沖蝕研究現(xiàn)狀

1、沖蝕磨損是指液體或固體以松散的小顆粒按一定的速度或角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的一種材料損耗現(xiàn)象或過程。它廣泛存在于機(jī)械、冶金、能源、建材、航空、航天等許多工業(yè)部門，已成為材料破壞或設(shè)備失效的重要原因之一6365。根據(jù)流動(dòng)介質(zhì)和所攜帶相的特點(diǎn)，可以將沖蝕磨損分為六種不同的類型66:（1）噴砂型沖蝕，即氣體介質(zhì)攜帶固體顆粒對(duì)材料的沖蝕，其工程實(shí)例為煙氣輪機(jī)、鍋爐管道等出現(xiàn)的破壞；（2）水滴沖蝕（又稱雨蝕），即氣體介質(zhì)攜帶液滴對(duì)材料的沖蝕，其工程實(shí)例為高速飛行器、汽輪機(jī)葉片出現(xiàn)的破壞等；（3）泥漿（又稱料漿）沖蝕，即液體介質(zhì)攜帶固體顆粒對(duì)材料的沖蝕，其工程實(shí)例如水輪機(jī)葉片、泥漿泵葉輪出現(xiàn)的破壞；（

2、4）氣蝕（又稱空蝕），即液體介質(zhì)攜帶氣泡對(duì)材料的沖蝕，工程實(shí)例如船用螺旋槳、高壓閥門密封面出現(xiàn)的破壞；還有兩種類型為三相流沖蝕，即（5）氣體介質(zhì)同時(shí)攜帶液滴和固體顆粒對(duì)材料的沖蝕；（6）液體介質(zhì)同時(shí)攜帶氣泡和固體顆粒對(duì)材料的沖蝕。本文研究的沖蝕磨損主要是固液兩相，可以歸到上述的第3類。1958年，從Finnie.I第一個(gè)沖蝕理論微切削理論提出以來，許多研究者提出了一些關(guān)于沖蝕的模型6774,但到目前為止，人們?nèi)晕茨苋娼沂静牧蠜_蝕的內(nèi)在機(jī)理75。Finnie.I解釋了塑性材料在多角形磨粒、低沖擊角下的磨損規(guī)律，但對(duì)高沖擊角或脆性材料的沖蝕偏差較大；1963年，Bitter76提出變形磨損理論，

3、 該理論在單顆粒沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)上得到驗(yàn)證，合理地解釋了塑性材料的沖蝕現(xiàn)象，但缺乏物理模型的支持。Levy77在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出來的鍛壓擠壓理論：使用分步?jīng)_蝕試驗(yàn)法和單顆粒尋跡法研究沖蝕磨損的動(dòng)態(tài)過程。該理論較好地解釋了顯微切削模型難以解釋的現(xiàn)象。1979年，Evans等人提出的彈塑性壓痕破裂理論78。大量試驗(yàn)證明，該理論很好地反映了靶材和磨粒對(duì)沖蝕磨損的影響，試驗(yàn)值和理論值也較吻合，但不能解釋脆性粒子以及高溫下剛性粒子對(duì)脆性材料的沖蝕行為。Tilly79提出二次沖蝕理論，它用高速攝影術(shù)、篩分法和電子顯微鏡研究了粒子的破裂對(duì)塑性靶材沖擊的影響，較好地解釋了脆性粒子的大入射角沖蝕問題。Hutc

4、hing提出了絕熱剪切與變形局部化磨損理論，該理論第一次把變形臨界值作為材料性質(zhì)的衡量指標(biāo)，由材料的微觀結(jié)構(gòu)所決定。流體沖蝕理論目前已建立了兩個(gè)理論，一個(gè)是Springer理論，它用以解釋氣蝕及液滴沖蝕中存在孕育期、加速期、最大沖蝕及穩(wěn)定沖蝕區(qū)。另一個(gè)是Thiruvengadam理論， 它提出沖蝕強(qiáng)度的概念， 用簡(jiǎn)單的圖解法估算特定條件下材料耐沖蝕壽命與沖蝕強(qiáng)度之間的關(guān)系，但與實(shí)際情況有較大的偏離。 影響沖蝕磨損包括材料內(nèi)在因素和環(huán)境因素， 這在國內(nèi)許多書籍和文獻(xiàn)80已做了大量論述，對(duì)材料的耐沖蝕性能與其內(nèi)在因素的關(guān)系，以及環(huán)境、沖擊角度、粒子大小、速度等因素對(duì)沖蝕的影響，研究人員持不同的觀點(diǎn)

