磨料射流噴嘴磨損規(guī)律的研究

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)律進行模擬研究，進而根據(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)磨料進入噴嘴后，在噴嘴內(nèi)部進行無規(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)磨料進入噴嘴后，在噴嘴內(nèi)部進行無規(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)力為靜止狀態(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。

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，全方位的將資金進行調(diào)整，按照規(guī)定對資金進行調(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準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]。

從增強噴嘴內(nèi)壁的耐沖蝕磨損能力方面考慮，應(yīng)強化噴嘴材質(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)以及對噴嘴進行表面處理兩方面對噴嘴進行保護，從而提高磨料射流的效率與使用成本。