石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對防砂篩管用304不銹鋼沖蝕速率的影響

王治國 ，曹 鍇，梁治國，王文娟

(1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065；2.咸陽市特種設(shè)備檢驗所，陜西 咸陽 712000)

沖蝕是指材料受到流體攜帶的固體顆粒沖擊時，表面出現(xiàn)磨損破壞的現(xiàn)象[1]。Chen[2]等人發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)量速率增加時，材料沖蝕速率首先增加，然后小于某個砂質(zhì)量速率。Levy[3]提到30%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的沖蝕試驗，每千克石英砂造成的試樣失質(zhì)量并未顯著增加，側(cè)面證明石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，顆粒在撞擊試樣表面之前，相互碰撞過程中消耗一定的能量，從而使總的沖蝕速率會降低。楊向同[4]等人也指出固體顆粒之間碰撞導(dǎo)致的動能消耗使得沖蝕速率先減小后緩慢增加。Mansouri[5]根據(jù)1%～15%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的沖蝕試驗結(jié)果，與Eulerian-Granular和Eulerian-Lagrangian數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果對比，觀察到高石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，Eulerian-Granular的預(yù)測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)變化趨勢更為符合。試驗結(jié)果顯示，試樣沖蝕速率(kg·kg-1)近似保持恒定，甚至略有下降。Finnie[6]指出表面粗糙度和流體湍流度之間的關(guān)系，因侵蝕而變得粗糙的試樣表面會增加流體湍流度，導(dǎo)致試樣表面的沖蝕磨損速率增加。

地層出砂對防砂篩管的沖蝕是大量固體顆粒以不同角度、速度撞擊篩管的過程。Deng[7]等人通過室內(nèi)試驗，研究了不同礫石充填參數(shù)下的油井產(chǎn)量和出砂率，得到了處理采油速度的參數(shù)。劉新峰[8]等人通過試驗方法，研究了316L不銹鋼和434金屬棉耐蝕性的影響。王保全[9]等人針對篩管，證明了噴射式和過流式2種沖蝕試驗研究方法的合理性，試驗結(jié)果重現(xiàn)性好，試驗結(jié)果偏差小。呂寧博[10]等人針對防砂篩管金屬材料，即304不銹鋼，研究了不同沖蝕速度和角度對篩管沖蝕速率的影響。但是，隨著高產(chǎn)氣井地層出砂量的增加，關(guān)于石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對304不銹鋼沖蝕速率的影響一直缺乏相關(guān)準(zhǔn)確的試驗結(jié)果。

本文利用試驗室自制的噴射式?jīng)_蝕試驗裝置，研究304不銹鋼在蒸餾水與石英砂形成的液固兩相流體作用中的沖蝕規(guī)律，得到?jīng)_蝕時間和石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)兩種因素下304不銹鋼材料沖蝕速率的研究結(jié)果，為不銹鋼防砂篩管的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗工作

1.1 試驗材料及介質(zhì)

試驗材料取自某油田現(xiàn)場用304不銹鋼材，其化學(xué)成分如表1，力學(xué)性能如表2。

表1 304不銹鋼成分 wb%

表2 304不銹鋼力學(xué)性能

為研究石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對304不銹鋼沖蝕速率的影響，采用清水作為液體介質(zhì)，石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.49%～5.5%。選定流速為10 m/s。固定噴射角為90°。

1.2 試驗裝置及方法

沖蝕試驗在自制的沖蝕試驗裝置進(jìn)行，試驗設(shè)備如圖1所示。304不銹鋼(SS304)制成40 mm×40 mm×4 mm試樣。將試樣待沖蝕面分別用80#、400#、600#、1000#、1500#砂紙逐級打磨。首先用丙酮除油，之后酒精沖洗，最后吹風(fēng)機(jī)吹干，并使用電子天平稱量其初始質(zhì)量后備用。

圖1 沖蝕試驗流程

試樣固定在試驗臺試樣夾持器中。固定在噴嘴中心，調(diào)整夾持器與噴嘴中心線之間的角度，滿足90°沖擊角度。按1%～5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石英砂加入至蒸餾水中，配成液固兩相流體。固體顆粒選取直徑0.3 mm石英砂，石英砂SEM如圖2所示。配置好的液固兩相流體倒入攪拌罐中，啟動攪拌器，保持液固兩相均勻混合，然后通過砂漿泵引導(dǎo)至噴嘴，高速噴出后沖擊試樣。采用AC770-T3型偉創(chuàng)變頻器控制砂漿泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到所需流速后開始試驗。

圖2 試驗中使用的砂SEM圖

試驗溫度控制在24～40 ℃，當(dāng)溫度超過40 ℃時，停止試驗，使得兩相流體自然冷卻，達(dá)到溫度范圍后，再繼續(xù)進(jìn)行實驗。SS304不銹鋼的密度是7 930 kg/m3。噴嘴直徑7 mm，距離噴嘴為2倍噴嘴直徑，2D=14 mm。試驗前在噴嘴出口處測量石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)。試樣失重采用FR10046電子天平稱質(zhì)量，精度0.1 mg。

