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    段塞流下攜砂水平彎管的沖蝕試驗(yàn)

    2019-06-05 12:02:16曹學(xué)文李星標(biāo)彭文山2
    腐蝕與防護(hù) 2019年4期
    關(guān)鍵詞:砂粒沖蝕環(huán)向

    曹學(xué)文,樊 茵,李星標(biāo),彭文山2,石 倩

    (1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,青島 266580;2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)國(guó)防科技重點(diǎn)試驗(yàn)室,青島 266237)

    沖刷腐蝕即沖蝕是金屬表面與流體之間由于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的金屬損失現(xiàn)象,是材料受機(jī)械沖刷的結(jié)果[1]。沖蝕廣泛存在于礦山開(kāi)采、冶金、水利、石油化工等工業(yè)中。暴露在運(yùn)動(dòng)流體中的各類設(shè)施的過(guò)流部件如管線、管件、閥門、泵等都會(huì)遭受到?jīng)_蝕破壞,尤其是在含固相顆粒的多相流中,破壞更為嚴(yán)重。

    沖蝕過(guò)程十分復(fù)雜,影響因素眾多,主要可分為以下三個(gè)方面:(1) 材料因素,即材料本身的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等;(2) 固相顆粒因素,即固相顆粒的含量、粒度、硬度、形狀等因素;(3) 力學(xué)因素,即過(guò)流部件的形狀,不同的流速、流態(tài)會(huì)使流體對(duì)材料表面產(chǎn)生不同的力學(xué)效果。以上各影響因素相互交織,給沖刷腐蝕研究帶來(lái)很大困難[2]。在由氣相、液相和固相組成的多相流沖刷腐蝕中,情況更為復(fù)雜,相關(guān)研究成果較少。

    在關(guān)于沖蝕問(wèn)題的早期研究中,F(xiàn)INNIE[3]通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出了沖刷腐蝕的經(jīng)驗(yàn)公式,揭示了金屬和陶瓷兩種不同材料在沖蝕過(guò)程中隨沖擊角度、沖擊速率、沖擊粒子粒徑的變化表現(xiàn)出不同的沖蝕規(guī)律。隨后的研究多集中于特定流型流態(tài)下沖蝕介質(zhì)對(duì)不同材料沖蝕速率的影響,但研究流型多為液固/氣固兩相流[4-11]。以上研究中所搭建的試驗(yàn)平臺(tái)都較為簡(jiǎn)單,在研究彎管局部不同區(qū)域的沖蝕特征方面有局限性。

    段塞流是氣液柱交替出現(xiàn)的氣液兩相流動(dòng)狀態(tài),是多相流集輸中常見(jiàn)的流型。本工作利用氣液固多相流沖蝕試驗(yàn)環(huán)道進(jìn)行了段塞流條件下攜砂水平彎管的沖蝕試驗(yàn),通過(guò)高速攝像裝置觀察彎管內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài),通過(guò)失重法計(jì)算彎管內(nèi)不同部位的沖蝕速率,并觀察試樣的表面形貌,深入分析了段塞流下水平彎管的沖蝕行為,為后續(xù)研究提供了參考。

    1 試驗(yàn)

    1.1 試驗(yàn)介質(zhì)與材料

    試樣材料為316L不銹鋼,其化學(xué)成分如表1所示。將其制成尺寸為8 mm×6 mm×5 mm的試樣。由于316L不銹鋼具有較好的耐蝕性,因此在沖蝕試驗(yàn)過(guò)程中試樣的質(zhì)量損失均由沖蝕引起,不考慮由腐蝕引起的質(zhì)量損失。

    表1 316L不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of 316L stainless steel (mass fraction) %

