高速氣固兩相流作用下的煤化工管材沖蝕磨損行為研究*

李鵬軒，許根富，金浩哲

(1.杭州市特種設備檢測研究院，浙江 杭州 310051；2. 浙江理工大學 流動腐蝕研究所，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]，是制約設備長周期運行的重要因素。管道、閥門等裝置是連接控制重要設備、重大裝置的關鍵環(huán)節(jié)。然而輸送流體介質成分往往復雜多變，實際運行工況與理論設計難以一致，故很難做出準確沖蝕失效預測，極易導致穿孔、爆炸等危害人身及社會安全的重大安全事故。所以，有必要針對典型管道用材開展氣固兩相流沖蝕問題的研究。

考慮到沖蝕影響因素眾多，影響規(guī)律復雜多變，國內外許多學者對沖擊角度、環(huán)境溫度等沖蝕主要影響因素展開試驗研究，根據試驗結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]等人針對共晶成分鋁錳合金和顆粒增強鋁錳基復合材料的抗沖蝕磨損規(guī)律進行了研究；王光存[7]等人針對壓縮機葉輪材料FV520B的沖蝕規(guī)律與機理展開研究，指導葉輪材料的選用；楊景周[8]等人研究了36#、90#SiC在1 000℃以上高溫時高鋁磚的沖蝕影響規(guī)律；Fang Minghao[9]等人針對5YSZ材料在90°正沖角下的沖蝕性能進行了高溫試驗研究。

10#、AISI304鋼是典型的煤化工管道材料，在工程上有廣泛的應用，具備較高的經濟價值，但目前為止缺乏對10#、AISI304這類典型煤化工管材的沖蝕磨損性能研究。本試驗利用基于激波管原理的氣固兩相流沖蝕試驗裝置[10]開展對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沖蝕行為的影響規(guī)律，指導多相流管道系統(tǒng)進行優(yōu)化設計、優(yōu)化選材及優(yōu)化防護。

1　試驗設備與方法

1.1　試驗設備

本試驗設備采用基于激波管原理驅動的氣固兩相流沖蝕試驗裝置，與目前常見的自由式[11]、真空落砂式、懸臂式沖蝕試驗裝置均有所不同，具有運行成本低，沖擊速度大，結構簡單，操作穩(wěn)定等特點。可以針對不同試樣在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。試驗裝置如圖1所示。

1.高壓氣瓶；2.固定支架；3.減壓閥；4.激波管驅動段； 5.鋁片；6.被驅動段；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；14.溫度控制儀。圖1　沖蝕實驗裝置組成Fig.1　Erosion experimental device composition diagram

本沖蝕試驗裝置的基本工作原理為：控制減壓閥開度，調節(jié)激波管驅動段壓力；當驅動段壓力升高，鋁片兩側壓力差達到臨界值時，鋁片無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動，此時波后氣體受激波擾動而隨之高速運動；激波與高速氣流的雙重作用下，使固體顆粒在經過加速段之后獲得所需的運動速度；高速運動的固體顆粒群瞬間沖擊固定與試件臺的試樣而引起材料變形與脫落，達到沖蝕的目的。

1.2　試驗方法

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用，具備較高的經濟實用價值。10#、AISI304鋼的化學成分與力學性能見表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個的孔，便于試樣的安裝與固定，如圖2所示。試樣測試前均用800#和1 200#砂紙對測試表面進行打磨；通過堿液與流水進行表面去污，隨后放入丙酮超聲波清洗機徹底清洗，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是管道輸運流體介質中普遍存在的固體雜質之一，從微觀形貌上看，SiO2為尖角顆粒，輸運過程中對壁面材料的磨損不可輕視。本試驗利用140 μm及160 μm篩網篩選平均粒徑為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，FA1004)稱量定量的顆粒備用。

1.2.2試驗測試方法

根據沖蝕試驗裝置設計的試驗測試方法如下：將清洗干燥后的試樣多次稱重后記錄平均質量，緊固在試件臺上，利用角度板調節(jié)沖擊角度，溫度控制儀調節(jié)試件臺的溫度，而顆粒則按試驗規(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，控制減壓閥開度，對激波管驅動段加壓，直至鋁片被沖破，SiO2顆粒沖擊試樣表面。試樣經過多次沖擊之后，取下試樣清洗干燥后再次稱重記錄平均質量，根據試驗前后質量差計算沖蝕率。本次試驗沖擊速度為175 m/s。

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

1.2.3沖蝕評估方法

材料沖蝕性能評估利用沖蝕率表示，其定義如下：

(1)

