王治國 ，曹 鍇，梁治國，王文娟

(1.西安石油大學 機械工程學院，西安 710065；2.咸陽市特種設備檢驗所，陜西 咸陽 712000)

沖蝕是指材料受到流體攜帶的固體顆粒沖擊時，表面出現(xiàn)磨損破壞的現(xiàn)象[1]。Chen[2]等人發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)量速率增加時，材料沖蝕速率首先增加，然后小于某個砂質(zhì)量速率。Levy[3]提到30%石英砂質(zhì)量分數(shù)條件下的沖蝕試驗，每千克石英砂造成的試樣失質(zhì)量并未顯著增加，側(cè)面證明石英砂質(zhì)量分數(shù)增加時，顆粒在撞擊試樣表面之前，相互碰撞過程中消耗一定的能量，從而使總的沖蝕速率會降低。楊向同[4]等人也指出固體顆粒之間碰撞導致的動能消耗使得沖蝕速率先減小后緩慢增加。Mansouri[5]根據(jù)1%～15%石英砂質(zhì)量分數(shù)下的沖蝕試驗結(jié)果，與Eulerian-Granular和Eulerian-Lagrangian數(shù)值模擬預測結(jié)果對比，觀察到高石英砂質(zhì)量分數(shù)條件下，Eulerian-Granular的預測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)變化趨勢更為符合。試驗結(jié)果顯示，試樣沖蝕速率(kg·kg-1)近似保持恒定，甚至略有下降。Finnie[6]指出表面粗糙度和流體湍流度之間的關系，因侵蝕而變得粗糙的試樣表面會增加流體湍流度，導致試樣表面的沖蝕磨損速率增加。

地層出砂對防砂篩管的沖蝕是大量固體顆粒以不同角度、速度撞擊篩管的過程。Deng[7]等人通過室內(nèi)試驗，研究了不同礫石充填參數(shù)下的油井產(chǎn)量和出砂率，得到了處理采油速度的參數(shù)。劉新峰[8]等人通過試驗方法，研究了316L不銹鋼和434金屬棉耐蝕性的影響。王保全[9]等人針對篩管，證明了噴射式和過流式2種沖蝕試驗研究方法的合理性，試驗結(jié)果重現(xiàn)性好，試驗結(jié)果偏差小。呂寧博[10]等人針對防砂篩管金屬材料，即304不銹鋼，研究了不同沖蝕速度和角度對篩管沖蝕速率的影響。但是，隨著高產(chǎn)氣井地層出砂量的增加，關于石英砂質(zhì)量分數(shù)對304不銹鋼沖蝕速率的影響一直缺乏相關準確的試驗結(jié)果。

本文利用試驗室自制的噴射式?jīng)_蝕試驗裝置，研究304不銹鋼在蒸餾水與石英砂形成的液固兩相流體作用中的沖蝕規(guī)律，得到?jīng)_蝕時間和石英砂質(zhì)量分數(shù)兩種因素下304不銹鋼材料沖蝕速率的研究結(jié)果，為不銹鋼防砂篩管的進一步應用提供參考依據(jù)。

1 試驗工作

1.1 試驗材料及介質(zhì)

試驗材料取自某油田現(xiàn)場用304不銹鋼材，其化學成分如表1，力學性能如表2。

表1 304不銹鋼成分 wb%

表2 304不銹鋼力學性能

為研究石英砂質(zhì)量分數(shù)對304不銹鋼沖蝕速率的影響，采用清水作為液體介質(zhì)，石英砂質(zhì)量分數(shù)為0.49%～5.5%。選定流速為10 m/s。固定噴射角為90°。

1.2 試驗裝置及方法

沖蝕試驗在自制的沖蝕試驗裝置進行，試驗設備如圖1所示。304不銹鋼(SS304)制成40 mm×40 mm×4 mm試樣。將試樣待沖蝕面分別用80#、400#、600#、1000#、1500#砂紙逐級打磨。首先用丙酮除油，之后酒精沖洗，最后吹風機吹干，并使用電子天平稱量其初始質(zhì)量后備用。