    試驗(yàn)固相介質(zhì)為3種粒徑(180~212 μm,280~315 μm,385~425 μm)且?guī)в欣饨堑氖⑸傲#瑢⑵涑s、酸洗、干燥后用分樣篩篩選出目標(biāo)粒徑的砂粒,其形貌如圖1所示。試驗(yàn)液相介質(zhì)為去離子水,試驗(yàn)時(shí)在去離子水中分別加入這3種粒徑的石英砂粒。

    (a) 180~212 μm (b) 280~315 μm (c) 385~425 μm圖1 3種粒徑石英砂粒的形貌(30×)Fig. 1 Morphology of silica particles in three grain sizes (30×)

    1.2 試驗(yàn)裝置

    氣液固多相流沖蝕試驗(yàn)環(huán)道如圖2所示。其中,試驗(yàn)彎管為管徑40 mm、彎徑比1.5的可拆卸式水平彎管,兩端通過(guò)螺栓與內(nèi)徑40 mm的直管段相連接,如圖3所示。為觀察管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài),首先采用透明的有機(jī)玻璃彎管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn),然后再換成可放置試樣的超高分子聚乙烯試驗(yàn)彎管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)。彎管內(nèi)壁設(shè)計(jì)有36個(gè)放置試樣的凹槽,其中彎管外側(cè)21個(gè),內(nèi)側(cè)15個(gè),試樣尺寸與凹槽相匹配,使用硅膠將試樣粘貼固定至相應(yīng)凹槽內(nèi),且表面與彎管內(nèi)壁平齊,如圖4所示。

    圖2 多相流沖蝕試驗(yàn)環(huán)道示意圖Fig. 2 Schematic diagram of multiphase flow erosion loop system

    圖5為試驗(yàn)彎管軸向及環(huán)向角度示意圖。按彎管彎曲軸向角θ對(duì)其軸向位置進(jìn)行編號(hào),共標(biāo)記了7個(gè)截面;按彎管橫截面環(huán)向角φ大小對(duì)其環(huán)向位置進(jìn)行編號(hào),環(huán)向角為45°,90°,135°,225°,270°,315°分別標(biāo)記為1~6。通過(guò)環(huán)向位置和軸向位置可以確定試樣在彎管上的位置。如11代表在截面1、環(huán)向角為45°處的試樣;46代表在截面4、環(huán)向角為315°處的試樣。

    圖3 試驗(yàn)彎管的等軸測(cè)圖Fig. 3 Isometric diagram of test elbow

    (a) 外側(cè)

    (b) 內(nèi)側(cè)圖4 試樣安裝后的試驗(yàn)彎管Fig. 4 Test elbow after installation of samples: (a) outer portion; (b) inner portion

    1.3 沖蝕試驗(yàn)過(guò)程

    試驗(yàn)前,依次用240號(hào)~1 000號(hào)水砂紙打磨試樣表面(圖6),清洗干燥后,采用德國(guó)SARTORIUS電子天平(精度為0.01 mg)稱量試驗(yàn)前質(zhì)量,稱量3次取平均值;接著用游標(biāo)卡尺測(cè)量各試樣尺寸并記錄數(shù)據(jù);用704硅膠將試樣涂封在凹槽內(nèi),保證試樣表面與水平管內(nèi)表面平齊,將試驗(yàn)彎管的內(nèi)外側(cè)部分組裝并粘合起來(lái),為保證硅膠充分固化將彎管放置至少24 h后再進(jìn)行試驗(yàn)。沖蝕試驗(yàn)的具體條件如表2所示。試驗(yàn)結(jié)束后,清理試樣表面,待干燥后再次稱量。為減小誤差,每個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行2次,取平均值。試驗(yàn)完成后需更換液體介質(zhì)及石英砂。

    1.4 測(cè)試方法

    測(cè)試方法主要包括彎管內(nèi)流態(tài)觀察,失重法及顯微形貌觀察。試驗(yàn)流型為段塞流,采用日本NAC MEMRECAM HX-7高速攝像裝置觀察彎管內(nèi)液塞流動(dòng)狀態(tài)。按式(1)計(jì)算試樣的沖蝕速率。