5、8183。流速流態(tài)對(duì)沖刷磨損具有十分重要的影響，通過研究流體力學(xué)因素的影響程度，有助于深入認(rèn)識(shí)沖刷磨損的機(jī)理84,85o在流態(tài)發(fā)生突然變化的部位（如突然擴(kuò)充、收縮等），這種惡性循環(huán)會(huì)造成過流部件的過早失效。流體的流動(dòng)狀態(tài)，不僅取決于流速，而且與流體的物性、設(shè)備的幾何形狀有關(guān)86。近幾十年人們?cè)囍鴮ふ夷承┩ㄓ没蜿P(guān)鍵的流體力學(xué)參數(shù)來解釋沖刷磨損速度，其中包括流速87、雷諾數(shù)88、傳質(zhì)系數(shù)89,近壁處的湍流強(qiáng)度（near-wallturbulence）90。在工程上或?qū)嶒?yàn)室研究中，流速往往是唯一的和可控制的力學(xué)指標(biāo)，人們借以提出臨界流速概念91,美國石油學(xué)會(huì)還制定出適合油氣開采過程的臨界流速計(jì)算公式

6、。但不同學(xué)者得出的臨界流速各不相同，這與每個(gè)學(xué)者采用的不同實(shí)驗(yàn)方法有關(guān)，臨界流速本身是否存在也受到質(zhì)疑。流體及磨粒速度、沖擊角度、沖蝕時(shí)間、硬度等也是影響沖刷磨損的重要因素。沖擊角的影響與靶材類型有關(guān)，塑性材料在2030角沖擊時(shí)破壞最大97。文獻(xiàn)98認(rèn)為，材料發(fā)生沖刷磨損存在一個(gè)沖擊速度的門檻值，低于這個(gè)數(shù)值不產(chǎn)生沖蝕磨損，只發(fā)生彈性變形。磨粒沖擊速度，由粒子性能和材料性質(zhì)決定。沖蝕磨損與其他磨損具有不同的特點(diǎn)，沖蝕磨損存在一個(gè)較長(zhǎng)的潛伏期或孕育期。即磨料沖擊靶面后先是使表面粗糙、產(chǎn)生加工硬化而不使材料產(chǎn)生流失，經(jīng)過一段時(shí)間的損傷積累后才逐步產(chǎn)生沖蝕磨損99。N.J.Clem等人基于CFD理論

7、對(duì)高流量下的壓裂管柱內(nèi)流速，流線，沖蝕以及砂的濃度進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果，確定系統(tǒng)內(nèi)需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的部位100oJ.Li和S.Hamid等人采用CFD模型對(duì)水平井噴砂器周圍流態(tài)進(jìn)行了研究101,并分析了流體對(duì)壁面的沖擊角度。綜上所述，固液兩相流動(dòng)理論和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，以及沖刷磨損研究中流體力學(xué)因素的引入，為本課題的研究提供了理論依據(jù)。隨著水力壓裂技術(shù)的不斷發(fā)展，壓裂井深、施工排量、加砂量、施工壓力不斷的提高，對(duì)壓裂管柱提出了更高的設(shè)計(jì)要求。而將計(jì)算流體力學(xué)理論和沖刷磨損研究方法引入壓裂管柱設(shè)計(jì)研究中已經(jīng)開始引起研究者的重視。壓裂管柱內(nèi)固液兩相流動(dòng)特性及沖刷磨損機(jī)理研究，使整體管柱的設(shè)計(jì)及

8、優(yōu)化工作得到完善，必將是國內(nèi)外的研究動(dòng)向和發(fā)展方向。63 AllenC,BallA.Areviewoftheperformanceofengineer-ingmaterialsunderprevalenttribologicalandwearsituationsinSouthAfricaindustriesJ.TriboInter,1996(29):105-116.64董剛，張九淵.固體粒子沖蝕磨損研究進(jìn)展J.材料科學(xué)與工程報(bào)，2003,21(2):307312.65陳冠國，褚秀萍.關(guān)于沖蝕磨損問題J.河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997,19(4):2732.66劉家俊，李詩卓，周平安等.材料磨損原理

9、及其耐磨性M.北京：清華大學(xué)出版社，1993:172193.67 FinnieI,StevickGR,RidgelyJR.TheinfluenceofimpingementangleontheerosionofductilemetalsbyangularabrasiveparticlesJ.Wear,1992(152):91-98.68 FinnieI.SomeobservationsontheerosionofductilemetalsJ.Wear,1972(19):81-90.69M.Hutchings.Amodelfortheerosionofmetalsbysphericalparti

10、clesatnormalincidenceJ.Wear,1981(70):269-281.70 SundararajanG.,ShewmonPG.AnewmodelfortheerosionofmetalsatnormalincidenceJ.Wear,1983(84):237-258.71 JahamnirS.ThemechanicsofsubsurfacedamageinsolidparticleerosionJ.Wear,1981(61):309-324.72 BranchRM.ImpactdynamicswithapplicationstosolidparticleerosionJ.I

