泥水盾構(gòu)管材在渣漿中沖蝕磨損試驗(yàn)研究

干聰豫， 黃子木， 劉泓志， 李興高, *， 楊 益

(1. 中交隧道工程局有限公司， 北京 100044； 2. 北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044)

0 引言

近年來(lái)，隨著泥水盾構(gòu)的廣泛應(yīng)用，渣漿(泥漿和渣土混合物)輸送造成泥水管路磨蝕嚴(yán)重，甚至?xí)r有發(fā)生爆管漏漿事故。北京地下直徑線工程[1]、北京京張高鐵清華園隧道工程[2]、北京市南水北調(diào)配套工程團(tuán)城湖至第九水廠輸水工程(2期)第2標(biāo)段都曾出現(xiàn)過(guò)因排漿管路磨蝕漏漿或渣漿泵滲漏造成盾構(gòu)停機(jī)的情況。此外，南京、蘭州、成都等地的地鐵建設(shè)中使用的泥水盾構(gòu)也出現(xiàn)過(guò)此類問(wèn)題[3-5]。盾構(gòu)在砂卵石地層、土巖復(fù)合地層等條件下掘進(jìn)時(shí)，排泥管中的渣漿是由卵石、礫石或破碎巖渣等固體硬顆粒和注入的新鮮泥漿組成的復(fù)雜固-液兩相介質(zhì)，在輸送過(guò)程中會(huì)對(duì)管路產(chǎn)生較大磨蝕，進(jìn)而影響到工程的安全、工期和造價(jià)。當(dāng)泥漿在管道及渣漿泵中輸送時(shí)，泥漿被期望具有較大的攜渣能力、較小的管道阻力以及較小的沖蝕磨損。因此，深入研究泥水盾構(gòu)渣漿磨蝕力學(xué)特性，分析其各組分對(duì)磨蝕性的影響，具有重要的工程實(shí)踐價(jià)值，且對(duì)保證泥水盾構(gòu)的正常施工具有重要的作用。

早在20世紀(jì)60年代，F(xiàn)innie[6]和Sheldon等[7]對(duì)沖蝕磨損進(jìn)行了一系列研究，并提出關(guān)于塑性材料沖蝕磨損的模型，認(rèn)為塑性材料的沖蝕磨損是由微切削作用造成的； Bellman等[8]和Foley等[9]對(duì)沖蝕磨損進(jìn)行了大量的研究，通過(guò)提出宏觀沖蝕磨損機(jī)制，認(rèn)為靶材剛開(kāi)始產(chǎn)生沖蝕磨損時(shí)的沖蝕磨損速率較小，而在已經(jīng)發(fā)生過(guò)沖蝕磨損的表面上繼續(xù)發(fā)生沖蝕磨損時(shí)的沖蝕磨損速率將有所增大； Mazumder等[10-11]對(duì)不同流速下的單相流和多相流沖蝕磨損進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用質(zhì)量損失和厚度損失測(cè)量來(lái)表征彎管的磨損行為和磨損模式，測(cè)量了不同位置的磨損強(qiáng)度，以確定最大磨損位置。除試驗(yàn)探索以外，在數(shù)值模擬方面，Tan等[12]和Zhang等[13]利用離散元方法預(yù)測(cè)了離散粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡以及粒子-粒子間的相互作用，利用Navier-Stokes求解器對(duì)連續(xù)流體相的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用壓力梯度力模型計(jì)算固液相互作用力； Chen等[14]提出了一種基于CFD-DEM的液體-顆粒兩相流侵蝕預(yù)測(cè)模型，該模型考慮了彎頭等管道連接處液-顆粒、顆粒-顆粒和顆粒-壁面的相互作用； Yang等[15]以蘭州地鐵跨江隧道建設(shè)為研究背景，采用數(shù)值模擬方法建立了泥石流兩相流模型，考慮到漿料的流變特性，對(duì)多相流理論進(jìn)行了研究； Cui等[16]設(shè)計(jì)了室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)觀察大尺寸卵石在泥漿中的輸送性能,指出大尺寸鵝卵石在流通管道中主要表現(xiàn)為滑動(dòng)、滾動(dòng)和跳躍3種形式。

