沖擊角度對硬質顆粒沖擊柔性靶板的影響

付晨陽，謝振強，李 瑋，賈自力，馬 羚，呂 遠，李 紅

(1. 陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，西安 710065；2. 中國石油大學(華東)，山東 青島 266580)

0 引言

油氣管道輸送過程中，流體內部攜帶的固體顆?；驒C械雜質隨流體運動沖擊管壁，導致管道內壁沖蝕磨損甚至磨穿破損[1-3]，造成的經(jīng)濟損失及安全事故不容忽視。在沖蝕的理論研究方面已形成比較經(jīng)典的沖蝕模型[4-7]，這些模型多被應用于CFD流動仿真[8-9]軟件中進行復雜的含砂兩相流或者多相流的流型及沖擊部位的預測沖蝕速率[10-12]，不少實驗室也進行了各種形式的實驗驗證。中國石油大學(華東)曹學文實驗室利用環(huán)道實驗研究了水平管段塞流[12-14]、水平管含沙分散泡狀流[15]以及豎直管段塞/乳沫流[16]中的沖蝕現(xiàn)象，但是這些科研成果僅能宏觀地預測管道沖蝕區(qū)域[17]，沒有真正探討顆粒與靶板作用雙方的具體破壞關系，無法獲得更多減緩管道沖蝕的解決方案。中國石油大學(華東)李增亮課題組對顆粒沖擊過程進行了細致的研究及描述[18-20]，認為無論管道流動介質是兩相還是三相，沖蝕破壞機理都應以顆粒間的相互作用為基礎進行研究。該文針對影響沖蝕速率的顆粒沖擊角度這一因素進行全面研究，采用FEM有限元分析的方法，使用Abaqus軟件進行射擊過程模擬，并通過實驗驗證的方式，得到顆粒的空中運動形態(tài)及其導致的靶板材料切除及形貌塑造結果。

1 實驗準備及模擬設置

1)靶板：實驗用長方體靶板選用AA6061鋁合金材料，具有良好的塑性，強度中等，硬度低，容易進行室內實驗，在沖擊后易產(chǎn)生坑點，便于數(shù)據(jù)采集及信息處理。2)顆粒：實驗不考慮因顆粒沖擊到靶板發(fā)生碎裂而造成的重復沖擊過程，因此選用硬度較大的高速鋼(W18Cr4V)材料，顆粒的角度設計為30°,45°,60°,90°,120°,135°和150°，保證顆粒質量一致。實驗材料圖片如圖1所示。

圖1 顆粒和靶板示意圖Fig.1 Schematic diagram of particle and target plate

實驗器材選用李增亮課題組設計研究的顆粒彈射裝置[18]，如圖2所示，通過將彈簧的彈性勢能轉換為顆粒的動能進行研究。輔助實驗設備包括高速攝像機(用于拍攝顆粒的運動狀態(tài))、大燈(提升環(huán)境明亮度，以獲得更好的拍攝效果)和3D共聚焦顯微鏡(用于后續(xù)測量靶板的沖擊坑深度及形貌)，實驗開始前使用240#,800#和1500#砂紙打磨靶板表面直至光亮。

圖2 彈射裝置正面示意圖Fig.2 Forward diagram of ejection device

模擬過程中，Abaqus軟件采用自定義單位制，整個模擬尺寸在毫米量級。實驗中僅繪制與顆粒接觸區(qū)域附近的靶材，設置靶材的長度為40 mm，寬度為10 mm，顆粒尺寸按照實驗所用顆粒尺寸設置。顆粒材質為高速鋼(W18Cr4V)，密度為9 870 kg/m3，泊松比為0.22，楊氏模量為640 GPa；靶材材質為AA6061鋁合金，密度為2 700 kg/m3，楊氏模量為70 GPa,泊松比為0.33,屈服應力為σ0=130 MPa。