    (a) 軸向

    (a) 低倍(30×) (b) 高倍(200×)圖6 沖蝕前試樣表面形貌Fig. 6 Morphology of sample before erosion at low (a) and high (b) magnifications

    (1)

    式中:v為沖蝕速率,mm/a;Δm為試樣沖蝕前后的平均質(zhì)量差,g;S為試樣工作面積,m2;t為沖蝕時(shí)間,h;ρ為材料的密度,kg/m3。

    采用德國(guó)蔡司IMc12型體視顯微鏡觀察試樣沖蝕后的表面形貌;采用德國(guó)蔡司AxioImager.A2m型3D共聚焦顯微鏡觀察試樣沖蝕后的三維形貌,并測(cè)量最大坑深。

    表2 沖蝕試驗(yàn)的試驗(yàn)條件Tab. 2 Experimental conditions of erosion test

    2 結(jié)果與討論

    2.1 彎管內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)

    按時(shí)間順序?qū)⒁喝鹘?jīng)水平彎管的過(guò)程劃分為不同階段,在不同階段管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)如圖1所示。前期,液塞未進(jìn)入彎管時(shí),彎管入口下部流體流動(dòng)平穩(wěn),氣泡較少,砂粒含量較大,如圖1(a)所示;當(dāng)液塞到達(dá)彎管入口下部時(shí),彎管入口下部液體流動(dòng)變得劇烈,產(chǎn)生較多氣泡,液塞的沖擊攪動(dòng)將砂粒卷攜起來(lái),導(dǎo)致砂粒含量增大,如圖1(b)所示。這是由于液塞在行進(jìn)過(guò)程中,液塞中液體的動(dòng)能大于液體薄層中液體的動(dòng)能,當(dāng)液塞前進(jìn)并吸收液體薄層中的液體時(shí),液體薄層中的液體被加速到液塞速度,這樣在液塞前端就會(huì)形成一段渦流區(qū),渦流的存在使液塞會(huì)捕獲部分氣體[12],這部分氣體會(huì)加劇液體薄層的流動(dòng),增大了對(duì)砂粒的攪動(dòng),最終導(dǎo)致更多的沙粒被卷攜進(jìn)入液塞。中期,液塞經(jīng)過(guò)彎管時(shí),在彎管出口右上部形成二次流動(dòng),此流動(dòng)表現(xiàn)為一個(gè)傾斜的液波,如圖1(c)所示;隨著時(shí)間的推移,此二次流液波向右下移動(dòng)至彎管出口中部,并且傾斜角度增大,斜削過(guò)彎管外側(cè),如圖1(d)所示。這是因?yàn)槎瘟鳟a(chǎn)生于彎管頂部,受離心力作用向彎管出口下部移動(dòng),移動(dòng)過(guò)程中二次流的液波傾斜角度逐漸增大。并且二次流是疊加于主流之上的水流,會(huì)對(duì)彎管出口外側(cè)中部造成嚴(yán)重沖擊。后期,液塞即將沖過(guò)彎管時(shí),水花相對(duì)減少,如圖1(e)所示;隨后,液塞的空間位置明顯向彎管外側(cè)中部移動(dòng),如圖1(f)所示。

    (a) 前期(初) (b) 前期(后) (c) 中期(初)

    (b) 中期(后) (e) 后期(初) (e) 后期(后)圖7 液塞流經(jīng)水平彎管不同時(shí)間階段時(shí)管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)Fig. 7 Flow state of liquid slug in different stages of time flowing through horizontal elbow:(a) initial stage (early); (b)initial stage (later); (c) middle stage (early); (d) middle stage (later); (e) final stage (early); (f) final stage (later)

