电潜泵吸入口材料纯机械冲刷行为研究

段 铮，冯沙沙，黄军立，荣 杰

中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 深圳

1. 引言

潜油电泵是海上油田人工举升的重要机械采油设备，其寿命长短直接影响油田生产效率和成本。在石油开采过程中，井液含砂和大液量生产会对潜油电泵造成冲刷磨损，造成潜油电泵寿命缩短或系统失效。45#钢和316L不锈钢是典型的电泵吸入口材料，但目前还没有关于45#钢和316L不锈钢在非腐蚀性介质中的纯机械冲刷行为规律的相关研究。通过研究冲击时间、流速、以及冲击角度对其机械冲刷行为影响规律，可为潜油电泵的优化设计提供有效的理论依据，对于延长电泵使用寿命和提高经济效益具有重要意义。

2. 试验部分

2.1. 试验材料

电泵吸入口所用材料45#钢和316L不锈钢，其化学成分见表1。试验介质为固液两相含砂水流，石英砂的砂体粒度为700～900 μm。

Table 1. The chemical components of 45# steel and 316L stainless steel表1. 45#钢和316L不锈钢化学成分

2.2. 试验方法

机械冲刷试验在自制的管道冲刷腐蚀模拟测试试验装置中进行，该自制装置可实现不同流速、含砂量以及冲击角度的调节。试样的工作面为10 mm × 10 mm的正方形，其余面用环氧树脂密封。

试验前，试样依次用100#、400#、800#、1200#水砂纸打磨，打磨后用无水乙醇擦拭干净，并用去离子水冲洗，冷风吹干。试验时间为24 h，冲刷速度为8 m/s，冲击角度为0˚，含砂量为1200 g/m3，砂体粒度为0.9 mm。试样冲刷前后的质量采用电子天平(精度为0.0001 g)称量，试样冲刷后的表面形貌采用VHX-2000型三维显微镜观察。

3. 试验结果与讨论

3.1. 机械冲刷失重速率与材料硬度的关系

对于韧性材料，硬度对材料的机械冲刷行为起着决定性作用。硬度的增加降低了砂粒的冲刷作用，减小了材料的冲蚀速率[1]。从图1可以看出，45#钢的失重速率明显大于316L不锈钢。经测定，45#钢和316L不锈钢的硬度分别为274.8 HV和429.1 HV，因此，高硬度的316L不锈钢的抗冲刷性能优异于低硬度的45#钢。

Figure 1. The scouring weight loss rate of 45# steel and 316L stainless steel图1. 45#钢和316L不锈钢的冲刷失重速率

3.2. 机械冲刷失重速率与冲刷时间的关系

图2是机械冲刷失重速率随冲刷时间变化的趋势图。可以看出，45#钢和316L不锈钢的冲刷失重速率先增加，后趋于稳定，说明材料在试验条件下处于稳定磨损阶段。这是由于高速砂粒撞击材料表面，撞击点局部产生压应力，当压应力高于材料临界应力时，材料发生塑性变形，进而被砂粒冲刷失重且失重逐渐增加，随着试样表面发生剧烈的塑性变形，试样表面会形成一层加工硬化层，当塑性变形与加工硬化达到一个平衡点的时候，冲蚀率基本不变。

Figure 2. The trend of weight loss rate of mechanical scouring with the change of scouring time图2. 机械冲刷失重速率随冲刷时间变化的趋势

3.3. 机械冲刷失重速率与冲刷速度的关系

图3为机械冲刷失重速率随冲刷速度变化的趋势图。可以看出，45#钢和316L不锈钢的冲刷失重速率均随着流速的增加而呈线性增加趋势。粒子的冲击速度与材料冲刷失重速率关系为：

式中：W为冲刷失重速率，g/(m2·h)；v为冲刷速度，m/s；k和n均为常数。

由于流速增大，使得粒子所获得的速度增大，动能相应增加，导致材料的冲蚀加剧[2][3]。

Figure 3. The trend of weight loss rate of mechanical scouring with the change of scouring velocity图3. 机械冲刷失重速率随冲刷速度变化的趋势

3.4. 机械冲刷失重速率与冲击角度的关系

图4为冲击角度对机械冲刷失重速率的影响趋势图。可以看出，当冲击角度低于45˚时，随着角度的增加45#钢和316L不锈钢的失重速率均出现降低的趋势，在冲击角度为45˚时，失重速率最小。当冲击角度高于45˚时，两者失重速率均增加，且45#钢的增加幅度较大。当冲击角度为90˚时，45#钢的冲刷失重速率达到最大，而316L不锈钢的失重速率最大值时的冲击角度为0˚。在固液两相流冲刷过程中，作用在材料表面上的力同时具有水平和垂直分量，水平分量会对靶材造成切削损伤，垂直分量会对靶材造成撞击或冲击损伤。所以，随着冲击角度变化，切削和撞击作用此消彼长，造成了不同角度下不同的损伤机制。

Figure 4. The trend of weight loss rate of mechanical scouring with the change of scouring angle图4. 机械冲刷失重速率随冲击角度变化的趋势

45#钢在不同冲击角度冲刷后的宏观形貌见图5。可以看出，当冲击角度为90˚时，45#钢表面可以观察到明显的冲击坑，而当冲击角度为0˚时则未观察到明显的冲击坑。这是由于冲击角度较小时，水平分量作用较强，主要的损伤机制为切削，随着冲击角度的增大，垂直分量作用增强，粒子撞击材料表面，把金属从坑中挤出，形成带唇边的压坑，其损伤机制为犁削。

Figure 5. The macro-morphology of 45# steel at 0˚ and 90˚ impact angles图5. 45#钢在0˚和90˚冲击角度下的宏观形貌

4. 结论

1) 对于韧性材料，纯机械冲刷失重速率与材料的硬度成反比。316L不锈钢的硬度高，冲刷失重速率小；45#钢的硬度低，冲刷失重速率大。

2) 45#钢和316L不锈钢的冲刷失重速率随着冲击时间的增加，先增加后处于稳定磨损阶段。

3) 45#钢和316L不锈钢的冲刷失重速率随着流速的增加呈线性增加趋势。

4) 45#钢和316L不锈钢在冲击角度为45˚时，冲刷失重速率最小；高于或低于45˚时冲刷失重速率均增加；当冲击角度为0˚时的损伤机制为切削，当冲击角度为90˚时的损伤机制为犁削。