圖1 沖蝕試驗流程

試樣固定在試驗臺試樣夾持器中。固定在噴嘴中心，調(diào)整夾持器與噴嘴中心線之間的角度，滿足90°沖擊角度。按1%～5%質(zhì)量分數(shù)的石英砂加入至蒸餾水中，配成液固兩相流體。固體顆粒選取直徑0.3 mm石英砂，石英砂SEM如圖2所示。配置好的液固兩相流體倒入攪拌罐中，啟動攪拌器，保持液固兩相均勻混合，然后通過砂漿泵引導至噴嘴，高速噴出后沖擊試樣。采用AC770-T3型偉創(chuàng)變頻器控制砂漿泵轉(zhuǎn)速，達到所需流速后開始試驗。

圖2 試驗中使用的砂SEM圖

試驗溫度控制在24～40 ℃，當溫度超過40 ℃時，停止試驗，使得兩相流體自然冷卻，達到溫度范圍后，再繼續(xù)進行實驗。SS304不銹鋼的密度是7 930 kg/m3。噴嘴直徑7 mm，距離噴嘴為2倍噴嘴直徑，2D=14 mm。試驗前在噴嘴出口處測量石英砂質(zhì)量分數(shù)。試樣失重采用FR10046電子天平稱質(zhì)量，精度0.1 mg。

沖蝕速率計算公式：

(1)

式中：m0為試樣沖蝕前質(zhì)量，g；m1為試樣沖蝕后質(zhì)量，g；ER為沖蝕速率，kg·kg-1；Msand是砂流量，kg/s；t為沖刷磨損試驗時間，s。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 沖蝕時間對304不銹鋼材沖蝕速率的影響

試驗過程存在噴嘴出口石英砂質(zhì)量分數(shù)不恒定的情況，攪拌罐中加入的石英砂質(zhì)量分數(shù)為1%～5%，實際噴嘴出口處石英砂質(zhì)量分數(shù)為0.49%～5.52%。為保證測得的試驗數(shù)據(jù)準確性，每隔50 min中斷1次沖蝕試驗，取樣稱量試樣質(zhì)量和測量噴嘴出口處石英砂質(zhì)量分數(shù)，得到試樣沖蝕速率與沖蝕時間之間的關系如圖3所示。

圖3 試樣沖蝕磨損速率與沖蝕時間之間關系

由圖3可以看出，在4種石英砂質(zhì)量分數(shù)下，試樣沖蝕速率隨沖蝕時間的增加而逐漸降低。在石英砂質(zhì)量分數(shù)高于2.99%時，試樣沖蝕速率緩慢降低，在100 min以后趨于穩(wěn)定值。試驗初期，石英砂顆粒的棱角分明，沖擊試樣時，顆粒表面的尖銳棱角對試樣表面的切削作用很強。隨著沖蝕時間的延長，不規(guī)則的固相顆粒逐漸被磨平，固相粒子對試樣表面的切削作用減弱，沖蝕速率降低并趨于平緩。

4種石英砂質(zhì)量分數(shù)中，0.49%石英砂質(zhì)量分數(shù)試驗條件下的試樣沖蝕速率降低更快，2.99%、3.21%和5.52% 3種試驗條件下的試樣沖蝕速率表現(xiàn)出幾乎相同的變化趨勢。石英砂質(zhì)量分數(shù)達到一個界限值，會在試樣表面形成砂保護層，減少固相顆粒對試樣表面的沖擊作用，與文獻[3]和[11]的研究結(jié)果相一致。

2.2 石英砂質(zhì)量分數(shù)對304不銹鋼材沖蝕速率的影響

圖4為石英砂質(zhì)量分數(shù)和試樣沖蝕速率之間的關系。結(jié)果表明，在低石英砂質(zhì)量分數(shù)(<1%)時，材料的沖蝕速率較高。石英砂質(zhì)量分數(shù)達到3%左右，由于固體顆粒間存在互相碰撞而消耗動能，以及較高石英砂質(zhì)量分數(shù)下，石英砂顆粒在試樣表面形成砂保護層，試樣的沖蝕速率和材料失質(zhì)量均降低。在高石英砂質(zhì)量分數(shù)下(>5%)，沖蝕速率趨于一個穩(wěn)定值，但是材料總的失質(zhì)量會增加。

