油氣田設備多相流沖蝕磨損主控因素研究進展*

王 雪，夏晞冉，秦永光，樊朝斌，劉銘剛，高凱歌

（1.中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266104 2.中石化河南油田分公司采油氣工程服務中心，河南南陽 473000 3.中石化西南石油工程有限公司，四川成都 610016）

0 前言

沖蝕磨損是指材料表面受到含有固體顆粒的流體沖擊而導致其表面材料磨損的現(xiàn)象，是造成零部件損壞、設備失效的重要原因。油氣生產(chǎn)運行過程中，設備內(nèi)常存在幾十至上百兆帕的波動壓力，一旦發(fā)生由于沖蝕磨損導致的刺漏、破裂，則極可能造成人員傷亡甚至導致嚴重事故后果。以壓裂為例，施工過程中高壓管匯同時受多相流沖蝕、振動疲勞、超高內(nèi)壓等多種因素耦合作用，工況極為復雜。目前，針對油氣田生產(chǎn)過程中復雜工況耦合條件下設備沖蝕磨損問題尚未形成系統(tǒng)的預測方法，沖蝕磨損主控因素研究對優(yōu)化施工參數(shù)、優(yōu)選高抗沖蝕材料以及設備壽命預測具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學者對多相流條件下設備沖蝕磨損主控因素進行了大量實驗研究，以厘清復雜工況下材料沖蝕磨損機理和規(guī)律。據(jù)統(tǒng)計，多達30種沖蝕磨損的影響因素被考慮在內(nèi)，主要分為4類，即：金屬材料力學特性(表面硬度、材料韌性、微觀結(jié)構(gòu)、表面硬化)、多相流體特性(液相流體黏度、多相流體固相含量、液相流體程度、流體紊流程度)、固相顆粒特性(固相顆粒形狀、尺寸、硬度、密度)及沖蝕磨損條件(顆粒撞擊速度、顆粒撞擊角度、沖蝕磨損溫度)。目前已在沖蝕實驗中得到量化且出現(xiàn)頻率最高的影響因素包括：撞擊速度(44次)、撞擊角度(32次)、固相顆粒含量(15次)等。

1 金屬材料力學特性影響規(guī)律

1.1 表面硬度

國內(nèi)外眾多研究表明，表面硬度是影響材料抗沖蝕能力的重要因素之一，在其他實驗參數(shù)相同的條件下，材料硬度越高抗沖蝕能力越強。侯南等、王佳峰等通過對大量材料和涂層進行摩擦實驗后認為，增強表面硬度可以提高材料/涂層的抗摩擦能力，但增大的幅度由于其微觀結(jié)構(gòu)不同而不甚相同。Oka等人研究認為，材料表面硬度、顆粒性質(zhì)和粒子撞擊速度是控制材料沖蝕磨損速率的主要因素，并提出了沖蝕磨損速率的計算方程如式(1)所示。

式中：

E

——沖蝕磨損速率，mg/g；

V

——粒子撞擊速度，m/s；

H

——材料表面硬度，GPa；

K

、

K

1、

m

、

n

1、

n

2——實驗擬合參數(shù)；

d

——固相顆粒尺寸(直徑)，mm；

α

——撞擊角度，°。

1.2 材料韌性

O’Flynn提出金屬材料的抗沖蝕能力與其韌性和均勻伸長應變的乘積有關(guān)。其中韌性是指材料產(chǎn)生斷裂所需的能量，通過材料拉伸試驗中應力——應變曲線所圍成的面積確定，研究結(jié)果表明沖蝕磨損速率隨著金屬材料韌性與均勻伸長應變的乘積增大而逐漸降低。

2 多相流體特性影響規(guī)律

2.1 多相流體固相含量

多相流中固相含量是影響靶件沖蝕速率的重要因素之一。黃小兵等研究發(fā)現(xiàn)，材料的沖蝕速率隨著固相含量增大而逐漸增加，二者之間無法用簡單的線性關(guān)系予以描述。Hu X等、Nevile A等在對UNS S31603、UNS S32654合金的沖蝕磨損研究中發(fā)現(xiàn)，隨著固相含量增加，材料失重逐漸非線性增大，且材料失重在固相含量200 g/L時達到峰值，固相含量超過200 g/L后，失重量隨著固相含量增加而明顯降低，這是由于固相含量超過臨界值后，其顆粒間的相互碰撞、反彈會產(chǎn)生“屏蔽效應”，反而降低撞擊能量并間接對材料產(chǎn)生保護作用。屈文濤等和高文祥等利用噴射式?jīng)_蝕實驗裝置對20Cr沖蝕磨損的研究表明，材料失重隨固相含量增大而顯著增加，當固相含量為25 kg/m時材料失重達到峰值，當固相含量高于25 kg/m時，材料失重逐漸降低并最終穩(wěn)定，當固相含量為50 kg/m時材料沖蝕速率最低。