2 研究結果與討論

2.1 沖擊過程研究

實驗過程中顆粒在夾持裝置上固定一個位置，通過調整螺栓轉動靶材到不同位置達到改變沖擊角度的目的，使沖擊角度依次為25°,35°,45°,55°，65°,75°和85°進行實驗。圖3所示為不同沖擊角度(25°～85°)下顆粒沖擊實驗軌跡圖。從圖3記錄的沖擊路徑中可以看出，顆粒射出后沖擊到靶板表面并以一定角度彈出，沖擊角度在45°～85°時，隨著沖擊角度減小，反彈角度相應減小，顆粒反彈過程中的旋轉現(xiàn)象更為明顯，顆粒觸碰靶板，受到靶板的反作用力，產(chǎn)生反彈旋轉現(xiàn)象。當沖擊角度降低到35°時，沖擊過程由沖擊旋轉變?yōu)楣尾?，顆粒不是以尖角觸碰靶板而是近似平行面接觸靶板，降低沖擊角度至25°時，顆粒持續(xù)刮擦靶板。

圖3 不同沖擊角度(25°～85°)下顆粒沖擊實驗軌跡圖Fig.3 Experimental trajectory of particles impact under different incident angles(25°～85°)

2.2 沖擊坑表面研究

2.2.1 沖擊坑表面形貌研究

圖4所示為沖擊角度為65°,45°和35°時顆粒沖擊一次形成的3種靶材表面形貌圖，可分別稱為沖擊、切削和犁割。從圖4中可以看出，顆粒在65°高沖擊角度下沖擊靶材表面，顆粒刺入靶材內部，在轉動彈出的過程中翹起材料并堆積在沖擊坑前方；在沖擊角度為45°時顆粒斜切靶材表面，顆粒直接從沖擊表面劃擦飛出，將表面材料切除，沒有材料堆積出現(xiàn)，靶材上能看到光亮的沖擊表面，證明靶材在沖擊過程中出現(xiàn)切屑分離；繼續(xù)降低沖擊角度到35°后，顆粒碰撞靶材后形成了大量不規(guī)則的隕石坑類型的小坑，圖4c展現(xiàn)了沖擊顆粒對靶材表面的犁割作用，顆粒以近似平行于靶板表面的平面沖擊靶板表面，形成了密集圓形隕石坑點的沖擊表面。在沖擊角度逐漸減小的過程中，顆粒與靶板之間的接觸面增大，沖擊坑寬度增大。從圖5所示沖擊坑表面紋理圖中可以看出，在對顆粒造成斜切的沖擊下，沖擊坑表面呈現(xiàn)出間斷的波紋狀切削紋理。

圖4 不同沖擊角度下靶板表面形貌圖Fig.4 Target surface topography under different impact angles

圖5 沖擊角度35°下沖擊坑表面紋理圖Fig.5 Texture of crater surface at incident angle of 35°

2.2.2 沖擊坑表面能量研究

圖6所示為不同沖擊角度下靶材損傷耗能。從圖6可以看出，損傷耗能最大值并不在沖擊角度最小的25°時出現(xiàn)，而是出現(xiàn)在沖擊角度為35°時，然后隨著沖擊角度增大損傷耗能逐漸減小，說明并不是沖擊角度越小，被沖擊對象的沖蝕磨損率最大，對靶材表面威脅最嚴重的情況出現(xiàn)在沖擊角度為35°時。35°角可以看作犁割與切削的分界角度，在35°角沖擊下靶材表面開始受到顆粒的斜切作用，會產(chǎn)生材料切除且切除碎屑量最大，對靶材造成的破壞程度高。圖7所示為不同沖擊角度下靶材內能變化圖，可以看到，沖擊角度為25°時，靶材內能斷崖式下降到最低，說明顆粒碰撞轉移到靶體上的能量最少，兩者之間碰撞形成的損傷最小，此時顆粒僅僅對靶材表面造成了刮擦，并未產(chǎn)生表面材料的脫離，對靶板表面造成的影響也是最小的。這是因為大沖擊角度下，靶板受到顆粒的正向沖擊和擠壓作用，切削產(chǎn)生的影響較小，而隨著沖擊角度降低，斜切造成材料切除，進一步降低沖擊角度，沖擊由斜切變?yōu)槔绺?，僅僅對靶板表面進行刮擦，造成少量材料損失，降低沖蝕磨損量。在實際生產(chǎn)中，應盡量使沖蝕過程中的沖擊顆粒與壁面保持在犁割狀態(tài)，以降低耗材損失，提高器械的使用壽命。