圖4 砂含量與沖蝕速率關系

圖5為沖蝕時間和材料失質(zhì)量之間的關系?？梢钥闯?，5.52%石英砂質(zhì)量分數(shù)條件下，材料失質(zhì)量較高；0.49%、2.99%和3.21% 3種石英砂質(zhì)量分數(shù)條件下下材料失質(zhì)量變化趨勢一致。試驗結(jié)果證明，高石英砂質(zhì)量分數(shù)會導致更高的材料失質(zhì)量，因為會有更多的顆粒撞擊目標表面。

圖5 沖蝕時間和失重量關系

由于石英砂質(zhì)量分數(shù)的變化，導致顆粒沖擊試樣頻率的差異，促使材料表面出現(xiàn)不同的沖蝕形貌。先前研究成果[12-14]說明不同半徑范圍內(nèi)，顆粒對試樣表面的撞擊角度和撞擊速度不同。崔銳[15]和王治國[12]通過試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合，將試樣表面沖蝕形貌劃分為3個區(qū)域，得出區(qū)域Ⅰ以顆粒的高角度低流速的撞擊坑為主；區(qū)域Ⅱ以高流速低角度的切削為主，存在犁溝；區(qū)域Ⅲ以低流速和低角度的切削為主要沖蝕機制，有部分反彈顆粒撞擊表面留下撞擊坑。區(qū)域Ⅰ為材料沖蝕的中心區(qū)域，區(qū)域Ⅱ為近中心區(qū)域，區(qū)域Ⅲ為遠離中心區(qū)域。圖6為304不銹鋼材料沖蝕后表面形貌不同區(qū)域劃分圖。

圖6 304不銹鋼材料沖蝕后表面形貌不同區(qū)域劃分

0.49%、2.99%和5.52% 3種石英砂質(zhì)量分數(shù)下的掃描電鏡圖分析結(jié)果如圖7～9所示?？梢钥闯?，隨著石英砂質(zhì)量分數(shù)的增加，顆粒撞擊的頻率增加，顆粒沖擊試樣表面形成的凹坑增加，塑性變形先增加后減少。5.52%石英砂質(zhì)量分數(shù)條件下，試樣表面的褶皺和薄片等塑性變形全部脫落，導致材料失質(zhì)量增加。

圖7a是區(qū)域Ⅰ的沖蝕微觀形貌。該區(qū)域以撞擊坑為主，能量主要集中在豎直方向。材料表面為有數(shù)的沖擊坑和犁溝。圖7b為區(qū)域Ⅱ沖蝕微觀形貌。該區(qū)域存在少量的原始表面，相對于區(qū)域Ⅰ，該區(qū)域沖蝕機理以切削和褶皺，以及反復的切削作用下薄片脫落產(chǎn)生的凹坑為主。圖7c為區(qū)域Ⅲ的沖蝕微觀形貌，沖蝕機理主要以切削為主，有少量犁溝，切削過程中沖擊薄片較少，同時僅有少量固體顆粒到達該位置。

圖7 0.49%石英砂質(zhì)量分數(shù)下不同區(qū)域沖蝕微觀形貌

圖8為2.99%石英砂質(zhì)量分數(shù)下清水中試樣3個區(qū)域沖蝕微觀形貌圖。相比于圖7可以看到，石英砂質(zhì)量分數(shù)增加導致固體顆粒沖擊試樣表面的頻率增加。區(qū)域Ⅰ的撞擊坑、區(qū)域Ⅱ的褶皺和區(qū)域Ⅲ的犁溝數(shù)量增加，試樣表面較為粗糙，出現(xiàn)了更多撞擊坑和塑性變形，但是金屬剝落現(xiàn)象較少。宏觀上表現(xiàn)為試樣沖蝕速率和失質(zhì)量降低。

