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        磨料射流噴嘴磨損規(guī)律的研究

        2018-12-06 05:23:50于其明
        石油管材與儀器 2018年5期
        關(guān)鍵詞:水射流磨料沖蝕

        于其明

        (大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163513)

        0 引 言

        磨料水射流技術(shù)是將磨料混入高速流動的水介質(zhì)中,在水射流的沖擊下,磨料速度迅速增加,形成高速磨料射流,利用磨料的沖擊能量以完成沖擊、切削的目的[1]。與傳統(tǒng)水射流相比,磨料射流具有沖擊能量大、能量利用率高的特點,因此被廣泛應(yīng)用于各行業(yè),如石油行業(yè)中的沖擊破巖、鉆具清洗、機(jī)械加工行業(yè)中的金屬材料切割等等。

        磨料水射流具有諸多優(yōu)勢的同時,又存在一定缺陷,與純水射流相比,磨料的混入會對射流噴嘴產(chǎn)生一定的磨損。噴嘴是射流工藝的執(zhí)行部件,其是形成射流工況的關(guān)鍵,噴嘴的磨損與壽命直接影響著磨料射流的應(yīng)用效果與應(yīng)用成本[2]。磨料水射流實際應(yīng)用中,高速流動的磨料射流對噴嘴產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損,降低了噴嘴使用壽命,導(dǎo)致在應(yīng)用過程中需要更換磨損的噴嘴,這樣不但增加了使用成本,同時也使工作效率大大降低。本文旨在分析磨料射流噴嘴磨損機(jī)理的基礎(chǔ)上,利用數(shù)值模擬軟件對磨料射流噴嘴磨損的影響規(guī)律進(jìn)行模擬研究,進(jìn)而根據(jù)模擬結(jié)果探究磨料射流噴嘴防磨措施。

        1 磨料射流噴嘴磨損機(jī)理

        噴嘴磨損是由于磨料在流經(jīng)噴嘴過程中與噴嘴壁面產(chǎn)生沖擊、碰撞等接觸,使噴嘴內(nèi)部材料產(chǎn)生損失。一般而言,噴嘴磨損的主要表現(xiàn)形式為噴嘴內(nèi)壁材料的體積損失。磨料射流對噴嘴內(nèi)壁產(chǎn)生磨損的形式可以分為下列幾種[3]:

        1)切削磨損

        當(dāng)磨料進(jìn)入噴嘴后,在噴嘴內(nèi)部進(jìn)行無規(guī)律運動,部分磨料以一定速度沖擊噴嘴內(nèi)壁,將磨料的速度分解為切向與法向兩方向,當(dāng)與噴嘴內(nèi)壁碰撞的磨料法向速度足夠大時,經(jīng)過一定時間的接觸,噴嘴內(nèi)壁會產(chǎn)生部分凹槽,造成噴嘴磨損;當(dāng)與噴嘴內(nèi)壁碰撞的磨料切向速度足夠大時,與噴嘴內(nèi)壁接觸時會對其產(chǎn)生切削作用,經(jīng)過一定時間的切削,噴嘴內(nèi)壁材料體積量減少,造成噴嘴磨損。

        2)疲勞磨損

        當(dāng)磨料進(jìn)入噴嘴后,在噴嘴內(nèi)部進(jìn)行無規(guī)律運動,部分磨料以一定速度沖擊噴嘴內(nèi)壁,將磨料的速度分解為切向與法向兩方向,當(dāng)與噴嘴內(nèi)壁碰撞的磨料法向速度足夠大時,經(jīng)過一定時間的接觸,噴嘴內(nèi)壁會產(chǎn)生部分凹槽,造成噴嘴磨損;當(dāng)與噴嘴內(nèi)壁碰撞的磨料切向速度足夠大時,與噴嘴內(nèi)壁接觸時會對其產(chǎn)生切削作用,經(jīng)過一定時間的切削,噴嘴內(nèi)壁材料體積量減少,造成噴嘴磨損。