沖蝕速率計算公式：

(1)

式中：m0為試樣沖蝕前質(zhì)量，g；m1為試樣沖蝕后質(zhì)量，g；ER為沖蝕速率，kg·kg-1；Msand是砂流量，kg/s；t為沖刷磨損試驗時間，s。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 沖蝕時間對304不銹鋼材沖蝕速率的影響

試驗過程存在噴嘴出口石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)不恒定的情況，攪拌罐中加入的石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～5%，實際噴嘴出口處石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.49%～5.52%。為保證測得的試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每隔50 min中斷1次沖蝕試驗，取樣稱量試樣質(zhì)量和測量噴嘴出口處石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)，得到試樣沖蝕速率與沖蝕時間之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 試樣沖蝕磨損速率與沖蝕時間之間關(guān)系

由圖3可以看出，在4種石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，試樣沖蝕速率隨沖蝕時間的增加而逐漸降低。在石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于2.99%時，試樣沖蝕速率緩慢降低，在100 min以后趨于穩(wěn)定值。試驗初期，石英砂顆粒的棱角分明，沖擊試樣時，顆粒表面的尖銳棱角對試樣表面的切削作用很強(qiáng)。隨著沖蝕時間的延長，不規(guī)則的固相顆粒逐漸被磨平，固相粒子對試樣表面的切削作用減弱，沖蝕速率降低并趨于平緩。

4種石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)中，0.49%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗條件下的試樣沖蝕速率降低更快，2.99%、3.21%和5.52% 3種試驗條件下的試樣沖蝕速率表現(xiàn)出幾乎相同的變化趨勢。石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一個界限值，會在試樣表面形成砂保護(hù)層，減少固相顆粒對試樣表面的沖擊作用，與文獻(xiàn)[3]和[11]的研究結(jié)果相一致。

2.2 石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對304不銹鋼材沖蝕速率的影響

圖4為石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和試樣沖蝕速率之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在低石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)(<1%)時，材料的沖蝕速率較高。石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%左右，由于固體顆粒間存在互相碰撞而消耗動能，以及較高石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，石英砂顆粒在試樣表面形成砂保護(hù)層，試樣的沖蝕速率和材料失質(zhì)量均降低。在高石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下(>5%)，沖蝕速率趨于一個穩(wěn)定值，但是材料總的失質(zhì)量會增加。

圖4 砂含量與沖蝕速率關(guān)系

圖5為沖蝕時間和材料失質(zhì)量之間的關(guān)系?？梢钥闯?，5.52%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，材料失質(zhì)量較高；0.49%、2.99%和3.21% 3種石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下下材料失質(zhì)量變化趨勢一致。試驗結(jié)果證明，高石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)會導(dǎo)致更高的材料失質(zhì)量，因為會有更多的顆粒撞擊目標(biāo)表面。

圖5 沖蝕時間和失重量關(guān)系

由于石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，導(dǎo)致顆粒沖擊試樣頻率的差異，促使材料表面出現(xiàn)不同的沖蝕形貌。先前研究成果[12-14]說明不同半徑范圍內(nèi)，顆粒對試樣表面的撞擊角度和撞擊速度不同。崔銳[15]和王治國[12]通過試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合，將試樣表面沖蝕形貌劃分為3個區(qū)域，得出區(qū)域Ⅰ以顆粒的高角度低流速的撞擊坑為主；區(qū)域Ⅱ以高流速低角度的切削為主，存在犁溝；區(qū)域Ⅲ以低流速和低角度的切削為主要沖蝕機(jī)制，有部分反彈顆粒撞擊表面留下撞擊坑。區(qū)域Ⅰ為材料沖蝕的中心區(qū)域，區(qū)域Ⅱ為近中心區(qū)域，區(qū)域Ⅲ為遠(yuǎn)離中心區(qū)域。圖6為304不銹鋼材料沖蝕后表面形貌不同區(qū)域劃分圖。

圖6 304不銹鋼材料沖蝕后表面形貌不同區(qū)域劃分

0.49%、2.99%和5.52% 3種石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的掃描電鏡圖分析結(jié)果如圖7～9所示?？梢钥闯?，隨著石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，顆粒撞擊的頻率增加，顆粒沖擊試樣表面形成的凹坑增加，塑性變形先增加后減少。5.52%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，試樣表面的褶皺和薄片等塑性變形全部脫落，導(dǎo)致材料失質(zhì)量增加。

