高速气固两相流作用下的煤化工管材冲蚀磨损行为研究*

李鹏轩，许根富，金浩哲

(1.杭州市特种设备检测研究院，浙江 杭州 310051；2. 浙江理工大学 流动腐蚀研究所，浙江 杭州 310018)

0　引言

冲蚀磨损是多相流管道系统(管道、阀门)中典型的失效模式[1-4]，是制约设备长周期运行的重要因素。管道、阀门等装置是连接控制重要设备、重大装置的关键环节。然而输送流体介质成分往往复杂多变，实际运行工况与理论设计难以一致，故很难做出准确冲蚀失效预测，极易导致穿孔、爆炸等危害人身及社会安全的重大安全事故。所以，有必要针对典型管道用材开展气固两相流冲蚀问题的研究。

考虑到冲蚀影响因素众多，影响规律复杂多变，国内外许多学者对冲击角度、环境温度等冲蚀主要影响因素展开试验研究，根据试验结果得到了特定材料在特定冲蚀环境下的冲蚀性能。如贾伯早[5]、刘炳[6]等人针对共晶成分铝锰合金和颗粒增强铝锰基复合材料的抗冲蚀磨损规律进行了研究；王光存[7]等人针对压缩机叶轮材料FV520B的冲蚀规律与机理展开研究，指导叶轮材料的选用；杨景周[8]等人研究了36#、90#SiC在1 000℃以上高温时高铝砖的冲蚀影响规律；Fang Minghao[9]等人针对5YSZ材料在90°正冲角下的冲蚀性能进行了高温试验研究。

10#、AISI304钢是典型的煤化工管道材料，在工程上有广泛的应用，具备较高的经济价值，但目前为止缺乏对10#、AISI304这类典型煤化工管材的冲蚀磨损性能研究。本试验利用基于激波管原理的气固两相流冲蚀试验装置[10]开展对典型管材的冲蚀磨损性能研究，分析冲击角度与温度因素对冲蚀行为的影响规律，指导多相流管道系统进行优化设计、优化选材及优化防护。

1　试验设备与方法

1.1　试验设备

本试验设备采用基于激波管原理驱动的气固两相流冲蚀试验装置，与目前常见的自由式[11]、真空落砂式、悬臂式冲蚀试验装置均有所不同，具有运行成本低，冲击速度大，结构简单，操作稳定等特点。可以针对不同试样在150～200 m/s的颗粒冲击速度、15°～90°的冲击角度以及15～450 ℃的环境温度下完成冲蚀磨损试验。试验装置如图1所示。

1.高压气瓶；2.固定支架；3.减压阀；4.激波管驱动段； 5.铝片；6.被驱动段；7.固体颗粒(SiO2)；8.锡箔纸； 9.加速段；10.颗粒收集箱；11.试样；12.角度板； 13.试件台；14.温度控制仪。图1　冲蚀实验装置组成Fig.1　Erosion experimental device composition diagram

本冲蚀试验装置的基本工作原理为：控制减压阀开度，调节激波管驱动段压力；当驱动段压力升高，铝片两侧压力差达到临界值时，铝片无法承受两端压力差而突然破裂，激波在铝片破损后生成，并以极高的速度向管口处运动，此时波后气体受激波扰动而随之高速运动；激波与高速气流的双重作用下，使固体颗粒在经过加速段之后获得所需的运动速度；高速运动的固体颗粒群瞬间冲击固定与试件台的试样而引起材料变形与脱落，达到冲蚀的目的。

1.2　试验方法

1.2.1试样与颗粒

10#、AISI304钢是典型的煤化工管道材料，在工程上有广泛的应用，具备较高的经济实用价值。10#、AISI304钢的化学成分与力学性能见表1。将材料制成规格为70 mm×100 mm×1 mm的试样，并在边角处加工出4个的孔，便于试样的安装与固定，如图2所示。试样测试前均用800#和1 200#砂纸对测试表面进行打磨；通过碱液与流水进行表面去污，随后放入丙酮超声波清洗机彻底清洗，吹干后放入干燥皿待用。

图2　试样平面示意图及安装固定Fig.2　Sample plan and the installation of a fixed plane

SiO2是管道输运流体介质中普遍存在的固体杂质之一，从微观形貌上看，SiO2为尖角颗粒，输运过程中对壁面材料的磨损不可轻视。本试验利用140 μm及160 μm筛网筛选平均粒径为150 μm左右的SiO2颗粒，使用精度为0.1 mg的电子分析天平(上海上平，FA1004)称量定量的颗粒备用。