圖8 2.99%石英砂質(zhì)量分數(shù)下不同區(qū)域沖蝕微觀形貌

由圖9可以看出，當石英砂質(zhì)量分數(shù)達到5.52%時，試樣表面區(qū)域Ⅰ中形成更多的沖擊坑，沒有褶皺和凸起。區(qū)域Ⅱ中形成的撞擊坑密集度更高，其余表面較為平整。區(qū)域Ⅲ切削產(chǎn)生的薄片增多，犁溝數(shù)量減少，表明石英砂質(zhì)量分數(shù)增加，到達該區(qū)域的顆粒數(shù)量增多。試樣整體微觀形貌更為平整光滑，沖擊坑的數(shù)量增加且深度較淺，有金屬剝落現(xiàn)象，宏觀上表現(xiàn)為試樣沖蝕速率略微降低，失質(zhì)量增加。

圖9 5.52%石英砂質(zhì)量分數(shù)下不同區(qū)域沖蝕微觀形貌

當石英砂質(zhì)量分數(shù)較高時，金屬表面的凸起及褶皺等塑性變形被高頻率固體砂顆粒撞擊和切削，導致大塊脫落。因此，隨著石英砂質(zhì)量分數(shù)的增加，金屬材料塑性變形增多和沖刷導致材料大塊脫落產(chǎn)生交互作用，引起總的金屬試樣失質(zhì)量增加。但是，試樣表面附近存在固體顆粒間相互碰撞的因素，引起總的沖蝕速率小幅度降低。

3 結(jié)論

1) 利用自行研制的噴射式液固兩相流沖蝕試驗裝置，研究了石英砂質(zhì)量分數(shù)對防砂篩管用SS304不銹鋼材料的沖蝕規(guī)律。

2) 石英砂質(zhì)量分數(shù)達到2.99%時，試樣表面有砂保護層現(xiàn)象，撞擊試樣表面反彈的顆粒阻擋后續(xù)固體顆粒對試樣表面進行撞擊，顆粒之間的碰撞消耗一部分動能，是試樣沖蝕速率減少的主要原因。繼續(xù)增加石英砂質(zhì)量分數(shù)，沖蝕速率小幅度減少。

3) SS304不銹鋼材料的失質(zhì)量隨沖蝕時間的增加而增加。試驗初期，石英砂顆粒的棱角分明，之后逐漸被磨平變的圓潤，切削作用減弱。0～50 min沖蝕時間內(nèi)，試樣失質(zhì)量較高。50～150 min沖蝕時間內(nèi)，失質(zhì)量增加趨勢減緩。0.49%石英砂質(zhì)量分數(shù)下，顆粒間碰撞頻率較低，顆粒表面的尖銳棱角磨平較慢，顆粒切削作用強，試樣失質(zhì)量較低，但是沖蝕速率較高；石英砂質(zhì)量分數(shù)增加導致顆粒間碰撞頻率增加，石英砂質(zhì)量分數(shù)增加至3.21%，失質(zhì)量略微降低，同時沖蝕速率小幅度減少。5.52%石英砂質(zhì)量分數(shù)下，失質(zhì)量快速增加，沖蝕速率小幅度減少。

4) 0.49%石英砂質(zhì)量分數(shù)下，試樣表面的沖擊坑、犁溝、切削和褶皺等塑性變形數(shù)量增加，材料的破壞主要以金屬脫落為主。當石英砂質(zhì)量分數(shù)達到2.99%后，固體顆粒沖擊試樣的頻率和顆粒間碰撞頻率同時增加，撞擊試樣產(chǎn)生的沖擊坑數(shù)量增加，引起試樣表面粗糙度增加。此時，顆粒間碰撞消耗動能的因素占據(jù)主導地位，引起試樣失質(zhì)量略微減少，沖蝕速率降低較多。5.52%石英砂質(zhì)量分數(shù)下，固體顆粒對試樣表面高頻率撞擊，導致金屬材料塑性變形增多和材料大塊脫落之間的交互作用占據(jù)主導地位，試樣失質(zhì)量急劇增加。