        3)脆性斷裂磨損

        磨料與噴嘴內(nèi)壁材料接觸時其應(yīng)力為靜止?fàn)顟B(tài),因此內(nèi)壁材料會出現(xiàn)塑性變形。若材料的硬度較大,其破壞形式可能以斷裂為主。當(dāng)磨料顆粒硬度較大時,經(jīng)過一定時間的沖擊,噴嘴內(nèi)壁材料出現(xiàn)徑向與橫向兩種裂紋,由于水楔作用以及后續(xù)磨料的沖擊作用,使得裂紋逐漸擴(kuò)大,當(dāng)兩條裂紋發(fā)生交錯時會產(chǎn)生碎片使噴嘴內(nèi)壁材料出現(xiàn)斷裂。這種磨損方式稱為脆性斷裂磨損。

        2 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

        磨料水射流屬于固液兩相流動,本文選用FLUENT軟件中的Discrete Phase Model(DPM)模型進(jìn)行模擬求解,DPM模型是一種歐拉-拉格朗日方法[4],即以歐拉方法求解連續(xù)項(液相),以拉格朗日方法求解離散相(固相)(DPM方法一般用于固相含量小于10%的工況)。

        2.1 數(shù)學(xué)模型

        定義本數(shù)值模擬液相為一種不可壓縮假定流體,其流動方程用連續(xù)性方程和N-S方程描述:

        (1)

        (2)

        式中ui,uj為平均速度分量,m/s;p為平均壓力,MPa;ρ為流體密度,g/cm3;μ為流體動力黏度,mPa·s;x為張量形式的空間坐標(biāo)。

        資金計劃的落實是企業(yè)資金管理工作中的重要步驟,年度資金計劃是根據(jù)行業(yè)的市場行情和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)狀況,結(jié)合企業(yè)內(nèi)部資金要求,對資金各方面的支出和收入情況做好協(xié)調(diào)。將資金安排統(tǒng)一的管理方案,全方位的將資金進(jìn)行調(diào)整,按照規(guī)定對資金進(jìn)行調(diào)動和整理,避免資金的惡性應(yīng)用。制定資金的申請方案,相關(guān)工作人員向上級財務(wù)部門提出資金申請方案,并按照資金計劃落實。

        流體流動模型選擇常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,即:

        (3)

        (4)

        其中k為湍動能,N·m;ε為湍動耗散率,m2/s3;μt=Cμρk2/ε為湍動黏度,mPa·s;C1ε、C2ε、Cμ、σε為實驗獲得的經(jīng)驗值,分別取1.44、1.92、0.09、1.3。

        Fluent可通過分散相磨料的運動方程計算其運動軌跡,磨料的運動方程為:

        (5)

        (6)

        μ為流體動力粘度,mPa·s;CD為阻力系數(shù);dp為磨料直徑,mm;Re為磨料雷諾數(shù);且:

        (7)

        (8)

        (9)

        對球形磨料,φ=1。

        Fluent中自帶了磨損的計算模型,其模擬沖蝕磨損的定義是[5]:

        (10)

        其中,Rerosion為沖蝕磨損率,kg/m2-s;mp為單粒子重量,kg;C(dp)是磨料直徑函數(shù),m;α為沖擊角度,°;v是磨料沖擊速度,m/s;Af為磨料在材料表面的投影面積,m2;b(v)是磨料速度指數(shù)函數(shù)。

        2.2 幾何模型與邊界條件

        幾何模型采用錐形噴嘴,噴嘴直徑為12 mm、長度為10 mm,長直段長度為45 mm、直徑為48 mm,收縮半角為30°, 入口采用速度入口條件,出口為壓力出口,在DPM Injection中設(shè)置磨料流量、尺寸。

        3 模擬結(jié)果與分析

        3.1 流動時間對噴嘴磨損的影響

        圖1為噴嘴在9組流動時間下(10、20、30、40、50、60、80、100、200 s)的磨損量。從圖中可以看出隨著流動時間的增加,噴嘴的磨損量增大,但噴嘴磨損量的增長率呈減小趨勢(斜率)。結(jié)合磨料射流的實際工況,分析此趨勢的原因在于,隨著流動時間增加,與噴嘴內(nèi)壁磨損的磨料數(shù)增加,因此磨損量不斷增大;但由于隨著時間增長,噴嘴內(nèi)壁經(jīng)過磨損后表面形態(tài)及內(nèi)徑可能發(fā)生變化,因此磨損量增長率呈減小趨勢。