目前，關(guān)于管道磨損的研究大多使用既有經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行大致預(yù)測(cè)，影響因素考慮不夠全面。從沖蝕磨損的影響因素來(lái)看，影響磨蝕速率的因素眾多，包括沖擊速度及角度、顆粒形狀尺寸及硬度、靶材硬度及組織結(jié)構(gòu)等。當(dāng)前的研究對(duì)象多是針對(duì)疏浚工程和石油運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)，對(duì)于泥水盾構(gòu)泥漿管道輸送渣土的力學(xué)性能研究仍很匱乏。因此，本文采用在新鮮泥漿中加入石英顆粒(粒徑約2 mm)的方法配制渣漿，利用自主設(shè)計(jì)的泥漿磨蝕試驗(yàn)裝置，測(cè)試渣漿的磨蝕特性，分析評(píng)價(jià)泥漿黏度、砂石體積分?jǐn)?shù)、漿體流速以及沖擊方向?qū)Π胁哪ノg的影響規(guī)律。

1 泥漿磨蝕特性試驗(yàn)裝置

泥水盾構(gòu)泥漿管路遭受泥砂沖刷磨蝕，主要原因在于渣漿中含有的泥砂顆粒在水流作用下具有一定動(dòng)能。管壁表面在泥砂顆粒的反復(fù)沖擊和切削下，逐漸失去本體而產(chǎn)生磨損。因此，泥水管路的磨損來(lái)源主要是泥砂顆粒的沖蝕作用。為再現(xiàn)泥砂顆粒與靶材的沖擊過(guò)程，自主設(shè)計(jì)了泥漿磨蝕特性試驗(yàn)裝置，由泥漿旋轉(zhuǎn)磨蝕部分、調(diào)速動(dòng)力部分和壓力氣體提供部分組成，如圖1所示。裝置采用在渣漿中反復(fù)旋轉(zhuǎn)靶材的方式模擬和再現(xiàn)泥漿管路中泥砂顆粒與靶材的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖1 泥漿磨蝕特性試驗(yàn)裝置

1.1 泥漿旋轉(zhuǎn)磨蝕部分

泥漿旋轉(zhuǎn)磨蝕部分是試驗(yàn)裝置的核心，其正視剖面見(jiàn)圖2，各部分實(shí)物見(jiàn)圖3。

1—旋轉(zhuǎn)裝置； 2—密封法蘭盤； 3—攪拌缸； 4—限位連接器； 5—磨蝕試片安裝位置。

泥漿旋轉(zhuǎn)磨蝕部分外部由密封法蘭盤和攪拌缸組成，進(jìn)行密封保護(hù)，內(nèi)部安裝有旋轉(zhuǎn)裝置及磨蝕試片。密封法蘭盤使用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼制作，外緣部分直徑為320 mm，厚度為10 mm，均勻分布6個(gè)直徑為9 mm的螺栓孔。攪拌缸使用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼制作，主體內(nèi)徑為250 mm，外徑為270 mm。

(a) 旋轉(zhuǎn)裝置

(b) 攪拌缸

(c) 密封法蘭盤

旋轉(zhuǎn)裝置使用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼制作，總長(zhǎng)為235 mm，桿體直徑為22 mm，距底面35 mm處焊接用于安裝固定磨蝕試片的圓盤；圓盤上有3組同心圓分布的螺栓孔，同心圓半徑分別為30、60、90 mm，每個(gè)同心圓均勻分布4個(gè)螺栓孔，螺栓孔直徑為5 mm。旋轉(zhuǎn)裝置頂部套有限位連接器，用于連接旋轉(zhuǎn)裝置與變速電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸。

