兩種涂層管材抗沖蝕性能對(duì)比

李義博 王治國(guó)

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

0 引言

在石油和海洋領(lǐng)域中，引起設(shè)備失效的最主要原因之一就是材料失效導(dǎo)致的腐蝕磨損[1-3]。其中就包括了石油輸送管道、水輪機(jī)、泵和用于輸送固體顆粒的管道。在這種情況下，固體顆粒與液體會(huì)發(fā)生結(jié)合，形成液固兩相流，導(dǎo)致表面受損，引發(fā)局部部件損壞，導(dǎo)致成本增加，工作效率降低，甚至可能引發(fā)安全事故[4,5]。

材料的硬度、韌性、脆性等表面特性顯著影響耐腐蝕性能。關(guān)于硬度和侵蝕速率的關(guān)系，普遍認(rèn)為當(dāng)侵蝕顆粒與材料表面的硬度比高于1.2時(shí)，塑性材料的侵蝕接近最大并達(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)硬度比低于1.2時(shí)，侵蝕速率隨著硬度比的減小而減小[6]。塑性材料和脆性材料的沖蝕機(jī)理不同，導(dǎo)致它們的沖蝕速率也不相同。

1 沖蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 沖蝕試驗(yàn)設(shè)備

沖蝕實(shí)驗(yàn)使用自制沖蝕試驗(yàn)臺(tái)來(lái)完成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1（a）所示。首先配置液固兩相流流體，將硅砂顆粒與水按照1%比例進(jìn)行混合配置，硅砂顆粒形狀如圖1（b）所示。接著將試樣固定在試樣夾上，試樣與噴嘴之間的距離設(shè)為10.5mm，將混合流體倒入水箱中，隨后將試樣夾持器放在盛有混合流體的水箱中。啟動(dòng)離心泵，攜砂液體會(huì)從管道中流出沖擊試樣。沖蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)裝置，取下試樣并進(jìn)行表面清潔烘干處理，隨后連續(xù)稱重5次，取平均值，并測(cè)試砂含量，直至沖蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示示意圖和實(shí)驗(yàn)所用砂粒的顯微形貌

1.2 沖蝕實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)完成后射流流速v采用連續(xù)性方程計(jì)算：

式中，Q為漿體流量，kg/s；ρ為漿體密度，kg/m3；A為噴嘴出口面積，m2。攜砂率W為漿體攜帶的磨料占總添加磨料的比值。

式中，mp為隨漿體攜帶出的磨料顆粒質(zhì)量，kg；mabrasive為磨料顆粒添加的總質(zhì)量，kg。

式中，ER為管材沖蝕速率，g/（m2·s）；m1為管材沖蝕前質(zhì)量，g；m2為試樣沖蝕后質(zhì)量，g；Aspec為試樣沖蝕面積，m2；t為沖蝕時(shí)間。

2 沖蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硬度分析

進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)前，需要測(cè)量材料的硬度。用夾角為136°的金剛石正四棱錐壓頭，對(duì)其設(shè)定規(guī)定的試驗(yàn)力讓其壓入材料表面，等待規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，通過(guò)測(cè)量正四棱錐的壓痕面積來(lái)表示其硬度值。表1為1號(hào)和2號(hào)涂層的硬度值：

表1 材料硬度分析

對(duì)1號(hào)涂層和2號(hào)涂層的表面頂部的三個(gè)不同位置測(cè)量表面顯微硬度，并記錄平均值。由表1可知，2號(hào)涂層硬度遠(yuǎn)大于1號(hào)涂層。

2.2 沖蝕試驗(yàn)結(jié)果及分析

在液固沖蝕實(shí)驗(yàn)中，噴嘴直徑為7mm，噴嘴距離試樣距離為10.5mm。設(shè)定1號(hào)涂層和2號(hào)涂層的沖蝕時(shí)間為20min，由2.2章節(jié)計(jì)算公式可求出噴嘴平均流速為15m/s，平均含砂量為0.4954%。如圖2所示，1號(hào)涂層套管、2號(hào)涂層套管的沖蝕速率分別為0.002511g/（m2·s）、0.007179g/（m2·s）。