    以上結(jié)果反映了液塞整體的流動(dòng)趨勢(shì)。液塞在行進(jìn)過(guò)程中,會(huì)卷攜管道底部的砂粒,液塞進(jìn)入水平彎管后,砂粒在離心力的影響下偏向彎管外側(cè)中部,且越靠近彎管后部離心力作用越明顯,對(duì)彎管外側(cè)后部的沖擊越大。

    2.2 彎管內(nèi)位置對(duì)沖蝕速率的影響

    2.2.1 粒徑范圍180~212 μm

    將試樣的沖蝕速率標(biāo)記在其對(duì)應(yīng)的彎管位置,該處試樣的沖蝕速率即表示彎管該位置受到的沖蝕程度。由圖8可見(jiàn):當(dāng)砂粒粒徑為180~212 μm時(shí),在彎管62處(6號(hào)截面,環(huán)向角90°)沖蝕速率最大,為3.69 mm/a;彎管14處(1號(hào)截面,環(huán)向角225°)沖蝕速率最小,為0.014 1 mm/a。

    比較不同軸向截面處沖蝕速率的變化規(guī)律,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知:環(huán)向角相同時(shí),6號(hào)截面處的沖蝕速率最大,2號(hào)截面處的沖蝕速率最小,且除入口(1號(hào)截面)與出口(7號(hào)截面)外,沖蝕速率隨著彎曲軸向角的增大而增大。

    (a) 外側(cè)

    (b) 內(nèi)側(cè)圖8 彎管內(nèi)沖蝕速率的分布(粒徑范圍180~212 μm)Fig. 8 Erosion rate distribution in elbow (particle size rang of 180-212 μm): (a) outer portion; (b) inner portion

    比較不同環(huán)向角方向上沖蝕速率的變化規(guī)律,結(jié)果如圖10所示。由圖10可知:在環(huán)向角45°~135°處,沖蝕速率較大,在環(huán)向角225°~315°處,沖蝕速率較小。這說(shuō)明彎管外側(cè)沖蝕破壞比內(nèi)側(cè)嚴(yán)重,且外側(cè)中部沖蝕破壞最為嚴(yán)重。同一軸向截面上,沖蝕速率因環(huán)向角不同而改變。如在出現(xiàn)最大沖蝕速率的6號(hào)截面上,環(huán)向角90°處出現(xiàn)的最大沖蝕速率(3.69 mm/a)約為環(huán)向角45°處(3.28 mm/a)的1.13倍,環(huán)向角135°處(2.59 mm/a)的1.43倍;在7號(hào)截面上,彎管內(nèi)側(cè)最大沖蝕速率出現(xiàn)在環(huán)向角315°處(1.75 mm/a),其大小約為同一截面環(huán)向角225°處(0.89 mm/a)的1.97倍,環(huán)向角270°處(0.56 mm/a)的3.13倍。

    圖9 沖蝕速率沿著流體流向的變化(粒徑范圍180~212 μm)Fig. 9 Variation of erosion rate along flow direction (particle size rang of 180-212 μm)

    圖10 沖蝕速率沿著環(huán)向角度的變化(粒徑范圍180~212 μm)Fig. 10 Variation of erosion rate along toroidal angle (particle size rang of 180-212 μm)

    液塞行進(jìn)過(guò)程中,會(huì)卷攜管道底部的砂粒,使得液塞內(nèi)部砂粒含量增加,液塞攜帶砂粒進(jìn)入水平彎管后,砂粒在離心力的影響下偏向彎管外側(cè)中部附近,沖蝕破壞區(qū)域從底部逐漸轉(zhuǎn)向中部位置,不同截面的沖蝕曲線均在環(huán)向角90°處形成波峰,造成外側(cè)中部位置沖蝕破壞最嚴(yán)重。

    2.2.2 粒徑范圍280~315 μm

    由圖11可見(jiàn):當(dāng)砂粒粒徑為280~315 μm時(shí),最大沖蝕速率出現(xiàn)在61處(6號(hào)截面,環(huán)向角45°),沖蝕速率為2.54 mm/a;最小沖蝕速率出現(xiàn)在35處(3號(hào)截面,環(huán)向角270°),沖蝕速率為0.015 4 mm/a。

