。顯然，在15°，30°沖擊角度下，10#的沖蝕性能要優(yōu)于AISI304鋼，在45°沖擊角度下，2種材料的沖蝕性能相近。室溫下，10#、AISI304鋼的沖蝕性能相近；但是，隨著溫度的升高，10#的沖蝕性能要優(yōu)于AISI304鋼，400℃時(shí)，10#的沖蝕性能要明顯優(yōu)于AISI304鋼。

圖8　材料沖蝕性能對(duì)比Fig.8　Material erosion performance comparison chart

4　結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)不同沖擊角度的試驗(yàn)研究，獲得10#、AISI304鋼在不同沖擊角度下的沖蝕率與沖擊角度間的關(guān)系。室溫下，10#、AISI304鋼的最大沖蝕率均出現(xiàn)在15°～30°附近，隨著溫度的升高，10#的最大沖蝕率出現(xiàn)在30°～45°區(qū)間，而AISI304鋼的最大沖蝕率出現(xiàn)在30°附近區(qū)域。

2)通過(guò)對(duì)不同環(huán)境溫度的試驗(yàn)研究，得到10#、AISI304鋼在不同環(huán)境溫度下的沖蝕率與環(huán)境溫度間的關(guān)系。10#在30°，45°沖擊角度下沖蝕磨損率隨溫度上升顯著上升，而15°沖擊角度下，沖蝕磨損率反而會(huì)隨溫度上升而下降。AISI 304鋼在15°，30°，45°沖擊角度下，沖蝕磨損率均會(huì)隨溫度上升而上升。

3)通過(guò)對(duì)10#、AISI 304鋼的沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)，對(duì)比相關(guān)影響因素作用下的沖蝕磨損率，發(fā)現(xiàn)10#鋼在溫度大于室溫、沖擊角度為15°，30°特定條件下沖蝕性能均優(yōu)于AISI304鋼。

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