圖2 涂層材料在液固兩相流體中的沖蝕速率對(duì)比

對(duì)于1號(hào)樹(shù)脂涂層套管，由于1號(hào)樹(shù)脂涂層套管是粘貼在金屬表面，在10min1號(hào)涂層套管僅發(fā)生輕微剝落，而在20min時(shí)，涂層全部脫落且金屬受到?jīng)_蝕，由此可以推斷在1號(hào)涂層套管沖蝕20min后涂層膨脹粘貼性降低進(jìn)而導(dǎo)致涂層脫落。對(duì)比兩種涂層套管實(shí)驗(yàn)，在20min時(shí)間內(nèi)，2號(hào)涂層損失的質(zhì)量為1號(hào)涂層套管的1.5倍，表明2號(hào)涂層在短時(shí)間液固沖蝕的情況下抗沖蝕方面較弱?？梢缘贸鱿嚓P(guān)結(jié)論：1號(hào)涂層套管在90°的角度下，抗沖蝕普遍較低，較薄的涂層在高速流動(dòng)的攜砂液體中，塑性涂層通常會(huì)以脆性剝落或涂層鼓包脫落導(dǎo)致，2號(hào)涂層較薄，極其容易被沖沒(méi)。西北工業(yè)大學(xué)劉道新提到，涂層太薄或者太厚抗沖蝕能力都不太理想，需要將涂層材料控制在一定厚度抗沖蝕能力才能達(dá)到最佳[7]。因此，在較薄的涂層進(jìn)行液固環(huán)境下攜砂沖蝕，涂層的抗沖蝕性能極其不佳。

在氣固沖蝕實(shí)驗(yàn)中，噴嘴直徑為7mm，噴嘴距離試樣距離為10.5mm。設(shè)定1號(hào)涂層套管、2號(hào)涂層套管試樣沖蝕時(shí)間為1h，由2.2章節(jié)計(jì)算公式可求出噴嘴平均流速為17.5m/s。如圖3所示，1號(hào)涂層套管、2號(hào)涂層套管的沖蝕速率分別為0.000994718g/（m2·s）、0.000117893g/（m2·s）。對(duì)比1號(hào)涂層套管和2號(hào)涂層套管可以得出2號(hào)涂層套管在氣固的環(huán)境中抗沖蝕能力很強(qiáng)，根據(jù)圖2和圖3可以得出2號(hào)金屬涂層套管在液固環(huán)境抗沖蝕能力一般，沒(méi)有在氣固環(huán)境下抗沖蝕性能強(qiáng)，1號(hào)涂層套管在進(jìn)行氣固沖蝕實(shí)驗(yàn)中涂層雖然沒(méi)有被沖破，但是涂層的抗沖蝕性能還是較弱。

圖3 涂層套管材料在氣固兩相流體中的沖蝕速率對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)比1號(hào)涂層套管在氣固和液固環(huán)境下的沖蝕速率，1號(hào)涂層套管在液固的環(huán)境下比在氣固的環(huán)境下沖蝕速率更大，涂層更容易剝落；

（2）試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在液固兩相流環(huán)境中1號(hào)涂層套管10min后涂層就出現(xiàn)輕微剝落。而在氣固環(huán)境中，沖蝕1小時(shí)也沒(méi)有出現(xiàn)完全剝落；

（3）在20min的液固環(huán)境沖蝕試驗(yàn)條件下，2號(hào)涂層損失的質(zhì)量為1號(hào)涂層套管的1.5倍，表明2號(hào)涂層在短時(shí)間沖蝕的情況下抗沖蝕方面較弱。而2號(hào)涂層在氣固實(shí)驗(yàn)中損失質(zhì)量為1號(hào)涂層的0.12倍，表明2號(hào)涂層在短時(shí)間內(nèi)抗沖蝕能力極強(qiáng)。