2.2 液相流體黏度

Mansouri研究認為高黏度流體增加了固相顆粒的浮力，使其在液相流體中處于懸浮狀態(tài)，增加了撞擊內(nèi)壁的可能性。而在管道多相流工況下，低黏度流體中的固相顆粒傾向于向下沉降并在管道底部形成保護性固相滑動床。因此，管道沖蝕磨損程度隨液相流體黏度降低而減小，但這種影響很大程度取決于液相速度。Kesana等研究發(fā)現(xiàn)，在低速(18，27，35 m/s)液相條件下金屬材料沖蝕損失量隨液相黏度增加而增大，但在高速(45 m/s)液相條件下沖蝕損失量相對降低。因此，Kowsari等提出，在極高速條件下液相黏度增大會由于黏性效應而導致沖蝕磨損程度降低，黏度增大改變了固相顆粒停滯區(qū)從而降低了粒子沖擊能量，同時黏度增大增加了顆粒動量數(shù)，從而減小了固相顆粒的局部撞擊角度，共同降低了管道的沖蝕損失量。Frosell等、Turenne等研究認為，在噴射式?jīng)_蝕磨損實驗中，由于高黏度流體在粒子撞擊材料后從材料表面清除效率提高，因此可以有效降低沖蝕磨損速率。

3 固相顆粒特性影響規(guī)律

3.1 固相顆粒形狀

固相顆粒形狀是影響材料沖蝕磨損的重要因素之一，在其他因素相同的條件下，尖角顆粒會造成沖蝕磨損加劇。Chik研究表明，相同實驗條件下尖角顆粒的沖蝕磨損速率是圓形顆粒的4倍。

3.2 固相顆粒尺寸

針對個體固相顆粒而言，顆粒尺寸增大會加速材料沖蝕磨損速率，這是由于在撞擊速度一定的條件下，大尺寸固相顆粒撞擊會向材料表面?zhèn)鬟f更多動能從而造成更為嚴重的沖蝕磨損。眾多學者研究認為，材料沖蝕磨損速率與固相顆粒尺寸具有冪律相關(guān)性，指數(shù)值在0.2～4.0范圍內(nèi)變化。姚軍使用粒徑50～80目的石英砂對304不銹鋼進行定角度沖蝕實驗后認為，固相顆粒粒徑隨著沖蝕時間增大而逐漸減小，且隨著粒徑減小，固相顆粒對材料產(chǎn)生的沖擊作用減小，導致沖蝕速率降低。張繼信等對35CrMo鋼進行的沖蝕磨損研究表明，固相顆粒尺寸對35CrMo鋼沖蝕磨損量影響較大，隨著沖蝕固相顆粒尺寸增加，材料沖蝕磨損量顯著增大。

3.3 固相顆粒硬度

普遍認為，金屬材料沖蝕磨損程度與固相顆粒硬度與材料硬度的比值有關(guān)，即隨著比值增大沖蝕磨損速率增加，比值超過臨界值后沖蝕磨損趨于平穩(wěn)。Levy通過不同硬度固相顆粒對硬度約為1 500 N/m的1020冷軋鋼的沖蝕磨損實驗研究中發(fā)現(xiàn)，隨著固相顆粒硬度增大，1020冷軋鋼的沖蝕磨損速率迅速增大，但當固相顆粒硬度超過7 000 N/m后，1020冷軋鋼的沖蝕磨損速率基本趨于穩(wěn)定。

4 沖蝕磨損條件影響規(guī)律

4.1 粒子撞擊速度

沖蝕磨損的核心原因是固相顆粒撞擊導致的材料損失，因此粒子撞擊速度是影響沖蝕磨損規(guī)律最重要的因素之一，直接關(guān)系到管線、設備的使用壽命。Hu等對UNS S31603、UNS S32654合金的沖蝕磨損研究表明，撞擊速度4 m/s時固相顆粒不會對材料造成明顯損傷，而7 m/s時固相顆粒的剪切作用明顯，會導致材料表面嚴重損傷。Mori等對S31803、S42000和N08028鋼的沖蝕磨損規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，材料沖蝕磨損存在撞擊速度的臨界值，當撞擊速度大于臨界值后材料失重量顯著增加。張繼信等人通過研究對高壓管匯用30CrMo、42CrMo合金鋼進行定角度沖蝕磨損研究發(fā)現(xiàn)，當撞擊速度小于7 m/s時，材料的沖蝕磨損量較小，而當撞擊速度大于10 m/s時，由于固相顆粒撞擊能量高，速度的水平分量大，可以在材料表面劃過較長距離并導致嚴重破壞，因此噴射速度對材料磨損失重量具有顯著影響，二者呈一定的指數(shù)關(guān)系。趙彥琳、馬文海、張福祥等人也分別以316不銹鋼、P110以及超級13Cr合金為對象開展研究，研究結(jié)果均表明撞擊速度對沖蝕磨損量具有顯著的正相關(guān)效應，但由于材料及沖蝕介質(zhì)等其他條件不同會導致臨界撞擊速度略有差別。為實現(xiàn)粒子撞擊速度與材料沖蝕速率關(guān)系的定量研究，國內(nèi)外學者進行了大量實驗研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料沖蝕磨損速率與粒子撞擊速度存在冪律關(guān)系，指數(shù)值取決于固相顆粒、測試材料及實驗條件等多種因素，介于0.34～4.83之間。