        圖1 噴嘴磨損與流動時間的關(guān)系曲線圖

        3.2 射流速度對噴嘴磨損的影響

        圖2為噴嘴在6組流動時間下(5、7.5、10、12.5、15、17.5 m/s)的磨損量。從圖中可以看出隨著射流速度的增加,噴嘴的磨損量增大,噴嘴磨損量的增長率呈增大趨勢(斜率)。結(jié)合磨料射流的實際工況,分析此趨勢的原因在于,隨著流動時間增加,磨料射流的能量呈冪數(shù)增長,因此磨損量的增長率呈上升趨勢。

        圖2 噴嘴磨損與射流速度的關(guān)系曲線圖

        3.3 磨料粒徑對噴嘴磨損的影響

        圖3為噴嘴在6組磨料粒徑(1、1.5、2、2.5、3、5 mm)的磨損量。從圖中可以看出隨著射流速度的增加,噴嘴的磨損量增大,但噴嘴磨損量的增長率呈減小趨勢(斜率)。

        3.4 磨料濃度對噴嘴磨損的影響

        圖4為噴嘴在6組磨料濃度(1%、2%、3%、5%、7%、10%)的磨損量。從圖中可以看出隨著射流速度的增加,噴嘴的磨損量增大,增長趨勢基本呈線性增長趨勢。

        圖3 噴嘴磨損與磨料粒徑的關(guān)系曲線圖

        圖4 噴嘴磨損與磨料濃度的關(guān)系曲線圖

        4 磨料射流噴嘴防磨措施探討

        由模擬結(jié)果得到的噴嘴磨損規(guī)律可知,磨料射流參數(shù)的變化對噴嘴磨損有較大影響,基于此對磨料射流技術(shù)施工時噴嘴的耐磨措施進(jìn)行探討。減小噴嘴內(nèi)壁的磨損主要可以從兩方面入手:第一,通過控制施工參數(shù)減小磨料射流對噴嘴內(nèi)壁的磨損;第二,提高噴嘴內(nèi)壁材料的耐磨性。

        由模擬結(jié)果可知,噴嘴磨損量隨射流速度的增大而增大,同體積濃度下磨損量隨磨料直徑的增大而減小,磨損量隨磨料體積濃度增大而增大,因此,在進(jìn)行磨料射流技術(shù)時,在滿足磨料射流效果的前提下,選擇合適的單次射流時間、控制射流排量、選擇適宜的磨料直徑、控制磨料的體積濃度[6]。

        從增強(qiáng)噴嘴內(nèi)壁的耐沖蝕磨損能力方面考慮,應(yīng)強(qiáng)化噴嘴材質(zhì)耐磨性能、表面抵抗磨料沖蝕磨損能力等[7],可采取以下措施:第一,使用耐磨性材料。硬質(zhì)合金主要由碳化鎢構(gòu)成,一般是通過鈷粘結(jié)。硬質(zhì)合金的硬度僅次與金剛持,而且耐高溫性能優(yōu)于金剛石。所以,磨料射流噴嘴多采用硬質(zhì)合金。第二,增加噴嘴壁厚,使其有較長時間的耐沖蝕磨損能力。第三,對噴嘴內(nèi)壁硬化工藝處理,提升其耐沖蝕磨損能力,目前有效的工藝有表面化學(xué)熱處理(表面滲氮、滲碳、滲硼、表面參硫、硫氮共參、鍍滲復(fù)合處理)、電鍍、堆焊和熱噴涂、激光表面處理、冷粘涂覆等工藝。第四,在噴嘴內(nèi)壁易受沖蝕磨損處鑲裝襯里,襯里采用耐磨復(fù)合材料。

        5 結(jié) 論

        1)磨料射流噴嘴磨損的機(jī)理主要包括切削磨損、疲勞磨損、脆性斷裂磨損三種形式。

        2)根據(jù)模擬研究結(jié)果,噴嘴磨損量隨流動時間、射流速度、磨料直徑及磨料濃度的增加而增長,磨損量增長率隨流動時間、磨料直徑的增加而增大,隨射流速度的增加而減小。

        3)防止磨料射流噴嘴磨損可從選擇適宜的磨料射流參數(shù)以及對噴嘴進(jìn)行表面處理兩方面對噴嘴進(jìn)行保護(hù),從而提高磨料射流的效率與使用成本。

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