    由圖12可知:環(huán)向角相同時(shí),6號(hào)截面處的沖蝕速率最大,2號(hào)截面處的沖蝕速率最小,且彎頭內(nèi)部沖蝕速率隨著彎曲軸向角的增大呈增大趨勢(shì)。

    由圖13可知:在環(huán)向角45°~135°處,沖蝕速率較大,在環(huán)向角225°~315°處,沖蝕速率較小。這說(shuō)明彎管外側(cè)沖蝕破壞比內(nèi)側(cè)嚴(yán)重,且外側(cè)中部沖蝕破壞最為嚴(yán)重。

    (a) 外側(cè)

    (b) 內(nèi)側(cè)圖11 彎管內(nèi)沖蝕速率的分布(粒徑范圍280~315 μm)Fig. 11 Erosion rate distribution in elbow (particle size range of 280-315 μm): (a) outer portion; (b) inner portion

    圖12 沖蝕速率沿著流體流向的變化(粒徑范圍280~315 μm)Fig. 12 Variation of erosion rate along flow direction (particle size range of 280-315 μm)

    圖13 沖蝕速率沿著環(huán)向角度的變化(粒徑范圍280~315 μm)Fig. 13 Variation of erosion rate along toroidal angle (particle size range of 280-315 μm)

    在液塞行進(jìn)過(guò)程中,會(huì)卷攜管道底部的砂粒,液塞攜帶砂粒進(jìn)入水平彎管后,砂粒在離心力的影響下會(huì)有偏向彎管外側(cè)中部的趨勢(shì),使沖蝕破壞區(qū)域從底部逐漸向中部位置轉(zhuǎn)移,但是由于砂粒粒徑稍大,積聚在外側(cè)底部的砂粒仍然較多,造成外側(cè)底部位置沖蝕破壞更嚴(yán)重一些,但相差不大。

    2.2.3 粒徑范圍385~425 μm

    由圖14可知:砂粒粒徑范圍為385~425 μm時(shí),最大沖蝕速率出現(xiàn)在62處(6號(hào)截面,環(huán)向角90°),其值為6.63 mm/a;最小沖蝕速率出現(xiàn)在35處(3號(hào)截面,環(huán)向角270°),其值為0.010 3 mm/a。

    (a) 外側(cè)

    (b) 內(nèi)側(cè)圖14 彎管內(nèi)沖蝕速率的分布(粒徑范圍385~425 μm)Fig. 14 Erosion rate distribution in elbow (particle size rang of 385-425 μm): (a) outer portion; (b) inner portion

    由圖15可知:環(huán)向角相同時(shí),6號(hào)截面處的沖蝕速率最大,2號(hào)截面處的沖蝕速率最小,且彎管內(nèi)部的沖蝕速率隨著軸向角度的增大呈增大趨勢(shì)。

    圖15 沖蝕速率沿著流體流向的變化(粒徑范圍385~425 μm)Fig. 15 Variation of erosion rate along flow direction (particle size rang of 385-425 μm)

    由圖16可知:同一軸向截面上,在環(huán)向角45°~135°處,沖蝕速率較大,在環(huán)向角225°~315°處,沖蝕速率較小,這說(shuō)明彎管外側(cè)沖蝕破壞比內(nèi)側(cè)嚴(yán)重,且外側(cè)中部沖蝕破壞最為嚴(yán)重。

    液塞行進(jìn)過(guò)程中,會(huì)卷攜管道底部的砂粒,液塞攜帶砂粒進(jìn)入水平彎管后,砂粒在離心力的影響下偏向彎管外側(cè)中部附近,導(dǎo)致沖蝕破壞區(qū)域從底部逐漸轉(zhuǎn)向到中部位置,造成外側(cè)中部位置沖蝕破壞最為嚴(yán)重。該砂粒粒徑最大,在含砂量一定的條件下,單顆砂粒的質(zhì)量和慣性都最大,所以在液塞卷攜下對(duì)管道的沖蝕較明顯。

