两种涂层管材抗冲蚀性能对比

李义博 王治国

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

0 引言

在石油和海洋领域中，引起设备失效的最主要原因之一就是材料失效导致的腐蚀磨损[1-3]。其中就包括了石油输送管道、水轮机、泵和用于输送固体颗粒的管道。在这种情况下，固体颗粒与液体会发生结合，形成液固两相流，导致表面受损，引发局部部件损坏，导致成本增加，工作效率降低，甚至可能引发安全事故[4,5]。

材料的硬度、韧性、脆性等表面特性显著影响耐腐蚀性能。关于硬度和侵蚀速率的关系，普遍认为当侵蚀颗粒与材料表面的硬度比高于1.2时，塑性材料的侵蚀接近最大并达到饱和状态，当硬度比低于1.2时，侵蚀速率随着硬度比的减小而减小[6]。塑性材料和脆性材料的冲蚀机理不同，导致它们的冲蚀速率也不相同。

1 冲蚀实验设备与方法

1.1 冲蚀试验设备

冲蚀实验使用自制冲蚀试验台来完成，系统结构图如图1（a）所示。首先配置液固两相流流体，将硅砂颗粒与水按照1%比例进行混合配置，硅砂颗粒形状如图1（b）所示。接着将试样固定在试样夹上，试样与喷嘴之间的距离设为10.5mm，将混合流体倒入水箱中，随后将试样夹持器放在盛有混合流体的水箱中。启动离心泵，携砂液体会从管道中流出冲击试样。冲蚀实验结束后，关闭实验装置，取下试样并进行表面清洁烘干处理，随后连续称重5次，取平均值，并测试砂含量，直至冲蚀实验结束。

图1 实验装置示示意图和实验所用砂粒的显微形貌

1.2 冲蚀实验方法

实验完成后射流流速v采用连续性方程计算：

式中，Q为浆体流量，kg/s；ρ为浆体密度，kg/m3；A为喷嘴出口面积，m2。携砂率W为浆体携带的磨料占总添加磨料的比值。

式中，mp为随浆体携带出的磨料颗粒质量，kg；mabrasive为磨料颗粒添加的总质量，kg。

式中，ER为管材冲蚀速率，g/（m2·s）；m1为管材冲蚀前质量，g；m2为试样冲蚀后质量，g；Aspec为试样冲蚀面积，m2；t为冲蚀时间。

2 冲蚀实验结果与分析

2.1 硬度分析

进行冲蚀实验前，需要测量材料的硬度。用夹角为136°的金刚石正四棱锥压头，对其设定规定的试验力让其压入材料表面，等待规定时间后卸除试验力，通过测量正四棱锥的压痕面积来表示其硬度值。表1为1号和2号涂层的硬度值：

表1 材料硬度分析

对1号涂层和2号涂层的表面顶部的三个不同位置测量表面显微硬度，并记录平均值。由表1可知，2号涂层硬度远大于1号涂层。

2.2 冲蚀试验结果及分析

在液固冲蚀实验中，喷嘴直径为7mm，喷嘴距离试样距离为10.5mm。设定1号涂层和2号涂层的冲蚀时间为20min，由2.2章节计算公式可求出喷嘴平均流速为15m/s，平均含砂量为0.4954%。如图2所示，1号涂层套管、2号涂层套管的冲蚀速率分别为0.002511g/（m2·s）、0.007179g/（m2·s）。

图2 涂层材料在液固两相流体中的冲蚀速率对比

对于1号树脂涂层套管，由于1号树脂涂层套管是粘贴在金属表面，在10min1号涂层套管仅发生轻微剥落，而在20min时，涂层全部脱落且金属受到冲蚀，由此可以推断在1号涂层套管冲蚀20min后涂层膨胀粘贴性降低进而导致涂层脱落。对比两种涂层套管实验，在20min时间内，2号涂层损失的质量为1号涂层套管的1.5倍，表明2号涂层在短时间液固冲蚀的情况下抗冲蚀方面较弱。可以得出相关结论：1号涂层套管在90°的角度下，抗冲蚀普遍较低，较薄的涂层在高速流动的携砂液体中，塑性涂层通常会以脆性剥落或涂层鼓包脱落导致，2号涂层较薄，极其容易被冲没。西北工业大学刘道新提到，涂层太薄或者太厚抗冲蚀能力都不太理想，需要将涂层材料控制在一定厚度抗冲蚀能力才能达到最佳[7]。因此，在较薄的涂层进行液固环境下携砂冲蚀，涂层的抗冲蚀性能极其不佳。

在气固冲蚀实验中，喷嘴直径为7mm，喷嘴距离试样距离为10.5mm。设定1号涂层套管、2号涂层套管试样冲蚀时间为1h，由2.2章节计算公式可求出喷嘴平均流速为17.5m/s。如图3所示，1号涂层套管、2号涂层套管的冲蚀速率分别为0.000994718g/（m2·s）、0.000117893g/（m2·s）。对比1号涂层套管和2号涂层套管可以得出2号涂层套管在气固的环境中抗冲蚀能力很强，根据图2和图3可以得出2号金属涂层套管在液固环境抗冲蚀能力一般，没有在气固环境下抗冲蚀性能强，1号涂层套管在进行气固冲蚀实验中涂层虽然没有被冲破，但是涂层的抗冲蚀性能还是较弱。

图3 涂层套管材料在气固两相流体中的冲蚀速率对比

3 结语

（1）对比1号涂层套管在气固和液固环境下的冲蚀速率，1号涂层套管在液固的环境下比在气固的环境下冲蚀速率更大，涂层更容易剥落；

（2）试验中发现，在液固两相流环境中1号涂层套管10min后涂层就出现轻微剥落。而在气固环境中，冲蚀1小时也没有出现完全剥落；

（3）在20min的液固环境冲蚀试验条件下，2号涂层损失的质量为1号涂层套管的1.5倍，表明2号涂层在短时间冲蚀的情况下抗冲蚀方面较弱。而2号涂层在气固实验中损失质量为1号涂层的0.12倍，表明2号涂层在短时间内抗冲蚀能力极强。