圖7a是區(qū)域Ⅰ的沖蝕微觀形貌。該區(qū)域以撞擊坑為主，能量主要集中在豎直方向。材料表面為有數(shù)的沖擊坑和犁溝。圖7b為區(qū)域Ⅱ沖蝕微觀形貌。該區(qū)域存在少量的原始表面，相對于區(qū)域Ⅰ，該區(qū)域沖蝕機(jī)理以切削和褶皺，以及反復(fù)的切削作用下薄片脫落產(chǎn)生的凹坑為主。圖7c為區(qū)域Ⅲ的沖蝕微觀形貌，沖蝕機(jī)理主要以切削為主，有少量犁溝，切削過程中沖擊薄片較少，同時僅有少量固體顆粒到達(dá)該位置。

圖7 0.49%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下不同區(qū)域沖蝕微觀形貌

圖8為2.99%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下清水中試樣3個區(qū)域沖蝕微觀形貌圖。相比于圖7可以看到，石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致固體顆粒沖擊試樣表面的頻率增加。區(qū)域Ⅰ的撞擊坑、區(qū)域Ⅱ的褶皺和區(qū)域Ⅲ的犁溝數(shù)量增加，試樣表面較為粗糙，出現(xiàn)了更多撞擊坑和塑性變形，但是金屬剝落現(xiàn)象較少。宏觀上表現(xiàn)為試樣沖蝕速率和失質(zhì)量降低。

圖8 2.99%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下不同區(qū)域沖蝕微觀形貌

由圖9可以看出，當(dāng)石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5.52%時，試樣表面區(qū)域Ⅰ中形成更多的沖擊坑，沒有褶皺和凸起。區(qū)域Ⅱ中形成的撞擊坑密集度更高，其余表面較為平整。區(qū)域Ⅲ切削產(chǎn)生的薄片增多，犁溝數(shù)量減少，表明石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，到達(dá)該區(qū)域的顆粒數(shù)量增多。試樣整體微觀形貌更為平整光滑，沖擊坑的數(shù)量增加且深度較淺，有金屬剝落現(xiàn)象，宏觀上表現(xiàn)為試樣沖蝕速率略微降低，失質(zhì)量增加。

圖9 5.52%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下不同區(qū)域沖蝕微觀形貌

當(dāng)石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，金屬表面的凸起及褶皺等塑性變形被高頻率固體砂顆粒撞擊和切削，導(dǎo)致大塊脫落。因此，隨著石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，金屬材料塑性變形增多和沖刷導(dǎo)致材料大塊脫落產(chǎn)生交互作用，引起總的金屬試樣失質(zhì)量增加。但是，試樣表面附近存在固體顆粒間相互碰撞的因素，引起總的沖蝕速率小幅度降低。

3 結(jié)論

1) 利用自行研制的噴射式液固兩相流沖蝕試驗裝置，研究了石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對防砂篩管用SS304不銹鋼材料的沖蝕規(guī)律。

2) 石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.99%時，試樣表面有砂保護(hù)層現(xiàn)象，撞擊試樣表面反彈的顆粒阻擋后續(xù)固體顆粒對試樣表面進(jìn)行撞擊，顆粒之間的碰撞消耗一部分動能，是試樣沖蝕速率減少的主要原因。繼續(xù)增加石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)，沖蝕速率小幅度減少。

3) SS304不銹鋼材料的失質(zhì)量隨沖蝕時間的增加而增加。試驗初期，石英砂顆粒的棱角分明，之后逐漸被磨平變的圓潤，切削作用減弱。0～50 min沖蝕時間內(nèi)，試樣失質(zhì)量較高。50～150 min沖蝕時間內(nèi)，失質(zhì)量增加趨勢減緩。0.49%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，顆粒間碰撞頻率較低，顆粒表面的尖銳棱角磨平較慢，顆粒切削作用強(qiáng)，試樣失質(zhì)量較低，但是沖蝕速率較高；石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致顆粒間碰撞頻率增加，石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至3.21%，失質(zhì)量略微降低，同時沖蝕速率小幅度減少。5.52%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，失質(zhì)量快速增加，沖蝕速率小幅度減少。

4) 0.49%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，試樣表面的沖擊坑、犁溝、切削和褶皺等塑性變形數(shù)量增加，材料的破壞主要以金屬脫落為主。當(dāng)石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.99%后，固體顆粒沖擊試樣的頻率和顆粒間碰撞頻率同時增加，撞擊試樣產(chǎn)生的沖擊坑數(shù)量增加，引起試樣表面粗糙度增加。此時，顆粒間碰撞消耗動能的因素占據(jù)主導(dǎo)地位，引起試樣失質(zhì)量略微減少，沖蝕速率降低較多。5.52%石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，固體顆粒對試樣表面高頻率撞擊，導(dǎo)致金屬材料塑性變形增多和材料大塊脫落之間的交互作用占據(jù)主導(dǎo)地位，試樣失質(zhì)量急劇增加。