式中：mt為試驗前后試樣質量差，mg；mp為沖蝕顆粒質量，mg；mt1為試驗前試樣質量，mg；mt2為試驗后試樣質量，mg。

1.3　試驗參數

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系。本次試驗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，通過變換角度板上不同的角，可實現15°～90°的沖擊角度變換；本試驗針對15°，30°，45°，60°及90°沖擊角度的沖蝕率展開研究。此外，試樣表面中心與管口中心的距離為沖擊距離；為控制實驗單一變量原則，在不同沖擊角度實驗時，需更改試件臺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)境溫度對沖蝕性能的影響，其目的針對實際工況往往處于高溫的情況下，材料的物理性質發(fā)生變化，與室溫時所表現的沖蝕磨損行為有所區(qū)別。若僅僅依靠室溫時材料的沖蝕性能測試成果指導處于高溫條件下作業(yè)的管道或閥門材料的設計和防腐，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，溫度的變化對材料強度、塑性等力學性能均有直接影響，加大了沖蝕磨損行為的預測難度。本實驗采用XMTD-8000系列智能溫控儀表對實驗溫度進行控制，通過該控制儀表可控制與試件臺連接的電熱偶加熱功率，達到控制試樣表面溫度的目的；針對材料在15，100，200℃及400℃溫度條件下的沖蝕率展開研究。

2　試驗結果與討論

2.1　沖擊角度對沖蝕率的影響

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，沖蝕率與沖擊角度之間的變化關系，其中縱坐標為沖蝕率，橫坐標為沖擊角度。

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

試驗研究發(fā)現，2種材料的沖蝕率并未呈現出較大差別，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在15°～30°之間，當沖擊角度大于30°之后，沖蝕磨損率下降趨勢較為明顯。根據相關文獻資料顯示，不同的材料性質在不同的沖擊角度下所展現的沖蝕性能差異很大。Camacho[12]、周芳[13]等對AISI304，316，420鋼的沖蝕性能進行研究，在沖擊速度為24 m/s，420～450 μm的SiC顆粒沖擊下，AISI304、316鋼在60°時沖蝕磨損率大，420鋼在30°時沖蝕磨損率大，這說明沖擊角度與材料性質對沖蝕性能有密切的影響，同時與顆粒的性質無關。本試驗所測數據與上述文獻展示的AISI304鋼在沖蝕性能上確有差異，這說明在高速沖擊的條件下，AISI304鋼的沖蝕性能發(fā)生了改變。

2.2　環(huán)境溫度對沖蝕率的影響

10#、AISI304鋼在多個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系，當溫度達到100℃以上時，10#的最大沖蝕磨損率出現在沖擊角度為30°～45°區(qū)間中，與室溫時有較大區(qū)別。60°～90°沖擊角度下，10#的沖蝕磨損率與室溫時變化不大。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系，與10#呈現出不同的趨勢。15°，30°，45°沖擊角度下AISI304鋼的沖蝕磨損率隨溫度增加呈現上升趨勢，其中30°沖擊角度下，沖蝕磨損率上升最快；3個沖擊角度下200℃時的沖蝕磨損率較100℃均出現小幅度下降的情況。這與溫度升高，材料表面出現的高抗蝕性氧化膜有關，100℃時，氧化膜的形成厚度較小，在多次沖擊之后即脫落；在200℃時，氧化膜的形成厚度增加，但固體顆粒對材料的沖蝕磨損速率增加較小，使得固體顆粒對材料的沖蝕磨損率較100℃小；當溫度上升到400℃時，氧化膜的形成厚度增加較小，固體顆粒對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一步增加了沖蝕磨損率。同時，AISI304鋼的最大沖蝕磨損率峰值同樣隨著溫度的升高出現偏移，室溫和100℃時，15°沖擊角度下AISI304鋼的沖蝕磨損率較大，當溫度到達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比

綜合試驗數據對10#及AISI304鋼的沖蝕性能做出相應評價，定義評價指標如下：

(2)

Q304=1-Q10

(3)

(4)

T304=1-T10

(5)

式中：Q稱為沖擊角度對比指標，表示試驗所測得的10#在同沖擊角度不同溫度時的沖蝕磨損量，mg；E2C表示試驗測試得到的AISI304鋼在同沖擊角度不同溫度時的沖蝕磨損量，mg；T稱為沖蝕溫度對比指標，K；E1A表示10#在同溫度不同沖擊角度時的沖蝕磨損量，mg；E2A則表示AISI304鋼的沖蝕磨損量，mg。根據上述評價指標，得到2種材料的沖蝕性能對比如圖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，10#的沖蝕性能要明顯優(yōu)于AISI304鋼。

圖8　材料沖蝕性能對比Fig.8　Material erosion performance comparison chart

4　結論

1)通過對不同沖擊角度的試驗研究，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系。室溫下，10#、AISI304鋼的最大沖蝕率均出現在15°～30°附近，隨著溫度的升高，10#的最大沖蝕率出現在30°～45°區(qū)間，而AISI304鋼的最大沖蝕率出現在30°附近區(qū)域。

2)通過對不同環(huán)境溫度的試驗研究，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，沖蝕磨損率均會隨溫度上升而上升。

3)通過對10#、AISI 304鋼的沖蝕磨損實驗，對比相關影響因素作用下的沖蝕磨損率，發(fā)現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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