1.2.2试验测试方法

根据冲蚀试验装置设计的试验测试方法如下：将清洗干燥后的试样多次称重后记录平均质量，紧固在试件台上，利用角度板调节冲击角度，温度控制仪调节试件台的温度，而颗粒则按试验规定置于加速段上端。试样与颗粒装载完成后，嵌置铝片，安装激波管，控制减压阀开度，对激波管驱动段加压，直至铝片被冲破，SiO2颗粒冲击试样表面。试样经过多次冲击之后，取下试样清洗干燥后再次称重记录平均质量，根据试验前后质量差计算冲蚀率。本次试验冲击速度为175 m/s。

表1　10#、AISI304钢的化学成分与力学性能Table1　10 #, AISI304 steel chemical composition and mechanical properties

1.2.3冲蚀评估方法

材料冲蚀性能评估利用冲蚀率表示，其定义如下：

(1)

式中：mt为试验前后试样质量差，mg；mp为冲蚀颗粒质量，mg；mt1为试验前试样质量，mg；mt2为试验后试样质量，mg。

1.3　试验参数

1.3.1冲击角度

试样表面与冲击颗粒轨迹的夹角称作冲击角度，冲蚀率与冲击角度有密切的联系。本次试验中将激波管轴线与试样受冲蚀表面之间的夹角定义为冲击角度θ；如图3，通过变换角度板上不同的角，可实现15°～90°的冲击角度变换；本试验针对15°，30°，45°，60°及90°冲击角度的冲蚀率展开研究。此外，试样表面中心与管口中心的距离为冲击距离；为控制实验单一变量原则，在不同冲击角度实验时，需更改试件台的高度以保证冲击距离相同。

图3　冲击角度与冲击距离变换Fig.3　Impact angle and impact distance transformation

1.3.2环境温度

研究环境温度对冲蚀性能的影响，其目的针对实际工况往往处于高温的情况下，材料的物理性质发生变化，与室温时所表现的冲蚀磨损行为有所区别。若仅仅依靠室温时材料的冲蚀性能测试成果指导处于高温条件下作业的管道或阀门材料的设计和防腐，则极易造成重大的安全隐患。管道系统中流体温度变化较大，温度的变化对材料强度、塑性等力学性能均有直接影响，加大了冲蚀磨损行为的预测难度。本实验采用XMTD-8000系列智能温控仪表对实验温度进行控制，通过该控制仪表可控制与试件台连接的电热偶加热功率，达到控制试样表面温度的目的；针对材料在15，100，200℃及400℃温度条件下的冲蚀率展开研究。

2　试验结果与讨论

2.1　冲击角度对冲蚀率的影响

图4展示了10#、AISI304钢在室温、粒径为150 μm，颗粒冲击速度为175 m/s时，冲蚀率与冲击角度之间的变化关系，其中纵坐标为冲蚀率，横坐标为冲击角度。

图4　10#、AISI304钢在不同角度下的冲蚀率Fig.4　10 #, AISI304 steel erosion rate in different angles

试验研究发现，2种材料的冲蚀率并未呈现出较大差别，随着冲击角度的增加，材料的冲蚀率先增大后减小，最大冲蚀磨损率出现在15°～30°之间，当冲击角度大于30°之后，冲蚀磨损率下降趋势较为明显。根据相关文献资料显示，不同的材料性质在不同的冲击角度下所展现的冲蚀性能差异很大。Camacho[12]、周芳[13]等对AISI304，316，420钢的冲蚀性能进行研究，在冲击速度为24 m/s，420～450 μm的SiC颗粒冲击下，AISI304、316钢在60°时冲蚀磨损率大，420钢在30°时冲蚀磨损率大，这说明冲击角度与材料性质对冲蚀性能有密切的影响，同时与颗粒的性质无关。本试验所测数据与上述文献展示的AISI304钢在冲蚀性能上确有差异，这说明在高速冲击的条件下，AISI304钢的冲蚀性能发生了改变。

2.2　环境温度对冲蚀率的影响

10#、AISI304钢在多个角度不同温度下冲蚀性的变化如图5所示，不同角度下10#钢的冲蚀性能随温度变化的情况有所差异。15°冲击角度下，10#的冲蚀磨损率随温度升高略有下降；30°，45°冲击角度下，10#的冲蚀磨损率随温度的升高均有明显的增加，60°，90°冲击角度下，10#的冲蚀磨损率随温度的升高均无明显的增加。如图6所示，在某特定温度下10#管材的冲蚀磨损率随冲击角度的变化关系，当温度达到100℃以上时，10#的最大冲蚀磨损率出现在冲击角度为30°～45°区间中，与室温时有较大区别。60°～90°冲击角度下，10#的冲蚀磨损率与室温时变化不大。综上所述，10#的冲蚀性能在温度升高后发生了一定变化，特别是最大冲蚀磨损率峰值从15°～30°区间转移至30°～45°区间。