試驗(yàn)時(shí)，隨著泥漿旋轉(zhuǎn)磨蝕部分的動(dòng)作，安裝于旋轉(zhuǎn)裝置上的磨蝕試片做圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其與泥漿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

1.2 調(diào)速動(dòng)力部分

泥水盾構(gòu)管道中泥漿流速為1～6 m/s，根據(jù)泥漿流速v與轉(zhuǎn)速ω的關(guān)系v=πωR/30(R為旋轉(zhuǎn)半徑)，可以得到動(dòng)力部分的轉(zhuǎn)速為318～636 r/min。因此，調(diào)速動(dòng)力系統(tǒng)的組成選擇為： 400 W單向220 V調(diào)速開(kāi)關(guān)、400 W單向220 V電動(dòng)機(jī)和7GU-3K減速器。電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，減速器減速比為3∶1，動(dòng)力部分額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，可滿足要求。

1.3 壓力氣體提供部分

試驗(yàn)中，通過(guò)向密封攪拌缸內(nèi)注入壓力氣體的方式達(dá)到為泥漿加壓的效果。壓力氣體提供部分的組成為： 無(wú)油靜音空氣壓縮機(jī)、IR2010-02BG氣壓調(diào)節(jié)閥以及PU高壓氣管?？諝鈮嚎s機(jī)的氣壓為0～0.8 MPa，氣壓調(diào)節(jié)閥的控壓為0～0.4 MPa，高壓氣管的耐壓強(qiáng)度為1～1.2 MPa。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

泥水盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)所用泥漿通常是由一定比例的膨潤(rùn)土和水配置膨化而成，膨潤(rùn)土根據(jù)其含有陽(yáng)離子的種類可分為鈉基膨潤(rùn)土和鈣基膨潤(rùn)土，在實(shí)際工程中多采用鈉基膨潤(rùn)土。本文試驗(yàn)漿液所用的鈉基膨潤(rùn)土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。磨蝕試片采用與現(xiàn)場(chǎng)泥漿管道材料相同的Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼制作，磨片磨蝕面尺寸為30 mm×20 mm，底座有用于固定的螺栓孔，如圖4所示?？紤]到攪拌缸和磨蝕試片尺寸以及泥漿混合的均勻性，試驗(yàn)選取泥漿管道中常見(jiàn)的粒徑約為2 mm的石英顆粒，其密度為2.65 g/cm3，莫氏硬度為7?？紤]到泥漿黏度、砂石體積分?jǐn)?shù)、泥漿相對(duì)靜壓、泥漿流速以及磨蝕試片方向等影響因素，對(duì)泥漿磨蝕特性進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)研究，具體影響因素及水平如表2所示。

表1 鈉基膨潤(rùn)土物理力學(xué)參數(shù)

圖4 磨蝕試片

表2 泥漿磨蝕特性影響因素及水平

表2中各因素水平的滿足方式有： 通過(guò)選取滿足黏度條件的新鮮泥漿進(jìn)行試驗(yàn)； 砂石體積分?jǐn)?shù)是指石英顆粒體積與泥漿液體體積的百分比，通過(guò)加入不同體積分?jǐn)?shù)的粒徑約2 mm的石英顆粒達(dá)到條件；泥漿相對(duì)靜壓是利用試驗(yàn)設(shè)備的壓力氣體提供部分來(lái)提供氣壓，并通過(guò)安裝在密封法蘭盤上的氣壓表來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力值；通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)固定在其上的磨蝕試片，以達(dá)到磨蝕試片與泥漿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；通過(guò)將磨蝕試片固定于旋轉(zhuǎn)裝置的不同位置來(lái)改變磨片方向，如圖5所示。