    2.3 砂粒粒徑對(duì)沖蝕速率的影響

    由圖17可知:沿著管內(nèi)流體的流動(dòng)方向,在環(huán)向角相同的情況下,由于砂粒粒徑的不同,砂粒對(duì)管道產(chǎn)生的沖蝕速率也不同,其順序?yàn)榱椒秶?85~425 μm>粒徑范圍180~212 μm>粒徑范圍280~315 μm。在6號(hào)截面、環(huán)向角90°處,粒徑范圍385~425μm的砂粒對(duì)管道產(chǎn)生沖蝕速率最大,為6.63 mm/a,分別是相同位置粒徑范圍180~212 μm,280~315 μm砂粒對(duì)管道產(chǎn)生沖蝕速率的1.80倍(3.69 mm/a)和2.72倍(2.44 mm/a)。這主要是由于當(dāng)砂粒粒徑較大時(shí),慣性力占主導(dǎo)作用。砂粒越大,慣性力越大,碰撞能越大,砂粒沿流體流動(dòng)方向與管壁發(fā)生較強(qiáng)烈的碰撞,導(dǎo)致彎管沖蝕速率最大;另外,粒徑較小的砂粒更容易被流體卷攜,使得砂粒與壁面的碰撞更加充分,而且彎管中的二次流對(duì)于較小粒徑砂粒影響較明顯,從而產(chǎn)生較大的沖蝕速率。

    圖16 沖蝕速率沿著環(huán)向角度的變化(粒徑范圍385~425 μm)Fig. 16 Variation of erosion rate along toroidal angle (particle size rang of 385-425 μm)

    (a) 環(huán)向角45° (b) 環(huán)向角90° (c) 環(huán)向角135°

    (d) 環(huán)向角225° (e) 環(huán)向角270° (f) 環(huán)向角315°圖17 不同粒徑下各環(huán)向角處沖蝕速率沿著流體流向的變化Fig. 17 Variation of erosion rate along flow direction at toroidal angles of 45°-315° in different particle sizes

    試驗(yàn)中控制含砂量相同,所以不同粒徑條件下砂粒數(shù)量不同。在試驗(yàn)研究粒徑范圍內(nèi),粒徑最大時(shí)(砂粒數(shù)量最少)沖蝕速率大于粒徑最小(砂粒數(shù)量最多)時(shí)的沖蝕速率,粒徑居中時(shí)沖蝕速率最小。由此可知,砂粒粒徑對(duì)沖蝕速率的影響比砂粒數(shù)量對(duì)沖蝕速率的影響更加明顯。

    由圖18可知:當(dāng)環(huán)向角為45°~135°時(shí),不同砂粒粒徑產(chǎn)出的沖蝕速率差異比較明顯;當(dāng)環(huán)向角為225°~315°時(shí),不同砂粒粒徑產(chǎn)出的沖蝕速率差異不大。這說(shuō)明砂粒粒徑主要影響彎管外側(cè)的沖蝕速率。

    (a) 2號(hào)截面 (b) 4號(hào)截面 (c) 3號(hào)截面

    (d) 5號(hào)截面 (e) 6號(hào)截面圖18 不同粒徑下各截面處沖蝕速率沿環(huán)向角度的變化Fig. 18 Variation of erosion rate along toroidal angle at cross sections of No. 1-No. 6 in different particle sizes