圖6 不同沖擊角度下靶材損傷耗能Fig.6 Damage dissipation energy under different incident angles

圖7 不同沖擊角度下靶材內能變化圖Fig.7 Internal energy of target under different incident angles

圖8所示為7次沖擊下沖擊二維形貌及表面應力分布。從圖8可以看出，顆粒沖擊角度越大，應力集中現(xiàn)象越明顯，位置處于沖擊坑底部；沖擊角度為35°時，靶板表面切屑切除量最大，造成很大程度的能量損失；沖擊角度從25°上升到65°，顆粒尖角刺入靶板逐漸加深，沖擊顆粒從切削靶板變?yōu)橥茢D靶板材料，被鏟起堆積的靶材仍然有很大一部分和靶板整體相連。圖9中的沖擊后最大應力值表明，最大集中應力隨沖擊角度增大先增大后減小，呈現(xiàn)二次函數(shù)關系；沖擊角度為45°時產(chǎn)生的沖擊坑集中應力達到全部模擬角度中的最大值；沖擊角度為25°時，由于沖擊顆粒以近似一整個平面的方式接觸靶板，作用面積大，作用力被分散，產(chǎn)生的集中應力最小。

圖8 7次沖擊下沖擊二維形貌及表面應力分布Fig.8 Stress distribution diagram and surface morphology of target after seven impacts under different incident angle

圖9 7次沖擊下最大集中應力值Fig.9 Maximum Mises stress value under seven shocks

2.2.3 沖擊坑深度研究

圖10所示為通過3D共聚焦顯微鏡測量的連續(xù)5次沖擊下沖擊坑的深度值，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，沖擊角度增大，沖擊坑深度增大，但增大程度逐漸減小，這一規(guī)律從圖11所示不同沖擊角度下顆粒刺入量圖也能得到驗證?？梢钥闯?，無論沖擊角度如何變化，第一次沖擊造成的顆粒沖擊深入量始終為最大值。首次沖擊后，顆粒動能一部分轉化為靶板的熱能，對受沖擊區(qū)域產(chǎn)生二次硬化加工，導致后續(xù)同等沖擊條件下的沖擊過程造成的沖擊深度遠小于首次沖擊。

圖10 45°沖擊角下靶材表面坑深測量圖Fig.10 Crater depth measurement at incident angle of 45°

圖11 不同沖擊角度下顆粒刺入量圖Fig.11 Histogram of particle penetration at different incident angle

3 結論

1)按照沖擊后靶板表面形貌的不同，沖擊過程可分為3類，即正向碰撞、斜切削和犁割。低沖擊角度下，顆粒對靶板產(chǎn)生犁割作用，沖擊面積大，產(chǎn)生的凹坑深度淺，形狀為隕石坑樣的密集小坑，對靶板的沖蝕破壞程度相對較弱。低沖擊角度下的斜切過程容易將材料從靶板上切除脫離，使靶板材料變薄。高沖擊角度下的斜切過程，管道材料雖然沒有被切除，但是易將靶材堆積在沖擊坑一側，形成高度差，在流體流動中易在此處產(chǎn)生渦流擾動，擾亂介質運行路線。沖蝕過程屬于物理過程，常常會破壞設施表面的防腐蝕涂層，在有流體流動的情況下沖蝕位置處容易演變?yōu)楦g坑點，使設備腐蝕穿孔。

2)高沖擊角度下顆粒近似直線彈出，實驗中沖擊角度35°是靶材表面形態(tài)從斜切削變?yōu)槔绺畹霓D變角度。

3)沖擊角度為35°時靶材損傷耗能達到最大，此時部分靶材被切除脫離；沖擊角度為25°時，靶材內能最低，此時顆粒僅對靶板產(chǎn)生犁割，沖擊到靶板上的作用面積大，集中應力小；沖擊角度越大(文中試驗值為85°)應力集中現(xiàn)象越明顯，而沖擊角度45°時的集中應力最大值達到最大。

4)多次沖擊下使試驗靶板產(chǎn)生加工硬化，首次沖擊的顆粒刺入量最大，后續(xù)顆粒沖擊刺入量小于首次沖擊刺入量。