圖5 磨蝕試片擺放位置

2.2 試驗(yàn)步驟

引入如表2所示的泥漿磨蝕特性影響因素及水平后，利用單因素分析方法進(jìn)行試驗(yàn)，以μ=60 MPa·s、φ=6%、p=0.2 MPa的工況為例，對(duì)試驗(yàn)步驟進(jìn)行說(shuō)明。

1)以水土質(zhì)量比為6∶1的比例配置鈉基膨潤(rùn)土泥漿，并膨化48 h，測(cè)得其動(dòng)力黏度為60 MPa·s。向泥漿中加入體積分?jǐn)?shù)為6%的2 mm石英顆粒并均勻混合，以此作為試驗(yàn)?zāi)酀{，將其注入攪拌缸內(nèi)。

2)將尺寸和材料均一致的12枚磨蝕試片進(jìn)行分組，每2枚分為1組，利用精密電子稱對(duì)每組磨片稱重并記錄。將磨片安裝固定于旋轉(zhuǎn)裝置上，每組磨片的旋轉(zhuǎn)半徑和擺放方向須保持一致。

3)將旋轉(zhuǎn)裝置放入攪拌缸中，將組裝好的減速電機(jī)安裝固定于密封法蘭盤上，再將法蘭盤安裝于攪拌缸頂部，使減速電機(jī)轉(zhuǎn)軸套入旋轉(zhuǎn)裝置頂部的限位連接器，擰緊法蘭盤與攪拌缸的固定螺栓，使之密封。

4)組裝壓力氣體提供部分，開(kāi)啟無(wú)油空氣壓縮機(jī)。將氣壓調(diào)節(jié)閥的控壓值調(diào)至0.2 MPa，開(kāi)啟各閥門，使密封法蘭盤上的氣壓表及氣壓調(diào)節(jié)閥讀數(shù)均穩(wěn)定在0.2 MPa。

5)檢查設(shè)備組裝完成后，開(kāi)啟調(diào)速開(kāi)關(guān)，將電位器旋鈕調(diào)節(jié)至額定功率，使旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min?？紤]到泥漿對(duì)磨蝕試片的磨蝕質(zhì)量量級(jí)較小，將磨蝕試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間設(shè)定為48 h。如果試驗(yàn)過(guò)程中空氣壓縮機(jī)氣壓下降接近0.2 MPa，需再次開(kāi)啟空氣壓縮機(jī)，使之氣壓滿足略大于0.2 MPa的要求。

6)設(shè)定的試驗(yàn)時(shí)間完成后，關(guān)閉減速電機(jī)電源開(kāi)關(guān)，緩慢打開(kāi)泄氣閥門使壓力氣體泄出。泄壓后打開(kāi)密封法蘭盤，取下安裝在旋轉(zhuǎn)裝置上的磨蝕試片，清洗烘干后立即對(duì)同組的2枚磨片進(jìn)行稱重并記錄，對(duì)比試驗(yàn)前后磨片的質(zhì)量變化以及磨蝕破壞形式。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中，對(duì)泥漿磨蝕性能強(qiáng)弱的判別是依據(jù)磨蝕試片質(zhì)量變化的大小，為此引入磨蝕率E，其計(jì)算公式為E=ΔM/t(ΔM為每組2枚磨蝕試片試驗(yàn)前后的質(zhì)量差，t為磨蝕試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間)。磨蝕率E的單位為g/h，表示單位試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)每組磨片產(chǎn)生磨蝕消耗的質(zhì)量。

3.1 泥漿黏度對(duì)磨片磨蝕率的影響分析

圖6示出砂石體積分?jǐn)?shù)和泥漿相對(duì)靜壓恒定條件下，泥漿黏度與磨片磨蝕率間的關(guān)系。由圖6可知： 隨著泥漿黏度的增大，磨片磨蝕率雖有所增加，但增加不顯著，可以忽略不計(jì)； 對(duì)比平行于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率與垂直于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率，二者變化規(guī)律一致，各曲線變化比例均未超過(guò)3%。由此說(shuō)明，泥漿黏度在20～60 MPa·s范圍內(nèi)的變化，對(duì)含有小粒徑渣土泥漿的磨蝕特性影響可以忽略不計(jì)。對(duì)于渣漿與磨片的碰撞角度而言，泥漿黏度的變化也未使其變化趨勢(shì)產(chǎn)生顯著的區(qū)別。