4.2 粒子撞擊角度

通常認為，固相顆粒入射方向與靶件表面的夾角為撞擊角度。當流體攜帶顆粒撞擊靶件表面時，其作用效果將分為水平剪切力和垂向正應力并分別導致材料表面切削和變形損失。Tang等通過研究不同角度對于API X65鋼的沖蝕磨損影響時發(fā)現(xiàn)，材料磨損失重量隨撞擊角度變化明顯，并分別在45°、70°和90°時周期性出現(xiàn)失重極值。當撞擊角度較小時，水平剪切力導致的切削作用起主導作用，當達到臨界角度時，剪切力和正應力交互作用并出現(xiàn)沖蝕磨損失重極值，隨后垂直正應力占據(jù)主導并直至下個臨界角度出現(xiàn)。Burstein等研究撞擊角度對304L不銹鋼沖蝕失重影響規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，靶件在撞擊角度40°時出現(xiàn)失重峰值，而在90°時并未再次出現(xiàn)峰值，分析認為是由于90°時固相顆粒正向撞擊導致鈍化膜與材料表面緊密貼合，起到一定保護效果。Zhang在對3003鋁合金進行沖蝕磨損研究時也得到了類似結(jié)果。竇益華等研究發(fā)現(xiàn)，超級13Cr的沖蝕速率在撞擊角度30°時達到峰值，隨后逐漸下降，并在90°時降至谷值，分析發(fā)現(xiàn)撞擊角度較小時材料表面出現(xiàn)較深的切削犁溝，在撞擊角度較大時材料表面產(chǎn)生微裂縫。劉成龍等、孫麗麗等研究發(fā)現(xiàn)，低撞擊角度下材料表面沖蝕形貌以行程長的犁溝為主，隨著撞擊角度增大，固相顆粒水平剪切力降低，在靶件表面停留時間縮短，導致靶件表面犁溝數(shù)量減少且長度降低，并開始出現(xiàn)撞擊鍛造導致的凹坑形態(tài)，直至撞擊角度達到90°時，沖蝕形態(tài)以凹坑為主，幾乎不存在犁溝。

4.3 沖蝕磨損溫度

沖蝕磨損溫度主要包括液相流體溫度和金屬材料溫度。部分學者研究表明，沖蝕速率隨沖蝕溫度升高而增大。Man等進行沖蝕磨損實驗研究發(fā)現(xiàn)，175℃液相條件下的材料沖蝕速率是95℃液相條件下的6倍。但Smeltzer等研究發(fā)現(xiàn)，液相溫度升高會提高金屬表面延展性，導致更多的固相顆粒撞擊能量被塑性變形損耗，從而降低材料沖蝕速率。Ruff等使用噴射式?jīng)_蝕實驗裝置對304不銹鋼測試發(fā)現(xiàn)，將金屬材料溫度從25℃升高至500℃會導致最大沖蝕速率處的粒子撞擊角度降低。但在油氣田開發(fā)實際工況下，設備/管道中多相流體溫度相對穩(wěn)定，因此針對某一固定操作工況的設備/管道，溫度對沖蝕磨損程度影響不大。

5 總結(jié)與展望

目前，國內(nèi)外學者針對多相流沖蝕磨損主控因素的研究主要從金屬材料力學特性、多相流體特性、固相顆粒特性和沖蝕磨損條件等4方面開展，對多相流條件下材料沖蝕磨損機理和規(guī)律等取得了比較深入的認識，就研究成果來看，金屬表面硬度、多相流體固相含量、固相顆粒形狀和粒子撞擊速度對沖蝕磨損具有重要影響。同時，油氣田設備多相流沖蝕磨損主控因素研究還需在研究方法方面加以完善。

a)目前，多采用單因素分析法開展沖蝕磨損影響因素研究，有必要對多相流沖蝕、振動疲勞、超高內(nèi)壓等多因素耦合作用下的沖蝕磨損規(guī)律進行深入研究，得出具有指導意義的預測模型，為壓裂用高壓管匯沖蝕磨損實時監(jiān)測預警技術(shù)的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

b)大多數(shù)研究中僅對多相流動工況進行模擬，忽略了內(nèi)壓載荷、振動疲勞等工況的耦合作用，實驗條件與實際工況差別較大，需在后續(xù)實驗中增加外加載荷工況的模擬；同時，主流的研究方法多采用噴射式?jīng)_蝕磨損實驗裝置，無法模擬液相淹沒式?jīng)_蝕，因此，高速噴射式裝置與高壓環(huán)路式裝置配合使用將成為未來研究趨勢。