图5　特定角度下10#钢冲蚀性能随温度的变化关系Fig.5　The corrosion behavior of 10 # steel with temperature changes at a certain angle

图6　特定温度下10#的冲蚀磨损率随角度的变化关系Fig.6　The erosion wear rate of 10# with the angle changes at a certain temperature

如图7所示，在某特定冲击角度下AISI304管材的冲蚀磨损率随温度的变化关系，与10#呈现出不同的趋势。15°，30°，45°冲击角度下AISI304钢的冲蚀磨损率随温度增加呈现上升趋势，其中30°冲击角度下，冲蚀磨损率上升最快；3个冲击角度下200℃时的冲蚀磨损率较100℃均出现小幅度下降的情况。这与温度升高，材料表面出现的高抗蚀性氧化膜有关，100℃时，氧化膜的形成厚度较小，在多次冲击之后即脱落；在200℃时，氧化膜的形成厚度增加，但固体颗粒对材料的冲蚀磨损速率增加较小，使得固体颗粒对材料的冲蚀磨损率较100℃小；当温度上升到400℃时，氧化膜的形成厚度增加较小，固体颗粒对材料表面的冲蚀磨损率增加明显，在氧化膜被冲击脱落之后又进一步增加了冲蚀磨损率。同时，AISI304钢的最大冲蚀磨损率峰值同样随着温度的升高出现偏移，室温和100℃时，15°冲击角度下AISI304钢的冲蚀磨损率较大，当温度到达200℃之后，30°冲击角度下AISI304钢的冲蚀磨损率明显增大，高于15°，45°冲击角度下的冲蚀磨损率。

图7　特定角度下AISI304钢的冲蚀磨损率随温度变化Fig.7　The erosion wear rate of AISI304 steel with temperature changes at a certain angle

3　不同试样冲蚀性能对比

综合试验数据对10#及AISI304钢的冲蚀性能做出相应评价，定义评价指标如下：

(2)

Q304=1-Q10

(3)

(4)

T304=1-T10

(5)

式中：Q称为冲击角度对比指标，表示试验所测得的10#在同冲击角度不同温度时的冲蚀磨损量，mg；E2C表示试验测试得到的AISI304钢在同冲击角度不同温度时的冲蚀磨损量，mg；T称为冲蚀温度对比指标，K；E1A表示10#在同温度不同冲击角度时的冲蚀磨损量，mg；E2A则表示AISI304钢的冲蚀磨损量，mg。根据上述评价指标，得到2种材料的冲蚀性能对比如图8所示。深色柱状线表示10#，浅色柱状线表示AISI304钢，图中柱状线所占比例越小，则同一角度下不同温度的冲蚀磨损量之和越小，说明冲蚀性能越好。显然，在15°，30°冲击角度下，10#的冲蚀性能要优于AISI304钢，在45°冲击角度下，2种材料的冲蚀性能相近。室温下，10#、AISI304钢的冲蚀性能相近；但是，随着温度的升高，10#的冲蚀性能要优于AISI304钢，400℃时，10#的冲蚀性能要明显优于AISI304钢。

图8　材料冲蚀性能对比Fig.8　Material erosion performance comparison chart

4　结论

1)通过对不同冲击角度的试验研究，获得10#、AISI304钢在不同冲击角度下的冲蚀率与冲击角度间的关系。室温下，10#、AISI304钢的最大冲蚀率均出现在15°～30°附近，随着温度的升高，10#的最大冲蚀率出现在30°～45°区间，而AISI304钢的最大冲蚀率出现在30°附近区域。

2)通过对不同环境温度的试验研究，得到10#、AISI304钢在不同环境温度下的冲蚀率与环境温度间的关系。10#在30°，45°冲击角度下冲蚀磨损率随温度上升显著上升，而15°冲击角度下，冲蚀磨损率反而会随温度上升而下降。AISI 304钢在15°，30°，45°冲击角度下，冲蚀磨损率均会随温度上升而上升。

3)通过对10#、AISI 304钢的冲蚀磨损实验，对比相关影响因素作用下的冲蚀磨损率，发现10#钢在温度大于室温、冲击角度为15°，30°特定条件下冲蚀性能均优于AISI304钢。

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