(a) 磨片平行于旋轉(zhuǎn)方向

(b) 磨片垂直于旋轉(zhuǎn)方向

3.2 砂石體積分?jǐn)?shù)對(duì)磨片磨蝕率的影響分析

圖7示出泥漿黏度和泥漿相對(duì)靜壓恒定條件下，泥漿中石英砂石體積分?jǐn)?shù)與磨片磨蝕率間的關(guān)系。由圖7可知： 隨著泥漿中石英砂石體積分?jǐn)?shù)的增大，磨片磨蝕率呈近線性增長(zhǎng)趨勢(shì)； 當(dāng)泥漿流速為4.8 m/s時(shí)，磨蝕率隨砂石體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)的斜率明顯大于另外2組； 平行于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率與垂直于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率對(duì)于砂石體積分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律是一致的。由此說(shuō)明，隨著小粒徑砂石體積分?jǐn)?shù)的增加，磨片與砂石的碰撞概率增加，磨片的磨蝕率也隨之增加，其中又以泥漿流速為4.8 m/s時(shí)最為明顯，在高泥漿流速狀態(tài)下，砂石具有較大動(dòng)能，砂石與磨片碰撞概率增加，磨片的磨蝕作用大幅度增加；對(duì)于泥漿與磨片的碰撞角度而言，砂石體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)引起不同角度磨片磨蝕率的增加。

(a) 磨片平行于旋轉(zhuǎn)方向

(b) 磨片垂直于旋轉(zhuǎn)方向

3.3 泥漿相對(duì)靜壓對(duì)磨片磨蝕率的影響分析

圖8示出泥漿黏度和砂石體積分?jǐn)?shù)恒定條件下，泥漿相對(duì)靜壓與磨片磨蝕率間的關(guān)系。由圖8可知： 隨著泥漿相對(duì)靜壓的增大，磨片磨蝕率呈顯著上升趨勢(shì)，但曲線增長(zhǎng)斜率隨之減??； 當(dāng)泥漿流速為4.8 m/s時(shí)，磨蝕率的增長(zhǎng)斜率最大； 平行于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率與垂直于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率對(duì)于砂石體積分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律是一致的。由此說(shuō)明，隨著泥漿相對(duì)靜壓的增加，攜帶小粒徑渣土的泥漿對(duì)磨片具有更強(qiáng)的沖蝕磨損作用，其中又以泥漿流速為4.8 m/s時(shí)最為明顯，說(shuō)明在高速高壓狀態(tài)下，泥漿磨蝕性能大幅度增加。

(a) 磨片平行于旋轉(zhuǎn)方向

(b) 磨片垂直于旋轉(zhuǎn)方向

3.4 泥漿流速對(duì)磨片磨蝕率的影響分析

圖9示出不同泥漿黏度水平下的泥漿流速與磨片磨蝕率間的關(guān)系，圖10示出不同砂石體積分?jǐn)?shù)水平下的泥漿流速與磨片磨蝕率間的關(guān)系，圖11示出不同泥漿相對(duì)靜壓下的泥漿流速與磨片磨蝕率間的關(guān)系。不同試驗(yàn)工況下，泥漿流速增大，磨片磨蝕率均有所增大，且磨蝕率在泥漿流速為3.2～4.8 m/s時(shí)的斜率均大于泥漿流速為1.6～3.2 m/s時(shí)的斜率。由圖9可以看出，不同泥漿黏度水平下，各組數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同，尤其是在相同磨片擺放方向條件下，數(shù)值也幾乎相同。圖10和圖11表明，隨著泥漿中砂石體積分?jǐn)?shù)和泥漿相對(duì)靜壓的升高，泥漿磨蝕性能隨泥漿流速增加均有顯著變化，其中又以高泥漿相對(duì)靜壓狀態(tài)尤為顯著，而泥漿黏度幾乎不影響泥漿流速對(duì)磨蝕性能的影響。因此，當(dāng)管道中泥漿處于高砂石體積分?jǐn)?shù)和高壓狀態(tài)時(shí)，應(yīng)關(guān)注泥漿流速的升高引起的管道磨蝕的增加，也應(yīng)時(shí)刻關(guān)注管道內(nèi)壓力的變化。