11、nternationalJournalofImpactEngineering,1988(7):37-53.73 SundararajanG,ShewmonPG.AnewmodelfortheerosionofmetalsatnormalincidenceJ.Wear,1983(84):237-258.74 WiederhornSM,LawnBR.Strengthdegradationofglassimpactedwithsharpparticles:I,AnnealedSurfacesJ.JournaloftheAmericanceramicsociety,1979(62):66-69.75馬

12、穎，任峻，李元東等.沖蝕磨損研究的進(jìn)展J.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,31(1):2225.76 BitterJG.AstudyoferosionphenomenaJ.Wear,1983(6):5-21.77 LevyAV.Theerosionofstructurealloys,cerametsandinsituoxidescalesonsteelsJ.Wear,1988(127):31-52.78邵荷生，曲敬信.摩擦與磨損M.北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.79 TillyGP.AtwostagemechanismofductileerosionJ.Wear,1973(23):87-96.8

13、0李詩卓，董祥林.材料的沖蝕磨損與微動(dòng)磨損M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.81潘牧，羅志平.材料的沖蝕問題J.材料科學(xué)與工程，1999,3(17):9296.82 RogersM,HutchingsIM.Coatingsandsurfacetreatmentsforprotectionagainstlow-velocityerosion-corrosioninfluidizedbedsJ.Wear,1995,186-187:238-246.83 BryanPoulaon.ComplexitiesinpredictingerosioncorrosionJ.Wear,1999,233-235:

14、497-504.84林玉珍.在流動(dòng)條件下磨損腐蝕的研究進(jìn)展J.全面腐蝕控制，1996,10(4):13.85田興嶺，林玉珍等.碳鋼在液/固雙相管流中的磨損腐蝕機(jī)理研究J.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,30(5):4043.86鄭玉貴，姚治銘，柯偉.流體力學(xué)因素對(duì)沖刷腐蝕的影響機(jī)制J.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2000,12(1):3640.87 CopsonHR.EffectsofVelocityonCorrosionbyWaterJ.Ind.andEng.Chem.,1952,44:1745.88 ShemiltLW,ChaC丫,FiadzigbeE.Steelpipecorrosionunderf

15、lowconditions-III.EffectofsulphateionJ.CorrosionScience,1980,20:443-455.89 SyddergerT,LotzUJ.Electrochem.Soc.,1982,129(2):276.90 BlattW,HeitzE.Corrosion,1989,45(10):793.91 SyrettBC.Corrosion,1976,32(6):242.92 ZeiselH.Durst.Corrosion90,p29.93林玉珍.中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，1999,19(1):1.94 BrownNP,ShookCA,PotersJ,etal.

16、TheCanadianJourralofChemicalEngineering,1983,61(8):597.95 BlattW,HeitzE.HydromechanicalmeasurementsforerosioncorrosionJ.Corrosion90,NACE,1990:25.96鄭玉貴，閻永貴，龍康等.中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，1999,19(5):301.97劉英杰，成克強(qiáng).磨損失效分析基礎(chǔ)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.98邵荷生，曲敬信.摩擦與磨損M.北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.99何獎(jiǎng)愛，王玉瑋.材料磨損與耐磨材料M.沈陽：東北大學(xué)出版社，2002.100 ClemNJ

17、,CoronadoMP,ModyR.K.UtilizingComputationalFluidDynamics(CFD)AnalysisasaDesignToolinFrac-PackingApplicationsToImproveErosionLifeC.SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibition,2006,9:24-27.101 LiJ,HamidS,OnealD.PredictionofToolErosioninGravel-PackandFrac-PackApplicationsUsingComputationalFluidDynamics(CF

18、D)SimulationC.OffshoreTechnologyConference,2005,3:2-5.1張書進(jìn).壓裂管柱內(nèi)固液兩相流動(dòng)特性及磨損機(jī)理研究D大慶石油學(xué)院，2010.沖蝕磨損的定義沖蝕磨損(erosionwear)是指材料受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象。其定義可以描述為固體表面同含有固體粒子的流體接觸做相對(duì)運(yùn)動(dòng)其表面材料所發(fā)生的損耗。 攜帶固體粒子的流體可以是高速氣流，也可以是液流，前者產(chǎn)生噴砂型沖蝕，后者則稱為泥漿型沖蝕。沖蝕磨損是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中常見的一種磨損形式，是造成機(jī)器設(shè)備及其零部件損壞報(bào)廢的重要原因之一。沖蝕磨損的種類沖蝕磨損是由多相流動(dòng)介質(zhì)