    2.4 沖蝕形貌

    沖蝕試驗(yàn)完成后,將試樣表面清理干凈,觀察表面的沖蝕形貌,結(jié)果如圖19和圖20所示(以42處試樣為例)。

    由圖19可以看出:與沖蝕前相比,沖蝕后試樣表面沖蝕形貌主要表現(xiàn)為沖蝕坑和劃痕兩種形式。不同粒徑砂粒對(duì)同一位置試樣沖蝕后,試樣表面的形貌又各不相同。粒徑范圍為180~212 μm時(shí),粒徑較小,砂粒數(shù)量多,故試樣表面的沖蝕坑小且密集,劃痕也相對(duì)細(xì)密,如圖19(b)所示;粒徑范圍280~315 μm時(shí),試樣表面的沖蝕坑明顯減少,僅出現(xiàn)個(gè)別稍大沖蝕坑,如圖19(c)所示;粒徑范圍為385~425 μm時(shí),試樣表明幾乎無(wú)可見(jiàn)劃痕,如圖19(d)所示。這是由于粒徑越大,砂粒沖擊金屬表面的慣性力越大,不斷切削材料表面形成沖蝕坑;而且粒徑較大時(shí),沖蝕坑較大,將試樣表面相對(duì)較淺的劃痕掩蓋。

    由圖20可以看出:砂粒沖擊試樣表面產(chǎn)生的沖蝕坑成不規(guī)則狀且大小不一,沿著流體流動(dòng)方向,沖蝕坑發(fā)展呈方向性,部分有唇形隆起。隨著砂粒不斷碰撞試樣表面,試樣前端有減薄現(xiàn)象。粒徑范圍為180~212 μm時(shí),試樣表面最大坑深為3.3 μm;粒徑越大,沖擊表面產(chǎn)生的沖蝕坑越大,粒徑范圍為385~425 μm時(shí),試樣表面坑深為4.82 μm。

    3 結(jié)論

    (1) 液塞在水平彎管中行進(jìn)時(shí),卷攜管道底部的砂粒,在離心力的影響下砂粒偏向彎管外側(cè)中部,且越靠近彎管后部離心力作用越明顯;另外,彎管靠近出口處會(huì)出現(xiàn)二次流,導(dǎo)致砂粒對(duì)水平彎管外側(cè)出口處的嚴(yán)重沖擊。

    (2)段塞流下水平彎管沖蝕最嚴(yán)重部位出現(xiàn)在彎管外側(cè)出口中下部。另外,彎管外側(cè)各軸向截面中部沖蝕也比較嚴(yán)重,是較易產(chǎn)生沖蝕破壞的部位。

    (a) 沖蝕前 (b) 粒徑范圍180~212 μm (c) 粒徑范圍280~315 μm (d) 粒徑范圍385~425 μm圖19 不同粒徑砂粒沖蝕后試樣表面宏觀形貌Fig. 19 Macro morphology of sample surface before (a) and after erosion by particles in size rangs of 180-212 μm (b), 280-315 μm (c) and 385-425 μm (d)

    (a) 粒徑范圍180~212 μm (b) 粒徑范圍280~315 μm (c) 粒徑范圍385~425 μm圖20 不同粒徑砂粒沖蝕后試樣表面3D形貌Fig. 20 3D morphology of sample surface after erosion by particles in size rangs of 180-212 μm (a), 280-315 μm (b) and 385-425 μm (c)

    (3) 砂粒粒徑和砂粒數(shù)量對(duì)沖蝕速率均有影響,并且粒徑對(duì)沖蝕速率的影響比顆粒數(shù)量對(duì)沖蝕速率的影響更為顯著。在180~425μm粒徑范圍內(nèi),隨粒徑增大,水平彎管不同部位的沖蝕速率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì);且相較于彎管內(nèi)側(cè),外側(cè)沖蝕速率變化更明顯。

    (4) 砂粒沖擊試樣表面時(shí)會(huì)造成微切削、犁割以及沖擊變形三種形式的破壞。表面沖蝕形貌主要有沖蝕坑點(diǎn)、劃痕。粒徑較小時(shí),試樣表面坑點(diǎn)及劃痕較密集,最大坑深隨粒徑的增大而增大。

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