(a) 磨片平行于旋轉(zhuǎn)方向

(b) 磨片垂直于旋轉(zhuǎn)方向

(a) 磨片平行于旋轉(zhuǎn)方向

(b) 磨片垂直于旋轉(zhuǎn)方向

(a) 磨片平行于旋轉(zhuǎn)方向

(b) 磨片垂直于旋轉(zhuǎn)方向

3.5 磨片方向?qū)δノg程度的影響分析

圖12為不同條件下磨片方向與磨片磨蝕率間的關(guān)系。圖12(a)是在固定砂石體積分?jǐn)?shù)為6%、泥漿相對(duì)靜壓為0 MPa和泥漿流速為4.8 m/s的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)繪制，可以看出，垂直于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率均略大于平行于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率，泥漿黏度的變化未使磨片磨蝕率明顯變化。圖12(b)是在固定泥漿黏度為60 MPa·s、泥漿相對(duì)靜壓為0 MPa和泥漿流速為4.8 m/s的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)繪制，可以看出，垂直于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率均略大于平行于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率，高砂石體積分?jǐn)?shù)條件下的磨片磨蝕率大于低砂石體積分?jǐn)?shù)條件下的磨片磨蝕率。圖12(c)是在固定泥漿黏度為60 MPa·s、砂石體積分?jǐn)?shù)為6%和泥漿流速為4.8 m/s的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)繪制，可以看出，垂直于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率與平行于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率互有高低，以垂直組大于平行組為主，高相對(duì)靜壓條件下的磨片磨蝕率大于低相對(duì)靜壓條件下的磨片磨蝕率。圖12(d)是在固定泥漿黏度為60 MPa·s、砂石體積分?jǐn)?shù)為6%和泥漿相對(duì)靜壓為0 MPa的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)繪制，可以看出，垂直于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率均大于平行于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率，且隨著泥漿流速的增大，磨蝕率也逐漸增大。

(a) 泥漿黏度組

(b) 砂石體積分?jǐn)?shù)組

(c) 泥漿相對(duì)靜壓組

(d) 泥漿流速組

不同磨片擺放方向的磨蝕情況如圖13和圖14所示。可知： 平行于旋轉(zhuǎn)方向擺放的磨片磨蝕形式主要為平行的劃痕線，且內(nèi)外2個(gè)表面均有明顯的沖蝕痕跡； 垂直于旋轉(zhuǎn)方向擺放的磨片磨蝕形式主要為撞擊凹坑，并伴隨有發(fā)散狀劃痕線，外表面有明顯的沖蝕痕跡，而內(nèi)表面幾乎無(wú)變化。