19、沖擊材料表面而造成的一類磨損。根據(jù)流動(dòng)介質(zhì)的不同，可將沖蝕磨損分為兩大類：氣流噴砂型沖蝕及液流或水滴型沖蝕。流動(dòng)介質(zhì)中攜帶的第二相可以是固體粒子、液滴或氣泡，它們有的直接沖擊材料表面，有的則在表面上泯滅從而對(duì)材料表面施加機(jī)械力。如果按流動(dòng)介質(zhì)及第二相排列組合，則可把沖蝕分為如下四種類型。1 1、噴砂型噴嘴沖蝕：氣流攜帶固體粒子沖擊固體表面產(chǎn)生的沖蝕。這類沖蝕現(xiàn)象在工程中最常見，如入侵到直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的塵埃和沙粒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的沖蝕。氣流運(yùn)輸物料對(duì)管路彎頭的沖蝕，火力發(fā)電廠粉煤鍋爐燃燒尾氣對(duì)換熱器管路的沖蝕等。2 2、泥漿噴嘴沖蝕：油液體介質(zhì)攜帶固體粒子沖擊到材料表面產(chǎn)生的沖蝕。這類沖蝕表現(xiàn)在水輪機(jī)葉片

20、在多泥沙河流中受到的沖蝕，建筑行業(yè)，石油鉆探、煤礦開采、冶金礦山選礦場(chǎng)中及火力發(fā)電站中使用的泥漿泵，雜質(zhì)泵的過流部件受到的沖蝕，以及在煤的氣化、液化(煤油漿、煤水漿的制備)、輸送及燃燒中有關(guān)輸送管道、設(shè)備受到的沖蝕等。3 3、雨蝕、水滴沖蝕：高速液滴沖擊造成材料的表面損壞。如飛行器，導(dǎo)彈穿過大氣層及雨區(qū)時(shí)，迎風(fēng)面上受到高速的單顆粒液滴沖擊出現(xiàn)的漆層剝落和蝕坑，在高溫過熱蒸汽中高速運(yùn)行的蒸汽輪機(jī)葉片備受到水滴沖擊而出現(xiàn)小的沖蝕等。4 4、氣蝕性噴嘴沖蝕：由低壓流動(dòng)液體中溶解的氣體或蒸發(fā)的氣泡形成和泯滅時(shí)造成的沖蝕。這類沖蝕主要出現(xiàn)在水利機(jī)械上，如船用螺旋槳，水泵葉輪、輸送液體的管線閥門，以及才有

21、機(jī)汽缸套外壁與冷卻水接觸部位過窄的流道等。沖蝕磨損的防護(hù)通常采用涂抹預(yù)保護(hù)涂層，根據(jù)磨損情況的不同選擇不同的保護(hù)層。主要有以下幾種：1 1 采用耐磨涂層膠，耐磨修補(bǔ)劑講行預(yù)保護(hù),2 2 采用耐磨陶海膠粘貼特種耐磨陶瓷片進(jìn)行預(yù)保護(hù),3 3 采用聚氨酯彈性涂層20052005 年，馬穎，任峻等介紹了沖蝕磨損的實(shí)質(zhì)及其磨損理論，并探討了影響沖蝕磨損的主要因素.研究結(jié)果表明， 沖蝕磨損是液體或固體小顆粒以一定速度或角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的一種材料損耗現(xiàn)象，沖蝕量的衡量體系依據(jù)材料屬于塑性還是脆性具有不同的理論模型；影響沖蝕磨損的因素主要有粒子性能、環(huán)境因素和材料性能等方面.1馬穎，任峻，李元東，

22、陳體軍，李炳.沖蝕磨損研究的進(jìn)展J.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,31(1):21-2520092009 年，李國美，王躍社等建立了考慮顆粒碰撞的顆粒沖蝕計(jì)算模型，該數(shù)學(xué)模型包括：在 EulerianEulerian 坐標(biāo)系下求解連續(xù)相流場(chǎng)；在 129129 舊觀 1212 門坐標(biāo)系下運(yùn)用離散顆粒硬球模型求解顆粒碰撞；應(yīng)用半實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式求解顆粒沖蝕速率。對(duì)水力加砂壓裂施工中節(jié)流器內(nèi)液-固兩相流的固體顆粒運(yùn)動(dòng)和沖蝕特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。 計(jì)算結(jié)果表明，固體顆粒密集于節(jié)流器入口到出口的一段狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，沖蝕速率隨流體速度呈指數(shù)性變化。顆粒直徑越大，沖蝕速率也越大。1李國美，王躍社，孫虎，亢力強(qiáng)，王燕令，彳s仁洋.節(jié)流器內(nèi)液-固兩相流固體顆粒沖蝕數(shù)值模擬J.石油學(xué)報(bào)，2009,30(1):145-1482010年，王尊策，徐艷等針對(duì)深層氣井壓裂施工排量和加砂量