(a) 內(nèi)表面 (b) 外表面

(a) 內(nèi)表面 (b) 外表面

總體而言，垂直于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率大于平行于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率。當(dāng)砂石體積分?jǐn)?shù)、泥漿相對(duì)靜壓和泥漿流速偏高時(shí)，不同擺放方向的磨片磨蝕率差距會(huì)更為顯著。磨片擺放方向?qū)ζ錄_蝕磨損破壞形式影響顯著，低沖擊角時(shí)主要為切削劃痕線，高沖擊角時(shí)主要為碰撞凹坑，并伴隨著二次沖蝕的切削劃痕線。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與比較可知，造成靶材磨片產(chǎn)生沖蝕的原因是泥砂顆粒與磨片的硬度差異，在沖蝕過(guò)程中，不規(guī)則形狀的高硬度砂粒以高速?zèng)_擊磨片表面，使得試件表面被剪切并撕裂，由此產(chǎn)生了沖蝕磨損。砂粒的入射角度決定了磨痕形式，而砂粒的動(dòng)能大小決定了磨蝕的快慢。泥漿流速越快、相對(duì)靜壓越大，則單個(gè)顆粒的動(dòng)能越大，靶材被磨蝕的越快；砂石體積分?jǐn)?shù)越大，則砂?？倓?dòng)能越大，靶材被磨蝕的也越快。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

利用自主設(shè)計(jì)制作的試驗(yàn)裝置，分析了泥水盾構(gòu)工程現(xiàn)場(chǎng)所使用的鈉基膨潤(rùn)土泥漿在多種因素影響下對(duì)泥漿管道材料的磨蝕特性，并得到以下結(jié)論。

1)泥漿黏度在工程現(xiàn)場(chǎng)允許范圍內(nèi)的變化，對(duì)含有小粒徑渣土泥漿的磨蝕特性影響幾乎可以忽略不計(jì)。

2)小粒徑砂石體積分?jǐn)?shù)的增加使磨蝕率增加，在高泥漿流速狀態(tài)下，會(huì)對(duì)磨片的磨蝕作用大幅度增加。

3)相對(duì)靜壓的增加使得攜帶小粒徑渣土的泥漿對(duì)磨片具有更強(qiáng)的沖蝕磨損作用，初步加壓時(shí)的效果尤為顯著，在高泥漿流速狀態(tài)下，磨片磨蝕率大幅度增加。因此，對(duì)于渣漿泵出口附近的高靜壓區(qū)管路，應(yīng)適當(dāng)增加泥漿管路的管壁厚度。

4)在泥漿高砂石體積分?jǐn)?shù)和高壓條件下，泥漿磨蝕性能隨泥漿流速變化有顯著的變化，其中又以高泥漿相對(duì)靜壓狀態(tài)尤為顯著，而泥漿黏度幾乎不影響泥漿流速對(duì)磨蝕性能的影響。因此，在高砂石體積分?jǐn)?shù)地層，在施工效率允許的情況下，應(yīng)適當(dāng)降低泥漿流速。

5)垂直于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率大于平行于旋轉(zhuǎn)方向的磨片磨蝕率。當(dāng)砂石體積分?jǐn)?shù)、泥漿相對(duì)靜壓和泥漿流速偏高時(shí)，不同擺放方向的磨片磨蝕率差距會(huì)更加顯著。對(duì)沖蝕磨損破壞形式而言，磨片的擺放方向會(huì)對(duì)其產(chǎn)生顯著影響。對(duì)于管路彎頭處等易發(fā)生垂直碰撞的位置，應(yīng)提前采取焊接耐磨片等措施。

4.2 討論

本文通過(guò)試驗(yàn)研究了不同影響因素對(duì)管路磨蝕的特性，但仍有需要繼續(xù)深入研究的地方。

1)本文試驗(yàn)僅考慮了顆粒與靶材的平行或垂直2種形式的運(yùn)動(dòng)，這是2種較為極端的情況，在實(shí)際工程中，顆粒與管路間存在不同的入射角度，因此，在試驗(yàn)手段上仍有較大的優(yōu)化空間。

2)試驗(yàn)中僅采用了一種砂礫作為顆粒材料，而在實(shí)際工程中，盾構(gòu)所遇到的地質(zhì)是復(fù)雜的，砂石形狀、大小以及硬度都會(huì)對(duì)磨損起到不可忽視的影響，這方面仍有待進(jìn)一步探索。